Untersuchungen zum Korrosions-
verhalten und Korrosionsschutz 
von geschweißten Aluminium-
Magnesium-Mischverbindungen 

  
    Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt 

zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) 
genemigte DISSERTATION vorgelegt von Dipl.-Ing. Robert Breining aus Darmstadt 

   
   

 

 

 

 

   

 Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Christina Berger 
 Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen 
  Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner 
   
 Tag der Einreichung: 06.12.2011 
 Tag der mündlichen Prüfung: 08.02.2012 
 

  

 Darmstadt 2012 − D17 



 

 

 



 

 

 

Danksagung 

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbei-

ter am Zentrum für Konstruktionswerkstoffe, Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde 

der Technischen Universität Darmstadt und der Staatlichen Materialprüfungsanstalt 
Darmstadt. 

Für die Schaffung der Voraussetzung zur Durchführung meiner Arbeit und Übernahme des 

Referats möchte ich mich bei Frau Prof. Dr.-Ing. Christina Berger, langjährige Leiterin des 

Zentrums für Konstruktionswerkstoffe (MPA/IfW) der TU Darmstadt, bedanken. Herrn 

Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen, Leiter des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik der 

RWTH Aachen, danke ich für die Übernahme des Koreferats und Herrn Prof. Dr.-Ing. 

Matthias Oechsner, Leiter des Zentrums für Konstruktionswerkstoffe (MPA/IfW) der TU 
Darmstadt, für die Übernahme der Mitberichterstattung. 

Herrn Dr.-Ing. Torsten Troßmann, Leiter des Kompetenzbereichs Oberflächentechnik, 

danke ich für eine langjährige, vertrauensvolle Zusammenarbeit und die fachlich-inhaltliche 

Betreuung. In vielen fruchtbaren Diskussionen gab er mir neue Impulse und wertvolle 

Anregungen. Als nicht selbstverständlich gilt für mich seine stete Bereitschaft gezielte, über 

das übliche Maß hinausgehende inhaltliche Hilfestellung zu geben und Freiräume zu 
schaffen, wenn ich diese gebraucht habe. 

Insbesondere danke ich Herrn Dr.-Ing. Klaus Eppel, der mich während meiner Zeit als 

wissenschaftlicher Mitarbeiter zuerst als geschätzter Kollege begleitete, später als 

Vorgesetzter betreute und durch seine menschliche Art, wie auch fachliche Kompetenz für 

mich eine Vorbildfunktion einnimmt. Ich bedanke mich für viele oftmals „über den Monitor 

hinweg“ geführten fachliche Gespräche und inhaltliche Hilfestellungen sowie für den 
herzlichen, persönlichen Umgang. 

Herrn Dr.-Ing. Jörg Ellermeier danke ich für seine stete Diskussionsbereitschaft und neue 
inhaltliche Impulse in Bezug auf die Schweißtechnik. 

Ein weiterer Dank gilt meinen Kollegen des Kompetenzbereichs Oberflächentechnik, die mir 

durch ihre kollegiale Unterstützung in einem angenehmen, freundschaftlichen Arbeitsum-
feld zur Seite standen. 

Nicht vergessen möchte ich die studentischen Hilfswissenschaftler, die mich durch Ihre 

Tätigkeiten im Arbeitsalltag und in Bezug auf diese Arbeit unterstützt haben (Alexander 

Frohm, Martin Eberlein, Mathis Kruse, Sebastian Werner, Steffen Haßlinger, Steven 

Kaluza).



 

 

 

Ein besonderer Dank gilt meinen Eltern, die mich zu jederzeit unterstützt und meine 

Ausbildung stets gefördert haben. Sie legten den Grundstein für meinen Werdegang und 
die Erreichung meine beruflichen Ziele. 

Mein größter Dank gilt meiner Frau Simone, die mir in jeder Lebenslage Halt und Kraft 

gegeben hat. Durch Ihre Unterstützung und Nachsicht wurde mir die Umsetzung meiner 
Arbeit in dieser Form erst ermöglicht. 

Ein wesentlicher Teil der in dieser Arbeit dargestellten Forschungsergebnisse wurde im 

Rahmen eines öffentlich geförderten Forschungsvorhabens erarbeitet. Das Forschungsvor-

haben 16018 der Forschungsvereinigung Gesellschaft für Korrosionsschutz e.V. (GfKORR) 

wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemein-

schaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und 

Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dem 

Bundesministerium, der AiF und der GfKORR sei für die Förderung und finanzielle 
Unterstützung gedankt. 

Ich bedanke mich bei den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses für die aktive 

Mitarbeit und für die finanzielle und materielle Unterstützung des Vorhabens, insbesondere 

bei den Herren Dr. Burkhard Enders, Leist Oberflächentechnik und Dipl.-Ing. Thomas 

Wendel, Chemetall GmbH. Ferner danke ich Herrn Dr. Dietrich Wieser, Leiter des GfKORR-

Arbeitskreises „Korrosion und Korrosionsschutz von Aluminium und Magnesium“ für die 
auch über die Projektlaufzeit hinaus gute Kooperation. 

Ein Dank gilt auch meinen Projektpartnern am ISF der RWTH Aachen, Herrn Dr.-Ing. 

Simon Olschok, Herrn Dipl.-Ing. Alexander Backhaus und insbesondere Herrn Dipl.-Ing. 
Christian Otten für die stets gute und fruchtbare Zusammenarbeit. 

 



 

 

Inhaltsverzeichnis I 

Inhaltsverzeichnis 

1 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit ................................. 1 

1.1 Einleitung .............................................................................................................. 1 

1.2 Problemstellung ..................................................................................................... 2 

1.3 Zielsetzung ............................................................................................................ 3 

2 Stand der Technik ............................................................................................ 5 

2.1 Leichtbau durch Werkstoffe und Bauweisen .......................................................... 5 

2.2 Anwendungen und zukünftige Potenziale für Aluminium- und 

Magnesiumlegierungen .......................................................................................... 6 

2.3 Schmelzmetallurgisches Fügen von Aluminium- und Magnesiumlegierungen ........ 7 

2.4 Korrosionsverhalten von Aluminium- und Magnesiumlegierungen und der 

geschweißten Verbindung ...................................................................................... 9 

2.5 Oberflächenbehandlung und Korrosionsschutz von Aluminium- und 

Magnesiumlegierungen durch organische Lacke .................................................. 12 

2.6 Methoden zur Untersuchung der Korrosionseigenschaften metallischer 

Werkstoffe ........................................................................................................... 15 

2.6.1 Elektrochemische Korrosionsuntersuchungen ...................................................... 17 

2.6.2 Korrosionsprüfungen............................................................................................ 20 

2.7 Zusammenfassung Stand der Technik .................................................................. 22 

3 Experimentelles .............................................................................................. 25 

3.1 Untersuchte Werkstoffe ........................................................................................ 25 

3.1.1 Werkstoffzusammensetzung – chemische Elementanalyse ................................... 25 

3.1.2 Dokumentation des Oberflächenzustands ............................................................ 26 

3.1.3 Gefügeausbildung ................................................................................................ 27 

3.2 Herstellung einer thermisch gefügten Mischverbindung aus Aluminium- und 

Magnesiumlegierungen ........................................................................................ 29 

3.3 Oberflächenbehandlung – Reinigung und Haftgrundvermittlung anhand 

kommerziell verfügbarer Prozesse und Prozesschemikalien ................................. 32 

3.4 Organische Beschichtung – großserientechnisch applizierter kataphoretischer 

Tauchlack (KTL) .................................................................................................. 34 

3.4.1 Optische Begutachtung der kataphoretisch tauchlackierten Werkstoffproben ...... 35 

3.4.2 Schichtdickenbestimmung anhand Wirbelstromverfahren und Metallografie ....... 37 

3.4.3 Gitterschnittprüfung nach DIN EN ISO 2409 ........................................................ 39 

3.5 Charakterisierung des Korrosionsverhaltens der untersuchten Werkstoffe ........... 40 

3.5.1 Elektrochemische Untersuchungen ...................................................................... 41 

3.5.1.1 Aufbau und Durchführung der elektrochemischen Versuche ................................ 41 



 

 

II Inhaltsverzeichnis 

3.5.1.2 Elektrolytauswahl ................................................................................................ 43 

3.5.1.3 Durchführung zyklischer potenziodynamischer Polarisationsversuche ................. 44 

3.5.1.4 Untersuchungen mittels Elektrochemischer Impedanzspektroskopie und 

Bewertung der Ergebnisse durch physikochemische Interpretation ...................... 46 

3.5.2 Korrosionsprüfungen............................................................................................ 50 

3.5.2.1 Klimaprüfung nach VDA-Prüfblatt 621-415 .......................................................... 50 

3.5.2.2 Verschärfte Freibewitterung nach VDA-Prüfblatt 621-414 .................................... 51 

4 Ergebnisse und Bewertung der Einzeluntersuchungen .................................. 53 

4.1 Entwicklung einer geeigneten Messmethodik zur elektrochemischen 

Untersuchung des Kurzzeitdegradationsverhaltens von organischen 

Lackschichten auf Leichtmetallsubstraten ............................................................ 53 

4.2 Untersuchung zur Auswirkung einer Variation charakteristischer Parameter 

bei der Messung mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie.......................... 55 

4.2.1 Variation der exponierten Fläche und Auswirkung des Messsystems .................... 56 

4.2.2 Variation der Spannungsamplitude ...................................................................... 59 

4.2.3 Variation der Elektrolytkonzentration .................................................................. 62 

4.3 Elektrochemische Untersuchungen zur Charakterisierung des 

Systemverhaltens der metallischen unbehandelten und der beschichteten 

Werkstoffe in chloridhaltigen Elektrolyten ........................................................... 65 

4.3.1 Korrosionseigenschaften und Kurzzeitverhalten der unbehandelten 

Werkstoffe ........................................................................................................... 65 

4.3.1.1 Zyklische potenziodynamische Polarisationsversuche .......................................... 65 

4.3.1.2 Wiederholte Elektrochemische Impedanzspektroskopie und 

physikochemische Interpretation ......................................................................... 69 

4.3.2 Untersuchung der galvanischen Elementbildung durch die 

schmelzmetallurgisch gefügte Mischverbindung aus Aluminium- und 

Magnesiumwerkstoffen anhand ortsaufgelöster elektrochemischer 

Messungen ........................................................................................................... 73 

4.3.3 Korrosionseigenschaften und Degradationsverhalten der beschichteten 

Werkstoffe ........................................................................................................... 77 

4.3.3.1 Charakterisierung des Kurzzeitverhaltens der beschichteten Werkstoffe .............. 77 

4.3.3.2 Degradation infolge Klimaprüfung nach VDA-Prüfblatt 621-415 .......................... 84 

4.4 Untersuchung der Degradation beschichteter Werkstoffe in der 

Korrosionsprüfung ............................................................................................... 89 

4.4.1 Klimaprüfung nach VDA-Prüfblatt 621-415 .......................................................... 89 

4.4.2 Verschärfte Freibewitterung nach VDA-Prüfblatt 621-414 .................................... 95 



 

 

Inhaltsverzeichnis III 

5 Zusammenfassende Bewertung und Diskussion der Ergebnisse .................. 101 

5.1 Methodenentwicklung zur Untersuchung beschichteter Versuchsbleche aus 

Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen mittels Elektrochemischer 

Impedanzspektroskopie ..................................................................................... 103 

5.2 Charakterisierung des Korrosionsverhaltens der unbeschichteten Werkstoffe .... 105 

5.2.1 Nicht geschweißte Grundwerkstoffe .................................................................. 106 

5.2.2 Schmelzgeschweißte Mischverbindung .............................................................. 106 

5.3 Charakterisierung des Kurzzeit- und Langzeitdegradationsverhaltens der 

kataphoretisch beschichteten Werkstoffe infolge korrosiver Beanspruchung ...... 108 

5.3.1 Nicht geschweißte Grundwerkstoffe .................................................................. 109 

5.3.2 Schmelzgeschweißte Mischverbindung .............................................................. 113 

6 Zusammenfassung und Schlussfolgerung .................................................... 117 

Bildverzeichnis ........................................................................................................... 123 

Tabellenverzeichnis.................................................................................................... 132 

Abkürzungsverzeichnis .............................................................................................. 134 

Literaturverzeichnis ................................................................................................... 137 

Anhang A Ergänzende Ergebnisdarstellung ........................................................... 142 

 





 

 

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit 1 

1 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit 

1.1 Einleitung 

Die Attraktivität des Einsatzes von Leichtmetallen als Konstruktionswerkstoffe, wie 

Legierungen der Werkstoffe Aluminium und Magnesium, leitet sich neben der hohen 

Rohstoffverfügbarkeit und der guten Rezyklierbarkeit aus der spezifischen Festigkeit bzw. 

Steifigkeit ab, die gleichwertig oder besser ist als die anderer metallischer Konstruktions-

werkstoffe [1]. Durch diese kann, in Verbindung mit konstruktiven Maßnahmen, ein hohes 

werkstoffliches Leichtbaupotenzial an Bauteilen umgesetzt werden. Besonders interessant 

ist dies hinsichtlich der Reduzierung bewegter Massen im Sinne möglicher Einsparungen 
von Energie- und Rohstoffressourcen im Automobil-, Luftfahrt- oder Raumfahrtsektor. 

Die konsequente Verfolgung der Leichtbaustrategie, aber auch in Hinblick auf Funktions-

trennung und -integration, Steigerung der Materialeffizienz sowie Senkung der Entwi-

cklungs- und Produktionskosten, gewinnen Werkstoffverbunde und Multimaterial-

Konstruktionen zunehmend an Bedeutung [2, 3, 4, 5]. Im Automobilbau, sowie im 

Luftfahrt- und Raumfahrtbereich, ist Aluminium als Konstruktionswerkstoff in mannigfalti-

ger Legierungsauswahl eine etablierte und nicht mehr wegzudenkende Komponente des 

werkstofflichen Leichtbaus. In modernen Kraftfahrzeugen sind Aluminiumlegierungen in 

diversifizierten Anwendungen als z. B. Guss (Motorgehäuse), Blech (Außenhaut), 

Schmiede- (Fahrwerk) und Strangpressprodukte (Karosseriestruktur) in der Serienanwen-

dung [6, 7]. Die Weiterentwicklung bestehender geschweißter Aluminiumfachwerkkonzep-

te, z. B. „Audi Space Frame“ im Karosseriestrukturbereich durch eine Inkorporation von 
Magnesiumlegierungen verspricht eine weitere Gewichtsreduktion von 20 % [8]. 

