Silizium ist das wichtigste Legierungselement in Aluminiumgusslegierungen. Über 85 % aller Aluminiumgussteile werden aus Al-Si-Legierungen hergestellt – von A356-Autorädern bis hin zu A380-Motorblöcken. Diese Dominanz ist kein Zufall: Silizium verbessert die Gusseigenschaften erheblich und bietet gleichzeitig eine außergewöhnliche Kombination aus Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit.
Dieser Artikel erläutert, wie der Siliziumgehalt das Verhalten von Aluminiumlegierungsblöcken beim Gießen und die resultierenden physikalischen Eigenschaften der fertigen Bauteile beeinflusst. Unabhängig davon, ob Sie Blöcke für Sandguss, Kokillenguss oder Druckguss spezifizieren, ist das Verständnis der Rolle von Silizium für die Qualitäts- und Kostenkontrolle unerlässlich.
Warum Silizium? Die metallurgische Begründung
Silizium wird Aluminiumgusslegierungen aus mehreren grundlegenden Gründen zugesetzt:
- Ausgezeichnete Gießbarkeit: Silizium verbessert die Fließfähigkeit dramatisch und ermöglicht es geschmolzenem Metall, dünne Schichten und komplexe Formgeometrien zu füllen.
- Geringe Schrumpfung: Al-Si-Legierungen weisen einen engen Erstarrungsbereich auf (insbesondere in der Nähe der eutektischen Zusammensetzung), wodurch Heißrissbildung und Schwindungsporosität reduziert werden.
- Leicht: Silizium (Dichte 2,33 g/cm³) ist leichter als Aluminium (2,70 g/cm³), daher reduziert ein höherer Siliziumgehalt das Gussgewicht.
- Gute mechanische Eigenschaften: Siliziumpartikel verstärken die Legierung und erhalten gleichzeitig die Duktilität (insbesondere nach einer Modifizierung).
- Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit: Silizium verbessert das Passivierungsverhalten
- Geringe Wärmeausdehnung: Hochsiliziumlegierungen weisen reduzierte Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und sind daher ideal für Präzisionsbauteile.
Die Quelle: Hochreines Siliziummetall für Legierungen
Die Qualität von Aluminium-Silizium-Gusslegierungen beginnt mit dem als Legierungszusatz verwendeten Siliziummetall. Für hochwertige Aluminiumgussteile gilt: hochreines Siliziummetall Es ist unerlässlich, unerwünschte Verunreinigungen zu vermeiden, die die mechanischen Eigenschaften und die Gießbarkeit beeinträchtigen können. Bright Alloys bietet ein komplettes Sortiment an Siliziummetallsorten, die für die Herstellung von Aluminiumlegierungen geeignet sind:
- Siliziummetall der Güteklasse 97 (Mindestens 97 % Si) – Eine wirtschaftliche Option für Aluminiumgusslegierungen für allgemeine Anwendungen, bei denen keine maximale Reinheit erforderlich ist.
- Siliziummetall der Güteklasse 331 (99,3 % Si) – Standardqualität für die meisten Aluminium-Silizium-Gusslegierungen, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Reinheit und Kosten bietet.
- Siliziummetall der Güteklasse 441 (99,1 % Si, niedriger Fe-, Al- und Ca-Gehalt) – Bevorzugt für hochwertige Gussteile, die eine gleichbleibende chemische Zusammensetzung und einen reduzierten Eisengehalt erfordern.
- Siliziummetall der Güteklasse 553 (98,5 % Si) – Weit verbreitet für Standard-Gusslegierungen, bietet ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis für die Massenproduktion
- Siliziummetall der Güteklasse 1101 (99,7 % Si, extrem geringe Verunreinigung) – Für die Luft- und Raumfahrt sowie für Hochleistungsgussteile, die höchste Reinheit und Konsistenz erfordern.
Die Wahl der Siliziummetallsorte hat direkten Einfluss auf den Gehalt an Verunreinigungen in der fertigen Legierung – insbesondere Eisen, Kalzium und Aluminium –, was wiederum Auswirkungen auf die Gießfließfähigkeit, das Anodisierungsverhalten und die mechanischen Eigenschaften hat.
