Metallographie von Aluminium und Aluminiumlegierungen: Überblick und Präparation

Luft- und Raumfahrt

Hochleistungs-Aluminiumlegierungen erfordern Metallographie, um die Ausscheidungshärtung, die Integrität der Beschichtung und die gleichmäßige Korngröße zu bestätigen. Hochfeste Aluminiumlegierungen (wie 2024 oder 7075) werden aufgrund ihres Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses für Flugzeugstrukturen, Flügel und Raumfahrzeugkomponenten verwendet. Die Metallographie überprüft die Kornverfeinerung und das Vorhandensein von verstärkenden Ausscheidungen nach Wärmebehandlungen. Nach dem Schmieden oder Walzen einer Luftfahrtlegierung stellt die Metallographie sicher, dass die Faserstruktur oder der Kornfluss im Bauteil korrekt ist. Darüber hinaus helfen Metallographie und verwandte Prüftechniken, wenn neue Aluminium-Lithium-Legierungen oder fortschrittliche Verbundwerkstoffe eingeführt werden, diese Materialien zu zertifizieren, dass sie strengen Luft- und Raumfahrtstandards entsprechen.

Beispiel: In Flugzeug-Aluminium kann die metallografische Untersuchung bestätigen, dass die gewünschte Ausscheidungsphase (wie Al2Cu in der 2xxx-Serie oder MgZn2 in der 7xxx-Serie) richtig verteilt ist, was darauf hinweist, dass die Legierung ihre erforderlichen mechanischen Eigenschaften erreicht hat.

Automobilindustrie

Verwendet in Motoren, Rädern und Strukturkomponenten. Aluminiumlegierungen werden weit verbreitet in Motoren, Zylinderköpfen, Getriebegehäusen, Rädern und Strukturrahmen eingesetzt, um das Gewicht zu reduzieren. Spezielle Hochtemperaturlegierungen und gegossenes Aluminium (wie Al-Si-Gusslegierungen) müssen frei von übermäßiger Porosität sein und verfeinerte Mikrostrukturen für die Haltbarkeit aufweisen.

Die Mikrostruktur von Leichtmetallrädern, Motorblöcken, Kolben und Karosserieblechpaneelen ist wichtig. Ein metallografischer Querschnitt eines druckgegossenen Aluminium-Motorblocks kann Porosität oder Schrumpfhöhlen aufdecken, die zu einem Bauteilversagen führen könnten, wenn sie zu groß sind. Für Elektrofahrzeuge und den Schienenverkehr (z.B. Hochgeschwindigkeitszüge), wo Aluminium für leichte Strukturen verwendet wird, bestätigt die Metallographie, dass Extrusionen und Gussstücke eine gleichbleibende Qualität aufweisen.

Beispiel: Überprüfung, ob die Siliziumpartikel in einer Al-Si-Legierung fein und gleichmäßig modifiziert sind (oft erreicht durch Zugabe von Modifikatoren wie Strontium während des Gießens). Darüber hinaus kann die Aluminiumprüfung in diesem Bereich Härteprüfungen von Motorenteilen (um die ordnungsgemäße Wärmebehandlung zu überprüfen) zusammen mit mikrostrukturellen Untersuchungen umfassen.

Additive Fertigung

3D-gedrucktes Aluminium zeigt einzigartige Mikrostrukturen wie zelluläre Körner und Schmelzpoolgrenzen. Eine schnell wachsende Spezialanwendung ist die Verwendung von Aluminiumlegierungen in der additiven Fertigung. 3D-gedruckte Aluminiumkomponenten (häufig unter Verwendung von Pulvern von Legierungen wie AlSi10Mg) können aufgrund der schnellen Erstarrung einzigartige Mikrostrukturen aufweisen – wie sehr feine zelluläre Körner und ausgeprägte Schmelzbadgrenzen. Die Metallographie spielt eine Schlüsselrolle in diesem aufstrebenden Bereich, indem sie die Schichtbindung, Porosität und mikrostrukturellen Eigenschaften von gedruckten Aluminiumteilen untersucht.

