Wichtige hochfeste Aluminiumlegierungen für das Druckgießen

Zusammenfassung

Die Auswahl hochfester Aluminiumlegierungen für den Druckguss erfordert einen Kompromiss zwischen maximaler Festigkeit und Verarbeitbarkeit. Für höchste mechanische Festigkeit sind die Legierungen der 200-Serie und Zink-Aluminium-Legierungen wie ZA-27 führend. Allerdings bieten Legierungen wie A360 ein besseres Gleichgewicht aus Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Korrosionsbeständigkeit, während B390 eine außergewöhnliche Verschleißfestigkeit aufweist. Die endgültigen Eigenschaften werden oft durch Wärmebehandlungen wie T6 erheblich verbessert.

Verständnis der Aluminiumlegierungsgruppen für den Druckguss

Bevor eine bestimmte Legierung ausgewählt wird, ist es wichtig, die Hauptfamilien oder Serien von Aluminiumlegierungen zu verstehen, die beim Druckguss verwendet werden. Diese Serien, die vom Aluminum Association festgelegt wurden, gruppieren Legierungen basierend auf ihren hauptsächlichen Legierungselementen, welche deren grundlegende Eigenschaften bestimmen. Der Auswahlprozess eines Ingenieurs beginnt oft auf dieser Ebene, um die Optionen anhand der zentralen Anforderungen der jeweiligen Anwendung einzugrenzen.

Jede Serie bietet eine andere Kombination aus mechanischen Eigenschaften, Gusscharakteristiken und Kosten. Beispielsweise kann eine Serie außergewöhnliche Festigkeit bieten, aber schwieriger und teurer im Vergleich zu einer gebräuchlicheren, universell einsetzbaren Serie gegossen werden. Das Verständnis dieser grundlegenden Unterschiede ist entscheidend für eine fundierte Entscheidung.

Die gebräuchlichsten Serien im Druckguss bieten jeweils deutliche Vorteile:

• 2xx.x Serie (Kupfer): Da die 200er-Serie die höchste Festigkeit aller Aluminiumlegierungen aufweist, können mechanische Eigenschaften erreicht werden, die nahezu doppelt so hoch sind wie bei der gebräuchlicheren 300er-Serie. Dieser Vorteil in der Festigkeit geht jedoch zu Lasten einer geringeren Korrosionsbeständigkeit und erschwertem Gießen.
• 3xx.x Serie (Silizium + Kupfer/Magnesium): Dies ist die beliebteste und am weitesten verbreitete Serie für Druckguss, wobei A380 als Standardwerkstoff der Branche gilt. Diese Legierungen bieten eine hervorragende Kombination aus guter Gießbarkeit, mittlerer Festigkeit und kostengünstiger Herstellung, wodurch sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind.
• 4xx.x Serie (Silizium): Diese Legierungen, wie beispielsweise 413, zeichnen sich durch hervorragende Gießflüssigkeit und Druckdichtigkeit aus. Dadurch eignen sie sich ideal für komplexe Bauteile oder Komponenten, die Flüssigkeiten oder Gase ohne Leckage enthalten müssen, wie etwa Hydraulikzylinder.
• 5xx.x Serie (Magnesium): Die 500er-Serie, einschließlich Legierungen wie 518, zeichnet sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in maritimen Umgebungen, sowie durch überlegene Oberflächenfinish-Eigenschaften aus. Sie ist eine bevorzugte Wahl für Bauteile, die aus ästhetischen oder Schutzgründen eloxiert werden müssen, obwohl sie anfälliger für Heißrissbildung beim Gießen sein kann.

Die besten hochfesten Legierungen: Ein detaillierter Vergleich

Während die Legierung 380 die gebräuchlichste Wahl für allgemeine Anwendungen ist, bieten mehrere spezialisierte Legierungen überlegene Festigkeit und Leistungsmerkmale, die für anspruchsvollere Einsätze erforderlich sind. Diese Werkstoffe werden gewählt, wenn Standardlegierungen die mechanischen, thermischen oder verschleißfesten Anforderungen des Bauteils nicht erfüllen können. Die Auswahl erfordert eine sorgfältige Analyse der Kompromisse zwischen Zugfestigkeit, Gießbarkeit und anderen kritischen Eigenschaften.

