Niedriglegierte Kupferwerkstoffe

Kupfer ist ein Werkstoff mit sehr hoher Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, mittlerer Festigkeit und guter Umformbarkeit. In manchen Fällen sind einzelne Eigenschaften des reinen Kupfers für den Anwendungsfall nicht ausreichend. Diese Bedürfnisse waren Anlass zur Entwicklung einer Reihe von Werkstoffen auf Kupferbasis mit geringen Konzentrationen zulegierter Elemente.

Kupferlegierungen mit niedrigen Gehalten an den genannten Elementen bilden die Gruppe der "niedriglegierten Kupferwerkstoffe". In den meisten Fällen bleibt dabei die Konzentration der einzelnen Elemente unter 1 bis 2 % und in der Summe unter 5%. Nicht berücksichtigt werden in dieser Werkstoffgruppe Kupferlegierungen wie CuZn5, CuSn2, CuSn4, CuSn5, CuAl5As oder  CuNi2, weil diese nach DIN CEN/TS 13388 üblicherweise den Kupfer-Zink-, Kupfer-Zinn-, Kupfer-Nickel bzw. Kupfer-Aluminium-Legierungen zugeordnet werden.

Eigenschaften von niedriglegierten Kupferwerkstoffen

Durch verhältnismäßig geringe Zusätze anderer Elemente können eine oder mehrere Eigenschaften des reinen Kupfers – z.B. Festigkeit, Entfestigungstemperatur und Zerspanbarkeit – erheblich verbessert werden, während andere charakteristische Eigenschaften – wie elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit weitgehend erhalten bleiben. Elemente dieser Art sind u. a. Beryllium, Chrom, Eisen, Kobalt, Magnesium, Mangan, Nickel, Phosphor, Schwefel, Silber, Silizium, Tellur, Titan, Zink, Zinn, Zirkon, und zwar allein oder in Kombinationen. Einige Elemente wie z.B. Mangan und Silizium setzen die Leitfähigkeit zwar stärker herab, verbessern jedoch Warmfestigkeit, Schweißeignung und Korrosionsbeständigkeit gegenüber bestimmten Medien. Der Einfluss auf die Eigenschaften hängt auch weitgehend von der Menge der zugesetzten Elemente ab.

Bild 1: Eigenschaftsprofil niedriglegierter Kupferwerkstoffklassen, DKI 4501

Sehr hohe Leitfähigkeit und gute Zerspanbarkeit

Reines Kupfer hat zwar von den Gebrauchsmetallen die höchste elektrische Leitfähigkeit, lässt sich jedoch nur schwer auf Drehautomaten zerspanen. Die Zerspanbarkeit wird durch Zusätze von Tellur, Schwefel oder Blei verbessert.Eine generelle Klassifizierung der Zerspanbarkeit dieser Legierungen ist nur unter Berücksichtigung der Zerspanungsverfahren möglich (siehe i018: Richtwerte für die spanende Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen).

Bild 2: Erhöhung der Entfestigungstemperatur des Kupfers durch Legierungszusätze [1], DKI 3954
Bild 3: Einfluss von Zusätzen auf die elektrische Leitfähigkeit [2], DKI 3375

Kupfer-Tellur

Tellur ist im Kupfer nur in äußerst geringem Maße löslich und liegt in fein verteilter Form als Cu2Te vor. In DIN CEN/TS 13388 ist mit CuTeP nur eine phosphordesoxidierte, sauerstofffreie Legierung genormt (Ausklapptabelle). Die sauerstoffhaltige Legierung CuTe ist wegen der Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung und des höheren Werkzeugverschleißes bei der spanabhebenden Bearbeitung in der Norm nicht berücksichtigt worden.

