Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMBeryllium-Ersatz in Kupferlegierungen (CuBiK)
Berechneter Ni3Al-Phasenanteil (links) und Cu-Gehalt in der Matrix (rechts) bei Raumtemperatur in CuNiAl-Legierungen. Den Diagrammen sind die Temperaturintervalle für eine mögliche Lösungsglühung als Linien überlagert (mit Pfeilen markiert).
Entwicklung neuer, hochfester Kupferlegierungen dank umfangreicher Simulationen
Kupfer-Beryllium Legierungen zeichnen sich durch eine für Kupferlegierungen sehr hohe Festigkeit bei vergleichsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit aus. Beryllium und insbesondere Berylliumstäube können beim Menschen sehr gesundheitsschädlich sein. Im Rahmen der Förderung der innovativen Rohstoffnutzung in KMU des Landes Baden-Württemberg wurden CuNiAl-Legierungen als Ersatzwerkstoffe für Kupfer-Beryllium Legierungen in einem Gemeinschaftsprojekt mit dem »fem Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie« in Schwäbisch Gmünd, »NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut« in Reutlingen und einer Reihe von Industriepartnern weiterentwickelt. Das Legierungssystem erwies sich im Rahmen einer Untersuchung von 35 Legierungssystemen als sehr vielversprechend hinsichtlich erreichbarer Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit.
Dank umfangreicher automatisierter thermodynamischer Simulationen am Fraunhofer IWM konnten CuNiAl-Legierungen für industrielle Abgüsse definiert werden. Die Prototyplegierungen wurden am fem sowie von den Industriepartnern hergestellt und deren Mikrostruktur, mechanische und elektrische Eigenschaften und Korrosionsneigung untersucht. Mittels hochauflösenden elektronenmikroskopischen Untersuchungen am fem und am NMI wurden Ausscheidungsphasen identifiziert und deren Anteil und Morphologie bestimmt.
Durch angepasste Legierungsgehalte und ein viertes Legierungselement konnten die Härte und die elektrische Leitfähigkeit wie erhofft gesteigert werden. CuNiAl-Legierungen zeichnen sich durch eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Überalterung aus. Auch weisen sie trotz höchster Festigkeit ein hohes Verformungsvermögen auf. Sie sind sowohl als Knetlegierung als auch als Gusslegierung einsetzbar. Erste Untersuchungen legen nahe, dass sie beschichtbar sowie vergleichsweise beständig gegenüber Korrosion und mechanischem Verschleiß sind. Auch die Stanzbarkeit ist gegeben. Darüber hinaus hat das Projekt erheblich zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Materialeigenschaften, der Verarbeitungsgeschichte und der Mikrostruktur beigetragen und bietet damit eine gute Ausgangslage für eine industrielle Adaption.