Leichtmetallguss Neue Aluminium- und Magnesiumlegierungen für Komponenten und Strukturbauteile

Angetrieben durch die Automobilindustrie findet auch bei den Leichtmetallgusswerkstoffen ein Trend zu neuen Legierungen mit höheren Festigkeitseigenschaften statt. So werden hochfeste Druckgusslegierungen für den Fahrwerksbereich und große schweißbare Aluminiumgussteile für die Karosserie angestrebt. Beim Werkstoff Magnesium ist die wirtschaftliche Herstellung von Komponenten das erklärte Ziel.

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ZGV Zentrale für Gussverwendung

Seit den siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts haben sich die Aluminiumgusswerkstoffe wegen des mit ihnen relativ einfach möglichen Leichtbaus im Motorenbereich durchgesetzt. Zuerst wurden Zylinderköpfe und Ansaugkrümmer gefertigt. Hierfür stehen heute mit dem Schwerkraftkokillenguss, dem Niederdruckkokillenguss und dem Rotationsgießen mehrere geeignete Fertigungsverfahren zur Verfügung, die eine große Anwendungsbreite ermöglichen.

Der Monoblock-Festsattel von Porsche ist ein gutes Beispiel für ein nicht nur leichtes, sondern auch hochsteifes und funktionssicheres Aluminiumgussteil. Die Bremse wurde durch die Verwendung des Werkstoffs Aluminium insgesamt um 15 % leichter, 10 % steifer und verfügt über eine um 3 % größere Belagfläche und perforierte Bremsscheiben. Durch die geringeren rotierenden Massen verbessert sich die Agilität und die möglichen höheren Reibungswerte steigern die Bremswirkung. Es ist ein Trend zu neuen Legierungen mit höheren Festigkeitseigenschaften zu verzeichnen. So wurde basierend auf der Druckgusslegierung Magsimal eine selbst aushärtende Aluminiumlegierung Castadur mit hoher Duktilität bereits im Gusszustand für den Sand- und Kokillenguss entwickelt. Durch Auslagern und Wärmebehandeln sind vielfach weitere Eigenschaftsverbesserungen möglich.

Entwicklung neuer Legierungen für hochfesten Druckguss

Weiterhin kann bei AlSiMg-Legierungen durch die Zugabe von 0,2 % Cu die Dehngrenze um 10 N/mm² und die Festigkeit um 15 N/mm² erhöht werden, ohne die Bruchdehnung maßgeblich zu verändern. Bei den Fahrwerks- und Karosserieteilen ist zudem ein Trend zu Legierungen mit einem Eisengehalt unter 0,1 % zu verzeichnen, die bessere Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften aufweisen, die Voraussetzung für weiteren Leichtbau sind.

Beim Motorblock konnte sich der Werkstoff Aluminium schwerer durchsetzen. Der wichtigste Grund dafür ist darin zu sehen, dass die hier dominierenden Eisenwerkstoffe (GJL, GJV und GJS) wegen des hohen Kohlenstoffgehaltes über bedeutend bessere Laufeigenschaften für die Kolben und Dämpfungseigenschaften verfügen. Von Verbundkonstruktionen mit eingegossenen Gusseisenbuchsen, übereutektische Al-Si-Konstruktionen, Aluminiumgussteile mit Al-MMC und anderen Beschichtungen über die Al-Si-Mg-Gusswerkstoffe bis hin zu Mg-Gussteilen mit Laufbuchsen [2] verläuft hier heute die Palette der entwickelten Lösungen für den Einsatz der Leichtmetalle beim Zylinderkurbelgehäuse. Dabei verringerte sich die Masse entsprechend der Aufzählung.

Erste viel versprechende Anwendungen einer Weiterentwicklung der im Druckguss üblichen sprühkompaktierten Zylinderlaufbuchsen aus AlSi25Cu4Mg1 (Dispal S260) im Sand- und Kokillenguss lassen den Einsatz dieser Buchsen jetzt auch in hoch aufgeladenen Otto-und Dieselmotoren erwarten. Dieser Legierungstyp konnte bisher nur im Druckguss eingesetzt werden. Die Weiterentwicklung für die langsam erstarrenden Verfahren Sand- und Kokillenguss erfolgte unter dem Trend, dass die deutlich steigenden spezifischen Leistungen der Motoren einen stärkeren Bedarf an Schwerkraft gegossenen Gussteilen erfordern [1, 2].

