Aluminium 380: Zusammensetzung, Eigenschaften, Zustandstabelle & Anwendungen
Bagikan
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Umfassender Überblick
Legierung 380 (im Druckguss häufig als A380 bezeichnet) ist eine Guss-Aluminium-Silizium-Kupfer-Legierung, die zu den Aluminium-Silizium-Gussfamilien gehört und oft in der "3xx"-Gussgruppe referenziert wird. Sie ist für das Hochvolumen-Druckgießen und den Einsatz im Formenbau konzipiert, wobei der Schwerpunkt der Zusammensetzung auf Silizium für die Gießflüssigkeit und Kupfer für verbesserte Gusshärte und Hochtemperatureigenschaften liegt.
Die wichtigsten Legierungselemente sind Silizium (für die Fließfähigkeit und eutektische Verstärkung), Kupfer (für Ausscheidungen und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen) sowie kontrollierte Mengen an Eisen, Zink, Mangan und Spuren von Titan zur Kornfeinung. Die Verstärkungsmechanismen sind gemischt: die mikrostrukturelle Gusshärte sowie Kupferhaltige Intermetallische Phasen liefern die Grundfestigkeit, und eine begrenzte Wärmebehandlung (T5/T6-Art künstliches Altern) kann durch Ausscheidungshärtung weitere Festigkeitssteigerungen bewirken.
Wesentliche Eigenschaften von 380 umfassen sehr gute Formfüllungseigenschaften, gute dimensionsstabile Maßhaltigkeit, ansprechende Oberflächenqualität und Zerspanbarkeit im Vergleich zu vielen Gusslegierungen, moderate Korrosionsbeständigkeit und angemessene mechanische Eigenschaften für Druckgussteile. Die Schweißbarkeit ist im Vergleich zu gewalzten Aluminiumlegierungen eingeschränkt, und die Legierung ist nicht auf umfangreiche Umformung nach dem Gießen ausgelegt. Typische Anwendungen finden sich im Automobilbau, Gehäuse für Unterhaltungselektronik, elektrische Gehäuse, mechanische Gehäuse und Armaturen, wo Near-Net-Shape-Herstellung, Serienfertigung und Maßhaltigkeit priorisiert werden.
Ingenieure wählen 380, wenn eine Kombination aus schneller Druckgussfertigung, guter Gussfestigkeit und wirtschaftlichen Kosten gegenüber Alternativlegierungen gefordert ist. Die Legierung wird gegenüber höherwertigen gewalzten Legierungen bevorzugt, wenn komplexe Geometrien und geringer Nachbearbeitungsbedarf im Vordergrund stehen, und gegenüber niedriglegierten Druckgusslegierungen, wenn eine erhöhte Gussfestigkeit und thermische Stabilität ohne erhebliche Erhöhung der Prozesskomplexität gewünscht wird.
Zustandsvarianten
| Zustand | Festigkeitslevel | Dehnung | Umformbarkeit | Schweißbarkeit | Hinweise |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Niedrig | Moderat (abschnittsabhängig) | Schlecht | Schlecht bis Befriedigend | Gusszustand, Spannungsarmglühen kann angewendet werden; höchste Duktilität im Gusszustand |
| T5 | Mittel-Hoch | Niedrig–Moderat | Begrenzt | Schlecht bis Befriedigend | Künstliches Altern nach Abschrecken vom Guss oder schneller Abkühlung; gebräuchlich für Druckgussteile |
| T6 | Hoch | Niedrig | Begrenzt | Schlecht | Lösungsbehandlung + künstliches Altern erhöhen die Festigkeit, erfordern aber genaue Porositätskontrolle |
| T651 (weniger gebräuchlich) | Hoch | Niedrig | Begrenzt | Schlecht | Spannungsarmgeglüht und künstlich gealtert; verwendet bei Anforderungen an Maßhaltigkeit nach Bearbeitung |
| H14 (kaltverfestigt; selten) | Mittel | Niedrig | Begrenzt | Schlecht | Typischerweise nicht bei Gusslegierungen angewendet; dient Vergleichszwecken |
Gewählte Zustände für 380 werden häufig vom Gussprozess und der Bauteilgeometrie bestimmt und nicht durch herkömmliche wärmebehandelte Zustandswege. T5 ist der meistgenutzte industrielle Zustand, da er die Festigkeit durch künstliches Altern erhöht, ohne die umfassende thermische Belastung und Verformungsrisiken einer vollständigen Lösungsglühung.