CuTeP ist eine gut zerspanbare Legierung mit hoher Leitfähigkeit (90-96% IACS). Durch die tellurhaltigen Einschlüsse ist die Kerbschlagzähigkeit von CuTeP gegenüber derjenigen des Kupfers herabgesetzt. Sie beträgt etwa 39 bis 78 J/cm². Bei spanend gefertigten Schrauben, bei denen das maximale Drehmoment an den Schraubenköpfen begrenzt ist, ist das besonders zu beachten. Eine wichtige Eigenschaft ist die gegenüber Kupfer erhöhte Entfestigungstemperatur (ca. 350°C) infolge der Löslichkeit geringer Mengen Tellur im Kupfer, die jedoch die elektrische Leitfähigkeit nur wenig beeinflussen. Die gute Korrosionsbeständigkeit des Kupfers wird durch die geringen Tellurzusätze nicht beeinträchtigt. Weitere mechanische und physikalische Eigenschaften von CuTeP sind der Ausklapptabelle zu entnehmen.

Kupfer-Blei

Die Legierung CuPb1 wird typischerweise mit Phosphor desoxidiert, wobei das Blei dem Kupfer die guten Zerspanungseigenschaften verleitet. Als einzige Variante ist die Legierung CuPb1P in DIN CEN/TS 13388 genormt.
Bleihaltiges zerspanbares Kupfer hat eine sehr hohe Leitfähigkeit von ca. 96% IACS*, die im Vergleich zu Cu-ETP nur geringfügig tiefer ist und für die meisten stromführenden Anwendungen ausreicht.
Das Schmelzintervall liegt - abgesehen vom reinen Blei - zwischen 953°C und 1080°C.
Die mechanischen Eigenschaften der genormten Legierung CuPb1P in Stangenform (siehe DIN EN 12164) entsprechen denen von CuTeP (Ausklapptabelle).

Kupfer-Schwefel

Die Löslichkeit von Schwefel im Kupfer ist gering. In DIN CEN/TS 13388 ist mit CuSP nur eine desoxidierte, sauerstofffreie Sorte genormt (Ausklapptabelle). Bereits kleine Schwefelgehalte erhöhen die Entfestigungstemperatur des Kupfers auf etwa 300°C. Infolge der geringen Löslichkeit von Schwefel im Kupfer werden elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit nur wenig beeinflusst. Die Korrosionsbeständigkeit von CuSP entspricht etwa derjenigen des unlegierten Kupfers.

Sehr hohe Leitfähigkeit und hohe Entfestigungstemperatur

Bild 5: Einfluss des Zirkongehaltes auf einige Eigenschaften von CuZr-Legierungen [6], DKI 3967

Durch geeignete Legierungszusätze wie z.B. Silber oder Zirkon kann man die Entfestigungstemperatur des Kupfers erhöhen (siehe Bild 2), ohne die elektrische Leitfähigkeit wesentlich zu beeinträchtigen (Bild 3). Dies ist in vielen Fällen der Elektrotechnik von Vorteil, z.B. für stromführende Teile, die bei höheren Temperaturen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind oder die durch eine Weichlötung nicht entfestigen sollen (Kommutatorlamellen, Ankerwicklungen usw.).

Kupfer-Silber

Kupfer-Silber bildet ein eutektisches System mit einer maximalen Löslichkeit von 8 % Silber bei der eutektischen Temperatur von 779°C.
Die handelsüblichen Legierungen enthalten 0,03% bis 0,12 % Ag und haben ein einphasiges Gefüge. In diesem Bereich bewirkt Silber höhere Entfestigungstemperaturen. Die Normen DIN EN 1976 und DIN EN 1977 enthalten Kupfer-Silber-Legierungen mit verschiedenen Silbergehalten auf Basis von sauerstoffhaltigem, sauerstofffreiem oder phosphordesoxidiertem Kupfer.
Kupfer-Silber-Legierungen haben gegenüber reinem Kupfer den Vorteil, die durch Kaltumformung erreichte Kaltverfestigung auch bei relativ hohen Temperaturen nicht zu verlieren. Die Entfestigungstemperatur von CuAg0,10 liegt bei etwa 300°C. Eine weitere hervorragende Eigenschaft dieser Werkstoffe ist die relativ hohe Zeitstandfestigkeit [4], die für Anwendungen von großer Bedeutung ist, in denen Belastungen bei erhöhten Temperaturen auftreten. Durch Silber werden die hohe elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Kupfers nur wenig beeinflusst (siehe Bild 3).

Kupfer-Zirkon

Zirkon ist im Kupfer bei 972°C bis etwa 0,17 % löslich [20]. Wegen der mit sinkender Temperatur-abnehmenden Löslichkeit von Zirkon sind die Legierungen aushärtbar. In DIN CEN/TS 13388 ist nur ein Werkstoff mit 0,1% Zr genormt. CuZr ist sauerstofffrei und deshalb auch unempfindlich gegenüber Wasserstoffversprödung.
CuZr  verbindet hohe Leitfähigkeiten von ca. 54 MS/m (95% IACS) mit Festigkeitswerte bis 480 MPa, die für Kupferwerkstoffe mit vergleichsweise niedrigem Legierungsgehalt unüblich sind. Darüber hinaus weist der Werkstoff eine sehr hohe Entfestigungstemperatur auf, was bei Lötprozessen von großem Vorteil ist (Bild 5).
Der eigentliche Aushärtungseffekt ist relativ gering und daher erst in Verbindung mit einer Kaltverfestigung von technologischem Nutzen. Deshalb ist der Werkstoff für die praktische Verwendung in der Regel lösungsgeglüht, kaltverfestigt und ausgehärtet oder wird ausgehärtet und anschließend kaltverfestigt. Der Aushärtungseffekt beginnt bei Temperaturen oberhalb 525°C zurückzugehen. Nach einer Glühung von z.B. etwa 1 h bei 425°C bleibt eine Verfestigung noch voll erhalten. Hervorzuheben ist ferner, dass Zirkon als Legierungsbestandteil die Zeitstandfestigkeit auch bei erhöhten Temperaturen deutlich steigert.

Kupfer-Zink

Kupfer und Zink bilden bis zu Zinkgehalten von etwa 37 % homogene Legierungen. Die handelsüblichen, niedriglegierten Werkstoffe enthalten etwa 0,5 bis 0,9 % Zn. Phosphor ist nur in Spuren vorhanden. Wegen der desoxidierenden Wirkung des Zinks sind die Legierungen sauerstofffrei und demzufolge beständig gegen die Wasserstoffversprödung. In der DIN CEN/TS 13388 ist die Legierung CuZn0,5 genormt.
Je nach Kaltumformungsgrad liegt die Zugfestigkeit zwischen 220 MPa und 360 MPa. Kupfer-Zink erreicht zwar nicht die hohen Entfestigungstemperaturen von CuAg0,10 oder CuZr, entfestigt jedoch erst oberhalb 250°C. Die Korrosionsbeständigkeit ist mit der des unlegierten Kupfers vergleichbar. Die elektrische Leitfähigkeit von CuZn0,5 liegt bei etwa 83% IACS und ist damit besser als die von Cu-DHP.

Hohe bzw. mittlere Leitfähigkeit und mittlere Festigkeit

Bild 13: Anlassbeständigkeit der Härte von CuCr mit 0,6% Cr (lösungsgeglüht, 25% kaltverformt und ausgelagert) im Vergleich zu CuZr mit 0,33% Zr(lösungsgeglüht, 60% kaltverformt und ausgelagert) und Cu-ETP (kaltverformt). Auslagerungszeit je Temperatur 5h [10], DKI 4613

Reines Kupfer hat bei Raumtemperatur je nach Werkstoffzustand eine Zugfestigkeit von etwa 200 MPa bis über 400 MPa, die für manche Zwecke nicht ausreichend ist. Sie kann durch bestimmte Zusätze wie Magnesium, Chrom, Eisen, etc. erhöht werden. Dies ist z.B. für hochbelastete Elektroden zur Widerstandsschweißung und andere Zwecke mit hohen Festigkeitsanforderungen notwendig.

Kupfer-Magnesium

Entsprechend dem Zustandsschaubild Kupfer-Magnesium sind im Kupfer bei 722°C maximal 3,2% Mg löslich, wobei jedoch die Löslichkeit des Magnesiums im Kupfermischkristall mit abnehmender Temperatur geringer wird. Technisch hergestellt werden in der Regel Legierungen mit max. 1 % Mg, welche bei Raumtemperatur noch ein homogenes Gefüge und bei Warmauslagerung keine Verfestigung aufweisen.
Gegenüber Kupfer weisen Kupfer-Magnesium-Legierungen eine höhere Festigkeit bei statischer und dynamischer Beanspruchung auch bei erhöhten Temperaturen auf.  Das gute Verschleißverhalten, das sich in einer hervorragenden Abriebbeständigkeit auszeichnet, ist besonders hervorzuheben. Mit dem Magnesiumgehalt nimmt auch die Verfestigung durch Kaltumformung sehr stark zu.  Außerdem steigt die Entfestigungstemperatur auf etwa 350°C. Die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers wird durch Magnesium etwas stärker als durch Silber herabgesetzt.

Kupfer-Eisen

Eisen ist in Kupfer bei 1095°C bis 4,1 % löslich [20]. Wegen der mit sinkender Temperatur abnehmenden Löslichkeit des Eisens liegt prinzipiell ein aushärtbares Legierungssystem vor. Die mit der Ausscheidung verbundene Festigkeitssteigerung ist allerdings vernachlässigbar klein, so dass nur die gleichzeitige Erhöhung sowohl der elektrischen Leitfähigkeit als auch der Rekristallisationstemperatur technisch genutzt werden können.
Handelsüblich sind die Legierungen CuFe2P und CuFe0,1P. CuFe2P ist in DIN EN 1654 und DIN EN 1758 genormt. CuFe0,1P ist im UNS (Unified Numbering System) unter der Bezeichnung C19210 zu finden.
Kuper-Eisen zeichnet sich durch eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aus. Je nach Zusammensetzung und Wärmebehandlung erhält man Werte bis  350 W/mK und 90% IACS.
Durch Kaltumformung lässt sich bei CuFe2P eine Zugfestigkeit von über 500 MPa bei 74 % IACS erreichen. Die Entfestigungstemperatur bewegt sich je nach Ausgangszustand zwischen 400°C und 500°C.

Bild 15: Anlasskurve für CuCrZr-Stangen mit einer Ausgangshärte HV10=170 (Zustand: lösungsgeglüht, kaltverformt, ausgehärtet); Glühzeit 30 min auf Temperatur, DKI 4621
Bild 16: Kriechverhalten von CuCr1Zr im Vergleich zu CuZr, Prüftemperatur 230°C (250°C für die Kurve von 1500h) [1], DKI 3970

Kupfer-Chrom

Die maximale Löslichkeit von Chrom im Kupfer ist mit 0,65 % Cr bei der eutektischen Temperatur von 1075°C sehr niedrig und fällt mit sinkender Temperatur weiter stark ab. Bei 400°C liegt das Lösungsvermögen für Chrom unter 0,03%. Hierdurch ist die Grundlage für eine Ausscheidungsfähigkeit gegeben, die Legierungen sind damit aushärtbar. In DIN EN 1982 ist mit CuCr1-C nur eine Legierung als Gusswerkstoff genormt (Ausklapptabelle). Eine Knetvariante CuCr1 gibt es ebenfalls in der Norm DIN CEN/TS 13388.
Durch die Aushärtung werden sowohl Festigkeit als auch elektrische Leitfähigkeit stark erhöht.  Im vollständig ausgehärteten Zustand verfügen CuCr-Legierungen eine gute Beziehung von Festigkeit zur elektrischen Leitfähigkeit.
Ein gewisser Nachteil von CuCr1 ist allerdings in einigen Fällen die relativ hohe Kerbempfindlichkeit bei erhöhten Temperaturen, die z.B. bei CuZr  nicht vorhanden ist [9].
Die Festigkeitskennwerte sind insbesondere senkrecht zur Verformungs- bzw. Walzrichtung niedrig. Die Entfestigungsbeständigkeit von CuCr1 ist, sehr hoch (Bild 13). Bei Temperaturen oberhalb 475°C geht der Aushärtungseffekt jedoch in Folge der Wiederauflösung der ausgeschiedenen Chrompartikel wieder zurück.  