Dagegen wird im Bereich des schweißbaren Aluminiumgusses im Karosseriestrukturbereich ein weites Anwendungsfeld des Druckgießens in der Zukunft gesehen. Hier wird verstärkt auf einen Materialmix von Stahl-, Leichtmetall- und Kunststoffen gesetzt, um weitere Leichtbaueffekte durch Ausnutzung der spezifischen Eigenschaften zu erzielen. Neben dem Schweißen stehen hier innovative Fügetechniken im Vordergrund der Entwicklungen, die verzugsfreie Fügungen zulassen. Bei den Schweißkonstruktionen gilt es die grundsätzlich gasanfälligen Aluminiumlegierungen zu gasarmen schweißbaren Legierungen weiter zu entwickeln oder mit geeigneter Prozessführung unter geringen Temperaturverlusten zu fertigen. Entsprechende Lösungsansätze existieren bereits, die es schon heute möglich machen, dokumentationspflichtige Druckgussteile als Sicherheitsteile im Automobil einzu-setzen [3].

Magnesiumlegierungen zurweiteren Massereduktion

Hochfeste Aluminiumlegierungen finden zudem aus Gründen der Gewichtsreduktion verstärkt Einsatz im Freizeit- und Leistungssportbereich. Von Vorteil ist hier auch, dass die angewendeten Aluminiumlegierungen gut gieß- und umformbar sind und sich zudem wärmebehandeln und beschichten lassen. Gegenüber Stahl sind diese Legierungen allein durch den Werkstoffwechsel dreimal leichter und verfügen über ähnliche Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften. Noch leichter als Aluminium ist der Werkstoff Magnesium. Druckguss- und Blechteile aus Magnesiumlegierungen lassen sich derzeit noch nicht so wirtschaftlich herstellen wie Aluminiumteile. Zudem besteht bei diesem Werkstoff eine Korrosionsproblematik. An entsprechenden Lösungen wird aber derzeit gearbeitet. Die Kontaktkorrosionsproblematik kann beispielsweise durch gezielte Werkstoffwahl und Klebefügungen vermieden werden. Wohin die weitere Entwicklung aus Sicht des Leichtbaus bei den Leichtmetallgussteilen gehen wird, verdeutlicht das serienmäßig hergestellte Getriebegehäuse für das neue Sieben-Stufen-Automatikgetriebe „7G-Tronic“ von DaimlerChrysler, welches aus Magnesiumdruckguss gefertigt ist. Gegenüber der vergleichbaren Ausführung in Aluminiumdruckguss ist dieses Gussteil 3 kg leichter. Zur weiterführenden Informationen über die hier nur kurz angesprochenen Trends bei den Gusswerkstoffen können die nachfolgend angeführten Quellen kostenfrei bei der Zentrale für Gussverwendung in Düsseldorf (e-mail:zgv@dgv.de) angefordert werden.

Schrifttum

[1] Ambos, E. und Ch. Heikel: Wichtige PKW-Motorenbauteile im Spiegelbild des Wettbewerbs der Werkstoffe und Verfahren - Zylinderkurbelgehäuse. konstruieren + giessen 30 (2005) H. 4

[2] Heikel, C, u. E. Ambos: Wichtige PKW-Motorenbauteile im Spiegelbild des Wettbewerbs der Werkstoffe und Fertigungsverfahren - Zylinderköpfe. konstruieren + giessen 31 (2006) H. 4,

[3] Wappelhorst, M., und N. Grov: Schweiß- und wärmebehandelbarer Druckguss. konstruieren + giessen 32 (2007) H. 3

*Karl-Heinz Schütt, Zentrale für Gussverwendung beim Deutschen Gießereiverband, Düsseldorf

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