Eloxieren von Druckgusslegierungen: eine Herausforderung im Automobilsektor

Im industriellen Bereich, insbesondere im Automotive-Bereich, nimmt der Einsatz von Druckgussverfahren stetig zu. Diese Steigerung ist mit der Möglichkeit verbunden, derzeit Komponenten in großen Stückzahlen und Abmessungen mit einer hohen Produktionsrate zu produzieren. Die Sekundärlegierungen des Al-Si-Cu-Systems gehören zu den am weitesten verbreiteten in Druckgießereien. Um die Oberflächeneigenschaften in Bezug auf Korrosions- und Verschleißbeständigkeit zu erhöhen, kann eine anodische Behandlung für Automobillegierungen verwendet werden. Dieses Verfahren stellt jedoch Schwierigkeiten dar, wenn es auf Legierungen mit einer hohen Konzentration an Elementen, wie z. B. Druckgusslegierungen, oder auf Komponenten mit Oberflächenfehlern angewendet wird. In dieser Arbeit werden die wichtigsten Vorteile und Kritikpunkte des Eloxalprozesses von Druckgusslegierungen vorgestellt. Insbesondere werden die Ergebnisse der Forschung zu Eloxalbehandlungen von AlSi9Cu3(Fe)-Druckgusslegierungen anhand der Variation des Fe- und Mn-Gehalts veranschaulicht.

Aluminium bei der Herstellung von Automobilkomponenten: ein Überblick

Aus industrieller Sicht war Aluminium in den letzten Jahren das Material, das im Mittelpunkt des allgemeinen Interesses stand. Eine der Branchen, die sich für Aluminium als Werkstoff der Gegenwart und Zukunft entschieden hat, ist die Automobilindustrie. Dieses Interesse ist mit der Notwendigkeit verbunden, das Gewicht der Komponenten zu reduzieren, die Fahrzeugsicherheit und -leistung zu erhöhen und gleichzeitig auf den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu achten.

Kommerziell reines Aluminium wird durch elektrolytische Verfahren hergestellt. Die Herstellung von Aluminium hat ihre Schwachstelle im Energieverbrauch; Für jede Tonne sogenanntes Primäraluminium wird eine elektrische Leistung von ca. 17000 kWh benötigt und im Jahr 2020 wurde eine Milliarde Tonnen CO2-Äquivalent überschritten, was etwa 2% der Gesamtemissionen des Jahres entspricht. Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren versucht, sich verstärkt auf die Herstellung von Sekundärlegierungen zu konzentrieren, d.h. die aus dem Recycling von Produktionsabfällen oder aus Altbauteilen stammen. Das Recycling von Aluminium ist äußerst energieeffizient, da der Energiebedarf für die Herstellung einer Sekundärlegierung 10-15-mal geringer ist als für die Herstellung von Primärlegierungen. Für die Herstellung von 1 kg recyceltem Aluminium werden durchschnittlich 9,2 MJ benötigt, verglichen mit 144,6 MJ, die für die gleiche Menge Primäraluminium benötigt werden.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Verarbeitung von Aluminiumlegierungen, aber derzeit ist der Druckguss (oder Hochdruckdruckguss) eine der am häufigsten verwendeten Methoden. Der Prozess besteht darin, das geschmolzene Metall mit hoher Geschwindigkeit in eine Form zu spritzen. Die Vorteile enden jedoch nicht mit der Verarbeitungsgeschwindigkeit, da Sie mit dem Druckguss endkonturnahe Bauteile mit einer hervorragenden Oberflächengüte und einer optimalen Maßkontrolle erhalten. All dies ist Teil des Konzepts der Einsparungen und Nachhaltigkeit, da die Nachbearbeitungsphasen erheblich reduziert werden.

Eine bestimmte Branche, wie z. B. die Automobilindustrie, erfordert gezielte Eigenschaften und Leistung. Um diesen Zweck zu erreichen, wird bei Verwendung von Aluminium das Eloxalverfahren verwendet, da es ermöglicht, eine Schicht mit hoher Härte zu erhalten, die auch eine beträchtliche Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit bieten kann. Das gebildete Oxid ist eine geordnete Schicht aus hexagonalen Zellen, die an der Basis geschlossen sind und von denen jede eine zentrale Pore hat, die sich vom Boden bis zur Oberfläche der Zelle selbst erstreckt. Betrachtet man den Abschnitt der Schicht, so sind zwei unterschiedliche Bereiche zu erkennen: die Schutzschicht an der Basis und eine poröse Schicht, die die Wände der Zelle bildet.

