Einfluss der Hauptlegierungselemente auf wichtige physikalische Eigenschaften warmfester AlSi-Gusslegierungen. Einleitung

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1 SPECIAL: ALUMINIUM FOTO: AMAG Üer Al-Legierungen werden von AMAG hergestellt und vertrieen. Einfluss der Huptlegierungselemente uf wichtige physiklische Eigenschften wrmfester AlSi-Gusslegierungen VON FLORIAN STADLER UND HELMUT ANTREKOWITSCH, LEOBEN, ÖSTERREICH, WERNER FRAGNER UND HELMUT KAUF- MANN, RANSHOFEN, ÖSTERREICH, SOWIE PETER J. UGGOWITZER, ZÜRICH, SCHWEIZ Einleitung AlSi-Multikomponentenlegierungen werden dnk ihrer guten Gießeigenschften, ihrer hohen Festigkeit, Verschleißeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit für verschiedenste Teile im Automoilereich verwendet, oftmls uch für solche, die einer erhelichen thermischen Belstung usgesetzt sind [-6]. Kommerzielle wrmfeste AlSi-Gusslegierungen enthlten hohe Anteile n Cu, Ni und Mg, die eine Reihe temperturstiler Aluminide (z. B. Al 3 Ni, Al 3 CuNi, Al 3 Ni 2, Al 7 Cu 4 Ni, Al 9 FeNi) ilden, welche die mechnischen Eigenschften ei erhöhten Temperturen je nch Morphologie, Größe und Volumennteil mehr oder weniger steigern [, 7, 8]. In früheren Areiten wurde ereits detilliert geschildert, welch große Unterschiede sich ezüglich der Festigkeit von AlSi- Gusslegierungen sowohl ei Rumtempertur ls uch ei erhöhten Temperturen is 25 C in Ahängigkeit von der Legierungszusmmensetzung ergeen können [2-6, 9, ]. So konnte in der diesjährigen April-Ausge der Zeitschrift Giesserei [] gezeigt werden, dss die AlSi9Cu3(Fe) (A6) is c. 25 C ei den sttischen Festigkeiten durchus mit konventionellen, wrmfesten Legierungen (z. B. AlSi2CuNiMg) mithlten knn. Bei höheren Temperturelstungen hingegen schneiden letztgennnte, hängig von der jeweiligen Zusmmensetzung, esser. Neen den mechnischen Kennwerten spielen jedoch uch physiklische Eigenschften wie die Wärmeleitfähigkeit λ oder der thermische Ausdehnungskoeffizient α eine entscheidende Rolle ei der Auswhl von Legierungen für Motorkomponenten. Bei Kolen eispielsweise muss die während des Verdichtungsprozesses generierte Wärme schnellstmöglich trnsportiert werden, um thermischen Spnnungen zw. Hot Spots uf der Kolenoerfläche vorzueugen zw. sind Mterilien mit möglichst geringer thermischer Ausdehnung einzusetzen, um ein Festfressen des Kolens im Zylinder zu verhindern. Bei der Whl ei- GIESSEREI 99 /

2 ner geeigneten Legierung für den Einstz ei hohen Temperturen sollten dher nicht nur die mechnischen Kennwerte im Mittelpunkt des Interesses stehen, sondern uch die Prmeter Wärmeleitfähigkeit und thermische Ausdehnung erücksichtigt werden, welche die Leensduer der Buteile signifiknt eeinflussen können [2]. Aufgrund der Ttsche, dss Si, Cu und Ni wichtige Legierungsestndteile wrmfester AlSi-Legierungen sind, ist ds Verständnis des Einflusses oen gennnter Elemente uf die Wärmeleitfähigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten Vorussetzung dfür, sinnvolle Konzentrtionen in den jeweiligen Legierungen festzusetzen zw. thermische Kennwerte ei eknnter Legierungszusmmensetzung näherungsweise zuschätzen. Ziel der vorliegenden Areit ist dher die Untersuchung des Einflusses der Elemente Si, Cu und Ni uf die thermische Leitfähigkeit und die linere Ausdehnung unter- und eutektischer AlSi-Gusslegierungen und die Üerprüfung usgewählter Messwerte mit Hilfe von theoretischen Modellen zur Vorhersge der physiklischen