Recycling­gusslegierung für Aluminium-Räder

Um diese hohen Anforderungen zu erfüllen, war der bisherige Einsatz von Recyclingmaterialien bei Aluminiumrädern wegen strenger Einschränkungen der Legierungsbestandteile und deren Mengen (z. B. Eisen, Kupfer) begrenzt. AMAG und AUDI entwickelten daher in einer mehrjährigen Kooperation eine AlSiMg-Legierung, welche:

• einen Recyclinganteil von über 70 % ermöglicht,
• die hohen technischen und die Korrosion betreffenden Anforderungen erfüllt,
• stärker verunreinigte Post-Consumer-Schrotte nutzt und den CO₂-Fußabdruck reduziert.

Um die Serienreife zu erreichen, wurden umfangreiche Prüfungen durchgeführt: Festigkeit, Korrosion, Gießbarkeit und Langzeitbelastung. Während alle Spezifikationsanforderungen erfüllt wurden, war man in Hinblick auf die Korrosionsanforderungen besonders vorsichtig. Nachdem die von AMAG und AUDI entwickelte und von RONAL GROUP abgegossene Recycling-Gusslegierung für lackierte Räder eingesetzt wurde, konnten die hohen Anforderungen nun auch für glanzgedrehte Räder erreicht werden (Abbildung 1).Dieser bedeutende Meilenstein zeigt, dass vorteilhafte Eigenschaften von Primärlegierungen auch mit Recyclinglegierungen realisiert werden können.Die neue Legierungsklasse eröffnet ganz neue Möglichkeiten in Bezug auf den Einsatz von Recyclinglegierungen und die Erfüllung der Nachhaltigkeitsanforderungen, ohne dabei Kompromisse in Bezug auf erforderliche Eigenschaften eingehen zu müssen.

Durch die Entwicklung der legislativen Rahmenbedingungen zeigen die Kunden aktuell eine größere Offenheit für Diskussionen über recyclingfreundliches Legierungsdesign: Sie sind bereit, Neuentwicklungen zu prüfen und alte Spezifikationen zu hinterfragen, ob darin enthaltene Anforderungen tatsächlich einen Produktmehrwert bringen oder nur im historischen Kontext gewachsen sind. Aus Sicht der AMAG ist dies der richtige Weg, um Bauteile nachhaltig ressourcenschonend herzustellen. Die Nachfrage nach CO₂-reduzierten Aluminium-Bauteilen in der Automobilindustrie ist in den letzten Jahren massiv gestiegen. Unabhängig von den hohen mechanischen Anforderungen an Bauteile kommen bei Aluminium-Rädern noch die Aspekte Korrosionsbeständigkeit, Optik und Designfähigkeit hinzu. AMAG hat über mehrere Jahrzehnte eine hohe Expertise im Bereich der Materialwissenschaft und des wertschöpfenden Recyclings aufgebaut. In Kombination mit den in unserem Hause zur Verfügung stehenden Verfahren zur Aufbereitung von vermischten Schrotten durch den Einsatz sensorbasierter Schrottsortier-Anlagen (X-Ray Transmission, LIBS…) ist die AMAG bestens gerüstet, diesen Kundenanforderungen Rechnung zu tragen.Nach mehrjährigen Entwicklungsanstrengungen ist es gelungen, eine AlSiMg-Legierung mit einem erweiterten analytischen Toleranzfeld und einem hohen möglichen Rezyklat-Gehalt von über 70 % zu entwickeln. Dadurch ist es auch gelungen, das Einsatzmaterialportfolio für Schrotte deutlich zu erweitern.

Das für die lackierten Räder durchgeführte Legierungsentwicklungsprojekt für sicherheitsrelevante Bauteile im Sichtbereich, das gemeinsam mit AUDI als OEM und RONAL GROUP als Radhersteller erfolgreich abgeschlossen wurde, zeigte, dass Räder mit einem hohen Recyclinganteil alle Anforderungen bestehender Spezifikationen erfüllen, wenn die chemische Legierungszusammensetzung und die Prozessführung geeignet angepasst werden. Diese Räder wurden lackiert, u. a. als Winterräder konzipiert und in Serie vertrieben.Um entsprechende „Real World“ Erfahrungen zu sammeln, wurde zuerst ein vollständig (schwarz) lackiertes Rad auf den Markt gebracht. Sollte sich das Material in diesem Umfeld beweisen, wurde als nächster Schritt eine glanzgedrehte Felge geplant, die Königsklasse im Bereich Korrosionsanforderungen, da hier das Thema Sichtbarkeit und Kundenaufmerksamkeit noch deutlich höher angesiedelt ist.Daher wurde für glanzgedrehte Felgen die Legierungszusammensetzung weiter angepasst, um insbesondere eine noch bessere Korrosionsperformance zu garantieren. Dies betrifft vor allem die durch Schrotte gängigen Hauptverunreinigungselemente Fe, Cu und Zn, aber auch Mn, Cr, Ni und andere wurden weiter untersucht, um deren Einfluss auf das visuelle Ergebnis der umfangreichen Korrosionsprüfungen zu ermitteln. Beispielsweise kann die Bildung von plattenförmigen α-AlFeSi Phasen durch die Zugabe von Mn reduziert bzw. in weniger kritische blockige ß-AlFeSi umgewandelt werden. Dennoch erhöht die weitere Zugabe von Mn den Anteil an intermetallischen Phasen, welche gegenüber der Matrix spröder und damit eher duktilitätsmindernd wirken.

