Evolution von Knetlegierungen

Was hat Charles Darwin mit Aluminium zu tun …

… die Evolution der Aluminium-Knetlegierungen

Eigentlich nicht viel. Jedoch kann dessen Erklärung der Artentransformation näherungsweise auch auf die Entwicklung der Aluminium-Knetlegierungen angewendet werden. Nur steht hier nicht die natürliche Auslese, sondern das Kosteneinspar-Potenzial im Vordergrund.

Die Evolution von Aluminium Knetlegierungen

Kaum war die erste technisch verwendbare Aluminium-Knetlegierung 1909 unter dem eingetragenen Warenzeichen „DURAL“ (Dürener Metallwerke) auf den Markt gekommen, wurden daraus die unterschiedlichsten Halbzeuge gefertigt: Stangenmaterial, Profile, Walzbleche und –platten.

Übrigens: Produkte aus DURAL werden noch heute hergestellt, denn die Legierung gibt es immer noch nahezu unverändert: EN AW 2017A (AlCu4MgSi).

Nach und nach kamen weitere Knetlegierungstypen hinzu, die die Anwendungsmöglichkeiten von Aluminium drastisch erweiterten und eine Vielzahl an innovativen Produkten und Problemlösungen erst ermöglichten.

Wir wollen uns in diesem Beitrag lediglich auf Aluminium-Plattenware beschränken und einen möglichst objektiven Vergleich zwischen den beiden wichtigsten Halbzeugen dieses Segments vornehmen: Aluminium-Walzplatten, die seit bereits über 100 Jahren in nahezu unveränderter Form in der Technik verwendet werden und Aluminium-Gussplatten, die erst seit den frühen 1970er-Jahren die Anwendungsmöglichkeiten von Aluminium revolutioniert und die Kostenstrukturen signifikant positiv beeinflussen.

Ausgangsmaterial Walzbarren

Ausgangsmaterial für Aluminium-Walzplatten und qualitativ hochwertige Aluminium-Gussplatten sind im stranggussverfahren gegossene Walzbarren. Die Walzbarren weisen überwiegend Dicken zwischen 360 mm und 600 mm auf.

Das Gefüge des Walzbarrens ist globulitisch  und somit nahezu vollständig isotrop.

Handelt es sich bei dem Metall um einen genormten Werkstoff, ist die chemische Zusammensetzung verbindlich in der EN 573-3 vorgeschrieben.

Das ist aber auch schon die einzige Gemeinsamkeit, die Aluminium-Walz- und Aluminium-Gussplatten aufweisen.

Da Walzbarren ursprünglich nur als Vormaterial für Walzplatten gedacht waren, unterliegen diese in ihren primären (mechanischen) und sekundären (technologischen) Eigenschaften keiner weiteren Normung, da erst das Endprodukt (Walz- bzw. Schmiedeplatten) gezielte Eigenschaften aufweisen muss. Die Güte von Walzbarren für das Endprodukt Walzplatte ist von absolut untergeordneter Bedeutung.

Und hier beginnt bereits ein kleiner Schritt in der Aluminium-Evolution. Denn bei G.AL®-Gussplatten ist schon zu diesem Zeitpunkt die Gesetzmäßigkeit der Walzplatten aufgehoben, der Weg zu einer eigenen Werkstoffentwicklung ist beschritten. Die Gesamt-Eigenschaften der Walzbarren stellen das Fundament für die Güte der Endprodukte dar.

Umso verständlicher ist es, dass nur wenige ausgesuchte Gießereien den Ansprüchen und extrem enggefassten Parametern der GLEICH-Werksnorm entsprechen und die geforderte Barren-Qualität liefern können.

Warmgewalzte Aluminiumplatten

(z.B. aus EN AW 2017A, EN AW 5083, EN AW 6082, EN AW 7075, etc.)

Um aus den Barren Walzplatten herzustellen, werden zunächst die Gusshäute entfernt und das Metall auf Umformtemperatur erwärmt (500 – 600° C). Mit Unterbrechungen durch Zwischenglühungen werden die Barren anschließend auf das gewünschte Endmaß umgeformt (Umformen: Walzen, Schmieden). Hierbei wird das globulitische Gefüge in eine gestreckte Textur überführt, was zu vollständig unterschiedlichen Gefügeausprägungen in Dicke und Breite der Endprodukte führt.

