Metalle Eigenschaften von Kokillengussteilen aus Kupfer-Aluminium-Legierungen

Kokillengussteile aus Cu-Al-Legierungen finden heute in nahezu allen Industriezweigen ihren Einsatz. Dies hat viele Gründe: Ihre hohe Festigkeit prädestiniert sie als Konstruktionswerkstoffe im gesamten Maschinen-, Getriebe- und Fahrzeugbau. Für Entscheider der chemischen Industrie, im Pumpenbau und in der Nahrungsmittelindustrie ist die Korrosionsbeständigkeit vielfach der entscheidende Faktor. Werden funkenarme Werkzeuge benötigt, gibt es zu Cu-Al-Legierungen sogar kaum eine Alternative.

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PIAD Piel & Adey GmbH & Co. KG

Die Vorgehensweise, Kupfer- und Kupferlegierungen, insbesondere Messing, in Kokille zu vergießen, ist nicht neu. So wurde das Verfahren der Firma Piel & Adey, Solingen, schon in den 20er Jahren patentiert. Diese Technologieführerschaft war und ist wichtige Basis für die Entwicklung weiterer innovativer Leistungen im Gießereiwesen.

Ein Hauptanwendungsgebiet ist noch heute die Elektrotechnik. Neben Werkstoffen mit hoher elektrischer- und Wärmeleitfähigkeit wurden folgerichtig bald Legierungen auf Kupferbasis entwickelt, die neben hoher Korrosionsbeständigkeit auch hohe Festigkeiten aufweisen. Kupfer-Aluminium-Legierungen, auch Aluminiumbronzen genannt, vereinen die charakteristischen Vorzüge des Präzisions-Kokillengusses (saubere Oberflächen, hohe Maßgenauigkeit und Maßhaltigkeit) und erschließen somit neue Anwendungsgebiete, die bisher nur legierten Stählen vorbehalten waren.

Kupfer-Aluminium-Zwei- und Mehrstofflegierungen

Bei Cu-Al-Legierungen wird zwischen Zweistoff- und Mehrstofflegierungen unterschieden:

• Zweistofflegierungen enthalten außer Kupfer einen Al-Anteil bis zu ca. 10 %
• Mehrstofflegierungen enthalten neben 7 bis 13 % Al noch weitere Bestandteile wie Ni, Fe und Mn. Dadurch werden die mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit noch weiter verbessert.

Die große Abkühlgeschwindigkeit des Metalls beim Gießen in Kokille – hervorgerufen durch das hohe Wärmegefälle zwischen einfließendem Metall und den gut wärmeleitenden Kokillenwänden – hat gerade für Kupfer-Aluminium-Werkstoffe eine besondere Bedeutung. Der rasche Wärmeentzug führt bei dem erstarrenden Gussteil zu einer feinkörnigen Gefügeausbildung. Das Kokillengussgefüge erhöht die Dehnung sowie die Dauer- und Abriebfestigkeit der Werkstoffe.

Die Löslichkeit von Aluminium in Kupfer ist stark temperaturabhängig, so dass bei langsamer Abkühlung – durch die geringere Löslichkeit bei niedrigeren Temperaturen – Phasenumwandlungen auftreten. Ein beschleunigter Abkühlungsvorgang führt jedoch dazu, dass ein bestimmter Gefügezustand gewissermaßen „eingefroren“ wird. Diese „Erstarrung“ des Gefüges wirkt sich in der Regel vorteilhaft aus, da höhere Festigkeits- und Härtewerte erzielt werden, wenngleich die Dehnung dabei abnimmt.

Diese Abkühlgeschwindigkeit ist gleichfalls abhängig von der Formgebung und vor allem von den Wanddicken des Gussteils. Sie ist geringer bei dicken und größer bei dünnen Wandungen. Demzufolge sind Härte, Festigkeit und Dehnung ebenfalls wanddickenabhängig. An Gussteilen mit starken Wanddickenunterschieden treten also unterschiedliche Festigkeitswerte auf, die sich jedoch nur selten nachteilig auswirken. Eine Homogenisierung, etwa durch Glühen, ist daher kaum nötig.

Das Diagramm in Bild 1 visualisiert den Einfluss der Wanddicke auf die Festigkeit des Werkstoffs CuAl10Fe5Ni5-C-GM. Bild 2 zeigt die entsprechende Veränderung der Dehnung.

Vorzüge der Kupfer-Aluminium-Werkstoffe

Die Dichte der Kupfer-Aluminium-Legierungen ist abhängig vom Al-Gehalt und liegt durchschnittlich bei 7,5 bis 7,6 g/cm³. Die Farbe der Werkstoffe schwankt, abhängig von den Legierungsbestandteilen, zwischen Goldtönen und gelben Farbnuancen. Wie aus Tab.1 hervorgeht, erzielt man Festigkeiten von bis zu mehr als 750 N/mm² sowie Härten von über 185 HB.

Die gute Korrosionsbeständigkeit erklärt sich aus der leichten Oxidierbarkeit des Aluminiums: Auf den Gussteilen bildet sich eine feste Oxidhaut, die, obwohl nicht sichtbar, vor Korrosion schützt. Wird diese Schutzschicht verletzt, so baut sie sich im Laufe der Zeit von selbst wieder auf. Voraussetzung ist Sauerstoff in der Umgebung.

Bemerkenswert sind auch die Kavitations- und Verschleißfestigkeitseigenschaften der Kupfer-Aluminium-Legierungen. Die Werkstoffe zeigen bei Temperaturen von bis zu +200 °C nur leicht fallende Festigkeitswerte, während bei niedrigen Temperaturen bis –200 °C steigende Festigkeitswerte auftreten. Die Dehnung bleibt hierbei erhalten.

Eigenschaften überzeugen

Die elektrische Leitfähigkeit der Aluminium-Bronzen ist relativ gering; sie verringert sich mit wachsendem Al-Anteil und liegt dann zwischen 3 und 7 m/mm2 Ω (Die Wärmeleitfähigkeit verhält sich proportional zur elektrischen Leitfähigkeit).

Cu-Al-Legierungen sind bezüglich der Zerspanung ohne Weiteres mit Stählen gleicher Festigkeit zu vergleichen.

Die gute Schweißbarkeit stellt für eine Reihe von technischen Anwendungsfällen einen weiteren Verfahrensvorteil dar. Die Werkstoffe können nach dem WIG-Verfahren sowohl miteinander als auch mit Stahl verschweißt werden. Als Schweißzusatzwerkstoffe werden dabei artgleiche Cu-Al-Werkstoffe, NiCr oder NiCu verwendet (Hart- und Weichlöten sollte dagegen vermieden werden).

Die Erfahrung zeigt, dass qualifizierte Spezialisten, wie z.B. PIEL & ADEY, jedem Entscheider für seine individuelle Anforderung Verfahrenslösungen anbieten können, die oftmals signifikante Vorteile zu bisherigen „Stahl-Lösungen“ bieten. Voraussetzung dafür ist lediglich ein ernsthaftes Briefing-Gespräch, vorzugsweise in der frühen Entwicklungsphase.

*Dipl. Ing. Albrecht Schupp, Leiter Produktentwicklung PIEL & ADEY

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