Kupfer-Nickel-Legierungen CuNi

Kupfer-Nickel-Legierungen sind Legierungen aus Kupfer (Basismetall mit dem größten Einzelgehalt) und Nickel mit oder ohne andere Elemente, wobei jedoch der Zinkgehalt in jedem Fall nicht mehr als 1 % betragen darf. Wenn andere Elemente vorhanden sind, hat Nickel nach Kupfer den größten Einzelanteil verglichen mit jedem anderen Element.

Es ist - wie bei anderen Kupferwerkstoffen auch - zwischen Knetlegierungen, die zu Halbzeug verarbeitet, und Gusslegierungen, aus denen nach verschiedenen Gießverfahren Gussstücke hergestellt werden, zu unterscheiden.

Die gebräuchlichen Legierungen enthalten außer 8,5 bis 45 % Ni zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften meist noch Mangan, Eisen sowie Zinn, die Gusslegierungen außerdem hauptsächlich Zusätze von Niob und Silicium.

Eigenschaften von Kupfer-Nickel-Legierungen

Kupfer-Nickel-Legierungen haben interessante physikalische Eigenschaften, gute Festigkeitskennwerte – auch bei Dauerbeanspruchung und erhöhten Temperaturen – sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber vielen Medien – vor allem Meerwasser.

Die Eigenschaften der binären Kupfer-Nickel-Legierungen sind für manche Anwendungsfälle noch nicht ausreichend. Durch einige Zusätze werden bestimmte Eigenschaften der Kupfer-Nickel-Legierungen entscheidend verbessert. Von den zusätzlichen Legierungselementen sind insbesondere Mangan, Eisen und Zinn sowie Niob und Silicium, ferner Chrom, Beryllium und Aluminium technisch bedeutungsvoll.

Physikalische Eigenschaften

Bild 7 (DKI A 4055) Wärmeleitfähigkeit der Kupfer-Nickel-Legierungen bei 20 °C in Abhängigkeit vom Nickelgehalt [1]
Bild 8 (DKI A 4056) Mittlerer Längenausdehnungskoeffizient der Kupfer-Nickel-Legierungen in Abhängigkeit vom Nickelgehalt [1]

Nickel beeinflusst die Farbe der Kupfer-Nickel-Legierungen entscheidend. Die Kupferfarbe wird mit steigendem Nickelzusatz heller. Ab etwa 15 % Ni sind die Legierungen fast silberweiß. Glanz und Reinheit der Farbe nehmen mit dem Nickelgehalt zu; etwa ab 40 % Ni ist die polierte Fläche kaum noch von der des Silbers zu unterscheiden.

Die Dichte des Kupfers (8,93 kg/dm3 bei 20°C) wird durch steigenden Nickelgehalt (Dichte des Nickels bei 20°C = 8,90 kg/dm3) nur wenig verändert und beträgt für alle Kupfer-Nickel-Legierungen 8,9 kg/dm3. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des reinen Kupfers von 394 W/(m × K) wird durch Nickel stark vermindert (Bild 7); sie erreicht mit ca. 21 W/(m × K) einen Kleinstwert bei etwa 45 % Ni. Der Längendehnungskoeffizient nimmt mit dem Nickelzusatz zunächst stärker, dann langsamer ab (Bild 8). Die spezifische Wärme (bei 20°C) von Kupfer liegt bei 0,385 J/(g × K) und von Nickel bei 0,452 J/(g × K). Mit zunehmendem Nickelgehalt nimmt sie zunächst geringfügig ab und man kann im Mittel mit einem Wert von 0,377 J/(g × K) rechnen.

Alle physikalischen Eigenschaften der beiden Kupfer-Nickel-Knetlegierungen CuNi10Fe1Mn und CuNi30Mn1Fe sind eingehend untersucht und von Raumtemperatur bis 1000°C gut bekannt [8].

