Magnesiumlegierungen vs. Aluminiumlegierungen: Ein detaillierter Vergleich der Materialauswahl für Leichtbauanwendungen im Automobilbereich

## Einführung

Die Automobilindustrie befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel, angetrieben durch die Notwendigkeit, die Kraftstoffeffizienz zu steigern, Treibhausgasemissionen zu reduzieren und immer strengere regulatorische Standards zu erfüllen. Zentral für diese Entwicklung ist das Konzept des Leichtbaus. Dabei werden traditionelle schwere Werkstoffe wie Stahl durch leichtere Alternativen ersetzt, um die Fahrzeugmasse zu verringern, ohne Kompromisse bei Leistung, Sicherheit oder Langlebigkeit einzugehen. Branchenanalysen zufolge kann eine Gewichtsreduzierung von 10 % zu einer Kraftstoffersparnis von 6–8 % führen, was sich direkt in geringeren Betriebskosten und Umweltvorteilen niederschlägt. In diesem Zusammenhang haben sich Magnesium- und Aluminiumlegierungen als vielversprechende Werkstoffe für Automobilanwendungen etabliert und bieten im Vergleich zu herkömmlichen Stählen erhebliche Gewichtseinsparungen.

Magnesiumlegierungen sind mit ihrer außergewöhnlich niedrigen Dichte von ca. 1,74 g/cm³ die leichtesten verfügbaren Konstruktionsmetalle und ermöglichen Gewichtseinsparungen von bis zu 33 % gegenüber Aluminium und 75 % gegenüber Stahl. Dadurch eignen sie sich besonders für Bauteile, bei denen eine minimale Masse entscheidend ist, wie beispielsweise in Elektrofahrzeugen und Hybridmodellen. Leichtere Strukturen erhöhen hier die Reichweite der Batterie und verbessern die Gesamteffizienz. Aluminiumlegierungen hingegen, mit einer Dichte von ca. 2,7 g/cm³, sind seit Jahrzehnten ein fester Bestandteil des Automobilbaus und treiben Innovationen bei Rohkarosserien, Motorblöcken und Fahrwerkskomponenten voran. Ihre weite Verbreitung beruht auf dem ausgewogenen Verhältnis von geringem Gewicht, hervorragender Formbarkeit und Wirtschaftlichkeit, wie beispielsweise beim Ford F-150, der durch den Einsatz von Aluminium erhebliche Gewichtseinsparungen erzielt.

Die Wahl zwischen Magnesium- und Aluminiumlegierungen ist jedoch nicht einfach; sie erfordert ein differenziertes Verständnis ihrer physikalischen, mechanischen und wirtschaftlichen Eigenschaften im spezifischen Kontext des Leichtbaus im Automobilbereich. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Vergleich und beleuchtet Materialeigenschaften, Herstellungsverfahren, praktische Anwendungen, Vor- und Nachteile, Kosten, Umweltauswirkungen und zukünftige Trends. Durch die Analyse dieser Aspekte können Ingenieure und Designer fundierte Entscheidungen treffen, die auf die jeweiligen Fahrzeuganforderungen zugeschnitten sind, beispielsweise auf die Leistungsanforderungen bei High-End-Sportwagen im Vergleich zur Kostensensibilität bei Limousinen für den Massenmarkt.

Der Trend zu Leichtbau wird durch globale Entwicklungen hin zu Elektrifizierung und Nachhaltigkeit verstärkt. Da die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass Elektrofahrzeuge bis 2030 35 % des weltweiten Fahrzeugabsatzes ausmachen könnten, sind Materialien mit optimiertem Energieverbrauch von entscheidender Bedeutung. Die hervorragenden Dämpfungseigenschaften von Magnesium beispielsweise verbessern den Fahrkomfort in Luxusfahrzeugen, während die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium für Außenverkleidungen in rauen Umgebungen geeignet ist. Herausforderungen wie die Entflammbarkeit von Magnesium und der höhere Energiebedarf von Aluminium in der Produktion erschweren jedoch die Materialauswahl.

Diese detaillierte Analyse berücksichtigt aktuelle Entwicklungen bis zum Jahr 2025 und bezieht Daten aus laufender Forschung und Industrieprojekten mit ein. Da Automobilhersteller wie Tesla und BMW mit Hybridmaterialien experimentieren, ist das Verständnis der Vor- und Nachteile von Magnesium und Aluminium für Innovationen unerlässlich. Letztendlich geht es darum, eine harmonische Materialintegration zu erreichen, die nicht nur das Fahrzeuggewicht reduziert, sondern auch wirtschaftliche Machbarkeit und ökologische Verantwortung gewährleistet und so den Weg für eine grünere Zukunft der Automobilindustrie ebnet.

## Vergleich der Materialeigenschaften

Eine gründliche Bewertung der Materialeigenschaften ist die Grundlage für die Auswahl zwischen Magnesium- und Aluminiumlegierungen für den Leichtbau im Automobilbereich. Zu den wichtigsten Eigenschaften zählen Dichte, mechanische Festigkeit, Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Ermüdungsverhalten und Dämpfungsvermögen. Jede dieser Eigenschaften beeinflusst das Verhalten der Werkstoffe unter den hohen Belastungen des Fahrzeugbetriebs.

Schon bei der Dichte haben Magnesiumlegierungen einen klaren Vorteil. Reines Magnesium hat eine Dichte von 1,74 g/cm³, was etwa zwei Dritteln der Dichte von Aluminiumlegierungen mit 2,7 g/cm³ entspricht. Dies führt zu erheblichen Gewichtseinsparungen; beispielsweise kann der Austausch eines Aluminiumbauteils durch Magnesium die Masse um etwa 30–35 % reduzieren, was entscheidend für die Verbesserung von Beschleunigung, Fahrverhalten und Kraftstoffverbrauch bei Autos ist. In strukturellen Anwendungen wie Motorträgern oder Getriebegehäusen ermöglicht dieser Dichtevorteil dünnere Wandstärken ohne Einbußen bei der Stabilität, wodurch Konstrukteure Platz und Aerodynamik optimieren können.

Die mechanische Festigkeit ist ein weiterer entscheidender Faktor. Aluminiumlegierungen weisen ein breites Spektrum an Zugfestigkeiten auf, von 70 MPa bei weicheren Sorten bis über 700 MPa bei hochfesten Varianten wie der 7xxx-Serie. Dadurch eignen sie sich vielseitig für tragende Bauteile. Magnesiumlegierungen wie AZ91 oder AM60 bieten typischerweise Zugfestigkeiten zwischen 200 und 300 MPa. Diese sind zwar beachtlich, erfordern aber häufig die Legierung mit Elementen wie Aluminium, Zink oder Seltenerdmetallen, um die Leistung zu verbessern. Das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis von Magnesium ist jedoch besser als das von Aluminium, wobei die spezifische Festigkeit (Festigkeit geteilt durch Dichte) höher ist – bis zu 158 kN·m/kg für Magnesium gegenüber 130 kN·m/kg für Aluminium. Daher ist Magnesium in Anwendungen, bei denen das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, wie z. B. bei Felgen oder Lenksäulen, vorzuziehen. Die höhere absolute Festigkeit von Aluminium eignet sich hingegen für Chassisrahmen oder Crashstrukturen, die hohe Stöße absorbieren müssen.

Die Steifigkeit, gemessen am Elastizitätsmodul, offenbart den Vorteil von Aluminium. Aluminiumlegierungen weisen einen Modul von etwa 70 GPa auf, im Vergleich zu Magnesium mit 45 GPa. Das bedeutet, dass Aluminiumbauteile Verformungen unter Last besser widerstehen. Im Automobilbereich führt dies zu einer höheren Steifigkeit von Karosserieteilen oder Querlenkern, wodurch die Verwindung reduziert und die Fahrpräzision verbessert wird. Um dies auszugleichen, benötigen Magnesiumbauteile oft dickere Wände oder Verstärkungen, was die Gewichtsvorteile unter Umständen teilweise wieder aufhebt. Bei vibrationsanfälligen Bauteilen wie Motorlagern trägt der niedrigere Elastizitätsmodul von Magnesium jedoch zu einer besseren Dämpfung bei und absorbiert Stöße 100-mal effektiver als Aluminium.

