Wärmebehandlung von Kupferwerkstoffen

Viele Werkstoffeigenschaften werden jedoch durch Zustände erzielt, die auf dem Weg zum Gleichgewicht entstehen, ohne diesen endgültigen Zustand zu entsprechen. Das geschieht durch kontrollierte Erwärmung und Abkühlung: die Wärmebehandlung


Bei der Wärmebehandlung erfolgen ausschließlich Festkörperreaktionen, die in der Regel thermisch aktiviert (Diffusion) sind. Ausnahme bildet die martensitische Umwandlung (diffusionslose Umwandlung durch Kristallscherung.

Die Wärmebehandlung umfasst folgende Abläufe:

  • Aufheizen
  • Halten auf einer Temperatur (Homogenisieren)
  • Abkühlung

Der zu behandelnde Werkstoff durchläuft verschiedene Temperaturen in unterschiedlichen Zeiten (Temperatur-Zeit-Verlauf) und wird anschließend in Abhängigkeit von Werkstoff und Verfahren in unterschiedlichen Medien (Wasser, Öl, Salz, Schutzgas, Luft) unterschiedlich schnell abgekühlt. Die Reichweite erstreckt sich hierbei von der Ofenabkühlung bis hin zum schroffen Abschrecken, um bestimmte technologische Eigenschaften (Chemische Konzentration, Festigkeit, Härte, Zähigkeit, Gefüge, etc.) einzustellen.

Wärmebehandlung

Als Wärmebehandlungsverfahren kommen bei Kupfer und Kupferlegierungen das Homogenisieren, das Weichglühen (Rekristallisierungsglühen), das Spannungsarm-Glühen und das Aushärten, bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken mit anschließendem Anlassen infrage. Wegen der Vielfalt der Werkstoffe auf Kupferbasis und der Abhängigkeit der Temperaturen und Zeiten einzelner Wärmebehandlungen von der Zusammensetzung des Werkstoffes, von seinem Gefüge und seinem Festigkeitszustand infolge Kaltverformung usw. kann hier nur global auf die einzelnen Wärmebehandlungen eingegangen werden.
Einige Anhaltswerte für die Wärmebehandlungstemperaturen finden Sie hier in den Tabellen oder in Handbüchern, Datenblätter und Veröffentlichungen. Die Wärmebehandlungen erfolgen vorzugsweise in elektrisch beheizten Öfen mit einer auf ± 2,5 °C genauen Temperaturkontrolle, aber auch in gasbeheizten Öfen. Die Glühungen erfolgen je nach Werkstoff und Anforderung unter normaler Atmosphäre, unter Schutzgas oder im Vakuum, wobei das Schutzgas abhängig von den Anforderungen neutral, oxidierend oder reduzierend eingestellt wird. Die Wärmebehandlung kann entweder diskontinuierlich für Chargen in Topf-, Hauben- bzw. Kammeröfen oder kontinuierlich in - vorwiegend horizontal angeordneten – Durchlauf-öfen erfolgen. Bei Federbändern, an die höchste Anforderungen hinsichtlich Gleichmäßigkeit des Gefüges, Genauigkeit (Toleranzen) und Planheit des Bandes gestellt werden, erfolgt die Wärmebehandlung im Band-Schwebeofen (Typ: Junkers) fast ausschließlich unter Schutzgas.

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Homogenisieren

Homogenisierungsglühungen erfolgen ausschließlich vor Auslieferung an den Weiter-verarbeiter bei den Halbzeugwerken bzw. Gießereien an Gussstücken oder warm umgeformten Halbzeugformen. Die Wärmebehandlung erfolgt, um Seigerungen oder örtliche Unterschiede in der Zusammensetzung auszugleichen. Betroffen sind im wesentlichen Legierungen mit den Legierungselementen Zinn (Zinnbronze mit breitem Erstarrungsbereich), und Kupfer-Nickel-Legierungen. Homogenisierungsglühungen erfolgen bei relativ hohen Temperaturen mit langen Glühzeiten und sind daher recht kostspielig.

