Gusswerkstoffe Cu-Al-Legierungen für den Kokillenguss dringen in Stahlanwendungen ein

Cu-Al-Legierungen haben nicht nur eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, die schnelle Abkühlgeschwindigkeit im Kokillenguss führt auch zu einer hohen Festigkeit und Härte. Das macht diese Legierungen als Stahlersatz attraktiv, zumal sie in der Gussteilbearbeitung mit Stahlwerkstoffen durchaus mithalten und bereits nach dem Gießen eine hohe Maßgenauigkeit haben können.

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Als Mehrstofflegierung versprechen sie weitere Verbesserungen hinsichtlich Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Kokillengussteile aus Cu-Al-Legierungen finden heute in nahezu allen Industriezweigen Anwendung.

Das hat viele Gründe: Einerseits sind diese Gusslegierungen aufgrund der hohen Festigkeit zu beliebten Konstruktionswerkstoffen im gesamten Maschinen-, Getriebe- und Fahrzeugbau geworden. Andererseits ist die Korrosionsbeständigkeit ein entscheidendes Werkstoffkriterium für Anlagenkonstrukteure in der chemischen Industrie, im Pumpenbau und in der Nahrungsmittelindustrie, wo eine galvanische Vernickelung oftmals die Oberfläche der Gussteile zusätzlich schützt. Werden funkenarme Werkzeuge benötigt, gibt es außerdem zu Cu-Al-Legierungen kaum eine Werkstoffalternative.

Dabei ist die Vorgehensweise, Kupfer- und Kupferlegierungen – insbesondere Messing – in einer Kokille (Gießform) zu vergießen, nicht neu. So wurde das Verfahren der Gießerei Piel & Adey, Solingen, schon in den zwanziger Jahren patentiert. Daraus entwickelte sich eine Technologieführerschaft, die eine wichtige Basis für die Weiterentwicklung von Kokillengussteilen aus Cu-Al-Legierungen war und ist.

Ein Hauptanwendungsgebiet ist noch heute die Elektrotechnik. Sie profitiert davon, dass sich das Spektrum an Werkstoffen mit hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit bald Gusslegierungen auf Kupferbasis öffnete, die nicht nur eine hohe Korrosionsbeständigkeit, sondern auch eine hohe Festigkeit haben.

Cu-Al-Legierungen – auch Aluminiumbronzen genannt – sind für den Kokillenguss prädestiniert, der Gussteile mit sauberen Oberflächen, einer hohen Maßgenauigkeit und Maßhaltigkeit erzeugt. Diese Kombination aus Werkstoff- und Fertigungseigenschaften erschließt somit neue Anwendungsgebiete, die bisher nur legierten Stählen vorbehalten waren. Der Grund dafür liegt in der hohen Fertigungspräzision (Tabelle 1 - siehe Bildergalerie).

Hohe Abkühlgeschwindigkeit führt zu feinkörnigem Gefüge

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

• Zweistofflegierungen enthalten außer Kupfer einen Aluminiumanteil bis zu etwa 10%.
• Mehrstofflegierungen haben außer 7 bis 13% Aluminium noch weitere Anteile an anderen Legierungselementen wie Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Mangan (Mn). Dadurch werden mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit noch weiter verbessert.

Die hohe Abkühlgeschwindigkeit des Metalls beim Gießen in der Kokille hat gerade für Cu-Al-Werkstoffe eine besondere Bedeutung. Hervorgerufen durch das hohe Wärmegefälle zwischen dem einfließenden Metall und den gut wärmeleitenden Kokillenwänden, kommt es zum raschen Wärmeentzug und somit 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 Phasenumwandlungen auftreten. Grund dafür ist die geringere Löslichkeit bei niedrigeren Temperaturen.

Schnelles Abkühlen der Cu-Al-Legierung erhöht Festigkeit und Härte

Ein beschleunigter Abkühlungsvorgang führt jedoch dazu, dass ein bestimmter Gefügezustand gewissermaßen „eingefroren“ wird. Diese „Erstarrung“ des Gefüges wirkt sich in der Regel vorteilhaft aus, weil höhere Festigkeits- und Härtewerte erzielt werden, wenngleich die Dehnung dabei abnimmt.

Diese Abkühlgeschwindigkeit hängt auch von der Formgebung und vor allem von den Wanddicken des Gussteils ab. Sie ist niedriger bei dicken und höher bei dünnen Wandungen. Demzufolge sind Härte, Festigkeit und Dehnung ebenfalls wanddickenabhängig.

Somit haben Gussteile mit großen Wanddickenunterschieden lokal unterschiedliche Festigkeitswerte, die sich jedoch nur selten nachteilig auswirken. Eine Homogenisierung, zum Beispiel durch Glühen, ist daher kaum nötig (Bilder 1 bis 3).

