Hochleistungsfähige Stromschienen aus 6xxx-Aluminiumlegierungen
Der weltweite Übergang zu erneuerbaren Energien und elektrifizierter Infrastruktur führt zu einem raschen Wachstum leistungsstarker elektrischer Systeme. Wind- und Solarkraftwerke, Energiespeichersysteme, Elektrofahrzeuge, Ladeinfrastruktur, Rechenzentren und moderne Stromnetze sind auf effiziente, zuverlässige und skalierbare Lösungen zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie angewiesen. In diesem Zusammenhang spielen Stromschienen eine entscheidende Rolle, da sie kompakte Leiter darstellen, die hohe Ströme mit geringen Verlusten und hoher Betriebssicherheit transportieren.Die Materialauswahl für Stromschienen ist daher ein strategischer Faktor, um eine kosteneffiziente, leichte und nachhaltige Elektrifizierung zu ermöglichen. Aluminium hat sich als entscheidendes Leitermaterial etabliert. Es ist gut verfügbar, leicht rezyklierbar, und das Recycling spart signifikate Energiemengen im Vergleich zur Primärherstellung. Diese Eigenschaften stehen in Einklang mit Dekarbonisierungszielen und steigenden Anforderungen an die Nachhaltigkeit der Lieferkette in großtechnischen Energiesystemen [1-3].Stromschienen werden in einer Vielzahl von Anwendungen im Bereich erneuerbare Energien und Elektrifizierung eingesetzt, unter anderem als Gleich- und Wechselstromschienen in Solar- und Windwechselrichtern, Batterie-Energiespeichersystemen, Stromverteilereinheiten in Elektrofahrzeugen, Schnellladestationen, industriellen Leistungsmodulen, Rechenzentren sowie modernen Umspannwerken.
Vergleich mit Kupfer
Kupfer gilt aufgrund seiner ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit als Standardmaterial für Leiter in elektronischen Anwendungen. Allerdings hat Aluminium bereits im 20. Jahrhundert Kupfer in mehreren Anwendungen ersetzt, insbesondere in Hochspannungsleitungen [2]. Diese Entwicklung wurde sowohl durch technische als auch wirtschaftliche Faktoren beeinflusst. Tabelle 1 vergleicht wichtige physikalische Eigenschaften von Aluminium und Kupfer, die für elektrische Anwendungen relevant sind.
| Eigenschaft | Einheit | Aluminium | Kupfer |
|---|---|---|---|
| Elektrische Leitfähigkeit | [MS/m] | 35 | 58 |
| Dichte | [kg/m³] | 2.700 | 8.900 |
| Wärmeleitfähigkeit | [W/m·K] | 236 | 401 |
Aluminium weist eine geringere elektrische Leitfähigkeit auf als Kupfer. Daher muss der Querschnitt einer Aluminiumschiene üblicherweise etwa 1,5 bis1,7 mal größer ausgelegt werden, um dieselbe Stromleitfähigkeit zu erreichen. Da Kupfer jedoch eine mehr als dreifach höhere Dichte hat, führt der Einsatz von Aluminium trotzdem zu einer Gewichtsreduktion von etwa 48 bis 54 %. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil in gewichtssensitiven Anwendungen wie Windturbinen, Freileitungen und Elektrofahrzeugen dar.
Ein wesentlicher wirtschaftlicher Treiber für die Substitution von Kupfer durch Aluminium ist die langfristig deutlich höhere Preisentwicklung von Kupfer. Abbildung 2a zeigt die Preisentwicklung von Kupfer und Aluminium an der London Metal Exchange (LME) zwischen 1990 und 2026. Abbildung 2b zeigt den daraus resultierenden relativen Preisfaktor [4].
Seit ca. 2004 stiegen die Kupferpreise überproportional. Im Jahr 2025 betrug der durchschnittliche Preisfaktor von Kupfer zu Aluminium etwa 3,8. Wenn man zugleich die erreichbare Gewichtsreduktion berücksichtigt, ergibt sich ein effektiver Kostenvorteil von Faktor ca. 7,0 bis 7,9 zugunsten von Aluminium, ein enormes Einsparpotenzial, insbesondere bei groß dimensionierten Stromschienen.