Besonders die Knetlegierung CuSn8 neigt zu starken Segregationen und wird vorzugsweise vor dem Kaltwalzen bei 760 °C homogenisiert um die spröde hochzinnhaltige Phase aufzulösen. Bei anderen Kupferwerkstoffen die warm und kalt gewalzt werden, bzw. zwischen einzelnen Kaltumformungen zwischengeglüht (weichgeglüht) werden, ist eine Homogenisierungsglühung nicht erforderlich.

Bei aushärtbaren Kupferlegierungen wird das Lösungsglühen oberhalb der Löslichkeitsgrenze des Legierungselementes ebenfalls als Homogenisieren bezeichnet.

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Weichglühen (Rekristallisieren)

Nimmt durch Kaltumformung die Festigkeit eines Werkstoffes, bei gleichzeitig abnehmender Bruchdehnung, so hohe Werte an, dass er nicht weiter kalt verformt werden kann, so muss weichgeglüht werden. Bei einer solchen Glühung wird im Allgemeinen der weiche, durch die Bildung neuer Kristalle gekennzeichnete Zustand (Rekristallisation) angestrebt.

Die Rekristallisation ist abhängig von der Korngröße des Gefüges, vom Umformgrad der vorausgegangenen Kaltumformung und der Rekristallisationstemperatur. Bei zu geringer Kaltumformung besteht jedoch beim Glühen die Gefahr der Grobkornbildung. Die Zusam-menhänge lassen sich in einem dreidimensionalen Schaubild darstellen und erklären, weshalb für einen bestimmten Werkstoff keine Rekristallisationstemperatur, sondern nur ein Temperaturbereich angegeben werden kann. Die anzuwendenden Temperaturen sind abhängig von der Glühzeit. Normalerweise wird bei hohen Temperaturen eine kurze Glühzeit und bei niedrigen Temperaturen eine lange Glühzeit anzuwenden sein. Liegt ein Rekristallisationsschaubild vor, kann jedoch bei vorgegebenem Umformgrad und bekannter Korngröße für eine bestimmte Glühdauer die Rekristallisationstemperatur angegeben werden. Der Rekristallisation voraus geht eine Werkstofferholung. Darunter wird eine Entspannung des Materials ohne Kornneubildung verstanden. Die Kornvergrößerung ist der Rekristallisation nachgeschaltet. Sie ist ein Wachstum energisch günstiger Körner auf Kosten von ungünstigeren.

Als Anhaltswerte sind in der Tabelle 39 Weichglüh-Temperaturen für einige Kupferwerkstoffe zusammengestellt.

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Spannungsarmglühen

Durch Spannungsarmglühen werden die durch Kaltumformung im Halbzeug bzw. Werkstück vorhandenen Spannungen gemindert, ohne dass ein zu großer Festigkeitsabfall eintritt. Die größte Bedeutung hat das Spannungsarmglühen für Kupferwerkstoffe, die zur Spannungsrisskorrosion neigen, z.B. für die Kupfer-Zink-Legierungen. Da neben einem Korrosionsmedium für das Auftreten von Spannungsrisskorrosion das Vorhandensein innerer oder äußerer Zugspannungen erforderlich ist, kann durch eine Absenkung der herstellungsbedingten Zugspannungen das Korrosionsrisiko erheblich gemildert werden.

Außerdem wird durch thermisches Entspannen die Gefahr, dass durch Weiterbearbeitung innerer Zugspannungen gelöst werden, die zum Verziehen des Werkstoffes führen können, gemildert. Darüber hinaus addieren sich innere Spannungen mit der äußeren Beanspruchung, so dass unter Umständen die Belastbarkeit des Halbzeugteils oder des Werkstückes beeinträchtigt ist.