Elektronik und Verteidigung

In Al-Li-Legierungen und Aluminium-Wärmeleitern stellt die Metallographie Homogenität und Bindungsqualität sicher. Einige Verteidigungsanwendungen verwenden Aluminiumlegierungen in gepanzerten Fahrzeugen oder hochfesten, leichten Gehäusen. Spezielle Aluminiumlegierungen, die Lithium enthalten (Al-Li-Legierungen), wurden entwickelt, um das Gewicht für die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigung weiter zu reduzieren; diese Legierungen erfordern eine sorgfältige metallografische Untersuchung, um sicherzustellen, dass die neuen Phasen (wie Al3Li-Ausfällungen) vorhanden und gleichmäßig verteilt sind. In diesen Branchen dient die Aluminium-Metallografie als Brücke zwischen Materialwissenschaft und praktischer Ingenieurtechnik. Sie ermöglicht es Ingenieuren, die interne Geschichte eines Aluminiumteils zu sehen – ob es darum geht, zu bestätigen, dass ein Produktionsprozess erfolgreich war, oder zu diagnostizieren, warum ein Bauteil nicht wie erwartet funktionierte.

Wichtig ist, dass die Metallografie oft von anderen Prüfmethoden (mechanische Tests, chemische Analysen usw.) begleitet wird, aber sie liefert die visuellen Beweise der Materialstruktur, die andere Tests nicht bieten können. Viele Unternehmen haben interne Labore oder arbeiten mit Materialprüflabors zusammen, um Metallografie an Aluminiumproben im Rahmen ihrer routinemäßigen Qualitätssicherung durchzuführen.

Aluminium findet in fast allen Bereichen der Wirtschaft und des modernen Lebens Anwendung. Aktuellen Statistiken zufolge hat sich die weltweite (Primär-)Aluminiumproduktion in den letzten zehn Jahren fast verdoppelt – eine beispiellose Entwicklung für einen Industriewerkstoff. Die Aluminiumindustrie verdankt diese Entwicklung seinen Eigenschaften wie dem geringen spezifischen Gewicht, das nur ein Drittel des Gewichts von Stahl beträgt und es zu einer attraktiven Alternative für energiesparenden Leichtbau macht.

Weitere wichtige Eigenschaften von Aluminium und seinen Legierungen sind die vielfältigen Fertigungsmöglichkeiten wie Gießen, Umformen, Strangpressen, Schmieden usw. Auch vielseitige Formgebungsmöglichkeiten wie Zerspanen, Tiefziehen, Strecken, Biegen, Stanzen usw. machen Aluminium zu einem flexiblen Werkstoff für viele Anwendungen. Aluminium und seine Legierungen weisen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf, die durch Eloxieren und verschiedene Beschichtungstechniken noch weiter verbessert werden kann. Diese Werkstoffe bieten ein breites Spektrum an mechanischen Festigkeiten von 70 bis 800 MPa. Aluminium ist ein ungiftiger Werkstoff, der sich daher hervorragend für die Verwendung als Verpackung für Lebensmittel eignet. Darüber hinaus besitzt Aluminium eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Trennen

Das Trennen von reinem Aluminium und Aluminiumlegierungen ist aufgrund der geringen Härte von Aluminium eine Herausforderung. Die optimalen Trennscheiben für diese Legierungen sind solche mit SiC-Schleifpartikeln. SiC-Trennscheiben mit härterem Bindematerial liefern die besten Ergebnisse. Aufgrund der geringeren Härte von Siliziumkarbidpartikeln im Vergleich zu Aluminiumoxidpartikeln sind diese Trennscheiben die optimale Wahl zum Trennen von weichen Werkstoffen wie reinem Aluminium.

