DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Zerstörungsfreie Materialcharakterisierung von niederpermeablen Cu-Mehrstoff-Legierungen vom Typ Cu-Al-Ni-Fe-Mn

Ulf-Dietger Hünicke, Christian Eger, Stefan Möller. Institut für Werkstoffkunde (IWK), Universität Rostock,
Jürgen Eberlein, Mecklenburger Metallguss GmbH Waren
Kontakt: U.-D. Hünicke

Kurze Zusammenfassung

Es wurden sowohl mechanisch-technologische als auch physikalische Eigenschaften von Cu-Mehrstoff-Legierungen bei verschiedenen Legierungszusammensetzungen untersucht, die ausschließlich im Permeabilitätsbereich mr£1,03 lagen.

Zur Einschätzung der flächenhaften magnetischen Permeabilität und Suszeptibilität sowie der elektrischen Leitfähigkeit wurde die Wirbelstromprüftechnik eingesetzt. Mit Hilfe der akustoelastischen Theorie wurden die dynamischen elastischen Module E, K, G und m aus Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen berechnet. Es wurde der Einfluss der verschiedenen Legierungselemente Fe, Al, Ni und Mn auf die physikalischen und mechanischen Kenngrößen ausgewertet.

Die Untersuchungen leisten einen Beitrag zur Qualitätssicherung im Schiffspropeller- und Anlagenbau.

Keywords
Wirbelstromprüftechnik, Permeabilität, Leitfähigkeit, Ultraschallgeschwindigkeit, E-Modul, mechanische Kennwerte, Gefüge, Qualitätssicherung, Legierungsanalyse

1 Einführung

Cu-Mehrstoff-Legierungen vom Typ Cu-Al-Ni-Fe-Mn werden vorrangig im maritimen Bereich eingesetzt. Dabei hat die Fertigung von Schiffspropellern eine herausragende Bedeutung. Für den normalen Einsatzfall zeigen diese Legierungen ein nahezu ferromagnetisches Verhalten. Auf Grund von speziellen maritimen Anforderungen gibt es Einsatzfälle, wo nur Permeabilitäten von mr£1,03 zugelassen sind. Das ist der übergangsbereich vom diamagnetischen zum paramagnetischen Zustand. Es muss eine neue Legierungszusammensetzung gesucht werden, die das Permeabilitätskriterium erfüllt und zugleich ausreichende Festigkeits- und Verformungseigenschaften hat. Mit Hilfe von Modelluntersuchungen sollen grundsätzliche Aussagen über die Wirkung der Legierungselemente gefunden werden. Ein Schwerpunkt ist dabei die zerstörungsfreie Materialcharakterisierung, die direkt am fertigen Schiffspropeller durchführbar ist.

2 Experimentelle Untersuchungen

Nach Auswertung des bisherigen internationalen Erkenntnisstandes wurden 4 Legierungsreihen hergestellt, die verschiedene Variationsbreiten der Legierungselemente Fe, Ni, Al und Mn umfassten. Die Legierungsanalyse erfolgte mit Hilfe der Emissionsspektrometrie. Zur Untersuchung wurden zylindrische Analyseproben, spezielle Kippgussproben (Zugversuch) und Stufenkeile abgegossen. Es wurden die mechanischen Kennwerte des quasistatischen Zugversuches Rm, Re, A sowie die Härte HV 10 ermittelt. Mit Hilfe der Wirbelstromprüftechnik wurden die magnetische Permeabilität mr1000, die magnetische Suszeptibilität c und die elektrische Leitfähigkeit k gemessen. Zusätzlich wurde eine Vektoranalyse der komplexen Impedanzebene durchgeführt. Hierzu kamen die Meßsysteme Magnetoscop, Sigmascop und Phasec zum Einsatz. Die Ultraschallgeschwindigkeiten mit L- und T-Wellen wurden mit Hilfe des Messgerätes vom Typ CL 304 ermittelt und daraus die dynamischen Module E, G, K und m berechnet. Die Dichtemessung erfolgte über den Sartoriustest. Das Mikrogefüge der verschiedenen Legierungsreihen wurde metallografisch nach einer ätzung mit Eisenchlorid abgebildet. Sowohl die Korngröße als auch die Phasenzusammensetzung wurden ausgewertet.

