Mit Magnesium geht’s leichter

Magnesiumbleche als Halbzeug für Leichtbauteile. Leistungssteigerung und Umweltverträglichkeit sind zentrale Entwicklungskriterien für zukunftsfähige Produkte und Prozesse. Dies gilt besonders für...

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

Franke GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Magnesiumbleche als Halbzeug für LeichtbauteileLeistungssteigerung und Umweltverträglichkeit sind zentrale Entwicklungskriterien für zukunftsfähige Produkte und Prozesse. Dies gilt besonders für die Verkehrstechnik, aber auch für den Maschinenbau, die Elektronik und Kommunikationstechnik sowie eine Vielzahl weiterer Branchen. Dabei scheint sich Magnesium (Mg) als leichtester metallischer Konstruktionswerkstoff in einem zunehmend verschärften Wettbewerb der Werkstoffe und Bauweisen weiter zu etablieren. Gussteile aus Magnesiumlegierungen befinden sich bereits im Serieneinsatz [1].Im Gegensatz zu den traditionellen Werkstoffen Stahl und Aluminium spielen umgeformte Magnesiumhalbzeuge derzeit eine noch untergeordnete Rolle. Dies hängt mit der strukturbedingt eingeschränkten Kaltumformbarkeit des Magnesiums zusammen. Im Wesentlichen ist es jedoch das Resultat einer in den letzten Jahrzehnten vernachlässigten Werkstoff- und Produktentwicklung. So entfielen 1999 auf Schmiede-, Strangpress- und Walzprodukte nur etwa 1% des Magnesiumverbrauchs. Die derzeit verfügbaren Magnesiumhalbzeuge können die hohen Qualitäts- und Mengenanforderungen zum Beispiel im Automobilbau nicht erfüllen. Geringe Nachfrage und mangelndes Angebot behindern sich gegenseitig in der Entwicklung eines sowohl anwendungstechnisch als auch ökonomisch wettbewerbsfähigen Produktspektrums.Aus der Vergangenheit sind allerdings eine Vielzahl anspruchsvoller Strukturanwendungen für Magnesiumbleche aus dem Flugzeugbau, der Satelliten- und Raketentechnik sowie aus dem Transportwesen bekannt [2 bis 3]. Aber auch heute bietet das Magnesiumblech beste Voraussetzungenfür komplex belastbare Ultraleichtbauteile mit hohen mechanischen und oberflächentechnischen Anforderungen. Damit eröffnen sich dieser Werkstoffgruppe neue Anwendungsbereiche, die mit Wettbewerbsprodukten aus Magnesiumguss nicht oder nur schwer zu erreichen sind. Kennzeichnend für das Leistungsprofil des Magnesiumblechs ist einerseits eine hohe Rohstoffverfügbarkeit und universelle Recyclingfähigkeit, andererseits hohe gewichtsspezifische Fähigkeiten und Steifigkeitseigenschaften, insbesondere unter Biege- und Beulbeanspruchung. Daraus ergeben sich Gewichtsvorteile am Bauteil gegenüber Stahl um bis zu 60% und gegenüber Aluminium um bis zu 25%.Feinere Werkstoffstruktur als bei DruckgussteilenVorteile gegenüber Magnesium-Druckguss resultieren insbesondere aus einer homogenen, feinkristallinen und fehlerarmen Werkstoffstruktur. Besonders bemerkenswert sind die daraus resultierenden ausgewogeneren mechanischen Eigenschaften auf höherem Festigkeitsniveau. Die Verformbarkeit ist besser. Es wird eine erhöhte dynamische Beanspruchbarkeit und Energieaufnahmefähigkeit - zum Beispiel bei Crash - erreicht. Innerhalb des ge-samten Bauteils ist das Eigenschaftsniveau gleichmäßig, wodurch eine optimale Bauteilauslegung vereinfacht wird. Die Herstellung großflächiger dünnwandiger Bauteile ist möglich und das Eigenschaftspotenzial für Bauteile mit außenhautfähiger Oberflächenqualität vorhanden.Gegenüber Kunststoffen zeichnet sich Magnesiumblech unter anderem durch eine höhere Warmfestigkeit, eine geringere thermische Dehnung und die leichtere Wiederverwertung aus. Hinzu kommen ein sehr gutes Dämpfungsverhalten sowie eine hervorragende Zerspanbarkeit. Die gute Wärmeleitfähigkeit sorgt für ein eher unkritisches Entflammungsverhalten massiver Magnesiumkomponenten. Der unedle Charakter des Magnesiums verlangt jedoch einen Korrosionsschutz, der den jeweiligen Anwendungen angepasst ist.Vielfältige Anwendungen im AutomobilbauDas breite Anwendungspotenzial von Magnesiumblech wird am Beispiel des Automobils deutlich. Neben einer merklichen Reduzierung des Gesamtgewichts lässt sich gerade die