Das Al-Si-Phasendiagramm: Hypoeutektisch, Eutektisch und Hypereutektisch
Das Aluminium-Silizium-Phasendiagramm bildet die Grundlage für das Verständnis dieser Legierungen. Das Hauptmerkmal ist die eutektischer Punkt bei 12,6 % Silicium und 577 °C.
Hypoeutektische Legierungen (< 12,6 % Si)
Beispiele: A356 (7 % Si), A357 (7 % Si), A319 (6 % Si), A356.2 (7 % Si)
Mikrostruktur: Primäre Aluminiumdendriten + Al-Si-Eutektikum in interdendritischen Bereichen
Eigenschaften: Gute Duktilität, hervorragende Kombination aus Festigkeit und Dehnung, weit verbreitet für Strukturgussteile, die Druckdichtheit und gute Dauerfestigkeit erfordern. Die Modifizierung mit Strontium oder Natrium ist Standardverfahren, um nadelförmige Siliziumplättchen in eine faserige Morphologie umzuwandeln und die Duktilität um das 2- bis 3-Fache zu verbessern.
Eutektische Legierungen (12,6 % Si)
Beispiele: A413 (12% Si), LM6 (12% Si)
Mikrostruktur: Vollständig eutektisch – feine Mischung aus Aluminium und Silizium
Eigenschaften: Maximale Fließfähigkeit, minimale Schwindung, ausgezeichnete Druckdichtigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit. Beste Gießbarkeit aller Al-Si-Legierungen. Mittlere Festigkeit und Duktilität (durch Modifizierung verbesserbar). Ideal für komplexe Dünnwandgussteile, Hydraulikkomponenten und filigrane Druckgussteile.
Hypereutektische Legierungen (> 12,6 % Si)
Beispiele: A390 (17 % Si), A390.1 (17-18 % Si), A391 (19 % Si)
Mikrostruktur: Primäre Siliziumkristalle + Al-Si-Eutektikum
Eigenschaften: Sehr geringe Wärmeausdehnung (17–19 ppm/°C), ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, hohe Härte, gute Festigkeit bei hohen Temperaturen. Primäre Siliziumpartikel wirken als harte, verschleißfeste Phasen. Erfordert eine spezielle Aufbereitung (Phosphorimpfung) zur Raffination des primären Siliziums. Anspruchsvolle Bearbeitung (Diamantwerkzeuge erforderlich). Verwendung: Motorblöcke, Kolben, Zylinderlaufbuchsen und verschleißfeste Bauteile.
Auswirkungen auf die Gussleistung
Fließfähigkeit (Fließvermögen von geschmolzenem Metall)
Die Fließfähigkeit steigt mit dem Siliziumgehalt bis zum eutektischen Punkt an und sinkt dann wieder. Bei 0 % Si weist Aluminium eine geringe Fließfähigkeit auf. Bei 7 % Si (A356) verbessert sich die Fließfähigkeit um etwa 50 % im Vergleich zu Reinaluminium. Bei 12 % Si (A413) erreicht die Fließfähigkeit ihr Maximum – sie ist dann etwa 100 % besser als bei Reinaluminium. Aus diesem Grund werden für dünnwandige Druckgussteile (1–2 mm Wandstärke) typischerweise Legierungen im eutektischen Bereich verwendet.
Heißrissneigung
Heißrisse entstehen, wenn erstarrendes Metall die Kontraktionsspannungen nicht aufnehmen kann. Der enge Erstarrungsbereich eutektischer Legierungen (nur ca. 5 °C) minimiert die Heißrissneigung. Hypoeutektische Legierungen mit 5–9 % Si weisen eine mittlere Heißrissneigung auf. Legierungen unter 3 % Si (z. B. der 2xxx-Serie) sind hochgradig anfällig und werden selten im Sand- oder Kokillengussverfahren hergestellt.
Schrumpfung und Fütterung
Die Gesamtschrumpfung bei der Erstarrung nimmt mit steigendem Siliziumgehalt ab: Reines Aluminium: ca. 6,6 % Volumenschrumpfung. A356 (7 % Si): ca. 4,5 % Schrumpfung. A413 (12 % Si): ca. 3,8 % Schrumpfung. A390 (17 % Si): ca. 3,0 % Schrumpfung. Eine geringere Schrumpfung bedeutet kleinere Steiger, höhere Ausbeute und geringere Porosität.