Die Aluminiumlegierungen der 6xxx-Serie
Die 6xxx-Serie, hauptsächlich mit Magnesium und Silizium legiert, kommt in vielen Branchen zum Einsatz: Automobilindustrie, Luftfahrt, Bauwesen, Schifffahrt sowie Konsumgüter. Sie zeichnet sich durch gute Korrosionsbeständigkeit, mittlere bis hohe Festigkeit und hervorragende Umformbarkeit aus. Zudem sind 6xxx-Legierungen aushärtbar, wodurch ihre Eigenschaften über definierte Wärmebehandlungen gezielt eingestellt werden können. Für elektrische Anwendungen wie leistungsfähige Stromschienen bieten 6xxx-Legierungen eine attraktive Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit, ausreichender mechanischer Festigkeit und guter Umformbarkeit. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Legierungen wird im Wesentlichen beeinflusst durch die chemische Zusammensetzung, die Mikrostruktur und den Wärmebehandlungszustand.
- Chemische Zusammensetzung: Legierelemente verringern die elektrische Leitfähigkeit, indem sie als Gitterstörungen wirken, die den Elektronenfluss streuen. Das Ausmaß dieses Effekts hängt sowohl vom Typ als auch von der Konfiguration des Legierelements ab. In fester Lösung vorliegender Elemente haben in der Regel einen stärker negativen Einfluss als solche, die in Ausscheidungen gebunden sind [1].
Abbildung 3 zeigt den Einfluss ausgewählter Legierelemente (0,01 Gew.-% in fester Lösung) sowohl auf die Zugfestigkeit (ΔRm) als auch auf die elektrische Leitfähigkeit (Δσ) [5, 6]. Elemente wie Mn, Ti, V und Cr weisen einen besonders starken negativen Effekt auf die Leitfähigkeit auf.
- Mikrostruktur: Zusätzlich zur chemischen Zusammensetzung streuen mikrostrukturelle Merkmale wie Korngrenzen und Versetzungen ebenfalls Elektronen und verringern dadurch die Leitfähigkeit. Abbildung 4 zeigt den berechneten Einfluss von Korngrenzen, Versetzungen, Fremdatomen und Ausscheidungen sowohl auf die Festigkeit als auch auf den elektrischen Widerstand in einer 6xxx-Legierung [1].
- Wärmebehandlung und Zustand: Die Wärmebehandlung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Verteilung der Legierelemente zwischen fester Lösung und Ausscheidungen. Ausgehend von einer übersättigten festen Lösung (SSSS), typischerweise als Zustand T4 bezeichnet, fördert eine künstliche Alterung, Diffusion und Ausscheidungsbildung. Für 6xxx-Legierungen verläuft die Ausscheidungssequenz wie folgt [7, 8]:SSSS → clusters → Mg-Si co-clusters → GPI zones → β" (GPII) → β" → β (Mg₂Si)
Die höchste Festigkeit wird im β″-Stadium (T6-Zustand) erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist die Leitfähigkeit im Vergleich zu T4 verbessert, jedoch weiterhin durch verbleibende Fremdatome begrenzt. Durch fortgesetztes Auslagern entstehen gröbere, inkohärente Ausscheidungen, was die Festigkeit reduziert, jedoch die Leitfähigkeit weiter erhöht. Dieser überalterte Zustand wird als T7-Zustand bezeichnet [9].
Legierungen EN AW-6101 und EN AW-6101B
Die beiden Legierungen EN AW-6101 und EN AW-6101B sind besonders geeignet für Stromschienen. Ihre Legierungsbereiche sind in Tabelle 2 dargestellt [10]. Beide Legierungen verbinden moderate Si- und Mg-Gehalte mit eng kontrollierten Verunreinigungsniveaus. Dies ermöglicht eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig ausreichendem Ausscheidungshärtungspotenzial für die erforderliche Festigkeit.EN AW-6101 erreicht typischerweise die höchste Leitfähigkeit, da strengere Grenzwerte für Mn gelten, welches einen ausgeprägt negativen Einfluss auf die Leitfähigkeit hat [5]. Beide Legierungen sind im AMAG-Produktportfolio in verschiedenen Zuständen verfügbar und ermöglichen so eine gezielte Werkstoffauswahl für spezifische Kundenanforderungen.