Kupfer-Chrom-Zirkon

Beim Kupfer-Chrom-Zirkon ist die durch Ausscheidung erreichbare Härtesteigerung etwas größer als beim binären Kupfer-Chrom. Die handelsüblichen Legierungen enthalten 0,4 bis 1,1 % Cr und 0,03 bis 0,3 % Zr (Ausklapptabelle), vgl. DIN CEN/TS 13388.
 
Die Vorzüge von CuZr bestehen in der hohen Entfestigungstemperatur und Zeitstandfestigkeit [4] sowie in der Kerbunempfindlichkeit auch bei erhöhten Temperaturen. Von Nachteil ist der geringe Aushärtungseffekt. CuCr hat andererseits in ausgehärtetem Zustand gute Festigkeitskennwerte. Nachteilig ist in gewissen Fällen seine relativ hohe Kerbempfindlichkeit bei erhöhten Temperaturen. In einer ternären Legierung Kupfer-Chrom-Zirkon (CuCrZr) lassen sich die günstigen Eigenschaften von CuCr und CuZr vereinen. Für CuCrZr ergeben sich damit folgende Merkmale: 

  1. hohe Festigkeit bei Raumtemperatur,
  2. hohe Entfestigungstemperatur und
  3. verbesserte Zeitstandfestigkeit, auch bei erhöhten Temperaturen

In diesen drei Punkten übertrifft CuCr1Zr die binären Legierungen CuCr und CuZr. Begründet wird dies mit der durch den Zirkonzusatz bedingten erhöhten Löslichkeit von Chrom im Kupfer bei hohen Temperaturen [7]. Unter Zeitstandbeanspruchung zeigt auch CuCr1Zr oberhalb ca. 100°C eine gewisse Neigung zur Versprödung infolge der Bildung von Korngrenzenporen [4]. Das Aushärtungsverhalten von CuCr1Zr entspricht etwa dem von CuCr1. Während jedoch bei CuCr1 selbst durch geschickte Kombination von Kaltverfestigung und Aushärtung Brinellhärten von über 160 HB kaum erreichbar sind, ist dies bei CuCr1Zr durchaus möglich (siehe Bild 13). Auch die übrigen Festigkeitskennwerte von CuCr1Zr sind günstiger als die von CuCr1, insbesondere bei höheren Temperaturen oberhalb 500°C beginnt der Aushärtungseffekt wieder zurückzugehen (Bild 15). Bild 16 zeigt das Kriechverhalten von CuCr1Zr im Vergleich zu zwei Kupfer-Zirkon-Legierungen. Von den untersuchten Legierungen besitzt CuCr1Zr die günstigsten Eigenschaften.
Die physikalischen Eigenschaften von CuCr1Zr entsprechen etwa denen von CuCr1 (Ausklapptabelle). Die elektrische Leitfähigkeit des voll ausgehärteten Werkstoffs liegt bei etwa 78%  bis 86% IACS.

