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Werkstoffe Gusslegierungen bieten Potenzial zur Schwingungsdämpfung

| Autor / Redakteur: Babette Tonn, Hennadiy Zak und Sönke Vogelgesang / Josef-Martin Kraus

Eine reversible Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit verbessert das Dämpfungsverhalten von Gusswerkstoffen. Vorteilhaft umsetzbar ist dieser temperaturabhängige Effekt bei Cu-Al-Mn-Legierungen. Bei dieser neuen Werkstoffgruppe gibt es im Vergleich zu heutigen Legierungen mit hohem Dämpfungspotenzial weder preislich noch funktionell Einschränkungen.

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Bild 1: Cu-Al-Mn-Legierung am Beginn der Phasenumwandlung mit ersten Martensitnadeln in den Austenitkörnern. Die Bewegung der Phasengrenzflächen verursacht eine hohe Dämpfung bei Wechselbelastung.
Bild 1: Cu-Al-Mn-Legierung am Beginn der Phasenumwandlung mit ersten Martensitnadeln in den Austenitkörnern. Die Bewegung der Phasengrenzflächen verursacht eine hohe Dämpfung bei Wechselbelastung.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Unterdrückung mechanischer Schwingungen gewinnt in der Technik zunehmend an Bedeutung. Ziel ist es, die Geräuschemissionen von Maschinen, Anlagen, Schiffen und Fahrzeugen so weit wie möglich zu reduzieren. Dadurch steigt die Umweltverträglichkeit des Produkts. Außerdem erhöht sich die Lebensdauer belasteter Komponenten.

Eine innovative Möglichkeit zum Erreichen dieses Zieles ist die Anwendung metallischer Konstruktionswerkstoffe mit martensitischen Phasenumwandlungen. Kupfer-Aluminium-Mangan-Legierungen enthalten nach geeigneter Herstellung eine hohe Anzahl hochbeweglicher Grenzflächen, die unter dem Einfluss der Wechselbelastung eine hohe Energiedissipation verursachen. Durch ein neuartiges Herstellungsverfahren wird der von der chemischen Zusammensetzung abhängige Temperaturbereich der maximalen Dämpfung spezifisch auf die Einsatztemperatur des Gussteils eingestellt.

Für den Einsatz als metallischer Konstruktionswerkstoff mit hoher Dämpfung sind Gusswerkstoffe aus unterschiedlichen Legierungen geeignet:

  • Prinzipiell haben Ni-Ti-Legierungen (Nitinol) eine hohe Dämpfung. Entsprechende Legierungen sind jedoch aufgrund der enthaltenen Legierungselemente sehr teuer. Die Erschmelzung der Legierungen im Vakuum macht ein aufwändiges Produktionsverfahren erforderlich.
  • Cu-Zn-Al-Legierungen (Proteus) sind wesentlich kostengünstiger als Nitinol. Jedoch konnten sie sich trotz einer sehr hohen spezifischen Dämpfungskapazität (bis zu 30%) bisher nur beschränkten Maße als Verbundwerkstoff im Maschinenbau und in der Kfz-Technik durchsetzen [1]. Grund dafür sind erhebliche Nachteile, zum Beispiel eine geringe Beständigkeit gegen Alterung, eine eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit sowie die Neigung zum Sprödbruchverhalten.
  • Mn-Cu-Legierungen (Sonoston) sind aufgrund des Dämpfungsvermögens, der Festigkeit und der geringen Korrosionsneigung sehr attraktive Werkstoffe für technische Anwendungen und daher weit verbreitet [2 bis 5]. Sie neigen aber auch zur Alterung. Der Anwendungsbereich der Mn-Cu-Legierungen ist eingeschränkt, weil die martensitisch umwandelnde, mangan-reiche Phase mit etwa 5 at.-% Kupfer ihre hohe Dämpfung ausschließlich in einem nicht technologisch beeinflussbaren Temperaturbereich zwischen –45 bis 5 °C erreicht [6].

Hohe Dämpfungswerte unter isothermen Bedingungen

Schwingungen und Vibrationen lösen in Cu-Al-Mn-Legierungen in einem bestimmten Temperaturbereich eine reversible martensitische Phasenumwandlung aus. Unter isothermen Bedingungen verursacht diese Phasenumwandlung zwischen der Hochtemperaturphase Austenit und der Niedertemperaturphase Martensit eine sehr hohe Dämpfung.

Der Temperaturbereich ist dabei auf ein Temperaturintervall von etwa 30 bis 40 K im Bereich der Martensit-Starttemperatur (MS) begrenzt. Beim MS-Wert beginnt die Bildung von Martensit aus dem Austenit.

Eine Variation der chemischen Zusammensetzung kann das Temperaturintervall, bei der hohe Dämpfung auftritt zwischen –100 und 150 °C verschieben. Dadurch lässt sich eine hohe Dämpfung spezifisch auf die Einsatztemperatur unterschiedlicher Gussteile einstellen.