In der Vergangenheit wurden Magnesiumlegierungen, hauptsächlich aufgrund hoher 

Rohstoffpreise und gegenüber anderen metallischen Konstruktionswerkstoffen mäßigen 

Blankkorrosionseigenschaften, nur in für den Endverbraucher nicht sichtbaren Bereichen 

eingesetzt. Dazu zählen in der automobilen Anwendung z. B. Getriebegehäuse, Sitzscha-
lenunterbauten sowie Lenkrad- und Armaturenträgerskelette in Gusskonstruktionen [2, 9]. 

Magnesiumknetlegierungen finden aufgrund erhöhter Produktionskosten durch die 

schlechte Umformbarkeit der hexagonalen Gitterstruktur bei Temperaturen unterhalb 

225 °C kaum Verwendung [9]. Neuere Produktionsmethoden, wie das noch in Entwicklung 

befindliche Gießwalzen, steigern die Attraktivität und damit die technologische Verbreitung 

der Magnesiumknetwerkstoffe durch niedrigere Fertigungskosten und eröffnen potenziell 

neue Anwendungsgebiete im Bereich gewalzter, dünnwandiger Blechstrukturen. Ein 

Beispiel ist der mögliche Einsatz von Magnesiumlegierungen in Bereich der Dachstruktur, 
um das Gewicht und den Schwerpunkt des Fahrzeugs zu senken [10, 11]. 



 

 

2 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit 

Insbesondere im Automobilsektor stellt das Schmelzschweißen in Laser- oder Metall-

Inertgas-Prozessen aufgrund hoher Automatisierungsgrade und Kosteneffizienz ein 

wichtiges Fügeverfahren dar. Um die technische Nutzbarkeit der Mischverbindung aus 

Aluminium- und Magnesiumwerkstoffen zu gewährleisten, muss eine Anpassung der 

Schweißprozesse erfolgen. Die Herstellung stofflich gefügter Aluminium-Magnesium-

Mischverbindungen mit einer hohen Reproduzierbarkeit bei guter Schweißnahtqualität und 
ausreichender Festigkeit ist Gegenstand neuzeitlicher Forschung [12, 13, 14]. 

Werden Mischbauweisen aus metallischen Werkstoffen im Karosseriebereich eingesetzt, 

entstehen neue Herausforderungen für die Korrosionsforschung. Ein Fügen unterschiedlich 

edler Werkstoffe bewirkt bei elektronenleitender Verbindung der Fügepartner und bei 

Anwesenheit leitfähiger, wässriger Medien die Gefahr einer galvanischen Elementbildung 

mit beschleunigter Werkstoffauflösung des unedleren Kontaktpartners. Diese Auswirkungen 

einer galvanischen Elementbildung können durch korrosionsschützende Maßnahmen 
verlangsamt oder vermieden werden. 

Die praktische Umsetzung effizienter, dauerhafter und wirtschaftlich herstellbarer 
Werkstoffverbunde in metallischer Mischbauweise erfordert 

 eine kostengünstige und stetige Verfügbarkeit der Werkstoffe mit einer 

 hohen Werkstoff- und Oberflächenqualität, 

 prozesstechnisch beherrschbare Fügeverfahren sowie 

 ein nachhaltiges Korrosionsschutzkonzept, das eine übermäßige Werkstoffauflösung 
infolge einer galvanischen Elementbildung verlangsamt oder verhindert. 

 

1.2 Problemstellung 

Im Zentrum dieser Arbeit steht die Fragestellung nach dem Korrosionsverhalten und 

Korrosionsschutz von geschweißten Mischverbindungen aus Aluminium- und Magnesium-

legierungen. Eine durch die unterschiedlich elektronegativen Fügepartner bedingte 

galvanische Elementbildung kann durch zwei Abhilfemaßnahmen vollständig unterbunden 
werden: 

 Die Verhinderung des elektronenleitenden Kontakts oder 

 die Vermeidung der gleichzeitigen Benetzung der unterschiedlich edlen Kontakt-
partner. 

Bei einer Schweißverbindung ist eine elektrische Trennung der Fügepartner, wie bei einer 

mit Verbindungselementen mechanisch gefügten Verbindung durch Einfügen von 

Isolationsmaterial oder geklebten Verbindung, technisch nicht realisierbar. Daher muss 

durch eine Korrosionsschutzmaßnahme der Zutritt des Elektrolyten zur geschweißten 



 

 

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit 3 

Verbindung möglichst unterbunden werden. In der industriellen Anwendung, wie der 

Automobilindustrie, werden organische Lacksysteme in einem Spritz- oder Tauchprozess 

eingesetzt. Die applizierten Lackschichten stellen nicht komplett diffusionsdichte Membrane 

dar und können in gewissem Maße einen Elektrolytkontakt mit dem Substrat hinauszögern 

oder vermindern. Dadurch kann eine Abmilderung der galvanischen Elementbildung durch 
Hemmung des Ladungsträgeraustauschs bzw. Stofftransports erreicht werden. 

Die Schwierigkeit in der Applikation korrosionsschützender Beschichtungen auf heterogene 

Materialpaarungen liegt in der gemeinsamen Vorbehandlung und Lackierung in industriel-

len Prozessen begründet. Zudem leiten sich aus der Ausführung der schmelzschweißtechni-

schen Verbindung von Aluminium- und Magnesiumlegierungen auf das Korrosionsverhalten 

und die Anwendbarkeit von Korrosionsschutzmaßnahmen einwirkende Faktoren ab. Als 

wesentlich sind bei geschweißten Mischverbindungen der fertigungsfolgeabhängige 

Oberflächenzustand der zu fügenden Werkstoffe und die oberflächennahe Gefügeausbil-

dung im Bereich der Schweißnaht anzusehen. Neben den Problemstellungen, die aus der 

heterogenen Werkstoffpaarung und Einflüsse aus der Fügetechnik resultieren, liegt ein 

besonderes Augenmerk auch einer kritischen Überprüfung der Anwendbarkeit von 

Prozessen der Oberflächenbehandlung auf die Aluminium-Magnesium-Mischverbindung. 

Diese sollen auf bereits etablierten Verfahren zur Erzeugung eines Haftgrundes sowie einer 
kataphoretischen Tauchlackierung (KTL) basieren. 

 

1.3 Zielsetzung 

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Charakterisierung des Korrosions- und Degrada-

tionsverhaltens schmelzschweißgefügter Mischverbindungen aus der Aluminiumknetlegie-

rung AA6016 und der Magnesiumknetlegierung AZ31 sowie der jeweiligen Fügepartner, 
hinsichtlich 

 des Blankkorrosionsverhaltens, 

 der bei leitendem Kontakt zu erwartenden galvanischen Elementbildung und 

 der korrosionsschützenden Wirkung eines aufgebrachten organischen Korrosions-

schutzlacks 
 unter Verwendung zweier unterschiedlicher Haftgrundvermittler. 

Eine möglichst hohe Praxisnähe zum Bereich der Außenhaut- bzw. Strukturanwendung im 

Automobilbau ist durch die Verwendung kommerziell erhältlicher Werkstoffe und 

Prozessstoffe sowie industriell nutzbarer Prozesse gegeben, deren Anwendung auf 

Mischverbindungen übertragen werden soll. In diesem interdisziplinären Spannungsfeld 

soll ein besseres Verständnis zum Korrosions- bzw. Degradationsverhalten beschichteter 

Werkstoffverbunde hinsichtlich ihrer Lebensdauer sowie die Identifikation wesentlicher 



 

 

4 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit 

Mechanismen und Merkmale bzw. Einflussfaktoren auf die Korrosionsbeständigkeit aus der 

Fertigungsfolge der wesentliche Nutzen sein. Insbesondere die Betrachtung leitfähig 

verbundener, unterschiedlich elektronegativer Aluminium- und Magnesiumwerkstoffe 

hinsichtlich ihres Beschichtungs- und Korrosionsverhaltens ist für die praktische Umsetzung 
in konstruktiven Baugruppen von entscheidender Bedeutung. 

Die Rahmenbedingungen der Korrosionsuntersuchungen beziehen sich auf das Gesamtsys-
tem aus 

 technischem, fertigungsfolgeabhängigen Oberflächenzustand, 

 nicht geschweißter und geschweißter, unterschiedlicher Leichtmetalle, die eine 

 chemische Oberflächenentfettung, -reinigung und Haftvermittlung und anschließende 
 kataphoretischer Tauchbeschichtung erfahren. 

In der Verbindung aus in der Praxis üblichen langzeitigen Korrosionsprüfungen und 
labortechnischen elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen sollen 

 Schädigungsmerkmale und -mechanismen erkannt, 

 der Einfluss verschiedener Prozessparameter der Oberflächenmodifikation untersucht 

und 

 eine Korrelation aus makroskopisch sichtbaren Korrosionsphänomenen und elektro-
chemischen Messwerten hergestellt werden. 

Ein wesentlicher Bestandteil zur Charakterisierung dieser Größen beinhaltet die Weiter-

entwicklung und Anpassung existierender elektrochemischer Untersuchungsmethoden 

hinsichtlich der vorliegenden Fragestellung sowie eine kritische Betrachtung der Einfluss-

größen des Messaufbaus und der einzustellenden Parameter. Hierdurch soll ein grundle-

gender Beitrag zur Anwendbarkeit elektrochemischer Methoden und der Interpretation der 

Messdaten von elektrochemischen Untersuchungen an Aluminium- und Magnesiumlegie-

rungen mit unterschiedlichen Oberflächenzuständen geleistet werden. Der Einsatz von 

elektrochemischen Methoden soll nicht nur die Erforschung von Korrosions- und Degrada-

tionsmechanismen ermöglichen, sondern in Verbindung mit Korrosionsprüfungen auch zur 
Vorhersage hinsichtlich des Langzeitverhaltens beitragen. 

Aufgrund der bei dieser Problemstellung vorliegenden hohen Interdisziplinarität besteht 

eine große Schnittmenge unterschiedlicher Ingenieursbereiche die einen Wissensgewinn 

aufgrund der gewonnenen Ergebnisse erfahren können. Diese können für Beschichter, 

Konstrukteure und Werkstoffhersteller sowie für Anwender des allgemeinen Maschinen-

baus, insbesondere aus den Bereichen Automobilbau, Luft- und Raumfahrt von Interesse 
sein, auch losgelöst von der speziellen Betrachtung der Schmelzschweißverbindung. 



 

 

Stand der Technik 5 

2 Stand der Technik 

2.1 Leichtbau durch Werkstoffe und Bauweisen 

In der jüngeren Vergangenheit hat die Thematik Leichtbau, insbesondere aus Gründen der 

Ressourcenschonung und Verminderung des CO2-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen infolge 

gesetzlicher Auflagen und gesteigerten Umweltbewusstseins, an Bedeutung gewonnen. Der 

auf die Fahrzeugmasse bezogene Kraftstoffverbrauch wird je nach Quelle schwankend mit 

12 % [4], 36 % [15] bis 75 % [16] angegeben. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich 

pro 100 kg Mehrgewicht ein Zusatzverbrauch von 5 % [2] bzw. 0,1 − 1 Liter pro 100 km 

[15] einstellt. Im Umkehrschluss wird von einer Verbrauchssenkung von 0,3 − 0,5 Liter pro 

100 km bei einer Gewichtsreduktion von 100 kg gesprochen [16, 17]. Leichtbau ist somit 
zur Reduzierung des Emissionsausstoßes von großer Bedeutung. 

Bei der Konstruktion eines Bauteils definiert sich Leichtbau als Maximierung der Gewichts-

einsparung bei vorgegebener Steifigkeit, dynamischer Stabilität und Betriebsfestigkeit [2]. 

Unter dem Überbegriff des Leichtbaus lassen sich generell Konzepte und Bauweisen 

differenzieren, deren Benennungen in der Literatur nicht immer konsistent, grundsätzlich 

aber mit identischem Sinn besetzt sind. Im Allgemeinen kann in einen werkstofflichen, 

konstruktiven und systemtechnischen Leichtbau differenziert werden, die Bauweisen teilen 

sich in Differential-, Integral- und Verbundbauweise auf [2, 18]. In der Folge der 

ganzheitlichen Systembetrachtung bei der Umsetzung werkstofflichen Leichtbaus wird 

durch unterschiedliche Werkstoffeigenschaften zumeist auch der konstruktive Leichtbau 

bedingt. Durch leichtbautechnische Maßnahmen besteht zudem die Möglichkeit einer 

Funktionstrennung oder -integration, die durch die Anwendung verschiedener Bauweisen 
umsetzbar ist. 

Ein Trend in der Entwicklung von Leichtbaustrukturen im werkstofflichen Leichtbau liegt in 

der Multimaterial-Bauweise begründet [2, 17]. Dabei ist eine Multimaterial-Konstruktion 

als Möglichkeit zu verstehen, in einem Bauteilverbund den für das jeweilige Bauteil 

optimalen Werkstoff, metallisch oder nicht-metallisch, auswählen zu können. Auf 

metallischer Werkstoffseite ist in diesem Zusammenhang die Verbundbauweise auf Basis 

von gefügten Werkstoffverbunden, mit den typischen Leichtmetallen Aluminium und 

Magnesium, sowie in der neueren Vergangenheit auch wieder vermehrt in Kombination mit 

Stahl, eine interessante Perspektive. In der Praxis betrifft dies momentan vor allem die 

mechanische Fügetechnik mittels Schrauben, Nieten und Clinchen, oftmals in Verbindung 

mit einer elektrisch isolierenden Klebverbindung. Beispiele sind die Karosseriestruktur des 

Audi TT (8J) [7], sowie die Vorderwagenstruktur des BMW 5 (E60) in Stahl-Aluminium-
Hybridbauweise [7, 19]. 



 

 

6 Stand der Technik 

In Konzeptstudien und Machbarkeitsversuchen werden Magnesiumknetlegierungen im 

Automobilbau vor allem als großflächige, tiefgezogene Bauteile in der Dachstruktur zur 

Senkung des Schwerpunkts [10, 11], bzw. im Bereich der Hauben und Klappen [9, 20] 
projektiert. 