Zum Spannungsarmglühen wird die Temperatur und Glühzeit so gewählt, dass die Rekristallisationsschwelle nicht erreicht wird. Es findet eine Werkstofferholung statt, Gefügeunregelmäßigkeiten heilen aus und Spannungen werden abgebaut, ohne dass die mechanischen Festigkeitseigenschaften wesentlich vermindert werden. Das thermische Entspannen soll nach Beendigung der Kaltbearbeitung erfolgen, durch die innere Spannungen in das Werkstück eingebracht werden können. So können z.B. durch eine spanende Bearbeitung innere Spannungen im fertig bearbeiteten Werkstück zurückbleiben.

Empfohlene Temperaturen und Glühzeiten für das thermische Entspannen einiger ausgewählter Kupferwerkstoffe enthält Tabelle 40.

Die genormten Kupfer-Gusswerkstoffe werden mit Ausnahme der Kupfer-Aluminium-Gusslegierungen bei 250 °C entspannt. Für die Glühzeit gilt 1 h je 25 mm Wanddicke. Die Entspannungstemperatur der Kupfer-Aluminium-Gusslegierungen liegt höher bei 315 °C.

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Glühen von Kupfer und Zeiten der Wärmebehandlungen

Zeiten für Wärmebehandlungen können schlecht allgemein angegeben werden.
Grundsätzlich besteht ein Zusammenhang zwischen Zeit und Temperatur, d.h., ein gleiches Ergebnis lässt sich mit kurzer Zeit und hoher Temperatur (wird in Durchlauföfen genutzt) wie auch mit langer Zeit und niedriger Temperatur erzielen.

Die Zeiten hängen zudem ab:

  • Vom Ofen (Temperaturverteilung, Temperaturgleichmäßigkeit);
  • Von der Anzahl der Teile im Ofen und der Chargierung;
  • Von der Größe bzw. der Masse der einzelnen Teile.

Als Faustregel für die Standardprozesse (diskontinuierlich im Topf-, Hauben- oder Kammerofen) kann gelten:

  • Kleine Teile 30-60 Min.
  • Große Teile 1-3 h.

Alle Zeiten gelten ab dem Zeitpunkt, zu dem die gesamte Charge durchgewärmt ist (!).

Das Glühen sollte unter Schutzgas erfolgen (bei Kupferwerkstoffen reicht Stickstoff), um ein Verzundern zu vermeiden. Die Abkühlung kann beliebig erfolgen, bei Kupferwerkstoffen gibt es keine Härtungseffekte wie bei Stahl, auch nicht bei schnellem Abkühlen. Schnelles Abkühlen kann ggfs. zum Verzug führen.

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Anhaltswerte für die Wärmebehandlung von nicht aushärtbaren Kupferwerkstoffen

(alle Angaben in °C; Quellen: DKI-Informationsdrucke)

Werkstoff Spannungsarmglühen Weichglühen Homogenisieren
Kupfer und silberlegiertes Kupfer 100 - 150 400 - 500 (entfällt)
Messing (CuZn) 250 - 300 450 - 600 (entfällt)
Bronze (CuSn), Knetwerkstoffe 200 - 300 475 - 675 ca. 700
Bronze, Gusswerkstoffe 200 - 450 (nicht genutzt) ca. 650
Neusilber (CuNiZn) 250 - 400 580 - 650 (entfällt)
CuAl-Legierungen (Al-Bronze) * 250 - 300 ca. 600 (entfällt)
CuNi-Legierungen 280 - 500 620 - 900 (entfällt)

* Bei heterogenen Legierungen zusätzlich gezielte Einstellung von Festigkeiten durch Wärmebehandlungen zwischen 450-950 °C, s. Literatur

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Tabelle 39

Empfohlene Zeiten und Temperaturen für das Weichglühen einiger ausgewählter Werkstoffe auf Kupferbasis

(Quelle: DKI-Informationsdruck i.9)

