Kupferlegierungen

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Kupferlegierungen sind Legierungen von Kupfer und anderen Metallen oder Halbmetallen zu unterschiedlichen Mischverhältnissen, in denen Kupfer der Hauptbestandteil einer solchen ist. Diese Legierungen zeichnen sich aufgrund der Kupferbasis durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus.[1]

Kupferlegierungen gelten als erste gezielt von Menschen hergestellte Legierungen.[2] In der Geschichte der Menschheit spielten vor allem Bronze (Kupfer-Zinn) und Messing (Kupfer-Zink) eine größere Rolle. Ersteres ist heute nicht mehr genormt und wird für eine Reihe hochlegierten Kupferwerkstoffe mit Zinn (bis 12 % Sn), Nickel (Nickelbronze mit bis über 20 % Ni), Aluminium (Aluminiumbronze bis 10 % Al) und anderen verwendet.

Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze)[Bearbeiten]

Die kennzeichnenden Eigenschaften der Kupfer-Zinn-Legierungen sind ihre hohe Festigkeit, Verformbarkeit, Kaltverfestigung und Korrosionsbeständigkeit und ihre guten Gleiteigenschaften.

Zinnbronzen werden mit Phosphor desoxidiert. Sie enthalten daher Phosphorreste und werden oft fälschlich als Phosphorbronze bezeichnet.

Bei der Bezeichnung oder Bestellung von Halbzeugen, z. B. Blechen, Stangen, Drähten, Rohren, können Zustandsbezeichnungen nach DIN EN 1173 ergänzt werden.

Kupfer-Zink-Legierungen (Messing)[Bearbeiten]

Die kennzeichnenden Eigenschaften der Kupfer-Zink-Legierungen sind ihre hohe Festigkeit, Verformbarkeit, Kalt-Verfestigung und Korrosionsbeständigkeit und ihre guten Gleiteigenschaften.

Werkstoffbezeichnung
nach DIN EN 1412[3]
Kurzzeichen Zugfestigkeit
in N/mm²
Streckgrenze
in N/mm²
Bruchdehnung
in %
Härte
HB 10
Hinweise auf Eigenschaften
und Verwendung
CW509L CuZn40
240 ... 470
240 ... 390
43 ... 12
80 ... 140
Gut warm- und kaltumformbar (Schmiedemessing,
Münzmetall); geeignet zum Biegen, Nieten,
Stauchen und Bördeln sowie im weichen Zustand
zum Prägen und auch zum Tiefziehen; mit
Bleizusatz auf Automaten gut zerspanbar.
CW612N CuZn39Pb2
360 ... 590
250 ... 540
40 ... 9
85 ... 175
Gering kaltumformbar durch Biegen, Nieten und
Bördeln; gut stanzbar; gut zerspanbar (Bohr- und Fräsqualität);
Uhrenmessing für Räder und Platinen
CW614N CuZn39Pb3
380 ... 610
300 ... 570
35 ... 8
90 ... 180
Gut umformbar nach Anwärmen. Gering umformbar ohne
Anwärmen. Legierungen für alle spanabhebenden Bearbeitungsverfahren;
Formdrehteile aller Art, Graviermessing; Uhrenmessing für
Räder und Platinen, für genau gezogene Stangenpressprofile.
CW617N CuZn40Pb2
CW708R CuZn31Si
440 ... 490
200 ... 290
22 ... 15
120 ... 160
Für gleitende Beanspruchung auch bei hohen Belastungen,
Lagerbüchsen, Führungen und sonstige Gleitelemente.

Kupfer löst im festen Zustand bis zu etwa 30 % Zink als Mischkristall. Die aus diesen Mischkristallen aufgebauten Legierungen werden α-Messing genannt. Mit zunehmendem Zinkgehalt nehmen Zugfestigkeit und Streckgrenzen des α-Messing zu. Ursache der zunehmenden Verfestigung ist die mit dem Zinkgehalt zunehmende Anzahl der von Versetzungen begrenzten Stapelfehler des Messings, die bei der plastischen Verformung entstehen.

Bei Zinkgehalten über etwa 30 % entsteht β-Messing. Die β-Phase besteht bei hoher Temperatur aus Mischkristallen, bei niedriger Temperatur aus der sehr spröden intermetallischen Phase CuZn.

Die wegen zu hoher Sprödigkeit technisch unbrauchbare γ-Phase besteht aus der intermetallischen Phase Cu5Zn8.

Blechmessing
besteht aus α-Mischkristallen und ist bei 400 °C bis 500 °C spröde, bei Raumtemperatur weich, gut verformbar und schlecht zerspanbar.
Stangenmessing
besteht aus α+β-Mischkristallen und ist gut warmverformbar und bei Raumtemperatur gut zerspanbar.
Reines γ-/α- und γ+β-Messing ist wegen zu großer Sprödigkeit technisch unbrauchbar.

