Wärmebehandlung von Aluminium-Druckguss: Ergebnisse einer universitären Untersuchung zur Optimierung von HPDC-Gussteilen aus recycelter AlSi10Mg-Legierung

Einleitung: Nachhaltigkeit und recycelte Aluminiumlegierungen in der Automobilindustrie

Die Reduzierung des Treibhauspotenzials von Fahrzeugen ist zu einer wachsenden Priorität für die Entwicklung der Automobilindustrie geworden. Ziel der Hersteller ist es, die Treibhausgasemissionen durch den Übergang zu batterieelektrischen Fahrzeugen, die Reduzierung der Fahrzeugmasse und den Einsatz nachhaltiger Materialien zu senken.

In diesem Zusammenhang ist die Nachfrage nach Aluminiumlegierungen aufgrund ihres geringen Gewichts erheblich gestiegen, was es ermöglicht, die Masse von Fahrzeugen zu reduzieren, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, die Autonomie zu erhöhen und die Kraftstoffkosten zu senken. Die Verwendung recycelter Leichtmetalllegierungen ist für die Verbesserung der Gesamtnachhaltigkeit unerlässlich, indem der Bedarf an neuen Rohstoffen reduziert wird – ein energieintensiver und umweltschädlicher Prozess.

Recycelte Aluminiumlegierungen bieten jetzt hohe mechanische Eigenschaften, die mit denen von Primärlegierungen vergleichbar sind, und benötigen dabei nur 5 % der Energie, die für die Herstellung von Aluminium aus Erz erforderlich ist. Allerdings birgt ihr Einsatz einige Herausforderungen: Verunreinigungen wie Eisen können die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen, was besonders für Sicherheitsbauteile von entscheidender Bedeutung ist. Eisen kann nadel- oder schuppenartige intermetallische Verbindungen bilden, die sich negativ auf die Festigkeit und Lebensdauer von Bauteilen auswirken. Zur Verbesserung der Gussqualität wird häufig Mangan zugesetzt, um die Morphologie dieser Verbindungen zu verändern, allerdings birgt dies die Gefahr der Schlammbildung.

Eine Legierung, die häufig zur Herstellung leichter, hochfester Komponenten für die Automobilindustrie verwendet wird, ist die AlSi10MnMg-Legierung, die aufgrund ihrer hervorragenden Gießbarkeit, hohen mechanischen Eigenschaften und bemerkenswerten Korrosionsbeständigkeit häufig in HPDC-Druckgussverfahren eingesetzt wird.

Die Rolle der Wärmebehandlung von Aluminium-Druckguss

Die Wärmebehandlung von Aluminium-Druckguss spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Aluminiumbauteilen. Sie ist energieintensiv und beeinflusst die Umweltbelastung der Gussteile. Gussteile aus Al-Si-Mg-Legierungen werden üblicherweise Wärmebehandlungen wie T5, T6, T7 und Glühen unterzogen.

Die T6-Behandlung, bestehend aus drei Langzeitphasen, ist mit einem hohen Energieverbrauch – hohen Temperaturen und langen Glühzeiten während der Lösungsglüh- und Auslagerungsphasen – sowie erheblichen Logistikkosten verbunden. Aus Gründen der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit suchen Automobilhersteller nach Alternativen zur T6-Behandlung, wie z. B. T5 (künstliche Auslagerung) und Hochtemperatur-Spannungsarmglühen, um den optimalen Kompromiss zwischen mechanischer Festigkeit und Bruchdehnung zu finden.

Um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, werden Automobilbauteile typischerweise lackiert, anodisiert und beschichtet, insbesondere mit der KTL-Beschichtung. Diese hocheffiziente und umweltfreundliche Nachbearbeitungstechnologie wird in der Automobilindustrie häufig zur Beschichtung von Rahmen und Bauteilen eingesetzt

Forschungsziel und Methodik

Aktuelle Forschungsarbeiten an der Universität Brescia konzentrieren sich auf das Verständnis und die Optimierung von Wärmebehandlungen zur Verbesserung der mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen mit hohem Recyclinganteil. Die Analyse wurde an einem Strukturbauteil für die Automobilindustrie durchgeführt, das aus recycelter AlSi10MnMg-Legierung im HPDC-Druckgussverfahren hergestellt wurde.

