LEICHTBAUALTERNATIVE FÜR DEN EINSATZ IN WASSERSTOFFFÜHRENDEN KOMPONENTEN

EMMINGEN-LIPTINGEN (dj/aj) | Die LEIBER Group ist nicht nur als Spezialist für das Schmieden und Bearbeiten von Aluminium bekannt. LEIBER setzt auch auf weiterentwickelte Werkstoffe, die exakt auf die spezifischen Anforderungen von Leichtbauanwendungen zugeschnitten sind.

So arbeitet LEIBER an einer Legierungsweiterentwicklung innerhalb der Normlegierungen EN AW-6061A, die speziell auf die Anforderungen wasserstoffführender Bauteile abgestimmt ist. Sie wird unter dem Namen AluResist vermarktet. Die Basislegierung EN AW-6061A ist neben hochlegierten Stählen (1.4404 & 1.4435) einer der wenigen metallischen Werkstoffe, der nach SAE J 2579 (Standard for Fuel Systems in Fuel Cell and Other Hydrogen Vehicles) für den Einsatz in wasserstoffführenden Komponenten freigegeben ist. Der Gewichtsvorteil der Aluminiumlegierung im Vergleich zu den alternativ zugelassenen hochlegierten Stählen liegt hier klar auf der Hand, bei dem hier vorgestellten Bauteil beträgt er bis zu 76%.

Legierungsoptimierung
Die Basislegierung EN AW-6061A ist eine aushärtbare Aluminiumlegierung, die sich durch hohe mechanische Kennwerte, gute Umform- und Schweißbarkeit sowie hohe Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Die chemische Zusammensetzung nach DIN EN 573-3 ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Diese etablierte Legierung findet Anwendung im Schiffsbau, im Schienenfahrzeugbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Im Automobilbereich hauptsächlich im nordamerikanischen Raum.

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Legierung EN AW-6061A nach DIN EN 573-3:

Bei der Entwicklung von AluResist wurde die chemische Zusammensetzung nach EN 573-3 kritisch analysiert. Die festigkeitsbestimmenden Legierungselemente Silizium und Magnesium wurden so begrenzt, dass einerseits hohe Bauteilfestigkeiten erreicht werden, andererseits aber der Siliziumüberschuss begrenzt wird. Diese Begrenzung dient zur Minimierung der Anfälligkeit gegen Stress Corrosion Cracking (SCC) und Humid-Gas Stress Corrosion Cracking (HG-SCC).
Die gezielte Zugabe der Elemente Mangan und Chrom dient ebenfalls der Begrenzung des Siliziumüberschusses. Diese Zusätze führen auch zu einer Erhöhung der Gefügestabilität, so dass eine unerwünschte rekristallisierte grobkörnige Randzone in den geschmiedeten Bauteilen minimiert wird.

Erprobung / Validierung
AluResist ist für den Einsatz in wasserstoffführenden Komponenten optimiert. Ein verbreitetes Beispiel hierfür sind Wasserstofftanks. Für diese Tanksysteme ist mittlerweile der Typ IV Tank weit verbreitet, dessen Aufbau schematisch in Bild 1 dargestellt ist. Diese besitzen eine Innenauskleidung aus Verbundwerkstoffen und sind von einer Außenhülle aus Kohlenstofffasern und anderen verwobenen thermoplastischen Polymeren umgeben. Der Anschlussbereich, die sogenannten Bosse, sowie die darin eingesetzten On Tank Valves (OTV) sind Anwendungsbeispiele für AluResist.

Bild 1: Typ IV Wasserstofftank für automobile Anwendungen mit Aluminium Bossen und MOTV

Zur Erprobung von AluResist wurde ein manuelles On Tank Valve (MOTV) als Demonstrator gewählt. Dieses On Tank Valve wurde im durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt AluScaL zusammen mit der Argo-Anleg GmbH entwickelt. In Bild 2 ist links die Originalgeometrie aus hochlegiertem Edelstahl rein zerspanend gefertigten MOTVs dargestellt. Auf der rechten Seite ist das gewichtsoptimierte Schmiedebauteil aus Aluminium dargestellt. Die alleinige Substitution des hochlegierten Stahls mit Aluminium ermöglicht eine Gewichtseinsparung von ca. 2.200 g auf ca. 750 g. Durch die Geometrieanpassungen konnte das Gewicht noch weiter auf ca. 520 g reduziert werden.
Die Auslegung erfolgte dahingehend, dass die Performance des Aluminiumschmiedeteils nicht schlechter sein durfte, als das aktuell eingesetzte Bauteil aus hochlegiertem Stahl. Dazu wurde das Verhalten unter einen angenommen Innendruck von 845 bar mit der Simulationssoftware Inspire simuliert. Dieser Innendruck entspricht dem Maximaldruck, der beim Befüllen der Flaschen auftreten kann.