Korrosionsbeständigkeit ist ein entscheidendes Unterscheidungsmerkmal. Aluminium bildet eine natürliche Oxidschicht, die hervorragenden Schutz vor Umwelteinflüssen bietet und es somit ideal für Außenanwendungen in salzhaltiger oder feuchter Umgebung macht. Magnesium hingegen ist hochreaktiv und neigt zu galvanischer Korrosion, insbesondere beim Kontakt mit ungleichen Metallen wie beispielsweise Stahlbefestigungen. Dies erfordert Schutzbeschichtungen oder -behandlungen wie Chromatierung oder Plasmaelektrolytische Oxidation, was den Aufwand und die Kosten erhöht. Jüngste Fortschritte bei Magnesiumlegierungen mit Seltenerdzusätzen haben die Korrosionsbeständigkeit verbessert, Aluminium bleibt jedoch im unbehandelten Zustand überlegen.

Auch die thermischen Eigenschaften spielen eine Rolle. Aluminium weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit (ca. 200 W/m·K) als Magnesium (ca. 100 W/m·K) auf, was eine bessere Wärmeableitung in Motorblöcken oder Kühlern ermöglicht. Dies ist in Umgebungen mit hohen Temperaturen von Vorteil, da es Verformungen oder Ausfälle verhindert. Die geringere Wärmeleitfähigkeit von Magnesium kann hier ein Nachteil sein, ist aber für Anwendungen, die eine Wärmedämmung erfordern, von Vorteil. Die elektrische Leitfähigkeit verhält sich ähnlich: Aluminium wird für Verkabelungen oder Leiterbahnen bevorzugt.

Die Dauerfestigkeit ist bei zyklischer Belastung in Fahrzeugen von entscheidender Bedeutung. Aluminiumlegierungen weisen aufgrund ihrer Mikrostruktur im Allgemeinen eine höhere Dauerfestigkeit auf und überstehen Millionen von Lastwechseln, bevor Risse auftreten. Magnesiumlegierungen, deren Dauerfestigkeit sich zwar durch Kornfeinungstechniken verbessern lässt, können insbesondere in Gussformen niedrigere Dauerfestigkeitsgrenzen aufweisen. Auch die Verschleißeigenschaften variieren; Studien zeigen, dass Magnesiumlegierungen unter Gleitbedingungen schneller verschleißen, wobei Verstärkungen wie Siliziumkarbid diesen Verschleiß jedoch verringern können.

Magnesium zeichnet sich durch seine Dämpfungseigenschaften aus und absorbiert Vibrationen deutlich besser als Aluminium. Dadurch werden Geräusche, Vibrationen und Rauheit (NVH) im Fahrzeuginnenraum reduziert. Dies ist insbesondere bei Premiumfahrzeugen von Vorteil. Insgesamt bietet Magnesium zwar unübertroffene Leichtigkeit und Dämpfung, doch die ausgewogenen Eigenschaften von Aluminium machen es universeller einsetzbar in modernen Automobilkonstruktionen.

## Fertigungsprozesse

Die Verarbeitbarkeit von Magnesium- und Aluminiumlegierungen beeinflusst maßgeblich deren Einsatz im Automobil-Leichtbau, einschließlich Verfahren wie Gießen, Strangpressen, Schmieden und Zerspanen. Das Verhalten der jeweiligen Legierung während dieser Prozesse wirkt sich auf Produktionseffizienz, Bauteilqualität und Skalierbarkeit aus.

