Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen CuNiZn

Die in Deutschland genormten Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen bestehen je nach Verwendungszweck aus 47 bis 64 % Cu, 10 bis 25 % Ni und 15 bis 42 % Zn. Einigen Legierungen werden außerdem weitere Elemente zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften oder der Verarbeitbarkeit zugegeben. Elemente dieser Art sind z. B. Blei, Mangan oder Zinn. Wegen ihrer vielseitigen Eigenschaften sind diese Legierungen vor allem in Elektrotechnik und Elektronik – wichtige Werkstoffe. Ursprünglich wurden Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen ausschließlich für dekorative Zwecke verwendet.

Physikalische Eigenschaften

Ihre silberähnliche Farbe erhalten die Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen durch das Zusammenwirken der Legierungsbestandteile Nickel und Zink. Legierungen mit höheren Kupfergehalten sind gelblich. Mit zunehmendem Zinkgehalt erhalten sie einen grünlichen Schimmer. Die Farbe einer Legierung mit etwa 20 % Ni kommt der des Silbers am nächsten. Noch höhere Nickelgehalte führen allmählich zur Farbe des reinen Nickels.

Die Schmelzbereiche der Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen steigen mit den Nickel-und Kupfergehalten an. Zur groben Berechnung bediente man sich früher folgender Faustformel [9]:

Schmelzbereich in °C = 10 x (Gew. % Ni) + 5 x (Gew. Cu) + 600

Der Elastizitätsmodul der genormten bleifreien Knetlegierungen liegt etwa zwischen 125 und 140 kN/mm².

Elektrische, thermische und magentische Eigenschaften

Die thermische und elektrische Leitfähigkeit ist im Vergleich zu anderen Kupferwerkstoffe niedrig. Wegen ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit, die etwa zwischen 3 und 5 m/Ω * mm² liegt, sind sie als Widerstandswerkstoffe verwendbar. Im Vergleich hierzu haben z. B. die Kupfer-Zink-Legierungen (Messinge) eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 13 m/Ω * mm² und darüber. Die Wärmeleitfähigkeit der Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen ist mit 21 bis 33 W/m * K ebenfalls gering; die Kupfer-Zink-Legierungen (Messinge) haben immerhin Werte über 113 W/m * K. Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen sind unmagnetisch; dies ist für einige Anwendungsbereiche von Bedeutung.

Festigkeitseigenschaften

Die für Kupferlegierungen verhältnismäßig hohe Festigkeit kann wegen des großen Verfestigungsvermögens der Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen durch Kaltumformung noch stark erhöht werden. Je nach Zusammensetzung liegt die Zugfestigkeit zwischen 340 und über 610 N/mm2; sie kann für runde Federdrähte nach DIN EN 12166 aus CuNi18Zn20 über 830 N/mm2 erreichen. Die starke Verfestigung durch Kaltumformung kommt in der großen Differenz der Kennwerte für Zugfestigkeit, 0,2-Dehngrenze und Härte im weichen und harten Zustand zum Ausdruck. Die Brinellhärte liegt etwa zwischen 85 und 190 HB, die Vickershärte von Bändern und Streifen für Blattfedern nach DIN EN 1654 aus CuNi18Zn20 bei über 230 H.V.

Bei erhöhten Temperaturen fällt die Zugfestigkeit bis etwa 300 °C noch nicht wesentlich ab. Je nach erwarteter Lebensdauer ist bei diesen Temperaturen u. U. das Kriechverhalten bereits zu berücksichtigen.

Wie alle Kupferwerkstoffe zeigen auch die Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen keine Versprödungserscheinungen bei tiefen Temperaturen; sie sind deshalb zum Einsatz für Tieftemperaturzwecke gut geeignet. Für die Berechnung wird von Festigkeitswerten bei Raumtemperatur ausgegangen. Das bedeutet praktisch die Berücksichtigung eines mit fallender Temperatur zunehmenden Sicherheitsfaktors.

Sowohl in Form von Band als auch Draht ist vor allem CuNi18Zn20 ein hervorragender Federwerkstoff. Federbänder aus CuNi18Zn20 sind in DIN EN 1654 genormt. Während in Tab. 1 dieser Norm die Vickershärte und der kleinste Biegeradius als Abnahmewerte festgelegt wurden, ist in Tab. 2 der Norm für angelassene Bänder statt der Härte die Federbiegegrenze festgelegt.  Die Federbiegegrenze ist ein Kennwert für die Federkraft.  Durch eine Glühbehandlung nach dem Fertigwalzen im Temperaturbereich von 200 bis 300 °C wird die Federbiegegrenze erhöht („AnIasseffekt“). Diese Wärmebehandlung bietet die Gewähr, dass sich die Federkraft im Dauerbetrieb auch bei erhöhten Temperaturen kaum verändert und bewirkt außerdem einen starken Abbau evtl. im Band vorhandener Eigenspannungen. Federdrähte aus CuNi18Zn20 sind in DIN EN 12166 genormt. Tab. 1 dieser Norm enthält u. a. Kennwerte für die Zugfestigkeit von kaltverfestigtem CuNi18Zn20 im angelassenen Zustand in Abhängigkeit vom Drahtdurchmesser. In der Norm sind Dorndurchmesser für den Wickelversuch nach DIN ISO 7802 für kaltverfestigte Legierungen angegeben.

Tiefungswerte für die Legierungen CuNi12Zn24 und CuNi18Zn20, die besonders gute Tiefzieheigenschaften haben, enthält DIN EN 1652.

Literatur

  1. Legierungen des Kupfers mit Zinn, Nickel, Blei und anderen Metallen. (Kap. 3 „Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen"), Deutsches Kupferinstitut
  2. Neumann: Argentan-(Neusilber-)Industrie. Angew. Chemie (1903), S. 225 ff.
  3. W. R. Barclay: Nickel and its alloys. Journal of the Birmingham Metallurgical Society, 1934
  4. M. J. Cournot, M. F. Hiltbold: Les Maillechorts. Revue du Nickel 1934
  5. J. Schramm: Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen. Konrad Triltsch Verlag, Würzburg 1935
  6. Metals handbook. Hrsg. The American Society for Metals. Cleveland 1948
  7. Werkstoff-Handbuch Nichteisenmetalle, Teil Ill Cu. VDI-Verlag, Düsseldorf 1960
  8. K. Dies: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik. Springer-Verlag, Berlin 1965
  9. R. Krullaz Neusilber. München 1935
  10. H. J. Wallbaum in Landolt-Börnstein: Zahlenwerte und Funktionen, IV. Bd., 2. Teil, Bandteil b, S. 639-689, Springer-Verlag, Berlin 1964