Aluminium 357: Zusammensetzung, Eigenschaften, Härtegrade & Anwendungen
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Umfassender Überblick
357 (häufig als A357 oder AlSi7Mg-Varianten bezeichnet) ist eine Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung der 3xx-Serie und gehört zur Familie der wärmebehandelbaren Gusslegierungen. Die Hauptlegierungselemente sind Silizium und Magnesium, wobei Silizium die Gießbarkeit und Verschleißfestigkeit verbessert und Magnesium die Ausscheidungshärtung durch Mg2Si-Phasen ermöglicht.
Die Legierung wird hauptsächlich durch Lösungsglühen gefolgt von künstlicher Alterung (T6/T651) gehärtet, was feine Mg2Si-Ausscheidungen erzeugt; zudem zeigt sie bei Kaltverformung in bestimmten Formen eine gewisse Verfestigung. Charakteristisch sind eine günstige Kombination aus moderater bis hoher Zugfestigkeit, gute Duktilität für eine Gusslegierung, verbesserte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu vielen kupferhaltigen Legierungen sowie akzeptable Schweißbarkeit bei Verwendung geeigneter Verfahren und Zusatzwerkstoffe.
Typische Anwendungsbereiche für 357 sind die Automobilindustrie (Strukturgussteile, Fahrwerkskomponenten, Räder), die Luft- und Raumfahrt (Armaturen und Gehäuse), der Motorsport sowie Hochleistungsmarine-Anwendungen, bei denen ein ausgewogenes Verhältnis von geringem Gewicht, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gefordert ist. Ingenieure wählen 357 gegenüber anderen Legierungen, wenn komplexe Gussteile mit der Si-verbesserten Fließfähigkeit benötigt werden und die wärmebehandelbaren Spitzenfestigkeiten der Legierung ohne die Rissanfälligkeit höherkupferhaltiger Legierungen erforderlich sind.
Werkstoffzustände (Temper)
| Temper | Festigkeitsniveau | Dehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Hinweise |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Hoch | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Vollständig geglüht; verwendet zur Spannungsrelaxation und Bearbeitung vor der Wärmebehandlung |
| H14 | Mittel | Mittel | Befriedigend | Gut | Verfestigt in gewalzten Formen; eingeschränkt bei Gussteilen |
| T5 | Mittel-Hoch | Mittel | Befriedigend | Gut | Abgekühlt nach Warmumformung und künstlich gealtert; schnellere Produktionsroute für Gussteile |
| T6 | Hoch | Niedrig–Mittel | Befriedigend | Gut | Lösungsglühen + künstliche Alterung; Spitzenfestigkeitszustand für viele Gusskomponenten |
| T651 | Hoch | Niedrig–Mittel | Befriedigend | Gut | T6 mit Spannungsarmglühen/Dehnung zur Entgegenwirkung von Eigenspannungen; häufig für kritische Luft- und Raumfahrtgussteile spezifiziert |
Der gewählte Temperzustand von 357 bestimmt maßgeblich Festigkeit, Duktilität und Eigenspannungszustand. Die T6/T651-Zustände maximieren Zugfestigkeit und Härte durch Mg2Si-Ausscheidungen, reduzieren jedoch Dehnung und Umformbarkeit im Vergleich zum geglühten O-Zustand.
Für die Herstellung ermöglichen O und T5 einen einfacheren Zerspanungs- und Umformprozess vor der endgültigen Alterung, während T6 und T651 für Bauteile im Einsatz verwendet werden, bei denen Maßhaltigkeit und Spitzenleistung gefordert sind.