3 Ausgewählte experimentelle Ergebnisse

Die in der Mecklenburger Metallguss GmbH Waren abgegossenen 4 Legierungsreihen sind in der Tabelle 1 zusammengestellt worden.

Nr. Cu [%] Al [%] Ni [%] Fe [%] Mn [%]
1 86,5 - 84,9 8,8 - 9,7 3,3 - 3,6 1,0 - 1,2 0,4 - 0,6
2 87,0 - 85,2 9,0 - 9,4 2,6 - 3,6 1,0 - 1,2 0,4 - 0,6
3 86,4 - 84,8 9,0 - 9,4 3,3 - 3,6 0,9 - 1,6 0,4 - 0,6
4 86,3 - 76,8 9,0 - 9,4 3,3 - 3,6 1,0 - 1,2 0,4 - 9,0
Tabelle 1: Versuchslegierungen (Emissionsspektrometrie)

Die effektive Abkühlungsgeschwindigkeit der Analyseproben auf Raumtemperatur lag bei 6 - 13 °C/s in einem mittleren Bereich.

3.1 Ergebnisse der Legierungsreihe 1
Bild 1: Gefügedarstellung der Legierung 9,7% Al / 3,3% Ni / 1,1% Fe / 0,5% Mn Ätzmittel: Eisenchlorid
Das Bild 1 zeigt exemplarisch ein Gefügebild aus der Legierungsreihe 1 mit einer Vergrößerung 90:1.

Das Gefüge zeigte die kfz-a-Phase in den ehemaligen Korngrenzen der krz-b-Phase. Da die effektive Abkühlungsgeschwindigkeit noch nicht sehr hoch war, sind geordnete martensitische Strukturen in Form der b1' -Phase (orthorhombisch) und Anteile der ungeordneten feinstnadeligen martensitischen b'-Phase (kfz) zu erwarten. Die sehr spröde g2-Phase der intermetallischen Verbindung Cu9Al4 entsteht praktisch aus der b-Phase.

Die auswertbare mittlere Korngröße lag bei DK = 3,3 mm.

Im Bild 2 sind die mechanischen Kennwerte bei Variation des Al-Gehaltes dargestellt.

Bild 2: Mechanische Kennwerte Rm und A5 der Legierungsreihe 1 aus Kippgussproben.

Mit größerem Al-Gehalt über 9,1 % konnten die Rm-Werte und die Rp0,2-Werte grundsätzlich gesteigert werden, wobei sich das Streckgrenzenverhältnis auf Werte um 41% einstellte.

Die Härte HV 10 wuchs kontinuierlich mit steigendem Al-Gehalt. Der bis zu 9,1 % Al erkennbare Rückgang der Rm-Werte ist von verschiedenen Autoren ebenso beobachtet worden und auf die Bildung der spröden g2-Phase zurückzuführen, die auch den starken Rückgang der A-Werte verursacht. Bei Wunschwerten um A5 ³ 20% begrenzte sich damit der wählbare Al-Gehalt auf £ 9,4 %. Das Verhalten der magnetischen Permeabilität mr1000 und der elektrischen Leitfähigkeit k wird im Bild 3 dokumentiert.

Bild 3: Permeabilität und Leitfähigkeit der Legierungsreihe 1

Sowohl die Analysenproben als auch die Kippgussproben zeigten ein Maximum in der Permeabilität bei 9,4 % Al.

Der Maximalwert lag bei der Analysenprobe mit mr »1,01 noch im Toleranzbereich, so dass hieraus keine Einschränkung für die Wahl der Beimengung von 9,4 % abgeleitet werden konnte. Die effektive Abkühlungsgeschwindigkeit der Kippgussplatten auf Raumtemperatur lag mit ca. 0,08 °C/s im langsamen Bereich. Das führte zu einer Permeabilitätszunahme von +Dm »10-2. Eine Ursache ist zweifellos die weitere Zunahme der orthorhombischen b1'-Martensitphase. Da die effektive Abkühlungsgeschwindigkeit eines Schiffspropellers im Bereich von 10-3 °C/s liegen sollte, ist mit einem weiteren Anstieg der mr-Werte auf mr ³ 1,04 zu rechnen, so dass noch unter einem Al-Anteil von 9,4 % gearbeitet werden sollte. Die elektrische Leitfähigkeit zeigte bei Al-Anteilen > 9,4 % einen Anstieg, blieb aber bei relativ niedrigen Werten k£5 MS/m.

