Aluminiumlegierung

Grundlagen und Einteilung

Aluminiumlegierungen bestehen überwiegend aus Aluminium. Als Ausgangsmaterial dient meist Al99,5, also Reinaluminium mit 99,5 % Aluminium. Wichtige Legierungselemente sind Mangan (Mn), Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Silicium (Si) und Zink (Zn). Durch das Legieren lassen sich vor allem Festigkeit und weitere Werkstoffeigenschaften in weiten Grenzen verändern.

Man unterscheidet nach der Art der Festigkeitssteigerung:

• Naturharte, nicht aushärtbare Legierungen erhalten ihre Festigkeit durch Mischkristallverfestigung und Kaltverfestigung. Dazu gehören AlMn, AlMg, AlMgMn und AlSi.
• Aushärtbare Legierungen können zusätzlich durch Ausscheidungshärtung, eine spezielle Wärmebehandlung, fester werden. Dazu zählen AlCuMg, AlCuSiMn, AlMgSi, AlZnMg und AlZnMgCu.

Aushärtbare Legierungen werden zu Halbzeugen verarbeitet, etwa zu Bändern, Blechen, Ronden, Rohren, Stangen, Drähten, Strangpressprofilen und Schmiedestücken. Außerdem werden Aluminiumlegierungen nach ihrer Verarbeitung als Knet- oder Gusswerkstoffe unterschieden. Fast alle Sorten können als Knetlegierung verwendet werden; AlSi wird jedoch fast nie als Knetlegierung genutzt. Zu den Gusswerkstoffen gehören besonders AlSi einschließlich AlSiMg und AlSiCu wegen ihrer guten Gießbarkeit, außerdem AlMg, AlMgSi, AlCuTi und AlCuTiMg.

Wirkung der Legierungselemente

Die Hauptlegierungselemente Silicium, Magnesium, Mangan, Kupfer und Zink erhöhen die Festigkeit durch Mischkristallverfestigung. In reinem Aluminium sind die Atome regelmäßig angeordnet. In einer Legierung ersetzen Atome anderer Elemente einen Teil der Aluminiumatome. Weil diese Atome eine andere Größe haben, können die Atome schlechter gegeneinander verschoben werden; die Festigkeit steigt. Manche Elemente bilden außerdem Ausscheidungen, also aluminiumarme oder aluminiumfreie Bereiche, die ebenfalls die Festigkeit erhöhen.

Für hohe Festigkeiten werden Zink zusammen mit Magnesium sowie Kupfer eingesetzt. Für mittlere Festigkeiten dienen Mangan, Magnesium und Silicium. Silicium verbessert zusätzlich die Gießbarkeit.

Eisen und Silicium gelangen als Begleitelemente aus dem Elektrolyseprozess in das Aluminium. Meist sind sie unerwünschte Verunreinigungen. Eisen kann die Festigkeit nachteilig beeinflussen, weil es verschiedene intermetallische Phasen bildet. Es wird aber auch eingesetzt, um Silicium zu binden und damit die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Bei Druckgusslegierungen kann Eisen außerdem die Klebneigung an stählernen Dauerformen senken.

Sonderlegierungselemente haben besondere Aufgaben. Titan, Bor, Mangan, Zirconium, Chrom, Vanadium und Scandium dienen der Kornfeinung: Schon sehr kleine Mengen wirken beim Erstarren der Schmelze als Keime. Die Schmelze erstarrt dadurch an vielen Stellen gleichzeitig, erhält ein feineres Gefüge und wird fester. Bismut, Blei und Schwefel verbessern beim Fräsen, Bohren und Drehen das Brechen der Späne; ihre Wirkung entspricht der bei Automatenstahl. Lithium und Scandium sind wesentlich leichter als Aluminium und können die Dichte senken, was besonders für Luft- und Raumfahrtlegierungen vorteilhaft ist.

Knetlegierungen und Bezeichnungssystem

Aluminiumknetlegierungen werden vor allem durch Umformen verarbeitet, zum Beispiel Walzen und Strangpressen. Bereits geringe Zusätze von Magnesium, Silicium, Kupfer, Zink, Nickel und Mangan verändern die Eigenschaften des reinen Aluminiums stark. Festigkeit und Härte steigen, die elektrische Leitfähigkeit sinkt und die Umformbarkeit nimmt nur gering ab. Wegen ihrer hohen Duktilität, also ihrer Verformbarkeit ohne zu brechen, heißen sie Knetlegierungen. Sie werden unter anderem im Motor-, Getriebe-, Rohr- und Maschinenbau sowie wegen ihrer hohen Festigkeit bei geringer Dichte für Transportbehälter und Konstruktionsteile im Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffbau eingesetzt.