Chemische Zusammensetzung
| Element | % Bereich | Hinweise |
|---|---|---|
| Si | 6,5–7,5 | Hauptlegierungselement; verbessert Fließfähigkeit, verringert Schrumpfung und erhöht Verschleißfestigkeit |
| Fe | 0,2–0,6 | Verunreinigung aus dem Schmelzprozess; hoher Fe-Gehalt führt zu spröden Intermetallischen Phasen und verringert Duktilität |
| Mn | 0,05–0,35 | Beeinflusst die Morphologie der Fe-Intermetallischen Phasen und kann die Festigkeit leicht erhöhen |
| Mg | 0,25–0,45 | Auslösehärtendes Element, das Mg2Si-Ausscheidungen bildet; steuert das T6-Ansprechverhalten |
| Cu | 0,15–0,6 | Oft bei Gusslegierungen limitiert; erhöht Festigkeit, aber verringert Korrosionsbeständigkeit bei hohen Gehalten |
| Zn | 0,05–0,2 | Geringfügige Verunreinigung; üblicherweise kein gezieltes Festigungselement |
| Cr | 0,02–0,2 | In Spuren zur Kornstrukturkontrolle und Rekristallisation bei einigen Varianten verwendet |
| Ti | 0,02–0,15 | Körnerfeinerungszusatz zur Verbesserung der Gussstruktur und mechanischen Gleichmäßigkeit |
| Andere | ≤0,15 gesamt | Spurenelemente und Rückstände; gering gehalten zur Erhaltung von Korrosions- und mechanischen Eigenschaften |
Silizium und Magnesium sind das funktionale Paar, das Gießbarkeit und wärmebehandelbare Reaktion steuert. Silizium bildet die eutektischen Strukturen, welche das Erstarrungsverhalten bestimmen, während Magnesium in der Aluminium-Matrix löst und bei künstlicher Alterung als Mg2Si ausscheidet, um Zug- und Streckgrenzenfestigkeit zu erhöhen.
Mechanische Eigenschaften
Als wärmebehandelte Gusslegierung zeigt 357 Zugfestigkeiten und Streckgrenzen deutlich über denen typischer nicht wärmebehandelbarer Knetlegierungen, mit moderater Duktilität für ein Gussteil. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve ist durch einen ausgeprägten Streckpunkt und nachfolgende Verfestigung zum Zugfestigkeitsmaximum charakterisiert; die Dehnung im T6-Zustand ist gegenüber dem geglühten Zustand typischerweise reduziert, aber ausreichend für viele Strukturgussteile. Die Härte steigt durch die T6/T651-Behandlung signifikant aufgrund der feinen Dispersion von Mg2Si-Ausscheidungen, wobei Brinell- oder Vickers-Härte gut mit den Zugfestigkeitswerten für Spezifikationszwecke korreliert.
Das Ermüdungsverhalten von 357 wird von Gussfehlern (Porosität, Schrumpfung) und Mikrostruktur beeinflusst; dichte Gussstücke und eine geeignete Angussführung minimieren fehlerbedingte Ermüdungsrisse. Der Querschnittseinfluss ist stark ausgeprägt, da dickere Bereiche langsamer abkühlen, was zu gröberem eutektischem Silizium und erhöhter Porositätsanfälligkeit führt – beides verringert statische und Ermüdungsfestigkeit.
Für dünne Querschnitte und schnell abgekühlte Gussteile liegen die T6-Eigenschaften am oberen Ende der Bereiche; bei dicken Querschnitten und geglühtem O-Zustand sinken Festigkeit und Härte, während die Duktilität zunimmt.
| Eigenschaft | O/Geglüht | Wichtiger Temper (T6/T651) | Hinweise |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | 130–220 MPa | 300–360 MPa | T6-Werte abhängig von Querschnittstärke und Erstarrungsgeschwindigkeit |
| Streckgrenze (0,2 % Rp0,2) | 60–150 MPa | 240–300 MPa | Streckgrenze steigt stark nach Lösungsglühen + Alterung |
| Dehnung (El%) | 10–18 % | 4–10 % | Dehnung nimmt im T6-Zustand ab; Geometrie und Porosität beeinflussen Werte |
| Härte (HB) | 50–90 HB | 90–130 HB | Härte folgt dem Alterungsverhalten und der Kühlhistorie |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Hinweise |
|---|---|---|
| Dichte | 2,67–2,68 g/cm³ | Typisch für Al-Si-Mg-Gusslegierungen; gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis |
| Schmelzbereich (Solidus–Liquidus) | ~520–615 °C | Eutektisches und primäres Silizium verschiebt den Erstarrungsbereich; Werte abhängig von exakter Zusammensetzung |
| Wärmeleitfähigkeit | 110–140 W/m·K | Niedriger als reines Al, aber hoch verglichen mit vielen technischen Legierungen |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~30–40 % IACS (~17–23 MS/m) | Durch Legierungselemente reduziert; akzeptabel für thermische/elektrische Komponenten mit Konstruktionszuschlägen |
| Spezifische Wärme | ~0,90 J/g·K (900 J/kg·K) | Typisch für Aluminiumlegierungen bei Raumtemperatur |
| Wärmeausdehnung | 21–24 µm/m·K | Relativ hohe Wärmeausdehnung erfordert sorgfältige Auswahl bei Verbindung mit fremden Werkstoffen |
Die Kombination aus relativ hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Dichte macht 357 geeignet für Bauteile, bei denen Wärmeableitung und geringes Gewicht gefordert sind, obwohl die Leitfähigkeit im Vergleich zu reinem Aluminium reduziert ist. Wärmeausdehnung und Maßhaltigkeit unter Temperaturzyklen müssen in Baugruppen mit unterschiedlichen Metallen berücksichtigt werden, um galvanische oder mechanische Spannungen zu vermeiden.