Eigenschften heterogener Werkstoffe. Experimentelles Telle zeigt die chemische Zusmmensetzung der untersuchten Legierungen. Die Herstellung und Wärmeehndlung (495 C/8 h + 25 C/ h) der Proen erfolgte in der AMAG-Versuchsgießerei und m Institut für Nichteisenmetllurgie und wurde ereits n nderer Stelle eingehend erläutert [2-6]. Die Ermittlung von λ fnd üer eine Versuchsnordnung sttt, die n der ETH Zürich hergestellt wurde. Dei siert die Messung uf dem Temperturgrdienten entlng der seriellen Verindung einer Referenzproe mit eknnter Wärmeleitfähigkeit und der zu untersuchenden Legierung [2, 3]. α wurde mit Hilfe eines Diltometers vom TYP DIL85 m Leichtmetllkompetenzzentrum (LKR) in Rnshofen gemessen. Die jeweilige Längenänderung knn dei mit einer Genuigkeit von,5 μm ufgenommen werden, während die Temperturregelung eine Messunsicherheit von,5 C ufweist. Die thermodynmische Berechnung der Phsennteile in den jeweiligen Legierungen erfolgte mit Hilfe des Softwrepkets Thermo-Clc und der Dtennk TTAL5 [4]. Ergenisse Thermodynmische Berechnungen Thermodynmische Berechnungen sind ein wichtiges Werkzeug zur Vorhersge der Phsennteile in Gew.-% Phsennteile in Gew.-% Phsenusildung in Multikomponentenlegierungen. Dei knn diese im thermodynmischen Gleichgewicht oder im Ungleichgewicht nch Scheil erechnet werden. In jedem Fll siert die jeweilige Klkultion uf einer Minimierung der freien Energie nch Gis. Ein nnähernd ideler Gleichgewichtszustnd wird lediglich ei sehr lngsmen Akühledingungen mit der Möglichkeit einer vollständigen Diffusion im flüssigen und festen Zustnd erzielt [5]. Die Grundlge des Scheil-Modells hingegen ist die Annhme, dss im festen Zustnd keine Diffusion uftritt und die Zusmmensetzung der Schmelze während der Erstrrung homogen ist (vollständige Durchmischung). Berechnungen nch Scheil spiegeln dher ein Worst-Cse-Szenrio der Erstrrung mit strker Seigerung wider [5]. Tempertur in C Al 3 Ni Al 9 FeNi AlFeMnSi α-mxx Mg 2 Si Si Tempertur in C Al 3 Ni Al 9 FeNi β-alfesi AlFeMnSi α-mxx Mg 2 Si Si Bild : Phsenildung m Beispiel der Legierung AlSi7Ni,5(Mg) ei der Erstrrung im Gleichgewicht () und im Ungleichgewicht nch Scheil (). Aufgrund des Umfnges wird im Rhmen der hier eschrieenen Areit druf verzichtet, die Phsennteile ller untersuchten Legierungen nzuführen. Bild stellt nhnd der Legierung AlSi7Ni,5(Mg) die Erstrrung im Gleichgewicht jener im Ungleichgewicht nch Scheil gegenüer, woei deutlich wird, dss je nch Whl des Modells große Unterschiede ezüglich der Anteile der intermetllischen Phsen (IMPs) uftreten. Owohl ei den vorliegenden Rndedingungen (Kokillenguss c. 3 K/s) von einer Erstrrung nch Scheil usgegngen werden knn, wird ngenommen, dss ei lngen Hltezeiten uf erhöhten Temperturen (25 C) eine Annäherung n den entsprechenden Gleichgewichtszustnd erfolgt [2-6]. Aus diesem Grund wurden für die folgenden Üerlegungen die jeweili- GIESSEREI 99 /

3 SPECIAL: ALUMINIUM Telle : Zusmmensetzung der untersuchten Legierungen (in Gew.