Magnesium: ultraleicht und tückisch

Das Metall Magnesium findet sich bislang nur in einigen Nischen des Fahrzeugbaus. Experten erwarten aber, dass es in den nächsten Jahren immer häufiger verbaut wird.

Magnesium bringt für den automobilen Leichtbau vieles mit. Es dämpft Vibrationen und lässt sich dünner gießen als die meisten Konkurrenzwerkstoffe. Das wichtigste aber: Seine Dichte beträgt nur 1,7 g/cm³. Jedes Blech oder Bauteil wiegt z. B. bei vergleichbarer Festigkeit gegenüber Aluminium ein Drittel weniger.

Wo jedes Kilogramm zählt – beispielsweise im Automobil – könnte das den Unterschied machen. Könnte. Denn bislang werden mehr als zwei Drittel des Metalls als Zusatz in Stahlhochöfen und für Legierungen und nur etwa ein Drittel für den strukturellen Leichtbau verwendet. Das rechnet der Materialforscher Karl Ulrich Kainer vor, Mitglied der Institutsleitung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht. Das liegt zum Einen an der Herstellung. Zwar lässt sich Magnesium relativ leicht gewinnen, jedoch nur unter Sauerstoff- und Stickstoffabschluss gießen.

„Andererseits gibt es auch problematische Eigenschaften bei reinem oder leicht legiertem Magnesium wie die hohe Neigung zur Korrosion und auch eine Kriechneigung“, berichtet Manuela Andrich vom Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden. An Verbindungsstellen ermüde das Material schneller.

Dennoch experimentieren nicht nur zahlreiche Autohersteller mit dem Leichtbaumetall, sondern setzen es – meist als Druckgussbauteil – auch in Serienmodellen ein. Als Beispiele nennt Kainer Instrumententafelträger für BMW, Getriebegehäuse bei VW und Cockpitquerträger für Smart.

Auf dem US-Fahrzeugmarkt würden inzwischen Modelle mit einem durchschnittlichen Einsatz von 2,3 kg angeboten, der Spitzenwert liege sogar bei 26 kg verbautem Magnesium in einem Fahrzeug, so der Wissenschaftler.

Allerdings sind die Herstellungsverfahren, zumal sie unter Schutzgasatmosphäre verlaufen müssen, noch immer recht aufwendig. Die Umformung von Magnesiumbauteilen ist nur möglich, wenn die Werkzeuge auf etwa 200 °C vorgewärmt sind.

Forscher entwickeln die Prozesstechnik für Magnesium weiter

Mit dem Projekt Thixom wollen mehrere Forschungseinrichtungen und Praxispartner nun vor allem bei der Prozesstechnik vorankommen. Damit in Zukunft hoch beanspruchte Komponenten der Karosserie umgesetzt werden können, sind „technologisch-wirtschaftliche Fortschritte bei der Verarbeitung, Verbesserungen der mechanischen Werkstoffeigenschaften sowie Entwicklungen von neuartigen Konzepten der Fügetechnik für Mischbauweisen notwendig“, sagt Andrich.

Ein Ansatz hierzu ist die unterkühlte Schmelze, bei der das Metall nur halbflüssig wird. Durch die schnelle Erstarrung in der Form entsteht ein besonders feinkörniges Gefüge, bei dem nur geringe Schrumpfungen auftreten und das sich auch besser umformen lässt.

Zudem sollen in das halbflüssige Magnesium Karbonfasern eingearbeitet werden, was die Zugfestigkeit erhöhen würde. Das werde gerade in der Simulation erprobt und später in einer Versuchsgussanlage zur industriellen Reife entwickelt. „Unser Ziel sind industrienahe Verfahren, mit denen durchaus auch größere Magnesiumverbundteile so gefertigt werden können, dass die Gewichtsvorteile in einem günstigen Verhältnis zur Gewichtsreduktion stehen“, so die Wissenschaftlerin.