Reines Aluminium

Reines Aluminium ist ein leichtes Metall mit einer Dichte von etwa 2,7 g/cm³ und einem Schmelzpunkt von 660 °C. Wenn die Reinheit von Aluminium mehr als 99 % beträgt, gilt es als reines Aluminium. Die Kristallstruktur von reinem Aluminium ist kubisch-flächenzentriert. Es zeichnet sich durch ein helles, silbernes Aussehen und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aus, da sich auf seiner Oberfläche schnell eine stabile, schützende Oxidschicht bildet. Aluminium ist sehr duktil und formbar, sodass es zu Drähten gezogen oder zu dünnen Blechen gewalzt werden kann. In seiner reinen Form hat es eine relativ geringe Zugfestigkeit (etwa 90 MPa im geglühten Zustand), kann jedoch durch Legieren oder Kaltumformung erheblich verstärkt werden. Reines Aluminium ist außerdem ein hervorragender Wärme- und Stromleiter, nicht magnetisch und ungiftig. In den Knetlegierungen steht die Gruppe 1xxx für reines Aluminium wie EN AW 1050A. Reines Aluminium wird in der Regel in nicht tragenden Anwendungen eingesetzt, darunter die Herstellung von Kabeln, Dosen, elektronischen Bauteilen, Folien, Drähten, Haushaltswaren und Verpackungsmaterialien.

Schleifen / Polieren

Unter den verschiedenen Verbrauchsmaterialien ist Siliziumkarbidpapier (SiC) die beste Wahl für die Vorbereitung von reinen Aluminiumproben. Aufgrund der natürlichen geringen Härte von reinem Aluminium ist das Material während der Probenvorbereitung sehr anfällig für Verformungen. Die Verwendung aggressiver Verbrauchsmaterialien wie Diamantschleifscheiben kann zu Artefakten bei der Vorbereitung führen und die mikrostrukturelle Integrität der Probe beeinträchtigen. Sofern der Schnitt ordnungsgemäß durchgeführt wurde, kann mit dem ersten Schleifen mit SiC-Papier der Körnung P600 begonnen werden. Anschließend folgt ein zweiter Schleifschritt mit SiC-Papier der Körnung P1200; nach etwa zwei Minuten Schleifen ist die Probe bereit für das Polieren.

Dabei werden weiche Poliertücher empfohlen, um Oberflächenverformungen zu minimieren. Das Sigma-Tuch, ein mittelhartes Seidentuch, eignet sich für die ersten Polierschritte. Für die 1-µm-Polierstufe sollte ein Zeta-Tuch verwendet werden, ein kurzfloriges, weiches Synthetiktuch. Für die Endpolitur wird das OMEGA-Tuch empfohlen, ein chemisch-beständiges, weiches Synthetiktuch. Die vollständige Abfolge der Schleif- und Polierschritte ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Ätzen

Das Ziel des Ätzens von reinen Aluminiumproben besteht darin, mikrostrukturelle Merkmale wie Korngrenzen oder Korngröße sowie Verunreinigungen, die im polierten, ungeätzten Zustand nicht erkennbar sind, selektiv sichtbar zu machen. Das Ätzen verstärkt den Kontrast zwischen verschiedenen mikrostrukturellen Komponenten, indem es bestimmte Bereiche der Probe bevorzugt angreift, wodurch eine detaillierte Untersuchung der Korngröße, -form und -verteilung unter dem Licht- oder Elektronenmikroskop ermöglicht wird. Dieser Prozess ist für eine genaue metallografische Analyse und Charakterisierung von reinem Aluminium unerlässlich. Es gibt zwei Hauptverfahren zum Ätzen der reinen Aluminiumproben. Das erste ist das normale Eintauchen in Ätzmittel. Hier kann Natriumhydroxid von QATM als Ätzmittel verwendet werden. Die andere Technik ist das elektrolytische Ätzen. Das elektrolytische Ätzen von reinem Aluminium ist eine metallografische Technik, mit der die Mikrostruktur durch das Anlegen eines elektrischen Stroms in einer geeigneten Elektrolytlösung sichtbar gemacht wird. Während des Prozesses fungiert die Aluminiumprobe als Anode, und es kommt zu einer selektiven Auflösung an den Korngrenzen und anderen mikrostrukturellen Merkmalen. Diese Methode ermöglicht ein kontrolliertes und gleichmäßiges Ätzen, wodurch mechanische Schäden minimiert und die Sichtbarkeit feiner Details wie Korngrenzen und Einschlüsse verbessert werden. Aufgrund der geringen Härte und der Neigung zur Verformung beim mechanischen Polieren eignet sich das elektrolytische Ätzen besonders für reines Aluminium und führt zu klareren und reproduzierbaren Ergebnissen für die mikrostrukturellen Untersuchungen.

