Magnesium

Magnesium ist zurzeit das leichteste großtechnisch nutzbare Metall. Somit sind Magnesium und seine Legierungen für den Leichtbau gut geeignet. Die Neigung zu Korrosion und geringe Festigkeit sind im Vergleich zu anderen Metallen nachteilige Eigenschaften.

Eigenschaften von Magnesium

Mit einem Anteil von 1,9 % ist Magnesium das achthäufigste Element in der Erdkruste. Magnesium kommt in der Natur elementar nicht vor, ist aber in Verbindungen wie Carbonaten, Silicaten und Sulfaten weit verbreitet. In Form von Dolomit, einem Calcium- und Magnesiumcarbonat, bildet es ganze Gebirgszüge. In den Weltmeeren befinden sich große Mengen an Magnesiumchloriden. Wichtige physikalische und mechanische Kennwerte des reinen Magnesiums sind in Tab. 1 aufgelistet.

Tab. 1 Kennwerte von reinem Magnesium
(bei RT, Angaben zu mechanischen Eigenschaften sind Orientierungswerte)

Kenngröße Wert
 Ordnungszahl  12
 Dichte  1,75 g/cm3
 Schmelztemperatur    650 °C (923 K)
 Elektrische Leitfähigkeit  22,7·106 S/m
 Wärmeleitfähigkeit  160 W/m·K
 E-Modul  47.000 MPa
 Zugfestigkeit  150 MPa
 Bruchdehnung  15 %
 Härte   20 HB
 Normalpotential -2,37 V 

Die wichtigste Eigenschaft des Magnesiums ist seine geringe Dichte und dadurch bedingt seine gute spezifische Festigkeit. Sein niedriges Normalpotential verursacht eine hohe Korrosionsanfälligkeit. Dazu zeigt das Metall keine Neigung zum Passivieren. Zwar überzieht es sich an Luft mit einer Oxidschicht, die aber, im Gegensatz zu Aluminium, nicht deckend ist. Grund dafür ist, dass das Magnesiumoxid ein geringeres Molvolumen als Magnesium selbst hat.
Magnesium kristallisiert im hexagonalen Gitter dichtester Packung und hat keine allotropen Modifikationen. Bedingt durch das hdP-Gitter hat es eine schlechte Eignung für die Kaltumformung und lässt sich ab 225°C nur warmumformen. Seine Zähigkeit ist gering. Bedeutsamer sind die gute Gießbarkeit von Magnesium sowie sein hohes Dämpfungsvermögen. Magnesium ist paramagnetisch und leistet eine gute Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung. Eine spanabhebende Bearbeitung von Magnesium ist im Vergleich zu anderen Metallen einfach. Es kann mit geringen Schnittkräften bearbeitet werden (z. B. sind für Stahl Schnittkräfte von ca. 1700MPa notwendig und für Magnesium nur von ca. 200MPa).
Die große Affinität des Magnesiums zu Sauerstoff führt zum Selbstentzünden. Wird das Metall erhitzt, verbrennt es mit sehr heller, weißer Flamme, die nur schwer zu löschen ist. Daher müssen besondere Schutzmaßnahmen beim Schmelzen, Gießen und Zerspanen getroffen werden.

Magnesium hat sehr wichtige biochemische Funktionen im Stoffwechsel von Flora und Fauna. Es ist für viele biologische Vorgänge absolut notwendig. Dadurch ist Magnesium gut bekannt und viele haben es auch in der Hausapotheke.

Anwendung von Magnesium

Reines Magnesium hat als Werkstoff keine große Bedeutung. Die häufigste Anwendung beruht auf seiner hohen Korrosionsanfälligkeit. Magnesiumstäbe werden als Opferanoden zum Schutz anderer Metalle, z. B. bei Warmwasserspeichern, verwendet. In der Technik werden vor allem Magnesium-Gusslegierungen verwendet. Zwar nur ein Drittel von Primärmagnesium wird für Strukturanwendungen verarbeitet. Der wesentliche Einsatz erfolgt als Legierungselement für verschiedene Aluminiuminwerkstoffe.

Gewinnung von Magnesium

Zwei Methoden dienen der Gewinnung von reinem Magnesium: Schmelzflusselektrolyse von wasserfreiem Magnesiumchlorid und thermische Reduktion von Magnesiumoxid.
Die Schmelzflusselektrolyse wird mit geschmolzenem Magnesiumchlorid bei ca. 700°C in sog. Downs-Zellen durchgeführt. Das Magnesiumchlorid wird aus dem Meerwasser gewonnen, das etwa 0,15% Magnesium enthält. Zur Schmelzpunkterniedrigung des Magnesiumchlorids werden der Salzschmelze andere Chloride zugesetzt. Als Anoden dienen von oben eingelassene Graphitstäbe. Das metallische Magnesium sammelt sich oben auf der Salzschmelze und wird abgeschöpft. Das entstehende Chlorgas sammelt sich im oberen Teil der Zelle und kann zur Herstellung von Magnesiumchlorid aus Magnesiumoxid verwendet.
Für die thermische Reduktion von Magnesiumoxid (Pidgeon-Prozess) werden gebrannte, magnesiumhaltige Mineralien mit geeigneten Reduktionsmitteln, wie z.B. Ferro-Silizium vermischt. Anschließend wird die Mischung in einem Ofen auf ca. 1150°C erhitzt. Das entstehende dampfförmige Magnesium kondensiert am wassergekühlten Kopfstutzen außerhalb des Ofens. Das gewonnene Metall wird durch Vakuumdestillation weiter gereinigt.