Technologielexikon ALUMINIUM

Bild: Phasendiagramm einer aushärtbaren Legierung (Quelle: Bergmann)

Die Temperatur liegt jetzt entsprechend obiger Abbildung bei T2. Bei dieser Temperatur löst sich die β-Phase, die vorwiegend aus Atomen der Art B besteht, vollständig in der α-Phase.

Anschließend wird so schnell abgekühlt, dass die Diffusion unterdrückt wird. Bei T1 liegt dann ein übersättigter α-Mischkristall vor. Im α-Mischkristall sind jetzt mehr B Atome enthalten als es seinem Gleichgewicht bei dieser Temperatur entsprechen würde. Der Grad der Übersättigung ergibt sich als Abschnitt auf der Konzentrationsachse bzw. der Isotherme T1: Erster Abschnittspunkt ist der Schnittpunkt der T1 Isotherme mit der Phasengrenzlinie α/α+β. Die Konzentrationsverhältnisse werden auf dieser Isotherme wiedergegeben (Konzentrationsachse bei der Temperatur T1). Zweiter Schnittpunkt ist das Lot des Punktes *) auf die Isotherme. Auf der Abbildung wäre dies der Abschnitt x_ü.

Nun erfolgt der dritte Schritt: die Ausscheidung von Teilchen die B-Atome enthalten oder auch nur die von B-Teilchen. Hierzu wird die bei der schnellen Abkühlung unterdrückte Diffusion kontrolliert angeregt. Dieser Vorgang wird als Auslagern bezeichnet. Dabei entstehen feindisperse Ausscheidungen die im Matrixgitter sog. Verzerrungsfelder erzeugen. Das beeinflusst die Vorgänge um die Versetzungsbewegung und die Versetzungsbildung. Bereits vorhandene Versetzungen werden blockiert und Behindern dadurch die plastische Verformungsfähigkeit.

Die ausgeschiedenen B- oder B enthaltenden Teilchen sind nicht, wie man annehmen möchte, feindisperse β-Ausscheidungen sondern metastabile kohärente oder teilkohärente Übergangsphasen. In einem ersten Stadium kommt es häufig sogar nur zu einer kohärenten clusterförmigen Ansammlung von Legierungsatomen der Art B. Ursächlich für dieses Verhalten ist die für eine Phasenbildung aufzubringende Grenzflächenenergie. Die Keimbildungsarbeit ist bei hoher Grenzflächenenergie gleichermaßen hoch. Unter gegebenen Auslagerungsbedingungen kann die Keimbildungsarbeit für kohärente und teilkohärente Ausscheidungen wohl aufgebracht werden. Zur Bildung einer inkohärenten spröden Gleichgewichtsphase β´ ist die aufzubringende Keimbildung jedoch zu hoch. Das ist auch genau der Grund, dass metastabile Phasen mit einlagigen Atomschichten bereits bei Raumtemperatur entstehen können. Der durch sie hervorgerufene Verfestigungsmechanismus wird im Allgemeinen als Kaltaushärtung bezeichnet. Erst bei höheren Temperaturen bilden sich durch die höheren Diffusionsgeschwindigkeiten mehrlagige Schichten mit örtlicher Überstruktur. Schließlich kann es dann bei zu langer Warmauslagerung - also einer Auslagerung bei höheren Temperaturen -zur Bildung von eigenständigen spröden Phasen kommen.

Wesentliche Voraussetzung für die Verwendung von Aluminium in einem breiten technischen Anwendungsbereich ist die hier beschriebene Fähigkeit zur Aushärtbarkeit. Vermutlich wäre die gesamte Flugzeugtechnik ohne dieser Fähigkeit des Aluminiums in der uns bekannten Form nicht möglich. Da Aluminium mit zahlreichen Elementen aushärtbare Legierungen bildet, ist diese Anforderung erfüllt. Durch eine auf die jeweiligen Löslichkeitsverhältnisse abgestimmte Wärmebehandlung können die Festigkeitswerte auf die gewünschten technologischen Anforderungen eingestellt werden. Zusammenfassen lassen sich die allgemeinen Voraussetzungen für die Aushärtbarkeit solcher Legierungen wie folgt:

1. Beschränkte Mischbarkeit.
2. Sättigungsgrenze von Legierungselementen die im Mischkristall merklich vorhanden sind, nimmt mit sinkender Temperatur merklich ab.
3. Die „Einfrierung" eines übersättigten Zustandes bei schlagartigem Abkühlen muss möglich sein.
4. Durch Auslagern können festigkeitssteigernde Phasen ausgeschieden werden.

Begriffsdefinitionen:

Wärmebehandlung:

Als Wärmebehandlung werden technische Maßnahmen bezeichnet, bei denen über eine Veränderung im Gefüge des Werkstoffes bei erhöhter Temperatur dessen Eigenschaften gezielt beeinflusst werden.