Kupfer-Nickel-Phosphor

Kupfer-Nickel-Phosphor-Werkstoffe können durch gezielte Einstellung des Gefüges mit kleinen, fein verteilten Teilchen von Nickel-Phosphiden ausgehärtet werden. Damit lassen sich die mechanischen und physikalischen Eigenschaften, Festigkeit, Härte, elektrische und thermische Leitfähigkeit steigern. Die handelsüblichen Legierungen enthalten 0,8 bis 1,2 % Ni und 0,15 bis 0,25 % P (Ausklapptabelle). Das optimale Massen-Gewichtsverhältnis Ni/P liegt zwischen 4,3 und 4,8.
Kupfer und Nickel weisen eine vollständige Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand auf. Mit zunehmendem Phosphoranteil nimmt die Löslichkeit der gebildeten Nickel-Phosphide im Kupfer-Mischkristall stark ab. Im Vergleich zu anderen niedriglegierten aushärtbaren Kupferlegierungen wie zum Beispiel Cu-Ni-Si oder Cu-Be ist die Löslichkeit von Nickel-Phosphiden im Kupfer-Mischkristall viel kleiner und führt nach der Aushärtung zu einer höheren elektrischen und thermischen Leitfähigkeit.
Das Kupfer-Nickel-Phosphor Legierungssystem begünstigt die Kombination von hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Festigkeit. Die Bildung von feinen Nickel-Phosphid-Ausscheidungen und der Reinheitsgrad des Kupfers sind entscheidende Steuergrößen, um die Mikrostruktur und damit die Festigkeit und Leitfähigkeit positiv zu beeinflussen. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit (Ausklapptabelle) im ausgehärteten Zustand von 550 MPa bis 700 MPa und ihrer relativ guten elektrischen Leitfähigkeit von 50% bis 65% IACS werden diese Legierungen häufig für die Herstellung von elektrischen Kontakten eingesetzt. Die optimalen Aushärteparameter hängen direkt von der vorausgegangenen Kaltverformung ab, welche die Ausscheidungskinetik stark beeinflusst. Durch die als Nebeneffekt entstandene Entspannung bei der Auslagerung kann die Bruchdehnung von 3% bis auf 20% erhöht werden. Die Temperatur für einen effizienten Aushärtungseffekt liegt zwischen 380°C und 420°C. Weiterhin zeichnet sich Cu-Ni-P durch gute Relaxationseigenschaften bei erhöhter Anwendungstemperatur aus.

Kupfer-Zinn

Kupfer-Zinn-Legierungen gehören zu den ältesten technisch verwerteten Kupferwerkstoffen. Bereits geringe Zusätze von Zinn im Kupfer verbessern das Erweichungsverhalten gegenüber Reinkupfer deutlich, wobei bei Gehalten <1% Zinn das Seigerungsverhalten, das ansonsten bei hochlegierten Bronzen beobachtet werden kann, noch nicht sehr stark ausgeprägt ist. Um eine Desoxidation der Kupfer-Zinn-Schmelze zu gewährleisten, kann der Schmelze etwas Phosphor zulegiert werden. Damit die elektrische Leitfähigkeit nicht zu stark abgesenkt wird, weisen niedriglegierte CuSn Legierungen in der Regel bis 0,6%Sn und maximal 0,01% Phosphor auf. Daneben existieren auch Sauerstoff haltige Cu-Sn-Legierungen, dabei reagiert der Sauerstoff in der Schmelze zu Zinnoxid.
Gegenüber Kupfer haben die niedrig legierten Kupfer-Zinn-Werkstoffe eine etwas höhere Festigkeit bei guter elektrischer Leitfähigkeit.  Mit dem Zinngehalt nimmt die Verfestigung durch Kaltumformung zu (Bild 23). Außerdem steigt die Entfestigungstemperatur auf etwa 330 °C. Die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers wird durch Zinn etwas stärker als durch Magnesium herabgesetzt (siehe Bild 3).

Bild 23: Verfestigungsverhalten von Kupfer-Zinn-Knetlegierungen in Abhängigkeit vom Zinngehalt [24], DKI 1557

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Mittlere Leitfähigkeit und hohe Festigkeit

Einige Zusätze zu Kupfer wie z.B. Beryllium (+ Kobalt bzw. Nickel),Nickel + Silizium, Nickel + Zinn oder Titan   setzen zwar die elektrische Leitfähigkeit herab, bewirken jedoch eine deutliche Erhöhung von Dehngrenze, Zugfestigkeit und Härte.

Bild 25: Aushärtung von CuBe2 weich bei 325°C [1], DKI 3962

Kupfer-Beryllium

Die Aushärtbarkeit der Kupfer-Beryllium-Legierungen ist auf die Löslichkeit von max. 2,1 % Be im Kupfer bei hohen Temperaturen und die abnehmende Löslichkeit bei fallenden Temperaturen zurückzuführen. In DIN CEN/TS 13388 sind u.a die Werkstoffe CuBe2, CuBe2Pb, CuCo1NiBe und CuCo2Be und CuNi2Be genormt (Ausklapptabelle).
Kupfer-Beryllium-Werkstoffe sind aushärtbar. Dies führt zu erheblichen Festigkeits- und Härtesteigerungen. Die elektrische Leitfähigkeit liegt dabei in der Größenordnung von 43% IACS.
Im lösungsgeglühten Zustand weist das Material eine hohe Dehnung und Tiefziehfähigkeit auf. Bild 25 zeigt den Verlauf der Festigkeit und elektrischen Leitfähigkeit bei der Aushärtung von CuBe2. Bei Temperaturen oberhalb etwa 350°C beginnt der Aushärtungseffekt zurückzugehen.