Gewichtsverteilung (leichter Vorderwagen, Absenkung des Fahrzeugschwerpunkts, Verringerung ungefederter Massen) mit der Perspektive eines verbesserten Fahrverhaltens positiv beeinflussen. Anwendungsfelder ergeben sich im Innenraumbereich, bei der Karosserie (großflächige Anbauteile, Strukturkomponenten der Rohkarosserie), im Antriebsstrang (Zylinderkopfabdeckung, Ölwanne) und beim Fahrwerk (zum Beispiel Rahmen und Felge). Der Durchbruch von Magnesiumblech in der Verkehrstechnik gelingt nur, wenn die Halbzeuge dieses Leichtmetalls die an Serienteile gestellten hohen Qualitäts-, Geometrie- und Mengenanforderungen erfüllen. Zentraler Punkt dabei ist eine ausreichende Belieferungssicherheit für die Serie. Gleichzeitig müssen fehlende Werkstoff-, Verarbeitungs- und Betriebserfahrungen durch Prototyping und Bauteilentwicklung gesammelt werden. Darüber hinaus sind weitere Werkstoffentwicklungen zum Beispiel in Richtung verbesserter Verformbarkeit hilfreich, weil die Knetlegierungspalette heute fast ausschließlich auf eine einzige Werkstoffgüte begrenzt ist: auf die Legierung AZ31 (MgA13Zn1m%). Diese Legierung ist zwar bezüglich der Verarbeitbarkeit und Betriebseigenschaften eine einsatzfähige Legierung, sie stellt aber bei weitem noch kein Optimum dar [4 und 5].Auf dieser Basis wagt die Salzgitter Magnesium-Technologie GmbH als junges Tochterunternehmen der Salzgitter AG derzeit den Einstieg in die Entwicklung, Fertigung und den Vertrieb hochwertiger Magnesium-Flachwalzprodukte. So wurde am Standort Salzgitter ein modernes Magnesium-Walzwerk errichtet, das die Fertigung maßgeschneiderter Blechprodukte besonders für den Markt in Mitteleuropa ermöglicht. Die Produktpalette umfasst einerseits schnell verfügbare Standardhalbzeuge aus einem gut sortierten Lagerbestand, andererseits hochwertige - insbesondere hochreine - Magnesium-Blechhalbzeuge aus Standardknetlegierungen (AZ31, AZ61) sowie höherfeste, warmfeste und hochverformbare Sondergüten nach Kundenanforderung. Angeboten wird zunächst Platten- und Tafelhalbzeug mit einer maximalen Blechbreite von 1850 mm und einer minimalen Dicke von 1,0 mm darüber hinaus eine werkstoff- und anwendungstechnische Beratung sowie Koordination und Durchführung von Produktentwicklungen bis zum serienreifen Bauteil.Feinblech der Standardknetlegierung AZ31 erreicht abhängig vom Behandlungszustand (von walzhart bis weichgeglüht) ein mechanisches Eigenschaftsspektrum, das dem konventioneller Aluminium-Karosseriewerkstoffe entspricht. Legierungsalternativen zeigen ein Entwicklungspotenzial in Richtung höherer Festigkeit und verbesserte Verformbarkeit.Eine Reihe laufender Prototyping-Aktivitäten zeigen das Potenzial von Magnesiumblech in unterschiedlichen Anwendungsbereichen des Automobilbaus. Diese Anwendungsbereiche sind hinsichtlich der Komplexität des jeweiligen Anforderungsprofils zu differenzieren.So konzentrieren sich erste Anwendungen wegen der moderaten mechanisch-korrosiven Anforderungen auf den Innenausbau und den Nichtsichtbereich. In Pilotwalzungen hergestellte großformatige Einzelbleche ermöglichten zum Beispiel die fehlerfreie Herstellung eines Pkw-Türinnenblechs in einem werkstoffspezifisch modifizierten Serienwerkzeug [5]. Sitzkomponenten und die zur Erprobung einer reproduzierbaren Kleinserienfertigung hergestellten Halterungselemente im Armaturenträgerbereich zeigen weitere Anwendungsmöglichkeiten mit hoher Wirtschaftlichkeit.Sicherheitsrelevante Bauteile im PrototypstadiumPrototyping-Ergebnisse mit Stoßfängersystemen unterstreichen zudem die prinzipielle Eignung von Magnesiumblech für dynamisch beanspruchte sicherheitsrelevante Komponenten. Der dargestellte schalenförmige Stoßfängerquerträger zeigte in Crashuntersuchungen eine sehr befriedigende Energieaufnahmefähigkeit bei ausschließlich plastischer Verformung (kein Bruch) [6]. Im Bereich der Rohkarosserie und sonstiger Impakt-Komponenten werden zukünftig auch funktions- und gewichtsoptimierte Magnesium-Schweißkonstruktionen aus Blechteilen - auch in Verknüpfung mit Strangpressprofilen und/oder Druckguss - von Relevanz sein. Gleiches gilt für