Das Aushärten ist dabei das weitaus wichtigste Verfahren, doch auch das weiter unten beschriebene Entfestigungsglühen und Rekristalisationsglühen (Weichglühen) gehören dazu.

Warmfestigkeit

Warmfestigkeit ist die Festigkeit eines Materials bei erhöhten Temperaturen. Werkstoffe mit besonderer Warmfestigkeit werden im Bereich der keramischen Werkstoffe, der Gießereiindustrie oder in der Eisen- und Stahlerzeugung bzw. -verarbeitung, aber auch in der Luftfahrt- und petrochemischen Industrie eingesetzt.

(Quelle: Wikipedia)

Homogenisieren

Unter Homogenisierung versteht man allgemein die Schaffung einer homogenen, das heißt möglichst gleichartigen und gleichmäßigen Struktur.

Meist ist damit eine gleichmäßige Vermischung verschiedener, nicht ineinander löslicher Komponenten gemeint.

(Quelle: Wikipedia)

Lösungsglühen:

Ziel: Homogener Mischkristall

Maßnahme: Vollständiges Lösen des Legierungsbestandteiles in der Aluminiummatrix durch Wärmebehandlung.

Bei einer Temperatur von ca. 460 - 560 °C werden die im Korngefüge ungleichmäßig verteilten und als zweite Phase oft ausgeschiedenen Legierungselemente im Aluminiummischkristall gelöst und damit homogenisiert.

Abschrecken:

Ziel: Übersättigter Mischkristall

Maßnahme: Einfrieren des durch die Glühung erzielten Zustandes. Realisierung durch Abschreckung von Glühtemperatur auf Raumtemperatur

Die Abkühlung muss möglichst rasch erfolgen, damit die im Lösungsglühen erreichte Homogenität „eingefroren" wird. Gleichzeitig sollte sie aber auch möglichst langsam erfolgen, um ein Verziehen oder Verwerfen der Teile durch Eigenspannung zu verhindern. Ebenso werden durch das Abschrecken wichtige Eigenschaften wie Korrosion und Zähigkeit beeinflusst (Abschreckempfindlichkeit). Die Abkühlung muss deshalb genau definiert und auf die eingesetzte Legierung und die Halbzeugart abgestimmt sein.

Aushärten:

weiterer Begriff: Auslagern

Ziel: Ausscheidung der härtenden Phase aus dem übersättigten Mischkristall

Maßnahme: Unterschieden wird zwischen Kaltaushärtung (Raumtemperatur) und Warmaushärtung (ca. 120-200°C). Es erfolgt, je nach Dauer, eine Konzentrationsverschiebung in Richtung Gleichgewicht.

Das Aushärten ist eine wirksame Methode zur Festigkeitssteigerung. Es beruht auf Entmischungsvorgängen, die unter bestimmten Bedingungen im Aluminiummischkristall ablaufen:

Legierungsbestandteile, die bei sinkender Temperatur eine abnehmende Löslichkeit im Mischkristall aufweisen, werden zunächst bei hohen Temperaturen homogen im Mischkristall gelöst. Wird die Temperatur darauf rasch gesenkt, können die im Mischkristall gelösten Legierungsbestandteile nicht schnell genug ausgeschieden werden, es entsteht ein übersättigter Mischkristall. Eine längere Lagerung bei Raum- oder mäßig erhöhter Temperatur bewirkt sodann die Ausscheidung der Fremdatome aus dem Mischkristall unter Bildung von feinen, sehr gleichmäßig verteilten Partikeln.

Diese Partikel blockieren nun Verschiebungsflächen und behindern Versetzungsbewegungen im Gefüge. Die Festigkeit steigt an.

Entfestigungsglühen:

Eine weitere Methode, die zu den Verfahren der Wärmebehandlung gerechnet wird, ist das Entfestigungsglühen. Dieses Verfahren wird auch als Rückglühen bezeichnet. Es erfolgt bei Temperaturen zwischen 150 - 250 °C. Die durch Kaltumformung wie Walzen oder Kaltfließpressen erreichte Festigung des Werkstoffes hat den Nachteil, dass das Material seine Duktilität verliert: Es wird „spröde". Die Entfestigung unterhalb der Rekristallisationstemperatur durch Glühen bewirkt eine Abnahme der Festigkeit bis zum Zustand „dreiviertel-„ oder „halbhart" bei gleichzeitiger großer

Erhöhung der Dehnbarkeit (Duktilität).