Druckguss ist für beide Werkstoffe ein dominierendes Verfahren, weist aber erhebliche Unterschiede auf. Aluminium-Druckguss mit Legierungen wie A380 oder ADC12 zeichnet sich durch hohe Fließfähigkeit und geringe Schwindung aus und ermöglicht die Herstellung komplexer, dünnwandiger Bauteile mit exzellenter Oberflächengüte. Die Zykluszeiten sind kurz, und das Verfahren ist, wie beispielsweise bei Motorgehäusen, etabliert. Magnesium-Druckguss mit Legierungen wie AZ91D bietet dank niedrigerer Schmelzpunkte (ca. 600 °C gegenüber 660 °C bei Aluminium) eine noch bessere Fließfähigkeit. Dies ermöglicht dünnere Wände (bis zu 0,5 mm) und schnellere Zyklen – bis zu 30 % schneller als bei Aluminium. Dadurch wird der Energieverbrauch gesenkt und der Durchsatz erhöht. Die Reaktivität von Magnesium mit Luft erfordert jedoch Schutzgasatmosphären (z. B. SF6-Gas), um Oxidation zu verhindern. Dies wirft Bedenken hinsichtlich Umwelt und Sicherheit auf, obwohl Alternativen wie CO₂-Gemische zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Extrusionsverfahren unterstreichen die Umformbarkeit von Aluminium. Aluminiumlegierungen lassen sich leicht zu Profilen für Rahmen oder Schienen extrudieren, wobei ihre hohe Duktilität die Herstellung komplexer Formen ohne Rissbildung ermöglicht. Magnesiumlegierungen hingegen weisen aufgrund ihrer hexagonal dichtesten Kugelpackung bei Raumtemperatur nur begrenzte Gleitsysteme auf, was für die Extrusion erhöhte Temperaturen (300–400 °C) erfordert. Dies führt zu höheren Energiekosten und Werkzeugverschleiß. Jüngste Entwicklungen im Bereich der scherunterstützten Verarbeitung und Extrusion (ShAPE) haben die Extrudierbarkeit von Magnesium verbessert und zu feineren Körnern und besseren Eigenschaften geführt.

Schmieden ist bei Magnesium aufgrund seiner Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen weniger verbreitet. Warmschmieden (über 200 °C) ermöglicht jedoch die Herstellung hochfester Bauteile wie Räder. Aluminium lässt sich problemlos bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen schmieden und bietet eine hervorragende Dauerfestigkeit für sicherheitskritische Komponenten. Die spanende Bearbeitung ist bei Magnesium vorteilhaft; seine natürliche Schmierfähigkeit ermöglicht die Trockenbearbeitung, wodurch weniger Wärme entsteht und die Werkzeugstandzeit im Vergleich zu Aluminium, das häufig Kühlmittel benötigt, verlängert wird. Dies kann die Bearbeitungskosten um 20–30 % senken.

Die Fügetechniken unterscheiden sich: Aluminium lässt sich gut mittels MIG- oder Rührreibschweißen verschweißen, was für Karosseriestrukturen unerlässlich ist. Magnesiumschweißen ist aufgrund von Porosität und Heißrissbildung anspruchsvoll und erfordert oft spezielle WIG-Verfahren oder Klebstoffe. Oberflächenbehandlungen sind entscheidend; Aluminium lässt sich zum Korrosionsschutz leicht anodisieren, während Magnesium Beschichtungen benötigt, um galvanische Korrosion zu verhindern.

In der additiven Fertigung werden beide Materialien für Prototypen eingesetzt, wobei die bessere Druckbarkeit von Aluminium überwiegt. Insgesamt ermöglichen die ausgereiften Prozesse bei Aluminium eine unkompliziertere Massenproduktion, während die Vorteile von Magnesium hinsichtlich Gießgeschwindigkeit und Bearbeitbarkeit für Nischenanwendungen mit Fokus auf Leichtbau geeignet sind. Laufende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten arbeiten daran, die Grenzen von Magnesium zu überwinden.