dünnwandige, zum Beispiel laserschweißbare Blechrohrprofile, die durch Innenhochdruckumformen und Biegeprozesse ihre Endgestalt erhalten. In diesem Zusammenhang könnten beispielsweise Instrumententafelquerträger eine interessante Anwendung sein.Das Leichtbaupotenzial von Magnesiumblech lässt sich je-doch insbesondere in großflächig dünnwandigen Komponenten zur vollen Entfaltung bringen. Vor dem Hintergrund bestehender Gewichtsverteilungsprobleme kommen diesbezüglich insbesondere Anbauteile im Vorderwagen (Motorhaube, Kotflügel) sowie Dachkonstruktionen in Betracht. So arbeitet der Automobilbauer VW bereits an einer Fronthauben-Hybridlösung für den 3-l-Lupo. Kern dieser Lösung ist ein Falzklebeverbund aus Magnesiumblech-Innenteil und Aluminiumblech-Außenhaut [7 bis 8].Parallel dazu werden erste Erfahrungen bei der Formgebung von Außenhautteilen gesammelt. Bild 7 zeigt zum Beispiel einen ultraleichten Kotflügel aus 1,2 mm dickem Magnesiumblech AZ31, der von der Salzgitter Automotive Engineering GmbH in Osnabrück mittels temperierter Handformung gefertigt wurde. Das Magnesiumteil wiegt weniger als l kg und ist damit etwa 2,5mal leichter als das mit 0,75 mm wesentlich dünnere Serienteil aus Stahlblech.Leichte Strukturteile aus GrobblechenVorzugsweise für automobilfremde Anwendungen stellen Magnesium-Grobbleche eine vorteilhafte Basis für ultraleichte Strukturteile dar. Bild 8 zeigt den Prototyp eines ultraleichten Radio-Teleskop-Panels, das aus einem Grobblech der Magnesiumlegierung AZ31 spanend herausgearbeitet wurde. Leichtbau, Steifigkeit und hohe Formgenauigkeit sind dabei optimal kombiniert. Aus Vollmaterial spanend hergestellte Bauteile können jedoch auch in der Luft- und Raumfahrttechnik, für diverse Gehäuse elektronischer Geräte und für Hochleistungsmaschinen zur Anwendung kommen.Insgesamt begrenzt der zurzeit vergleichsweise hohe Halbzeugpreis die Anwendungsmöglichkeiten von Magnesiumblech. Dies liegt besonders an den heute noch kleinen Produktionseinheiten auf der Vormaterial- und Blechherstellungsseite. Hinzu kommen weiter zu optimierende Prozessstufen der Blechbearbeitung und Bauteilfertigung.Der unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten wettbewerbsfähige Ultraleichtbau mit Magnesiumblech scheint vor dem Hintergrund fallender Magnesiumpreise auch in Konkurrenz zum Aluminiumblech möglich, falls vergleichbare Produktionsvolumina sowie die Bedingungen für entsprechende Anwendungen von Sekundärmagnesium gegeben sind. Ein derartiges Szenario setzt eine positive Nachfrageentwicklung voraus. Wichtig ist insbesondere die Bereitschaft der Automobilbauer und anderer möglicher Anwender, das Leistungspotenzial des Magnesiumblechs in Nischenprodukten zu erproben.Literatur[1] Schumann, S. und F. Friedrich: Strategies to overcome technological barriers to increase the use of magnesium in cars, 58th Annual World Magnesium Conference in Brüssel, 20 - 22. Mai 2001.[2] Barnes, L.: Rolled Magnesium Products „What goes around, comes around“, 49. IMA-Conference in Chicago, 12. - 15. Mai 1992, International Magnesium Association (IMA), Chicago.[3] Emley, E.: Principles of Magnesium Technology. Pergamon Press l/1966.[4] Dröder, K.: Untersuchungen zum Umformen von Feinblechen aus Magnesium-Knetlegierungen. Dissertation Universität Hannover 1999.[5] Enss, J., und andere: Neue Magnesiumblechprodukte für den Automobilbau. Automobiltechnische Zeitschrift ATZ 2/2001, S. 142-145.[6] Juchmann, P., und andere: Mg-Blechhalbzeuge - erweitertes Einsatzpotenzial für Magnesium im Automobilbau. 3th Annual Export and 1st European Automobile Conference „Progress with Magnesium in car body manufacturing“ in Bad Nauheim, 18. und 19. September 2001.[7] Dröder, K., und W. Sebastian: Einsatzpotenzial von Mg-Blech für Karosserieanwendungen, 3th Annual Export and 1st European Automobile Conference „Progress with Magnesium in car body manufacturing“ in Bad Nauheim, 2001.[8] Juchmann, P. und S. Wolff: Magnesiumbleche - Entwicklungen bei Salzgitter Magnesium-Technologie. 13. Fachtagung des Rohbau-Expertenkreis „Prozesskette Karosserie“ in Fellbach, 2002.