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Metalle Magnesiumlegierungen im Leichtbau

| Autor / Redakteur: Dr. Hajo Dieringa*, Dr. Jan Bohlen* / Dorothee Quitter

Magnesium ist der leichteste metallische Konstruktionswerkstoff. Magnesiumlegierungen haben jedoch einen geringen Marktanteil. Aktuelle Forschungen sollen das ändern.

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Schematische Darstellung des Gießwalzprozesses.
Schematische Darstellung des Gießwalzprozesses.
(Bild: Helmholtz-Zentrum Geesthacht)

Mit ihrer um etwa 30 % geringeren Dichte im Vergleich zu Aluminiumlegierungen haben Magnesiumlegierungen als leichtester metallischer Konstruktionswerkstoff eigentlich noch immer einen zu geringen Marktanteil im direkten Vergleich. Die Gründe hierfür sind vielfältig.

Zum einen findet die Primärproduktion derzeit vorwiegend in China statt, was nicht allen OEMs als ausreichend sicher gilt. Das ist insbesondere deshalb bemerkenswert, weil Magnesium als das siebthäufigste Element der Erdkruste weltweit in ausreichender Menge abbaubar wäre und sogar aus Seewasser gewonnen werden kann.

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Darüber hinaus wird Korrosion als Gefahrenquelle genannt. In der Tat hat Magnesium im Vergleich mit allen anderen Konstruktionsmetallen das geringste elektrochemische Potential und daher kommt es im Kontakt mit anderen Metallen und bei Überdeckung mit einem Elektrolyten zu galvanischer Korrosion. Dies ist bei anderen Metallpaaren aber vergleichbar und lässt sich durch Beschichtung oder geeignete Auslegung in den Griff bekommen.

Weiterhin gibt es eine alte und diffuse Furcht vor der Brandgefahr, die sich aus dem Einsatz von Magnesiumlegierungen ergeben könnte. Auch dieser Gesichtspunkt ist längst widerlegt. Die FAA, die Amerikanische Luftfahrtkontrollbehörde, hat Vergleichsuntersuchungen mit einer Magnesiumlegierung des Herstellers MEL und einer 2024 Aluminiumlegierung durchgeführt, die zu dem Ergebnis kamen, dass die neuen Magnesiumlegierungen keine Gefahr darstellen und in Sitzstrukturen eingesetzt werden dürfen.

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Magnesiumlegierungen im Druckguss

Mehr als 90 % der eingesetzten Magnesiumlegierungen werden heute im Druckguss verarbeitet. Hier sind für den Einsatz der Teile bei Raumtemperatur gute und auch günstige Legierungen vorhanden, vor allem AZ91 und AM50 bzw. AM60. Erstere hat eine etwas bessere Festigkeit, die AM-Legierungen mehr Duktilität.

Alle Druckgusslegierungen enthalten > 4 % Aluminium, was die Giessbarkeit verbessert. Für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen stehen weitere druckgussfähige Legierungen zur Verfügung, wie etwa die AS21/AS41, AE42/AE44 oder AJ62. Aus diesen Legierungen werden Getriebegehäuse oder Kurbelgehäuse in großer Stückzahl gefertigt. Bei einer weiteren Steigerung der Einsatztemperaturen kommen nur noch aluminiumfreie Magnesiumlegierungen in Frage, die dann auch nur noch im Sandguss oder Kokillenguss verarbeitet werden können. Typische Beispiele für diese Legierungen sind WE43, WE54, QE22, Elektron21 oder SC1. Aus diesen Legierungen werden z.B. Helikoptergetriebe und -motorblöcke gegossen.

Sandguss-Helikoptergetriebe aus ZE41 und Deckel aus WE43; Dimensionen 1,4 m x 0,85 m x 0,45 m bei etwa 100 kg Gewicht des Getriebes und 27 kg des Deckels.
Sandguss-Helikoptergetriebe aus ZE41 und Deckel aus WE43; Dimensionen 1,4 m x 0,85 m x 0,45 m bei etwa 100 kg Gewicht des Getriebes und 27 kg des Deckels.
(Bild: Stone Foundries Ltd. London, UK)

Potenzial haben Magnesiumlegierungen heutzutage auch in ihrer Entwicklung und Verwendung als Knetlegierungen, umformtechnisch dargestellten Halbzeugen und deren Folgeprodukten. Anwendungen finden sich derzeit jedoch allenfalls in Nischenprodukten. Als Hauptgrund hierfür wird die eingeschränkte Umformbarkeit von Magnesium und vieler seiner Legierungen gesehen, die im Wesentlichen auf die zugrunde liegende Kristallstruktur zurückzuführen ist. Zwar können Halbzeuge als Bleche, als Profile oder als Schmiedeteile dargestellt werden, die Herstellung der gewünschten Produkte ist jedoch kostenintensiv.