Bei der Auswertung der komplexen Impedanzebene kompensierten sich die Anteile von mr und k vektoriell, was vor allem bei Al > 9,4 % auffällig war. Das Bild 4 verdeutlicht die Ergebnisse der Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen.

Bild 4: Ultraschallgeschwindigkeit für L- und T-Wellen in der Legierungsreihe 1

Die L-Wellengeschwindigkeit hatte eine schwache Abnahme um ca. 1% zu verzeichnen, wobei sich für Al ³ 9,4 % eine Konstanz andeutete.

Bei der T-Wellenanalyse trat ein analoger Verlauf wie bei der Permeabilität auf, wobei der Maximalwert bei Al »9,4 % registriert wurde. Die daraus abgeleitete Berechnung des dynamischen E-Moduls wird in Bild 5 vorgestellt.

Bild 5: Dynamischer E-Modul für die Legierungsreihe 1

Der dynamische E-Modul erreichte bei Al »9,4 % sein absolutes Maximum mit E0 »120 GPa. Der Verlauf korreliert direkt mit der Kurve für die T-Wellengeschwindigkeit und interessanterweise mit dem Permeabilitätsverlauf im Bild 3. Der G-Modul hatte eine analoge Verlaufskurve mit dem Maximum bei G = 47 GPa. Dagegen ergaben sich für den K-Modul und die Poisson-Konstante bei Al »9,4 % gerade die kleinsten Werte. Die nach dem Sartoriustest ermittelten Dichtewerte führten zu der mit zunehmenden Al-Anteilen erwarteten kontinuierlichen Dichteabnahme.

3.2 Ergebnisse der Legierungsreihe 2
In der Auswertung des Eigenschaftsbildes bei der Legierungsreihe 1 wurde der Al-Gehalt < 9,4 % gewählt und der Ni-Anteil variiert. Die Gefügeuntersuchung zeigte ähnliche Strukturen wie im Bild 1. Die geordneten b1' -Phasen sowie die ungeordneten b'-Phasen wurden durchlaufen, wobei die ehemaligen b-Korngrenzen mit steigendem Ni-Gehalt immer schwächer erkennbar waren. Insgesamt wurde das Gefüge "feinkörniger". Die auswertbare mittlere Korngröße lag bei DK »2,0 mm. Der Nickelzusatz erhöhte den Anteil der a-Mischkristallphase und beschleunigte die Einstellung des Gleichgewichtes bezüglich des (a+g2)-Phasengemisches. Zum Auftreten der k-Phase als Sekundärausscheidung aus der b-Phase war der Fe-Anteil noch zu gering, so dass die intermetallische FeAl-Phase noch nicht zu erwarten war.

Das Bild 6 zeigt die ermittelten mechanischen Kennwerte Rm und A5.

Bild 6: Mechanische Kennwerte Rm und A5 der Legierungsreihe 2 aus dem Kippgussproben

Sowohl die Zugfestigkeit als auch in der Bruchdehnung A5 wurde eine nahezu lineare Zunahme der Werte mit steigendem Ni-Anteil registriert. Das Streckgrenzenverhältnis pegelte sich wieder auf 41 % ein. Überraschend wurde bei den Härtewerten HV10 ein absolutes Maximum bei einem Ni-Anteil von 2,9 % festgestellt. Höhere Ni-Gehalte hatten einen steilen Härteabfall zur Folge. Aus der Sicht der Festigkeit und Verformbarkeit wären die Ni-Anteile über 3,6% zu empfehlen, wenn man einen Härteverlust um ca. 17 % in Kauf nehmen kann.

Das Verhalten der magnetischen Permeabilität mr1000 und der elektrischen Leitfähigkeit k wird in Bild 7 dargestellt.