-%). Nr. Legierung Si Fe Cu Mn Mg Ni Andere AlSi7(Mg) 6,93,4 <,5,3,36 <,5 <,5 2 AlSi7Ni,5(Mg) 7,4,4 <,5,34,38,5 <,5 3 AlSi7Ni(Mg) 7,24,39 <,5,3,4,6 <,5 4 AlSi7Ni,5(Mg) 7,7,4 <,5,3,37,55 <,5 5 AlSi7Cu(Mg) 7,6,4,98,3,37 <,5 <,5 6 AlSi7CuNi,5(Mg) 7,8,43,,36,37,55 <,5 7 AlSi7CuNi(Mg) 7,2,4,,3,37,6 <,5 8 AlSi7CuNi,5(Mg) 7,,4,,3,35,54 <,5 9 AlSi7Cu2(Mg) 7,4,4 2,9,3,35 <,5 <,5 AlSi7Cu2Ni,5(Mg) 7,,42,99,37,33,54 <,5 AlSi7Cu2Ni(Mg) 7,4,4 2,,3,35, <,5 2 AlSi7Cu2Ni,5(Mg) 7,4,4 2,,3,35,53 <,5 3 AlSi7Cu3(Mg) 6,9,4 3,6,3,34 <,5 <,5 4 AlSi7Cu3Ni,5(Mg) 7,4,42 2,99,37,34,54 <,5 5 AlSi7Cu3Ni(Mg) 7,,4,,37,34, <,5 6 AlSi7Cu3Ni,5(Mg) 6,99,4 3,4,3,35,5 <,5 7 AlSi2(Mg) 2,5,43 <,5,32,34 <,5 <,5 8 AlSi2Ni(Mg) 2,2,44 <,5,32,35,5 <,5 9 AlSi2Ni2(Mg) 2,33,44 <,5,3,35 2, <,5 2 AlSi2Ni3(Mg) 2,7,43 <,5,29,34 3,5 <,5 2 AlSi2Cu(Mg) 2,5,39,95,29,34 <,5 <,5 AlSi2CuNi(Mg) 2,,4,99,29,34, <,5 23 AlSi2CuNi2(Mg) 2,4,4,99,29,35 2,5 <,5 24 AlSi2CuNi3(Mg),87,43,,28,34 3, <,5 25 AlSi2Cu2(Mg) 2,5,4,96,3,34 <,5 <,5 26 AlSi2Cu2Ni(Mg),96,44,97,3,34,99 <,5 27 AlSi2Cu2Ni2(Mg),94,44 2,2,29,35 2,2 <,5 28 AlSi2Cu2Ni3(Mg),93,43 2,5,28,35 3,2 <,5 29 AlSi2Cu3(Mg) 2,26,4 3,2,3,35 <,5 <,5 3 AlSi2Cu3Ni(Mg),97,4 3,2,3,35,3 <,5 3 AlSi2Cu3Ni2(Mg) 2,4 3,5,29,35 2,2 <,5 32 AlSi2Cu3Ni3(Mg),93,4 3,7,28,35 2,99 <,5 33 AlSi2Cu4(Mg) 2,2,43 3,79,3,32 <,5 <,5 34 AlSi2Cu4Ni(Mg) 2,,44 3,8,29,32, <,5 35 AlSi2Cu4Ni2(Mg) 2,2,46 3,87,28,32,99 <,5 36 AlSi2Cu4Ni3(Mg),94,47 3,9,27,33 2,93 <,5 gen Phsennteile im Gleichgewichtszustnd ei 25 C herngezogen, d. h. nch längerer Temperturelstung. Wärmeleitfähigkeit (λ) Ds folgende Kpitel ehndelt den Einfluss der Legierungselemente Si, Cu und Ni uf die Wärmeleitfähigkeit einzeln und in Komintion miteinnder. Es sei festgehlten, dss sich lle Ergenisse und Interprettionen uf den hier vorliegenden Wärmeehndlungszustnd eziehen [2-6]. Der Einfluss von Si. Zur Drstellung des Einflusses von Silicium uf λ erfolgte zusätzlich die Messung der thermischen Leitfähigkeit für eine Mtrix-Legierung AlSiMg,35Fe,4Mn,3, die neen Fe, Mn und Mg uch % Si enthält, um die Bildung der α-phse Al 5 (Fe, Mn) 3 Si 2 (siehe Bild ) zu ermöglichen. Die Wärmeleitfähigkeit der oen gennnten Legierung eträgt ei 4 C 2 W/mK. Bild 2 zeigt die experimentell ermittelten λ-werte sowohl für die Mtrixvrinte ls uch für die Legierungen AlSi7(Mg) und 7 AlSi2(Mg). Desweiteren sind im vorliegenden Digrmm jene Dten eingetrgen, die den Einfluss von Si uf die WLF von Al99,99 nch Zhng et l. [6] wiedergeen. Die Wärmeleitfähigkeit einphsiger Werkstoffe ist reltiv gut untersucht, llerdings hndelt sich ei den meisten industriell eingesetzten Legierungen, wie uch ei den untersuchten Vrinten, um mehrphsige Mterilien. Um die folgenden Üerlegungen zu vereinfchen, werden Al- Si-Legierungen ls eine Art Verundwerkstoff etrchtet, estehend us einer Al- Mtrix und eutektischem Silicium. Der λ-wert eines solchen Verundwerkstoffes sollte zwischen den jeweiligen Werten für die einzelnen Bestndteile des Verundes liegen. Wünschenswert ist in jedem Fll die Möglichkeit einer Aschätzung der thermischen Kennwerte von Verundwerkstoffen ei Kenntnis der Eigenschften der Einzelkomponenten. Dei ist die Auswhl eines geeigneten Modells, ds die Verteilung der Phsen in der Mischung wiedergit, zielführend. Im vorliegenden Fll hndelt es sich dei schemtisch um kugelförmige Phsen, die in eine mkroskopisch isotrope Mtrix eingelgert sind, weshl die Modelle von Mxwell [7] und Hshin-Shtrikmn (HS) [8] zur Aschätzung von λ herngezogen werden können. Bei Anwendung oen gennnter Modelle konnte ei einem Wert von 25 W/mK [9, 2] für λ Si eine gute Üereinstimmung der erechneten mit den gemessenen Werten erzielt werden. Einfluss von Cu. In Bild 3 ist der Einfluss von Cu uf die Wärmeleitfähigkeit der Le- 2 GIESSEREI 99 /