Querschnittsstärke und Porosität beeinflussen das thermische Verhalten; dichte, feinkörnige Gussteile bieten konstantere thermische Leistung und bessere Ermüdungsfestigkeit.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Übliche Zustände | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Sandguss | variabel (5–200 mm+) | Niedriger aufgrund langsamerer Abkühlung; grobere Mikrostruktur | O, T5, T6 | Verwendet für große, komplexe Formen; eventuell HIP erforderlich zur Porenreduzierung |
| Dauerform-/Schwerkraftform | 2–60 mm | Bessere mechanische Eigenschaften durch schnellere Abkühlung | T5, T6, T651 | Bevorzugt für Strukturbauteile mit engeren Toleranzen |
| Feinguss/Präzisionsguss | dünne bis mittlere Wandstärken | Hohe Integrität, gute Oberflächengüte | T6 | Verwendet für Luft- und Raumfahrt sowie Hochleistungsbauteile |
| Gesenkgeschmiedet/Heißumgeformt (begrenzt) | variabel | Unüblich für 357; Eigenschaften ergeben sich aus Umformung + Alterung | H-Varianten | Selten; Chemie eher auf Gießprozess abgestimmt |
| Block-/Barrenform | Barren/Blöcke | Rohmaterial für nachgelagerte Gieß- oder Strangpressprozesse | O vor Bearbeitung | Erzeugt niedrigporiges Ausgangsmaterial für spezialisierte Gussteile |
Die Form des Gussprodukts dominiert die Verwendung von 357; Dauerform- und Feingussverfahren liefern die besten mechanischen und ermüdungsfesten Eigenschaften durch schnellere Abkühlung und reduzierte Porosität. Sandguss ist kostengünstig für große Teile, erfordert jedoch Prozesskontrollen oder Nachbehandlungen (z. B. HIP), um interne Defekte zu schließen. Die Wahl der Form und der Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst direkt das erreichbare Ansprechverhalten und die endgültige Mikrostruktur.
Äquivalente Werkstoffe
| Norm | Werkstoff | Region | Hinweise |
|---|---|---|---|
| AA | 357 | USA | ASTM/AA-Bezeichnung für Al-Si-Mg-Gusslegierung, industriell gebräuchlich |
| EN AW | AlSi7Mg0.6 | Europa | Europäische Legierung mit ähnlicher Chemie und Eigenschaften; oft direkter Äquivalentwerkstoff |
| JIS | AlSi7Mg | Japan | Japanische Gussklassifikation für ähnliche Al-Si-Mg-Legierungen |
| GB/T | AlSi7Mg | China | Chinesischer Standard für Al-Si-Mg-Gusswerkstoffe, meist vergleichbar mit A357-Chemie |
Obwohl chemische und mechanische Zielwerte über die Normen hinweg ähnlich sind, können subtile Unterschiede bei erlaubten Verunreinigungen (Fe, Cu, Ti) und geforderten mechanischen Prüfungen zu Performance-Variationen führen. Europäische EN-Werkstoffe können leicht abweichende Mindestwerte bei Mg oder Si vorgeben, um bestimmte mechanische Anforderungen für Gießverfahren besser zu erfüllen. Einkäufer sollten spezifische Spezifikationsblätter und Qualifikationsnachweise zur Wärmebehandlung anfordern, um Austauschbarkeit bei sicherheitsrelevanten Anwendungen zu gewährleisten.
Korrosionsbeständigkeit
357 bietet generell eine gute atmosphärische Korrosionsbeständigkeit aufgrund seines vergleichsweise niedrigen Kupferanteils und der schützenden Aluminiumoxidschicht. In Industrie- und ländlichen Atmosphären verhält es sich ähnlich wie andere Al-Si-Mg-Gusslegierungen und widersteht Lochfraß besser als hochkupferhaltige Aluminiumlegierungen.