## Anwendungen in der Automobilindustrie

Im Automobilsektor werden Magnesium- und Aluminiumlegierungen in verschiedenen Bauteilen eingesetzt, wobei ihre Eigenschaften zur Gewichtsreduzierung genutzt werden. Ihre Anwendungsbereiche umfassen Antriebsstrang, Fahrwerk, Karosserie und Innenraumelemente, wobei die Auswahl von Leistungsanforderungen und Kostenbeschränkungen abhängt.

Aluminiumlegierungen dominieren die Rohkarosserie und machen bis zu 50 % der modernen Fahrzeuge wie dem Audi A8 aus. Hochfeste Legierungen der Serien 5xxx und 6xxx gewährleisten die Crashsicherheit von Türen, Motorhauben und Dächern und reduzieren das Gewicht im Vergleich zu Stahl um 40 %, ohne die Steifigkeit zu beeinträchtigen. In Antriebssträngen sorgen Aluminium-Motorblöcke (z. B. in Chevrolet-Modellen) für eine effiziente Wärmeableitung und verbessern so das Wärmemanagement.

Magnesiumlegierungen kommen in Interieur- und nichttragenden Bauteilen zum Einsatz. Armaturenbrettträger und Sitzgestelle in Mercedes-Benz-Fahrzeugen werden aufgrund ihres geringen Gewichts aus Magnesium gefertigt, wodurch 5–10 kg pro Einheit eingespart werden. Räder sind ein Paradebeispiel: Magnesiumfelgen, wie sie beispielsweise bei Porsche-Modellen verwendet werden, reduzieren die ungefederten Massen im Vergleich zu Aluminium um 20–30 % und verbessern so Handling und Fahrkomfort dank überlegener Dämpfung. Auch in Getrieben tragen Magnesiumgehäuse zur Gewichtsreduzierung von Elektrofahrzeugen wie dem Tesla Model S bei.

Hybridansätze kombinieren beides: Aluminium-Außenverkleidungen mit Magnesium-Innenausstattungen maximieren die Vorteile. Ein Beispiel hierfür ist der BMW i3, bei dem ein Aluminiumchassis mit Magnesiumverstärkungen für eine optimale Gewichtsverteilung sorgt. Herausforderungen bestehen weiterhin: Die Korrosion von Magnesium schränkt den Einsatz im Außenbereich ein, Beschichtungen ermöglichen jedoch eine Erweiterung, wie beispielsweise bei Fords experimentellen Magnesium-Heckklappen.

Magnesiumbatterien und Strukturbauteile, die in Elektrofahrzeugen Einzug halten, versprechen weitere Vorteile, während die Recyclingfähigkeit von Aluminium nachhaltige Fahrzeugflotten unterstützt. Insgesamt deckt die Vielseitigkeit von Aluminium ein breites Anwendungsspektrum ab, doch die Nischenrollen von Magnesium im Hochleistungs-Leichtbau gewinnen zunehmend an Bedeutung.

## Vorteile und Nachteile

Die Bewertung der Vor- und Nachteile von Magnesium- gegenüber Aluminiumlegierungen zeigt Kompromisse auf, die die Materialwahl beim Leichtbau im Automobilbereich leiten.

Der Hauptvorteil von Magnesium liegt in seinem extrem geringen Gewicht, wodurch sich im Vergleich zu Aluminium bis zu 33 % einsparen lassen – ideal für kraftstoffsparende Konstruktionen. Die hervorragende Dämpfung reduziert NVH-Werte, und die hohe Bearbeitbarkeit verkürzt die Produktionszeiten. Zu den Nachteilen zählen jedoch die geringe Korrosionsbeständigkeit, die kostspielige Behandlungen erfordert, und die höhere Entflammbarkeit. Die eingeschränkte Umformbarkeit bei Raumtemperatur erschwert die Verarbeitung, und die Volatilität der Lieferkette erhöht die Kosten.