 

2.2 Anwendungen und zukünftige Potenziale für Aluminium- und Magnesiumlegie-

rungen 

Im werkstofflichen, metallischen Leichtbau stehen die typischen Leichtmetalle Aluminium, 

Magnesium und Titan den etablierten Stahlwerkstoffen gegenüber, mit denen durch 

geschickte konstruktive und systemtechnische Maßnahmen ebenfalls Leichtbau betrieben 

werden kann. Aus dieser Konsequenz besteht insbesondere zwischen Stahlwerkstoffen und 

Aluminiumwerkstoffen eine Konkurrenzsituation, z. B. im Bereich Fahrwerk, Fahrzeug-

struktur, Motor oder Karosserieblech. Etablierte Anwendungen für Aluminiumwerkstoffe 

sind z. B. Achsträger (IHU1, Guss, Profile und Formteile), Quer- und Längslenker 

(Schmiede, Guss), Felgen (Guss, Schmiede) Fahrzeugstruktur (Profil, Blech, Guss), 

Kurbelgehäuse (Guss), Klappen und Hauben (Blech). Der durchschnittliche Aluminiuman-
teil am Fahrzeuggewicht betrug im Jahre 2005 etwa 150 kg [7]. 

Magnesiumwerkstoffe werden momentan im Automobilbau ausschließlich als Gusskons-

truktion im Bereich Getriebe, Motor und Innenraum mit einem maximalen Anteil am 

Fahrzeuggewicht von weniger als 4 kg bei General Motors, Ford und Chrysler [21] bis 

25 kg bei Volkswagen [9] eingesetzt. Die älteste Anwendung in blankem Oberflächenzu-

stand, die bis zum heutigen Tag besteht, findet sich bei Getriebegehäusen. Im Motorbereich 

sind einige wenige Beispiele für Ansaugbrücken für großvolumige Motoren aus Magne-

siumguss bekannt [9]. Im 6-Zylinder-Motor von BMW kam 2004 ein Kurbelgehäuse aus 

Magnesium- und Aluminiumguss mit einer Gewichtsersparnis zum reinen Aluminiumbau-

teil von 10 kg zum Einsatz [22, 23]. Die größte Vielfalt ist im Bereich nicht sichtbarer, 

meist umschäumter oder verschalter Bauteile im Fahrzeuginnenraum mit geringer 

Korrosionsgefährdung, wie z. B. Lenkradskelette, Sitzunterkonstruktionen und Armaturen-

träger zu finden. Bauteile in tragenden Strukturen, Klappeninnenteilen oder Außenhautbe-

reichen als Guss- oder Knetlegierung verblieben bislang im Prototypenstadium. Eine der 

wenigen Ausnahmen bilden der VW Lupo 3L sowie das Mercedes E-Klasse T-Modell (S212), 

die in der Serienfertigung ein Heckklappeninnenteil als Magnesiumgusskonstruktion mit 
Außenbeplankung aus Aluminiumblech erhielten [9, 24]. 

                                                           
1 IHU = Innenhochdruckumformung 



 

 

Stand der Technik 7 

Potenziale für zukünftige Anwendungen im Automobilbau bestehen weiterhin in den 

etablierten Bereichen für Gussanwendung sowie in der Erschließung neuer Anwendungen 

im Blechbereich durch Magnesiumknetlegierungen. Die weitere Anwendung hängt dabei 

entscheidend von der Legierungsentwicklung zu höheren Warmfestigkeiten und geringerer 

Kriechneigung (Getriebe- und Motorbereich), gesteigerter Korrosionsbeständigkeit, 

Oberflächenqualität und besserem Umformverhalten (Blechkonstruktionen) sowie 
günstigerer Herstellung und Verarbeitung (Gießwalzen, Blechumformung) ab [9]. 

In der Anwendung von Magnesiumknetlegierungen ist die Substitution großflächiger, 

dünnwandiger Bauteile im Außenhaut- oder Klappeninnenteilbereich sowie im Strukturbe-

reich von größtem Interesse. Hier werden mögliche Gewichtseinsparungen von 50 % zu 

Stahl bzw. 20 % zu Aluminium vorhergesagt. Projektiert werden im Blechbereich bis zu 
etwa 50 kg Magnesiumanteil an der Gesamtmasse im Fahrzeug [9]. 

Entscheidende Faktoren in der technologischen Verbreitung von Leichtbaukomponenten 

aus Magnesiumknetwerkstoffen sind geeignete, kosteneffiziente schmelzmetallurgische 

Schweißverfahren, in denen Magnesium mit anderen metallischen Werkstoffen gefügt 

werden kann, und für Multimaterial-Konstruktionen geeignete Oberflächentechnologien, 
die einen gemeinsam applizierbaren Korrosionsschutz ermöglichen. 

 

2.3 Schmelzmetallurgisches Fügen von Aluminium- und Magnesiumlegierungen 

Insbesondere im Automobilsektor stellt das Schmelzschweißen in Laserstrahl-, Metall-

Inertgas- oder Hybridprozessen aufgrund hoher Automatisierungsgrade und Kosteneffizienz 

eine Schlüsseltechnologie im Bereich der Fügeverfahren dar. Das schmelzmetallurgische 

Fügen von Aluminiumwerkstoffen ist seit über fünfzig Jahren eine beherrschbare 

Technologie, die insbesondere im Fahrzeugstrukturbereich ihre Anwendung findet [25]. 

Durch die Anwendung von Laserstrahl-Metall-Inertgas-Hybridverfahren wird eine 
gesteigerte Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitig verbesserter Nahtqualität erzielt [7, 26]. 

In der Prozessführung benötigt das Schmelzschweißen von Aluminium- und insbesondere 

von Magnesiumlegierungen einen deutlich höheren Aufwand als beim Fügen von Stählen. 

Die Schmelzintervalle sind sehr breit, wobei eine erhöhte Heißrissgefahr aufgrund 

niedrigschmelzender Eutektika besteht [9, 27]. Eine weitere Besonderheit ist, dass beide 

Werkstoffgruppen an Atmosphäre hochschmelzende, oxidische Deckschichten ausbilden. Im 

Zuge einer geeigneten Nahtvorbereitung müssen diese chemisch bzw. mechanisch vor oder 
durch eine Polungsumkehr während des Schweißprozesses entfernt werden [27, 28]. 

Aluminium- und Magnesiumlegierungen können durch eine Vielzahl von Verfahren wie 

z. B. Metall-Inertgas-, Laserstrahl- und Elektronenstrahlschweißen gefügt werden 



 

 

8 Stand der Technik 

[7, 9, 27, 28, 29, 30, 31]. Nicht zuletzt aufgrund der generell geringen Marktdurchdrin-

gung von Magnesiumknetlegierungen sind diese für Magnesium bis dato aber ohne 
Serieneinsatz. 

Die Herstellung einer Schmelzschweißverbindung aus Aluminium- und Magnesiumlegie-

rungen stellt eine große Herausforderung für die Fügetechnik dar und ist im Wesentlichen 

durch die metallurgischen Eigenschaften der Leichtmetalle geprägt. Im flüssigen Zustand 

sind beide Werkstoffe vollständig löslich, im festen Zustand jedoch nur in Randbereichen. 

Aus dem Phasendiagramm geht hervor, dass zwei Eutektika existieren, Bild 1. Ein 

Eutektikum ist durch die intermetallische Phase Al3Mg2 (β-Phase) in der aluminiumreichen 

Phase gekennzeichnet, das Andere durch die intermetallische Phase Al12Mg17 (γ-Phase) in 
der magnesiumreichen Phase. 

Die Entstehungstemperaturen der 

beiden Eutektika liegen mit 450 °C 

und 437 °C deutlich unter den 

Schmelztemperaturen von Aluminium 

(660 °C) und Magnesium (650 °C). 

Folglich treten bei einem Aufschmel-

zen und anschließenden Abkühlen 

beider Fügepartner die intermetalli-

schen Phasen β und γ nahezu immer 

auf. Die Anwesenheit der spröden, 

intermetallischen Phasen, die im 

Bereich von etwa 40 − 60 Atompro-

zent Magnesium beide auftreten, hat 

eine Auswirkung auf die mechani-

schen Eigenschaften der Verbindung. 

Es wurde berichtet, dass es zu lokalen Härteanstiegen auf bis zu 250 HV 0,1 kommen kann 

[12, 13]. Diese können eine Rissbildung begünstigen [13]. Dabei tritt die intermetallische 

Phasenbildung saumartig bevorzugt im Bereich der magnesiumseitigen Anbindung auf [14] 

mit einer starken Abhängigkeit der Zugfestigkeit zur Saumbreite der intermetallischen 
Phasen [32]. 

Aufgrund der nahezu identischen Schmelztemperaturen von Aluminium- und Magnesium-

werkstoffen ist eine Fügestrategie, bei der nur ein Fügepartner aufgeschmolzen wird und 

eine Diffusionsverbindung entsteht, wie sie z. B. bei Schweißverbindungen von Aluminium-
legierungen und Stahl angewendet wird, nicht möglich [26, 33, 34]. 

                                                           
2 Nach ASM Metals Handbook Vol. 3, ASM International, 1992, 2-48 

 
Bild 1 Phasendiagramm des Zweistoffsystems 

Aluminium und Magnesium2 



 

 

Stand der Technik 9 

Auf dem Gebiet der schmelzgeschweißten Mischverbindung von Aluminium- und 

Magnesiumlegierungen existieren nur wenige publizierte Erkenntnisse. Auf Basis eines 

Laserstrahlschweißprozesses konnten Verbindungen mit nur geringen Zugfestigkeiten von 

etwa 32 MPa, das entspricht lediglich 12 % der Zugfestigkeit des Magnesiumwerkstoffs, 

erzielt werden [13]. Insbesondere über eine Fügestrategie mit modernen, energiearmen 

Schweißverfahren, wie dem vielversprechenden EWM-coldArc®-Prozess, mit geringer 

Wärmeeinbringung und der Möglichkeit der gezielten Beeinflussung des Schmelzbades 

wurden keine wissenschaftlichen Berichte publiziert. Ergebnisse zur Unterdrückung der 

spröden intermetallischen Verbindungen durch z. B. eine geschickte Wahl des Schweißzu-
satzwerkstoffs wurden von anderen Autoren bisher nicht veröffentlicht. 

 

2.4 Korrosionsverhalten von Aluminium- und Magnesiumlegierungen und der 

geschweißten Verbindung 

Gegenüber anderen metallischen Konstruktionswerkstoffen gelten Aluminium- und 

Magnesiumwerkstoffe aufgrund ihrer Position in der elektrochemischen Spannungsreihe 

mit etwa EAl = -1,7 V und EMg = -2,4 V als sehr unedle Elemente [9, 35]. Unter dem 

Einfluss atmosphärischer oder wässriger Umgebungsbedingungen bilden aber beide Metalle 

durch Bedeckung mit ihren Korrosionsprodukten bei moderatem Umgebungseinfluss 

schützende Deckschichten aus. Die Korrosionspotenziale dieser Werkstoffe steigen infolge 

dieser Deckschichtbildung in typischen chloridhaltigen Elektrolyten signifikant auf z. B. 
ECor, Al, Meerwasser = -0,67 V [36] und ECor, Mg, 3…6 % NaCl = -1,67 V [37]. 

Bei Magnesiumwerkstoffen bildet sich diese Deckschicht in wässriger Umgebung unter 

Alkalisierung der oberflächennahen Grenzschicht oberhalb pH 8,5 mit einer Schichtdicke 

von < 1 µm aus [9]. Sie beinhaltet eine hydratisierte Schicht an der Werkstoffgrenzfläche, 

eine dünne Mittelschicht und eine dicke, poröse äußere Schicht [38]. Dabei erzielt die 

Deckschicht aber keine zuverlässige und lückenfreie Abdeckung der Magnesiumoberfläche. 

Dies folgt aus dem Pilling-Bedworth-Verhältnis3 von 0,81. Dieses Verhältnis indiziert, dass 

es durch das kleinere spezifische molare Volumen des Oxids im Vergleich zum umgesetzten 

Metall zu einer geometrischen Fehlanpassung der Struktur an der Grenzfläche zum Metall 

kommt. Daraus resultieren Zugeigenspannungen in der Deckschicht. Hierdurch werden 

Defekte begünstigt, die Korrosionselektrolyt-Lösungen einen Zugang zum Grundwerkstoff 

bieten können [9, 37]. Generell wird bei Magnesiumwerkstoffen in wässriger Umgebung 

eine verminderte Stabilität der Deckschichten im Vergleich zu Aluminiumwerkstoffen auch 
aufgrund leichter wasserlöslicher Bestandteile vermutet [38]. 

                                                           
3 Der Pilling-Bedworth-Ratio definiert sich durch: PBR = Volumen des Oxids / Volumen des Metalls. Es wird zur 

Abschätzung der Beständigkeit der sich an Luft ausbildenden Oxidschichten herangezogen. Ein PBR < 1 indiziert 
Zugspannungen in der Oxidschicht, PBR > 1 Druckspannungen. 



 

 

10 Stand der Technik 

Die amphoteren Aluminiumwerkstoffe überziehen sie sich in Kontakt mit Luftsauerstoff 

durch ihre hohe Sauerstoffaffinität und in wässrigen Medien in einem neutralen Bereich 

von pH 4,5 − 8,5 mit einer dünnen, gut haftenden und dichten Deckschicht mit Dicken von 

0,001 − 0,1 µm [36]. Diese besteht aus einer dünnen oxidischen Sperrschicht und einer 

darauf aufwachsenden, porigen äußeren Schicht, die unter Anwesenheit von wässrigen 

Medien hydratisiert [39]. An heterogenen Gefügebestandteilen an der Werkstoffoberfläche 

bilden sich in der Deckschicht Mischoxide aus, die eine Porosität begünstigen können [36]. 

Im Gegensatz zu den Magnesiumlegierungen findet mit einem Pilling-Bedworth-Verhältnis 

von 1,38 eine vollständige Bedeckung der Oberfläche mit resultierenden Druckeigenspan-
nungen statt [9, 40]. 

Unter der Einwirkung wässriger Elektrolyte im neutralen pH-Bereich haben Halogenide 

eine korrosionsförderliche Wirkung auf deckschichtbildende Werkstoffe wie Aluminium- 

und Magnesiumwerkstoffe. Vor allem chloridhaltige Mineralsalze wie Natriumchlorid, 

Calciumchlorid und Magnesiumchlorid sind Bestandteil einer Vielzahl wässriger Elektrolyte 

wie z. B. Handschweiß, Brauchwasser Meerwasser oder als gelöstes Streusalz in Auftaulö-
sungen. 

