Aluminium-Gusslegierungen

Aluminium-Legierungen werden anhand des Fertigungsverfahrens, für welches sie geeignet sind, eingeteilt. So unterscheiden wir Aluminium-Knetlegierungen und Aluminium-Gusslegierungen.
Nach Eisen ist Aluminium (s. dazu Aluminium) das zweitwichtigste technische Metall und zeichnet sich besonders durch seine hohe spezifische Festigkeit aus, die das Verhältnis von Zugfestigkeit zur Dichte darstellt.
Eigentlich sind Aluminium-Gusslegierungen fast uns allen gut bekannt, da aus ihnen die beliebten Alu-Felgen hergestellt werden (s. Werkstoffe für Autofelgen)
Logischerweise werden gute Gießeigenschaften bei Gusslegierungen besonders gefordert. Wie bei Aluminium-Knetlegierungen werden auch bei den Aluminium-Gusslegierungen naturharte und aushärtbare Legierungen unterschieden. Im Vergleich zu den Knetlegierungen sind die Aluminium-Gusslegierungen allerdings höher legiert. Drei Legierungselemente spielen dabei eine besonders wichtige Rolle: Silizium Si, Magnesium Mg und Kupfer Cu.
In vielen verwendeten Aluminimum-Gusslegierungen ist eine große Menge (mitunter bis 25%) Silizium enthalten. Dies beruht auf der Tatsache, dass im Legierungssystem Aluminium-Silizium bei 12,5% Silizium ein besonderes Kristallgemisch existiert, ein sogenanntes Eutektikum, dem im Zustandsdiagramm ein Punkt entspricht. Eutektische Legierungen sind für die Gießtechnik besonders interessant, da sie die niedrigste Schmelztemperatur im Legierungs-System haben (beim System Al-Si beträgt sie 577°C) und bei dieser konstant bleibenden Temperatur auch schnell erstarren. Dies bedeutet, dass eine solche Legierung sehr gute Gießeigenschaften aufweist. Und je besser die Gießbarkeit, desto konstruktiv anspruchsvollere und dünnwandigere Werkstücke können gegossen werden. Dazu erhöht der Silizium-Anteil die Festigkeit der Legierungen.
Die am häufigsten verwendete eutektische Gusslegierung AlSi12 zeichnet sich durch eine hervorragende Gießbarkeit und eine Festigkeit von 150 bis 200 MPa aus. Sie wird vorwiegend für dünnwandige, druck- und flüssigkeitsdichte Gussstücke im Maschinen- und Gerätebau eingesetzt. Abb. 1 zeigt Teile eines einfachen Schneckengetriebes von Fa. Getriebebau NORD in Bargteheide, die allesamt aus dieser Legierung im Druckgussverfahren gefertigt wurden. Diese Fotos lassen erkennen, wie gut und genau die Gussteile aus der Legierung sind.

          Abb. 1 Teile eines Schneckengetriebes a) Gehäuse, b) Abtriebflansch, c) Adapter, d) Abdeckklappe                           (Fotos von Bozena Arnold)

Übereutektische Aluminium-Silizium-Gusslegierungen enthalten zur Kornfeinung der primär ausgeschiedenen Siliziumkristalle geringe Mengen von Phosphor. Untereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen werden durch geringe Zusätze von Magnesium aushärtbar, der Siliziumgehalt wird dabei deutlich reduziert. So erreicht beispielsweise der Werkstoff Al Mg3Si warmausgehärtet eine Festigkeit von 200 bis 280 MPa. Einsatz finden diese Legierungen im Motorenbau. Sie sind schwieriger zu gießen als siliziumreiche Legierungen, haben dafür jedoch eine bessere Korrosionsbeständigkeit. Untereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen mit geringen Zusätzen von Magnesium oder Zink und dazu Kupfer sind auch kaltaushärtbar (selbstaushärtend).
Aluminium-Magnesium-Legierungen enthalten bis 12% Magnesium (Eutektikum existiert hier erst bei 34% Mg). Sie sind zwar schwieriger zu Gießen als Aluminium-Silizium-Legierungen, zeichnen sich jedoch durch eine bessere Korrosionsbeständigkeit und dazu kann man sie anodisch oxidieren. Diese Legierungen finden Anwendung im Schiffbau, für Armaturen und Fittings in der chemischen- und Nahrungsmittelindustrie.
Aluminium-Kupfer-Legierungen enthalten bis 10% Kupfer und geringe Zusätze von Titan zur Kornfeinung. Kupfer verbessert insbesondere die Warmfestigkeit und die Bearbeitbarkeit der Legierungen. Im Gegensatz dazu hat es einen negativen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit. Diese Legierungen sind häufig nur warmaushärtbar, können aber durch Zugabe von Magnesium kaltaushärtend werden. Die Aluminium-Kupfer-Legierungen werden für hochbelastbare Teile des Flug- und Fahrzeugbaus eingesetzt.
Die Legierungszusammensetzung wird auf das jeweilige Gießverfahren abgestimmt. Hierbei können viele verschiedene Verfahren der Gießtechnik (vor allem Kokillenguss und Sandguss sowie Druckguss) angewandt werden, und dünnwandige Gussteile angefertigt werden. Die Bauform des Werkstücks kann außerordentlich komplex ausgeführt werden (vgl. Abb. 1a), so dass die nachfolgende Anzahl der Füge- und Montageprozesse reduziert wird. Hohlräume können mittels Kerne eingegossen und Eingießbuchsen bereits durch den Gießprozess angebracht werden. Bedingt durch die verwendeten Gussformen ist die Oberflächengüte des gegossenen Werkstücks in der Regel sehr gut – eine schleifende Nachbearbeitung ist nicht notwendig. Sogar eine direkte Lackierung ohne vorherige Grundierung ist bei Aluminiumguss möglich.
Die Abkühlgeschwindigkeit, welche Abhängig vom verwendeten Gussverfahren ist, hat einen weiteren Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften. Je schneller die Abkühlung, desto feinkörniger ist das ausgebildete Gefüge. Da beim Druckgussverfahren vergleichsweise hohe Abkühlgeschwindigkeiten erreicht werden, lassen sich feinere Gefüge erzielen, welche die Zugfestigkeit positiv beeinflussen.
Besonders interessant für die Praxis ist die gute Bearbeitbarkeit von Aluminium-Gusslegierungen. Die spanende Bearbeitung kann deutlich schneller, bei geringerem Werkzeugverschleiß als bei Bauteilen aus Grauguss erfolgen. Durch das geringe Gewicht der Aluminiumlegierungen sind geringere Kräfte notwendig, und durch ihre gute Wärmeleitfähigkeit ist der Abtransport der Wärme beim Zerspanen besser. Die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium-Gusslegierungen ist mäßig bis gut. Einige Sorten lassen sich schweißen.
Zur Gruppe der Aluminium-Gusswerkstoffe gehören auch sogenannte Kolbenlegierungen, aus denen Kolben für Verbrennungsmotoren hergestellt werden. Sie enthalten neben Silizium und Magnesium auch Kupfer, Eisen, Mangan, Zink und Titan. Die besonderen Vorteile dieser Vielstofflegierungen sind: gute Verschleißfestigkeit, hohe Warmhärte und geringe Wärmeausdehnung.<<