Diese Unterschiede führen zu richtungsabhängigen Eigenschaften des Werkstoffes, die später bei der Herstellung von Endprodukten zu massiven Problemen führen können, z.B. durch die immensen Eigenspannungen von Aluminium-Walzplatten.

Bei aushärtbaren Knetlegierungen erfolgt im Anschluss zur Steigerung der Festigkeiten meistens eine zweistufige Wärmebehandlung.

G.AL® – Aluminium – Gussplatten

Die nach speziellen Parametern gegossenen Walzbarren werden im ersten Schritt einer legierungsspezifischen Wärmebehandlung unterzogen:

  • G.AL® C210/C250-Familie: Homogensieren und Entspannen; Zustand „O3“
  • G.AL® C330-Familie: Lösungsglühen, Abschrecken, Warmauslagern; Zustand „T79“

(mehr Informationen über die Werkstoffzustände von Aluminium)

Nach der Wärmebehandlung erfolgt pro Produktionscharge die Werkstoffprüfung durch ein externes Labor (GLEICH Aluminium ist der einzige Hersteller von Aluminium-Gussplatten, der systematische Werkstoffprüfungen vornimmt).

 

Nach Freigabe der Charge werden die die Gusshäute entfernt, die Barren mittels Bandsägen in Platten aufgesägt (VK-Produkte: G.AL®-Roh- bzw. Formenbaugussplatte) und bei Bedarf beidseitig feingefräst und schutzfoliert (VK-Produkte: G.AL®-Präzisionsgussplatten).

Das globulitische Gefüge ist also erhalten geblieben und sorgt somit für vollständig isotrope Eigenschaften im Metall.

Die Wärmebehandlung erfolgt im Hause GLEICH in elektrisch beheizten Öfen, wobei pro Ofen jeweils ein Barren individuell wärmebehandelt wird (weltweites Alleinstellungsmerkmal von GLEICH). So werden lokale Überhitzungen und Anschmelzungen, die in gasbefeuerten Batchöfen -viele Barren neben-, hinter- und übereinander- grundsätzlich immer auftreten und zu völlig unterschiedlichen Eigenschaften über den Barrenquerschnitt führen können, vollständig vermieden. Überhitzungen und Anschmelzungen können immer dann auftreten, wenn die grundsätzlich unten angeordneten Gasbrenner in Aktion treten. Hierbei kommt es zwangsläufig bei jedem Flammzyklus zu gravierenden Temperaturüberhängen.

Toleranzen von warmgewalzten Aluminiumplatten

Bedingt durch den Herstellprozess weisen Aluminium-Walzplatten nur sehr grobe Toleranzklassen in Dicke und Ebenheit auf, verbindlich geregelt in der Norm EN 485-3. Die Toleranzen gelten ausschließlich für ganze Platten, ein Herunterrechnen auf Zuschnittgröße ist nicht zulässig.

Die Dickentoleranz ist abhängig von der Plattendicke und –breite (siehe nebenstehende Tabelle).

Ein Beispiel:

Das Endmaß des Bauteils soll in der Dicke 20 ±0,1 mm betragen. Der gelieferte Zuschnitt darf jedoch im Extremfall an der einen Seite eine Dicke von 20,7 mm und auf der anderen Seite 19,3 mm aufweisen.

Da die Parallelität nicht genormt ist, kann dies bei Dicke 20 mm zu Abweichungen von bis zu 1,4 mm führen.

Die zulässige Ebenheit ist dickenabhängig und wird prozentual unterschiedlich auf Länge und Breite errechnet (siehe nebenstehende Tabelle 2).

Beispiel:

bei einem Zuschnitt von 20 x 500 x 500 mm darf die Ebenheit in Walzrichtung 6,04 mm und quer zur Walzrichtung 6,08 mm abweichen.

Toleranzen von G.AL®-Präzisions-Gussplatten

Die Toleranzen von Aluminium-Gussplatten unterliegen keiner Norm, es gelten die von jedem Hersteller individuell zugesicherten Toleranzen.

Die Dickentoleranz von G.AL®-Präzisionsgussplatten ist weder format- noch dickenabhängig und beträgt generell ±0,1 mm.

Die Parallelität darf somit nicht mehr als 0,2 mm abweichen.