| Legierung | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Al | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 6101 | Min. Max. | 0,30 0,70 | - 0,50 | - 0,10 | - 0,03 | 0,35 0,80 | - 0,03 | - 0,10 | Rest |
| 6101 | Min. Max. | 0,50 0,60 | 0,10 0,30 | - 0,05 | - 0,05 | - 0,60 | - - | - - | Rest |
Materialeigenschaften für verschiedene Zustände
EN AW-6101 und EN AW-6101B sind in den folgenden Zuständen verfügbar:
- Zustand T6: höchstfester Zustand – hohe Festigkeit, gute Leitfähigkeit
- Zustand T63: Zwischenzustand – gute Festigkeit, ausgezeichnete Leitfähigkeit
- Zustand T7: überalterter Zustand – mittlere Festigkeit, ausgezeichnete Leitfähigkeit
Abbildung 5 zeigt den Wärmebehandlungszyklus sowie die Entwicklung von Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit schematisch. Es ist erkennbar, dass die mechanische Festigkeit in den frühen Stadien der Auslagerung rasch zunimmt und im T6-Zustand ihr Maximum erreicht. In diesem Stadium sind die Ausscheidungen und die damit verbundene Verarmung der Aluminium-Matrix an Legierelementen jedoch noch nicht vollständig stabilisiert oder abgeschlossen, was zu einer nur moderaten elektrischen Leitfähigkeit führt. Am anderen Ende des Auslagerungsspektrums stellt der T7-Zustand einen vollständig überalterten Zustand dar, in dem die Ausscheidungsbildung weitgehend abgeschlossen ist. Dies führt zwar zu einer Reduktion der Festigkeit im Vergleich zu T6, jedoch steigt die elektrische Leitfähigkeit deutlich an. Der Zustand T63, eine von OEMs in der Stromschienenindustrie häufig verwendete Bezeichnung, stellt einen intermediären Auslagerungszustand zwischen T6 und T7 dar. Er bietet eine ausgewogene Kombination aus guter mechanischer Festigkeit und, aufgrund der in Abbildung 5 dargestellten asymptotischen Entwicklung, hoher elektrischer Leitfähigkeit und ist damit besonders attraktiv für anspruchsvolle Stromschienenanwendungen.
Tabelle 3 fasst die entsprechenden Werte für Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit zusammen, wobei die Leitfähigkeit zusätzlich in %IACS (International Annealed Copper Standard) angegeben ist. Aufgrund seines geringeren Mangangehalts kann EN AW-6101 eine Leitfähigkeit von über 57 % IACS (≥ 33 MS/m) erreichen.Die Umformbarkeit ist eine weitere zentrale Anforderung für Stromschienen. Biegetests gemäß ASTM E290 zeigen, dass alle angegebenen Zustände bei einem Biegefaktor von 1 einen Biegewinkel von 90° erreichen.
| Zustand | UTS [MPa] | Leitfähigkeit [MS/m] | Leitfähigkeit [%IACS] |
|---|---|---|---|
| T6 | ≥ 220 | ≥ 30 | ≥ 52 |
| T63 | ≥ 190 | ≥ 32 | ≥ 55 |
| T7 | ≥ 170 | ≥ 32 | ≥ 55 |
AMAG-Portfolio für leistungsfähige Stromschienen
Um hohe Stromtragfähigkeit zu gewährleisten, sind ausreichende Querschnittsflächen notwendig. AMAG liefert EN AW-6101 und EN AW-6101B derzeit in den Zuständen T6, T7 und T63 mit Dicken bis 6,0 mm. Versuche für Dicken bis 8,0 mm befinden sich in Vorbereitung.Maximale Coil-Breiten von bis zu 1.580 mm bieten Stromschienenherstellern eine hohe gestalterische Flexibilität. Parallel dazu befinden sich optimierte thermomechanische Prozessrouten in Entwicklung, die weiteres Verbesserungspotenzial sowohl hinsichtlich Festigkeit als auch elektrischer Leitfähigkeit eröffnen. Im Vergleich zu stranggepressten Produktionsrouten bieten gewalzte Stromschienen mehrere inhärente Vorteile. Dazu gehören engere Dimensionstoleranzen, eine verbesserte Wärmeabfuhr infolge eines höheren Oberflächen-Volumen-Verhältnisses sowie eine typischerweise höhere mikrostrukturelle Homogenität über den gesamten Querschnitt.