Kurzzeichen Temperatur [°C] Zeit [h]
Cu-ETP / Cu-FRHC 300 - 650 1) 0,5 - 3
Cu-OF 425 - 650 0,5 - 3
Cu-PHC / Cu-HCP 350 - 650 0,5 - 3
Cu-DHP 350 - 650 0,5 - 3
CuZn15 425 - 650 0,5 - 3
CuZn30 450 - 675 0,5 - 3
CuZn33 425 - 700 0,5 - 3
CuZn37 450 - 600 2) 0,5 - 3
CuZn36Pb3 425 - 600 0,5 - 3
CuZn39Pb2 425 - 600 0,5 - 3
CuZn39Pb3 425 - 650 0,5 - 3
CuZn40Pb2 425 - 650 0,5 - 3
CuZn31Si1 500 - 600 0,5 - 3
CuZn38Mn1Al 500 - 650 0,5 - 3
CuZn37Mn3Al2PbSi 500 - 650 0,5 - 3
CuSn4 500 - 700 3) 0,5 - 3
CuSn6 500 - 700 3) 0,5 - 3
CuSn8 500 - 700 3) 0,5 - 3
(CuSn6Zn6) 500 - 700 3) 0,5 - 3
CuNi18Zn20 600 - 750 4) 0,5 - 3
CuNi18Zn27 600 - 750 4) 0,5 - 3
CuNi9Sn2 600 - 700 0,5 - 3
CuNi10Fe1Mn 625 - 750 0,5 - 3
(CuNi44Mn1) 650 - 850 0,5 - 3
CuAg0,10 400 - 650 0,5 - 3
CuAg0,10P 400 - 650 0,5 - 3
CuFe2P 650 - 700 0,5 - 3
CuSP 425 - 650 0,5 - 3
CuTeP 425 - 650 0,5 - 3
CuZn0,5 425 - 600 0,5 - 3
CuBe2 720 -760 0,5 - 3
CuBe2Pb 720 -760 0,5 - 3
CuCo2Be 920 -960 0,5 - 3
CuNi2Si 725 - 760 0,5 - 3
CuCr1Zr 600 - 800 0,5 - 3
CuZr 850 - 965 0,5 - 3

1) Beim Glühen in reduzierender Atmosphäre ist die Temperatur unterhalb 450 °C zu halten, um Wasserstoffkrankheit zu vermeiden.
2) Es ist wichtig, die angegebene Maximaltemperatur nicht zu überschreiten, um die Kaltformbarkeit des Werkstoffes nicht zu beeinträchtigen.
3) Die Legierungen sind beim Glühen rissanfällig und sollten vorher thermisch entspannt werden.
4) Die Legierungen sind in oxidierender Atmosphäre zu glühen. Sie sind rissanfällig und sollten vorher thermisch entspannt werden.

(   ) Legierungen nicht mehr in EN enthalten

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Tabelle 40

Empfohlene Glühzeiten und Temperaturen für das Spannungsarmglühen ausgewählter Knetwerkstoffe auf Kupferbasis

(Quelle: DKI-Informationsdruck i.9)

 

Kurzzeichen Temperatur [°C] Zeit [h]
Cu-ETP / Cu-FRHC 150 - 200 1) 1
Cu-OF 150 - 200 1
Cu-PHC / Cu-HCP 150 - 200 1
Cu-DHP 150 - 200 1
CuZn15 200 - 300 1
CuZn30 200 - 300 1
CuZn33 200 - 300 1
CuZn37 200 - 300 1
CuZn36Pb3 200 - 300 1
CuZn39Pb2 200 - 300 1
CuZn39Pb3 200 - 300 1
CuZn40Pb2 200 - 300 1
CuZn31Si1 250 - 350 1
CuZn38Mn1Al 300 - 430 1
CuZn37Mn3Al2PbSi 350 - 450 1
CuSn4 200 - 300 1
CuSn6 200 - 300 1
CuSn8 200 - 300 1
(CuSn6Zn6) 200 - 300 1
CuNi18Zn20 300 - 400 1
CuNi18Zn27 300 - 400 1
CuNi9Sn2 250 - 400 1
CuNi10Fe1Mn 280 -450 1
(CuNi44Mn1) 300 - 400 1
CuAg0,10 250 - 300 1) 1
CuAg0,10P 250 - 300 1
CuFe2P 200 - 300 1
CuSP 150 - 200 1
CuTeP 150 - 200 1
CuZn0,5 200 - 300 1
CuBe2 250 - 300 1
CuBe2Pb 250 - 300 1
CuCo2Be 350 - 420 1
CuNi2Si 350 - 450 1
CuCr1Zr 300 - 350 1
CuZr 350 - 400 1

1) Beim Glühen in reduzierender Atmosphäre ist die Temperatur unterhalb 450 °C zu halten, um Wasserstoffkrankheit zu vermeiden.