In marinen Umgebungen zeigt 357 zufriedenstellende Leistungen bei Spritzwasser- und atmosphärischer Meeresbelastung; jedoch beschleunigt längeres Eintauchen in Meerwasser galvanische und Lochfraßkorrosion, besonders in Bereichen mit Ablagerungen oder Spalten. Metallurgische Sauberkeit, Porositätskontrolle und Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen die Lebensdauer im maritimen Einsatz stark; Schutzbeschichtungen und Eloxieren sind gängige Gegenmaßnahmen.
Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) bei 357 ist geringer als bei einigen hochfesten Al-Cu-Legierungen, jedoch ist Vorsicht bei stark beanspruchten Bauteilen in korrosiven Umgebungen geboten. Bei Kontakt mit edleren Metallen kann 357 galvanische Korrosion erleiden; elektrische Isolation oder Opferanoden werden für Bauteilverbunde mit unterschiedlichen Metallen empfohlen.
Fertigungseigenschaften
Schweißbarkeit
Das Schweißen von 357-Gussteilen ist mit TIG- und MIG-Verfahren möglich, wobei Al-Si-Fülllegierungen wie ER4043 oder silizarmer ER4047 bevorzugt werden, um Heißrisse zu minimieren und die Schweißbadflüssigkeit zu verbessern. Vorwärmen kann zur Reduzierung thermischer Gradienten und Minimierung von Porosität verwendet werden; jedoch kann die Wärmeeinflusszone durch Überalterung oder Verlust der Lösungszustände partielle Weichungen erfahren. Eine geeignete Nachbehandlung durch Wärmebehandlung ist oft erforderlich, um die mechanischen Eigenschaften in kritischen Bereichen wiederherzustellen.
Zerspanbarkeit
Die Zerspanbarkeit von 357 ist mäßig und besser als bei vielen hochfesten Schmiedewerkstoffen, da der Siliziumanteil das Spanbrechen und die Maßhaltigkeit begünstigt. Hartmetallwerkzeuge mit positiven Spanwinkeln und kontrollierten Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten liefern die besten Ergebnisse; Schnellarbeitsstähle haben Schwierigkeiten mit den abrasiven Siliziumphasen. Die Schnittgeschwindigkeiten sollten an die Materialdicke und mögliche Porosität angepasst werden, um Vibrationen und Oberflächenrisse zu vermeiden.
Umformbarkeit
Als Gusslegierung ist die Kaltumformbarkeit von 357 begrenzt im Vergleich zu geschmiedeten Aluminiumblechen; dünnwandige Präzisionsgussteile können im O-Zustand begrenzt gebogen und gestanzt werden. Für komplexe Umformungen sind üblicherweise spanende Bearbeitung oder Guss mit integrierten Merkmalen bevorzugt. Wenn Formgebung notwendig ist, kann eine Glühbehandlung (O) oder partielle Lösungsglühung mit kontrollierter Verformung und abschließender Alterung in spezialisierten Prozessen eingesetzt werden.
Wärmebehandlungsverhalten
Die Lösungsglühung von 357 erfolgt meist durch Erhitzen auf ca. 500–540 °C (abhängig von Wandstärke und genauer Legierungsvariante), um Mg und Si in feste Lösung aufzunehmen, bevor abgeschreckt wird. Das schnelle Abschrecken bewahrt die übersättigte feste Lösung als Ausgangspunkt für die künstliche Alterung; Abschreckgeschwindigkeit und Wandstärke steuern die verbliebenen Legierungselemente und das anschließende Ausscheidungsverhalten.
Die künstliche Alterung wird typischerweise bei 155–190 °C über Zeiträume von 4 bis 12 Stunden durchgeführt, abhängig von gefordertem Festigkeits-/Zähigkeitsverhältnis; T6-Zustand zielt auf das Optimum aus Spitzenfestigkeit und akzeptabler Zähigkeit ab. Überalterung oder längere Hochtemperatureinwirkung führt zu Vergröberung der Mg2Si-Ausscheidungen und Festigkeitsverlust; T7-Zustände werden genutzt, wenn Temperaturstabilität oder verminderte Verzugsneigung erforderlich sind.
Eine nicht wärmebehandelbare Festigkeitssteigerung ist bei Gussformen eingeschränkt; gezielte Kaltumformung bei geschmiedeten oder gewalzten Derivaten kann die Festigkeit moderat erhöhen. Das Glühen zum Zustand O dient zur Spannungsarmung und Verbesserung der Zerspanbarkeit vor abschließenden Alterungszyklen.