Bild 26: Härte und elektrische Leitfähigkeit von CuCoBe in Abhängigkeit von der Aushärtungsdauer bei einer Temperatur von 480°C [8], DKI 3963

Kupfer-Kobalt-Beryllium und Kupfer-Nickel-Beryllium

Durch Kobalt und Nickel wird die Entfestigungsbeständigkeit auf ca. 550°C verbessert. Die handelsübliche Legierung CuCo2Be enthält 2,0 bis 2,8 % Co und 0,4 bis 0,7 % Be. In dieser Zusammensetzung ist sie auch in DIN CEN/TS 13388 genormt (Ausklapptabelle). In CuCo2Be kann Kobalt durch Nickel ersetzt werden (CuCo1Ni1Be). Kupfer-Nickel-Kobalt-Beryllium ist in seinen Eigenschaften praktisch identisch mit Kupfer-Kobalt-Beryllium. Desweiteren kann das Kobalt auch komplett durch Nickel ersetzt werden. CuNi2Be ist auch in der DIN CEN/TS 13388 genormt (Ausklapptabelle). Der Vorteil von CuNiBe liegt in einer leicht höheren Leitfähigkeit gegenüber CuCoBe.
Kupfer-Kobalt-Beryllium erreicht im Vergleich zu den unter 4.1 genannten Kupfer-Beryllium-Legierungen bei etwas geringeren Härte und Festigkeitswerten eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit. Durch gezielte Kombination von Kaltumformung und Aushärtungs-behandlung lassen sich die Eigenschaften des Werkstoffes an besonderen Anforderungen anpassen. Bild 26 veranschaulicht die Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften von der Aushärtungsdauer bei einer bestimmten Aushärtungstemperatur. Oberhalb 500°C geht der Aushärtungseffekt wieder zurück.

Kupfer-Nickel-Silizium

Die hohe Löslichkeit von Silizium in Kupfer wird durch Zusätze von Nickel bei höheren Temperaturen stark herabgesetzt und sinkt mit der Temperatur weiter ab. Infolge der temperaturabhängigen Löslichkeit der intermetallischen Verbindungen Ni2Si, Ni5Si2 (bzw. Ni31Si12) sind Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen aushärtbar. Die Kristallstrukturen der Silizide sind teilkohärent oder inkohärent zum Grundwerkstoff. In der DIN CEN/TS 13388 sind mit CuNi1,5Si, CuNi2Si und CuNi3Si drei Legierungen genormt (Ausklapptabelle).
Werkstoffe aus Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Zugfestigkeit für z. B. dünne Bleche bis ca. 900 MPa, elektrische Leitfähigkeit bis 50 % IACS bei gleichzeitig guter Korrosionsbeständigkeit und gutes Umformvermögen aus. Wegen der ebenfalls sehr guten thermischen Stabilität eignen sich die höher nickelhaltigen Werkstoffe auch für die Konstruktion von Federelementen für Einsatztemperaturen über 150 °C. Geringe Zusätze von Magnesium verbessern die Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation. Eine teilweise Substitution von Nickel durch Kobalt erhöht die Festigkeit um bis 100 MPa.