(   ) Legierungen nicht mehr in EN enthalten

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Aushärtung

Einige Kupferlegierungen sind aushärtbar. Für die Härtbarkeit einer Kupferlegierung müssen 3 Voraussetzungen erfüllt sein:

  • Es muss eine beschränkte Löslichkeit für die Legierungskomponente im festen Zustand vorliegen.
  • Die Löslichkeit muss mit sinkender Temperatur abnehmen
  • Die Trägheit der Gleichgewichtseinstellung muss so groß sein, dass der bei hoher Temperatur vorliegende homogene Mischkristall nach dem Abschrecken im festen Zustand erhalten bleibt.

In den Normen sind die folgenden aushärtbaren Legierungssysteme aufgenommen worden: Kupfer-Chrom, Kupfer-Zirkon, Kupfer-Chrom-Zirkon, Kupfer-Beryllium, Kupfer-Kobalt-Beryllium, Kupfer-Nickel-Beryllium und Kupfer-Nickel-Silizium.
Für einige aushärtbare Kupferlegierungen sind in Tabelle 41 die Temperaturen und Glühzeiten für die Aushärtung zusammengestellt:

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Tabelle 41

Wärmebehandlung für aushärtbare Kupferlegierungen

Anhaltswerte (Quelle: DKI-Informationsdruck i.009)

Werkstoff Legierungsgruppe   Lösungsglühung [°C] Homogenisieren [°C] Zeit [min.] Aushärtungstemperatur [°C] Zeit [h]
CuZr lösungsgeglüht und angelassen 900 - 930 5,5 500 - 550 1 - 4
  lösungsgeglüht, kalt verformt und angelassen 900 - 930 5,5 375 - 470 1 - 4
CuCr1Zr lösungsgeglüht, kaltverfestigt und angelassen 900 - 1000 1 - 2 400 - 500 1 - 2
CuBe2 lösungsgeglüht und kalt ausgelagert 770 - 800 10,5 315 3
  lösungsgeglüht und kalt verfestigt 1/4 hart     315 2
  lösungsgeglüht und kalt verfestigt 1/2 hart     315 2
  lösungsgeglüht und kalt verfestigt hart     315 2
CuCOBe2 lösungsgeglüht und kalt ausgelagert 910 - 940 10,5 480 3
  lösungsgeglüht und kalt verfestigt 1/2 hart     480 2
  lösungsgeglüht und kalt verfestigt hart     480 2
CuCr1 lösungsgeglüht und angelassen 980 - 1010 10,5 425 - 550 2 - 4
  lösungsgeglüht, kalt verformt und angelassen     425 - 550 2 - 4
CuNi2Si lösungsgeglüht und gezogen 745 - 800 10,5 455 - 480 1,5
CuCr1-C (G-CuCrF35)1)  1000 - 1010 1 480 3

1) Bei Gusswerkstoffen gelten die Zeiten für das Lösungsglühen und für das Anlassen in Stunden (h) je 25 mm Wanddicke.

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Anlassfarben

Der Begriff der Anlassfarben ist den meisten Ingenieuren vom Stahl her bekannt, sie treten bei Kupferwerkstoffen nicht auf. Kupfer enthält kein dem Kohlenstoff vergleichbares Element; viele Mechanismen, die darauf aufbauend bei Stählen eine Rolle spielen, gibt es bei Kupferwerkstoffen nicht. Farben auf Kupferwerkstoffen resultieren vielmehr aus Reaktionen der Werkstoffoberfläche mit Umgebungsmedien; in der Regel sind dies Oxidationsvorgänge. Bekanntestes Beispiel ist die Patinabildung auf Kupferdächern.