Unter den Aluminiumlegierungen ist die Eignung für die anodische Behandlung von Automobillegierungen unterschiedlich; insbesondere gehören Sekundär-Druckgusslegierungen zu denen, die aufgrund des hohen Vorhandenseins von intermetallischen Verbindungen und Oberflächenfehlern, die als Antagonisten für die optimale Entwicklung der Oxidschicht wirken, am kritischsten sind.

Der Bedarf der Automobilhersteller, Zugang zu hochfesten Aluminiumbauteilen mit geringem Gewicht zu haben, zusammen mit dem zunehmenden Einsatz von Sekundärlegierungen, die Nachhaltigkeitskriterien erfüllen, haben mehrere Forschungsgruppen dazu veranlasst, sich auf die Optimierung der Eloxalbehandlung zu konzentrieren, um auch bei der Anwendung auf Druckgusskomponenten zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Stärken und Schwächen des Eloxalprozesses von Druckgusslegierungen für die Herstellung von Aluminium-Automobilkomponenten zu veranschaulichen.

Kritische Faktoren bei der anodischen Behandlung von Automobillegierungen

Es gibt viele Parameter, die das Verhalten einer Legierung auf die Eloxalbehandlung unter den gleichen Prozessbedingungen beeinflussen. Diejenigen, die die wichtigsten Auswirkungen haben, sind: die chemische Zusammensetzung der Legierung, insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Vorhandenseins von Verunreinigungen, der Größe und Morphologie der chemischen Verbindungen und der mechanischen Verarbeitung. Das Vorhandensein von Legierungselementen in fester Lösung ändert im Allgemeinen das Ergebnis der Eloxalbehandlung nicht, während Ausscheidungen und intermetallische Stoffe, die in der Mikrostruktur des Materials vorhanden sind, die Integrität der entwickelten Schutzschicht beeinträchtigen können.

Das Eloxieren ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem Elektronen zwischen Anode und Kathode übertragen werden, der durch den Durchgang von elektrischem Strom im Stromkreis betrieben wird. Dies bedeutet, dass, wenn sich eine elektrochemische Inhomogenität im Material entwickelt, das Ergebnis die Entwicklung einer Vorschubfront der Oxidschicht nach Vorzugsrichtungen ist, die den Bereichen entspricht, in denen der geringste elektrische Widerstand vorhanden ist.

Eines der Hauptelemente in der Legierung, das als unerwünscht eingestuft wird, ist Eisen, da es die Oxidschicht weniger korrosionsbeständig und hart macht; Es beeinträchtigt auch seine Uniformität. Die schädlichste mikrostrukturelle Phase ist die nadelförmige Phase β-Al5FeSi, die als Spannungskonzentrationszone und als bevorzugte Zone für die Bildung und Ausbreitung von Rissen fungiert. In der Literatur findet man häufig Studien über den Einfluss von Eisen und darüber, wie seine Wirkung auf die Eigenschaften des Materials mit der Größe und Morphologie der intermetallischen Stoffe, die reich an diesem Element sind, variiert. Bei Sekundäraluminiumlegierungen ist das Vorhandensein von Eisen unvermeidlich, da der Schrott einen erheblichen Gehalt an Verunreinigungen aufweist, insbesondere wenn er aus Produkten gewonnen wird, die das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben. Insbesondere bei Gussteilen, die im Druckgussverfahren hergestellt werden, ist das Vorhandensein von Eisen erforderlich, da es dem Phänomen der Metallisierung entgegenwirkt und somit die Lebensdauer der Formen erhöht.

