AMAG CrossAlloy® - die neue Generation von recyceltem Aluminium

Die Aluminiumindustrie ist in den letzten Jahrzehnten einem tiefgreifenden Wandel unterzogen worden, wobei fast ein Drittel der weltweiten Aluminiumproduktion aus dem Recycling stammt [2]. Die Umsetzung eines nachhaltigen Recyclings ist jedoch mit Herausforderungen verbunden. Verunreinigungen wie Fe und Si in den Schrottströmen beeinträchtigen die Leistung der Legierung, während die uneinheitliche Schrottqualität die Verarbeitung erschwert. Trotz dieser Hindernisse wird die Branche durch Fortschritte in der Recyclingtechnologie, insbesondere für hochwertige Anwendungen, verändert [3].Die Nachfrage nach Aluminiumlegierungen in Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie steigt weiter, angetrieben durch Elektrifizierungstrends und Nachhaltigkeitsziele. Automobilhersteller setzen zunehmend auf Aluminium, um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, während die Luft- und Raumfahrtindustrie weiterhin hochfeste, korrosions- und ermüdungsbeständige Legierungen für kritische Strukturbauteile benötigt. Diese Nachfrage unterstreicht den Bedarf an innovativen Lösungen, die Leistung und Recyclingfähigkeit in Einklang bringen [4-6].Herkömmliche Recyclingmethoden werden den Anforderungen jedoch oft nicht gerecht. Beim Downcycling werden hochwertige Schrotte zu minderwertigen Legierungen verarbeitet und damit wertvolle Materialpotenziale vergeudet. Um dem entgegenzuwirken, stellt die Entwicklung von Crossover-Legierungen eine entscheidende Innovation dar. Diese Legierungen schließen die Lücke zwischen aus Schrott gewonnenen Materialien und hohen Leistungsanforderungen und ermöglichen es so, fortschrittliche Aluminiumlösungen mit einem hohen Recyclinganteil herzustellen [7, 8].

Legierungen in Automobil- und Luftfahrtanwendungen

Ein Beispiel für die Vielseitigkeit des Werkstoffs und seine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung technologischer Leistungen ist der Einsatz von Aluminiumlegierungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. In der Automobilindustrie dominieren Aluminiumlegierungen wie die 5xxx- und 6xxx-Serie aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und ihres günstigen Preis-Leistungs-Verhältnisses. Ein durchschnittliches Fahrzeug in der EU enthält 180 kg Aluminium, das sich zu etwa 44 % aus Knetlegierungen und zu 56 % aus Gusslegierungen zusammensetzt, die je nach Anwendung in 26 verschiedene Legierungen unterteilt werden können [4, 9]. Im Gegensatz dazu werden in der Luft- und Raumfahrt hochfeste Legierungen mit geringer Dichte benötigt, die extremen Betriebsbedingungen standhalten. Die 2xxx- und 7xxx-Serien, die sich durch einen hohen Kupfer- bzw. Zinkanteil auszeichnen, werden häufig für kritische Bauteile wie Flugzeugzellenstrukturen, Flügelhäute, Stringer oder Stabilisatoren verwendet.Die Entwicklung in diesem Sektor wird durch einen Kompromiss zwischen Ermüdung und Festigkeit vorangetrieben. Darüber hinaus sind Legierungen häufig korrosionsanfällig. Dies erfordert Schutzbeschichtungen und  -behandlungen und stellt zukünftige Recyclingverfahren vor Herausforderungen [5, 6, 10]. Eine große Herausforderung stellen die Recyclingpraktiken in diesen Branchen dar. Automobilschrott aus Altfahrzeugen besteht in der Regel aus Mischlegierungen, die durch Fügeverfahren und Verunreinigungen wie Fe und Si belastet sind. Effektive Sortiertechnologien wie laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), Röntgentomographie (XRT) und fortschrittliche Wirbelstromscheider sind entscheidend für die Verbesserung der Schrottqualität. Das Recycling von Luft- und Raumfahrtmaterialien wird durch Beschichtungen behindert, die gefährliche Elemente wie Cr(VI) enthalten. Diese erschweren die Umschmelz- und Raffinationsprozesse. Trotz dieser Hindernisse schreiten die Initiativen zur Verbesserung der Trenntechniken und zur Verfeinerung der Recyclingprozesse weiter voran, insbesondere bei der Einführung umweltfreundlicher Technologien zur Reinigung von Legierungen [11-13].

