Magnesiumlegierungen für den Druckguss: Typen und Eigenschaften

Die am häufigsten verwendeten Magnesiumlegierungen für Druckguss sind AZ91D, AM60B und AM50A – jedes bietet ein besonderes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Duktilität und Gießbarkeit, das für unterschiedliche technische Anforderungen geeignet ist. AZ91D dominiert allgemeine Anwendungen mit der besten Kombination aus Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, während AM60B und AM50A dort bevorzugt werden, wo Energieabsorption und Dehnung wichtiger sind als Härte. Druckgussteile aus Magnesiumlegierung werden in der Automobil-, Elektronik- und Luft- und Raumfahrtbranche geschätzt, genau wie Magnesium das leichteste Strukturmetall , etwa 33 % leichter als Aluminium und 75 % leichter als Stahl, was erhebliche Gewichtseinsparungen ermöglicht, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.

Warum Magnesium beim Druckguss verwendet wird

Magnesiumlegierungen eignen sich aus mehreren miteinander verbundenen Gründen hervorragend für den Hochdruckguss (HPDC). Reines Magnesium hat eine Dichte von nur 1,74 g/cm³ – im Vergleich zu 2,70 g/cm³ für Aluminium und 7,87 g/cm³ für Stahl – was es zur ersten Wahl macht, wenn Gewichtsreduzierung eine Designpriorität ist.

Über das Gewicht hinaus bieten Magnesiumlegierungen Verarbeitungsvorteile, die sie wirtschaftlich attraktiv machen:

• Hervorragende Fließfähigkeit bei Gießtemperatur: Magnesiumlegierungen fließen leicht in dünnwandige Abschnitte, die so dünn sind wie 0,6–1,0 mm Dies ermöglicht komplexe, endkonturnahe Teile in einem einzigen Schuss.
• Schnelle Zykluszeiten: Magnesium verfestigt sich schnell – Zykluszeiten sind typisch 25–50 % schneller als vergleichbare Aluminiumdruckgussteile, wodurch die Produktionskosten pro Teil gesenkt werden.
• Geringer Wärmeinhalt der Schmelze: Die geringere thermische Masse reduziert die thermische Ermüdung des Chips und verlängert die Lebensdauer des Chips um bis zu 2–3× im Vergleich zu Aluminium .
• Gute Bearbeitbarkeit: Magnesium gehört mit Schnittgeschwindigkeiten von bis zu zu den am einfachsten zu bearbeitenden Metallen 10x schneller als Stahl und erfordert weniger Werkzeugverschleiß.
• Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Magnesiumlegierungen erreichen spezifische Festigkeitswerte, die mit vielen Aluminiumlegierungen und einigen Stählen konkurrenzfähig sind.

Diese Eigenschaften haben Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen zu Standardkomponenten in Instrumententafelstrukturen, Lenksäulenhalterungen, Sitzrahmen und Gehäusen der Unterhaltungselektronik für Kraftfahrzeuge gemacht.

Die gebräuchlichsten Magnesiumlegierungen für den Druckguss

Magnesium-Druckgusslegierungen werden durch ein von der ASTM definiertes Buchstaben-Zahlen-System gekennzeichnet. Die Buchstaben geben die primären und sekundären Legierungselemente an (A = Aluminium, Z = Zink, M = Mangan, S = Silizium, E = seltene Erden) und die Zahlen geben deren ungefähre Gewichtsprozentsätze an.

AZ91D – Das Arbeitstier der Branche

AZ91D enthält ca 9 % Aluminium und 1 % Zink , mit kontrolliertem Mangangehalt für Korrosionsbeständigkeit. Es macht ungefähr aus 90 % der gesamten Magnesium-Druckgussproduktion weltweit und ist die Standardwahl, wenn keine besonderen funktionalen Anforderungen eine andere Legierung bevorzugen.

AZ91D wird bevorzugt, da es die höchste Streckgrenze und Zugfestigkeit in der Familie der Standard-Druckgusslegierungen, gute Gießbarkeit und die beste allgemeine Korrosionsbeständigkeit der gängigen Mg-Al-Legierungen aufgrund streng kontrollierter Eisen-, Kupfer- und Nickelverunreinigungsgrenzen (jeweils unter 0,005 %) bietet.

AM60B – Duktilität und Energieabsorption

AM60B enthält 6 % Aluminium und 0,3 % Mangan ohne Zinkzusatz. Die Reduzierung des Aluminiumanteils von 9 % auf 6 % verringert die Festigkeit leicht, erhöht jedoch die Dehnung deutlich – AM60B erreicht dies 8 % Dehnung im Vergleich zu 3 % bei AZ91D. Dies macht es zur bevorzugten Legierung für sicherheitskritische Automobilkomponenten wie Lenkräder, Sitzrahmen und Türinnenverkleidungen, bei denen die Absorption von Aufprallenergie eine Konstruktionsanforderung ist.

AM50A – Maximale Duktilität

AM50A enthält 5 % Aluminium und liefert die höchste Dehnung ( bis zu 10 % ) der Standard-Druckgusslegierungen, auf Kosten einer geringeren Zugfestigkeit. Es wird in Anwendungen eingesetzt, die eine maximale Verformung vor dem Bruch erfordern, wie z. B. Querträger für Instrumententafeln und Überrollschutzstrukturen in Cabrio-Fahrzeugen.