Ähnliche Zusammenhänge ergeben sich mit Mg, Zn und Cu. Kupfer kann beispielsweise Al₂Cu bilden, eine Phase mit einem besonders hohen Potenzialunterschied zur Aluminiummatrix und somit hohem Korrosionspotenzial. Beim richtigen Verhältnis zu den anderen Elementen kann diese Phase jedoch weitgehend unterdrückt und die entstehende Hauptphase umgewandelt werden. Gleiches gilt für die AlZn₂-Phase. Andere Phasen, die entstehen (können) wie bspw. die Q/Q‘-Phase, die T-Phase und die ɳ/ɳ‘ Phase weisen einen deutlich geringeren Potenzialunterschied zur Aluminium-Grundmatrix auf und vermindern damit den Korrosionsangriff erheblich. Das Einstellen des korrekten Verhältnisses von Mg, Cu und Zn ist daher wichtig, um die Korrosion auf das mögliche Minimum zu reduzieren. Da das Alterungsverhalten von Al-Si-Mg Legierungen mit Cu und Zn aufgrund des Auftretens zahlreicher Zwischenphasen oft recht komplex sein kann, ist die Zusammensetzung auf die klassische T6 Wärmebehandlung des Räderproduktionsprozesses abzustimmen und dieser eventuell anzupassen.Hinweise, welcher Phasenmix bei gegebener Zusammensetzung das geringste Korrosionspotenzial aufweist, kann ein Potenzialmapping mittels Kelvinsondenrasterkraftmikroskopie (SKPFM) geben, wie sie in den Abbildungen 2 und 3 mit Vergleich zu einer primären AlSi7Mg als Referenz (REF) gezeigt wird.Zum Erstellen des Potenzialmappings mittels SKPFM werden quadratische Felder einer Größe von 90 x 90 qm² innerhalb der mit dem REM aufgenommenen Bildbereiche abgerastert. Dafür wird der intermittierende Modus (tapping mode) mit einer Scanrate von 0,5 Hz und einem Scanwinkel von 90° verwendet und jeweils eine topografische Aufnahme sowie ein Potenzialmapping erstellt. Der bedeutendste Parameter, der aus den Stromdichte-Potenzial-Kurven gewonnen werden kann, um einen Unterschied im Korrosionsverhalten der untersuchten Proben aufzuzeigen, ist die Breite des Passivbereichs. Sie wird aus der Differenz des Ruhepotenzials Ecorr und des Lochkorrosionspotenzials Epit ermittelt. Darauf folgen das Lochkorrosionspotenzial Epit selbst, das Repassivierungspotenzial Epassiv sowie die Korrosionsstromdichte icorr. Die verwendeten Lösungen haben ebenfalls Einfluss auf das Ergebnis. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen hier bei sonst gleichem anderem Parameter den Einfluss der Lösung.

Dieses Beispiel zeigt, dass es nicht „eine“ beste Lösung gibt, sondern alle Einflussfaktoren berücksichtigt werden müssen, um ein optimales, ganzheitlich zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen.Nach dem Finden des besten Toleranzintervalls einer AlSi7Rec für glanzgedrehte Legierungen wurde diese Legierung mit einer AlSi7Mg unter Realbedingungen in einer etablierten Serienrädergeometrie abgegossen und rigoros geprüft und mit der Referenz verglichen. Abschließend kann das erfreuliche Ergebnis mitgeteilt werden, dass AlSi7Rec auch die Tests für glanzgedrehte Räder bestanden hat. Damit kann AMAG ab sofort eine innovative und nachhaltige Aluminium-Gusslegierung anbieten, damit Aluminium-Räder den aktuellen und künftigen Anforderungen entsprechen und hohe Nachhaltigkeitsansprüche erfüllen.

Dieses Know-how zu Legierungszusammensetzung und daraus ableitbarer Performance im Feldeinsatz ist AMAGs USP, da diese Erfahrung als Lieferant und Legierungsentwickler seit Dekaden aufgebaut wurde. Somit kann AMAG auf die unterschiedlichsten Kundenbedürfnisse bestmöglich eingehen und zum Erfolg beitragen. AMAG bietet alle Voraussetzungen dafür:

• Erfahrung im Umgang mit Aluminium-Recycling seit mehr als 40 Jahren, langjährige Closed-Loop-Partnerschaften für Gusslegierungen
• Modernste Schmelz- und Gießtechnik
• Modernste Aufbereitungs- und Sortiertechnologien für Aluminiumschrotte
• Center for Material Innovation (CMI) mit modernst ausgestatteten Labors für Mikroskopie, Mechanik, Oberfläche, Chemie und Umwelt
• Umfangreiches Netzwerk aus renommierten Universitäten und Forschungseinrichtungen
• Laufende Forschungsarbeiten (Dissertationen, Projekte u. a. mit Kunden) zum Thema Recycling & Recyclinglegierungen
• Unterstützung in Bezug auf den Produktionsprozess und die dafür erforderliche Schrottlogistik

Gerne bietet AMAG auch eine „All-in-one“ Lösung an, welche auch die Rücknahme von Schrotten beinhaltet. Denn beim Aluminium-Recycling bietet sich die Möglichkeit der Schließung von Materialkreisläufen in den industriellen Produktionsabläufen, welche zwischen Kunden und AMAG gemeinsam entwickelt, effizient gestaltet und standardisiert werden.

Das Ziel ist, Aluminium-Produkte werthaltig im Kreislauf zu führen und die hervorragende Rezyklierbarkeit von Aluminium bestmöglich zu nutzen.