Kupfer-Nickel-Zinn

Beim Legieren des Systems Kupfer-Nickel-Zinn wird ein Teil des Nickels durch Zugabe von Phosphor in Nickel-Phosphid-Ausscheidungen umgewandelt. Diese Ausscheidungen werden durch eine geeignete Folge von Walz- und Glühvorgängen fein im Gefüge verteilt. Dadurch lässt sich eine ausgezeichnete Kombination von elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit erzielen. Die Legierungen sind bisher noch nicht auf europäischer Ebene, aber in ASTM (B422, B888) genormt (z.B. CuNi1Sn0,9 als C19025).
Zusätzlich zu guten Leitfähigkeits- und Festigkeitswerten weisen die Legierungen auch eine hohe Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation auf.Die Werkstoffe eigenen sich daher besonders für den Einsatz bei höheren Temperaturen (über 150 °C). Durch Kaltumformung lassen sich je nach Werkstoff bei kleineren Abmessungen Festigkeitswerte von über 540 MPa bei guter Biegbarkeit erzielen. Die Entfestigung beginnt bei 400°C bis 450 °C. Die Materialien eignen sich besonders für kleine Teile im Elektro- und Elektronikbereich.

Werkstoffe ohne besondere Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit

Kupfer-Mangan

Kupfer und Mangan bilden bei Gehalten bis etwa 20 % Mn homogene Legierungen.
Diese Werkstoffe sind aufgrund der Desoxidationswirkung des Mangans sauerstofffrei und daher auch bei hohen Temperaturen gegenüber reduzierenden Gasen unempfindlich.
Die Manganzusätze erhöhen die Zugfestigkeit des Kupfers sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höherer Temperatur (Bild 29). Die Entfestigungstemperaturen von CuMn2 und CuMn5 liegen bei etwa 400°C bis 450°C. Die Leitfähigkeit wird jedoch durch Mangan stark herabgesetzt (siehe Bild 3).

Bild 29: Festigkeitskennwerte von Kupfer-Mangan im weichgeglühten Zustand bei erhöhten Temperaturen [1], DKI 3959
Bild 30: Festigkeitskennwerte von Kupfer-Silizium in Abhängigkeit vom Siliziumgehalt [8], DKI 3960

Kupfer-Silizium und Kupfer-Silizium-Mangan 

Die Löslichkeit von Silizium im Kupfer beträgt max. 5,3 % bei 842°C und geht mit sinkender Temperatur zurück [7]. Die technischen Legierungen mit max. 3,6 % Si zeigen jedoch ein homogenes Gefüge. Sie enthalten im Allgemeinen außer 1,8 % bis 3,6 % Si noch 0,3 % bis 1,3 % Mn. Der Einfluss von Mangan auf die Löslichkeit des Siliziums ist gering. In DIN CEN/TS 13388 sind mit CuSi1 und CuSi3Mn zwei Legierungen genormt (Ausklapptabelle).
Silizium verbessert die mechanischen Eigenschaften von Kupfer erheblich (Bild 30). Ein Siliziumzusatz von 3 % bewirkt eine Festigkeitssteigerung des Kupfers wie vergleichsweise etwa 42 % Zn, 8 % Al oder 6 % Sn. Gleichzeitig verbessert Silizium das Umformungsvermögen. Im Vergleich zum Kupfer lassen sich diese Legierungen durch die Silizium- und Manganzusätze mittels Kaltumformung stärker verfestigen. Den Einfluss des Kaltumformungsgrades auf die Festigkeitskennwerte von CuSi3Mn1 zeigt Bild 31. Die Entfestigungstemperatur von CuSi3Mn1 liegt bei etwa 300°C. Der Verlauf von Festigkeitskennwerten und Kerbschlagzähigkeit von CuSi3Mn1 in Bild 32 zeigt, dass diese Werkstoffe auch für die Tieftemperaturtechnik geeignet sind. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt nur etwa 5 bis 10 % des Kupfers.

Bild 31: Einfluss der Kaltumformung auf die Festigkeitskennwerte von CuSi3Mn1 [8], DKI 3961
Bild 32: Tieftemperaturverhalten von CuSi3Mn1 [8], DKI 4622

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Literatur

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  7. K. Dies: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik. Springer Verlag. Berlin 1967
  8. H. J. Wallbaum in Landolt-Bornstein: Zahlenwerte und Funktionen IV Bd., 2. Teil, Bandteil b, S 639-690 Springer-Verlag, Berlin 1964 (neue Auflage – DKI)
  9. H. Hübner: Kupfer in Motoren und Generatoren. Metall 26 (1972), S 1172-1173
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