AS41B und AE44 – Hochtemperaturlegierungen

Standard-AZ- und AM-Legierungen verlieren oben deutlich an Kriechfestigkeit 120°C aufgrund der Erweichung der intermetallischen Mg₁₇Al₁₂-Phase an den Korngrenzen. Für Antriebsstranganwendungen wie Getriebegehäuse, Ölwannen und Motorhalterungen sind Hochtemperaturlegierungen erforderlich:

• AS41B (4 % Al, 1 % Si): Die Zugabe von Silizium bildet thermisch stabile Mg₂Si-Ausscheidungen und verbessert die Kriechfestigkeit bis zu 150°C .
• AE44 (4 % Al, 4 % seltene Erden): Zusätze von seltenen Erden (Cer, Lanthan) verbessern die Hochtemperaturfestigkeit und Kriechfestigkeit erheblich bis zu 175°C , verwendet in BMW- und Porsche-Motorhalterungen und Getriebegehäusen.

Vergleich der mechanischen Eigenschaften wichtiger Druckgusslegierungen

Die folgende Tabelle vergleicht die wichtigsten mechanischen Eigenschaften der wichtigsten Magnesium-Druckgusslegierungen gemäß ASTM-Standards und bietet eine datengesteuerte Grundlage für die Legierungsauswahl:

Hauptanwendungen von Druckgussteilen aus Magnesiumlegierungen

Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen sind in einer Vielzahl von Industrien zu finden, wobei die Automobilindustrie mit etwa 10 % den größten Markt darstellt 70 % des Gesamtverbrauchs .

Automobilindustrie

Jedes Kilogramm, das in einem Fahrzeug eingespart wird, senkt den Kraftstoffverbrauch um ca 0,06–0,08 Liter pro 100 km über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs. Zu den typischen Automobilkomponenten aus Magnesiumdruckguss gehören:

• Instrumententafelstrukturen und Fahrzeugquerträger (AM60B, AM50A)
• Lenkradbeschläge und Lenksäulenhalterungen (AM60B)
• Getriebegehäuse und Verteilergetriebegehäuse (AZ91D, AE44)
• Sitzrahmen und Türinnenverkleidungen (AM60B)
• Motorhalterungen und Ölwannen in Hochtemperaturzonen (AS41B, AE44)

Unterhaltungselektronik

Die Elektronikindustrie verwendet AZ91D häufig für Laptop-Gehäuse, Kameragehäuse, Smartphone-Strukturrahmen und Tablet-Hüllen. Magnesium liefert ausgezeichnete EMI-Abschirmung (elektromagnetische Interferenz). — Dämpfung von bis zu 90 dB bei Frequenzen von 30 MHz bis 1 GHz – ein wesentlicher Vorteil gegenüber Kunststoffgehäusen.

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

In der Luft- und Raumfahrt, wo jedes Gramm zählt, kommen Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen in Getriebegehäusen von Hubschraubern, Flugzeugsitzrahmen und Avionikgehäusen zum Einsatz. Bei Betriebstemperaturen über 150 °C kommen Speziallegierungen mit Seltenerdzusätzen zum Einsatz.

Elektrowerkzeuge und Sportgeräte

Gehäuse von Elektrowerkzeugen, Kettensägengehäuse und Fahrradkomponenten profitieren vom geringen Gewicht von Magnesium bei gleichzeitig ausreichender Steifigkeit. AZ91D ist die Standardlegierung für diese Anwendungen und ermöglicht eine Gewichtsreduzierung des fertigen Teils 30–35 % im Vergleich zu vergleichbaren Aluminiumgussteilen .

Der Druckgussprozess für Magnesiumlegierungen

Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen werden mit zwei Hauptverfahrensvarianten hergestellt, die jeweils unterschiedliche Vorteile mit sich bringen:

Warmkammer-Druckguss

Bei den meisten Magnesium-Druckgussverfahren kommt das Heißkammerverfahren (Schwanenhals) zum Einsatz, da die geringe Eisenlöslichkeit von Magnesium es ermöglicht, dass das Einspritzsystem ohne nennenswerte Erosion in die Schmelze eingetaucht werden kann. Zu den wichtigsten Parametern für den Magnesium-Warmkammerguss gehören:

• Schmelztemperatur: 620–680°C je nach Legierung
• Einspritzdruck: 35–105 MPa
• Düsentemperatur: 180–260°C
• Taktzeitvorteil: 40–60 % schneller als Kaltkammer-Aluminiumguss

Kaltkammer-Druckguss

Kaltkammerguss wird für größere, schwerere Magnesiumteile verwendet, bei denen die Kapazität der Warmkammermaschine nicht ausreicht. Das geschmolzene Metall wird bei jedem Zyklus in die Gießhülse geschöpft. Die Einspritzdrücke sind höher ( 70–140 MPa ), wodurch dichtere Gussteile mit geringerer Porosität entstehen – bevorzugt für strukturelle Automobilanwendungen.