Einfluss auf physikalische und mechanische Eigenschaften
| Eigentum | Niedriger Si-Wert (<5%) | Mittlerer Si-Gehalt (5-9 %) | Hoher Si-Gehalt (12-18%) | Praktische Auswirkungen |
|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (im Gusszustand) | Niedrig (~120-150 MPa) | Gut (~180-240 MPa) | Mäßig (~150-200 MPa) | Hypoeutektisch bietet die beste Festigkeit nach der Wärmebehandlung (A356-T6: 310 MPa Zugfestigkeit). |
| Dehnung (Duktilität) | Hoch (~10-15%) | Gut (~5-12%) | Niedrig (~1-3%) | Höherer Siliziumgehalt verringert die Duktilität; Modifikationen stellen einen Teil der Duktilität in hypoeutektischen Legierungen wieder her. |
| Härte (Brinell) | Niedrig (~30-40 HB) | Mäßig (~60-90 HB) | Hoch (~100-150 HB) | Hypereutektische Legierungen, die sich hervorragend für Verschleißanwendungen eignen |
| Dichte (g/cm³) | 2.70-2.71 | 2.67-2.69 | 2.62-2.66 | Gewichtseinsparungen von 1-3% gegenüber eutektischen Legierungen (durch Verwendung von höher reinen Klasse 441 oder 553 Siliziummetall (hilft dabei, niedrige Verunreinigungsgrade aufrechtzuerhalten und gleichzeitig diese Dichtevorteile zu erzielen) |
| Wärmeausdehnungskoeffizient (10⁻⁶/°C) | 23-24 | 21-22 | 17-19 | Hoher Siliziumgehalt reduziert die Wärmeausdehnung – entscheidend für Kolben und Präzisionsbauteile |
| Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) | ~200 | ~150-170 | ~120-140 | Geringere Leitfähigkeit bei höherem Si-Gehalt – für die meisten Gussteile akzeptabel, bei Wärmetauschern jedoch zu berücksichtigen. |
Siliziummorphologie: Im Gusszustand vs. modifiziert
Die Form der Siliziumpartikel beeinflusst die mechanischen Eigenschaften erheblich. In unmodifizierten hypoeutektischen Legierungen bildet Silizium grobe, nadelförmige Plättchen, die als Kerbwirkung wirken und die Duktilität auf eine Dehnung von 2–4 % begrenzen.
Änderung Die Zugabe von 0,005–0,03 % Sr oder Na wandelt nadelförmiges Silizium in eine feine Faserstruktur um. Ergebnisse: Die Dehnung steigt von 3 % auf 10–12 % (A356). Die Zugfestigkeit erhöht sich um 15–25 %. Die Dauerfestigkeit verbessert sich um das 2- bis 5-Fache. Die Bruchzähigkeit verdoppelt sich. Aus diesem Grund werden in modernen Gießereien praktisch alle hypoeutektischen Al-Si-Gusslegierungen modifiziert. Die Wirksamkeit der Modifizierung hängt unter anderem von der Reinheit der Siliziumquelle ab – hochreines Silizium ist von entscheidender Bedeutung. Siliziummetall der Güteklasse 1101 (99,7% Si) minimiert störende Verunreinigungen, die die Modifizierungsreaktion beeinträchtigen könnten.