Mit der steigenden Nachfrage nach Leichtbauwerkstoffen für Elektrofahrzeuge und fortschrittliche Konstruktionen in der Luft- und Raumfahrt steigt auch die Dringlichkeit, die Recyclingwege zu optimieren. Es wird erwartet, dass der Übergang zu elektrischen Antrieben den Verbrauch von Gusslegierungen deutlich verringern wird, was den Bedarf an Hochleistungsknetlegierungen aus Recyclingmaterial noch erhöht. Tabelle 1 zeigt die für die Jahre 2030 bis 2050 prognostizierten Verunreinigungsgehalte im Schrott und die derzeit zulässigen Konzentrationen in den Klassen der Aluminiumknetlegierungen. Die Diskrepanz bei einigen Qualitätsklassen ist offensichtlich [3]. In diesem Zusammenhang stellt die Entwicklung von Crossover-Legierungen einen notwendigen Fortschritt dar, der die effiziente Nutzung von recyceltem Aluminium bei gleichzeitiger Erfüllung strenger Leistungsanforderungen ermöglicht.

Einführung von Aluminium-Crossover-Legierungen

Crossover-Legierungen stellen einen bahnbrechenden Fortschritt in der Entwicklung von Aluminiumlegierungen dar, indem sie die Lücke zwischen den Eigenschaften traditionell unterschiedlicher Legierungsklassen schließen und gleichzeitig höhere Mengen an Fremdelementen enthalten. Diese Legierungen wurden entwickelt, um den Herausforderungen der zunehmenden Nachhaltigkeit in Hochleistungsanwendungen gerecht zu werden, und sind einzigartig positioniert, um die doppelte Anforderung einer erhöhten Verwendung von Mischschrott und mechanischer Exzellenz zu erfüllen. Abbildung 1 zeigt die Leistungsfähigkeit einiger Mitglieder der AMAG-CrossAlloy®-Familie unter verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen im Vergleich zu herkömmlichen Knetlegierungen.Das Konzept der Crossover-Legierungen besteht darin, die vorteilhaften Eigenschaften etablierter Legierungsfamilien zu kombinieren und gleichzeitig den Einsatz unterschiedlicher Schrottströme zu ermöglichen.Neben den Kombinationen 5xxx/7xxx (AMAG CrossAlloy®.57) und 6xxx/8xxx (AMAG CrossAlloy®.68) werden zunehmend auch 2xxx/7xxx- und 6xxx/7xxx-Kombinationen in der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft erforscht. Ein 2xxx/7xxx-Crossover erlaubt eine erstärkung durch mehrphasige Ausfällung und damit eine Verkürzung des langwierigen Produktionsprozesses bei Legierungen der 2xxx-Serie [18, 19]. Andererseits ermöglicht die Einführung von Zn in 6xxx/7xxx-Crossover-Legierungen höhere Festigkeiten [20], da es in die Struktur aller Phasen eindringen kann, ohne die Ausfällungssequenz zu verändern, was aber dennoch zu Ausfällungsstörungen führt [20, 21]. Zink (Zn) spielt in diesen Legierungen eine entscheidende Rolle, insbesondere für das Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Zusammenfassung

Aluminium ist ein unverzichtbarer Werkstoff in der modernen Technik, der für seine Leichtigkeit, hohe Recyclingfähigkeit und Vielseitigkeit bekannt ist. Vor allem in der Transport- und Luftfahrtindustrie trägt Aluminium zur Energieeffizienz und zur Reduzierung der CO₂-Emissionen bei. Obwohl recyceltes Aluminium in Bezug auf den Energieverbrauch vorteilhaft ist, gibt es Herausforderungen wie Verunreinigungen und eine uneinheitliche Schrottqualität, die sich sowohl auf die Verarbeitung als auch auf die Leistung der Legierungen auswirken. Daher sind innovative Lösungen, die Leistung und Recyclingfähigkeit in Einklang bringen, von entscheidender Bedeutung, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden.Basierend auf den aktuellen Prognosen haben Crossover-Legierungen das Potenzial, dieses Problem zu lösen, indem sie die effektive Nutzung von recyceltem Aluminium ermöglichen und gleichzeitig strenge Leistungsanforderungen erfüllen.