Kupfer-Aluminium-Legierungen CuAl

Bei den technischen, handelsüblichen Kupfer-Aluminium-Legierungen ist eine optimale Verknüpfung der hervorragenden Korrosionsbeständigkeit in einer Vielzahl aggressiver Medien mit überdurchschnittlichen mechanischen und guten physikalischen Eigenschaften zu beobachten. Deshalb nehmen sie unter den Kupferwerkstoffen eine besondere Stellung ein.

Die handelsüblichen Kupfer-Aluminium-Legierungen enthalten bis zu 14 % Al als Hauptlegierungs-zusatz zum Kupfer, wobei Zusätze von 4,0 bis 9,0 % ausschließlich von Aluminium die Gruppe der in der Regel im Gefügeaufbau einphasigen, d.h. homogenen „Zweistoff-Legierungen“ kennzeichnen. Legierungen mit etwa 8 bis 14 % Al, die dann stets noch weitere Zusatzelemente – wie z.B. Eisen, Nickel und Mangan – zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften enthalten, bilden die Gruppe der mehrphasigen, d.h. heterogenen „Mehrstoff-Legierungen“.

Weiterhin wird zwischen Knet- (d.h. plastisch gut verformbaren) und Guss- (d.h. nur gut gießbaren) Legierungen unterschieden. Die Knetlegierungen werden aus Guss- „Formaten“ (z.B. Walzbrammen, Pressbolzen) zu Halbzeug wie Blechen, Bändern, Rohren, Stangen, Gesenk- und Freiform-schmiedestücken verarbeitet.

Von den Gusslegierungen werden mittels verschiedener Formgießverfahren Gussstücke hergestellt, die nicht knetend, sondern ausschließlich spanabhebend bearbeitet werden.

Physikalische Eigenschaften

Einige wichtige physikalische Eigenschaften der genormten Kupfer-Aluminium-Legierungen sind in der Ausklapptabelle zusammengestellt.

Der Aluminiumzusatz bewirkt eine Änderung der Farbe des Kupfers von Kupferrot über Goldtöne zu gelblicher Färbung bei etwa 10 % Al.

Die Dichte des reinen Kupfers beträgt 8,93 kg/dm3 bei 20°C. Wie Bild 3 zeigt, nimmt sie mit steigendem Aluminiumgehalt fast linear bis auf etwa 7,5 kg/dm3 bei 10 % Al ab (s. Ausklapptabelle).

Der Elastizitätsmodul der handelsüblichen Kupfer-Aluminium-Legierungen liegt bei Werten zwischen 105 und 130 kN/mm2 (s. Ausklapptabelle). Im α-Bereich nimmt er mit zunehmendem Aluminiumgehalt ab und steigt mit dem Auftreten der γ2-Phase stark an [12]. Der Gleitmodul liegt zwischen 43 und 45 kN/mm2 (s. Ausklapptabelle). Die Poisson-Zahl (Querkontraktionszahl) „ν“ beträgt 0,30-0,35.

Die Wärmeleitfähigkeit wird durch den Aluminiumgehalt herabgesetzt (Bild 4). Mit der Temperatur steigt die Wärmeleitfähigkeit der Kupfer-Aluminium-Legierungen an (Bild 5).

Der Temperaturkoeffizient der Wärmeleitfähigkeit nimmt mit dem Aluminiumgehalt zu (Bild 4).

Der Wärmeausdehnungskoeffizient erfährt durch den Aluminiumgehalt nur wenig Veränderung (Ausklapptabelle). Mit steigender Temperatur wächst der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient Tabelle 2 [4].

Bild 3: Dichte der Kupfer Aluminium-Legierungen in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt [1] DKI 2266
Bild 4: Wärmeleitfähigkeit der Kupfer-Aluminium-Legierungen bei 20°C, bei 200°C und Temperaturkoeffizient der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt [1] DKI 1735
Bild 5: Wärmeleitfähigkeit einiger binären Kupfer-Aluminium Legierungen in Abhängigkeit von der Temperatur [11] DKI 1736
Tabelle 2: Wärmeausdehnungskoeffizient einiger Legierungen in Abhängigkeit der Temperatur

Elektrische Eigenschaften

Die elektrische Leitfähigkeit und sein Temperaturkoeffizient verringern sich mit zunehmendem Aluminiumgehalt (Bild 6). Zusätze wie Eisen sowie insbesondere Mangan und Nickel setzen sie weiter herab (Ausklapptabelle). Die handelsüblichen Kupfer-Aluminium-Legierungen erreichen etwa 12 bis 17 % der Leitfähigkeit des reinen Kupfers.

Mit zunehmender Temperatur wird die elektrische Leitfähigkeit der Kupfer-Aluminium-Legierungen geringer (Bild 7).

Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands zeigt Bild 8 am Beispiel der Legierung CuAl10Ni5Fe4.

Bild 6: Elektrische Leitfähigkeit und Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit bei 20 °C [1] (DKI 1741)
Bild 7: Elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur und des Aluminiumgehaltes [11] (DKI 1742)
Bild 8: Elektrischer Widerstand von CuAl10Ni5Fe4 (1h geglüht bei 550°C) in Abhängigkeit der Temperatur [13] (DKI 1743)

Magnetische Eigenschaften

Bild 9: Permeabilität von CuAl10Ni5Fe4 in Abhängigkeit vom Eisengehalt bei 78,5 A/cm Feldstärke [14] (DKI 1744)
Bild 10: Permeabilität von CuAl10Ni5Fe4 in Abhängigkeit vom Nickelgehalt bei 78,5 A/cm Feldstärke [14] (DKI 1745)

Die magnetischen Eigenschaften der Kupfer-Aluminium-Legierungen werden von den weiteren Zusätzen am stärksten durch Eisen verändert (Bild 9). Der in der binären Legierungsbasis sehr schwache Paramagnetismus wird durch Eisen erheblich verstärkt. Der kritische Eisengehalt von amagnetische Verwendung (µ » 1,001) findenden Kupfer-Aluminium-Werkstoffen liegt für nickelfreie Legierungen bei weniger als 0,15 -% Fe. Für nickelhaltige (etwa 4 % Ni) Legierungen liegt der Fe-Gehalt bei 0,5 -%.

Nickel hat in den üblichen Mengen nur eine geringe Wirkung auf die Permeabilität der Kupfer-Aluminium-Legierungen (Bild 10).

Mangan beeinflusst nur geringfügig die Permeabilität (siehe CuAl9Mn2 in der Ausklapptabelle).

Durch geeignete Wärmebehandlung lassen sich die magnetischen Eigenschaften weiter verbessern. Dies zeigt Tabelle 3 am Beispiel der Legierung CuAl10Ni5Fe4 (900°C/Wasser und 1 h/650°C/Luft).

Tabelle 3: Einfluss der Wärmebehandlung auf die magnetische Permeabilität µ und mechanischen Eigenschaften von CuAl10Ni5Fe4 [14]

Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur

Bild 11: Zugfestigkeit und Dehnung der Kupfer-Aluminium-Legierungen in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt [1] (DKI 2482)
Bild 12: Einfluss der Kaltumformung auf die mechanischen Eigenschaften von CuAl8 [13] (DKI 2483)

Die mechanischen Eigenschaften der genormten Kupfer-Aluminium-Knetlegierungen sind in den Halbzeug-Produkt- und Gusserzeugnisnormen festgelegt.

Die Zugfestigkeit der binären Kupfer-Aluminium-Legierungen steigt im Gusszustand mit zunehmendem Aluminiumgehalt zunächst gleichmäßig an, um oberhalb von etwa 10 % Al durch die versprödende Wirkung des als Zerfallsprodukt der β-Phase auftretenden Gefügebestandteils γ2 rasch abzufallen (Bild 11). In den handelsüblichen heterogenen Kupfer-Aluminium-Mehrstoff-Legierungen wird diese Phasenreaktion durch den Zusatz weiterer Legierungselemente gezielt beeinflusst, womit sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Belastung die sehr hohen Festigkeitswerte dieser Legierungsgruppe erklärbar sind.

Die Bruchdehnung erreicht ihren Höchstwert bereits bei Aluminiumgehalten zwischen 5 und 8 % (Bild 11).

Die Härte der homogenen Legierungen nimmt über den gesamten Konzentrationsbereich des Aluminiums gleichmäßig zu.

Knetlegierungen

Die mechanischen Eigenschaften der kaltumformbaren Knetlegierungen sind im Wesentlichen vom Verformungsgrad abhängig. Neben den Legierungsbestandteilen sind ferner Korngröße und Verformungsverfahren, die Verfestigung und Texturbildung und damit auch die mechanischen Eigenschaften bestimmen, von Bedeutung. Bei den kaltumformbaren, homogenen Knetlegierungen steigen mit zunehmendem Kaltumformungsgrad Zugfestigkeit, Dehngrenze und Härte an, Bruchdehnung und Brucheinschnürung nehmen dagegen ab. Dies zeigt Bild 12 am Beispiel der Knetlegierung CuAl8.

Je nach Zusammensetzung bzw. Kaltumformungsgrad liegt die Zugfestigkeit der Kupfer-Aluminium-Knetlegierungen zwischen 340 und etwa 830 N/mm2 (siehe Ausklapptabelle).