4 gierungen (AlSi7(Mg)) und 7 (AlSi2(Mg)) drgestellt. Es tritt ein nhezu linerer Afll der WLF mit zunehmender Cu-Konzentrtion uf. Die untersuchten Legierungen enthlten jeweils,35 % Mg, sodss dvon usgegngen werden knn, dss sich im Zuge der Wrmuslgerung sekundäre Ausscheidungen vom Typ θ-al 2 Cu und Q-Al 5 Cu 2 Mg 8 Si 7 ilden, welche die thermische Leitfähigkeit hersetzen. Im Fll der untereutektischen Legierungen wird der gesmte Anteil n Mg und Cu durch eine Glühehndlung ei 495 C in Lösung gercht. Bei AlSi2Cu4(Mg) hingegen leit ereits ein Teil des Cu ungelöst und liegt in Form primärer Al 2 Cu-Phsen vor, die sich stärker negtiv uf die WLF uswirken ls feinst verteilte Sekundärphsen. Dies erklärt den verhältnismäßig strken Afll von λ zwischen 3 und 4 % Cu ei den eutektischen Vrinten. Einfluss von Ni. Bild 3 zeigt den Einfluss von Ni uf die Wärmeleitfähigkeit der Legierungen (AlSi7(Mg)) und 7 (AlSi2 (Mg)). Es tritt ein deutlich stärkerer Afll mit zunehmender Ni-Konzentrtion uf ls im Fll von Cu. D weder Fe noch Ni eine nennenswerte Löslichkeit im α-mischkristll ufweisen, kommt es selst ei Si-Gehlt in Gew.-% Zhng et l. Messwerte Bild 2: Einfluss von Si uf λ ei 4 C und Vergleich mit Werten us der Litertur [6]. geringen Konzentrtionen oen gennnter Elemente zur Bildung Fe- und Ni-hltiger Primärphsen (Al 9 FeNi zw. Al 3 Ni), woei sich der Chrkter des Werkstoffs von einem homogenen Mteril hin zu einem komplexeren Verundwerkstoff verändert [2-4, 8]. Auch in diesem Fll ist eine näherungsweise Aschätzung von λ durch die Anwendung oen erwähnter Modelle möglich. Eine detillierte Beschreiung der Vorgehensweise zur Modellierung der Wärmeleitfähigkeit ls Funktion des Ni- Gehltes zw. des Volumennteils Ni-hltiger IMPs liegt in [2] vor. Komintion Cu-Ni-(Mg). Bild 4 zeigt den Einfluss von Ni uf die thermische Leitfähigkeit der Cu-hltigen Vrinten der Systeme AlSi7(Mg) und AlSi2(Mg). Grund Tropg.indd.9.:3 GIESSEREI 99 /2

5 SPECIAL: ALUMINIUM Cu-Gehlt in Gew.-% AlSi7(Mg) AlSi2(Mg) 4 sätzlich ist ein kontinuierlicher Afll von λ mit zunehmender Ni-Konzentrtion zu eochten, der uf die Einlgerung von mehr oder weniger großen Anteilen primärer Cu- und Ni-hltiger Aluminide in die Al-Mtrix zurückzuführen ist. Thermischer Ausdehnungskoeffizient (α) Im Folgenden wird nun eine Anlyse des Einflusses von Si, Cu und Ni uf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten ei 25 C einzeln und in Komintion miteinnder durchgeführt. Es sei festgehlten, dss sich lle Ergenisse und Interprettionen uf den hier vorliegenden Wärmeehndlungszustnd eziehen [2-6] Bild 3: Einfluss von () Cu und () Ni uf die Wärmeleitfähigkeit von AlSi7(Mg) und AlSi2(Mg). Telle 2: Zweiter Thermoschockprmeter R s der Legierungen 36. AlSi7(Mg) AlSi2(Mg) Rng Legierung R S [W/m] R S /R S mx Rng Legierung R S [W/m] R S /R S mx AlSi2Cu3(Mg) 78, 9 AlSi7Cu3Ni,5(Mg) 64,798 2 AlSi2Cu4Ni2(Mg) 7765,995 2 AlSi2Ni2(Mg) 643,787 3 AlSi2CuNi3(Mg) 7737,992 2 AlSi7Cu(Mg) 5977,766 4 AlSi2CuNi(Mg) 7689,986 AlSi7CuNi(Mg) 5965,765 5 AlSi2CuNi2(Mg) 766, AlSi7Cu3Ni,5(Mg) 5875,753 6 AlSi2Cu4(Mg) 754, AlSi7Cu3Ni(Mg) 5853,75 7 AlSi2Cu4Ni3(Mg) 75, AlSi7Cu2(Mg) 5788,742 8 AlSi2Cu4Ni(Mg) 7452, AlSi2Ni(Mg) 5764,739 9 AlSi2Cu3Ni3(Mg) 7438, AlSi7Cu2Ni(Mg) 5742,736 AlSi2Cu3Ni2(Mg) 7389, AlSi7CuNi,5(Mg) 567,727 AlSi2Cu(Mg) 7383, AlSi7Cu2Ni,5(Mg) 5669,727 2 AlSi2Cu2Ni3(Mg) 735,94 AlSi7Ni(Mg) 5625,72 3 AlSi2Cu3Ni(Mg) 735,94 AlSi7Cu2Ni,5(Mg) 542,695 4 AlSi2Cu2Ni(Mg) 79,99 32 AlSi2Ni3(Mg) 532,682 5 AlSi2Cu2(Mg) 746,93 33 AlSi7Ni,5(Mg) 5242,672 6 AlSi2Cu2Ni2(Mg) 698, AlSi2(Mg) 523,644 7 AlSi7Cu3(Mg) 6455, AlSi7Ni,5(Mg) 427,54 8 AlSi7CuNi,5(Mg) 