Die Materialcharakterisierung umfasste ein breites Spektrum an Analysen: Licht- und Elektronenmikroskopie, Brinellhärteprüfungen, Zugversuche bei Raumtemperatur und bei hoher Temperatur (130 °C), Biegeversuche, SPR-Nietversuche sowie elektrische und thermische Leitfähigkeitsmessungen

Ergebnisse des Brinell-Härtetests

Die niedrigsten getesteten Alterungstemperaturen (150 °C, 170 °C und 190 °C) zeigten einen allmählichen Anstieg der Härte mit zunehmender Behandlungsdauer bis zu 180 Minuten. Dieses Verhalten wird auf die fortschreitende Ausscheidung harter Phasen im Material zurückgeführt, da gelöste Elemente diffundieren und sekundäre Phasenpartikel (Mg₃Si) innerhalb der Metallmatrix bilden, wodurch die Härte zunimmt. Das bei diesen Temperaturen beobachtete Plateau wird durch Überalterung verursacht, die auftritt, wenn die Ausscheidungen übermäßig wachsen und zu koaleszieren beginnen.

Bei höheren Alterungstemperaturen (210 °C und 230 °C) tritt die Überalterung schneller ein, bereits nach 2 Stunden. Dies deutet darauf hin, dass eine Temperaturerhöhung den Prozess zwar beschleunigt, aber auch zu einer Verringerung der maximal erreichbaren Härte führt.

Bei hohen Glühtemperaturen neigt die Härte mit zunehmender Behandlungsdauer zur Abnahme. Dieses Phänomen hängt mit der Rekristallisation des Materials und dem Kornwachstum zusammen. Obwohl Glühbehandlungen die Härte verringern, können sie andere Eigenschaften wie Duktilität und die Reduzierung von Eigenspannungen verbessern.

Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden folgende Bedingungen für weitere Untersuchungen ausgewählt:

• Ausgangszustand, als Referenz untersucht;
• Simulation der Elektrotauchlackierung bei 163 °C für 20 Minuten;
• Auslagerung bei 170 °C für 180 Minuten, die optimale Kombination zur Erzielung maximaler Härte;
• Auslagerung bei 210 °C für 180 Minuten;
• Glühen bei 380 °C für 180 Minuten zur Erzielung minimaler Härte und maximaler Dehnung.
   

Mikrostruktur nach Wärmebehandlungen

Die mikroskopische Analyse zeigte deutlich unterschiedliche Verhaltensweisen in Abhängigkeit von der angewandten Behandlung.

Bei den Bedingungen der Elektrotauchlackierung (163 °C für 20 Minuten), der Alterung bei 170 °C und der Alterung bei 210 °C wies die Mikrostruktur im Vergleich zum Ausgangszustand keine signifikanten Veränderungen auf: Die Aluminiumdendriten, intermetallischen Partikel und das eutektische Silizium behielten ihre Morphologie und Verteilung im Wesentlichen unverändert bei. Jegliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften unter diesen Bedingungen sind auf die Ausscheidung von Mg₃Si-Partikeln zurückzuführen, die bei diesen Vergrößerungen nicht nachweisbar sind.

Die Wärmebehandlung bei 380 °C für 3 Stunden bewirkte hingegen eine radikale mikrostrukturelle Veränderung: Die Aluminiumdendriten wurden feiner, und die Sphäroidisierung der eutektischen Siliziumpartikel war deutlich zu beobachten; sie nahmen eine kugeligere und regelmäßigere Form an als im Ausgangszustand. Dieses Phänomen ist direkt für die signifikante Verbesserung der Duktilität verantwortlich, die in nachfolgenden mechanischen Prüfungen beobachtet wurde.