Gusslegierungen

Die Festigkeitskennwerte der Gusslegierungen werden außer von der Legierungszusammensetzung auch vom Gießverfahren beeinflusst. Dies ist aus dem Vergleich der Festigkeitskennwerte der Lieferformen für die Gusslegierungen zu ersehen (siehe Ausklapptabelle).

Mechanische Eigenschaften bei erhöhten und tiefen Temperaturen

Bei erhöhten Betriebstemperaturen liegen die nickel- und eisenhaltigen Kupfer-Aluminium-Mehrstoff-Legierungen wegen ihrer hohen Ausgangsfestigkeit besonders günstig (Bild 13a und 13b). Sie können ihrer Warmfestigkeit entsprechend bei Temperaturen bis 300°C (überwachungspflichtige Bauteile  bis 250°C) eingesetzt werden [21]. Bei Langzeitbeanspruchungen und hohen Temperaturbeanspruchungen werden die Einsatzmöglichkeiten durch die Kriecheigenschaften (Zeitstandfestigkeit) bestimmt. In Zeitstandversuchen von 30.000 h Dauer wurden die Kriecheigenschaften für den Werkstoff CuAl10Ni5Fe4 bestimmt. Die so ermittelten Festigkeitswerte erlauben es, das Verhalten des Werkstoffs für Temperaturen bis 250°C und Betriebszeiten bis maximal 100 000 h abzuschätzen (Bild 14)  [24].

Bild 13a: Festigkeitswerte der Knetlegierung CuAl10Ni5Fe4 zwischen -180 et +500 °C [13](DKI 2484)
Bild 13b: Festigkeitswerte der Gusslegierung CuAl10Fe2-C [13](DKI 1746)

Bild 13a zeigt, dass Kupfer-Aluminium-Legierungen auch bei tiefen Temperaturen gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Sie neigen nicht zum Verspröden und sind deshalb für Anwendungen in der Tieftemperaturtechnik hervorragend geeignet. Z.B. besitzt CuAl9Mn2 im Tieftemperaturbereich bei fast unveränderten Festigkeitseigenschaften eine gleichmäßig hohe Kerbschlagzähigkeit (Bild 15). Diese liegt zwar niedriger als bei vielen Stählen, jedoch tritt kein Steilabfall bei tiefen Temperaturen auf. 

Bild 14a: Zeitstandfestigkeit von Kupfer-Aluminium-Legierungen in Abhängigkeit der Temperatur [21, 24]
Bild 14b: Zeitstandfestigkeit von Kupfer-Aluminium-Legierungen in Abhängigkeit der Temperatur [21, 24]
Bild 15: Kerbschlagzähigkeit der Knetlegierung CuAl9Mn2 in Abhängigkeit der Temperatur [16] (DKI 2268)

Dauerfestigkeit

Bild 16: Einfluss der korrosiven Umgebung auf die Dauerfestigkeit hochmanganhaltiger Kupfer-Aluminium-Mehrstofflegierungen (CuMn13Al8Fe3Ni3) [4]
Bild 17a: Zusammenhang zwischen Dauerfestigkeit und Bauteildicke [4]
Bild 17b: Zusammenhang zwischen Dauerfestigkeit und Bauteildicke [4]
 

Die Dauerfestigkeit ist für die sichere Verwendung von Bauteilen unter mechanischen Belastungen ausschlaggebend. Sie ist abhängig von vielen Einflussgrößen; unter anderem von der Bauteilform und seiner Abmessung. 

Die Dauerfestigkeitswerte für einige einphasige Kupfer-Aluminium-Legierungen mit Aluminiumgehalten bis etwa 8 Mass.-% zeigt die Tabelle 4. 

Eine weitere Einflusskomponente auf die Dauerfestigkeit ist die Gefügestruktur, wobei die chemische Zusammensetzung maßgeblich ist. Zweiphasige Legierungen haben in der Regel eine höhere Dauerfestigkeit als einphasige (vgl. Tabelle 5).

Mehrphasige Legierungen (Bsp. CuAl10Ni5Fe4) werden in vielen Bereichen eingesetzt, in denen  sie unter Ermüdungsbelastungen ihre Eignung unter Beweis stellen müssen. Durch eine geeignete Wärmebehandlung oder Kaltverformung lassen sich die Dauerfestigkeitswerte in einer großen Bandbreite variieren (Tabelle 6). Eine korrosive Umgebung hat einen erheblichen Einfluss auf die Dauerfestigkeit (Bild 16).

Gusslegierungen werden in vielen Bereichen der Industrie in korrosiver Umgebung, z.B. als Pumpengehäuse und Schiffspropeller eingesetzt (siehe auch Bild 25 und Bild 29). Den negativen Einfluss der Korrosion auf die Dauerfestigkeit hochmanganhaltiger Kupfer-Aluminium-Mehrstofflegierungen zeigt Bild 16.

