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Werkstoffe

Eigenschaften

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Mikrostuktur

Neben der Legierungszusammensetzung werden die Eigenschaften insbesondere durch die Gefügestruktur beeinflusst. Je feiner das Gefüge, desto besser/höher die Eigenschaften (Hall-Petch-Relation). PLM-Werkstoffe weisen in der Regel eine mikro- oder in vielen Fällen auch eine nano-kristalline Gefügestruktur auf. Dadurch werden z.B. Festigkeitssteigerungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Duktilität erreicht. Neueste Entwicklungen zielen auf die Generierung quasi-kristalliner Bereiche innerhalb nano-kristalliner Strukturen ab.

Mikrostuktur
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Dichte

Die niedrige Dichte dieser PLM-Al-Werkstoffe (2,45 – 2,96 g/cm3) in Kombination mit z.B. den verbesserten Festigkeiten bietet größte Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung in Bauteilen und Komponenten – oftmals auch ohne jegliche Design-Änderungen. Da die Dichte der PLM-Werkstoffe nur bei etwa einem Drittel, einem Viertel oder einem Sechstel verschiedener Vergleichswerkstoffe wie Stahl, Titan, Kovar, Invar oder MoCu / WCu liegt, ergibt sich gleichzeitig bei Einsatz dieser Werkstoffe ein Kostenvorteil (geringeres Einkaufsgewicht). Bei den spezifischen Eigenschaften (Eigenschaft, dividiert durch Dichte) sind die PLM-Werkstoffe uneinholbar führend.

Dichte
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Festigkeiten, Warmfestigkeit und Gefügestabilität

Durch gezielte Auswahl bestimmter Legierungselemente (geringe Löslichkeit im Al-Gitter, niedrige Diffusionsgeschwindigkeit in der Al-Matrix), durch Aktivierung spezieller Verfestigungsmechanismen (Dispersionsverfestigung, Teilchenhärtung) und durch Einstellung besonderer Gefügestrukturen (nano- / quasi-kristallin) lassen sich exzellente Gefügestabilitäten und somit hohe Warmfestigkeiten (statisch und dynamisch) realisieren. Die PLM-Werkstoffe sind besonders für Anwendungen im Motorenbau (Kolben, Einlassventil, Ventilfederteller etc.), im Turbinenbau (Turboladerrad verdichterseitig, Schaufelräder in Triebwerken (1. und 2. Verdichterstufe)) sowie in der Nuklearindustrie geeignet.

Festigkeiten, Warmfestigkeit und Gefügestabilität
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Leitfähigkeiten

Elektrische und thermische Leitfähigkeiten liegen im mittleren Werte­bereich konventioneller Al-Legierungen. In Verbindung mit anderen Eigenschaften wie z.B. Warmfestigkeiten oder niedriger thermischer Ausdehnung macht die Leitfähigkeit diese Werkstoffe zu idealen Kandidaten für Anwendungen in opto-elektronischen Geräten (Kühlelemente auf Micro-Chips, Leiterbahnträger, metallische Spiegel etc.)

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Steifigkeit

Die warmfesten PLM-Werkstoffe weisen einen E-Modul von 80 – 100 GPa auf und liegen damit deutlich oberhalb aller konventionellen Al-Werkstoffe. Die binären Legierungen vom Typ AlSi erreichen einen E-Modul von 120 GPa (AlSi70). Aufgrund dieser Werte sind zusätzliche Gewichtseinsparungen bei einer Neuauslegung von Bauteilen möglich (sekundäres Einsparpotential).

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Lineare thermische Ausdehnung

Durch Zulegieren von Silizium wird die lineare thermische Ausdehnung binärer AlSi-Legierungen gezielt und kontrolliert proportional zum steigenden Si-Gehalt reduziert. Dabei werden Ausdehnungswerte zwischen 24 ppm (reines Al) und 7 ppm (AlSi70) realisiert. Durch die ideale Kombination von niedriger Dichte und niedriger thermischer Ausdehnung werden die AlSi-Legierungen zu einer attraktiven Alternative zu Titan, Kovar, Invar, WCu oder MoCu. Ein weiterer Vorteil dieser AlSi-Legierungen ist ihr isotropes Verhalten (keine Textur), also die Gleichheit der Eigenschaften in alle drei Raumrichtungen. Gleichzeitig ist die Bearbeitbarkeit dieser Werkstoffe deutlich einfacher und günstiger im Vergleich zu den Wettbewerbsmaterialien. Diese Werkstoffklasse ist besonders für Anwendungen in optischen und opto-elektronischen Systemen geeignet.

Lineare thermische Ausdehnung
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Verschleißbeständigkeit

Verschleißbeständigkeit ohne eine zusätzliche Beschichtung ist eine neue Eigenschaft für den Werkstoff Aluminium. Basis hierfür sind AlSi-Werkstoffe mit einigen Zusatzelementen aus der Reihe der Übergangs- und/oder Refraktärmetalle (Fe, Ni, Cr, Zr, Ti), wodurch die Tragfähigkeit der Matrix sichergestellt wird. Die Verschleiß­beständigkeit wird durch Zugabe von Si in Gehalten von 20 – 40 Gew.-% erreicht. Die Si-Primärausscheidungen haben eine Größe von max. 10 µm. Durch eine eingerundete Struktur wirken sie nicht abrasiv gegenüber den Reibpartnern.

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Recycling

Alle PLM-Werkstoffe können problemlos in den Wertstoffkreislauf zurückgeführt werden. Durch Filtration und Entgasung der Schmelzen wird eine einwandfreie Qualität des Kreislaufmaterials sichergestellt. Da oftmals höherpreisige Legierungselemente verwendet werden, trägt das Recycling dieser Werkstoffe wesentlich zur günstigeren Gestaltung der Metallkosten bei. Gleichzeitig werden Energiekosten und Rohstoffressourcen gespart. So liegt zum Beispiel der Energieverbrauch beim Rückschmelzen von Al (Sekundär­aluminium) bei nur 5 % im Vergleich zur Gewinnung von Primäraluminium über Elektrolyse.