Elektrische Eigenschaften

Bild 9 (DKI A 4057) Elektrischer Widerstand und Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes der Kupfer-Nickel-Legierungen in Abhängigkeit vom Nickelgehalt [1]
Bild 10 (DKI A 4058) Thermokraft der Kupfer-Nickel-Legierungen gegen Eisen bei 816 °C in Abhängigkeit vom Nickelgehalt [1]
Bild 11 (DKI A 4059) Thermokraft von CuNi44 gegen Kupfer und Eisen [6]
 

Der elektrische Widerstand der Kupfer-Nickel-Widerstandslegierungen ist für verschiedene Temperaturen in Tab. 8 angegeben. Er steigt mit dem Nickelgehalt stark an, so dass die Kupfer-Nickel-Legierungen als Widerstandswerkstoffe geeignet sind. Es tritt ein Maximum bei ca. 45 % Ni auf. Ungefähr im gleichen Konzentrationsbereich liegt das Minimum des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes (Bild 9).

Besonders hervorzuheben ist die hohe Thermokraft der Kupfer-Nickel-Legierungen im Bereich zwischen 40 und 50 % Ni gegen andere Metalle wie Eisen (Bild 10), Kupfer, Platin usw. Sie sind daher zur Anwendung in Thermopaaren für Temperaturmessungen im mittleren Temperaturbereich besonders geeignet. In Bild 11 ist die Thermokraft von CuNi44 gegen Kupfer und Eisen in Abhängig-keit von der Temperatur dargestellt. Die hohe Thermospannung von CuNi44 schließt seine Verwendung als Widerstandsmaterial in Niederspannungsgeräten aus, weil die Kupferanschlüsse mit CuNi44 ein Thermoelement bilden.

Tab. 8 Kupfer-Nickel- Widerstandslegierungen nach DIN 17471

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Thermische Eigenschaften

Die hohe Wärmeleitfähigkeit des reinen Kupfers von 394 W/(m × K) wird durch Nickel stark vermindert (Bild 7); sie erreicht mit ca. 21 W/(m × K) einen Kleinstwert bei etwa 45 % Ni. Der Längendehnungskoeffizient nimmt mit dem Nickelzusatz zunächst stärker, dann langsamer ab (Bild 8). Die spezifische Wärme (bei 20°C) von Kupfer liegt bei 0,385 J/(g × K) und von Nickel bei 0,452 J/(g × K). Mit zunehmendem Nickelgehalt nimmt sie zunächst geringfügig ab und man kann im Mittel mit einem Wert von 0,377 J/(g × K) rechnen.

Magnetische Eigenschaften

Kupfer-Nickel-Legierungen zeigen keinen Ferromagnetismus. Kupfer ist diamagnetisch, Nickel ferromagnetisch. Nickel-Kupfer-Legierungen gehen mit steigendem Nickelgehalt vom diamagnetischen über den paramagnetischen in den ferromagnetischen Zustand über. Eisen hat je nach Legierung einen geringen Einfluss, wenn es in fester Lösung vorhanden ist. Liegt das Eisen in ausgeschiedener Form vor, so führen diese ferromagnetischen mikroskopischen Partikel zu einem makroskopischen Anstieg des Ferromagnetismus.

Die ausscheidungsfreie Matrix bleibt dia- bzw. paramagnetisch. Kupfer-Nickel-Legierungen mit 20 bis 25 % Ni und 20 % Fe oder etwa 25 % Co sind ausgesprochene Magnetwerkstoffe. Infolge ihrer hohen Remanenz und Koerzitivkraft eignen sie sich auch für Dauermagnete.

Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur

Bild 12 (DKI A 4060) Festigkeitseigenschaften von Kupfer-Nickel-Legierungen in Abhängigkeit vom Nickelgehalt (ermittelt an im Laboratorium erschmolzenen Proben); Proben 15 Min. bei 600 °C geglüht; Kerbschlagproben bei 1100 bis 800 °C geschmiedet [1]

Kupfer-Nickel-Knetlegierungen

Festigkeitskennwerte für Bleche und Bänder aus Kupfer-Nickel-Knetlegierungen sind in DIN EN 1652 enthalten. Weitere Festigkeitsdaten sind in den jeweiligen Halbzeugnormen enthalten. Der Werkstoffzustand wird in den Festigkeitsnormen durch ein Anhängen des Buchstaben R and das Legierungskurzzeichen mit einer nachfolgenden Zahl gekennzeichnet, z.B. CuNi30Mn1Fe R350. Für den Festigkeitszustand R350 wird eine Zugfestigkeit von mindestens 350 N/mm2 gewährleistet. Durch den Festigkeitszustand werden auch 0,2 %-Dehngrenze und Bruchdehnung mit festgelegt. Durch Anhängen des Buchstaben H mit einer nachfolgenden Zahl wird nur eine Mindesthärte (Vickershärte) garantiert, so z.B. CuNi30Mn1Fe H110.

In Tab. 11 sind die Werte der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung für Widerstandslegierungen aus Kupfer-Nickel-Legierungen wiedergegeben.

Bild 12 zeigt die Zunahme der Zugfestigkeit. der 0,2%-Dehngrenze und der Härte mit dem steigenden Nickelgehalt. Mit wachsender Zugfestigkeit ist ein nur verhältnismäßig geringer Abfall von Bruchdehnung und Einschnürung verbunden. Dagegen weist die Härte eine starke Zunahme mit steigendem Nickelgehalt auf. Die Kerbschlagzähigkeit wird durch den Nickelgehalt nur geringfügig beeinflusst.

Bild 13 (DKI A 4065) Einfluss des Eisengehaltes auf die Festigkeitseigenschaften einer Kupfer- Nickel-Legierung mit 10% Ni. Die von 900 °C abgeschreckten Proben waren 2 h zur Erreichung des Härtemaximums wärmebehandelt
Bild 14 (DKI A 4965) Verfestigungsverhalten von CuNi9Sn2 [10]

Eisen hat einen günstigen Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften der Kupfer-Nickel-Legierungen. Bild 13 zeigt dies am Beispiel einer Legierung mit 10 % Ni. Zusätzliche Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften von CuNi30Mn 1Fe werden durch Erhöhung der Eisen- und Mangangehalte auf jeweils 2 % erreicht, so haben z.B. Bänder und Bleche aus der Legierung CuNi30Fe2Mn2 eine Zugfestigkeit von 440 n/mm2 und eine 0,2 %-Dehngrenze von 145 n/mm2.

Eine weitere Steigerung der Festigkeitswerte bewirken z.B. Zusätze von Aluminium oder Chrom, so sind in Tab. 12 zwei Werkstoffe mit verbesserten Festigkeitseigenschaften aufgeführt.

Außerdem steigen, wie bei allen metallischen Werkstoffen, bei Kupfer-Nickel-Knetlegierungen mit zunehmender Kaltumformung die Zugfestigkeit, die 0,2 %-Dehngrenze und die Härte an, dagegen nimmt die Bruchdehnung ab (Bild 14).

Kupfer-Nickel-Gusslegierungen

Zu erwähnen sind drei aushärtbare Kupfer-Nickel-Gusslegierungen mit Zusätzen von Aluminium, Chrom oder Beryllium. Die Legierung mit etwa 2 % Al kann im Gusszustand oder in einem ausgehärteten Zustand Anwendung finden. Die größte Festigkeitssteigerung wird durch Zusatz von Beryllium – nach Aushärtung – erreicht. Eine solche Legierung wird in den USA in der Meerestechnik bereits eingesetzt [11].

Aushärtbare Kupfer-Nickel-Gusslegierungen hoher Festigkeit mit Zinngehalten bis 6 %, die meist noch weitere Zusätze wie Blei und Zink enthalten, sind in ASTMN 584 genormt.

Tab. 11 Kupfer-Nickel-Widerstandslegierungen nach DIN 17 471; Festigkeitseigenschaften bei 20 °C im weichgeglühten Zustand
Tab. 12 Mittlere Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften praktisch bewährter Kupfer-Nickel-Knetlegierungen

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Mechanische Eigenschaften bei tiefen und erhöhten Temperaturen

Bild 15 (DKI A 1219) Festigkeitseigenschaten einer Kupfer-Nickel-Legierung mit 20%Ni bei tiefen Temperaturen. Querschnitt der Proben 16 x 14,8 mm [6]
Bild 16 (DKI A 4063) Entfestigung von Kupfer-Nickel-Legierungen in Abhängigkeit von der Glühtemperatur und vom Nickelgehalt (Proben vor dem Glühen um 50 % kaltgewalzt) [1]

Festigkeitseigenschaften bei tiefen Temperaturen

Bei tiefen Temperaturen besitzen die Kupfer-Nickel-Legierungen, wie auch andere Kupferwerkstoffe, ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften, die für eine Legierung mit 20 % Ni in Bild 15 dargestellt sind. Zugfestigkeit steigt dort mit fallender Temperatur an, ohne dass Bruchdehnung und Einschnürung merklich abnehmen. Diese Legierungen zeigen also bei tiefen Temperaturen keinerlei Versprödung. Deshalb sind sie für Anwendungen in der Kryotechnik sehr gut geeignet.

Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen

Kupfer-Nickel-Legierungen haben auch bei höheren Temperaturen noch gute Festigkeitseigenschaften. Bereits durch geringe Nickelzusätze wird die Warmfestigkeit des Kupfers gesteigert. Den Einfluss des Nickelgehaltes auf die Entfestigung von kaltgewalzten Kupfer-Nickel-Legierungen bei höheren Temperaturen zeigt Bild 16. Durch Zusatz von Eisen werden die Festigkeitseigenschaften nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei erhöhten Temperaturen verbessert. Bild 17 zeigt dies am Beispiel der Legierung mit 10 % Ni. Im Druckbehälterbau z.B. kann CuNi10Fe1Mn bis 300°C, CuNi30Mn1Fe bis 350°C eingesetzt werden. Oberhalb dieser Grenztemperaturen fallen die Festigkeitswerte (Bild 18) insbesondere die Zeitstandfestigkeitswerte bzw. Zeitdehngrenzen stark ab.

Bild 17 (DKI A 4066) Entfestigung einer kaıtgewalzten Kupfer-Nickel-Legierung mit 10 % Ni in Abhängigkeit vom Eisengehalt und von der Temperatur (Glühdauer 2 h). Die von 900°C abgeschreckten Proben waren 50% kaltgewalzt [9]
Bild 18 (DKI A 4966) Entfestigung von CuNi3OMn1Fe [12]

Die Werte für den Elastizitätsmodul nehmen mit steigender Temperatur um etwa 50 – 100 N/mm2 je °C ab.

Nicht selten werden metallische Werkstoffe bei erhöhten Temperaturen einer Dauerbelastung ausgesetzt, hierzu sind entsprechende Kenntnisse über das Zeitstandverhalten der Kupfer-Nickel-Legierungen erforderlich. Diesbezügliche Werte liefert der Standversuch. Er dient zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens bei ruhender Beanspruchung (Standbeanspruchung) unter Bedingungen, bei denen neben den Einflüssen der Beanspruchungshöhe und der Temperatur ein wesentlicher Einfluss der Beanspruchungszeit vorhanden ist, daher der Begriff „Zeitstandverhalten“.

Die Zeitstandfestigkeit bei bestimmter Temperatur ist die auf den Anfangsquerschnitt der Probe bei Raumtemperatur bezogene ruhende Belastung, die ein Werkstück (Probe) „unendlich lange“ ohne Bruch ertragen kann, wird Dauerstandfestigkeit genannt. Die Zeitdehngrenze bei bestimmter Temperatur ist dann diejenige Belastung, die nach einer bestimmten Zeit (und bei der Prüftemperatur) eine bestimmte bleibende Dehnung hervorruft.

In Tab. 15 sind Werte für die Zeitstandfestigkeit und 1%-Zeitdehngrenze der Legierungen CuNi10Fe1Mn sowie CuNi30Mn1Fe angegeben, welche die Grenztemperaturen für den Einsatz dieser Legierungen bei Langzeitbelastung bestimmen.

Tab. 15 Zeitstandfestigkeit und 1%-Zeitdehngrenze für die Werkstoffe aus CuNi10Fe1Mn und CuNi3OMn1Fe [12]

Dauerschwingfestigkeit

Tab. 16 Dauerschwingfestigkeit verschiedener Kupfer-Nickel-Legierungen [13]

Da viele Bauteile einer schwingenden Beanspruchung unterliegen, ist auch die Dauerschwingfestigkeit, kurz Dauerfestigkeit genannt, für die Praxis eine wichtige Kenngröße. Sie ist – im Gegensatz zur Dauerstandfestigkeit – definiert als der um eine gegebene Mittelspannung schwingende größte Spannungsausschlag, den ein Werkstück (Probe) „unendlich oft“ ohne Bruch und ohne unzulässige Verformung aushält (DIN 50100).