Die in den Elektrolyten enthaltenen Chlorid-Ionen können nach der Adsorption ein 

Auflösen der Deckschicht begünstigen, an Fehl- oder Schwachstellen an die Metalloberflä-

che gelangen, eine Neubildung der Deckschicht durch Adsorption an der Werkstoffoberflä-

che verhindern sowie lokale Korrosionsvorgänge durch Komplexbildung mit Metall-Ionen 

und Hydrolyse begünstigen und initiieren [38, 41, 42]. Aufgrund der ungünstigen 

Flächenverhältnisse mit gegenüber der Kathode (intakte Deckschicht) sehr kleinen 

Anodenflächen (lokal depassivierte Bereiche) kann es zu tiefengängiger Lochkorrosion oder 

Muldenkorrosion kommen [43]. Die Lochtiefe und die Korrosionsfortschrittsgeschwindig-

keit steigen mit zunehmendem Chloridgehalt [38]. In gering korrosiven Elektrolyten kann 
unter bestimmten Umgebungsbedingungen auch Filiformkorrosion auftreten. 

Dabei hat der fertigungsfolgeabhängige Oberflächenzustand einen entscheidenden Einfluss 

auf das Initiierungs- und Fortschrittsverhalten der Korrosion. Insbesondere Magnesium-

legierungen können erhöhte Korrosionsraten infolge gefügeimmanenter Verunreinigungen 

wie z. B. Eisen oder Kohlenstoff durch galvanische Mikroelementbildung erfahren 

[9, 44, 45]. Aus dem Fertigungsprozess folgende erhöhte Rauigkeiten haben eine 

gegenüber mechanisch bearbeiteten Oberflächen geringere Korrosionsbeständigkeit zur 

Folge [40]. Als besonders kritisch sind aus dem Produktionsprozess in die Oberfläche 

eingebrachte oder auf der Oberfläche anhaftende Fremdatome anzusehen. Diese können 

eine negative Beeinflussung der Deckschichtausbildung zur Folge haben und zur Ausbil-

dung lokaler galvanischer Elemente beitragen [9, 40]. Beispielhaft seien z. B. an Walzen 

anhaftende Eisenpartikel aus dem Walzvorgang von Knetlegierungen oder Anhaftungen 



 

 

Stand der Technik 11 

von kohlenstoffhaltigen Ziehhilfs- und Formtrennstoffen aus der Halbzeugverarbeitung 
genannt. 

Werden Mischbauweisen aus metallischen Werkstoffen, z. B. im Karosseriebereich, 

eingesetzt, entstehen neue Korrosions- und Korrosionsschutzproblematiken. Ein Fügen 

unterschiedlich edler Werkstoffe bewirkt bei der Herstellung einer elektronenleitenden 

Verbindung und unter Anwesenheit wässriger Medien die Gefahr einer galvanischen 

Elementbildung mit bevorzugter Werkstoffauflösung des elektronegativeren Kontaktpart-
ners mit erhöhter Korrosionsgeschwindigkeit. 

Eine galvanische Elementbildung bei Mischverbindungen liegt dann vor, wenn vier 

Randbedingungen gegeben sind: die Anwesenheit einer edleren Kathode, einer unedleren 

Anode, eines direkten elektrisch leitenden Kontakts und der gleichzeitigen Benetzung durch 

einen ionenleitenden Elektrolyten. Bei Abwesenheit einer dieser vier Elemente tritt keine 
galvanische Elementbildung auf [9, 36]. 

Maßgebliche Einflussfaktoren auf die Korrosionsgeschwindigkeit bei galvanischer 

Elementbildung sind vor allem das Flächenverhältnis von Anode zu Kathode und die 

Potenzialdifferenz zwischen den Kontaktpartnern [43, 46]. Im Sinne einer vorhersehbaren 

und beherrschbaren Korrosion sind kleine Anoden- und große Kathodenflächen sowie 

große Potenzialdifferenzen zu vermeiden. Das folgt aus der Betrachtung der lokalen 

anodischen Auflösungsstromdichte, die proportional mit dem Flächenverhältnis von 

Kathode zu Anode sowie der Potenzialdifferenz ansteigt [46]. Fließt der Strom durch sehr 

kleine Anodenflächen, ist eine hohe lokale Auflösungsstromdichte mit einem lokalen, 

tiefengängigen Korrosionsabtrag zu erwarten, die die Gefahr der Bauteilperforation bei 
geringen Wanddicken im Blechbereich signifikant erhöht. 

Werden diese Mischbauweisen metallisch blank eingesetzt, sollte daher idealerweise eine 

elektrische Trennung der Fügepartner durch z. B. isolierenden Unterlegscheiben, Klebstoffe 

oder die Beschichtung des kathodischen Kontaktpartners erfolgen. An der Fügestelle selbst 

bleibt der elektrisch leitende Kontakt zwischen den Fügepartnern bei der Anwesenheit von 

Verbindungselementen wie z. B. Schrauben oder Nieten bestehen. Hier ist die geschickte 

Wahl der Verbindungselemente aus elektrochemisch kompatiblen Werkstoffen essentiell 
[9, 36, 46]. 

Das industriell mit großer Bedeutung behaftete schmelzmetallurgische Fügen macht eine 

Isolation der Fügepartner an der Schweißnaht unmöglich. Eine galvanische Elementbildung 

jedoch kann auch verhindert werden, wenn eine gemeinsame Elektrolytbenetzung 
vermieden wird. Dies kann durch geeignete Oberflächenschutzmaßnahmen erzielt werden. 

 



 

 

12 Stand der Technik 

2.5 Oberflächenbehandlung und Korrosionsschutz von Aluminium- und Magnesium-

legierungen durch organische Lacke 

Technische Oberflächen sind im Regelfall durch Verunreinigungen aus der Fertigungsfolge 

mit Ziehhilfs- oder Formtrennstoffen belegt. Diese meist kohlenstoffhaltigen Verbindungen 

vermindern nicht nur die Korrosionsbeständigkeit im metallisch-blanken Oberflächenzu-

stand, sondern auch die Haftung nachfolgender Beschichtungen. Daher müssen sie mittels 

chemischer oder elektrochemischer Verfahren entfernt werden. Mechanische Verfahren 
kommen aufgrund meist komplexer Bauteilgeometrien in der Regel nicht infrage. 

Die gängigste und einfachste Variante stellt das Beizen dar, bei dem gezielt zumeist 

oxidische Deckschichten und Oberflächenverunreinigungen abgetragen werden, idealerwei-

se ohne den Grundwerkstoff anzugreifen. Befinden sich noch grobe Verunreinigungen auf 

der Werkstoffoberfläche oder sind Kohlenwasserstoffverbindungen (Öle, Fette) adsorbiert, 

kann der Beizangriff ungleichmäßig verlaufen. Daher wird dem Beizen vorgeschaltet meist 

ein Entfettungsprozess durchgeführt oder eine kombinierte Beizentfettung vorgesehen 
[40, 47, 48]. 

Die Herausforderung bei einem Oberflächenvorbehandlungsverfahren für Aluminium-
Magnesium-Mischverbindungen besteht darin, dass 

 sich beide Werkstoffe in unterschiedlichen pH-Bereichen aktiv oder passiv verhalten, 

 es zu stark voneinander abweichenden Massenabträgen kommen, 

 ein selektiver Angriff auf bestimmte Oberflächenbereiche erfolgen und 

 es zu Wechselwirkungen der Werkstoffpaarung insbesondere im Bereich der 
Schweißnaht kommen kann. 

Folgen der genannten Probleme können unterschiedlich stark ausgeprägte Entfettungs- und 

Beizangriffe sein, die eine bevorzugte Abtragung eines Fügepartners oder einzelner 

Gefügebereiche, auch im Bereich der Schweißnaht, zur Folge haben. Dies kann Haftungs-

probleme nachfolgender Korrosionsschutzmaßnahmen aufgrund ungleichmäßiger 

Reinigung der Oberfläche nach sich ziehen oder eine übermäßige lokale Änderung der 

Oberflächenfeingestalt infolge stark lokalisierter Beizangriffe und daraus resultierender 
ungleichmäßiger Schichtdicken in einem nachgeschalteten Lackierprozess. 

Magnesiumwerkstoffe verhalten sich in niedrigen, sauren pH-Bereichen aktiv und 

passivieren bei sehr hohen, alkalischen pH-Werten [49]. Aluminium hingegen ist ein 

amphoterer Werkstoff. Er passiviert in neutralen pH-Bereichen und wird bevorzugt in 

sauren und alkalischen Umgebungsbedingungen aktiv aufgelöst [36]. In der Literatur 

werden Schwefelsäure, Salpetersäure, Flusssäure, Essigsäure und Salzsäure als Beizlösun-

gen für Aluminiumwerkstoffe aufgeführt, Phosphorsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure 



 

 

Stand der Technik 13 

für Magnesiumwerkstoffe [50, 51, 52, 53]. Für beide Werkstoffe kann demnach eine saure 

Beizlösung auf Schwefelsäurebasis gewählt werden, die zudem keine erhöhten Anforderun-

gen an den Gesundheitsschutz und Absaugung stellt. Die Entfettung kann für beide 

Werkstoffgruppen in alkalischen pH-Bereichen ablaufen. Magnesiumwerkstoffe verhalten 
sich darin passiv, Aluminiumwerkstoffe werden erfahrungsgemäß nur gering gelöst. 

Nach durchgeführter Reinigung der Werkstoffoberflächen wird üblicherweise ein 

Haftvermittler appliziert, der die Schichthaftung nachfolgender Lacke verbessert. Bei den in 

der Automobilindustrie üblichen Stahlsubstraten wird eine Zinkphosphatierung eingesetzt. 

Ohne grundlegende Rezepturänderung des Phosphatierbades ist diese aber nicht für 

Aluminium- und Magnesiumlegierungen einsetzbar, da insbesondere Aluminium als Badgift 

gilt. Für in Mischbauweise mit Stahl verbundenen Aluminiumwerkstoffen ist mit angepass-

ten Bädern eine Zinkphosphatierung möglich und in der praktischen Anwendung bereits 

etabliert [54]. Eine Zinkphosphatierung von Magnesiumwerkstoffen ist aus der Literatur 

nicht bekannt. Für Aluminium- als auch Magnesiumwerkstoffe werden heutzutage 

Vorbehandlungen auf Basis von dreiwertigen Chromverbindungen, Titan-Zirkon-haltige 

Konversionsbehandlungen und Sol-Gel-Prozesse auf Basis von Polymermolekülen und 

Silanen mit guten Erfahrungen in der industriellen Praxis verwendet [55, 56, 57]. Aus 

gesundheitlichen und umwelttechnischen Aspekten muss auf die in der Vergangenheit 

verwendeten, für ihre sehr gute Korrosionsschutz- und Haftvermittlungswirkung bekann-

ten, sechswertigen Chromverbindungen verzichtet werden. Eine Verbesserung des 

Korrosionsschutzes und der Haftung für nachfolgende Lackschichten kann auch durch eine 

Anodisation erzielt werden. Sowohl auf Aluminium- als auch Magnesiumoberflächen 

können Verfahren angewandt werden, die mehrere µm dicke Oxidschichten aufbauen 

[9, 40]. Bei entsprechend dicken Schichten spricht man dann von einer Hartanodisation, 

die bei Aluminiumwerkstoffen auch als alleiniger Korrosionsschutz eingesetzt werden kann 

[40]. Verfahren, bei denen eine gemeinsame Anodisation von Aluminium- und Magne-
siumwerkstoffen erfolgen kann, sind aber nicht bekannt. 

In der industriellen Anwendung im Automobilbau, aber auch in anderen Industriezweigen 

der Luft- und Raumfahrt, kommen häufig organische Beschichtungen zum Einsatz, die im 

Tauch- oder Sprühverfahren auf haftgrundvermittelten Oberflächen appliziert werden. 

Diese bieten als Diffusionsbarriere einen Korrosionsschutz durch die Verlangsamung oder 

Verhinderung des Elektrolytzutritts an die Substratoberfläche. Als Grundierung für 

Lacksysteme oder als alleinige Lackschicht werden elektrophoretische Tauchlacke (ETL) 

eingesetzt, wobei das kataphoretische Tauchlackieren (KTL) gegenüber dem anodischen 

Tauchlackieren (ATL) das bekanntere und verbreitetere Verfahren in der Automobilindus-
trie und verwandten Industriezweigen darstellt [58]. 



 

 

14 Stand der Technik 

Dafür geeignete organische Lacke sind zumeist wässrige Systeme auf einer leicht sauren 

Epoxidharz- oder seltener auf Polyacrylatbasis, [37, 48] die in Dispersion mit verschiedenen 

eigenschaftsbeeinflussenden Pigmenten, Inhibitoren, Bindemittel, Additiven oder 

Füllstoffen [59, 60, 61] stehen. Vorteile des kataphoretischen Tauchlackierens sind die 

leichte Applizierbarkeit, ein hoher erzielbarer Automatisierungsgrad, die gute Reproduzier-
barkeit, eine hohe Ausbeute und gutes Umgriffsvermögen [58]. 

In einem Decklacksystem auf Blechen im Außenhautbereich nimmt der kataphoretische 

Tauchlack die Funktion der Grundierung (Primer) ein. Auf dessen Basis wird ein Lackauf-

bau mit Füller (Body Coat), farbgebender Basislack (Top Coat) und Klarlack (Clear Coat) 

aufgebracht. Ein beispielhafter Lackaufbau und typische in der Automobilindustrie übliche 
Schichtdicken für Stahlbauteile sind in Bild 2 dargestellt [62, 63, 64, 65]. 

Das chemische Vorbehandeln von Aluminiumwerkstoffen 

auf saurer und alkalischer Basis ist ein etabliertes Verfahren 

in der industriellen Anwendung. Das Lackieren von 

Aluminiumbauteilen in Mischbauweise mit Stahlbauteilen 

ist in der Automobilindustrie ebenfalls gängige Praxis [48]. 

Das haftvermittelnde chemische Vorbehandeln und 

kataphoretische Tauchlackieren von Magnesiumgusswerk-

stoffen ist generell möglich [9, 37] und wurde bereits 

erfolgreich in Nischenanwendungen der Fahrzeugproduk-

tion umgesetzt [9, 24, 66]. Veröffentlichte Ergebnisse zur 

gemeinsamen Vorbehandlung und organischen Beschich-

tung von Aluminium-Magnesium-Mischverbindungen sind 
jedoch nicht bekannt. 

Die Korrosionsschutzwirkung organischer Lackschichten wird in der Literatur meist 

vereinfachend über den flächenbezogenen Gesamtwiderstand Rges des beschichteten 

Werkstoffs definiert. Der Gesamtwiderstand quantifiziert die Hinderung des Elektronen- 

und Ionenaustauschs durch Schichten und kann aufgrund der ohmschen Abhängigkeit von 

Strom und Spannung mittels elektrochemischer Methoden, wie der Elektrochemischen 
Impedanzspektroskopie (EIS), ermittelten werden, vgl. Kapitel 2.6.1 und 3.5.1.4. 