6283,85 36 AlSi7(Mg) 3389,434 Einfluss von Si. Lut Htch [2] weist α von Reinluminium (99,99 %) ei 25 C einen Wert von c. 27 [ -6 K - ] uf, α Si ewegt sich in der Größenordnung von 3,65 [ -6 K - ] []. Um einen Vergleich mit den Legierungen AlSi7(Mg) und AlSi2(Mg) nzustellen, muss erücksichtigt werden, dss letztere Fe, Mn und Mg enthlten, welche α in Summe leicht hersetzen. Für die folgenden Berechnungen wird dher der Ausdehnungskoeffizient von Aluminium mit,4 % Fe,,3 % Mn und,35 % Mg uf 26 [ -6 K - ] festgesetzt. Dieser Wert und die eiden gemessenen α-werte für AlSi7(Mg) und AlSi2(Mg) sind in Bild 5 drgestellt. Nch Htch [2] resultiert die Zuge von 7 zw. 2 % Si in einer Erniedrigung von α um 7,5 zw. 2,8 % (ezogen uf Reinluminium) oder, in soluten Werten usgedrückt, uf einen Wert von 24,5 zw.,67 [ -6 K - ] für AlSi7(Mg) und AlSi2(Mg). Dieser Anstz üerschätzt die gemessenen Werte (AlSi7(Mg),89 zw. AlSi2(Mg) 2,98) deutlich. Als eine weitere Möglichkeit zur Bewertung des Einflusses von Silicium ieten sich Modelle zur Aschätzung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zweiphsiger Werkstoffe n [23-25], d AlSi-Gusslegierungen vereinfcht ls ein Verundwerkstoff, estehend us einer Al-Mtrix und eutektischem Si ls eingelgerte Phse, etrchtet werden können [3-5]. Zu den wichtigsten zählen dei die einfche linere Mischungsregel (LMR) [23] und die Modelle von Turner [24] und Kerner [25] (Bild 5). Die mittels LMR erechneten Werte entsprechen im Wesentlichen der Aschätzung nch Htch [2]. Während ds Kerner-Modell die Messwerte weniger gut ildet, scheint sich ds Modell nch Turner esser für eine Vorhersge von α in Ahängigkeit vom Si-Gehlt zu eignen. Einfluss von Cu. In Bild 6 ist der Einfluss von Cu uf die thermische Ausdehnung der 4 GIESSEREI 99 /

6 Legierungen (AlSi7(Mg)) und 7 (AlSi2(Mg) ei einer Tempertur von 25 C drgestellt. Der Effekt von is zu 4 % Cu uf α erweist sich ls ziemlich gering. Zu erwrten wäre ein kontinuierlicher, leichter Afll mit steigender Cu-Konzentrtion. Im Fll der untereutektischen Legierungen ist jedoch sogr ein Anstieg zu erkennen. Dies knn lediglich uf Messfehler im Rhmen der Diltometeruntersuchungen und die äußerst geringe Differenz zwischen den einzelnen Legierungen zurückgeführt werden. Nch Htch [2] resultiert die Zuge von 3 zw. 4 % Cu in einer Erniedrigung von α um,9 zw.,2 %, ws einem Asolutwert von -,2 zw. -,26 [ -6 K - ] entspricht. Diese Differenz liegt innerhl des Messfehlerereiches und ist zu gering, um korrekt erfsst zu werden. Einfluss von Ni. Bild 6 stellt den Einfluss von Ni uf die thermischen Ausdehnung von AlSi7(Mg) und AlSi2(Mg) ei einer Tempertur von 25 C dr. Auch in diesem Fll ist der Effekt von Ni wenig strk usgeprägt. Lut Htch [2] ht die Zuge von,5 % Ni eine prozentule Erniedrigung von α von c. 2,25 % zur Folge, ws einem Asolutwert von -,52 [ -6 K - ] entspräche. Im Fll der eutektischen Vrinten ist die Tendenz schon etws esser zu erkennen. 