Eine vollständige Lösungsglühung mit T6-Aging ist möglich und verbessert die mechanischen Eigenschaften, erfordert jedoch eine sorgfältige Kontrolle von Porosität, Wasserstoffgehalt und Verzugsneigung; viele Druckgussfertiger bevorzugen daher T5 oder den Gusszustand zur Ausbalancierung von Leistung, Kosten und Maßhaltigkeit.
Chemische Zusammensetzung
| Element | % Bereich | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Si | 7.5 – 10.5 | Hauptlegierungselement; verbessert Fließfähigkeit, reduziert Schrumpfung, bildet eutektisches Siliziumnetz |
| Fe | 0.6 – 1.3 | Verunreinigung; bildet eisenreiche Intermetallische Phasen, die bei hohen Gehalten die Duktilität mindern |
| Mn | 0.0 – 0.5 | Beeinflusst Morphologie der Intermetallischen Phasen; kleine Zusätze verbessern Festigkeit und Gießbarkeit |
| Mg | 0.05 – 0.35 | Geringe Anteile; begrenzte Rolle bei der Ausscheidungshärtung von 380 |
| Cu | 2.5 – 4.5 | Wesentliches Verstärkungselement; fördert Ausscheidungsphasen und erhöhte Festigkeit bei erhöhter Temperatur |
| Zn | 0.5 – 1.2 | Geringer Beitrag zur Festigkeitssteigerung; beeinflusst Korrosionsverhalten bei höheren Gehalten |
| Cr | 0.05 – 0.25 | Trägt zur Korn- und Intermetallkontrolle bei; begrenzt Rissbildung unter manchen Bedingungen |
| Ti | 0.01 – 0.25 | Kornfeiner für verbesserte Formfüllung und feine Mikrostruktur |
| Sonstige (Ni, Pb, Sn, B) | Spuren – spezifizierte Maximalwerte | In der Regel auf niedrigen Pegeln kontrolliert; Blei und Zinn teilweise für Zerspanbarkeit reguliert; Al-Balance |
Die Leistung von 380 wird stark durch das Verhältnis Si–Cu und durch Spurenelemente beeinflusst, die die Chemie und Morphologie der Intermetallischen Phasen steuern. Silizium fördert ein feines Eutektikum, das die Gießbarkeit und Maßhaltigkeit unterstützt, während Kupfer die Ausscheidungs- oder Intermetallische Verstärkung liefert, die Härte und Zugfestigkeit erhöht. Kontrollierte Eisen- und Mangananteile sind entscheidend, um grobe, spröde Intermetallische Phasen zu vermeiden, die sonst Duktilität und Ermüdungsfestigkeit mindern würden.
Mechanische Eigenschaften
380 zeigt ein gusszustandsabhängiges Zug- und Streckverhalten, das stark von der Bauteildicke beeinflusst wird. Ursache sind die Erstarrungsmikrostruktur, Porosität sowie die Verteilung von eutektischem Silizium und Kupfer-reichen Intermetallischen Phasen. Die typischen Gussfestigkeiten sind für viele Strukturbauteile ausreichend, die Dehnung ist jedoch gering und wird durch Porosität und Gussfehler beeinträchtigt. Die Ermüdungsfestigkeit ist durch Oberflächenqualität, Gussfehler und spröde Intermetallische Phasen eingeschränkt; Strahlen, Oberflächenbearbeitung und konstruktive Maßnahmen zur Reduktion von Spannungsspitzen sind häufige Strategien.