Bild 2 zeigt das logarithmische Dekrement der Dämpfung in Abhängigkeit von der Dehnungsamplitude. Die Dämpfung wurde bei Raumtemperatur an Gussproben mit 3, 5 und 7 Gew.-% Mangan und einer Martensit-Starttemperatur von 20±5 °C ermittelt.

Ausgeprägtes Dämpfungs-Maximum bei steigenden Dehnungsamplituden

Alle dargestellten Cu-Al-Mn-Legierungen haben bereits bei niedrigen Dehnungsamplituden eine hohe Dämpfung. Bei steigenden Dehnungsamplituden tritt ein ausgeprägtes Maximum der Dämpfung auf, das durch die Martensitbildung verursacht wird.

Mit sinkendem Mangangehalt verschiebt sich das Dämpfungsmaximum aufgrund der parallelen Bildung unterschiedlicher Martensittypen zu niedrigeren Dehnungsamplituden und zu höherer Dämpfung. Zusätzlich verbreitert sich das Temperaturintervall, bei dem hohe Dämpfung auftritt. Der Abfall der Dämpfung bei hohen Dehnungsamplituden wird durch die Sättigung der für die Dämpfung verantwortlichen Effekte verursacht.

Die Cu-Al-Mn-Legierung mit 3 Gew.-% Mangan erreicht im Maximum eine spezifische Dämpfungskapazität von 36%. Dagegen hat Gusseisen mit Lamellengraphit, das man in der Praxis als Legierung mit hoher Dämpfung kennt, eine maximale spezifische Dämpfungskapazität von 1%. Dieser Wert kennzeichnet die Grenze zwischen hochdämpfenden und normaldämpfenden Legierungen.

Cu-Al-Mn-Legierungen mit extrem hoher Dämpfung

Bei der Herstellung von Cu-Al-Mn-Legierungen nach dem neuen Verfahren wird also eine für metallische Werkstoffe extrem hohe Schwingungsdämpfung erreicht. Wie Bild 2 zeigt, sind entsprechend hergestellte Legierungen dem Sonoston-Gusswerkstoffen hinsichtlich der Dämpfung über den gesamten technisch nutzbaren Dehnungsamplitudenbereich hinweg überlegen.

Das Verfahren ist nicht komplizierter als die Herstellung einer Gusseisenschmelze, deren Zusammensetzung durch thermische Analyse oder eine Spektrometerprobe überprüft und gegebenenfalls korrigiert wird. Zur Einstellung einer hohen Dämpfung – in Abhängigkeit von einer bestimmten Temperatur – wird der aktuelle MS-Wert anhand einer aus der Schmelze entnommenen Probe bestimmt. Anschließend wird der MS-Wert durch gezielte Zugabe von Legierungselementen eingestellt.

So senkt eine Zugabe von Aluminium den MS-Wert um 118 bis 145 K/Gew.-% je nach chemischer Zusammensetzung. Bei einer Zugabe von Mangan beträgt die MS-Abnahme etwa 80 K/Gew.-%.

Werden die richtigen Komponenten ausgewählt, können mit Cu-Al-Mn-Legierungen Schwingungen gezielt gedämpft und damit Geräuschemissionen vermindert werden. Außerdem lässt sich mit diesen Legierungen die Lebensdauer besonders belasteter Komponenten oder der gesamten Konstruktion verlängern.

Potenzielle Anwendungen für diese Werkstoffe sind beispielsweise Schiffspropeller, Pumpengehäuse, Maschinenelemente und andere vibrationsbelastete Bauteile. Die Legierungsgruppe und das Herstellungsverfahren wurden zum Patent angemeldet.

Literatur

[1] N.N.: Dampening Device-. Firmenschrift von AMT, Herk-de-Stad/Belgien 2007.

[2]Riehemann, W.: Metallische Werkstoffe mit extremer innerer Reibung und deren Messung. Habilitationsschrift TU Clausthal 1996

[3] Santis, S. D., F. Trochu und G. Ostiguy: Stress-Strain Hysteresis and Damping in MnCu and NiTi Alloys. Metallurgical and Materials Transactions A, Vol.32A, Oktober 2001, S. 2489–2497.

[4] Udovenko, V., und N. Poliakova: The State Character of the Martensitic Structure and Damping Properties Formation upon the Annealing of the MnCu Alloys. Zeitschriftenaufsatz: Fiz. Met.& Met. (FMM), Vol.77, 1994, Nr.2, S. 134–140.

[5] Hasse, S.: Gießerei-Lexikon, ??: Fachverlag Schiele & Schön GmbH 2001.

[6] Kloß, H.: Dämpfungsverhalten martensitisch umwandelnder Legierungen. Metall 1995/3, S. 173–179.

Prof. Dr.-Ing. Babette Tonn leitet die Arbeitsgruppe Gießereitechnik am Institut für Metallurgie der Technische Universität Clausthal in Clausthal-Zellerfeld, Dr.-Ing. Hennadiy Zak ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut. Dr.-Ing. Sönke Vogelgesang war wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut.

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