Bei Untersuchungen an Kupfer-Aluminium-Legierungen für Schiffspropeller konnte ein Zusammenhang zwischen der Bauteildicke und der Dauerfestigkeit festgestellt werden (Bild 17) [4]:

sb = 160,5 + 24,4 . log S mit S = Bauteildicke

Tabelle 4: Dauerfestigkeitswerte von einphasigen Kupfer-Aluminium-Legierungen bei Raumtemperatur [4]
Tabelle 5: Dauerfestigkeitswerte für zweiphasige Legierungen bei Raumtemperatur [4]
Tabelle 6: Dauerfestigkeitswerte für Mehrstoff-Legierungen [4]
 

Literatur

  1. Die Aluminiumbronzen (Fachbuch). Deutsches Kupferinstitut, Berlin 1958
  2. M. Hansen, K. Anderko: Constitution of binary alloys. McGraw Hill book Co., Inc., New York, Toronto, London 1958
  3. G. Lindén: Erneute Bestimmung des (α+β)-Zweiphasengebietes im System Cu-Al. Praktische Metallographie 9 (1972), S. 3-14
  4. H. J Meigh: Cast and Wrought Aluminum Bronzes – Properties, processes and structure, (2000)
  5. B.A, Lloyd, J.W. Pyemont: Das Zustandsdiagramm Kupfer-Aluminium-Silizium. Metals Technol. 1 (1974), S. 534-537
  6. M. Leoni, G.Fortina, L.D. Schetky: Gefüge, mechanische Eigenschaften und Korrosions-beständigkeit von neuen Kobalt-Aluminiumbronzen. Metallurgia ital. (1972), S. 470-480
  7. R.J. Severson: Laufende Entwicklungen auf dem Gebiet der Kupferlegierungen. Metallurgia, Manchr. 83 (1971), S. 102-104
  8. W. Thury: Die Eigenschaften von kobalthaltigen Guss-Aluminiumbronzen. Bericht No. PE-13 an die „International Copper Research Ass.“, New York (1971)
  9. Werkstoff-Handbuch „Nichteisenmetalle“, Teil III Cu. VDI-Verlag, Düsseldorf 1960
  10. K. Dies: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik. Springer-Verlag, Berlin 1967
  11. Metals Handbook (ASM) , 9. Aufl., Metals Park Ohio, USA, 1981
  12. W. Köster, W. Rauscher: Beziehungen zwischen dem Elastizitätsmodul von Zweistofflegierungen und ihrem Aufbau. Zeitschr. f. Metallk. 39 (1948), S. 111-120
  13. H.-J. Wallbaum: Kupfer. In Landolt-Börnstein „Zahlenwerte und Funktionen“, Teil 2, Bandteil b, S. 639/890, Springer-Verlag, Berlin 1964
  14. E. Tuschy: Nickel-Aluminiumbronzen. International Nickel GmbH, Düsseldorf 1962
  15. H. Dietrich: Eigenschaften der nichtmagnetisierbaren NE-Metalle und ihre metallkundliche Deutung. Metall 20 (1966) S. 957-974
  16. P. Weill-Couly: Les cupro-aluminiums et leurs applications dans l’industrie. Centre Belge D’Information Du Cuivre, Bruxelles, Mai 1963
  17. Richtwerte für die spanende Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen, i18
  18. Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen (Fachbuch). Deutsches Kupferinstitut, i12
  19. P. Weill-Couly: Schweißen von Gussstücken aus Aluminiumbronze. Fonderie 27 (1978), S. 69-76
  20. W. Mahler, K.F. Zimmermann: Hartlöten von Kupfer und seinen Legierungen. Deutscher Verlag für Schweißtechnik (DVS), Düsseldorf 1966
  21. Normenteile Marine – VG 81245, Teil 3 (8.1978): Nichteisen-Schwermetalle; Schweißzusatz-werkstoffe und Hartlote; Auswahl
  22. K. Drehfahl, M. Kleinau u. W. Steinkamp: Zeitstandeigenschaften und Bemessungskennwerte von Kupfer und Kupferlegierungen für den Apparatebau. Metall, 36. Jg., H. 5 (1982)
  23. P. Brezina: Heat Treatment of Complex Aluminium Bronzes. Int. Met. Rev., 1982, vol. 27, pp. 77-120
  24. F. Hasan, A. Johanafrooz u.a.: The morphology, crystallography and chemistry of phases in as-cast nickel-aluminum bronze. Metallurgical Transactions A, Vol. 13 A, 1982
  25. C.H. Thornton, S. Harper u.a.: A critical survey of available high temperature mechanical property data for copper and copper alloys. Chapter XII from Incra series on the metallurgy of copper