Bei künstlichem Altern (T5) und insbesondere bei kontrollierter Lösungsglühung mit anschließendem Altern (T6) entwickeln die kupferhaltigen Phasen eine Ausscheidungshärtung, die sowohl Streck- als auch Zugfestigkeit steigert, jedoch auf Kosten der Duktilität. Die Härte folgt dem gleichen Trend und wird oft als schnelle Produktionskontrolle für den Zustandsnachweis verwendet. Dicke und Abkühlrate haben einen wesentlichen Einfluss: Dünne Abschnitte kühlen schneller, erzeugen feinere Mikrostrukturen und höhere Gussfestigkeiten, aber auch höhere Eigenspannungen.
| Eigenschaft | O/Glühen | Wesentlicher Zustand (z.B. T5/T6) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (UTS) | 180 – 260 MPa | 240 – 360 MPa | Großer Bereich abhängig von Dicke, Porosität und Wärmebehandlung; typisch T5 ~250–320 MPa |
| Streckgrenze (0,2 % Dehngrenze) | 90 – 170 MPa | 160 – 260 MPa | Streckgrenze steigt deutlich nach Altern; Konstruktionen sollten konservative Untergrenzen bei dünnwandigen Gussteilen verwenden |
| Dehnung (A5) | 1 – 8 % | 1 – 5 % | Dehnung ist gering gegenüber gewalzten Legierungen und stark abschnitts- und porositätsabhängig |
| Härte (HB) | 60 – 90 HB | 85 – 120 HB | Brinell-Härte wird für Prozesskontrolle verwendet; Härte korreliert mit der Zugfestigkeit bei typischen Zuständen |
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Wert | Bemerkungen |
|---|---|---|
| Dichte | 2,75 – 2,82 g/cm³ | Etwas höher als reines Aluminium aufgrund des Si- und Cu-Gehalts |
| Schmelzbereich | ~500 – 640 °C | Eutektikum sowie Solidus/Liquidus sind legierungsabhängig; Fließbeginn wird durch Si gesenkt |
| Wärmeleitfähigkeit | 110 – 140 W/(m·K) | Niedriger als reines Al; abhängig von Legierung und Mikrostruktur |
| Elektrische Leitfähigkeit | ~20 – 35 %IACS | Kupfer und Silizium reduzieren die elektrische Leitfähigkeit gegenüber reinem Aluminium |
| Spezifische Wärme | ~880 – 900 J/(kg·K) | Ähnlich anderen Al-Si-Gusslegierungen |
| Thermische Ausdehnung | 21 – 24 µm/(m·K) | Typische moderate Wärmeausdehnung für Al-Si-Legierungen; bei konstruktion mit anderen Werkstoffen Differenzausdehnung berücksichtigen |
Die physikalischen Eigenschaften unterstreichen den üblichen Einsatz im Druckguss: Die Dichte ist vorteilhaft für gewichtsoptimierte Bauteile, die Wärmeleitfähigkeit ausreichend für viele Gehäuse- und Wärmeverteilungsanwendungen, jedoch niedriger als bei reinem Aluminium. Das durch Silizium dominierte Schmelz- und Erstarrungsverhalten ist Schlüssel für exzellente Formfüllung und geringe Schrumpfung, während die elektrische Leitfähigkeit eine sekundäre Rolle spielt und typischerweise zugunsten besserer mechanischer und gießtechnischer Eigenschaften in Kauf genommen wird.