3 % Ni verringern den Ausdehnungskoeffizienten von Reinluminium um c. 4,5 % (= -,99 [ -6 K - ]) [2]. Komintion Cu-Ni-(Mg). Bild 7 zeigt den Einfluss von Ni uf die thermische Ausdehnung der Cu-hltigen Vrinten der Systeme AlSi7(Mg) und AlSi2(Mg). Grundsätzlich ist ein kontinuierlicher Afll von α mit zunehmender Ni-Konzentrtion zu emerken, der uf die Einlgerung von mehr oder weniger großen Anteilen primärer Cuund Ni-hltiger Aluminide in die Al-Mtrix zurückzuführen ist. Der solute Afll ist er uch in diesem Fll reltiv gering, zumindest ei den eutektischen Vrinten jedoch eindeutig zu erkennen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient unterschiedlicher IMPs in AlSi-Kolenlegierungen wurde von Chen et l. [26] eingehend untersucht. Grundsätzlich liegen die α-werte für die Cu/Ni-hltigen Phsen in einem Bereich von -2 [ -6 K - ]. Dies ist in jedem Fll deutlich niedriger ls α von Reinluminium. Mit zunehmendem Volumennteil n IMPs mit geringen α-werten sinkt dher der Ausdehnungskoeffizient der jeweiligen Legierung. Temperturwechseleständigkeit Trotz der Ttsche, dss im Rhmen dieser Areit keine Messungen zur Temperturwechseleständigkeit durchgeführt wurden, soll im Anschluss ein Rnking der einzelnen Legierungen in Bezug uf ihre Widerstndsfähigkeit gegen thermisch induzierte Spnnungen erfolgen. Dies ist unter Zuhilfenhme des zweiten Thermoschockprmeters R S möglich. Dieser wird v.. ei kermischen Werkstoffen zur Bewertung der Rissnfälligkeit herngezogen und mthemtisch wie folgt formuliert: n W R S = l s krit [ ] E m [] Je höher die entsprechenden Werte, desto widerstndsfähiger ist der Werkstoff gegen ein Versgen ufgrund thermisch induzierter Spnnungen. Im Folgenden soll diese Methodik für die untersuchten Legierungen ngewndt werden, um eine Rngfolge der unterschiedlichen Vrinten ezüglich ihres R S -Wertes ufzustellen. Der E-Modul sowie die Poisson-Zhl ν sind reltiv unempfindlich gegenüer kleineren Beimengungen n Legierungselementen. Dher werden oen erwähnte Kennwerte für lle Vrinten mit E = 7 GP und ν =,34 festgesetzt. Vrile Prmeter sind dher lediglich die,2 %-Dehngrenze σ krit [MP], die Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] zw. der thermische Ausdehnungskoeffizient α [ -6 K - ]. Dei konnten σ krit [5] und α ei 25 C estimmt GIESSEREI 99 / 5

7 SPECIAL: ALUMINIUM AlSi7Cu(Mg) AlSi7Cu2(Mg) AlSi7Cu3(Mg),5 werden, die λ hingegen nur ei 4 C. Owohl die thermische Leitfähigkeit der meisten Legierungen mit zunehmenden Tempertur steigt, wird vereinfcht ngenommen, dss der Unterschied zwischen den einzelnen Vrinten uch ei 25 C reltiv konstnt leit. Telle 2 stellt den AlSi2Cu(Mg) AlSi2Cu2(Mg) AlSi2Cu3(Mg) AlSi2Cu4(Mg),5 Bild 4: Einfluss von Ni uf die Wärmeleitfähigkeit Cu-hltiger Legierungen: ) untereutektische Vrinten; ) eutektische Vrinten. [x -6 K - ] Messwerte Htch LMR Turner Kerner Si-Gehlt in Gew.-% Bild 5: Einfluss des Si-Gehltes uf α ei 25 C; Vergleich der Messwerte mit den Modellen LMR, Turner und Kerner [23-25]. zweiten Thermoschockprmeter für die Legierungen -36 dr. Wie erwrtet, finden sich die eutektischen Legierungen im oeren Bereich wieder. Lediglich die Cu-freien Vrinten AlSi2(Mg), AlSi2Ni(Mg), AlSi2Ni2(Mg) und AlSi2Ni3(Mg) weisen reltiv niedrige R S -Werte uf. Die este Performnce zeigt in diesem Fll AlSi2Cu3(Mg), deren Wärmeleitfähigkeit ei sehr guten mechnischen Kennwerten reltiv hoch ist. Zusmmenfssung Im Zuge der durchgeführten Areiten wurde zuerst der Einfluss der Elemente Si, Cu und Ni uf die Wärmeleitfähigkeit von Al- Si-Gusslegierungen untersucht, woei sich unerwrtet große Schwnkungen in einem Bereich von 4-9 W/mK ergen. Die thermische Leitfähigkeit der untereutektischen Vrinten mit 7 % Si liegt jeweils c. -5 W/mK üer jener der eutektischen Legierungen mit 2 % Si. Zur Drstellung des Einflusses von Silicium uf λ wurden die AlSi-Legierungen vereinfcht ls Verundwerkstoff etrchtet, estehend us einer Al-Mtrix und eutektischem Silicium. Unter Verwendung des