Die Ebenheit von G.AL-Präzisions-Gussplatten, gemessen in mm/m, ist abhängig von der Legierungstype und der Plattendicke (siehe nebenstehende Tabelle). Die Ebenheitsabweichung von Zuschnitten darf nicht größer als die der ganzen Platte sein (Ausnahme: Breiten-Längenverhältnis >1:3).

Fehlerfreiheit von warmgewalzten Aluminiumplatten?

Die Fehlerfreiheit bezieht sich auf die Ober- und Unterseite von Walzplatten und ist in der Norm EN 485-1, Kap. 5.2.4 verbindlich geregelt. In dieser Norm heißt es u.a.:

„Die gewalzten Oberflächen müssen glatt und sauber sein. Kleinere Oberflächenfehler, wie beispielsweise geringfügige Streifen Kratzer, Riefen, Schieferstellen, Längsstreifen, Walzenschläge, Verfärbungen sowie etwas ungleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit, aus den Wärmebehandlungen resultierend, usw., die nicht immer ganz zu vermeiden sind, werden üblicher Weise auf beiden Seiten des Erzeugnisses zugelassen.

Obwohl keinerlei Maßnahmen zum Verdecken eines Fehlers erlaubt ist, ist die Beseitigung eines Oberflächenfehlers (Verputzen) gestattet, sofern die Grenzabmaße und die Eigenschaften weiterhin mit den Spezifikationen übereinstimmt.“

Diese extrem schwammigen Formulierungen lassen eine Vielzahl an Oberflächendefekten zu. Die Oberflächenbeschaffenheit und Fehlerfreiheit gehört also zu den sekundären Eigenschaften von Aluminium-Walzplatten. Eine Auswahl von zulässigen Fehlermerkmalen zeigen die folgenden Bilder:

Das nebenstehende Bild  zeigt schematisch wie tief ein Kratzer bei einer Plattendicke von 20 mm sein darf. Überschreitet die Kratzertiefe nicht den Wert der Dickentoleranz, sind solche Kratzer zulässig.

Fehlerfreiheit von G.AL® – Präzisionsgussplatten

Die Oberflächenbeschaffenheit und Fehlerfreiheit von Aluminium-Gussplatten unterliegt keiner Normung, es gelten die von dem jeweiligen Hersteller zugesicherte Oberflächenbeschaffen- und Fehlerfreiheit.

G.AL®-Präzisionsgussplatten werden beidseitig feinstgefräst, wobei es keine Überlappung von Fräsbahnen gibt. Die gefrästen Oberflächen weisen einen sehr hohen Glanzgrad auf. Nach dem Fräsen werden die Platten einer Sicht- (Beschädigungen, Kratzer, etc.) und Funktionskontrolle (Dicke, Ebenheit, Rautiefe) unterzogen. Auffällige Platten werden der Nacharbeit zugeführt.

Freigegebene Platten werden anschließend beidseitig mit einer PVC-Schutzfolie (Foliendicke 80 µm) versehen.

Die Fehlerfreiheit ist bei G.AL®-Präzisionsplatten somit eine primäre Eigenschaft.

Fazit

Endprodukte aus Aluminium-Walzplatten können, bedingt durch die immensen Eigenspannungen und/oder der groben Tolerierung und/oder der Vielzahl der zulässigen Oberflächendeffekte, sehr oft zu Fehlfertigungen oder aufwendiger Nacharbeit und somit zu nicht kalkulierten Kosten führen.

Unberücksichtigt bleibt darüber hinaus, dass unter Umständen ein massiver zeitlicher Aufwand für eine Dickenbearbeitung anstehen kann und somit dringend benötigte Kapazitäten (unnütz) gebunden werden.

G.AL ®– Präzisionsgussplatten weisen dagegen eine extreme Spannungsarmut, sehr enge Tolerierung und exzellente, fehlerfreie Oberflächen auf. Eine Dickenbearbeitung ist in der Regel nicht notwendig.

Zusätzliche Kosten durch Fehlfertigungen können drastisch reduziert werden. Die so freiwerdenden Kapazitäten können anderweitig sinnvoll genutzt werden

Die signifikant geringeren Ausschussmengen sparen überdies wertvolle Ressourcen; somit stellt die Verwendung von G.AL®-Gussplatten einen großen Beitrag zur Nachhaltigkeit von Fertigungsstätten und Produkten dar.

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