Produktformen
| Form | Typische Dicke/Größe | Festigkeitsverhalten | Übliche Zustände | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Druckgussteile (Komponenten) | Wandstärke 1–10 mm | Festigkeit im gegossenen Zustand; dünne Wandstärken sind aufgrund schnellerer Abkühlung fester | O, T5, T6 (weniger gebräuchlich) | Hauptproduktform; beste Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit |
| Druckgießen im Dauerformverfahren | 5–40 mm | Niedrigere Abkühlraten, gröbere Mikrostruktur | O, T5 | Verwendet für größere Bauteile, bei denen Druckgießen nicht wirtschaftlich ist |
| Sandguss / Schwerkraftgießen | 5–100+ mm | Grobere Mikrostruktur, geringere Festigkeit | O | Weniger gebräuchlich für 380; Anwendung abhängig von Geometrie oder Stückzahlen |
| Stangen- / Schmiedevorrat | Begrenzt; Spezialprodukte | Nicht typisch | — | 380 wird selten als gewalztes Produkt verwendet; Stangen können für Versuche eingesetzt werden |
| Extrusion / Blech / Platte | Nicht standardmäßig | Nicht zutreffend | — | 380 wird im Allgemeinen nicht als Blech/Platte oder Standard-Extrusionsmaterial produziert; hier werden bevorzugt gewalzte Legierungen eingesetzt |
Druckgießen ist das vorherrschende Fertigungsverfahren für 380, was die verfügbaren Produktformen und die von Konstrukteuren verwendeten Gestaltungsvorgaben bestimmt. Wandstärke, Angussplatzierung, Abkühlrate und Werkzeugdesign sind die Hauptparameter zur Eigenschaftssteuerung; die Legierung ist auf die Produktionsbedingungen des Hochdruck-Druckgießens optimiert. Bei Bedarf an Blech-, Platten- oder Extrusionsprofilen wird üblicherweise auf gewalzte Legierungen gewechselt, da 380 in diesen Produktformen nicht verbreitet ist.
Äquivalente Werkstoffbezeichnungen
| Norm | Bezeichnung | Region | Hinweise |
|---|---|---|---|
| AA | 380 / A380 | USA / International | Übliche Druckgussbezeichnung in Nordamerika und mehreren Gießereistandards |
| EN AW | AlSi9Cu3(Fe) | Europa | Nahezu gleichwertig in europäischen Gießereistandards; Nomenklatur betont nominale Si- und Cu-Anteile |
| JIS | ADC12 | Japan | Weit verbreitete japanische Druckgusslegierung, ähnlich A380 in Zusammensetzung und Anwendung |
| GB/T | AlSi9Cu3 / ZL104 | China | Chinesische Gießstandards listen ähnliche Al–Si–Cu-Legierungen, oft als A380-Ersatz verwendet |
Die Gleichwertigkeit ist nur näherungsweise, da gießereitypische Schwankungen in Fe, Mn und Spurenelementen die Gießbarkeit und mechanische Eigenschaften wesentlich beeinflussen können. Die Spezifikationen unterscheiden sich hinsichtlich zulässiger Verunreinigungen, Wärmebehandlungsansprechen und erforderlicher Prüfungen. Daher sollten Konstrukteure vor Verwendung einer alternativen Legierung für sicherheitsrelevante Anwendungen die genaue Zusammensetzung sowie mechanischen Eigenschaften prüfen.
Korrosionsbeständigkeit
Die Legierung 380 weist eine moderate allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit auf, typisch für Al-Si-Legierungen, die durch eine passive Aluminiumschicht geschützt werden. Kupfer in der Legierung kann die Lochfraßbeständigkeit verringern und lokal begrenzte Korrosion in chloridreichen Umgebungen fördern. Dies erfordert in maritimen oder aggressiven Atmosphären den Einsatz von Schutzbeschichtungen, Anodisierungsalternativen oder konstruktiven Maßnahmen. Schutzlacke, Dichtstoffe und kathodischer Korrosionsschutz werden häufig bei kritischen Bauteilen in Küsten- oder Feuchtraumumgebungen eingesetzt.
Spannungsrisskorrosion ist bei Al-Si-Gusslegierungen seltener als bei hochfesten, gewalzten Aluminium-Kupfer- oder 7xxx-Legierungen, kann aber mit steigendem Kupfergehalt, Zugvorspannung und bestimmten Einsatzbedingungen zunehmen. Bei der Baugruppenentwicklung sind galvanische Wechselwirkungen wichtig: Wird 380 mit Baustählen, rostfreien Stählen oder Kupferlegierungen kombiniert, müssen Designer galvanische Spannungsdifferenzen berücksichtigen und oft das Aluminium elektrisch isolieren oder Opferanoden einsetzen, gerade bei beschädigten Beschichtungen. Im Vergleich zu Mg-reichen Al-Mg-Legierungen (z. B. 5052) ist 380 aufgrund des Kupferanteils anfälliger für lokal begrenzte Korrosion; es bietet jedoch eine bessere Gießbarkeit und wird bevorzugt für komplexe Geometrien verwendet, bei denen Beschichtungen zuverlässig aufgebracht werden können.
