Verbesserte Prävention von Formlötungen beim Aluminium-HPDC

Das Löten ist ein entscheidender Bestandteil des Aluminium-Druckgusses. Es beschreibt einen Gießfehler, der auftritt, wenn das Aluminiumteil an der Stahloberfläche der Druckgussform klebt und dadurch die Entformung behindert. Es ist einer der häufigsten Gründe für schlechte Gussqualität und Schäden an der Gussform, was deren Lebensdauer entscheidend verkürzt. Eine weit verbreitete Methode zur Vorbeugung ist der Zusatz von Mangan zur Legierung. Mangan trägt jedoch auch zur Bildung von intermetallischen Phasen mit Aluminium, Silizium und Eisen bei. Diese Phasen sind sehr spröde, weshalb eine Erhöhung des Mangangehalts im Material zu einer erheblichen Verringerung der Duktilität führt. Für strukturelle Gussteile, wie sie in der Automobilindustrie verwendet werden, ist eine ausreichend hohe Duktilität erforderlich, um die Verarbeitbarkeit zu gewährleisten. Insbesondere bei der Verwendung hochfester Legierungen zur Erzielung dünner Wandstärken und geringerer Bauteilgewichte tritt dieses Problem in den Vordergrund. Eine Alternative für Mangan zur Verhinderung des Matrizenlötens könnte daher die Duktilität der Aluminiumlegierungen verbessern und damit das Leichtbaupotenzial erhöhen.

Der Mechanismus hinter der Entstehung von Formlötungen

Wenn das geschmolzene Aluminium mit dem Stahlgesenk in Berührung kommt, findet eine starke Interdiffusion statt, die auf die hohe Affinität von Aluminium und Eisen zurückzuführen ist. Dies führt zur Bildung von verschiedenen intermetallischen Schichten an der Grenzfläche. Verantwortlich für die Verbindung zwischen der Aluminiumkomponente und der Stahlmatrize ist im Falle von Al-Si-Legierungen die unregelmäßige Form der β-Al5FeSi-Phase. Diese monokline Phase wächst nadelförmig von der Matrizenoberfläche in die Aluminiumlegierung hinein, wodurch eine große Grenzfläche entsteht und die beiden Komponenten miteinander verbunden werden. Wird der Legierung jedoch Mangan zugesetzt, ändert sich die Form der Grenzfläche. Mangan verhindert die Bildung der β-Phase, indem es die Gitterplätze des Eisens besetzt und die Bildung der α-Al15(Fe,Mn)3Si2-Phase fördert. Im Gegensatz zur β-Phase wächst die α-Phase nicht in Form von Nadeln, sondern entwickelt eine Morphologie ähnlich chinesischer Schriftzeichen. Dies führt zu einer glatten Grenzfläche zwischen der Aluminiumlegierung und dem Formstahl, was die Entformung erleichtert.

Alternative Elemente für Mangan

Auf der Grundlage des Wirkungsmechanismus von Mangan wurden andere in der Literatur genannte chemische Elemente gefunden, die ein ähnliches Verhalten aufweisen. Tauchversuche zeigten, dass Molybdän, Kobalt und Chrom dieselbe Art von intermetallischer Grenzfläche bilden und daher das Löten der Matrize verhindern sollten. Besonders Chrom zeigt vielversprechende Ergebnisse. Während Molybdän und Kobalt im Vergleich zu Mangan mit fast der Hälfte der Zugabe die gleiche Wirkung erzielen, reichte bei Chrom sogar weniger aus. Außerdem schafft es nicht nur eine glatte Grenzfläche zwischen der Aluminiumlegierung und dem Matrizenstahl, sondern verringert auch die Größe der intermetallischen Schichten. Mit diesem einzigartigen Verhalten ist Chrom eine günstige Alternative zu Mangan, um ein Auflöten der Matrize zu verhindern und die Duktilität ebenfalls zu verbessern. Erste Validierungen an verschiedenen Strukturbauteilen aus einer Automobilkarosserie der AUDI AG bestätigten die Ergebnisse.