Bezeichnung von Magnesiumlegierungen

Für die Bezeichnung von Magnesiumlegierungen wird heute weltweit die ASTM Designation B275 angewandt, nach der Magnesiumlegierungen mit zwei Buchstaben und zwei Ziffern benannt werden. Jeder Buchstabe steht für ein Legierungselement, in der Reihenfolge ihrer Massenzugabe:
A - Aluminium, H - Thorium, S - Silizium
B - Bismut, J - Strontium, T - Zinn
C - Kupfer, K - Zirconium, V - Gadolinium
D - Cadmium, L - Lithium, W - Yttrium
E - Seltene Erden, M - Mangan, X - Calcium
F - Eisen, Q - Silber, Z - Zink

Diesen zwei Buchstaben folgen zwei Ziffern, die die Konzentration der Legierungselemente beschreiben. Es können Buchstaben folgen, die den Entwicklungsstand der Legierung bezeichnen und mit einem Bindestrich abgetrennt, der Wärmebehandlungszustand.

Forschung an Knetlegierungen mit höherer Umformbarkeit

An dieser Stelle greifen aktuelle Forschungsarbeiten, die sich mit der Entwicklung von Legierungen höherer Umformbarkeiten befassen, sowie der Optimierung der verwendeten Prozesse.

Ein typisches Beispiel für eine Anwendung ist der metallische Bleistiftanspitzer, der aus stranggepressten Profilen gefertigt wird. An dieser Stelle macht man sich die leichte feinmechanische Bearbeitbarkeit des Werkstoffs zunutze. Klassische Knetlegierungen nutzen Aluminium als Legierungselement, um die Umformbarkeit und Verarbeitbarkeit zu verbessern, jedoch auch um die Festigkeit steuern zu können.

Beispiele hierfür sich die Legierungen AZ31, AZ61 oder AZ80. Insbesondere AZ31 stellt sich als die klassische Magnesiumblechlegierung dar. Alternativ sind auch Legierungen mit Mangan als Zusatzelement im Gespräch, z.B. AM50 oder AM60. Neuere Entwicklungen nutzen mikrostrukturelle Effekte, die durch das Zulegieren Seltener Erdelemente erreicht werden, um die Umformbarkeiten von Blechen deutlich zu erhöhen.

Legierungen dieser Art nutzen Zink als Hauptlegierungselement, beispielsweise in ZE10, ZW41, ZE41 oder korngefeinten Varianten ZEK100, ZWK100. Teilweise werden auch die oben bereits genannten Legierungen der WE-Reihe eingesetzt oder Kombinationen mit Mangan, z.B. ME20 oder ME21. Als Substitut für Seltene Erden werden seit einigen Jahren Zulegierungen erforscht, die ähnliche mikrostrukturelle Eigenschaften bei der Massivumformung ergeben. Beispiele für Legierungselemente, die zudem die als problematisch erkannte Brennbarkeit des Magnesiums herabsetzen, sind Yttrium und Calcium.

Eine verbesserte Umformbarkeit der Legierungen ermöglicht bereits eine Optimierung der Knetprozesse. Am Beispiel der Walzverfahren gelingt es so, die Prozessführung effizienter zu gestalten und Herstellkosten zu reduzieren.

Seminartipp

Das Seminar Leichtbauwerkstoffe in der Konstruktion vermittelt Methoden, Gestaltungsprinzipien und Bauweisen für Leichtbaukonstruktionen. Die Teilnehmer erhalten einen Überblick zu verschiedenen Leichtbauwerkstoffen, lernen Kriterien für die Werkstoffauswahl kennen und erfahren, welche Vor- und Nachteile sowie Risiken die verschiedenen Werkstoffe mit sich bringen.

Gießwalzverfahren optimiert den Knetprozess

Eine besondere Art der Prozessoptimierung wird aktuell international mit der Kombination des Gießens und des Walzens thematisiert, dem sogenannten Gießwalzverfahren. In diesem Prozess wird eine Schmelze über eine speziell ausgelegte Düse in einen Walzspalt gegossen, wo Erstarrung und Umformung in direkter Kombination zueinander stattfinden. Auf diese Weise entsteht als Vormaterial ein dünnes Band, welches in wenigen Walzschritten zu Blechen gewünschter Dicke gewalzt werden kann.

So gelingt einerseits eine signifikante Reduktion des Walzaufwands. Andererseits ermöglicht dieser Prozess auch die Verwendung weiterer Legierungen, die gegebenenfalls in einem aufwändigen klassischen Walzverfahren nicht als Blech darstellbar sind.

* Dr. Hajo Dieringa, stellv. Abteilungsleiter Magnesiumprozesstechnik;

* Dr. Jan Bohlen, stellv. Abteilungsleiter Magnesiumknetlegierungen, beide Magnesium Innovation Centre, Helmholtz-Zentrum Geesthacht.

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