Eigenschaften von Kupfer-Zinn (Zinnbronze)-Knetlegierungen

Die Eigenschaften der Kupfer-Zinn-Knetlegierungen werden vornehmlich vom Zinngehalt und erst in zweiter Linie vom Gehalt der weiteren Legierungselemente bestimmt. Sie sind den mannigfaltigsten Verarbeitungs- und Anwendungsmöglichkeiten anpassbar. Hieraus leiten sich große Chancen für den industriellen Einsatz ab. Besonders vorteilhaft für die Kupfer-Zinn-Knetlegierungen ist die Verknüpfung zwischen guter Dauerschwingfestigkeit und hoher Korrosionsbeständigkeit.

Physikalische Eigenschaften

Einige wichtige physikalische Eigenschaften der genormten Kupfer-Zinn-Knetlegierungen sind in Tab. 4 angegeben. Die lachsrote Farbe des Kupfers ändert sich mit steigendem Zinngehalt über braunrot und gelbrot bis zu rötlich-gelben und gelben Tönen.

Die Dichte der binären Legierungen wird durch den Zinngehalt nur wenig beeinflusst. Das Gleiche gilt auch für Zink-Zusätze. Die in Kupfer-Zinn-Knetlegierungen üblichen Phosphorgehalte von höchstens 0,4 % bewirken ebenfalls keine Änderung der Dichte. Den Einfluss des Zinngehaltes auf die Dämpfung zeigt Bild 5. Wegen der starken Streuung der Messwerte hat die Darstellung nur orientierenden Charakter.

Bild 5: Dämpfung der Kupfer-Zinn-Knetlegierungen in Abhängigkeit vom Zinngehalt. (DKI 3436) [3]
Tabelle 4: Kupfer-Zinn-Knetlegierungen, physikalische Eigenschaften (Richtwerte)

Elektrische Eigenschaften

Bild 6: Elektrische Leitfähigkeit binärer Kupfer-Zinn-Legierungen mit verschiedenen Phosphorgehalten. (DKI 2548) [3]

Der Einfluss des Zinngehaltes auf die elektrische Leitfähigkeit ist aus Bild 6 am Beispiel von Kupfer-Zinn-Legierungen mit 0,05 % P bei 20 und 200°C ersichtlich. Die Kurve der Kupfer-Zinn-Legierung mit 0,40 % P bei 20°C im gleichen Bild zeigt, dass Phosphor die elektrische Leitfähigkeit stark vermindert. Zink setzt die elektrische Leitfähigkeit ebenfalls, jedoch nicht so stark wie Phosphor, herab. Der mittlere Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes der Kupfer-Zinn-Knetlegierungen liegt zwischen 0,0007 und 0,0008.

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Thermische Eigenschaften

Bild 7: Wärmeleitfähigkeit von binären Kupfer-Zinn-Legierungen bei 20° und 200°C in Abhängigkeit vom Zinngehalt. (DKI 2583) [3]

Die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Zinngehalt ist für 20 und 200°C in Bild 7 dargestellt. Das Bild zeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit des reinen Kupfers nahezu unabhängig ist von der Temperatur, während sie bei den Kupfer-Zinn-Knetlegierungen – wie bei anderen Legierungen auch – mit der Temperatur ansteigt. Der Längenausdehnungskoeffizient steigt mit dem Zinngehalt etwas an (s. Tab. 5 und 6).

Die Schmelzwärmen von Kupfer-Zinn-Knetlegierungen liegen bei etwa 184-195 J/g. Diese Legierungen haben eine spezifische Wärmekapazität von ca. 0,377 J/g·K.

Magnetische Eigenschaften

Bild 8: Suszeptibilität von Kupfer-Zinn-Knetlegierungen in Abhängigkeit vom Zinngehalt. (DKI 3437) [3]

Die Suszeptibilität der Kupfer-Zinn-Legierungen liegt in der Größenordnung von –0,1 · 10-6 (bei H=80 A/cm). Sie ist in Bild 8 in Abhängigkeit vom Zinngehalt dargestellt. Eisenfreie Kupfer-Zinn-Knetlegierungen sind schwach diamagnetisch. Mit zunehmendem Eisengehalt werden sie paramagnetisch. Bei höheren Eisengehalten (ab etwa 0,1 % Fe) kann sich das Eisen ausscheiden und der Werkstoff wird ferromagnetisch. Dieser „Ferromagnetismus“ lässt sich durch Homogenisieren und Abschrecken nicht mehr herabsetzen.

In Kupfer-Zinn-Knetlegierungen mit weiteren Legierungselementen, die mit Eisen Verbindungen eingehen, scheidet der abgebundene Eisengehalt ebenfalls als ferromagnetischer Anteil aus. Das gilt z.B. für Phosphor und Zink.

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Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur

Die handelsüblichen Kupfer-Zinn-Knetlegierungen sind nicht aushärtbar. Eine Steigerung von Zugfestigkeit, 0,2-Dehngrenze und Härte ist deshalb nur durch Kaltumformung möglich. In Tab. 5 sind die Festigkeitseigenschaften von Bändern und Blechen der in DIN EN 1652 genormten Kupfer-Zinn-Knetlegierungen in Abhängigkeit vom Werkstoffzustand zusammengestellt.

Tabelle 5: Kupfer-Zinn-Knetlegierungen, Mechanische Eigenschaften

Die Zugfestigkeit, die 0,2-Grenze und die Härte nehmen mit zunehmendem Zinngehalt zu. Bei der Bruchdehnung ist ein Anstieg erst ab etwa 3 % Sn zu sehen. Der dem Bild 9 zu entnehmende Einfluss der Kaltumformung auf die Festigkeitseigenschaften, wird noch einmal in Bild 10 am Beispiel der Legierung CuSn8 dargestellt. Während Zugfestigkeit, 0,2-Dehngrenze und Brinellhärte mit zunehmendem Kaltumformungsgrad ansteigen, nimmt die Bruchdehnung ab. Phosphorgehalte erhöhen die Verfestigungsfähigkeit der Kupfer-Zinn-Knetlegierungen. Dies zeigt Bild 11 am Beispiel der Legierung CuSn4.

Bild 9: Mechanische Eigenschaften von Kupfer-Zinn-Knetlegierungen in Abhängigkeit vom Zinngehalt. (DKI 1557) [3]
Bild 10: Verfestigung von CuSn8 durch Kaltwalzen. (DKI 1555) [3]
Bild 11: Einfluss des Phosphorgehaltes auf die mechanischen Eigenschaften einer Kupfer-Zinn-Knetlegierung mit 4,5 % Sn (Ausgangsdicke des Bandes 1 mm, Ausgangskorngröße 0,035 mm). (DKI 1720) [3]

Der Elastizitätsmodul steigt mit zunehmendem Zinngehalt zunächst an, erreicht ein Maximum bei ca. 1,5 % Sn (Bild 12) und fällt bei weiter ansteigenden Zinngehalten wieder ab. Vom Kaltwalzgrad ist der E-Modul verhältnismäßig unabhängig.

Die Kenntnis der Dauerschwingfestigkeit ist insbesondere zur Auslegung von Federn von entscheidender Bedeutung. In Bild 13 ist die Biegewechselfestigkeit in Abhängigkeit vom Zinngehalt dargestellt. Sie nimmt mit dem Zinngehalt bis ca. 5 % Sn und mit dem Kaltumformungsgrad bis 40 % zu. Kaltumformungen über 40 % führen zu keiner wesentlichen Erhöhung der Biegewechselfestigkeit.

Die Kerbschlagzähigkeit der Kupfer-Zinn-Legierungen steigt mit dem Zinngehalt an und liegt bei 5 % Sn bei etwa 97 Nm/cm2 (4). Eine weitere Steigerung des Zinngehaltes über 5 % hat nur einen geringen Einfluss.

Bild 12: Elastizitätsmodul von Kupfer-Zinn-Knetlegierungen in Anhängigkeit vom Zinngehalt. (DKI 1558) [3]
Bild 13: Biegefestigkeit in Abhängigkeit vom Zinngehalt (DKI 2535) [3]

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Mechanische Eigenschaften bei erhöhten und tiefen Temperaturen

In Bild 14 ist die Abhängigkeit der Festigkeitseigenschaften von CuSn8 (weichgeglühter Zustand) von Raumtemperatur bis 800°C angegeben. Die Kurvenverläufe für Bruchdehnung und Einschnürung zeigen bei mittleren Temperaturen einen Sprödigkeitsbereich, der z.B. bei der Warmumformung zu beachten ist.

 Die Zeitstandsfestigkeit von CuSn6 ist in Bild 15 aufgetragen. Nach 1000h führt bei 150°C eine Belastung von ca. 340 N/mm2 und bei 200°C eine von ca. 205 N/mm2 zum Bruch des Werkstoffs. In Bild 16 sind die für den Konstrukteur wichtigen Kriechgeschwindigkeitsgrenzen für eine Dehnungszunahme von 0,01 % bzw. 0,001 % in je 1000 Stunden in Abhängigkeit von der Temperatur angegeben.

Die Festigkeitseigenschaften der Kupfer-Zinn-Knetlegierungen mit einer bestimmten Kaltverformung verschlechtern sich mit zunehmender Einsatztemperatur sehr stark.

Bild 15: Zeitstandverhalten von geglühter CuSn6 bei 150 und 200 °C. (DKI 1561) [3]
Bild 14: Zugfestigkeit, 0,2 %-Dehngrenze, Bruchdehnung und Brucheinschnürung von geglühter CuSn8 zwischen Raumtemperatur und 800°C. (DKI 1559) [3]

Zugfestigkeit und 0,2-Dehngrenze steigen mit abnehmenden Temperaturen merklich an. Die Bruchdehnung steigt bis –150°C leicht an, und fällt dann bei weiter abnehmenden Temperaturen etwas ab, bei –250°C liegt sie jedoch noch deutlich über dem Ausgangswert bei Raumtemperatur. Dies wird in Bild 17 am Beispiel der Kupfer-Zinn-Knetlegierung CuSn8 gezeigt. Demnach haben die Kupfer-Zinn-Knetlegierungen ein ausgezeichnetes Tieftemperaturverhalten.

Da die Werkstoffe aus diesen Legierungen bei tiefen Temperaturen nicht verspröden, können sie auch in der Tieftemperaturtechnik eingesetzt werden.

Bild 16: Kriechgeschwindigkeitsgrenzen von geglühter CuSn6 in Abhängigkeit von der Temperatur. (DKI 1562) [3]
Bild 17: Zugfestigkeit, 0,2 %-Dehngrenze und Bruchdehnung von harter CuSn8 zwischen Raumtemperatur und -250°C. (DKI 1560) [3]

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Federeigenschaften

Das hohe Kaltverfestigungsvermögen ermöglicht die breite Anwendung von Kupfer-Zinn-Knetlegierungen für federnde Konstruktionselemente. Eine Verbesserung der Federeigenschaften bewirkt der Härtungseffekt des Phosphors. Von den Kupfer-Zinn-Legierungen werden in Deutschland als Federbänder (DIN EN 1654) neben CuSn4 hauptsächlich CuSn6 und CuSn8 verwendet (Tab. 6). Die beiden letztgenannten Legierungen finden außerdem als Federdrähte (DIN EN 12166) Verwendung (Tab. 7). Kennzeichnend für diese Federwerkstoffe sind ihre gut definierbaren Federbiegegrenzen, die geringe Justierarbeiten und hohe Konstanz der Federeigenschaften gewährleisten.

Federbänder aus CuSn6 und CuSn8 sind in DIN EN 1654 in jeweils zwei Qualitäten – im nicht angelassenen Zustand – genormt. Während die Federn im unteren Härtebereich (HV160 bzw. HV170) eine größere Biegezahl aufweisen und vorwiegend in der Schwachstromtechnik eingesetzt werden, finden Federn im oberen Härtebereich (HV180 bzw. HV190) mit der niedrigen Biegezahl hauptsächlich für hochbeanspruchte Teile Verwendung.

Tabelle 6: Federbänder aus Kupfer-Zinn-Knetlegierungen nach DIN EN 1654 - technologische Eigenschaften [6]
Tabelle 7: Drähte aus Kupfer-Zinn-Knetlegierungen nach DIN EN 12166 - technologische Eigenschaften [7]

Kupfer-Zinn-Knetlegierungen kommen auch im Bereich verschleißfester, mechanisch hochbeanspruchbarer Lagerwerkstoffe zum Einsatz. Für Gleitlagerzwecke hat sich CuSn8P nach DIN/ISO 4382 T.2 hervorragend bewährt. Obwohl diese Legierung aus einem einheitlichen Kupfer-Zinn-Mischkristall besteht, besitzt sie gute Gleiteigenschaften. Es wird angenommen, dass die durch die Umformung verursachte Gleitlinienbildung in den Kristallkörnern (Bild 18) eine Rolle spielt, weil diese die Ölbenetzbarkeit steigert. Der Phosphorgehalt der Legierung (max. 0,4 %) scheint die Gleiteigen-schaften ebenfalls günstig zu beeinflussen. CuSn8P besitzt als Gleitlagerwerkstoff (Bild 19) außer einer hervorragenden Gleitfähigkeit eine hohe Verschleiß- und Warmfestigkeit.

Bild 18: Gefüge von CuSn8P nach mehrmaligem Kaltziehen und Zwischenglühungen (feinkörniges Gefüge mit Gleitlinien). (DKI 6055)
Bild 19: Gedrehte Gleitlagerbuchsen aus CuSn8P Rohr gefertigt. (DKI 6525)

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Literatur

  1. Legierungen des Kupfers mit Zinn, Nickel, Blei und anderen Metallen, Deutsches Kupferinstitut
  2. M. Hansen, K. Anderko:Constitution of binary alloys, McGraw Hill Book Co., New York, Toronto, London 1958
  3. M. Cook, W.G. Tallis: The physical properties and annealing characteristics of standard phosphor-bronze alloys, J. Inst. Met. 67 (1941), S. 49-65
  4. K. Dies: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik, Springer-Verlag, Berlin 1967
  5. H.-J. Wallbaum: Kupfer in Landolt-Börnstein „Zahlenwerke und Funktionen“, 2. Teil, Bandteil b, S. 639-890 Springer-Verlag, Berlin 1964
  6. D.G. Plummer, C.A. MacKay: Optimisation of properties of precipitation-hardening tin-magnesium bronze, I.T.R.I. Veröff. Nr. 536
  7. N.N.: Entwicklungen bei Bronzen. Zinn und seine Verwendungen 82, Heft 132, Seite 9
  8. Metals Handbook ASM Cleveland/Ohio, 1979
  9. E. Brunhuber: Schmelz- und Legierungstechnik von Kupferwerkstoffen, Gießerei-Verlag, Düsseldorf 1959
  10. Richtwerte für die spanende Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen
    (Informationsdruck i.18), Deutsches Kupferinstitut
  11. Schweißen von Kupfer und Kupferlegierungen (Fachbuch), Deutsches Kupferinstitut
  12. W. Mahler, K.F. Zimmermann: Hartlöten von Kupfer und Kupferlegierungen
    Deutscher Verlag für Schweißtechnik (DVS), Düsseldorf 1966
  13. Löten von Kupfer und Kupferlegierungen (Informationsdruck i.3), Deutsches Kupferinstitut
  14. A. van’t Hoen: Die Entwicklung der neueren Flussmittel zum Weichlöten und die damit verbundene Problematik, Metall 21 (1967), S. 795-798
  15. Kleben von Kupfer und Kupferlegierungen, (Informationsdruck i.7) Deutsches Kupferinstitut
  16. Chemische Färbungen von Kupfer und Kupferlegierungen, Fachbuch, Deutsches Kupferinstitut
  17. H. Benninghoff: Mechanische chemische und elektrolytische Oberflächenvorbehandlung von Kupfer und Kupferlegierungen, Finish Digest (1974), H. 10
  18. S. Sato: Development of copper alloy condenser tubes resistant to polluted seawater „AP BRONZE“ (Kondensatorrohre aus Kupferlegierungen mit guter Beständigkeit gegen verunreinigtes Meerwasser). Sumitomo Light Metal. Rep. 14 (1973) Jan. S. 7-14

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