Aluminium als Substrat in der Galvanik

Warum überhaupt Aluminium?

Die Verwendung und die Beschichtung von Aluminium sind seit vielen Jahren bekannte und beherrschte Prozesse. Wir finden den Werkstoff da, wo auch Eisen und Kupfer in Betracht kommen.

Dabei hat Aluminium große Vorteile in der Verarbeitung. Es bringt aber auch erhebliche Nachteile mit.

Insbesondere im Bereich der Mobilität herrscht ein erheblicher Entwicklungsdruck, bestimmte Komponenten durch Aluminium zu ersetzen. Man rechnet mit einer Gewichtsersparnis von über 50 % durch den Ersatz von Kupferleitungen durch Aluminium.

 

 

Dichte von Aluminium

Augenscheinlichster Vorteil von Aluminium ist seine geringe Dichte. Im Gegensatz zu den Schwermetallen Eisen und Kupfer spricht man daher auch vom sog. Leichtmetall.

	Dichte [g/cm³]
Aluminium	2,70
Eisen	7,87
Kupfer	8,93

Auf konstruktiver Ebene ist der Gewichtsvorteil sicherlich Grund Nummer 1 für den Einsatz von Aluminium als Grundmaterial in der Galvanik. Volumengleich haben Teile aus Aluminium nur 35 % (im Falle von Eisen) bzw. nur 30 % (im Falle von Kupfer) der Masse.

Elektrische Leitfähigkeit

Ein weiterer Aspekt, der insbesondere durch die E-Mobilität sehr in den Fokus der Entwickler rückt, ist die gute elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums. Es besitzt die viertbeste Leitfähigkeit nach Silber, Kupfer und Gold. Es ist daher für den Stromtransport gut geeignet.

	Elektrische Leitfähigkeit [106 S/m]	% IACS
Silber	61	105
Kupfer	58	100
Gold	45	76
Aluminium (99,99%)	37	64
Eisen (unlegiert)	10	17

Wärmeleitfähigkeit

Analog zur elektrischen Leitfähigkeit zeigen obige Werkstoffe einen vergleichbaren Verlauf bei der Wärmeleitfähigkeit. Das macht Aluminium als Ersatz für Kühlkörper interessant.

	Wärmeleitfähigkeit [W/(m*K)]
Kupfer	400
Aluminium	235
Eisen	80

Verfügbarkeit

Aluminium ist kein seltenes Element. Im Gegenteil: Mit einem Anteil von ca. 7,6 % an der Masse der Erdkruste ist es das dritthäufigste Element nach Silizium und Sauerstoff.

Die Verfügbarkeit spielt eine immer wichtiger werdende Rolle. Insbesondere durch die sich immer weiter verknappenden Rohstoffe und durch die geo-politisch ungleiche Verteilung bestimmter Ressourcen ist Aluminium wichtig.

Preis und Volatilität

Neben der Verfügbarkeit ist aber auch der Preis eines Werkstoffs sehr entscheidend für seine Einsatzmöglichkeiten. Auch hier kann Aluminium sich klar gegen den Konkurrenten Kupfer behaupten.

Langfristig gilt Aluminium als das Metall mit der geringeren Volatilität. Das ist insbesondere für Anwender mit einem recht langen Planungshorizont sehr wichtig. Starke Preisveränderungen der Rohstoffe lassen sich hier nur sehr mittelbar im Produktpreis umsetzen.

Und warum dann kein Aluminium?

Bei so vielen Vorteilen verwundert es zunächst, warum Aluminium nicht sehr viel häufiger tatsächlich eingesetzt wird. Neben dem Freileitungsbau, wo neben der elektrischen Leitfähigkeit das Kabelgewicht eine Rolle spielt, findet sich verhältnismäßig wenig Aluminium dort, wo Strom oder Signale transportiert werden müssen. Doch warum ist das so?

Aluminium fließt

Unter bestimmten Bedingungen neigt die Kristallstruktur des Aluminiums zum Fließen. So kann z. B. eine Alu-Litze im Laufe von Jahren durchaus soweit aus einer gekrimpten Verbindung hinausfließen, dass sich diese lockert und schließlich ihre Funktion verliert.

