Widerstände überwinden mit aluminium

Große Kostenvorteile gegenüber Kupfer

Basierend auf der hohen spezifischen elektrischen Leitfähigkeit, dem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Korrosionsbeständigkeit hat sich Kupfer in der Vergangenheit als Werkstoff der Wahl für stromführende Anwendungen etabliert. Im Hinblick auf Leichtbauinteressen und aus kommerzieller Sicht stellt Aluminium jedoch durch kontinuierliche Werkstoffoptimierungen eine bessere Alternative dar [1].Mit einer Dichte von 8,96 g/cm³ weist Kupfer eine mehr als dreimal so hohe Dichte im Vergleich zu Aluminium mit 2,70 g/cm³ auf [2]. Gleichzeitig liegt der Metallpreis von Kupfer fast viermal über dem des Aluminiums (Stand: Juli 2024), weshalb trotz des Nachteils der geringeren elektrischen Leitfähigkeit große Kosten- und Gewichtseinsparungen mit Aluminium erzielt werden können [3]. Aluminiumleiter benötigen demzufolge etwas erhöhte Querschnitte gegenüber Kupferleitern, um die gleiche Dichte an elektrischem Stromfluss zu gewährleisten.

Legierungsfamilien

Innerhalb des Werkstoffs Aluminium existieren zwei Legierungsfamilien, die sich für den Einsatz in Bus Bar Applikationen eignen.Einerseits umfasst dies die 1xxx- Legierungen mit fast reinem Aluminium und andererseits die 6xxx-Legierungen aus Al-Mg-Si. Obwohl reine 1xxx-Aluminiumlegierungen eine höhere elektrische Leitfähigkeit erzielen können, sind sie zum Teil zu weich für die Anforderungen innerhalb des Verarbeitungsprozesses.Zusätzlich wird aufgrund ihrer Reinheit ein höherer Anteil an Primäraluminium benötigt, was wiederum mit einem höheren CO₂-Fußabdruck einhergeht [4].

Ein wichtiger Faktor für Bus-Bar-Anwendungen ist eine hohe Biegefähigkeit des Materials bei der Verarbeitung, um beispielsweise den Platzbedarf im kompakten Batterieverbund zu reduzieren. Aluminium bietet gegenüber Kupfer aufgrund eines besseren Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses bei Al-Mg-Si-Legierungen einen zusätzlichen Vorteil [5].

Einflussfaktoren auf die elektrische Leitfähigkeit

Für Anwendungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist die Legierung EN AW-6101 am weitesten etabliert. (Chemische Zusammensetzung siehe Tabelle 1.)Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials wird im Wesentlichen von zwei Einflussvariablen bestimmt: Auf der einen Seite durch die chemische Zusammensetzung und auf der anderen Seite durch den Lösungszustand der Legierungselemente im Basiswerkstoff [6]. Infolge ihres hohen spezifischen elektrischen Widerstands reduzieren die Elemente Chrom, Lithium, Titan, Vanadium und Mangan die Leitfähigkeit des Gefüges stark.Mangan ist dabei von besonderer Bedeutung für die Endverwendung, da es sich dabei um ein typisches Nebenelement in einer 6xxx-Legierung handelt [2].

Die elektrische Leitfähigkeit steigt, wenn die Legierungselemente im Gefüge im ausgeschiedenen Zustand grob vorliegen. Dies ermöglicht den Elektronen, sich freier durch das Gefüge zu bewegen. Im gelösten Zustand und mit einer feinen Verteilung der Legierungselemente wird die gesamte Aluminium-Matrix verzerrt und das Wandern der Elektronen behindert, weshalb die Leitfähigkeit abnimmt. Im Gegensatz dazu verringert die Bildung von groben Mg₂Si-Ausscheidungen die Festigkeit, weshalb ein Kompromiss zwischen diesen Materialeigenschaften berücksichtigt werden muss.Das Material wird ausgehend vom Zustand T4 über den Zustand T6 schließlich in den überalterten Verarbeitungszustand T7 überführt und an den Kunden ausgeliefert [7, 8]. Der Zustand T7 ist dadurch weich und besticht durch eine sehr gute Verarbeitbarkeit.

Zustandskinetik von 6xxx- Legierungen

Der Mechanismus zur Festigkeitssteigerung bei 6xxx-Legierungen beruht hauptsächlich auf der Bildung von Mg₂Si-Ausscheidungen und deren Zwischenstufen. Diese Ausscheidungen behindern das Gleiten von Versetzungen auf den Gleitebenen. Als Versetzungen werden eindimensionale Gitterbaufehler bezeichnet, die durch ihr Gleitverhalten in der Mikrostruktur die Festigkeit eines Werkstoffes charakterisieren. Nach dem Walzprozess wird diese Legierung einer Lösungsglühung und anschließenden Abschreckung auf Raumtemperatur unterzogen, um die Legierungselemente in eine übersättigte Lösung zu überführen. Dieser Zustand wird als T4 definiert. Das Material ist weich und leicht formbar, aber da die Legierungselemente in Lösung sind, behindern sie auch den Elektronenfluss und führen zu einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit [6]. Im Gegensatz zu klassischen Anwendungen im Karosseriebau, stellt der Zustand T4 aufgrund dessen keine Option für die Produktion von elektrischen Leitern dar. Anschließend werden deshalb mittels Auslagerungsglühungen die Zwischenstufen der Ausscheidungen gebildet, um die gewünschte Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit des Materials einzustellen. Der beste Kompromiss aus Festigkeit und Leitfähigkeit wird in der Regel durch den überalterten Zustand T7 erzielt, wobei der Festigkeitspeak des Werkstoffs bereits überschritten wurde und wieder deutlich abgesunken ist. Die feinverteilten Ausscheidungen schließen sich zusammen und wachsen zu wenigen großen Mg₂Si-Ausscheidungen heran. Deshalb ist die Festigkeit im Zustand T7 geringer als im Werkstoffzustand T6 [7, 9]. Die Abbildung 1 verdeutlicht, welche Auswirkungen der Verlauf von Zeit und Temperatur auf die Werkstoffzustände hat.

Produktionsverfahren

Prinzipiell können Aluminium-Bus Bar-Produkte über die zwei Fertigungsverfahren Strangpressen oder Walzen hergestellt werden. Gewalztes Material liefert dabei wesentliche Vorteile:

• Wärmeableitung - Die meist flacheren Geometrien ergeben eine größere spezifische Oberfläche, wodurch die entstehende Wärme in der Endanwendung schneller abgeführt werden kann.
• Toleranzen - Es sind deutlich engere Dimensionstoleranzen darstellbar.
• Homogenität - Eine gleichmäßigere Gefügestruktur ermöglicht ein ausgeglicheneres Materialverhalten.

AMAG Lösung AL4® ED 6BB-150

Um dem Kundenbedarf nach elektrischen Leiterwerkstoffen bestmöglich gerecht zu werden, hat die AMAG die neue Produktgruppe AL4® ED 6BB-150 entwickelt. Die Produktentwicklung der neuen Güte ist ein mustergültiges Beispiel für die Synergieeffekte, die das breite AMAG-Portfolio bietet. Ursprünglich wird ein ähnliches Produkt bereits für Blitzableiter im Flugzeugbau eingesetzt und im Serienmaßstab hergestellt. Auf dieser Grundlage konnte schnell und effizient das passende Material produziert werden. Nachfolgend wird eine Übersicht zu verschiedenen Produktkennwerten gegeben.

Produktfakten (Blechdicke 3,0 mm):

• Elektrische Leitfähigkeit bis zu 58,1 % IACS (33,7 MS/m),
• Dehngrenze Rp_0,2 von mindestens 150 MPa,
• Korngröße von 50 μm,
• Biegefähigkeit von 180° gemäß ASTM290 (Radius N=1).

Da mithilfe der abschließenden Überalterungsglühung das Verhältnis von Festigkeit zur elektrischen Leitfähigkeit signifikant beeinflusst wird, kann je nach individuellem Kundenbedarf eine neue Variante mit einem angepassten Eigenschaftsfenster kreiert werden. In dem aufgezeigten Produktbeispiel liegt der Fokus auf einer Mindestfestigkeit von 150 MPa, wobei eine Leitfähigkeit von 58,1 % IACS erzielt wird. Bei Anforderungen mit einer niedrigeren Festigkeit können größere Leitfähigkeiten generiert werden. Im Gegensatz dazu führen höhere Festigkeitsanforderungen zu Material mit einer niedrigeren Leitfähigkeit. Entsprechend der AMAG DNA ist für diese Neuentwicklung Nachhaltigkeit ein essenzielles Kriterium, sodass das Produkt ebenso als AL4® ever-Variante mit garantiertem und reduziertem CO₂-Fußabdruck hergestellt werden kann.