Wertes λ Si = 25 W/mK für die Leitfähigkeit der eutektischen Si-Kristlle wurden die Messwerte mittels theoretischer Modelle zur Vorhersge der physiklischen Eigenschften heterogener Werkstoffe üerprüft, woei sich zeigte, dss eine ungefähre Aschätzung der thermischen Kennwerte möglich ist. Cu ildet im Zuge der Wrmuslgerung sekundäre Ausscheidungen vom Typ θ-al 2 Cu und Q-Al 5 Cu 2 Mg 8 Si 7, welche die thermische Leitfähigkeit hersetzen. Bei hohen Cu-Gehlten (>3 %) liegt ein Teil des Cu in Form primärer Phsen im Gefüge vor, woei sich zeigte, dss λ durch diese stärker negtiv eeinflusst wird ls durch feinst verteilte Sekundärphsen. Auch Ni erniedrigt die Wärmeleitfähigkeit von AlSi-Legierungen deutlich, d die geildeten intermetllischen Phsen signifiknt geringere λ-werte ls die AlSi-Mtrix ufweisen [2]. Wie im Fll von Si knn ei gewissen Vereinfchungen in Bezug uf die Gefügestruktur eine ungefähre Aschätzung der thermischen Kennwerte ei Anwendung von theoretischen Modellen durchgeführt werden. Bei einer kominierten Zuge von Cu und Ni ist grundsätzlich ein kontinuierlicher Afll von λ mit zunehmender Ni-Konzentrtion zu emerken, der uf die Einlgerung von mehr oder weniger großen Anteilen primärer Cu- und Ni-hltiger Aluminide in die Al-Mtrix zurückzuführen ist, welche die thermische Leitfähigkeit des Mterils signifiknt hersetzen. Als zweite wichtige physiklische Eigenschft wurde der linere thermische Ausdehnungskoeffizient ei 25 C ls Funktion der Huptlegierungselemente Si, Cu und Ni untersucht. Si weist den stärksten Effekt uf die thermische Ausdehnung uf, woei die untereutektischen Vrin- 6 GIESSEREI 99 /

8 ten im Vergleich zu den Legierungen mit 2 % Si um c. -,5 x -6 K - höhere Werte erreichen. Auch in diesem Fll git es theoretische Modelle zur Vorhersge des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zweiphsiger Werkstoffe, d AlSi-Gusslegierungen vereinfcht ls ein Verundwerkstoff, estehend us einer Al-Mtrix und eutektischem Si ls eingelgerte Phse, etrchtet werden können. Der seprte Einfluss von Cu und Ni uf α ist reltiv gering und liegt unter der Auflösungsgrenze der in dieser Areit ngewndten Messmethodik. Dies lässt sich uf die verhältnismäßig geringen Volumennteile sekundärer zw. primärer Phsen zurückführen, die durch die getrennte Zuge von Cu oder Ni geildet werden. Erst ei sehr hohen Gehlten sowohl n Cu ls uch n Ni zeigt sich ein stärkerer Afll des thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Aus der Fülle n experimentellen Dten lssen sich für den Anwender folgende relevnte Aussgen leiten: Wie im ersten Beitrg (Giesserei () Nr. 4) erwähnt, ist die AlSi9Cu3Fe (A6) ei Anwendungen is C die prktikelste Lösung []. Bei Buteiltemperturen üer C sind höher wrmfeste Legierungen unumgänglich. Für solche wurden die Wärmeleitfähigkeit λ, der thermische Ausdeh- [x -6 K - ] [x -6 K - ] 23,5 23,5 2,5 2 23,5 23,5 2,5 2 Cu-Gehlt in Gew.-% AlSi7(Mg) AlSi2(Mg) 4 AlSi7(Mg) AlSi2(Mg) Bild 6: Einfluss von () Cu und () Ni uf α von AlSi7(Mg) und AlSi2(Mg) ei 25 C. hofmnn Cermic_85_28.indd GIESSEREI 99 / :29