Gängige Aluminium-Silizium-Gusslegierungen
| Legierung | Si (%) | Typ | Typische Anwendungen | Wichtigste Eigenschaften |
|---|---|---|---|---|
| A356 / A356.2 | 6,5–7,5 % | Hypoeutektisch | Automobilräder, Fahrwerkskomponenten, Strukturgussteile, Luft- und Raumfahrtarmaturen | Hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis nach T6-Wärmebehandlung (310 MPa Zugfestigkeit, 10 % Dehnung). Beste Allzweck-Gusslegierung. Erfordert Sr-Modifizierung. Beste Ergebnisse mit Klasse 441 oder 331 Siliziummetall. |
| A357 | 6,5–7,5 % | Hypoeutektisch | Luft- und Raumfahrtgussteile, Hochleistungs-Automobilkomponenten, Militärkomponenten | A356 mit höherem Mg-Gehalt (0,5–0,7 %) für höhere Festigkeit nach der Wärmebehandlung (345 MPa Zugfestigkeit). Premium-Legierung. Erfordert hohe Reinheit. Siliziummetall der Güteklasse 1101 für die Luft- und Raumfahrtzertifizierung. |
| A319 | 5,5–6,5 % | Hypoeutektisch | Zylinderköpfe, Ansaugkrümmer, Getriebegehäuse, Pumpen | Gute Festigkeit bei hohen Temperaturen, ausgezeichnete Druckdichtheit, gute Bearbeitbarkeit. Enthält Kupfer (3–4 %) zur Erhöhung der Festigkeit. |
| A380 | 7,5–9,5 % | Hypoeutektisch (nahezu eutektisch) | Druckgussteile – Elektronikgehäuse, Gehäuse für Elektrowerkzeuge, Halterungen für Kraftfahrzeuge, Komponenten für Haushaltsgeräte | Beste Druckgusslegierung: ausgezeichnete Fließfähigkeit, gute Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit. 80 % der Aluminium-Druckgussteile bestehen aus A380. |
| A413 | 11-13% | Eutektisch / beinahe eutektisch | Dünnwandige Druckgussteile, Hydraulikkomponenten, komplexe Formen, druckdichte Gussteile | Maximale Fließfähigkeit, ausgezeichnete Druckdichtigkeit, minimale Schwindung. Geringere Festigkeit als A356, aber überlegene Gießbarkeit. |
| A390 | 16-18% | Hypereutektisch | Motorblöcke (teilweise), Kolben, Zylinderlaufbuchsen, Kompressorkomponenten, Verschleißringe | Sehr hohe Verschleißfestigkeit, geringe Wärmeausdehnung, hohe Härte. Erfordert spezielle Handhabung (P-Impfung, Diamantwerkzeuge). Hohe Reinheit. Note 97 oder 553 Siliziummetall wird typischerweise für diese hochsiliziumhaltigen Legierungen verwendet. |
Einfluss von Silizium auf die Sekundärverarbeitung
Wärmebehandelbarkeit
Hypoeutektische Legierungen (A356, A357) reagieren hervorragend auf Wärmebehandlungen der Stufen T5, T6 und T7. Durch Lösungsglühen werden Mg₂Si-Ausscheidungen aufgelöst, gefolgt von einer Auslagerung zur Bildung feiner, härtender Ausscheidungen. Eutektische Legierungen (A413) zeigen nur eine geringe Reaktion auf Wärmebehandlungen (kein Mg). Hypereutektische Legierungen werden typischerweise im Gusszustand (T1) oder nach einer begrenzten Auslagerung eingesetzt.
Bearbeitbarkeit
Niedriger Si-Gehalt (<5 %): Klebrig, schlechte Spanbildung, Aufbauschneiden. Mittlerer Si-Gehalt (5–9 %): Gute Bearbeitbarkeit mit geeignetem Werkzeug. Hoher Si-Gehalt (12–18 %): Abrasiv, erfordert Hartmetall- oder Diamantwerkzeuge, erzeugt aber eine ausgezeichnete Oberflächengüte. Hypereutektische Legierungen (A390) gehören zu den abrasivsten Aluminiumlegierungen, können aber zu spiegelglatten Oberflächen verarbeitet werden. Der Eisengehalt in Siliziummetall (niedriger in Klasse 441 Und 331) hat einen erheblichen Einfluss auf die Werkzeugstandzeit bei Bearbeitungsvorgängen.
Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit nimmt mit steigendem Siliziumgehalt ab. A356/A357 weisen eine gute Schweißbarkeit (WIG, MIG/MAG) auf. A380/A413 sind aufgrund des hohen Silizium- und Kupfergehalts schlecht schweißbar und daher nicht für das Konstruktionsschweißen geeignet.