Bild 7: Permeabilität und Leitfähigkeit der Legierungsreihe 2

Die Veränderung des Ni-Gehaltes hatte praktisch keinen Einfluss auf die Permeabilität, wobei die langsamere Abkühlung der Kippgussplatten wieder eine entsprechende Anhebung des Permeabilitätspegels bewirkte. Die elektrische Leitfähigkeit zeigte einen potentiellen Abfall, blieb aber noch über dem Werten von Bild 3. Besonders aus der Sicht des Bruchdehnungskriteriums sind die Ni-Anteile von > 3,6% durchaus vertretbar, wenn mr ³ 1,015 noch zugelassen werden. Der Verlauf des E-Moduls wird in Bild 8 sichtbar.

Bild 8: Dynamischer E-Modul für die Legierungsreihe 2.

Der Verlauf wurde besonders durch die Ergebnisse der L-Wellengeschwindigkeitsmessung geprägt, wobei die E-Modulwerte unter 117 GPa auf relativ niedrigen Niveau lagen. Analoge Kurvenverläufe hatten dieses Mal der K-Modul und die Poisson-Konstante aufzuweisen, während der G-Modul bei 2,9 % Ni ein absolutes Minimum erkennen ließ. Auffällig war bei Ni-Gehalten von 3,6 % der Abfall in der Querkontraktion und im K-Modul.

3.3 Ergebnisse der Legierungsreihe 3
Um zunächst den niedrigen Level bei der Permeabilität zu erhalten, wurde ein Ausgangspunkt von 3,3 bis 3,6 % Ni gewählt und der Fe-Anteil verändert. Da nach dem bisherigen Erkenntnisstand bei Fe-Anteilen über 1 % ein merklicher Anstieg der Permeabilität zu erwarten war, wurde ein Untersuchungsbereich um 1 % Fe-Gehalt ausgewählt. Die Fe-Löslichkeit im Cu-Gitter wird durch Al-Zusätze stark erhöht. Eine gleiche Wirkung hat eine Steigerung der Abkühlungsgeschwindigkeit. Das Gefügebild ähnelte sehr der Darstellung in Bild 1. Auswertbar waren die a-Phase sowie die martensitischen Phasen b1' und b' bzw. die g2-Phase, wobei die Korngrenzenstrukturen relativ deutlich erkennbar waren. Die mittlere Korngröße lag bei Fe-Anteilen von 1,6 % im Bereich von DK »3,2 mm. Dem Fe-Anteil wird eine kornfeinenden Wirkung zugeordnet. Zusammen mit den Zusätzen an Ni und Mn kommt es praktisch zu einer Verfeinerung der Teilchengröße der g2-Phase im (a+g2)-Eutektoid.

Im Bild 9 werden die ermittelten mechanischen Kennwerte Rm und A5 vorgestellt.

Bild 9: Mechanische Kennwerte Rm und A5 der Legierungsreihe 3 aus dem Kippgussproben

Es wurde ersichtlich, dass die Zugfestigkeit mit steigendem Fe-Gehalt linear zunimmt, wobei eine äquivalenz mit der Steigerung des Ni-Gehaltes vorhanden ist. Auch die Härte HV 10 folgte dieser steigenden Tendenz. Das Streckgrenzenverhältnis wuchs in dem Legierungsintervall von 39 auf 41 %. Die Bruchdehnung A5 blieb jedoch nahezu unabhängig von dem Fe-Gehalt auf einem konstanten Level um 23 %. Entscheidendes Kriterium für den Einsatzfall war jedoch das Verhalten der Permeabilität, das im Bild 10 aufgezeichnet ist.

Bild 10: Permeabilität und Leitfähigkeit der Legierungsreihe 3

Es war die erwartete starke Zunahme der Permeabilitätswerte zu beobachten, die schon unter 1 % Fe begann, so dass das jeweils von der spezifischen Anwendung bestimmte mr-Limit über die möglichen Fe-Anteile entscheidet.

Die wesentlich langsamer abgekühlten Kippgussproben hatten wieder die höheren Permeabilitätswerte aufzuweisen. Auch der erwartete Abfall der elektrischen Leitfähigkeit trat ein, wobei interessant war, dass die gebildeten Fe-haltigen Phasen bei Fe-Anteilen < 1 % auf hohem Leitfähigkeitsniveau und bei Fe-Gehalten > 1,3 % auf niedrigem Niveau konstant blieben. Die aus den Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen berechneten elastischen Module hatten alle ihre Maximalwerte bei einem Fe-Anteil von 1,3 % aufzuweisen mit E = 122 GPa, G = 48 GPa und K = 85 GPa.