9 SPECIAL: ALUMINIUM nungskoeffizient α und der Thermoschockprmeter R S ermittelt und interpretiert. Es zeigt sich, dss hängig vom Benspruchungsfll eine optimierte Legierung eingesetzt werden knn. Dei sollte der Anwender unedingt klären, inwiefern hohe λ-werte durch einen veresserten Wärmetrnsport zu geringeren Buteiltemperturen führen. Eine Reduktion des Ni-Gehltes erhöht die Wärmeleitfähigkeit teilweise signifiknt, ohne dei die Wrmfestigkeit merklich zu eeinflussen ei einem ktiv gekühlten Buteil könnte dieses teure Legierungselement reduziert werden, ohne eine Neukonstruktion durchführen zu müssen. Der therm. Ausdehnungskoeffizient ändert sich in geringerem Mße ls ngenommen (mx. 5 % vom Asolutwert einer eutektischen Legierung). Bei Buteilgruppen mit sehr genuen Ps sungen (z. B. Prung Kolen-Buchse) ist jedoch eine Simultion in Ahängigkeit von α sinnvoll. Die ermittelten Prmeter gelten für sttische Belstungen. Dennoch konnte in Gesprächen mit der Industrie elegt werden, dss die Methodik der Kennwertermittlung und dmit die Reihung der Werkstoffe uch für dynmisch elstete Buteile gilt. Liegen dynmischen Kennwerte einer Legierung vor, knn mit dem us der Kermikindustrie eknnten Thermoschockprmeter eine Optimierung der Legierung entweder in Richtung höherer Festigkeit oder hin zu einer kostengünstigeren Vrinte durchgeführt werden. Es ist zu echten, dss ei vielen Anforderungen ds Prinzip viel hilft viel kontrproduktiv ist, d sich Cu und Ni ei wrmfesten Legierungen gegenseitig negtiv eeinflussen können [5]. Hier ist ein uteilspezifisches technisches Gespräch des Kunden mit dem Legierungshersteller zielführend und knn sogr zur Reduktion der Legierungskosten führen., 3VT LC Die Autoren dnken der Austri Metll GmH (AMAG) und der österreichischen Forschungsförderungsgesellschft (FFG) für die [x -6 K - ] [x -6 K - ] 24 23,5 23,5 2,5 2,5 2 2,5 2 9,5 AlSi7Cu(Mg) AlSi7Cu2(Mg) AlSi7Cu3(Mg),5 finnzielle Unterstützung des diesem Beitrg zugrunde liegenden Forschungsprojektes und für die Genehmigung der Puliktion. Der ETH Zürich und dem Leichtmetllkompetenzzentrum Rnshofen GmH (LKR) sei für ihre Unterstützung ei der Versuchsdurchführung gednkt. Litertur: [] Giesserei (2) Nr. 88, S [2] Proc. of 3th Interntionl Conference on Aluminum Alloys,. S [3] Mter. Sci. Forum 69 (2), S [4] Giesserei (2) Nr. 98, S [5] Inter. J. Cst Met. Res. 25 (2), S [6] Proc. Light Metls TMS,. S [7] Kln, S.: Beitrg zur Evolution von Aluminium-Gusslegierungen für wrmfeste Anwendungen. Bergkdemie Freierg, Freierg, 24. [8] Mter. Sci. Eng. A 527 (2), S [9] Giesserei-Prxis (29) Nr., S [] Inter. J. Cst Met. Res. 23 (2), S [] Giesserei () Nr. 3, S [2] Tonn, B., u..: Aluminium-Gusslegierung und deren Verwendung. WO AlSi2Cu(Mg) AlSi2Cu2(Mg) AlSi2Cu3(Mg) AlSi2Cu4(Mg),5 Bild 7: Einfluss von Ni uf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Cu-hltigen Legierungen ei 25 C: ) untereutektische Vrinten; ) eutektische Vrinten. A2 (29). [3] Etter, T.: Mteril-physicl description of interpenetrting grphit/luminium composites produced y liquid metl infiltrtion. ETH Zürich, Achen, 25. [4] Thermo-Clc Softwre, TTAL5 dtse; [5] Metllkunde 34 (942), S [6] Proc. of Interntionl Conference on Electronic Pckging Technology & High Density Pckging (ICEPT-HDP), 29. S [7] Prrott nd, J. E.; Stuckes, A. D.: Therml conductivity of solids. London: Pion Limited, 975. [8] App. Mech. 5 (983), S [9] Mter. Res. () Nr. 8, S [2] Inter. J. of Thermophys. (2) Nr. 2, S [2] Htch, J. E.: Aluminium: Properties nd physicl metllurgy. Ohio: ASM, 988. [] Hull, R.: Properties of crystlline silicon. London: INSPEC, The Institution of Electricl Engineers, 999. [23] Chwl, N.; Chwl, K. K.: Metl mtrix composites. Springer, New York, 26. [24] Modern Plstics 24 (946), S [25] Proc. of the Physicl Society Section B, 69 (956), S Intermetllics 8 (2), S GIESSEREI 99 /