Zusammenfassung
Die 6xxx-Legierungen stellen eine äußerst attraktive Alternative zu Kupfer für hochleistungsfähige Stromschienen dar. Die Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit, ausreichender mechanischer Festigkeit, ausgezeichneter Umformbarkeit sowie deutlichen Kosten- und Gewichtsvorteilen macht sie besonders geeignet für moderne Elektrifizierungssysteme und erneuerbare Energiesysteme.
Mit den Legierungen EN AW-6101 und EN AW-6101B für Stromschienen positioniert sich AMAG als verlässlicher Anbieter leistungsstarker Aluminiumlösungen, die eine effiziente, nachhaltige und wirtschaftlich wettbewerbsfähige elektrische Infrastruktur in den Bereichen Transport, Energieerzeugung und Energiespeicherung ermöglichen.
Kundenvorteile der AMAG 6xxx-Legierungen gegenüber Kupfer für Stromschienen
- Geringere Kosten (Faktor 7,0 bis 7,9) infolge deutlich niedrigerer Materialpreise und reduziertem Gewicht pro Ampere
- Bis zu 50 % Gewichtsreduktion, was eine einfachere Handhabung und geringere Systemlasten ermöglicht
- Verbesserte Nachhaltigkeit durch hohe Recyclingfähigkeit und niedrigen CO2-Fußabdruck
- Hohe Gestaltungsflexibilität dank ausgezeichneter Umformbarkeit und breitem Dimensionsportfolio
- Hervorragende elektrische Leistungsfähigkeit moderner 6xxx-Legierungen
- Zuverlässige Versorgung und Skalierbarkeit aufgrund der weltweiten Verfügbarkeit von Aluminium
Quellen:
[1] Khangoli S., Javidani M., Maltais A., Chen X. (2022) Review on recent progress in Al-Mg-Si 6xxx conductor alloys. Journal of Materials Research 37:670-691, doi:10.1557/s43578-022-00488-3[2] Czerwinski F. (2024) Aluminium alloys for electrical engineering: a review. Journal of Materials Science 59:14847-14892, https://doi.org/10.1007/s10853-024-09890-0[3] Sampaio R., Zwicker M., Pragana J., Bragança I. et al. (2022). Busbars for e-mobility: State-of-the-Art Review and a New Joining by Forming Technology. In Davim JP (Ed.), Mechanical and Industrial Engineering. Materials Forming, Machining and Tribology. Springer, Cham, p 111-141, https://doi.org/10.1007/978-3-030-90487-6_4[4] London Metal Exchange (2026). In: LME Historical Market Data - LME Monthly Average Prices. https://www.lme.com/en/Market-data/Accessing-market-data/Historical-data. Accessed 15 January 2026[5] Bunte C., Glassel M., Medina C., Zaclman D. (2015) Proposed Solution of Random Characteristics of Aluminium Alloy Wire Rods Due to the Natural Aging. Procedia Materials Science 9:97-104, https://doi.org/10.1016/j.mspro.2015.04.012[6] Fortin P. (1972) Factors influencing electrical conductivity and strength of aluminum and its alloys. Canadian Metallurgical Quarterly 11(2):309-315, https://doi.org/10.1179/cmq.1972.11.2.309[7] Banhart J., Sin Ting Chang C., Liang Z. et al. (2010) Natural Aging in Al-Mg-Si Alloys - A process of unexpected complexity. Advanced Engineering Materials 12(7):559-571, https://doi.org/10.1002/adem.201000041[8] Aruga Y., Kozuka M., Takaki Y., Sato T. (2016) Effects of natural aging after pre-aging on clustering and bake-hardening behaviour in an Al-Mg-Si alloy. Scripta Materialia 116:82-86, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.01.019(Ed.), Light Metals 2024, Springer Nature Switzerland, Cham, 2024, pp. 226-233.[9] Lin G., Zhang Z., Wang H., Zhou K., Wei Y. (2016) Enhanced strength and electrical conductivity of Al-Mg- Si alloy by thermo-mechanical treatment. Materials Science and Engineering:A 650:210-2017, https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.10.050[10] European Committee for Standardization. (2024). EN 573-3:2024-08-01 Aluminium and aluminium alloys — Chemical composition and form of wrought products — Part 3: Chemical composition and form of products
Kommentare
Einen Kommentar schreiben