Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Kupfer-Beryllium-Legierungen (Cu-Be) zeichnen sich durch ihre hohe Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit aus und werden daher oft als elektrische Steckverbinder eingesetzt. Allerdings ist Beryllium gesundheitsschädlich und wird nur in wenigen Ländern außerhalb Europas produziert, was ein Versorgungsrisiko schafft. Daher besteht ein starker Bedarf, Alternativen zu finden, die die hervorragenden Eigenschaften von Cu-Be-Legierungen beibehalten. Das Fraunhofer IWM hat sich dieser Herausforderung in einem Projekt mit anderen Forschungsinstituten und Industriepartnern gestellt und Cu-Ni-Al-Legierungen als vielversprechende Ersatzwerkstoffe qualifiziert.
Die werkstofftechnische Herausforderung liegt insbesondere in der mikrostrukturbasierten Modellierung der Hochtemperaturfestigkeit. Es ist entscheidend, die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Prozessparametern und den resultierenden Materialeigenschaften zu verstehen, um die gewünschte Mikrostruktur zu erreichen. Dies erfordert die präzise Steuerung der Gefügeentwicklung und der mechanischen Eigenschaften während der Wärmebehandlung, um optimale Eigenschaften wie erhöhte Härte und verbesserte Verschleißfestigkeit zu erzielen.
Im Fall der Cu-Ni-Al-Legierungen wird die hohe Festigkeit durch die Bildung feiner Ausscheidungen der L12-Phase (Ni, Cu)3Al mit einer Größe von 10 nm bis 20 nm erreicht. Diese Ausscheidungen behindern die Versetzungsbewegungen im Gitter und führen zur Verfestigung der Legierung. Durch thermodynamisch-kinetische Berechnungen kann der Radius dieser Ausscheidungen präzise vorhergesagt und in ein Modell integriert werden, das die Fließgrenze und Kriecheigenschaften der Legierungen beschreibt. Dieses theoretische Verständnis ist entscheidend, um gezielte Substitutionen vorzunehmen.