Entwicklung fortschrittlicher Aluminium-Kupfer-Gusslegierungen für die Verkehrstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Al-Cu-Legierungen bilden trotz ihrer hervorragenden Festigkeits- und Bruchdehnungswerte eine Marktnische, da sie schlechte gießtechnologische Eigenschaften besitzen. Vor allem ihre hohe Warmrissneigung hat eine Anwendung im Kokillenguss bisher verhindert. Durch konventionelle Kornfeinungsmittel kann die Warmrissneigung von Al-Cu-Legierungen im Kokillenguss nicht verbessert werden [1]. In der vorliegenden Arbeit wurde durch Zugabe optimaler Gehalte an Cu, Zr und Ti, der rasch erstarrten Vorlegierung AlTi6CN sowie optimaler Gießparameter die Unterkühlung der Schmelze stark erhöht und so die Metastabilität der Schmelze verstärkt. So werden unmittelbar vor der Erstarrungsfront in der Schmelze metastabile Al3Zr bzw. Al3Ti-Partikel gebildet. Diese Partikel gelten als besonders gute Kristallisatoren für den ?-Mischkristall [2]. So wurde in der Legierung AlCu6,5Mn0,65Zr0,35Ti0,35 nach Zugabe von 2 % AlTi6CN ein globulitisches Gefüge mit einer Korngröße von 35 µm erzielt im Vergleich zu 180 µm vor Zugabe der Vorlegierung. Durch Zugabe der Vorlegierung AlTi6CN wurde außerdem die Ausbildung grober intermetallischer Phasen bei erhöhten Ti- und Zr-Gehalten unterdrückt. Die optimale chemische Zusammensetzung nach Zugabe von 2% AlTi6CN entspricht einem Verhältnis (in at.-%) von Cu/(Zr+Ti)=9. Es konnten vollständig warmrissfreie Gussstücke (Warmrisszahl 0) im Kokillenguss dargestellt werden, was durch die Anwendung konventioneller Kornfeinungsmittel bisher nicht möglich war (Warmrisszahl nach Stand der Technik: 4,25). Die besten mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur wurden mit der Legierung AlCu6,5Mn0,65Ti0,25Zr0,25 nach Zugabe von 2% AlTi6CN erzielt (Rm: 453 MPa, Rp0,2: 273 MPa, A5: 16,8 %). Diese Legierung ist der Referenzlegierung AlCu4,5Ni1,5CoSbZr (Rm: 280 MPa, Rp0,2: 144 MPa, A5: 9,5%) sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 250°C (AlCu6,5Mn0,65Ti0,25Zr0,25+2% AlTi6CN: Rm:220 MPa, Rp0,2: 170 MPa, A5:14,7 % AlCu5NiSbZr: Rm:180 MPa, Rp0,2: 136 MPa, A5:10 %) deutlich überlegen. Für das Erreichen des Festigkeitsniveaus der Referenzlegierung konnte die Lösungsglühzeit der neu entwickelten Al-Cu-Legierungen um 35% gesenkt werden. Weiterhin wurde der Effekt rasch erstarrter Al-Zr- und Al-Ti-Vorlegierungen untersucht. Durch Zugabe der rasch erstarrten Vorlegierungen AlTi0,5 und AlZr0,5 konnte die Korngröße der Legierung AlCu6,5Mn0,65Ti0,2Zr0,2 auf 47 µm reduziert werden. Die Warmrissneigung wurde auf 1,5 reduziert. Die mechanischen Eigenschaften liegen aufgrund der Ausbildung eines dendritischen Gefüges unter dem Niveau der Referenzlegierungen. Die mechanischen Eigenschaften der neu entwickelten Al-Cu-Legierungen sind denen der Standardlegierungen deutlich überlegen und zeigen im Gegensatz zur Referenzlegierung keine Warmrisse. Darüber hinaus zeigen sie eine ausgezeichnete Warmfestigkeit und eröffnen so interessante Anwendungsmöglichkeiten für komplexe, thermisch-mechanisch belastete Bauteile. Diese neuen Legierungen bieten eine attraktive und günstige Alternative zu den Standardlegierungen, die teure Legierungselemente wie Ni, Sb oder Ag enthalten. Durch die Verbindung von hoher Festigkeit, hoher Bruchdehnung und geringem Gewicht sind Al-Cu-Legierungen außerordentlich interessant für Anwendungen in der Verkehrstechnik. Hier erfordern die steigenden Arbeitstemperaturen und –drücke in modernen Verbrennungsmotoren neue innovative Werkstoffkonzepte. Die neu entwickelten Al-Cu-Legierungen sind den gegenwärtig verfügbaren Al-Cu-Legierungen mechanisch und gießtechnologisch überlegen. Es ist jedoch noch zu untersuchen, wie beständig die neuen Al-Cu-Legierungen gegenüber LCF- und HCF-Beanspruchungen sind. Für diese Anwendung sollte auch der Einfluss der feinen Gefügestruktur auf das Korrosionsverhalten untersucht werden. Darüber hinaus sollte die Legierung im Warmzugversuch bei Temperaturen von 300-400°C getestet werden, um das Potenzial für den Einsatz in Motoren der nächsten Generation zu überprüfen. Ferner sollten gießtechnologische und thermophysikalische Eigenschaften dieser Legierungen quantifiziert werden, um sie der Formfüllungs- und Erstarrungssimulation zugänglich zu machen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Industriemesse GIFA 2007 in Düsseldorf, Projektposter
- „Neue Al-Cu-Basislegierungen für den Kokillenguss“ Gießereipraxis, Heft 7, 2008, S. 249-254
Zak, H., Tonn, B.