Schmelzschutz während der Verarbeitung

Geschmolzenes Magnesium oxidiert schnell und kann sich entzünden, wenn es Luft oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Moderne Druckgussanlagen schützen die Schmelzeoberfläche durch a Schutzgasmischung aus SF₆ und CO₂ oder SO₂ oder trockene Luft mit proprietären Inhibitoren. SF₆-Konzentrationen so niedrig wie 0,2 Vol.-% im Schutzgas reichen aus, um die Oxidation zu unterdrücken. Diese Sicherheitsanforderung erhöht die Prozesskomplexität, ist jedoch in kommerziellen Abläufen gut etabliert.

Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumdruckgussteilen

Die Korrosionsbeständigkeit ist die am häufigsten genannte Einschränkung von Magnesiumlegierungen. Ungeschütztes Magnesium hat ein Standardelektrodenpotential von –2,37 V Dadurch ist es stark anodisch und anfällig für galvanische Korrosion, wenn es mit den meisten anderen Strukturmetallen in Kontakt kommt.

Die Bezeichnung „Hochreinheit“ moderner Legierungen (AZ91D, AM60B) befasst sich jedoch mit dem primären Korrosionsmechanismus. Untersuchungen haben ergeben, dass die Begrenzung des Eisengehalts unter einem kritischen Verhältnis von Fe/Mn ≤ 0,032 Reduziert die Korrosionsrate um den Faktor 10–100× im Vergleich zu älteren Legierungen mit geringerer Reinheit. AZ91D erreicht im Salzsprühtest (ASTM B117) jetzt Korrosionsraten, die mit der Aluminiumdruckgusslegierung 380 vergleichbar sind.

Zu den Oberflächenbehandlungen, die auf Magnesiumdruckgussteile zum Korrosionsschutz angewendet werden, gehören:

• Mikrolichtbogenoxidation (MAO / PEO): Erzeugt eine harte keramische Oxidschicht mit einer Dicke von 10–30 μm; Bietet hervorragende Korrosions- und Verschleißfestigkeit.
• Chromfreie Konversionsbeschichtungen: Grundierungen auf Phosphatpermanganat- oder Titan-/Zirkoniumbasis, die als Lackhaftungsgrundlagen in Automobilanwendungen verwendet werden.
• E-Coat (Elektrotauchlackierung) Decklack: Standard-Autolackierverfahren; AZ91D-Komponenten mit entsprechender Vorbehandlung erreichen 500 Stunden im Salzsprühnebel ASTM B117.
• Polymer-Pulverbeschichtung: Wird für Elektronikgehäuse und Konsumgüter verwendet, bei denen sowohl Ästhetik als auch Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.

So wählen Sie die richtige Magnesiumlegierung für Ihr Druckgussprojekt aus

Die Legierungsauswahl für Magnesiumdruckgussteile sollte auf einer strukturierten Bewertung der Funktionsanforderungen basieren. Verwenden Sie den folgenden Entscheidungsrahmen:

1. Definieren Sie die Betriebstemperatur: Wenn das Teil dauerhaft Temperaturen über 120 °C ausgesetzt ist (Motorraum, Getriebe), sind Standard-AZ/AM-Legierungen ungeeignet – geben Sie AS41B (bis zu 150 °C) oder AE44 (bis zu 175 °C) an.
2. Bestimmen Sie die primäre mechanische Anforderung: Wenn maximale Festigkeit und Härte erforderlich sind (Gehäuse, Halterungen, Strukturplatten), wählen Sie AZ91D. Wenn Duktilität und Aufprallenergieabsorption entscheidend sind (Sicherheitskomponenten, Sitzstrukturen), wählen Sie AM60B oder AM50A.
3. Bewerten Sie Wandstärke und Geometriekomplexität: Sehr dünne Wände (unter 1,5 mm) und komplexe Anschnitte profitieren von der überlegenen Fließfähigkeit von AZ91D. Legierungen der AM-Serie sind etwas weniger flüssig und erfordern möglicherweise eine Neukonstruktion des Angusses für komplexe Geometrien.
4. Bewerten Sie die Korrosionsumgebung: Geben Sie für den Einsatz im Freien oder bei hoher Luftfeuchtigkeit hochreine Qualitäten an (das „D“ in AZ91D und „B“ in AM60B bezeichnen hochreine Versionen) und planen Sie von Anfang an eine entsprechende Oberflächenbehandlung ein.
5. Berücksichtigen Sie die Nachbearbeitungsanforderungen: Wenn das Teil geschweißt werden soll, sind Legierungen der AM-Serie aufgrund des geringeren Zinkgehalts besser schweißbar als AZ91D, wodurch die Tendenz zur Heißrissbildung verringert wird.

Für die meisten kommerziellen Druckgussprojekte – Gehäuse, Halterungen, Strukturrahmen – AZ91D bleibt der Standardstartpunkt und sollte nur ersetzt werden, wenn spezifische Tests oder Funktionsanalysen einen klaren Vorteil bei der Umstellung auf AM60B, AM50A oder eine Hochtemperaturlegierung belegen.