Schichtdefekte, die eine lokale Schichtdickenverringerung bewirken oder Durchgänge zum 

Substratwerkstoff an z. B. Poren schaffen, verringern den Gesamtwiderstand der Schicht. In 

Publikationen wird im Zusammenhang mit einer schlechten Barrierewirkung von 

organischen Schichten auf zumeist Stählen von einem Gesamtwiderstand von 

105 − 106 Ω·cm² gesprochen. Organische Schichten sollen einen beginnenden Korrosions-

schutz oberhalb einer Impedanz von 107 Ω·cm² aufweisen, ab 108 − 109 Ω·cm² eine gute bis 

 

Bild 2 Decklackaufbau und 
typische Schichtdicken 
im Automobilbau auf 
Stahlsubstraten [nach 
62, 63, 64, 65] 



 

 

Stand der Technik 15 

sehr gute Wirkung erzielen und ab 1011 − 1012 Ω·cm² exzellente, nahezu isolierende 
Barriere-Eigenschaften aufbauen [40, 67, 68, 69, 70, 71, 72]. 

Eine Degradation von organischen Lackschichten kann auf mehrere Weisen durch 

mechanische, tribologische, chemische und biologische Einwirkung erfolgen. Die 

schädigende Einwirkung infolge korrosiver Umgebungsbedingungen kann zu Unterkorro-

sion und folgender Delamination sowie Blasenbildung führen. Ursache kann eine geringe 

Diffusionshinderung und eine folgende mögliche Wasseraufnahme der Schicht sein, sodass 

ein Zugang korrosionsförderlicher Substanzen wie Wasser, Sauerstoff und Chloride zur 

Substratoberfläche erfolgen kann. Für eine ideale Barrierewirkung der Schicht gegenüber 

Elektrolyt und Sauerstoffzutritt an die Substratoberfläche ist daher eine möglichst poren- 

und fehlstellenfreie Schicht erwünscht. Die Vermeidung durchgängiger Porenpfade bis zum 
Substratwerkstoff ist durch einen mehrlagigen Schichtaufbau möglich [40]. 

Organische Lacke können auch durch UV-Strahlung infolge Sonneneinwirkung geschädigt 

werden [59]. Dabei wird das Bindemittel im Lack zersetzt, was sich durch einen grauen 
Schleier auf der Oberfläche bemerkbar macht. Dies wird auch Kreidung genannt [73]. 

Neben organischen Schichten sind prinzipiell auch metallische Überzüge auf den 

Einzelwerkstoffen denkbar. Ein kathodischer Korrosionsschutz des sehr unedlen Magne-

siumwerkstoffs ist aufgrund fehlender für einen Überzug geeignete elektronegativere 

metallischen Werkstoffe nicht möglich. In der industriellen Anwendung, insbesondere in 

Hinblick auf die thermische Fügebarkeit derartig überzogener Halbzeuge, stellen Überzüge 
zudem keine Alternative zu den Lacken dar. 

 

2.6 Methoden zur Untersuchung der Korrosionseigenschaften metallischer 

Werkstoffe 

Gebräuchliche Methoden zur Untersuchung der Korrosionseigenschaften metallischer 
Werkstoffe in wässrigen Medien lassen sich in die vier Kategorien 

 elektrochemische Untersuchungen, 

 Korrosionsprüfungen, 

 Umweltsimulationen und 
 Felderprobung unterteilen. 

Diese in dieser Reihenfolge mit steigender Versuchszeit und Komplexität sowie sinkenden 

Abstraktionsgrad gegenüber den in der Praxis vorliegenden Umgebungsbedingungen 

behafteten Methoden haben unterschiedliche Zielsetzungen und sind verschiedenartigen 

Limitierungen unterworfen. Einige der in Bezug auf diese Arbeit wichtigen Aspekte, welche 
die genannten Methoden betreffen, werden im Folgenden näher erläutert. 



 

 

16 Stand der Technik 

Mittels elektrochemischer Untersuchungsmethoden kann eine korrosionstechnische 

Charakterisierung verschiedener Werkstoffoberflächenzustände, bezogen auf deren 

thermodynamische Möglichkeit und der dominanten kinetischen Teilprozesse, vorgenom-

men werden. Abhängig von der gewählten Methode kann eine Untersuchung des 

grundsätzlichen Korrosionsverhaltens und / oder eine Quantifizierung des Korrosions- oder 

Degradationsfortschritts anhand elektrischer Größen wie Strom, Spannung (Potenzial) und 

Widerstand mit zumeist einfachen Probekörpern erfolgen. Nicht zuletzt aufgrund meist 

realitätsfremder, stark vereinfachter Umgebungsbedingungen ist eine hohe Interpreta-

tionswürdigkeit der Versuchsergebnisse gegeben, sodass eine Grundkenntnis der möglichen 

elektrochemischen Schädigungsmechanismen eines untersuchten Werkstoff-Elektrolyt-
Systems vorhanden sein muss. 

Korrosionsprüfungen werden in vielen Industriezweigen häufig durch Beaufschlagung der 

zu untersuchenden Werkstoffe mit zumeist chloridhaltigen Elektrolyten abgebildet. In der 

Werkstoffqualifikation der Automobilindustrie werden Proben, Bauteile, Baugruppen oder 

Komplettfahrzeuge in Kombination mit wechselnden Kondensationsbedingungen mit 

Feucht- und Trockenzyklen sowie unterschiedlichen Temperaturen in Klimakammern unter 

voller Kontrolle der Umgebungsbedingungen getestet. Eine im Hinblick auf die Regelpara-

meter begrenzte Ausnahme bilden Freibewitterungsversuche unter atmosphärischen 

Bedingungen mit wahlweise verschärfender Beaufschlagung mit chloridhaltigen Elektroly-

ten. Neben einer Beurteilung der Korrosionsausprägungen nach Augenschein und 

Bewertung nach bestimmten Kriterien, wie z. B. Häufigkeit einzelner Korrosionserschei-

nungen oder Ausdehnung geschädigter Bereiche, liefert eine gravimetrische Differenzwä-

gung bei metallisch-blanken Oberflächen einen quantifizierbaren Masseverlust pro 

Flächeneinheit und Expositionsdauer. Im Sinne der Werkstoff- und Korrosionsforschung ist 

es, auch in Verbindung mit elektrochemischen Methoden, möglich, anhand von Korrosions-

prüfungen Schadensmechanismen zu verstehen und deren Erscheinungsform darzustellen 
und den Schädigungsfortschritt aufzuzeigen. 

Umweltsimulationen sind zumeist Baugruppen- oder Systemgesamtprüfungen mit 

definierter elektrochemisch-chemisch-mechanischer Komplexbeanspruchung. Diese in der 

Regel unwirtschaftlichste, weil aufwändigste Labormethode zur Untersuchung des 

Korrosions- und Degradationsverhaltens bieten einen hohen Übertragbarkeitsgrad auf reale 
Beanspruchungsbedingungen. 

Die praxisrelevantesten Ergebnisse erzeugt ohne Zweifel die sehr zeit- und kostenintensive 
Felderprobung von Gesamtsystemen im für das System bestimmten Umfeld. 

Generell ist das Ziel, Umweltsimulationen und Felderprobungen aus Kostengründen zu 

minimieren oder zu vermeiden. Auf Basis langjähriger, parallel zur Durchführung von 



 

 

Stand der Technik 17 

Korrosionsprüfungen, gesammelter Erfahrung aus dem Feldeinsatz kann auf Basis einer 

Übertragbarkeitsbetrachtung eine mit einer gewissen Unsicherheit behaftete Abschätzung 

von Lebensdauern erfolgen. Grundlage dafür ist die Existenz und Kenntnis von versuchsme-

thodenunabhängigen Schädigungsmechanismen sowie eine ähnliche Ausprägung von 

Korrosions- und Degradationsmerkmalen im Feld sowie im Labor. Die Untersuchung 

charakteristischer Merkmale kann, bei genauer Kenntnis der spezifischen Umgebungsbe-
dingungen, begleitend mittels elektrochemischer Methoden erfolgen. 

 

2.6.1 Elektrochemische Korrosionsuntersuchungen 

Der Begriff der Elektrochemie beschreibt ein Spektrum an Untersuchungsmethoden, das an 

viele Naturwissenschafts- und Ingenieursdisziplinen angrenzt. Im Allgemeinen kann 

dadurch eine Wissenschaft umschrieben werden, die den Elektronenaustausch an 

Phasengrenzen beschreibt und chemische sowie elektrische Prozesse unter Beteiligung von 
Ionen erfasst [74]. 

Elektrochemische Methoden im Sinne der Korrosionsforschung sehen typischerweise die 

Untersuchung von Ionen- und Elektronenaustauschvorgängen an Metall-Elektrolyt-

Grenzflächen im Zuge von Werkstoffauflösungs- oder Abscheidungsvorgänge vor. In 

Laborversuchen wird zumeist in elektrochemischen Messzellen ein zu untersuchender, 

leitfähiger Werkstoff in einen spezifischen Elektrolyten getaucht und mittels einer Zwei- 

oder Dreielektrodenanordnung eine Beeinflussung und / oder Aufzeichnung von Strömen 

und Spannungen (Potenzialen) durchgeführt. Generell bieten elektrochemische Untersu-

chungen ein effektives Hilfsmittel, einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der 
Korrosionskinetik vorliegender Werkstoff-Elektrolyt-Systeme zu liefern. 

Zu den bekanntesten elektrochemischen Methoden zur Charakterisierung des Verhaltens 

von leitfähigen, zumeist metallischen Werkstoffoberflächen infolge äußerer, korrosiver 
Einflüsse zählen [75, 76, 77, 78] 

 die Messung des Freien Korrosionspotenzials ECor, 

 potenziodynamische Polarisationsversuche und die 
 Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS). 

Die einfachste Methode der Messung des Freien Korrosionspotenzials ECor bedingt eine 

Zweielektrodenanordnung aus dem zu untersuchenden Werkstoff, der Arbeitselektrode 

(AE), und einer Bezugselektrode (BE). Ohne äußere Einwirkung eines Fremdstroms stellt 

sich unter Auflösung des Werkstoffs eine Spannung, das sogenannte Freie Korrosionspoten-

zial, ein. Dieses beschreibt einen zeitabhängigen Gleichgewichtszustand der Werkstoffober-

fläche in der Elektrolytlösung ohne äußere Polarisation (Summenstrom I = 0). Im Freien 



 

 

18 Stand der Technik 

Korrosionspotenzial sind die Teilströme der anodischen und kathodischen Teilreaktion 

betragsmäßig gleich groß. Je nach Korrosionssystem stellt sich ein stationärer Wert nach 

kurzer Zeit ein, oder im Falle eines transienten Systems erst nach sehr langen Zeiten. Das 

Freie Korrosionspotenzial dient als Basis einer ersten Einschätzung der Elektronegativität 

eines Werkstoff-Elektrolyt-Systems und bildet einen Ausgangspunkt für nachfolgende 
potenziodynamische Polarisationsversuche oder elektrochemische Impedanzmessungen. 

Potenziodynamische Polarisationsversuche ermöglichen die Untersuchung des polarisa-

tionsabhängigen Korrosionsverhaltens metallischer Werkstoffe in Elektrolyt-Lösungen. 

Diese Methode bedingt eine Dreielektrodenanordnung, in der eine zwischen der Arbeits-

elektrode (AE) und inerten Gegenelektrode (GE) anliegende Spannung U geregelt wird. 

Diese wird so lange geändert, bis sich das vorgegebene Potential E in der Messzelle 

eingestellt hat, das zwischen der Arbeitselektrode (AE) und Bezugselektrode (BE) gemessen 
wird, Bild 3. Die aufgezeichnete Messgröße ist der sich einstellende Strom I. 

Die Polarisation erfolgt, zumeist ausgehend vom Freien 

Korrosionspotenzial, in kathodische und anodische Richtung. 

Ergebnis ist eine Strom-Spannungskurve oder eine über die 

Versuchsfläche normierte Stromdichte-Potenzialkurve, die das 

Werkstoffverhalten unter erzwungenen Polarisationsbedingun-

gen z. B. durch galvanische Elementbildung in einem 

spezifischen Elektrolyten beschreibt. Abhängig vom untersuch-

ten Werkstoff und verwendeten Elektrolyten ergeben sich 
unterschiedliche Kurvenverläufe. 

Durch eine Umkehr der Polarisationsrichtung nach erfolgter 

anodischer Polarisation und Rückkehr zum anfänglichen 

Potenzialwert in kathodischer Richtung kann mittels 

anschließender, mehrfacher Wiederholung eine zyklische 

potenziodynamische Polarisation realisiert werden. Bei jedem 

erfolgten Zyklus stellt sich eine fortlaufende, irreversible 

Schädigung des Oberflächenzustands ein, die abhängig vom 

Polarisationsbereich erfahrungsgemäß deutlich größer sein 

kann, als die einer im Freien Korrosionspotenzial auftretenden 

Korrosion ohne Polarisation. Nach Durchfahren des ersten Zyklus liegt demnach nicht mehr 

der ursprüngliche Oberflächenzustand vor. Insbesondere bei deckschichtbildenden 

Systemen kann dieser Effekt aber genutzt werden, um das Passivierungs- und Repassivie-

rungsverhalten bei wiederholter Korrosionsbeanspruchung zu untersuchen. Vereinfachend 

lässt sich über das erste faradaysche Gesetz aus der Höhe des sich einstellenden Stroms der 
anodischen Teilreaktion auf den sich proportional einstellenden Masseverlust schließen. 