Durch Zulegieren anderer Metalle entsteht Sondermessing.

Legierungselement Wirkung in Messing
Nickel erhöht die Kerbschlagzähigkeit
Mangan verbessert die Korrosionsbeständigkeit und verfeinert das Korn
Eisen verfeinert das Korn
Zinn verbessert die Seewasserbeständigkeit
Aluminium erhöht die Härte und Streckgrenze ohne Verminderung der Zähigkeit

Kupfer-Zink-Legierungen (Kupferanteil >80 %)[Bearbeiten]

Werden auch als Tombak bezeichnet, wobei Siliziumtombak die größte konstruktionstechnische Relevanz besitzt.

Kupfer-Silber-Legierungen[Bearbeiten]

Zur Festigkeitssteigerung durch Mischkristallbildung werden dem Kupfer zwischen 0,03 % bis maximal 0,12 % Silber hinzulegiert. Die erreichbaren Zugfestigkeitswerte liegen bei maximal 270 N/mm². Diese Legierungen werden in der Elektrotechnik für Kollektorringe, Kontakte und Kommutatorlamellen eingesetzt.

Kupfer-Magnesium-Legierungen[Bearbeiten]

Die Magnesiumgehalte liegen bei 0,2 % bis 0,8 %. Diese Legierungen werden für Leitungsseile in der Fernmeldetechnik verwendet („Postbronze“). Darüber hinaus finden Sie als kaltgezogene Fahrdrähte Anwendung in der Oberleitung für hohe Geschwindigkeiten.

Kupfer-Nickel-Legierungen[Bearbeiten]

Kupfer-Nickel-Legierungen mit typischen Nickelgehalten zwischen 10 % und 30% werden als Kupfernickel bezeichnet. Weit verbreitet ist eine Legierung mit 25 % Nickel als Münzmetall.

Kupfer-Beryllium-Legierungen (Berylliumbronze)[Bearbeiten]

Kupfer-Beryllium-Legierungen enthalten zwischen 1,6 % bis 2,1 % Beryllium. Die Löslichkeit von Kupfer für Beryllium nimmt mit sinkender Temperatur ab. Sie beträgt bei 605 °C 1,55 % Be, bei Raumtemperatur weniger als 0,1 % Be. Aus diesem Grunde sind Berylliumbronzen aushärtbar, d. h. ihre Festigkeitseigenschaften können durch Abschrecken von 800 °C in Wasser mit nachfolgendem längeren Halten auf 300 °C (=Auslagern) erhöht werden. Nach starker Kaltverformung vor dem einstündigen Auslagern betragen die Zugfestigkeit bis 1550 N/mm², die Härte 365 HB und die Bruchdehnung 2 %. Anwendungsbeispiele sind: starkem Verschleiß ausgesetzte Teile, z. B. Getriebeteile, Lager sowie Blattfedern, Schlitzklemmen und hoch beanspruchte Bauteile, die unmagnetisch sein müssen. Eine wichtige Anwendung sind funkenfreie Werkzeuge für den Bergbau, für Bohrinseln und Förderplattformen sowie für die chemische Industrie.

Eine weitere aushärtbare Kupferlegierung entsteht durch Zulegieren von Tellur. Die resultierenden Cu2Te-Partikel verbessern die Zerspanbarkeit erheblich bei nur geringer Beeinträchtigung der Leitfähigkeit.

Literatur[Bearbeiten]

  • Martin Klein: Einführung in die DIN-normen. Vieweg+Teubner Verlag, 2007, ISBN 3-8351-0009-2
  • Eduard Vinaricky: Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren. Springer, 2002, ISBN 3-540-42431-8
  • Heinrich Cornelius: Kupfer im technischen Eisen. J. Springer, 1940
  • Ernst Brunhuber: Guss aus Kupferlegierungen: Casting copper-base alloys. Fachverlag Schiele & Schoen, 1986, ISBN 3-7949-0444-3 google books
  • Stephan Hasse, Ernst Brunhuber: Giesserei Lexikon. Fachverlag Schiele & Schoen, 2001, ISBN 3-7949-0655-1 google books
  • Heinz M. Hiersig: Lexikon Produktionstechnik, Verfahrenstechnik. Springer, 1995, ISBN 3-18-401373-1

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Eduard Vinaricky, 2002, S. 285ff (google books)
  2. Heinz M. Hiersig, 1995, S. 565ff google books
  3. Martin Klein, 2007, S. 226 ff (google books)

Weblinks[Bearbeiten]