Praktischer Leitfaden zur Legierungsauswahl
Nutzen Sie diesen Entscheidungsrahmen, um die optimale Al-Si-Gusslegierung für Ihre Anwendung auszuwählen:
- Maximale Duktilität und Festigkeit nach der Wärmebehandlung erforderlich? → A356 oder A357 (6,5–7,5 % Si) mit T6-Wärmebehandlung. Bitte angeben. Klasse 441 oder 331 Siliziummetall für optimale Ergebnisse.
- Benötigen Sie komplexe, dünnwandige Druckgussteile mit guten Gusseigenschaften? → A380 (8-9% Si) für allgemeine Druckgussteile; A413 (11-13% Si) für extrem dünne Wände. Siliziummetall der Güteklasse 553 ist die Standardwahl.
- Verschleißfestigkeit und geringe Wärmeausdehnung erforderlich? → A390 (16-18% Si) hypereutektisch. Siliziummetall der Güteklasse 97 bietet eine wirtschaftliche Siliziumquelle für diese hochsiliziumhaltigen Legierungen.
- Benötigen Sie erhöhte Temperaturbeständigkeit (Motoranwendungen)? → A319 (5,5–6,5 % Si) mit Cu-Zusatz
- Benötigen Sie Druckdichtheit für Hydraulikkomponenten? → A413 (eutektisch) oder A356 (bei sorgfältiger Fütterung)
- Benötigen Sie eine Zertifizierung nach Luft- und Raumfahrtstandard mit maximaler Reinheit? → A357 mit Siliziummetall der Güteklasse 1101 (99,7 % Si, extrem niedrige Verunreinigungsgrade)
Fallbeispiel: Auswahl von Leichtmetallfelgen für Automobile
Ein Hersteller von gegossenen Aluminium-Automobilrädern evaluierte drei Legierungen: A380 (9 % Si), A356 (7 % Si) und A413 (12 % Si). Anforderungen: hohe Festigkeit für die Sicherheit, gute Duktilität für die Schlagfestigkeit, exzellente Oberflächengüte für ein ansprechendes Aussehen und die Möglichkeit, dünne Speichen (5 mm Querschnitt) zu gießen. Ergebnisse: A380 bot gute Gießbarkeit, jedoch begrenzte Duktilität (3–5 % Dehnung) und ein schlechtes Wärmebehandlungsverhalten. A413 bot ausgezeichnete Gießbarkeit, aber eine geringere Festigkeit (200 MPa Zugfestigkeit). A356 mit Sr-Modifizierung und T6-Wärmebehandlung erreichte eine Zugfestigkeit von 310 MPa, 10 % Dehnung und akzeptable Gießbarkeit bei korrekter Angussführung. Die Gießerei spezifizierte Siliziummetall der Güteklasse 441 Aufgrund seines konstant niedrigen Eisengehalts, der die Duktilität und die Gleichmäßigkeit der Anodisierung verbesserte, wurde A356 ausgewählt – ein Beweis dafür, dass die beste Gießbarkeit nicht immer ausschlaggebend ist; die Materialeigenschaften bestimmen die Auswahl, und die Qualität des Siliziummetalls ermöglicht diese Eigenschaften unmittelbar.
Der Siliziumgehalt ist die wichtigste Variable bei der Entwicklung von Aluminiumgusslegierungen. Von hypoeutektischem A356 für Strukturgussteile über eutektisches A413 für dünnwandige Druckgussteile bis hin zu hypereutektischem A390 für verschleißfeste Bauteile – Silizium beeinflusst Fließfähigkeit, Heißrissbeständigkeit, Schwindung, mechanische Eigenschaften und das Verhalten bei der Weiterverarbeitung. Durch das Verständnis des Al-Si-Phasendiagramms und der mit unterschiedlichen Siliziumgehalten verbundenen Kompromisse können Gießereien und Abnehmer die optimale Legierung für jede Anwendung auswählen und dabei Gießbarkeit, Kosten und die Leistung des fertigen Bauteils optimal aufeinander abstimmen. Die Grundlage jedes hochwertigen Aluminium-Silizium-Gussteils ist hochreines Siliziummetall. Bright Alloys bietet ein umfassendes Sortiment an Siliziummetall-Sorten — Note 97, 331, 441, 553, Und 1101 — mit zertifizierter Chemie, um die hohen Anforderungen von Aluminiumgießereien weltweit zu erfüllen.