Die Qetch 1000 ist ein automatisches, elektrolytisches Polier- und Ätzgerät mit intuitiver Touch-Screen-Bedienoberfläche. Die Polier- und Ätzeinheit ist getrennt vom Grundgerät, daher kann sie auch im Abluftschrank betrieben werden. Die integrierte Scan-Funktion zur Parameterbestimmung ermöglicht schnelle Polierergebnisse ohne Gefügeveränderungen. Der Elektrolytbehälter ist austauschbar und kann verschlossen gelagert

Aluminum-Gusslegierung

Die DIN EN 1780 regelt die Klassifizierung von Gussteilen und Gusslegierungen:2002 (der Aluminiumverband AA verwendet eine andere Klassifizierungsmethode), wobei ein fünfstelliges Bezeichnungssystem wie unten beschrieben verwendet wird:

Die erste Ziffer gibt das Hauptlegierungselement wie folgt an:

Die zweite Ziffer gibt die Art der Legierung an.

• Die erste Ziffer gibt das Hauptlegierungselement wie folgt an:
• Die zweite Ziffer gibt die Art der Legierung an.
• Die dritte Ziffer ist beliebig und gibt die spezielle Legierungszusammensetzung an.
• Die vierte Ziffer ist in der Regel eine 0.
• Die fünfte Ziffer ist bei CEN-Legierungen immer eine 0, bei AECMA-Legierungen für die Luft- und Raumfahrt jedoch niemals eine 0.
• Auf diese Ziffern folgt ein Buchstabe, der das Gießverfahren angibt, z. B. S für Sandguss, K für Schwerkraftguss, D für Druckguss und L für Feinguss.

Anschließend geben die folgenden Buchstaben und Zahlen den Zustand der Legierung an, wie in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Die physikalischen Eigenschaften von reinem Aluminium bei 20 °C sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Schleifen / Polieren

Unter den verschiedenen Verbrauchsmaterialien ist Siliziumkarbidpapier (SiC) die beste Wahl für die Vorbereitung von reinen Aluminiumproben. Aufgrund der natürlichen geringen Härte von reinem Aluminium ist das Material während der Probenvorbereitung sehr anfällig für Verformungen. Die Verwendung aggressiver Verbrauchsmaterialien wie Diamantschleifscheiben kann zu Artefakten bei der Vorbereitung führen und die mikrostrukturelle Beschaffenheit der Probe beeinträchtigen. Sofern der Schnitt ordnungsgemäß durchgeführt wurde, kann mit dem ersten Schleifen mit SiC-Papier der Körnung P600 begonnen werden. Anschließend folgt ein zweiter Schleifschritt mit SiC-Papier der Körnung P1200; nach etwa zwei Minuten Schleifen ist die Probe bereit für die Polierphase. Für das Polieren von reinem Aluminium werden weiche Poliertücher empfohlen, um Oberflächenverformungen zu minimieren. Das Sigma-Tuch, ein mittelhartes Seidentuch, eignet sich für die ersten Polierschritte. Für die 1-µm-Polierstufe sollte ein Zeta-Tuch verwendet werden, ein kurzfloriges, weiches Synthetiktuch. Für die Endpolitur wird das OMEGA-Tuch empfohlen, ein chemisch beständiges, weiches Synthetiktuch. Die vollständige Abfolge der Schleif- und Polierschritte ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst.