Kupfer-Zink-Legierungen (Messing CuZn)

Messing ist eine Legierung aus den Metallen Kupfer und Zink. Die gebräuchlichen Verbindungen enthalten einen Zinkanteil von fünf bis 45 Prozent. Jenseits dessen entstehen keine brauchbaren Legierungen mehr. Das Farbspektrum reicht von goldrot bei hohem Kupferanteil bis hellgelb bei hohem Zinkanteil.

Kupfer und Zink vermischen sich in der Schmelze optimal und bleiben auch beim Erstarren gleichmäßig ineinander verteilt. Messing ist daher ein sehr homogenes Material. Zwar können theoretisch unendlich viele Legierungen zwischen Kupfer und Zink hergestellt werden, doch ist die Zahl der Messingsorten in der Praxis auf einige Dutzend begrenzt. Die neuen Euronormen führen ungefähr 60 Sorten auf. Damit lassen sich weitgehend alle gewünschten physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften erzeugen.

Doch nicht nur die beiden Grundmetalle sind hervorragend ineinander löslich. Es lassen sich zahlreiche weitere Elemente wie Aluminium, Eisen, Mangan, Nickel, Silizium und Zinn der Schmelze hinzufügen und so neue Legierungen mit vorteilhaften Eigenschaften gewinnen. Messinge mit solch gezielten Zusätzen werden als Sondermessing bezeichnet. Diejenigen Messingsorten, die als dritte Komponente zwecks besserer Zerspanbarkeit kleine Anteile von Blei enthalten, werden auch als Automaten oder Zehrspanungsmessinge bezeichnet.

Einteilung der Werkstoffe

Die in den Tabellen 7, 8 und 9 der Norm DIN CEN/TS 13388 aufgelisteten Knetlegierungen sind gemäß DIN EN 1412 in drei Gruppen eingeteilt (s. Ausklapptabelle): 

A          Kupfer-Zink-Knetlegierungen ohne weitere Legierungselemente

B          Kupfer-Zink-Knetlegierungen mit Blei und

C          Kupfer-Zink-Knetlegierungen mit weiteren Legierungselementen (Mehrstofflegierungen).

In der Gruppe A unterscheidet man zweckmäßigerweise Legierungen mit einem Zinkgehalt bis 37 % und Legierungen mit über 37 % Zink. Die Legierungen mit weniger als 37 % Zink haben ein homogenes α-Gefüge. In Legierungen mit über 37 % Zink tritt zusätzlich β als zweite Phase auf, wodurch die Eigenschaften wesentlich verändert werden.

Die gleiche Einteilung ist auch für die Gruppe B üblich. Diesen Legierungen ist bis zu 3,5 % Blei zur Verbesserung der Spanbarkeit zugesetzt. Blei ist in Kupfer-Zink-Legierungen unlöslich. Die Bleieinschlüsse wirken im Gefüge als Spanbrecher.

In Gruppe C enthalten die Legierungen Zusätze von Aluminium, Zinn, Nickel, Eisen, Silizium, Mangan usw. (s. Ausklapptabelle). Diese Zusätze verschieben mehr oder weniger die Phasengrenzen des Systems Kupfer-Zink; sie beeinflussen das Gefüge und die Eigenschaften. Vor allem dienen sie der Verbesserung der Festigkeit sowie der Gleit- und Verschleißeigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit.

Eigenschaften von Kupfer-Zink (Messing)-Knetlegierungen

Physikalische Eigenschaften (Knetlegierungen)

Einige wichtige Kennwerte sind für die Knetlegierungen in der Ausklapptabelle zusammengestellt.

Die Dichte des reinen Kupfers beträgt bei 20 °C 8,93 g/cm3. Dieser Wert wird mit steigendem Zinkgehalt geringer.

Der Elastizitätsmodul nimmt mit dem Zinkgehalt bis zur Grenze des α-Gebietes leicht, im (α+β)-Gebiet stark ab (Ausklapptabelle).

Ein Merkmal der Kupfer-Zink-Legierungen ist ihre ansprechende Farbe. Die Kupferfarbe ändert sich mit zunehmendem Zinkgehalt über Goldrot bei CuZn5, Goldgelb bei CuZn15 und Grünlichgelb bei CuZn28 zu einer sattgelben Tönung bei CuZn37. Mit dem Auftreten der β-Kristalle in den zweiphasigen (α+β)-Kupfer-Zink-Legierungen  ändert sich der Farbton ins Rötliche.

Hierzu ist allerdings zu erwähnen, dass bei einer Abschätzung der Zusammensetzung aufgrund der Farbe durch Zusatz kleiner Mengen anderer Legierungselemente stark verändern kann. So ergeben z.B. geringe Zusätze von Aluminium zu CuZn40Pb2 eine grünlich-gelbe und von Mangan eine bräunliche Färbung. Das macht die Kupfer-Zink-Legierungen für Architektur und Kunst interessant.

Elektrische Eigenschaften (Knetlegierungen)

Wie Bild 8 zeigt, fällt die elektrische Leitfähigkeit des α-Messings mit steigendem Zinkgehalt bis auf einen Wert von etwa 15,5 MS/m ab, CuZn5 mit einer Leitfähigkeit von immerhin noch über 33 MS/m ist ein begehrter Werkstoff für spezielle Anwendungen im Bereich des Elektromaschinenbaus.

Das Bild veranschaulicht auch den Einfluss der Temperatur auf die elektrische Leitfähigkeit einiger Legierungen.

Mit zunehmendem Kaltumformungsgrad wird die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt (Bild 9).

Bild 8: Elektrische Leitfähigkeit einiger Kupfer-Zink-Knetlegierungen im weichgeglühten Zustand bei Temperaturen von 20 bis 200 °C (DKI 1812) [9]
Bild 9: Einfluss des Kaltverformungsgrades auf die elektrische Leitfähigkeit einiger Kupfer-Zink-Knetlegierungen (DKI 1813) [9]

Thermische Eigenschaften (Knetlegierungen)

Bild 10: Wärmeleitfähigkeit einiger Kupfer-Zink-Knetlegierungen im weichgeglühten Zustand bei Temperaturen von 20 bis 200 °C (DKI 1814) [9]

Die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit dem Zinkgehalt ab und steigt mit der Temperatur an (Bild 10).

Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient vergrößert sich mit dem Zinkgehalt (Tab. 6).

Die spezifische Wärme ist im α-Gebiet mit 0,377 bis 0,390 J/g × K nahezu unabhängig vom Kupfergehalt. Im (α+β)-Gebiet steigt sie mit wachsender Zinkkonzentration an [1].

Magnetische Eigenschaften (Knetlegierungen)

Eisenfreie Kupfer-Zink-Legierungen sind diamagnetisch. Die spezifische Suszeptibilität des reinen Kupfers von –0,086 × 10-6 steigt mit dem Zinkgehalt an, und zwar bis auf –0,19 × 10-6 bei CuZn43Pb2. Sie ist temperaturabhängig. Kennwerte für die Permeabilität einiger genormten Kupfer-Zink-Knetegierungen sind in der Ausklapptabelle angegeben.

Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur (Knetlegierungen)

Bild 11: Mechanische Kennwerte von Kupfer-Zink-Knetlegierungen bei 20 °C im weichgeglühten Zustand in Abhängigkeit vom Zinkgehalt(DKI 3952) [5]
Bild 12: Mechanische Kennwerte von CuZn37 in Abhängigkeit vom Kaltziehgrad (DKI 3953 ) [5]

Die üblichen Kupfer-Zink-Legierungen sind nicht aushärtbar. Deshalb lassen sich außer durch Legierungsverfestigung hohe Härte- und Festigkeitskennwerte nur durch Kaltumformung erreichen.

In Bild 11 sind die Eigenschaften der Kupfer-Zink-Legierungen in Abhängigkeit vom Zinkgehalt dargestellt. Mit steigendem Zinkgehalt – bis etwa 45 % Zn – nehmen Zugfestigkeit und Brinellhärte zu. Die Bruchdehnung erreicht bei etwa 30 % Zn einen Höchstwert. CuZn30  ist am besten kaltumformbar.

CuZn37, in Deutschland aus wirtschaftlichen Gründen die Hauptlegierung für Kaltumformung, steht jedoch CuZn30 im Kaltumformungsermögen nur wenig nach. Bestimmte Legierungszusätze verbessern die mechanischen Eigenschaften der Kupfer-Zink-Legierungen, bei einigen Legierungen auch die Verschleiß- und Gleiteigenschaften. Mit dem Kaltumformungsgrad nehmen Zugfestigkeit und Härte zu (Bild 12), die Bruchdehnung nimmt ab.

Mechanische Eigenschaften der Kupfer-Zink-Knetlegierungen in Abhängigkeit vom Werkstoffzustand enthält die Ausklapptabelle.

Die Zugfestigkeit der binären Kupfer-Zink-Knetlegierungen als Band oder Blech liegt je nach Zusammensetzung und Kaltumformungsgrad, welcher den Werkstoffzustand festlegt, zwischen 230 und über 610 N/mm2, die Brinellhärte HB zwischen 45 und 180; die Vickershärte HV liegt messverfahrensbedingt geringfügig höher als die Brinellhärte.

CuZn37 ist ein guter Federwerkstoff (Federeigenschaften für Bänder und für Drähte. Einphasige α-Kupfer-Zink-Legierungen lässen sich gut tiefziehen. Die Tiefungswerte für CuZn36, R300 (und CuZn37, R300 liegen je nach Blechdicke (0,3 - 2 mm) zwischen 11 - 14,3 mm.

Bild 13: Wechselfestigkeit weicher und um 50% kaltgeformter Kupfer-Zink-Knetlegierungen in Abhängigkeit vom Kupfergehalt (DKI 1815 ) [1]

Die Dauerschwingfestigkeit wird meist als Wechselfestigkeit bestimmt. Mit abnehmendem Kupfergehalt steigt die Wechselfestigkeit an (Bild 13). Bei „Mehrstofflegierungen“ liegt die Wechselfestigkeit z.B. von CuZn37Mn3Al2PbSi zwischen 170 N/mm2 im gepressten und 190 N/mm2 im gezogenen Zustand [1]. Das Verhältnis von Wechselfestigkeit zur Zugfestigkeit liegt zwischen 0,26 und 0,33 in dem bei Kupferwerkstoffen üblichen Rahmen.

Mechanische Eigenschaften bei erhöhten und tiefen Temperaturen (Knetlegierungen)

Bild 14: Warmfestigkeit und Warmdehnung der Kupfer-Zink-Legierungen in Abhängigkeit vom Zinkgehalt bis 400°C (DKI 1816) [10]
Bild 15: Warmfestigkeit von CuZn31Si1 (DKI 4425 A) [1]

Warmfestigkeits- und Warmdehnungskennwerte in Abhängigkeit vom Zinkgehalt für 20, 200, 300 und 400°C können Bild 14 entnommen werden. Die Werte wurden im Kurzzeitversuch bestimmt.

Insbesondere „Mehrstofflegierungen“ haben bei erhöhten Temperaturen noch gute Eigenschaften. Das zeigt Bild 15 am Beispiel der Knetlegierung CuZn31Si1.

Die Zeitstandfestigkeit der Kupfer-Zink-Legierungen steigt – zumindest bei niedrigen Temperaturen – mit fallendem Kupfergehalt an [11].

Die Eigenschaften der Kupfer-Zink-Legierungen bei tiefen Temperaturen sind am Beispiel der Knetlegierung CuZn40Mn2Fe1 aus Bild 17 zu ersehen. Kupfer-Zink-Legierungen verspröden bei tiefen Temperaturen nicht. Dies ermöglicht ihren Einsatz als Konstruktionswerkstoffe im Tieftemperaturbereich.

Eigenschaften von Kupfer-Zink (Messing)-Gusslegierungen

Bild 18: Warmfestigkeit von CuZn35Al1-C (DKI 1817) [5]

Die Kupfer-Zink-Gusslegierungen werden ihrer Eignung entsprechend in Sand (GS)-, Kokillen (GM)-, Schleuder (GZ)-, Strang (GC)- und Druckguss (GP) eingeteilt. Bei Mehrstofflegierungen für Formguss unterscheidet man in der Praxis die Legierungen außerdem noch nach ihrem Lötverhalten und den mechanischen Eigenschaften; demnach ist zwischen aluminiumfreiem, weich- und hartlötgeeignetem und hochfestem, aluminiumhaltigem Legierungen zu unterscheiden.

Die meisten physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Leitfähigkeit und Ausdehnung von Kupfer-Zink-Gusslegierungen sind mit denen der Knetlegierungen im weichgeglühten und rekristallisierten Zustand vergleichbar. 

Magnetische Eigenschaften

Eisenfreie Kupfer-Zink-Gusslegierungen sind diamagnetisch. Die spezifische Suszeptibilität des reinen Kupfers von –0,086 × 10-6 steigt mit dem Zinkgehalt an. Sie ist temperaturabhängig. Kennwerte für die Permeabilität einiger genormten Kupfer-Zink-Gusslegierungen sind in der Ausklapptabelle angegeben.

Mechanische Eigenschaften

Die Festigkeitswerte der Kupfer-Zink-Gusslegierungen sind aus der Ausklapptabelle zu ersehen. Die Skala der Zugfestigkeitswerte reicht hier bis 750 N/mm2. Einen erheblichen Einfluss hat das Gießverfahren, wie ein Vergleich mit den Kennwerten für Sandguss in der Ausklapptabelle zeigt.

Mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen 

Warmfestigkeits- und Warmdehnungskennwerte in Abhängigkeit vom Zinkgehalt  können Bild 14 entnommen werden.

Insbesondere „Mehrstofflegierungen“ haben bei erhöhten Temperaturen noch gute Eigenschaften. Das zeigt das Bild 18 am Beispiel der Legierung CuZn35Al1-C.

Literatur

  1. Kupfer-Zink-Legierungen (Messing und Sondermessing). Fachbuch, Deutsches Kupferinstitut
  2. A. Dick: Glasers Annalen für Gewerbe und Bauwesen 14 (1984), S. 179; 20 (1990), S. 245
  3. L. Guillet: Etude generale des laitons speciaux. Rev. de Met (1905), S. 97, (1906), S. 243, (1913), S. 1130, (1920) S. 484
  4. M. Hansen: Constitution of binary alloys, S. 650. McGraw-Hill Book Co., New York 1958
  5. DIN 50930
  6. Kupferwerkstoffe in der Trinkwasseranwendung - den Anforderungen an die Zukunft angepasst (Informationsdruck s196), Deutsches Kupferinstitut
  7. H.J. Wallbaum: Kupfer. In Landolt Bornstein „Zahlenwerte und Funktionen, IV. Bd. 2. Tl., Bandtl.b, S. 639-890 Springer-Verlag, Berlin 1964
  8. K. Dies: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik. Springer-Verlag, Berlin 1965
  9. Kupfer-Nickel-Zinklegierungen (Neusilber) (Informationsdruck i014), Deutsches Kupferinstitut
  10. H. Dietrich: Eigenschaften der nichtmagnetisierbaren NE-Metalle und ihre metallkundliche Deutung. Metall 20 (1966), S. 957-974
  11. Metals Handbook. American Society for Metals, Ohio 1960
  12. Werkstoff-Handbuch Nichteisenmetalle, Teil III Cu. VDI-Verlag, Düsseldorf 1960
  13. H. Vosskühler: Das Zeitstandverhalten des gekneteten Messings. Metall 11 (1957), S. 381-383. Das Zeitstandverhalten der gekneteten Sondermessinge. Metall 11 (1957), S. 944-945
  14. K. Drefahl, M. Kleinau, W. Steinkamp: Zeitstandeigenschaften und Bemessungskennwerte von Kupfer und Kupferlegierungen für den Apparatebau. Metall 36 (1982), S. 504-517
  15. Guss aus Kupfer und Kupferlegierungen – Technische Richtlinien. GDM, VDG und DKI, Düsseldorf 1997
  16. Richtwerte für die spanende Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen. (Informationsdruck i018), Deutsches Kupferinstitut
  17. Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen. Fachbuch, Deutsches Kupferinstitut
  18. Löten von Kupfer und Kupferlegierungen. (Informationsdruck i003), Deutsches Kupferinstitut
  19. W. Mahler, K.F. Zimmermann: Hartlöten von Kupfer und seinen Legierungen, Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düsseldorf 1966
  20. Normenstelle Marine – VG 81245 T 3 (9.1978) Schweißzusatzwerkstoffe und Hartlote für die Marine
  21. Kleben von Kupfer und Kupferlegierungen. (Informationsdruck i007), Deutsches Kupferinstitut
  22. Ch. J. Raub: Die Zukunft der galvanischen Metallabscheidung. Galvanotechnik 70 (1979), S. 295
  23. Schrauben und Muttern aus Kupfer-Zink-Legierungen. Informationsdruck. Deutsches Kupferinstitut, Berlin
  24. Chemische Färbungen von Kupfer und Kupferlegierungen. Fachbuch. Deutsches Kupferinstitut
  25. H. Benninghoff: Mechanische, chemische und elektrolytische Oberflächenvorbehandlung von Kupfer und Kupferlegierungen. Finish Digest (1974) H. 10
  26. Turner, M.E.D. (1966): Turnerdiagramm, zitiert in DIN 50930, Teil 5. Proc. Soc. Water Treatment and Examination 14, 81-87 ...