Vielfältige Ansprüche durch breites Legierungsspektrum abgedeckt

Konstrukteure können heute zwischen einer Reihe unterschiedlicher Cu-Al-Gusslegierungen auswählen, die in EN 1982 genormt sind. Die Auswahl wird dabei durch die Ansprüche hinsichtlich der Bauteileigenschaften wie Festigkeit, Härte, Dehnung, Abriebfestigkeit, Korrosions- sowie Zunderbeständigkeit, bestimmt. Die Gießbarkeit, die Fließeigenschaften und das Formfüllungsvermögen sind im Allgemeinen sehr gut, so dass sich auch komplizierte Gussteile präzise herstellen lassen.

Die Dichte der Cu-Al-Legierungen hängt vom Aluminiumanteil ab. Sie liegt im Durchschnitt bei 7,5 bis 7,6 g/cm3. Abhängig von den Legierungsbestandteilen schwankt auch die Werkstofffarbe, die zwischen Goldtönen und gelben Farbnuancen variieren kann. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, lassen sich mit Cu-Al-Legierungen, die im Kokillenguss zu Bauteilen gegossen werden, Festigkeiten bis zu 750 N/mm2 und mehr sowie Härten von über 185 HB erzielen.

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

Bemerkenswert sind auch die Kavitations- und Verschleißfestigkeitseigenschaften der Cu-Al-Legierungen. Die Werkstoffe zeigen bei Temperaturen bis zu 200 °C nur leicht fallende Festigkeitswerte (Bild 4a). Bei niedrigen Temperaturen bis hinab zu –200 °C treten steigende Festigkeitswerte auf. Die Dehnung bleibt dabei erhalten (Bild 4b).

Gussteilbearbeitung ist ähnlich gut wie bei Stahl

Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminiumbronzen ist relativ niedrig. Sie verringert sich mit wachsendem Aluminiumanteil und liegt letztendlich zwischen 3 und 7 m/(mm2·Ω). Die Wärmeleitfähigkeit verhält sich proportional zur elektrischen Leitfähigkeit.

Bezüglich der Zerspanung lassen sich Cu-Al-Legierungen ohne Weiteres mit Stählen gleicher Festigkeit vergleichen. Zudem hat sich die gute Schweißbarkeit für eine Reihe von Anwendungen als weiterer Verfahrensvorteil herausgestellt. Die Werkstoffe können im WIG-Schweißverfahren sowohl miteinander als auch mit Stahl verbunden werden.

Als Schweißzusatzwerkstoffe kommen dabei artgleiche Cu-Al-Werkstoffe, Nickel-Chrom- oder Nickel-Kupfer-Werkstoffe zur Anwendung. Dagegen sollte Hart- und Weichlöten von Cu-Al-Werkstoffen vermieden werden.

Die Erfahrung zeigt, dass bei entsprechendem Know-how Kokillengussteile aus Cu-Al-Legierungen oftmals signifikante Vorteile im Vergleich zu Stahlteilen bieten. Voraussetzung dafür ist die Einbindung des Gießers in die Bauteilkonstruktion, am besten in der frühen Entwicklungsphase.

Dipl. Ing. Albrecht Schupp ist Leiter der Produktentwicklung bei der Piel & Adey GmbH & Co. KG (Piad) in Solingen.

In der Download-Datei (PDF) unten finden Sie Präzisionsteile aus Cu-Al-Legierungen, die im Kokillenguss hergestellt wurden:

• Bild 5: zwei Faltmitnehmer aus der Legierung CuAl10Fe5Ni5-C-GM für Verpackungsmaschinen. Das Gussteilgewicht beträgt 0,347 und 0,200 kg.
• Bild 6: Hebellager aus der Legierung CuAl11Fe6Ni6-C-GM für Bremssysteme in Schienenfahrzeugen. Das Gussteil wiegt 0,279 kg.
• Bild 9: Zahnstange aus der Legierung CuAl11Fe6Ni6-C-GM mit 0,350 kg Gewicht für Torantriebe.
• Bild 10: Federlaschenaufnahme aus der Legierung CuAl10Fe5Ni5-C-GM 0,624 kg für den Schienenfahrzeugbau.
• Bild 13: Zwei Ventilgehäuse in unterschiedlichen Ausführungen aus ein und derselben Kokille. Sie bestehen aus der Legierung CuAl10Fe5Ni5-C-GM. Je nach Ausführung beträgt das Gewicht 1,540 oder 1,190 kg. Verwendet werden die Teile im Schienenfahrzeugbau.
• Bild 14: Schwenkhebel aus der Legierung CuAl10Ni3Fe2-C-GM mit eingegossenem Edelstahlbolzen. Das Kokillengussteil wiegt 2,050 kg und wurde für den Waggonbau hergestellt.
• Bild 16: Greifer aus der Legierung CuAl10Fe5Ni5-C-GM mit eingegossenem Rohr. Das 0,232 kg leichte Gussteil findet in Öl-Wasser-Separatoren Anwendung.

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