Üblich ist ein vierstelliges Zahlensystem der Aluminum Association nach EN 573-3/4. Die erste Ziffer kennzeichnet das Hauptlegierungselement und damit die Legierungsgruppe; die übrigen Ziffern sind überwiegend Zählnummern.

• 1xxx: mindestens 99 % Aluminium; nicht aushärtbar; 070…190 N/mm². Reinaluminium ist schweißbar, sehr korrosionsbeständig und besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit, beispielsweise für Aluminiumfolie sowie chemische Tanks und Rohre.
• 2xxx: Kupfer; aushärtbar; 190…570 N/mm². Diese Legierungen sind hochfest, aber korrosionsanfällig und meist schwer oder nicht schweißbar. Einsatz: Flugzeugbau und Raumfahrt.
• 3xxx: Mangan; nicht aushärtbar; 100…350 N/mm². Sie haben geringe Festigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Umformbarkeit; sie eignen sich auch für höhere Temperaturen, etwa für Kochtöpfe, Fahrzeugkühler und den Kraftwerksbau.
• 4xxx: Silicium; aushärtbar oder nicht aushärtbar; 170…380 N/mm². Es ist die einzige Serie mit beiden Arten. Für die Aushärtung ist zusätzlich Magnesium nötig. Silicium senkt den Schmelzpunkt und macht die Schmelze dünnflüssiger, weshalb diese Serie für Schweiß- und Lötzusätze geeignet ist.
• 5xxx: Magnesium ohne Silicium; nicht aushärtbar; 100…450 N/mm². Mittlere bis hohe Festigkeiten und Schweißbarkeit ermöglichen Anwendungen im Schiffbau, Transport, bei Druckkesseln, Brücken und Gebäuden. Werkstoffe mit mehr als 3,0 % Mg sind über 65 °C wegen Spannungsrisskorrosion nicht geeignet.
• 6xxx: Magnesium und Silicium; aushärtbar; 100…450 N/mm². Mit Si und Mg um 1 % sind sie sehr gut schweißbar und strangpressbar und werden vorwiegend als Strangpressprofile verwendet. Ohne Schweißzusatz sollten sie wegen Warmrissen nicht geschweißt werden.
• 7xxx: Zink; aushärtbar; 220…700 N/mm². Mit 0,8 bis 12,0 % Zn erreichen sie hohe bis sehr hohe Festigkeiten und werden im Flugzeugbau, in der Raumfahrt, für Sportgeräte sowie Gehäuse von Mobiltelefonen und Uhren verwendet. Manche Legierungen sind nicht mit Lichtbogen schweißbar.
• 8xxx: andere Elemente; Härtbarkeit und Festigkeit sind unterschiedlich, zum Beispiel Aluminium-Lithium-Legierungen der ersten Generation.

Typische Industrielegierungen sind Aludur mit 0,3–1 % Silicium, 0,3–0,8 % Mangan und 0,5–1,2 % Magnesium; Duraluminium mit 0,2–1,0 % Silicium, 0,5–1,2 % Mangan, 0,2–5 % Magnesium und 2,5–5,5 % Kupfer; Hydronalium mit 3–12 % Magnesium; sowie Silumin mit bis 14 % Silicium.

Gusslegierungen

Bei Aluminiumgusslegierungen bezeichnet 1xxx Reinaluminiumqualitäten, 2xxx Kupferlegierungen (AlCu), 3xxx Silicium-Kupfer/Magnesium, 4xxx Siliciumlegierungen (AlSi), 5xxx Magnesiumlegierungen (AlMg), 7xxx Zink, 8xxx Zinn und 9xxx Vorlegierungen.

Die wichtigste Aluminium-Gusssorte ist die eutektische Aluminium-Silicium-Legierung. Ein Eutektikum ist hier eine Zusammensetzung mit besonders niedrigem Schmelzpunkt: Es liegt bei etwa 12 % Silicium und schmilzt bei 576 °C. AlSi besitzt hervorragende Gießeigenschaften, insbesondere Dünnflüssigkeit und geringe Schwindung, und zugleich eine hohe Festigkeit. Die Legierung ist im Allgemeinen gut schweißbar und korrosionsbeständig. Magnesium und Kupfer erhöhen die Festigkeit; Kupfer verringert jedoch die Korrosionsbeständigkeit.

Solche Aluminiumgusslegierungen werden beispielsweise für Motorengehäuse und Getriebegehäuse im Fahrzeug- und Flugzeugbau eingesetzt. Da Aluminiumschmelze zur Oxid- und Schaumbildung neigt, müssen Gießverfahren entsprechend angepasst und weiterentwickelt werden. Bei Kokillengussverfahren gewinnt das Kippgießen zunehmend an Bedeutung.