Bei Kupferwerkstoffen existiert kein ausgeprägter Grenzwert der Spannung, sondern mit zunehmenden Lastspielzahlen wird es ein stetiger aber dann im Bereich hoher Lastspiele verschwindend geringer Abfall der Festigkeit beobachtet. Hierfür werden Zeitfestigkeiten bei hohen Lastspielen (ca. 108) als Dauerschwingfestigkeiten angegeben.

In Tab. 16 sind Werte der Dauerschwingfestigkeit von CuNi10Fe1Mn, CuNi25, CuNi39Mn1Fe und CuNi44Mn1 für eine Lastspielzahl von 108 zusammengestellt [13].

Literatur

  1. Legierungen des Kupfers mit Zinn, Nickel, Blei und anderen Metallen (Fachbuch), Deutsches Kupferinstitut
  2. F. Pawlek: Metallhüttenkunde, Walter de Gruyter, Berlin – New York, 1983
  3. E.A. Brandes: Smithells Metals Reference Book, Sixth Edition, Butterworth & Co 1983
  4. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Fifth Edition, Weinheim 1986
  5. Werkstoff-Handbuch Nichteisenmetalle. Teil III Cu. VDI-Verlag Düsseldorf 1960
  6. K.E. Volk und H. Holetzko: Nickel-Kupfer-Legierungen – Knetlegierungen mit weniger als 50 % Ni. In Landolt-Börnstein, „Zahlenwerte und Funktionen“. IV. Bd., 2. Teil, Bandteil b, S. 398/412, Springer-Verlag, Berlin 1964
  7. Kupfer-Nickel-Legierungen. Nickel-Informationsbüro GmbH, Düsseldorf 1964
  8. F. Richter: Physikalische Eigenschaften von CuNi10Fe1Mn und CuNi30Mn1Fe unter besonderer Berücksichtigung des Ausscheidungsverhaltens. Z. Werkstofftechn. 17 (1986), S. 273-280
  9. K. Dies: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik. Springer-Verlag, Berlin 1967
  10. Kupferwerkstoffe. Wieland-Werke AG Metallwerke Ulm, 1986
  11. B. Weldon, E. Weisner: Eigenschaften und Anwendungen von Kupfer-Nickel-Gusslegierungen. Schiff und Hafen 25 (1973), S. 785-791
  12. C.H. Thornton, S. Harper und J.E. Bowers: A critical survey of available high temperature mechanical property data for copper and copper alloys – Incra Monograph XII, The Metallurgy of Copper, New York 1983
  13. Copper Data Sheet No K2, K5-K7, Deutsches Kupferinstitut, Berlin 1972
  14. Metals Handbook, 9th Edition, ASM, Metals Park, Ohio 1981
  15. J.P. Chubb, J. Billingham u.a.: Effect of alloying and residual elements on strength and hot ductility of cast cupro-nickel.. J. Metals, March 1978, S. 20-25
  16. Richtwerte für die spanende Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen. Informationsdruck i. 18, Deutsches Kupferinstitut
  17. Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen (Fachbuch) Deutsches Kupferinstitut
  18. Guide to the welding of copper-nickel alloys. INCO Europe Ltd. 1979
  19. F. Richter und H. Lüdorff: Heißrissanfälligkeit und magnetische Permeabilität beim Werkstoff CuNi10Fe. Schweißen und Schneiden 38 (1986) 2, S. 80 ff.
  20. Normenstelle Marine – VG 81245, Teil 3 (03.91): Nichteisen-Schwermetalle; Schweißzusätze und Hartlote, Auswahl
  21. Kupfer-Nickel-Bekleidungen für Offshore-Plattformen. Sonderdruck s.202, Deutsches Kupferinstitut und Copper Development Association, 1986
  22. D.G. Melton: Review of Five-Year Exposure Data for CuNi-Sheathed Steel Pilings. OTC, Houston-Texas, May 6-9 (1991), pp 221-223