Hochtemperatureigenschaften
Bei erhöhten Temperaturen oberhalb von ca. 150–200 °C verliert 357 einen bedeutenden Teil seiner künstlich gealterten Festigkeit, da Mg2Si-Ausscheidungen vergröbernd aufgelöst werden; dauerhafte Belastungen oberhalb dieses Bereichs sind ohne legierungsspezifische Qualifizierung nicht zu empfehlen. Die Oxidation von Aluminium ist bei üblichen Betriebstemperaturen selbstbegrenzend, jedoch beschleunigen längere Wärmeexpositionen die Materialzersetzung und erhöhen Oberflächenrauigkeit sowie Oxidschichtbildung.
In geschweißten Bauteilen ist die Wärmeeinflusszone besonders anfällig für Festigkeitsminderungen und mikrostrukturelle Veränderungen bei erhöhten Temperaturen; Nachwärmebehandlungen helfen, können Eigenschaften aber beim Überalterungsfall nicht vollständig wiederherstellen. Sicherheitsmargen in der Auslegung sowie regelmäßige Prüfung sind für Bauteile nahe der Temperaturgrenzen ratsam.
Einsatzgebiete
| Industrie | Beispielkomponente | Warum 357 verwendet wird |
|---|---|---|
| Automobil | Strukturgussteile, Achsschenkelgehäuse | Gute Gießbarkeit, T6-Festigkeit, geringes Gewicht |
| Marine | Ruder- und Gestellgussteile, Gehäuse | Korrosionsbeständigkeit mit akzeptabler Festigkeit |
| Luft- und Raumfahrt | Getriebegehäuse, Fittings | Hohes Festigkeits-zu-Gewicht-Verhältnis und Maßhaltigkeit (T651) |
| Elektronik | Wärmeabführende Gehäuse | Wärmeleitfähigkeit und geringes Gewicht |
357 wird dort eingesetzt, wo eine Kombination aus Gießbarkeit, wärmebehandelbarer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit entscheidend ist. Der Einsatz in tragenden Gussteilen setzt Prozesskontrolle voraus, um Porosität zu minimieren und die Lösungsglüh-/Alterungsreaktion für konsistente mechanische Leistungen zu maximieren.
Auswahlhinweise
Wählen Sie 357, wenn gegossene Geometrien und das Bedürfnis nach wärmebehandelbarer Spitzenfestigkeit wichtiger sind als die höhere Leitfähigkeit und bessere Umformbarkeit von Reinaluminiumwerkstoffen. Im Vergleich zu kommerziell reinem Aluminium (1100) tauscht 357 höhere Festigkeit und bessere Maßhaltigkeit gegen geringere elektrische Leitfähigkeit und eingeschränktere Umformbarkeit, wodurch es sich besser für Strukturgussteile, aber weniger für elektrische Leiter eignet.
Im Vergleich zu üblichen erkaltgehärteten Legierungen (3003 / 5052) bietet 357 nach T6-Alterung deutlich höhere Festigkeiten, ist jedoch weniger duktil und schwieriger kalt umzuformen. Die Korrosionsbeständigkeit ist vergleichbar oder etwas besser als bei kupferhaltigen Legierungen, allerdings wird 5052 für harsche maritime Blechanwendungen bevorzugt, bei denen Umformbarkeit erforderlich ist.
Im Vergleich zu wärmebehandelbaren Schmiedewerkstoffen wie 6061/6063 bietet 357 oft bessere Gießbarkeit und die Möglichkeit komplexerer Geometrien bei respektabler Festigkeit; es wird bevorzugt, wenn Gießökonomie und nahe-Netzform-Produktion höher bewertet werden als die etwas höhere Spitzenfestigkeit und umfassendere Fertigungsflexibilität von geschmiedetem 6061/6063.
Abschließende Zusammenfassung
357 bleibt relevant, da es die Gießvorteile von Al-Si-Systemen mit einer robusten T6-Aushärtungsreaktion kombiniert und somit eine hochfeste, leichte Lösung für Strukturgussteile bietet. Werden Prozesskontrollen zur Porositätsbegrenzung eingehalten und geeignete Wärmebehandlungen angewendet, stellt 357 einen kosteneffizienten Kompromiss aus Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Herstellbarkeit für Anwendungen in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau sowie bei Hochleistungskomponenten in der Industrie dar.