Die stärksten Optionen stammen oft aus der 200er-Serie oder aus speziellen Zink-Aluminium- (ZA-)Legierungsgruppen. Laut Allgemeiner Gussdienstleister , die Legierungen der 200-Serie zeichnen sich durch sehr hohe Festigkeit aus. Gleichzeitig bieten ZA-Legierungen wie ZA-27 eine Zugfestigkeit, die deutlich höher sein kann als die von herkömmlichen Aluminiumlegierungen. Nachfolgend finden Sie einen Vergleich der führenden Kandidaten für hochfeste Druckgussanwendungen.

Beim Vergleich dieser Optionen wird A360 häufig gewählt, wenn ein Bauteil in rauer Umgebung oder bei erhöhten Temperaturen ohne Ausfall betrieben werden muss. Wie von Rapid Axis , es kombiniert Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit, wobei aufgrund der Gießschwierigkeiten die Bauteilgeometrie berücksichtigt werden muss. B390 ist die erste Wahl für Anwendungen, bei denen Verschleiß und Reibung im Vordergrund stehen. Der hohe Siliciumgehalt verleiht ihm eine Härte, die es ihm ermöglicht, abrasiven Kräften standzuhalten, wodurch es ideal für Komponenten des Verbrennungsmotors ist. Für Anwendungen, bei denen die höchste Festigkeit erforderlich ist, sind die 200er-Serie und ZA-27 die Hauptkandidaten, erfordern jedoch spezialisierte Gießkenntnisse und können mit höheren Kosten verbunden sein.

Das Geheimnis ultimativer Festigkeit: Die Rolle der Wärmebehandlung

Die einfache Auswahl einer hochfesten Legierung ist nur ein Teil der Gleichung. Bei vielen Aluminiumlegierungen, insbesondere bei den Gusslegierungen der 200- und 300-Serie wie 356 und 357, werden ihre endgültigen mechanischen Eigenschaften erst durch Wärmebehandlung erschlossen. Dieser metallurgische Prozess umfasst kontrolliertes Erhitzen und Abkühlen, um die Mikrostruktur des Metalls zu verändern, was zu erheblichen Steigerungen von Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze führt.

Durch Wärmebehandlung können die Maße eines Bauteils stabilisiert, innere Spannungen aus dem Gießprozess abgebaut und die Leistungsfähigkeit für die jeweilige Anwendung optimiert werden. Das Verständnis der verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen, auch Tempers genannt, ist entscheidend für jeden Konstrukteur, der hochbelastbare Gussteile spezifiziert. Diese Tempers werden mit einem 'T' gefolgt von einer Zahl gekennzeichnet.

Die gebräuchlichsten Tempers zur Steigerung der Festigkeit bei Aluminiumgussteilen sind:

• F (As-Cast): Der Zustand des Gussteils direkt nach dem Erstarren, ohne anschließende Wärmebehandlung. Die Eigenschaften sind Grundwerte und können sich im Laufe der Zeit durch natürliche Alterung verändern.
• T5 (künstlich gealtert): Das Gussstück wird von der Gießtemperatur abgekühlt und anschließend einem Niedertemperatur-Alterungsprozess unterzogen. Dies gewährleistet eine gute Maßhaltigkeit und eine moderate Steigerung der Festigkeit.
• T6 (Lösungsglühung und künstliche Alterung): Dies ist ein zweistufiger Prozess zur Erzielung der maximalen Festigkeit. Das Gussstück wird zunächst auf eine hohe Temperatur erhitzt, um die Legierungselemente in einer festen Lösung aufzulösen, dann schnell in einer Flüssigkeit abgeschreckt, um sie zu fixieren. Anschließend wird es bei niedrigerer Temperatur künstlich gealtert, wodurch diese Elemente ausgefällt werden, was das Material deutlich verhärtet und verstärkt.
• T7 (Lösungsglühung und stabilisiert): Ähnlich wie T6, jedoch wird der abschließende Alterungsprozess bei höherer Temperatur oder über einen längeren Zeitraum durchgeführt. Dadurch wird die Legierung über ihre maximale Härte hinausgeführt, was eine verbesserte Maßhaltigkeit und Spannungsrelaxation ermöglicht, allerdings mit einer geringfügigen Verringerung der endgültigen Festigkeit im Vergleich zu T6.

Durch die Spezifizierung einer Wärmebehandlung nach T6 kann ein Ingenieur ein Bauteil aus einer Legierung wie 356, das mäßig fest ist, in eine hochleistungsfähige Strukturkomponente umwandeln, die deutlich größere Lasten aushält.