 

Bild 3 Schematische 
Dreielektroden-
anordnung für elek-
trochemische Mes-
sungen 

AE = Arbeitselektrode 
(Werkstoff) 

BE = Bezugselektrode 
GE = Gegenelektrode, inert 

(Platin, Kohlenstoff) 



 

 

Stand der Technik 19 

Mittels der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) wird in einer Dreielektroden-

anordnung, ähnlich den potenziodynamischen Polarisationsversuchen, eine Polarisation der 

Werkstoffoberfläche aus dem Freien Korrosionspotenzial heraus durchgeführt. Davon 

grundlegend abweichend basiert die Elektrochemische Impedanzspektroskopie auf einer 

sinusförmigen Potenzialanregung mit geringer Spannungsamplitude um ein definiertes 

Polarisationspotenzial, oftmals dem Freien Korrosionspotenzial ECor, mit wechselnder 

Frequenz f. Die darauf folgende Stromantwort des Systems ist, entgegen einer rein 

ohmschen Abhängigkeit, frequenzabhängig um einen Phasenwinkel φ verschoben. Aus dem 

aufgeprägten Potenzial E und dem Phasenwinkel φ ergibt sich über den Strom I die 

komplexe Größe des Wechselstromwiderstands bzw. der Impedanz Z. Voraussetzung für die 

Anwendung dieser Vorgehensweise ist die Annahme einer linearen Beziehung von Strom 

und Spannung (Potenzial) über das ohmsche Gesetz, die im Bereich kleiner Spannungsam-

plituden näherungsweise gegeben ist [70]. Aufgrund dieser Annahme der Linearität kann 

über eine Betragsbildung der Impedanz |Z| auf einen frequenzabhängigen Widerstand R 
geschlossen werden. 

Die Auftragung kann im Nyquist-Diagramm oder im doppeltlogarithmischen Bode-

Diagramm erfolgen. Im Nyquist-Diagramm wird der Realteil der Impedanz über dem 

Imaginärteil aufgetragen. In der Ergebnisdarstellung von Korrosionsuntersuchungen 

resultiert daraus die Ausbildung kreisförmiger Kurvenverläufe in der komplexen Zahlen-

ebene. Im meist anschaulicheren Bode-Diagramm wird der Betrag der Impedanz |Z| und 
der Phasenwinkel φ über der Frequenz f aufgetragen. 

Anhand der Parallel- und Reihenschaltung einfacher elektrotechnischer Elemente wie 

Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten lässt sich ein elektrisches Ersatzschaltbild 

erstellen, dass die Systemantwort des vorliegenden Werkstoff-Elektrolyt-Systems abbilden 

kann [79, 80]. Aus dieser physikochemischen Modellbildung und Auswertung kann auf 

elektrochemische Austauschprozesse an einzelnen Phasenübergängen im Gesamtsystem 

geschlossen werden. Diese Phasenübergänge können z. B. Grenzflächen der untersuchten 

Oberfläche zum Elektrolyt oder Übergänge anderer Grenzflächen von natürlichen 

Deckschichten oder applizierten Überzügen und Beschichtungen zum Elektrolyt oder zum 
Substrat sein. 

Grundsätzlich ist zu beachten, dass ein Messergebnis mit möglicherweise mehreren 

verschiedenen Ersatzmodellen mathematisch abgebildet werden kann, aber nur eins 

plausibel und physikochemisch korrekt die tatsächlichen elektrochemischen Vorgänge 

abbildet. Daher ist eine Grundkenntnis des vorliegenden Korrosionssystems − der 

Elektrolyte, der Werkstoffe und etwaiger Oberflächenmodifikationen − grundlegend 

vonnöten. Des Weiteren sollte ein Modell definitionsgemäß aus so wenigen Elementen wie 
nötig bestehen [80, 81]. 



 

 

20 Stand der Technik 

Der wesentliche Vorteil der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie gegenüber 

potenziodynamischen Polarisationsversuchen ist die deutlich geringere Einflussnahme auf 

das Korrosionsverhalten des Werkstoff-Elektrolyt-Systems durch eine nur geringe 

Polarisation aus dem Freien Korrosionspotenzial. Daher können mittels dieser Methode 

Aussagen zum dynamischen Verhalten eines Werkstoffs unter korrosiven Bedingungen nahe 

des unpolarisierten Zustands ECor getroffen werden. Die zusätzliche Schädigung der 

Oberfläche durch die Messung wird deutlich minimiert. Einschränkend muss berücksichtigt 

werden, dass streng genommen keine Änderung des Werkstoff-Elektrolyt-Systems während 

der Messung eines Spektrums von etwa 15 − 30 Minuten auftreten darf. Dies muss bei stark 
transienten Systemen berücksichtigt werden. 

Insbesondere bei organisch beschichteten Oberflächen ist die Elektrochemische Impedanz-

spektroskopie die Methode der Wahl, weil eine übermäßige Polarisation beschichteter 

Werkstoffe lediglich eine verstärkte Unterkorrosion des Substrats hervorrufen würde und 

Aussagen zu den Eigenschaften der nichtleitenden Schicht nur eingeschränkt getroffen 

werden könnten. Des Weiteren kann aufgrund der physikochemischen Auswertung eine 

detaillierte Analyse eines vorliegenden Systems mit Identifizierung und Quantifizierung 

einzelner Teilprozesse an Phasengrenzen stattfinden. So kann sowohl das Degradationsver-

halten der Schicht als auch das Korrosionsverhalten des Substrats an Fehlstellen, wie z. B. 
Poren oder Verletzungen der Schicht, untersucht werden [82]. 

 

2.6.2 Korrosionsprüfungen 

In der praktischen Anwendung im industriellen Umfeld werden vor allem Korrosionsprü-

fungen zur Charakterisierung blanker und geschützter Werkstoffoberflächen herangezogen. 

Diese zumeist in einer Laborumgebung in Korrosions- und Klimakammern durchführbaren 

Klimaprüfungen sorgen durch reproduzierbare in Normen festgeschriebene Prüfbedingun-

gen. Dabei werden korrosionsförderliche Agenzien unter gleichbleibenden oder gezielt 

veränderten Umgebungsbedingungen beaufschlagt. Meist werden diese Korrosionsprüfun-

gen eingesetzt, um eine vergleichende Betrachtung unterschiedlicher Werkstoffe und / oder 
Oberflächenmodifikationen durchzuführen. 

Bekannte und im europäischen Raum häufig eingesetzte Prüfmethoden sind z. B.: 

 Salzsprühnebelprüfung nach DIN EN ISO 9227 (NSS, ASS, CASS)4 

 Klimawechselprüfung nach DIN 50017 

 Schwefelsaure Klimaprüfung nach DIN EN ISO 6988 und DIN 50018 
 Klimaprüfung nach VDA-Prüfblatt 621-415 

                                                           
4 NSS = Neutrale Salzsprühnebelprüfung, ASS = Essigsaure Salzsprühnebelprüfung, CASS = Kupferbeschleunigte, 

essigsaure Salzsprühnebelprüfung 



 

 

Stand der Technik 21 

Spezielle, in der Automobilindustrie angewendete Korrosionsprüfungen, sind zumeist 

Varianten aus kombinierten Salzsprühnebel- und Klimawechselprüfungen, wie z. B. dem 
SCAB5-Test des Automobilherstellers Volvo (ISO 11474). 

Grundsätzlich wird anhand von Klimaprüfungen eine zur atmosphärischen Korrosion häufig 
erhöhte Korrosionsbeanspruchung mit stark beschleunigtem Korrosionsfortschritt generiert. 

Eine davon unterschiedliche Variante von Korrosionsprüfungen ist die atmosphärische 

Auslagerung von Werkstoffen im Rahmen von Freibewitterungsprüfungen. Bei diesen wird 

eine längerfristige, standortgebundene und wetterlagenabhängige korrosive Beaufschla-

gung unter möglicherweise praxisnahen, aber weniger reproduzierbaren Bedingungen 

erzielt. Eine Verschärfung durch zusätzliche, intervallartige Beaufschlagung mit chloridhal-

tiger Elektrolyt-Lösung ist möglich. Im europäischen Raum bekannte Prüfungsnormen sind 
z. B. die Freibewitterung 

 nach VDA-Prüfblatt 621-414 und 
 nach DIN 55665. 

Im Sinne einer möglichst praxisnahen Abbildung der Beaufschlagungsbedingungen im 

Feldeinsatz werden im automobilen Umfeld bevorzugt Prüfbedingungen mit sequenziell 

wechselnden Nass- und Trockenzyklen sowie optional korrosionsbeschleunigter Salzbeauf-

schlagung gewählt. Aus der Erfahrung heraus hat sich, insbesondere bei metallisch-blanken 

Werkstoffen, gezeigt, dass eine konstante Beaufschlagung mit chloridhaltigen Elektrolyten 

nicht immer eine gute Korrelation zu den Ausprägungen der Korrosionserscheinungen und 

der Höhe des Masseabtrags aus dem Feldeinsatz darstellt [83, 84]. Speziell der zyklische 

Wechsel von Feuchte und Normalklima ermöglicht eine Abtrocknung der Oberflächen, in 

der eine Repassivierung durch Neubildung von Deckschichten erfolgen kann. Zum anderen 

kann dies aber auch zu einer Aufkonzentration korrosionsförderlicher Agenzien führen, die 
eine lokale Verschärfung der Korrosionsbedingungen bewirken. 

Einfache Salzsprühnebelprüfungen werden häufig nur zur vergleichenden Bewertung 
verschiedener Lackvarianten herangezogen. 

                                                           
5 SCAB = Simulated Corrosion Atmospheric Breakdown 



 

 

22 Stand der Technik 

2.7 Zusammenfassung Stand der Technik 

Aluminiumknetlegierungen sind etablierte Konstruktionswerkstoffe des klassischen 

werkstofflichen Leichtbaus, die im Automobilbereich in der Struktur- und Außenhaut ihre 

Anwendung finden. In Multimaterial-Bauweise kann in Verbindung mit Magnesiumknet-

legierungen ein deutlich gesteigertes Leichtbaupotenzial erzielt werden. In mechanisch 

gefügter oder geklebter Ausführung wurden Verbunde aus Aluminiumblech und Magne-

siumguss bereits erfolgreich großserientechnisch in der Automobilindustrie umgesetzt. 

Insbesondere das kosteneffiziente und gut automatisierbare Schmelzschweißen findet in 

der Automobilindustrie für artgleiche Werkstoffpaarungen wie z. B. Stahl / Stahl oder 

Aluminium / Aluminium eine große Verbreitung. Mischverbindungen aus der Werkstoff-

paarung Stahl / Aluminium wurden bereits erfolgreich hergestellt, wobei die Fügestrategie 

eine bevorzugte Aufschmelzung der Aluminiumlegierung vorsieht und eine mechanische 

Umklammerung des Stahls stattfindet. Durch geeignete schmelzmetallugische Fügeverfah-

ren könnten wettbewerbsfähige Werkstoffverbunde ebenso zur technologischen Verbrei-

tung der bisher hauptsächlich in Gusskonstruktionen zu Anwendung kommenden 
Magnesiumlegierungen beitragen. 

Bisher sind kaum Versuche eine geschweißte Mischverbindung aus Aluminium- und 

Magnesiumknetlegierungen herzustellen veröffentlicht. Hinsichtlich der metallurgischen 

Eigenschaften der beiden Werkstoffe und der Prozessführung beim Schweißen stellt das 

stoffliche Fügen der beiden deckschichtbildenden Leichtmetalle eine große Herausforde-

rung an die Schweißtechnik dar. Die Bildung spröder Phasen kann zu großen Härtesprün-

gen führen, die aufgrund der daraus folgenden Risse in der Schweißnaht eine Verminde-

rung der mechanischen Festigkeitseigenschaften zur Folge haben. Veröffentlichte 

Ergebnisse zur Laserschweißung von derartigen Mischverbunden indizieren nur geringe 

Zugfestigkeiten von etwa 32 MPa mit Brüchen in der Schweißnaht. Insbesondere die Wahl 

eines geeigneten Schweißzusatzwerkstoffs und die Anwendung moderner, energiearmer 

Metall-Inertgas-Prozesse könnte durch eine geringe Wärmeeinbringung möglicherweise 

gezielt zur Beeinflussung der Ausbildung des Schmelzbades sowie zur Unterdrückung 
unerwünschter Phasen genutzt werden und sind Gegenstand aktueller Forschung. 

Für die beiden unterschiedlich elektronegativen Fügepartner besteht bei einer stoffschlüssi-

gen Verbindung die Gefahr der galvanischen Elementbildung. Bei einer derartigen 

Mischverbindung ist eine elektrische Isolation durch z. B. eine räumliche Trennung der 

Fügepartner oder einen Einsatz von Klebstoffen nicht gegeben. Eine weitere Möglichkeit 

der Verhinderung einer galvanischen Elementbildung ist die Verzögerung oder Vermeidung 

des Flüssigkeitszutritts an die Substratoberfläche. Mittels Oberflächenschutzmaßnahmen, 

wie z. B. dem Beschichten, kann somit einer Korrosion des Substratwerkstoffs entgegenge-
wirkt werden. 



 

 

Stand der Technik 23 

In der Automobilindustrie wird in der Regel das kataphoretische Tauchlackieren als 

Grundierung für einen weiteren Lacksystemaufbau und erste korrosionsschützende 

Maßnahme angewendet. Das chemische Vorbehandeln und kataphoretische Tauchlackieren 

von Aluminium- und Magnesiumlegierungen wurde mittels kommerziell verfügbarer 

Prozesschemikalien und industriell nutzbarer Prozesse in der automobilen Serienproduk-

tion bereits mit unterschiedlich hohem Anwendungsgrad umgesetzt. Berichte über eine 

gemeinsame Vorbehandlung und Beschichtung im wissenschaftlichen oder serientechni-

schen Umfeld existieren bis dato nicht. Das Vorbehandeln derartiger Mischverbindungen 

erfordert aufgrund unterschiedlicher Beständigkeiten der beiden Leichtmetallwerkstoffe in 

verschiedenen Umgebungsbedingungen eine sorgfältige Auswahl und Überprüfung der 

Übertragbarkeit kommerziell verfügbarer Prozesschemikalien auf die gefügte Verbindung. 

Ebenso muss eine Untersuchung der gemeinsamen Beschichtbarkeit erfolgen. Publiziertes 
Wissen zu derartigen Fragestellungen ist nicht verfügbar. 

Eine gute Schutzwirkung organischer Schutzschichten auf zumeist Stahlsubstraten wird in 

der Literatur anhand des Gesamtwiderstands von größer 108 − 109 Ω·cm² angegeben. 

Degradieren derartige Lacksysteme infolge korrosiver Einwirkung, tritt Unterkorrosion und 
daraus folgende Blasenbildung und Enthaftung auf. 