Zugversuche bei Raumtemperatur und bei hoher Temperatur

Zugversuche bei Raumtemperatur zeigten Tendenzen, die mit den Ergebnissen der Härteprüfung übereinstimmten. Die Alterung bei 170 °C über 180 Minuten führte zu den höchsten Festigkeitswerten mit einer signifikanten Steigerung der Streckgrenze im Vergleich zum Ausgangszustand, jedoch mit einer Verringerung der Bruchdehnung. Die Alterung bei 210 °C ergab etwas niedrigere Festigkeitswerte als bei 170 °C, jedoch immer noch höhere als im Ausgangszustand. Das Glühen bei 380 °C führte zu den niedrigsten Festigkeits- und Streckgrenzenwerten, die jedoch durch eine deutlich höhere Bruchdehnung als bei allen anderen Bedingungen kompensiert wurden.

In Hochtemperaturversuchen (150 °C) behielt das Material nahezu seine gesamte ursprüngliche Zugfestigkeit bei und zeigte lediglich eine geringfügige Reduzierung der durchschnittlichen Zugfestigkeit. Der Versuch bei 380 °C über 180 Minuten erwies sich als am effektivsten zur Steigerung der Duktilität und führte zu einer Bruchdehnung von 25 %, was einer Verbesserung von 61,3 % gegenüber dem gleichen Versuch bei Raumtemperatur entspricht.

Die Bruchflächenanalyse ergab gemischte Oberflächen mit Grübchen und Spaltflächen für die unbehandelten, elektrochemisch beschichteten und T5-behandelten Proben. Bei den 3 Stunden lang bei 380 °C getemperten Proben waren die Grübchen im Allgemeinen größer, nahezu rund und tiefer, was auf eine höhere Verformbarkeit und ein gröberes Mikrogefüge hindeutet.

Biegeprüfungen

Die Biegeversuche lieferten präzise quantitative Daten zu den durchschnittlichen Biegewinkeln, die unter den verschiedenen Bedingungen erreicht wurden. Gemäß den Automobilnormen für die Premium-Fahrzeugproduktion muss der gewünschte Biegewinkel für Al-Si-Legierungen mit einer Dicke von mehr als 2 mm über 50° liegen.

Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Hierarchie der Behandlungen:

• Unbehandelt: durchschnittlicher Winkel 26,9°, Dehnung 7,6 %;
• E-Beschichtung 163 °C – 20 min: durchschnittlicher Winkel 23,5°, Dehnung 6,6 %;
• Auslagerung 170 °C – 3 h: durchschnittlicher Winkel 15,8°, Dehnung 5,8 %;
• Auslagerung 210 °C – 3 h: durchschnittlicher Winkel 19,1°, Dehnung 5,5 %;
• Glühen 380 °C – 3 h: durchschnittlicher Winkel 52,1°, Dehnung 15,5 %.

Lediglich das Glühen bei 380 °C über 3 Stunden überschritt den erforderlichen Schwellenwert von 50° und erzielte den höchsten Wert aller getesteten Bedingungen bei gleichzeitig niedrigster Standardabweichung (1,7°). Dies belegt eine höhere Konsistenz und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Alle anderen Behandlungen blieben deutlich unter dem gesetzlichen Grenzwert, was bestätigt, dass diese Behandlung die einzige ist, die für Automobilanwendungen mit hohen Anforderungen an Duktilität und Biegefestigkeit geeignet ist.

Die Glühbehandlung verbesserte die Mikrostruktur signifikant, reduzierte die durch den HPDC-Prozess verursachten inneren Spannungen, führte zur Sphäroidisierung der Siliziumpartikel und erhöhte die plastische Verformbarkeit des Materials. Dies resultierte in einer verbesserten Energieabsorption und einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung.