Ein weiteres kritisches Element für die Entwicklung einer kompakten Oxidschicht ist Kupfer. Letzteres führt, wenn es in die eloxierte Dicke eingearbeitet wird, zur Entwicklung von inneren Rissen und Porosität; Darüber hinaus nimmt mit zunehmendem Kupfergehalt die Härte und Verschleißfestigkeit der gebildeten Oxidschicht allmählich ab. Silizium wird in Sekundärlegierungen eingebracht, um die Gießbarkeit der Legierung selbst zu erhöhen und ihre volumetrische Schrumpfung während der Erstarrungsphase zu verringern. Silizium induziert jedoch die Bildung einer eutektischen Al-Si-Struktur, die die Dicke des erzielbaren Oxids begrenzt und das Auftreten von Rissen, Porosität und nicht eloxierten Bereichen aufgrund seiner langsameren Oxidation im Verhältnis zur Oxidationsrate von Aluminium begünstigt.

Neben der chemischen Zusammensetzung der Legierung spielt auch die mechanische Bearbeitung des Bauteils eine wichtige Rolle. Die anodische Behandlung eines Rohbauteils für Automobillegierungen anstelle von sandgestrahlt oder mechanisch bearbeitet führt zu unterschiedlichen Reaktionen. Der offensichtlichste Effekt ist insbesondere die Zunahme der Dicke, die durch die Entfernung der kortikalen Schicht erzielt werden kann, in der getrennte Phänomene der Elementanreicherung offensichtlich sind. Die mechanische Bearbeitung durch Spanabfuhr ermöglicht es vor allem, eine größere Menge an α-Aluminium-Matrix an der Grenzfläche freizulegen, an der die Behandlung stattfindet; Dieses Substrat eignet sich am besten für die Entwicklung einer kompakten, harten und hochkorrosionsbeständigen Oxidschicht.

Fallstudie: Eloxieren von Druckgusslegierungen für Automobilkomponenten

Eine der Sekundärlegierungen, die sich in der Automobilindustrie am meisten durchsetzt, ist die Legierung AlSi9Cu3(Fe), die gemäß EN 1706:2020 als EN AC-46000 bezeichnet wird. Seine breite Verwendung ist mit seiner hervorragenden Fließfähigkeit in Kombination mit guten mechanischen Eigenschaften verbunden.

Angesichts des hohen Vorhandenseins von Schadstoffen ist es notwendig, die Legierung mit mehr oder weniger gezielten Zusätzen von Legierungsmitteln, einschließlich Mn, zu modifizieren. Letzteres Element ist in der Tat in der Lage, die mechanischen Eigenschaften sowohl bei Raumtemperatur als auch im heißen Zustand zu verbessern; Darüber hinaus kann es die schädlichen Wirkungen, die durch das Vorhandensein von legiertem Eisen hervorgerufen werden, abschwächen, indem es die Größe der β-Al5FeSi-Phase reduziert oder sie durch Phasen ersetzt, die für die Leistung der Legierung weniger schädlich sind.

In diesem Forschungsprojekt wurden an einer Legierung der Reihe AlSi9Cu3(Fe) aus dem Druckguss systematische Variationen des Eisen- und Mangangehalts auf zwei Ebenen vorgenommen, wodurch vier verschiedene Versuchszusammensetzungen erhalten wurden. Um den Einfluss der Bearbeitung zu überprüfen, wurde die Hälfte der mit den verschiedenen Legierungen hergestellten Platten analysiert, nachdem durch Fräsen 1,5±0,1 mm aus dem kortikalen Bereich entfernt worden waren. Die Eloxalbehandlung wurde in einer Industrieanlage durchgeführt.

Um die Unterschiede zwischen den verschiedenen Formulierungen und zwischen den aus den verschiedenen Substraten erhaltenen Oxidschichten zu bewerten, wurde sowohl eine mikrostrukturelle als auch eine mechanische Charakterisierung durchgeführt. Konkret wurde die Mikrostruktur des Substrats im Druckgusszustand und in der bearbeiteten Schicht analysiert; Die erhaltene Oxiddicke wurde analysiert und durch Mikrohärteprüfungen, Verschleißtests und Kratztests mechanisch charakterisiert.

Mikrostrukturelle Analysen zeigen, dass mit der Variation des Eisen- und Mangangehalts auch die Morphologie der eisenreichen Verbindungen variiert. Insbesondere wenn nur der Eisengehalt erhöht wird, kommt es zu einer Zunahme des Vorhandenseins der nadelförmigen β-Al5FeSi-Phase; während die Zunahme von Mangan die Entwicklung von Eisenintermetallen mit kompakter Form begünstigt. Bei maximalen Eisen- und Mangankonzentrationen wird das Fehlen der β Phase beobachtet, was davon zeugt, wie Mangan bei den mikrostrukturellen Veränderungen der Legierung wirkt. Es ist auch klar, dass es keinen offensichtlichen Einfluss der Variation des Fe- und Mn-Gehalts auf die Dicke der Anodenschicht gibt; Im Gegenteil, der Effekt des Eloxierens eines maschinell bearbeiteten anstelle eines rohen Bauteils ist signifikant.

Vickers-Mikrohärtetests wurden entlang des Querschnitts der Oxidschicht durchgeführt, die aus einem bearbeiteten Substrat gewonnen wurde. Die aufgebrachten Lasten und die Haltezeit entsprechen den Angaben in ASTM E384-17. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass eine Erhöhung des Eisengehalts der Legierung es ermöglicht, eine härtere Oxidschicht als die Ausgangslegierung zu erhalten, insbesondere wenn sie mit einer Erhöhung des Mangangehalts einhergeht. Die Verschleißtests wurden in einer Kugel-auf-Scheiben-Konfiguration an kreisförmigen Proben durchgeführt, wobei eine Aluminiumoxidkugel als Antagonistenkörper verwendet wurde. Aus der Verschleißspur war es möglich, das Volumen des abgetragenen Materials nachzuvollziehen und die Verschleißratenwerte mit der Formel:

w = V / (L * N)

Dabei ist V das entfernte Volumen, L die zurückgelegte Gleitstrecke und N die während der Prüfung aufgebrachte Last. Geringere Verschleißraten, höhere Verschleißfestigkeit.

Es ist möglich zu sehen, wie der Verschleißratenwert mit zunehmendem Gehalt der Legierungselemente abnimmt; Insbesondere scheint Mangan in der Lage zu sein, die schädlichen Auswirkungen von intermetallischem Eisen einzudämmen. Die Legierung mit der Formulierung Fe1,3%-Mn0,55%, bei der die Verschleißfestigkeit am höchsten ist, hatte den höchsten Härtewert, was die Tatsache bestätigt, dass der Verschleiß, obwohl er von vielen Faktoren abhängt, eng mit der Härte des getesteten Materials verbunden ist. Schließlich zeigen die Kratzfestigkeitstests keine signifikanten Unterschiede in den erhaltenen kritischen Belastungswerten; Interessant ist die höhere Widerstandsfähigkeit von eloxierten Proben, die vom Druckgusssubstrat ausgehen. Dieses Ergebnis hängt wahrscheinlich mit den Werten der Oberflächenrauheit zusammen, die nach dem Eloxieren bei den im Druckgusszustand behandelten Proben niedriger sind.

Perspektiven für die Optimierung des Eloxierens in Druckgusslegierungen

Aus der Forschung und Analyse, die in dieser Arbeit durchgeführt wurde, geht hervor, dass Aluminiumdruckgusslegierungen nach dem Gießen mit guten Ergebnissen Eloxalbehandlungen unterzogen werden können. Konkret kann daraus geschlossen werden, dass:

• Durch die Erhöhung des Mangangehalts in der Legierung ist es möglich, die negativen Auswirkungen des Vorhandenseins von Eisen auszugleichen.
• Die mechanische Bearbeitung durch Spanabfuhr ermöglicht es, größere Dicken von anodischem Oxid zu erhalten;
• Eine Erhöhung des Eisengehalts ermöglicht die Entwicklung einer härteren und verschleißfesteren Anodenschicht, insbesondere wenn sie durch einen hohen Mangangehalt ausgeglichen wird.

Um den Eloxalprozess von Druckgusslegierungen für die Herstellung von Aluminium-Automobilkomponenten weiter zu optimieren, müssen zusätzliche Tests durchgeführt werden, um den Einfluss chemischer Schwankungen auf die Korrosionsbeständigkeit zu bewerten. Darüber hinaus ist es notwendig, den Einfluss von Parametern zu bewerten, die mit dem anodischen Oxidationsprozess zusammenhängen, wie z. B. der verwendete Elektrolyt, die Verweilzeiten im Bad und die Stromdichte.

Quelle: E. Giansante, G. Scampone, G. Timelli für In Fonderia – Il magazine dell’industria fusoria italiana