Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Das Ausscheidungshärten ist ein entscheidender Mechanismus zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen, insbesondere von Cu-Legierungen, die neben hohen Festigkeiten auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit benötigen. Speziell in Kontaktwerkstoffen für Steckverbinder sind kleine, fein verteilte Ausscheidungen in einer homogenen Mischkristallmatrix gefragt, um die Anforderungen an Festigkeit, Relaxationseigenschaften und Leitfähigkeit zu erfüllen. Die Herausforderung liegt darin, die Ausscheidungsgröße sowie -verteilung präzise zu steuern, um optimale Materialeigenschaften zu erreichen. Dies erfordert eine genaue Einstellung der Glüh- und Walzparameter, wobei die gesamte Temperaturführung im Herstellungsprozess beachtet werden muss. Die Ausscheidungen reagieren sehr empfindlich auf Temperatur- und Zeitparameter während der Auslagerung. Hohe Temperaturen können zu grobkörnigen, weniger homogenen Partikeln führen, während zu niedrige Temperaturen eine zu langsame Ausscheidungsentwicklung bewirken.
Die Steuerung des Ausscheidungsprozesses basiert auf einem thermodynamisch-kinetischen Modell, das die zeitliche Entwicklung der Ausscheidungen in Cu-Ni-Si-Legierungen beschreibt und Vorhersagen über deren Größe und Anzahl bei variierenden Temperaturen ermöglicht. Dieses Modell berücksichtigt Nukleation, Wachstum und Auflösung der Partikel und stützt sich auf bekannte Gibbs-Energie-Funktionen und Diffusionskoeffizienten, die in Datenbanken verfügbar sind. Die Theorie erlaubt die Simulation verschiedener Glühparameter und damit die gezielte Steuerung der Mikrostruktur. Hierdurch kann die Auslagerung so optimiert werden, dass eine hohe Festigkeit durch fein verteilte Ni2Si-Ausscheidungen bei gleichzeitig guter elektrischer Leitfähigkeit erreicht wird.
Zum Beherrschen des Prozesses wurden im Rahmen eines Verbundvorhabens experimentelle Untersuchungen an Cu-Proben mit variierenden Glühparametern durchgeführt und die Ausscheidungsverteilung mit TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) an Partnerinstituten vermessen und mit den Modellvorhersagen verglichen. Die Ergebnisse fließen am Fraunhofer IWM in die Verfeinerung eines thermodynamisch-kinetischen Modells ein, das zur Berechnung der optimalen Auslagerungstemperaturen und -dauern dient. Diese Methode ermöglicht eine gezielte Anpassung der Prozessparameter, um die Mikrostruktur gezielt zu beeinflussen und somit eine ideale Kombination aus Festigkeit und Leitfähigkeit zu erzielen.