Aluminium korrodiert

Durch das im Vergleich zum Kupfer sehr geringe Elektropotenzial kommt es an Kontaktstellen zu sog. Lokalelementen. Diese führen zu einer massiven Korrosion. Hier entstehen nahezu zwangsläufig Fehlstellen.

Die Vorbehandlung des Aluminiums ist komplex

Für den Galvaniseur stellt die Aktivierung von Aluminium eine besondere Herausforderung dar. Durch die hohe Affinität zum Sauerstoff bildet es eine sehr dichte und isolierende Oxyd-Schicht aus. Diese muss vor der Beschichtung entfernt werden. Dabei ist nicht die Entfernung das eigentliche Problem, sondern die Erhaltung der blanken Oberfläche bis zum Start des eigentlichen Beschichtungsprozesses.

Sauerstoff ist in der industriellen Galvanotechnik omnipräsent. Wir arbeiten mit wässrigen Lösungen in normaler Atmosphäre (21 % O₂). Daher hat es sich in der Teilegalvanik (Trommel und Gestell) durchgesetzt, mit sog. Zinkat-Beizen zu arbeiten. Der Prozess scheidet auf chemischen Weg direkt nach der Oxyd-Entfernung eine sehr dünne Zinkschicht ab. Diese schützt das Substrat vor der Oxydation und wird in folgenden Prozessstufen abgelöst.

Nachteil ist, dass sich das Zinkat im Folgeprozess aufkonzentriert. Dieser muss daher nach relativ kurzen Produktionszyklen verworfen werden.

Diesem Effekt wird heute bei den vielfach am Markt erhältlichen Alternativen durch die Zulegierung von weiteren Metallen entgegengewirkt. Zum Einsatz kommen Eisen, Kupfer, Nickel und andere. Durch die Bildung einer echten Legierung steigt das Elektropotenzial an. Die Schicht wird „edler“ und löst sich in den meist sauren Folgeprozessen nicht so schnell auf.

Alternativ zu diesem Verfahren hat die Firma PECHINET in den 1970er Jahren ein Verfahren patentiert, das sich aber nur auf „im Durchlauf“ anwenden lässt. Bei diesem Verfahren erfolgt die elektrische Kontaktierung des Werkstoffs schon im Bereich der Vorbehandlung. Auf diese Weise läuft das Material unter Potenzial und somit vor Oxydation geschützt in die Veredelung ein.

Nachteil dieses Verfahrens ist die relativ hohe Spannung unter die das Substrat gesetzt werden muss, um im Hauptbad noch ausreichenden Stromfluss gewährleisten zu können. Die Verluste und die damit verbundenen Nebenprozesse müssen berücksichtigt werden, was den Einsatz dieses Verfahrens sehr einengt.

Aluminium reißt

Die relativ spröde Kornstruktur des Aluminiums in Verbindung mit dem Verhalten als weicher, fließender Werkstoff macht Aluminium anfällig für Rissbildungen bei der Verformung. Hier reicht bei Reinaluminium die Wicklung eines Coils aus, um sie auszubilden. Erfolgt dies nach der Veredelung, so wirkt die Rissbildung häufig auch auf die Beschichtung.

Diese reißt auf und Schadgase, Feuchtigkeit oder Prozesschemikalien können in die Struktur eindringen. Hier kann es Alterungserscheinungen kommen, die einen Funktionsausfall zur Folge haben können.

Fazit

Aluminium weist eine Vielzahl von interessanten Eigenschaften auf. Hiermit erklärt sich das immer wieder aufkeimende Interesse der Ingenieure und Kaufleute an diesem Werkstoff.

Leider sind der Nutzung des Aluminiums durch sehr unterschiedliche Effekte deutliche Grenzen gesetzt.

Werden diese Grenzen durch geeignete Prozesse beherrscht, erhält man einen vielseitigen Werkstoff mit breiter Einsatzfähigkeit.