Über die Festigkeit hinaus: Kritische Faktoren bei der Legierungsauswahl

Während die Zugfestigkeit ein zentrales Kriterium darstellt, ist sie selten der einzige Faktor, der den Erfolg einer Legierung bestimmt. Ein ganzheitlicher Ansatz bei der Werkstoffauswahl ist entscheidend, da die alleinige Konzentration auf die Festigkeit zu Versagen infolge von Fertigungs- oder Umwelteinflüssen führen kann. Mehrere andere Eigenschaften müssen sorgfältig bewertet werden, um sicherzustellen, dass die gewählte Legierung sowohl für den Herstellungsprozess als auch für die spätere Anwendung geeignet ist.

Ein wesentliches Kriterium dabei ist gießbarkeit , was beschreibt, wie leicht eine Legierung zu einem hochwertigen Bauteil verarbeitet werden kann. Dazu gehört die Beständigkeit gegen Fehler wie Heißrissbildung (Risse, die während der Erstarrung entstehen) und Formaufschweißung (das Anhaften der Legierung an der Form). Wie von Experten bei Gabrian detailliert beschrieben, können Legierungen mit schlechter Gießbarkeit zu höheren Ausschussraten und erhöhten Produktionskosten führen. Ein weiterer entscheidender Faktor ist korrosionsbeständig . Die Einsatzumgebung des Bauteils bestimmt das erforderliche Maß an Beständigkeit. Beispielsweise weist A360 eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf und eignet sich daher für Außen- oder Marineanwendungen, während A380 in dieser Hinsicht nur mäßig abschneidet.

Weitere Eigenschaften wie druckdichtheit (wichtig für hydraulische Komponenten), verschleißfestigkeit (für Teile in Bewegungskontakt) und bearbeitbarkeit müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Um diese komplexe Entscheidung zu treffen, sollten Konstrukteure folgende Fragen prüfen:

• Welche maximale Betriebstemperatur wird das Bauteil erreichen?
• Wird das Bauteil korrosiven Einflüssen wie Salzwasser, Chemikalien oder Streusalz ausgesetzt sein?
• Muss die Komponente druckdicht sein, um Flüssigkeiten oder Gase zu enthalten?
• Welche sekundären Nachbearbeitungsverfahren, wie Eloxieren oder Lackieren, sind erforderlich?
• Welche Kostenbeschränkungen gelten für das Projekt?

Während Druckguss eine hervorragende Balance aus Festigkeit, Komplexität und Produktionsschnelligkeit bietet, erfordern einige Anwendungen, insbesondere im anspruchsvollen Automobilsektor, noch höhere Festigkeit oder Ermüdungswiderstand, wodurch Konstrukteure zu anderen Verfahren wie dem Schmieden übergehen. Zum Beispiel nutzen Spezialisten für geschmiedete Automobilteile, wie Shaoyi (Ningbo) Metal Technology , Verfahren wie das Warmumformen, um robuste Komponenten herzustellen, wenn die maximale Materialintegrität absolute Priorität hat.

Häufig gestellte Fragen

1. Welches ist das festeste Aluminium für das Druckgießen?

Die stärksten Aluminiumlegierungen für das Druckgießen finden sich im Allgemeinen in der 200er-Serie (Aluminium-Kupfer), die wärmebehandelbar sind, um sehr hohe mechanische Eigenschaften zu erreichen. Zusätzlich sind Zink-Aluminium-Legierungen, insbesondere ZA-27, bekannt dafür, außerordentlich stark zu sein, mit einer Zugfestigkeit, die deutlich höher sein kann als bei üblichen Aluminium-Druckgusslegierungen. Beide Optionen sind jedoch schwieriger zu gießen und werden für Hochleistungsanwendungen reserviert, bei denen maximale Festigkeit entscheidend ist.

2. Kann 6061-Aluminium druckgegossen werden?

Während 6061 eine sehr verbreitete und feste Aluminiumlegierung ist, wird sie typischerweise nicht für das Hochdruck-Druckgießen verwendet. Ihre chemische Zusammensetzung und Erstarrungseigenschaften machen sie anfällig für Fehler wie Heißrissbildung unter den schnellen Abkühlbedingungen des Hochdruck-Druckgießens. Sie wird jedoch häufig in anderen Gießverfahren wie Schwerkraft-Druckgießen und Sandguss eingesetzt, bei denen die Abkühlgeschwindigkeiten langsamer und besser kontrollierbar sind.