Die Poisson-Konstante hatte an dieser Stelle gerade ein Maximum von 0,26. Um das Permeabilitätsniveau bei mr < 1,01 zu halten, wurde für die weiteren Untersuchungen der Fe-Anteil unter 1,1 % gewählt, was einen Nachteil in der geringen Zugfestigkeit mit sich brachte.

3.4 Ergebnisse der Legierungsreihe 4
Bild 11: Gefüge der Legierung 9,0 % Al / 3 % Ni / 1 % Fe / 9 % Mn ätzmittel: Eisenchlorid
Ausgehend von den bisherigen Optimierungserkenntnissen über die Wirkung der Legierungselemente Al-Ni-Fe wurde die Legierungsreihe 4 dem Einfluß des Mn-Gehaltes gewidmet. Bei einem Mn-Anteil von 9% veränderte sich das Gefügebild entscheidend, wie das Bild 11 ausweist.

Die auswertbare mittlere Korngröße lag weiter bei DK »2,0 mm. Aber die nadelförmigen Strukturen waren sehr feingliedrig und die Korngrenzen deutlich sichtbar, an denen sich die a-Phase gebildet hat. Das (a+g2)-Phasengebiet wurde praktisch erweitert. Es überwiegt die krz-b-Phasenentwicklung aus Cu3Al. Zugleich wird das Vorhandensein von dendritisch geformten kI-Partikeln konstatiert, die neben Fe das Hauptelement Mn enthalten.

Das Bild 12 zeigt den Einfluß des Mn-Gehaltes auf die mechanischen Kennwerte.

Bild 12: Mechanische Kennwerte Rm und A5 der Legierungsreihe 4 aus dem Kippgussproben

Ab einem Mn-Gehalt über 3 % konnte die Zugfestigkeit erheblich gesteigert werden. Das Steckgrenzenverhältnis wuchs dann von 42 % auf 52 % an. Auch die Härte HV 10 stieg nun über 50 % an. Das wird jedoch begleitet von einem extremen Abfall der Bruchdehnung bei Ausgangswerten von A5 »20 %. Um den Bruchdehnungslevel von A5 ³ 20 % zu halten, kommen eigentlich nur Mn-Anteile um 0,4 % in Frage. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass Mn-Gehalte über 2 % die Korrosionsanfälligkeit stark erhöhen würden. Die Wirkung des Mn-Anteils auf die Permeabilität und Leitfähigkeit dokumentiert das Bild 13.

Bild 13: Permeabilität und Leitfähigkeit der Legierungsreihe 4

Bei Mn-Gehalten über 4 % wurde ein starker linearer Anstieg der Permeabilität beobachtet, wobei die langsamer abgekühlten Kippgussproben wieder bei einem höheren mr-Level lagen. Dabei ist die Beteiligung ferromagnetischer Heuslerscher Phasen des Typs Cu2Mn2Al und Cu2MnAl ab Mn-Anteilen von über 6 % denkbar, was die mr-Werte stark anheben sollte. Ein Permeabilitätslimit von mr < 1,01 würde zwar einen Mn-Gehalt von bis zu 4 % noch zulassen, doch die niedrigen Bruchdehnungswerte um 5 % sind für die meistens Anwendungsfälle nicht akzeptabel. Die Leitfähigkeit wird durch die Mn-Legierung extrem abgesenkt. Die aus den Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen berechneten dynamischen Module E und G erreichten bei Mn-Gehalten von 4 % ihre Maximalwerte. Die Poisson-Konstante hatte bei diesem Mn-Gehalt mit m »0,20 und der K-Modul mit K = 67,8 GPa gerade den kleinsten Wert zu verzeichnen.

4. Schlussbemerkungen

Die systematischen Untersuchungen geben wichtige Hinweise zur Herstellung von Cu-Mehrstoff-Legierungen mit Permeabilitäten im Bereich mr = 1,00 - 1,03 und kennzeichnen zugleich die erreichbaren Festigkeits- und Verformungseigenschaften bei quasistatischen Beanspruchungen.

Die Arbeiten wurden in Kooperation zwischen dem Institut für Werkstoffkunde der Universität Rostock und der Mecklenburger Metallguss GmbH Waren durchgeführt.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net