Eine Charakterisierung des Korrosions- und Korrosionsschutzverhaltens beschichteter 

Werkstoffe kann kosteneffizient, in relativ kurzen Zeiträumen, mittels labortechnischer 

Korrosionsprüfungen oder elektrochemischer Methoden erfolgen. Dazu zählen Klimaprü-

fungen mit wechselnden Feuchte- und Trockenzyklen und die atmosphärische Freibewitte-

rung sowie die potenziodynamische Polarisation und die Elektrochemische Impedanzspek-

troskopie (EIS). Insbesondere die Elektrochemische Impedanzspektroskopie eignet sich 

durch die Möglichkeit der physikochemischen Auswertung einzelner Teilreaktionen an 

Phasengrenzen und aufgrund ihrer geringe Einflussnahme auf das Werkstoff-Elektrolyt-

System, ohne übermäßige Auflösung des Substratwerkstoffs, besonders gut, um eine 

Untersuchung des Korrosionsverhaltens der metallisch-blanken Werkstoffe und eine 

Charakterisierung des Korrosionsschutzes und des Degradationsverhaltens der Beschich-

tung durchzuführen. Die in der Literatur veröffentlichten Ergebnisse sind in der Regel auf 

organisch lackierten Stahlwerkstoffen beschränkt. Eine Aufgabenstellung in dieser Arbeit ist 

daher durch die Anpassung und Weiterentwicklung elektrochemischer Methoden zur 
Untersuchung beschichteter Aluminium- und Magnesiumwerkstoffe gegeben. 



 

 

24 Stand der Technik 

Fazit: 
Die industrielle Anwendung stoffschlüssig gefügter Aluminium-Magnesium-Mischverbunde 

unter korrosiven Umgebungsbedingungen ist maßgeblich von der Interaktion der 

elektronenleitend verbundenen, artfremden Werkstoffe geprägt sowie von der Notwendig-

keit und Möglichkeit kostengünstige, verfügbare korrosionsschützende Maßnahmen 
aufzubringen. 

Eine umfassende Untersuchung stoffschlüssig gefügter Aluminium- und Magnesiumwerk-
stoffe hinsichtlich 

 des gemeinsamen Vorbehandlungs- und Beschichtungsverhaltens unter Verwendung 

verfügbarer Prozesse und Prozesschemikalien sowie 

 des Degradations- und Korrosionsverhaltens unter Berücksichtigung der Einflüsse 
korrosiver Triebkräfte und galvanischer Elementbildung 

wurde bisher nicht publiziert. Im Hinblick auf einen industriellen Einsatz dieser Werkstoff-

verbunde im automobilen Umfeld sind diese Fragestellungen aber von großem Interesse für 

Beschichter, Werkstoffhersteller und die Chemieindustrie. Ergebnisse angepasster 

elektrochemischer Methoden in Verbindung mit standardisierten Korrosionsprüfungen 

können dem Anwender ein besseres Verständnis zum Kurz- und Langzeitdegradationsver-

halten derartig beschichteter Werkstoffverbunde unter Bewertung der dominanten 

Mechanismen geben. Insbesondere die Elektrochemische Impedanzspektroskopie kann in 

der Produktentwicklung und Produktkontrolle eine sinnvolle Methode zur zeitnahen 
Ermittlung quantifizierbarer Kenngrößen darstellen. 

Bedarf ist im Rahmen einer zielgerichteten Unterstützung von Produktentwicklungsprozes-

sen bezüglich der Qualifizierung von Vorbehandlungs- und Beschichtungskonzepten auf 

gefügten Werkstoffverbunden noch vorhanden. Dies beinhaltet eine auf die jeweilige 

Werkstoffkombination angepasste sinnvolle Herangehensweise bezüglich der Auswahl der 
Methoden, der Versuchsparameter und der Elektrolytauswahl. 



 

 

Experimentelles 25 

3 Experimentelles 

3.1 Untersuchte Werkstoffe 

Die Wahl der im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Werkstoffhalbzeuge und Legierungen 

wurde durch den Fokus auf Anwendungen im automobilen Karosseriebereich maßgeblich 

beeinflusst. Die warmaushärtenden Aluminiumlegierungen der 6000er Serie sind in den 

Bereichen Karosserieblech und Fahrzeugstruktur aus werkstoffleichtbaulichen Gründen 
sowie aufgrund der guten Schweißeignung und Korrosionseigenschaften etabliert. 

Durch aktuelle Entwicklungen, wie z. B. das Gießwalzen, sowie verbesserte Oberflächen-

qualitäten und Reinheiten, werden die u. a. aufgrund der hexagonalen Gitterstruktur und 

damit einhergehenden schlechten Umformbarkeit in der klassischen Walzproduktion sehr 

teuren Magnesiumknetlegierungen auch für den Einsatz im Karosserieblechbereich 

attraktiver. Im Gießwalzverfahren wird nahezu ausschließlich AZ31 verarbeitet und in der 
aktuellen Forschung weiter optimiert [9]. 

Tabelle 1 Übersicht über die untersuchten Werkstoffe 

Werkstoff AZ31B (DDQ150) AA6016 (EN AW 6016) 

  MgAl3Zn1 AlMg0.4Si1.2 

Hersteller MgF Magnesium Flachprodukte6 ThyssenKrupp Metallcenter7 

Herstellung gießgewalzt gewalzt 

Blechdicke [mm] 1,8 2 

Oberflächenzustand warm gewalzt texturiert (EDT)8 

Wärmebehandlungszustand O9 T410 

 

3.1.1 Werkstoffzusammensetzung – chemische Elementanalyse 

Anhand einer stichprobenartigen chemischen Elementanalyse der ausgewählten Werkstoffe 

mittels Funken-Emissions-Spektralanalyse (FESA) konnte die Einhaltung der jeweiligen 

Werkstoff-Spezifikationen für AA6016 (EN AW6016 / AlMg0.4Si1.2) nach EN 573-3 und 

AZ31 (DDQ150 / MgAl3Zn1) nach DIN 1729 bestätigt werden. Die Menge an Aluminium in 

der Magnesiumknetlegierung AZ31 befindet sich jedoch am unteren Ende des Toleranzfel-
des der Spezifikation. 

                                                           
6 MgF Magnesium Flachprodukte GmbH, Agricolastraße 24, 09599 Freiberg 
7 ThyssenKrupp Metallcenter, Geschäftsbereich der ThyssenKrupp MetalServ GmbH, Am Oberwald 1, 76744 Wörth 
8 Oberfläche mit einem Trockenschmierstoff (Multidraw Drylube E1) behandelt und wurde im Rahmen der 

Untersuchungen mittels alkalischer Natronlauge entfernt. 
9 Wärmebehandelter Zustand: weichgeglüht und rekristallisiert 
10 Wärmebehandelter Zustand: lösungsgeglüht, abgeschreckt und kalt ausgelagert 



 

 

26 Experimentelles 

Dies ist, laut Aussagen des Herstellers11, einer verbesserten Umformbarkeit der Legierung 

geschuldet. Die Aluminiumzugabe in Magnesiumlegierungen beeinflusst neben der 

Umformbarkeit der Legierung auch die Korrosionsbeständigkeit, die sich mit steigendem 
Aluminium-Gehalt verbessert. 

Tabelle 2 Ergebnisse der Funken-Emissions-Spektralanalyse (FESA) und Sollwerte gemäß EN 573-3 bzw. 
DIN 1729 

Werkstoff 
Element 

[mass.-%] Al Si Fe Cu Mn Mg Zn Cr Ti Ni 

AZ31 Analyse 2,581 0,025 0,003 <0,002 0,321 Rest 0,662 - - <0,002 

Soll 2,5-3,5 ≤0,1 ≤0,03 ≤0,1 0,05-0,4 Rest 0,5-1,5 - - ≤0,005 

AA6016 Analyse Rest 1,31 0,209 0,061 0,133 0,382 0,013 0,024 0,017 <0,01 

Soll Rest 1,0-1,5  0,5 0,2 0,2 0,25-0,6 0,2 0,1 0,15  - 

 

3.1.2 Dokumentation des Oberflächenzustands 

Die Oberfläche des gießgewalzten Halbzeugs der Magnesiumknetlegierung AZ31 weist die 

für Walzprodukte typische Orientierung der Oberflächentextur in Walzrichtung auf, Bild 4. 

Bei genauerer Betrachtung in höheren Vergrößerungen werden Bereiche mit gruppiert 

auftretenden Rissen in der Werkstoffoberfläche sichtbar, Bild 5. Dies resultiert offensicht-

lich aus einer lokal verschlechterten Umformbarkeit durch Kaltverfestigung ohne 

Rekristallisation bei Unterschreitung des Temperaturintervalls für das Warmwalzen. Diese 

Fehlstellen an der Werkstoffoberfläche können sich negativ auf das optische Erscheinungs-

bild einer nachfolgenden Beschichtung auswirken und Ursache einer ungleichmäßigen 

Schichtdickenverteilung sein. Magnesiumwerkstoffe sind aufgrund eines begrenzten 

Formänderungsvermögens der hexagonal dichtesten Gitterstruktur (hdp) bei niedrigen 

Temperaturen schlecht umformbar. Erst bei Überschreitung einer Temperatur von etwa 

225 °C werden weitere Gleitebenen thermisch aktiviert, die ein Walzen mit erhöhten, 

industriell nutzbaren Umformgraden ermöglichen. Bei dem Knetwerkstoff AZ31 wird ein 
Warmwalztemperaturfenster von 250 − 450 °C angegeben [37]. 

Die gewalzte Oberfläche des Halbzeugs der Aluminiumlegierung AA6016 ist makroskopisch 

nicht eindeutig erkennbar, Bild 6. Dies folgt aus dem Endwalzen mit durch Funkenerosion 

aufgerauten Walzen (EDT), die eine Texturierung der Oberfläche mit definierter Rauheit 

bewirken und so ein verbessertes Schmierstoffaufnahmevermögen für anschließende 

Tiefziehprozesse im Karosserieblechbereich zu erzielen [48]. In höherer Vergrößerung wird 
die ursprüngliche Walzstruktur hingegen sichtbar, Bild 7. 

                                                           
11 Persönliche Mitteilung, Hr. Dr. Teipel, MgF Magnesium Flachprodukte GmbH 



 

 

Experimentelles 27 

  

Bild 4 Makroskopische Oberflächenstruktur des 
gießgewalzten AZ31-Halbzeugs (V = 1:50) 

Bild 5 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme 
des Halbzeugs AZ31, Rissige Oberfläche 

  

Bild 6 Makroskopische Oberflächenstruktur des 
gewalzten und texturierten AA6016-
Halbzeugs (V = 1:50) 

Bild 7 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme 
des Halbzeugs AA6016, texturierte Oberflä-
che und sichtbare Walzstruktur 

 

3.1.3 Gefügeausbildung 

Die Ausprägung der Gefüge der gewalzten Knetlegierungen AA6016 und AZ31 wurde in 

metallografischen Längs- und Querschliffen ungeätzt und geätzt12 untersucht. Das Gefüge 

der Aluminiumlegierung AA6016 ist im Zustand T4 durch die typische siliziumreiche β-

Phase als Mg2Si-Ausscheidungen charakterisiert [36, 85], Bild 8 und Bild 9. Die Korngröße 
beträgt nach ASTM E112 etwa G8. 

                                                           
12 Ätzmittel für Aluminium: 1%-ige Natronlauge; Ätzmittel für Magnesium: Ethanol, Pikrinsäure, Essig, destilliertes 

Wasser 



 

 

28 Experimentelles 

Im Schliffbild der Magnesiumlegierung AZ31 sind im ungeätzten Zustand oxidische 

Einschlüsse im Kernbereich des Blechwerkstoffs erkennbar, Bild 10. Im geätzten Zustand 

sind im Kernbereich teilweise sehr große, primär erstarrte Körner und eine für gewalzte 

AZ31-Halbzeuge typische Zwillingsbildung vorhanden [86], Bild 11. Das Gefüge besteht 

typischerweise aus α-Mischkristallen und vereinzelten mangan- und aluminiumreichen 

Ausscheidungen, Bild 12 und Bild 13.. Die Korngröße nach ASTM E112 beträgt etwa G11 
bis G13. 

Im Randbereich der beiden Blechwerkstoffe ist eine geringfügige Korngrößenfeinung durch 

den Walzprozess sichtbar. Auffällige, durch den Walzprozess langgestreckte Körner 

konnten nicht beobachtet werden. Dies ist auf die Wärmebehandlung der Werkstoffhalb-
zeuge nach dem Endwalzvorgang zurückzuführen (Rekristallisation), vgl. Tabelle 1. 

  

Bild 8 AA6016, metallografischer Längsschliff, 
Randbereich, geätzt 

Bild 9 AA6016, metallografischer Längsschliff, 
Kernbereich, geätzt, Mg2Si-Auscheidungen 

  

Bild 10 AZ31, metallografischer Querschliff, 
Kernbereich, ungeätzt, oxidische Einschlüsse 

Bild 11 AZ31, metallografischer Querschliff, 
Kernbereich, geätzt, primär erstarrte Kör-
ner, Zwillingsbildung 



 

 

Experimentelles 29 

  

Bild 12 AZ31, metallografischer Längsschliff, 
Randbereich, geätzt 

Bild 13 AZ31, metallografischer Längsschliff, 
Kernbereich, geätzt 

 

3.2 Herstellung einer thermisch gefügten Mischverbindung aus Aluminium- und 

Magnesiumlegierungen 

Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Schweißverbindungen wurden am Institut für 
Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen gefügt. 

Aufgrund der verschiedenartigen metallurgischen Eigenschaften der Aluminium- und 

Magnesiumwerkstoffe ergeben sich Problemstellungen in den Bereichen Löslichkeit, 

Schmelzpunkte und Gefügeausbildung. Aufgrund der begrenzten Löslichkeit von 

Aluminium in Magnesium und umgekehrt kann nur eine geringe Aufmischung im 

Schmelzbad erfolgen, vgl. Kapitel 2.3. Die Gefahr einer Ausbildung festigkeitsmindernder, 

spröder Phasen in der magnesiumseitigen Anbindungszone erfordert zudem eine geschickte 

Prozessführung, um diese ungewünschten Phasen zu unterbinden. Ein bevorzugtes 

Aufschmelzen eines Fügepartners, wie dies bei Aluminium-Stahl-Schweißverbindungen 

praktiziert wird, ist aufgrund der nahezu identischen Schmelzpunkte von Aluminium und 
Magnesium nicht möglich. 

Versuche eine Schweißverbindung mit den Fügepartnern AA6016 und AZ31 mit den 

Strahlverfahren Laserstrahlschweißen und Elektronenstrahlschweißen herzustellen, die 

ausreichende Zugfestigkeit im Bereich der Grundwerkstoffe13 aufweist, schlugen fehl [87]. 