SPR-Niettest

Die visuelle Inspektion des SPR-Niettests ergab negative Ergebnisse für den unbehandelten Zustand, die E-Beschichtung und den T5-Alterungszustand. Hierbei wurden Risse beobachtet, was auf erhebliche Prozessmängel hindeutet. Die Wärmebehandlung bei 380 °C verbesserte das Mikrogefüge deutlich, erhöhte die Duktilität und verringerte die Rissausbreitung dank der Reduzierung von Eigenspannungen und der Sphäroidisierung der Siliziumpartikel. Von den fünf getesteten Zuständen erfüllte nur dieser die Automobilnormen vollständig. Er zeigte keine Risse oder Verformungen und eine hohe Duktilität während des Nietprozesses.

Elektrische und thermische Leitfähigkeit

Die ermittelten Werte der elektrischen Leitfähigkeit lagen im für die untersuchte Legierung in der Literatur angegebenen Standardbereich (16–25 MS/m). Bei niedrigen Alterungstemperaturen (170 °C) stieg die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zum Ausgangszustand um 4 %. Bei höheren Temperaturen wuchsen die Siliziumpartikel und ihre Anzahl nahm ab, wodurch die Leitfähigkeit nach 3 Stunden bei 210 °C um 18 % und nach 3 Stunden bei 380 °C um 30 % anstieg. Die unter diesen Bedingungen beobachtete Sphäroidisierung des Siliziums verbesserte die Leitfähigkeit zusätzlich durch die Reduzierung der Elektronendiffusion.

Die Wärmeleitfähigkeit stieg mit zunehmender Temperatur: Bei 35 °C betrug sie etwa 117 W/(mK) und stieg bei 150 °C auf etwa 129 W/(mK), wobei entlang der Kurve nichtlineare Schwankungen auftraten.

Schlussfolgerungen und Anwendungsempfehlungen

Basierend auf den erzielten Ergebnissen können je nach Anwendungsanforderungen die folgenden Empfehlungen für Aluminium-HPDC-Gussteile definiert werden:

• Unbehandelter Zustand: Empfohlen, wenn die Produktionskosten und die Umweltbelastung reduziert werden sollen, während gleichzeitig die für HPDC-gefertigte AlSi10MnMg-Legierungen typischen guten Leistungswerte erhalten bleiben. Ideal für Anwendungen mit weniger strengen Leistungsanforderungen.
• KTL-Beschichtung bei 163 °C für 20 Minuten: Führt zu keinen signifikanten Änderungen der mechanischen Eigenschaften, kann aber angewendet werden, wenn die Automobilindustrie eine höhere Korrosionsbeständigkeit erfordert. Sie eignet sich auch für Teile, die bereits einer Wärmebehandlung unterzogen wurden.
• Auslagern bei 170 °C für 3 Stunden: Empfohlen für Anwendungen, die eine hohe Streckgrenze erfordern. Verbessert die mechanischen Eigenschaften deutlich, ohne andere kritische Merkmale zu beeinträchtigen. Besonders geeignet für Bauteile, die unter hohen Belastungen ihre strukturelle Integrität bewahren müssen, aber keine Vernietung oder hohe Duktilität erfordern.
• Glühen bei 380 °C für 3 Stunden: Bietet die vorteilhafteste Kombination aus mechanischen Eigenschaften, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Duktilität und Verbindungsfestigkeit. Mit einem durchschnittlichen Biegewinkel von 52,1° und einer Dehnung von 15,5 % ist es die einzige Behandlung, die höchste Automobilstandards für Biegefestigkeit erfüllt und als einzige Rissfreiheit bei Nietversuchen garantiert. Sie eignet sich besonders für Anwendungen wie Gehäuse für Elektroautobatterien, Wärmetauscher, Getriebedeckel, Ölpumpen und Zylinderkopfdeckel, die typischerweise aus Al-Si-Legierungen im HPDC-Druckgussverfahren hergestellt werden

Quelle: Università di Brescia und In Fonderia – Il magazine dell’industria fusoria italiana