Bild 2: Manuelles On Tank Valve: links: Originalgeometrie, rechts: das 76 % leichtere Bauteil in gewichtsoptimierter Schmiedegeometrie aus AluResist

Auf Basis dieser Geometrie wurde Prototypen aus AluResist gefertigt (siehe Figure 3), die im Anschluss einer T6-Wärmebehandlung unterzogen wurden. Die Auswahl der geeigneten Wärmebehandlungsparameter erfolgten anhand von vorab durchgeführten Untersuchungsreihen im betriebseigenen Labor von LEIBER.

Bild 3: links: geschmiedetes MOTV, rechts: geschmiedetes und mech. bearbeitetes MOTV aus AluResist

Die Charakterisierung der mechanischen Kennwerte erfolgte im Zugversuch. Da für die Legierung EN AW-6061A keine mechanischen Anforderungen in der DIN EN 586-2 definiert sind, wurden als Referenz die Anforderungen der DIN EN 755-2 für stranggepresste Stangen herangezogen. Im Zustand T6 werden darin Mindestanforderungen für die Dehngrenze Rp0,2 von 240 MPa sowie für die Zugfestigkeit Rm von 260 MPa bei einer Bruchdehnung von min. 8 % definiert. Die Anforderungen der Bauteiloptimierung, die in der Belastungssimulation zugrunde gelegt wurden, waren in Erwartung höherer Kennwerte mit Rp0,2 min. 300 MPa, Rm min 340 MPa bei 10 % Bruchdehnung noch mal höher angesetzt.
Die Mittelwerte der über mehrere Bauteile hinweg erreichten Kennwerte sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Zugstabposition 1 wurde längs zur Faserrichtung des verwendeten stranggepressten Halbzeuges aus dem Schaft entnommen. In dieser Zugstabposition konnten die Anforderungen deutlich übertroffen werden. So liegt die Dehngrenze im Mittel bei 362 MPa, die Zugfestigkeit bei 401 MPa bei Bruchdehnungen von 12,9 %.
Die zweite Zugstabprobe im Kopf des Ventils wurde quer zur Faserrichtung entnommen. Diese weist erwartungsgemäß etwas geringere Kennwerte auf, als längs zur Faserrichtung ermittelt werden. Auch hier liegen alle Kennwerte im Mittel sowie in jeder einzelnen Probe oberhalb der Anforderungen. Die Anforderungen der Norm können hinsichtlich der Dehngrenze um min. 30 % und hinsichtlich der Zugfestigkeit um mindestens 40 % übertroffen werden.

Tabelle 2: Mechanische Kennwerte von AluResist aus der Erprobung

Neben den mechanischen Kennwerten wurde auch die Gefügeausprägung der gefertigten Bauteile ausführlich untersucht. Dazu wurden Makro- und Mikroschliffe in unterschiedlichen Positionen entnommen und lichtmikroskopisch untersucht. Figure 4 zeigt das Makrogefüge längs durch das geschmiedete Bauteil. Im Bereich des Schaftes ist das langgestreckte Fasergefüge, das aus dem stranggepressten Halbzeug stammt, noch gut zu erkennen. Dieses ist für die Anisotropie der mechanischen Kennwerte verantwortlich. Im Bereich des Kopfes des MOTV wird diese Vorzugsorientierung durch die Schmiedeoperation stärker umgelenkt.
Die für stranggepresste und geschmiedete Komponenten typische grob rekristallisierte Randschale konnte durch die in der Legierungszusammensetzung vorgenommenen Anpassungen erfolgreich auf ein Minimum reduziert werden: In allen relevanten Bereichen liegt die grob rekristallisierte Randschale bei einer Tiefe unter 2,0 mm. Nur am Ende des Schaftes, in einem Bereich, der in der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung entfernt wird, liegt das Maximum mit 2,4 mm darüber, so dass das Makrogefüge die Anforderungen vollständig erfüllt.

Bild 4: Makrogefüge des geschmiedeten und wärmebehandelten MOTV

Danksagungen
Das Produktdesign für den Demonstrator wurden im Rahmen des Projekts AluScaL in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, der Argo-Anleg GmbH, der Gränges Powder Metallurgy GmbH, der Rosswag GmbH, der Gühring KG und dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH durchgeführt. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWI 03LB3032E) gefördert.