Aluminium zeichnet sich durch Korrosionsbeständigkeit, gute Formbarkeit und Wärmeleitfähigkeit aus und ist daher für vielfältige Anwendungen geeignet. Sein ausgereiftes Ökosystem gewährleistet Skalierbarkeit, allerdings ist es schwerer als Magnesium und seine Herstellung energieintensiver. Eine geringere Dämpfung kann zu höheren NVH-Werten führen, und Verunreinigungen beim Recycling können die Eigenschaften beeinträchtigen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Magnesium für spezielle, gewichtskritische Bauteile geeignet ist, während Aluminium ausgewogene und kostengünstige Lösungen für den Masseneinsatz bietet.

## Kostenanalyse

Die Kosten sind ein entscheidender Faktor bei der Materialauswahl. Magnesiumlegierungen kosten zwischen 3 und 6 US-Dollar pro Kilogramm und sind damit teurer als Aluminium mit 2 bis 4 US-Dollar pro Kilogramm. Dies ist auf die aufwendige Gewinnung und die geringeren Produktionsmengen zurückzuführen. Die Verarbeitungskosten für Magnesium sind durch Schutzmaßnahmen erhöht, schnellere Gießzyklen gleichen diese Kosten jedoch teilweise aus. Bei Rädern sind die Herstellungskosten von Magnesium zwar höher, die Einsparungen über den gesamten Lebenszyklus durch Kraftstoffeffizienz können dies jedoch in Premiumsegmenten rechtfertigen. Marktprognosen gehen davon aus, dass der Markt für Magnesiumlegierungen bis 2030 auf 4,3 Milliarden US-Dollar anwachsen wird, angetrieben durch die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen. Dies könnte die Preisdifferenz verringern. Aluminium hingegen ist dank seiner Skaleneffekte für die Massenproduktion erschwinglich.

## Umweltauswirkungen und Nachhaltigkeit

Beide Legierungen bieten durch ihr geringes Gewicht Vorteile für die Nachhaltigkeit, unterscheiden sich jedoch in ihrer Umweltbilanz. Die Aluminiumproduktion ist energieintensiv (15–20 kWh/kg), durch Recycling lassen sich jedoch 95 % der Energie einsparen. Die Magnesiumproduktion kann, insbesondere beim Pigeon-Verfahren, aufwändiger sein und CO₂-Emissionen verursachen, elektrolytische Verfahren sind jedoch umweltfreundlicher. Das Recycling von Magnesium benötigt weniger Energie als die Primärproduktion, und seine Verwendung in Fahrzeugen reduziert die Emissionen über die gesamte Lebensdauer durch höhere Effizienz um 20–30 %. Lebenszyklusanalysen zeigen, dass Magnesiumnaben die Umweltbelastung verringern, allerdings bestehen Herausforderungen bei der Entsorgung. Insgesamt fördern beide Legierungen eine umweltfreundlichere Mobilität, wobei Aluminium aufgrund seiner etablierten Recyclinginfrastruktur einen Vorteil hat.

## Zukunftstrends und Herausforderungen

Bis 2025 wird für Magnesiumlegierungen im Bereich der Elektrofahrzeuge ein starkes Wachstum erwartet, wobei fortschrittliche Rezepturen Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit verbessern. Prognosen zufolge wird der Markt bis 2035 ein Volumen von 6 Milliarden US-Dollar erreichen, angetrieben durch den Leichtbau von Elektrofahrzeugen. Zu den Herausforderungen zählen die Versorgungssicherheit und die Kostensenkung. Aluminium wird weiterhin dominieren, doch Hybridwerkstoffe und 3D-Druck könnten die Vorteile beider Materialien vereinen.

## Abschluss

Im Bestreben nach Leichtbau im Automobilbau bieten Magnesiumlegierungen unübertroffene Gewichtseinsparungen und Dämpfungseigenschaften, während Aluminium Vielseitigkeit und Langlebigkeit gewährleistet. Die optimale Wahl hängt von den anwendungsspezifischen Anforderungen ab und berücksichtigt Leistung, Kosten und Nachhaltigkeit. Mit der zunehmenden Elektrifizierung der Automobilindustrie wird die Integration beider Materialien Innovationen vorantreiben und effiziente, umweltfreundliche Fahrzeuge ermöglichen.