Rekristalisationsglühen (Weichglühen)

Um kaltumgeformte Werkstoffe (s.o.) für die Weiterverarbeitung wieder „weich" zu machen, werden sie wieder vollständig entfestigt. Es tritt ein Rekristallisationsprozess ein: In dem durch die Kaltumformung stark verformten Korngefüge wachsen aus Keimen (jeweils ein kleinstes, ideales Kristallkorn) neue Kristallkörner. Das gesamte Korngefüge bildet sich somit neu und schafft günstige Bedingungen für das weitere Umformen.

Rekristalisationsglühen bei 350 - 450°C

Legierungen:

Die Eigenschaften von Aluminium hängen von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Dabei spielen insbesondere die den üblicherweise verwendeten Werkstoffen absichtlich zugesetzten oder zufällig vorhandenen Beimengungen anderer Elemente eine sehr wichtige Rolle.

Mit Ausnahme des Reinstaluminiums Al99,99 werden in der Technik nur Aluminiumwerkstoffe verwendet, die weitere Elemente enthalten, sog. Legierungen. Unlegiertes oder nur sehr schwach legiertes Aluminium wird vor allem für die Herstellung von Folien und Bändern, von chemischen Apparaten und von Produkten für die Elektronik und Elektrotechnik verwendet.

Zweck des Legierens ist eine Verbesserung der Eigenschaften des Aluminium, vor allem der Festigkeit (die meisten reinen Metalle sind weich) und der Korrosionsbeständigkeit.

Die Hauptlegierungselemente sind Kupfer (Cu), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Zink (Zn) und Mangan (Mn). In geringerem Umfang finden auch Blei, Bor, Chrom, Nickel, Titan, Wismut und Zirkonium in Aluminiumlegierungen Verwendung. Jedes dieser Elemente verbessert schon in Mengen von wenigen Prozent (oder sogar Bruchteilen davon) bestimmte Eigenschaften des Aluminiums, verschlechtert aber oft andere, so dass ein weiteres Element zugegeben wird, um die Verschlechterung wieder wettzumachen. Aluminiumlegierungen werden durch Schmelzen, Sintern (Herstellen von Formteilen aus Metallpulver durch Zusammenbacken bei hohen Temperaturen) oder mechanisches Vermengen hergestellt.

Legierungsformen

Gusslegierungen:

Gusslegierungen sind allein durch Giessen verformbare, bis zu 20% Legierungselemente enthaltende Legierungen mit Silizium, Magnesium und Kupfer. Grundmetall ist meist Sekundäraluminium (aus Schrott gewonnenes Aluminium). Im Vordergrund steht hier die Forderung nach günstigen Giesseigenschaften. Legierungszusammensetzungen von Gusslegierungen werden weiter auf das jeweilige Giessverfahren (Sandguss, Kokillenguss oder Druckguss)abgestimmt. Die günstigsten Giesseigenschaften weisen hier Legierungen mit einem Silizium-Anteil von 5 bis 20% auf.

Bild: die wichtigsten Gusslegierungen

Verwendung:

Gusslegierungen werden üblicherweise für verschiedenartige Gussstücke verwendet, die je nach Legierungsbestandteile verschiedenartige Eigenschaften aufweisen.

Gusslegierungen werden eingesetzt z.B. in der Automobilindustrie für Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse, Motorblöcke und Bremsbacken.

Im allgemeinen Maschinenbau finden diese z.B. Anwendung im Bereich Ventilatorenbau (Flügelräder), Pumpengehäuse, Lagerschilder, etc.

Knetlegierungen:

Knetlegierungen enthalten bis zu 10% Legierungselemente und sind für gutes Umformen bestimmt.

Man unterscheidet aushärtbare Knetlegierungen und naturharte (nicht aushärtbare) Knetlegierungen:

• In naturharten (nicht aushärtbare) Legierungen sind die Elemente vollständig gelöst. Diese Werkstoffe lassen sich gut umformen. Dazu gehören, Reinaluminium, Al Mg, Al Mn, und Al Mg Mn-Legierungen
• In aushärtbaren Legierungen liegen die zulegierten Elemente bei Raumtemperaturen in Form von Ausscheidungen vor. Deren Verteilung bestimmt die Festigkeit. Durch Lösungsglühen bei einer Wärmebehandlung gehen die Elemente vollständig in Lösung. Der Zustand wird durch Abschrecken eingefroren.

Die Beigabe von Magnesium ergibt nicht aushärtbare, aber meerwasserbeständige Werkstoffe. Aushärtbar ist beispielsweise das klassische, 1909 von Alfred Wilm entwickelte Duraluminium mit Kupfer, Mangan und Magnesium.

Bei Knetlegierungen steht die plastische Verformbarkeit im Vordergrund. Die am häufigsten angewandten aushärtbaren Aluminium-Knetlegierungen sind solche aus mit Magnesium, Silizium, Mangan, Kupfer und Zink.

Bild: die wichtigsten Knetlegierungen