Fertigungseigenschaften
Schweißbarkeit
Das Schweißen von 380 ist anspruchsvoll, da Druckgussporosität, eingeschlossene Gase sowie Si- und Cu-reiche Intermetallische Phasen heiße Risse und geringe Schweißnahtqualität begünstigen. Lichtbogenschweißen (MIG/TIG) ist an sorgfältig vorbereiteten und passend zugeschnittenen Bauteilen mit Al-Si- Zusatzwerkstoffen wie ER4043 (Al-Si) möglich, was die Schweißbarkeit verbessert und heiße Risse reduziert; ER5356 kann bei höherer Festigkeit eingesetzt werden, jedoch mit erhöhtem Rissrisiko. Üblich sind Vorwärmen, gründliches Entfernen von Flussmitteln und Rückfräsen bis zum tragfähigen Grundmaterial. Schweißverbindungen erreichen in der Regel nicht die Festigkeit und Ermüdungslebensdauer des Grundwerkstoffs.
Zerspanbarkeit
380 ist im Vergleich zu vielen Gusslegierungen für seine gute Zerspanbarkeit bekannt, da die Siliziumpartikel kurze, abgebrochene Späne erzeugen und den Schnitt stabilisieren. Werkzeugverschleiß wird durch den Einsatz von Hartmetallwerkzeugen mit positivem Spanwinkel und ausreichender Kühlung minimiert; mittlere bis hohe Schnittgeschwindigkeiten sind typisch für Halbfertig- und Feinbearbeitung. Werkzeugstandzeiten verbessern sich durch Minimierung von Vibrationen, Steuerung der Schnitttiefe und Verwendung aluminiumgeeigneter Beschichtungen; Varianten mit Blei oder Zinn zeigen teils noch bessere Bearbeitungseigenschaften, sind jedoch wegen Umweltauflagen seltener.
Umformbarkeit
Die Umformung von 380 durch Kaltbiegen, Tiefziehen oder Stanzen ist sehr eingeschränkt, da Gussstücke eine geringe Duktilität und spröde Intermetallische Phasen aufweisen. Die Hauptstrategie ist Near-Net-Shape-Design: Werkzeug und Angussauslegung zielen auf die Fertiggestalt und minimieren nachträgliches Umformen. Lokales Nachbearbeiten, Trimmen und leichtes Biegen dünner Wandabschnitte sind möglich, erfordern jedoch sorgfältige Wahl des Zustands (z. B. O/T5) und genaue Kontrolle von Rückfederung und Rissbildung. Bei größeren Umformanforderungen wird üblicherweise auf gewalzte Legierungen mit hoher Umformbarkeit ausgewichen.
Wärmebehandlungsverhalten
Als kupferhaltige Guss-Al-Si-Legierung zeigt 380 eine begrenzte, aber nützliche Reaktion auf Wärmebehandlungen. Lösungsglühen ist im Bereich 510–540 °C möglich, um lösliche Phasen aufzulösen, gefolgt von schnellem Abschrecken; die Wirksamkeit ist jedoch durch Gussporosität, eingeschlossene Gase und die Stabilität nicht vollständig löslicher Intermetallischer Phasen eingeschränkt. Zu langes Lösungsglühen kann zu Verzug oder verstärkter Porosität führen, weshalb die Prozessfenster enger sind als bei gewalzten Legierungen.
Künstliches Altern (T5) bei 150–220 °C ist die praktischste industrielle Variante zur Festigkeitssteigerung bei Druckguss-380, da kein vollständiges Lösungsglühen erforderlich ist. T5 bewirkt eine moderate Ausscheidung von kupferreichen Phasen, die Streckgrenze und Härte steigert, ohne die geometrischen Veränderungen der vollständigen Lösungsglühung. T6 (Lösungsglühen + künstliches Altern) kann höhere Spitzenfestigkeiten erzielen, erfordert jedoch präzise Steuerung und ist aufgrund von Kosten, Verzugsrisiko und Wasserstoffporosität seltener im Einsatz.