Ursache war im Wesentlichen eine starke Verwirbelung der Schmelze in der Schweißzone 

und daraus resultierende große Härtesprünge bis Faktor 4 zwischen den spröden 

intermetallischen Phasen und dem umliegenden Gefüge. Einzig über das energiearme 

Lichtbogenschweißen (EWM-coldArc®) konnte, mithilfe eines in der Automobilindustrie 

üblichen Aluminium-Silizium Schweißzusatzwerkstoffs, über eine definierte Versuchsfüh-

                                                           
13 Zugfestigkeiten nach Angabe der Hersteller: AA6016: Rm, AA6016 = 221 MPa; AZ31: Rm, AZ31 =240 MPa 



 

 

30 Experimentelles 

rung eine Schweißnaht erzeugt werden, die im Einzelversuch eine Zugfestigkeit von bis zu 

100 MPa bei einer Bruchdehnung < 2 % aufwies [87]. Der Bruch erfolgte stets entlang des 

Saums intermetallischer Phasen, welche sich an der magnesiumseitigen Anbindung an die 

Schweißnaht konzentrieren. Ein signifikanter Einfluss auf die Festigkeit der Fügeverbin-
dung der unterhalb der Oberfläche befindlichen Poren konnte nicht nachgewiesen werden. 

Als vorteilhaft hat sich eine Verschiebung 

des Lichtbogenprozesses auf das 

Aluminiumblech erwiesen, um so eine 

möglichst geringe Menge des Magne-

siumwerkstoffs aufzuschmelzen. Eine 

Reduzierung des Saums intermetallischer 

Phasen an der Anbindungszone der 

Schweißnaht zum Magnesiumwerkstoff 

konnte durch eine Erhöhung des 

Siliziumgehalts im Schweißzusatzwerk-

stoff von 5 % auf 12 % und eine aktive 

Kühlung der Fügepartner erzielt werden. 

Ursächlich dafür ist eine geringere 

Energieeinbringung durch den 

niedrigeren Schmelzpunkt des eutektischen Zusatzwerkstoffs AlSi12 (568 °C) zu AlSi5 

(627 °C) und die weiterhin erhöhte Wärmeabfuhr durch die aktive Kühlung während des 
Schweißprozesses, Bild 14. 

  

Bild 15 Geschweißte Verbindung im metallografi-
schen Querschliff, Porosität, Saumbildung 
intermetallischer Phasen an der magnesium-
seitigen Anbindung an die Schweißnaht [87] 

Bild 16 Geschweißte Verbindung im metallografi-
schen Querschliff Detailaufnahme aus Bild 
15, Saumbreite der intermetallischen Phasen 
bis minimal 50 µm (dunkler Saum im Bild) 
[87] 

                                                           
14 Nach ASM Metals Handbook Vol. 3, ASM International, 1992, 2-48 

 

Bild 14 Phasendiagramm des Zweistoffsystems 
Aluminium und Silizium14 



 

 

Experimentelles 31 

Zusätzlich treten nun Magnesium-Silizium-Ausscheidungen mit Konzentrationen von 

47 − 50 % Silizium auf. Es ist davon auszugehen, dass im Rahmen dessen Magnesium auch 

als siliziumhaltige Ausscheidung abgebunden wird und somit die Ausbildung der β- und γ-
Phasen vermindert. Die Kombination dieser Maßnahmen übte einen positiven Einfluss auf 

die Unterdrückung der spröden, intermetallischen Phasen aus und resultierte in einer 

minimalen Saumbreite von etwa 50 µm [88], Bild 15 und Bild 16. Eine weitere Reduzie-

rung der Saumbildung und in dieser Folge Erhöhung der mechanischen Festigkeit der 
Schweißverbindung ist Gegenstand aktueller Forschung15. 

Tabelle 3 Optimierte Schweißparameter des energiearmen Lichtbogenverfahrens 

Parameter Variable Wert 

Brennerstellung (Drehwinkel) β 18° zur Vertikalen 

Abstand zur Fügekante ∆XAl 1 mm auf Aluminiumseite 

Schweißgeschwindigkeit vS 0,3 m/min 

Schweißdrahtvorschubgeschwindigkeit VD 4,1 m/min 

Schweißdrahtdurchmesser dD 1,2 mm 

Schweißzusatzwerkstoff   AlSi12 (S Al 4047)16 

Abstand des Kontaktrohrs zum Werkstück (Stickout)   12 mm 

Schutzgas   100 % Argon 

Sonstiges   Aktive Wasserkühlung 

 

  

Bild 17 Fotografische Aufnahme der geschweißten 
coldArc®-Verbindung, AA6016 / 
AZ31 / AlSi12, Schweißnahtoberseite 

Bild 18 Fotografische Aufnahme der geschweißten 
coldArc®-Verbindung, AA6016 / 
AZ31 / AlSi12, Schweißnahtunterseite 

                                                           
15 Forschungsaktivitäten des Instituts für Schweißtechnik Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen 
16 Bezeichnung nach EN ISO 18273, Drahtwerk Elisental W. Erdmann GmbH & Co., Werdohler Straße 40, 58809 

Neuenrade 



 

 

32 Experimentelles 

3.3 Oberflächenbehandlung – Reinigung und Haftgrundvermittlung anhand 

kommerziell verfügbarer Prozesse und Prozesschemikalien 

Ausgangssituation der Oberflächenbehandlung im Rahmen dieser Arbeit war die Verwen-

dung kommerziell verfügbarer Prozesschemikalien und eine Übertragung der jeweiligen 

Prozesse auf die Aluminium-Magnesium-Mischverbindung. In Zusammenarbeit mit der 

Firma Chemetall GmbH17 wurden praxisrelevante Chemikalien ausgewählt und die 
Prozessgrößen anhand von Vorversuchen abgestimmt, Tabelle 4 und Tabelle 5. 

Tabelle 4 Ausgewählte Oberflächenvorbehandlungsverfahren bzw. -produkte 

Prozessschritt Handelsname Prozessart pH-Wert 

1 alkalisches Entfetten Gardoclean® T 5378 tensidisch-alkalisch ~9,5-10,0 

2 saures Beizen Gardoclean® T 5491 schwefelsauer ~1,0-1,5 

3.a 
Haftvermitteln 

Gardobond® X 4729 Ti/Zr-Fluorid, Konversion 1,0-1,818 

3.b Oxsilan® 9802 Silan, Sol-Gel-Prozess 3,5-4,519 

 
Die gewählten Haftvermittlungslösungen sind prinzipiell für sowohl Aluminium- als auch 

Magnesiumwerkstoffe einsetzbar20 und verbessern die Gleichmäßigkeit der Oberfläche und 

die Adhäsionseigenschaften als Vorbereitung für nachfolgende Lackschichten. Die 

Anwendbarkeit auf spezielle Legierungen und die Übertragung auf schmelzmetallurgisch 

hergestellte Mischverbindungen und deren geänderter Gefüge- und Oberflächenstrukturen 
in der Schweißzone wurden eingehend überprüft [87]. 

Die Konversionsbehandlung Gardobond® mit Titan-Zirkon-Fluoriden beruht auf einem 

dreistufigen Mechanismus aus Abbeizen der obersten Schichtlagen des Substratwerkstoffs 

von z.B. Aluminium- oder Magnesiumoxiden, Hydrolyse und Komplexierung der Substra-

tionen mit Zirkonfluoriden und schließlich der Ausfällung von hydratisierten Oxiden des 

Aluminiums, Komplexbildner und anderen Lösungsbestandteilen [89]. Es entsteht eine 

transparente Dünnschicht mit einer Schichtauflage von etwa 2 − 30 mg / m² Titan bzw. 
Zirkon auf Aluminiumwerkstoffen und 30 − 80 mg / m² auf Magnesiumwerkstoffen [90]. 

Das Oxsilan®-Verfahren basiert auf funktionellen Organo-Silan-Polymeren, die sich in 

Verbindung mit hydratisierten Oxiden, die an zuvor gereinigten Metalloberflächen 

vorhanden sind, durch Chemisorption an den Metallsubstraten bei Raumtemperatur 

kondensieren und kovalente Bindungen aufbauen [91]. Die amorphe, dünne Schicht aus 

„Polysiloxanen“ besitzt ein Schichtgewicht von etwa 20 – 200 mg/m² mit einer Dicke von 
10 – 100 nm [90, 91]. 
                                                           
17 Chemetall GmbH, Trakehner Str. 3, D-60487 Frankfurt am Main 
18 Betriebsanleitung Chemetall Gardobond®X 4729 
19 Betriebsanleitung Chemetall Oxsilan® 9802 
20 Persönliche Mitteilung, Hr. Dressler, Hr. Wendel, Chemetall GmbH, Frankfurt am Main, 17.08. 2009 



 

 

Experimentelles 33 

Tabelle 5 Prozessablauf und Prozessmittel der Oberflächenvorbehandlung 

Prozessschritt Prozesschemikalien Prozessparameter Zusammensetzung 

1 alkalisches Entfetten Gardoclean® T 5378 10 min, 55 °C 35 g/l T 537821 

2 Spülen, Tauchen Deionat 0,5 min, 23 °C - 

3 saures Beizen Gardoclean® T 5491 1 min, 40 °C 6,5 g/l T 5491+0,15 g/l H 725822 

4 Spülen, Tauchen Deionat 0,5 min, 23 °C - 

5.a 
Haftvermitteln 

Gardobond® X 4729 1 min, 45 °C 68 g/l X 4729A + 65 g/l X 4729B23 

5.b Oxsilan® 9802 1 min, 23 °C 18 g/l 9802 + 7 g/l 9920 + H727124 

6 Spülen, Sprühen Deionat 0,25 min, 23 °C - 

7 Trocknen - - - 

 
Mit den aus Vorversuchen ermittelten Parametern wurde bei dem kombinierten Reini-

gungsprozess aus Entfetten und Beizen im Mittel ein Massenabtrag von 3,4 g/m² bei der 

Magnesiumlegierung AZ31 erzielt. Die Aluminiumlegierung AA6016 erfuhr mit durch-

schnittlich 0,4 g/l25 einen deutlich geringeren Abtrag. Die Massenabträge der geschweißten 
Verbindung entsprachen in etwa dem Mittelwert der beiden Legierungen [87]. 

  

Bild 19 Schwarzer Belag an der 
Anbindung der Magnesiumlegie-
rung an die Schweißnaht 
(V = 1:50) 

Bild 20 Messdiagramm des phosphathaltigen Belags mittels 
energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) 

                                                           
21 Betriebsanleitung Chemetall Gardoclean® T 5378: Badansatz mit 20-50 g/l, Badtemperatur 50-75 °C, Prozesszeit 2-10 

Minuten 
22 Betriebsanleitung Chemetall Gardoclean® T 5491: Badansatz mit 10-25 g/l, Badtemperatur 40-55 °C, Prozesszeit 1-10 

Minuten 
23 Persönliche Mitteilung, Hr. Wendel, Chemetall GmbH, Frankfurt am Main, 02.08.2011 
24 Persönliche Mitteilung, Hr. Wendel, Chemetall GmbH, Frankfurt am Main, 30.11.2010 
25 Vergleichswert Betriebsanleitung Chemetall Gardoclean® T 5378: AA6016, 0,02 g/cm² pro Minute 



 

 

34 Experimentelles 

An der geschweißten Probe entstanden im Entfettungsprozess schwarze Beläge an der 

magnesiumseitigen Anbindungszone der Schweißnaht, Bild 19. Mittels energiedispersiver 

Röntgenspektroskopie (EDX) konnte an diesen Stellen phosphorhaltige Verbindungen 

nachgewiesen werden, Bild 20. Diese phosphorhaltigen Niederschläge sind dem im 

alkalischen Reiniger T 5378 enthaltenen Komplexbildner Natriumphosphat26 zuzuschrei-
ben. 

Eine mechanische Bearbeitung der Oberflächen der Einzelwerkstoffe und der geschweißten 
Mischverbindung fand grundsätzlich nicht statt. 

 

3.4 Organische Beschichtung – großserientechnisch applizierter kataphoretischer 

Tauchlack (KTL) 

Die kataphoretische Tauchbeschichtung der Versuchsproben erfolgte bei einem Lohnbe-

schichter, der Firma Leist Oberflächentechnik27. Dieser verfügt über eine KTL-Anlage für 

Gestellware, die u. a. für das Beschichten von Stahl-Anbauteilen für die Automobilindustrie 

genutzt wird. Das Tauchbad besteht aus einer wässrigen Epoxidharzderivat-Dispersion mit 

blei- und zinnfreien Pigmenten. Der pH-Wert liegt leicht sauer bei etwa pH 5 bis pH 628. Im 

Gegensatz zur üblichen Vorbehandlung für Stahlbauteile werden die getrennt oberflächen-

vorbehandelten Versuchsbleche direkt in das kataphoretische Tauchbad eingeschleust. 

Danach erfolgt ein dreifacher Spülvorgang und ein anschließender Abkühl- und Einbrenn-
vorgang bei 180 °C für 20 Minuten28. 

Es wurden zwei Beschichtungsreihen durchgeführt, Tabelle 6. Versuchsreihe 1 wurde „nass-

in-nass“ direkt nach der Vorbehandlung in das kataphoretische Tauchbad eingeschleust, bei 

Versuchsreihe 2 wurde eine Zwischentrocknung vorgesehen. Sonstige Prozessgrößen 
wurden nicht variiert. 

Tabelle 6 Übersicht über die Versuchsreihen der kataphoretischen Tauchlackierung 

 Versuchsreihe 1 (V1) Versuchsreihe 2 (V2) 

Vorbehandlung Oxsilan® 9802 Oxsilan® 9802 

 - Gardobond® X 4729 

 Vor Ort (Fa. Leist) Im Labor (IfW TU Darmstadt) 

Einschleusen in KTL-Bad Ohne Zwischentrocknung Mit Zwischentrocknung 

  (Wasserbenetzung vor Einschleusen) 

 

                                                           
26 Sicherheitsdatenblatt Chemetall Gardoclean® T 5378, 08.02.2008 
27 Leist Oberflächentechnik GmbH, Oelmühle 5, 98597 Fambach 
28 Persönliche Mitteilung, Herr Dr. Enders, Leist Oberflächentechnik e.k., Breitzbachstraße 5, 36251 Bad Hersfeld 



 

 

Experimentelles 35 

Die Versuchsbleche hatten die Abmessungen (Länge·Breite·Dicke) 100 mm·100 mm·2 mm 
bzw. 100 mm·100 mm·1,8 mm. 

 

3.4.1 Optische Begutachtung der kataphoretisch tauchlackierten Werkstoffproben 

Eine erste Ergebnisüberprüfung erfolgte durch ein