Kupfer-Aluminium-Legierungen

Bei den technischen, handelsüblichen Kupfer-Aluminium-Legierungen ist eine optimale Verknüpfung der hervorragenden Korrosionsbeständigkeit in einer Vielzahl aggressiver Medien mit überdurchschnittlichen mechanischen und guten physikalischen Eigenschaften zu beobachten. Deshalb nehmen sie unter den Kupferwerkstoffen eine besondere Stellung ein.

Die handelsüblichen Kupfer-Aluminium-Legierungen enthalten bis zu 14 % Al als Hauptlegierungs-zusatz zum Kupfer, wobei Zusätze von 4,0 bis 9,0 % ausschließlich von Aluminium die Gruppe der in der Regel im Gefügeaufbau einphasigen, d. h. homogenen „Zweistoff-Legierungen“ kennzeichnen. Legierungen mit etwa 8 bis 14 % Al, die dann stets noch weitere Zusatzelemente – wie z. B. Eisen, Nickel und Mangan – zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften enthalten, bilden die Gruppe der mehrphasigen, d. h. heterogenen „Mehrstoff-Legierungen“. Weiterhin wird zwischen Knet- (d. h. plastisch gut verformbaren) und Guss- (d. h. nur gut gießbaren) Legierungen unterschieden. Die Knetlegierungen werden aus Guss- „Formaten“ (z. B. Walzbrammen, Pressbolzen) zu Halbzeug wie Blechen, Bändern, Rohren, Stangen, Gesenk- und Freiform-schmiedestücken verarbeitet. Von den Gusslegierungen werden mittels verschiedener Formgießverfahren Gussstücke hergestellt, die nicht knetend, sondern ausschließlich spanabhebend bearbeitet werden.

Physikalische
Eigenschaften
Elektrische
Eigenschaften
Magnetische
Eigenschaften
Mechanische
Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Der Aluminiumzusatz bewirkt eine Änderung der Farbe des Kupfers von Kupferrot über Goldtöne zu gelblicher Färbung bei etwa 10 % Al. Die Dichte des reinen Kupfers beträgt 8,93 kg/dm3 bei 20°C. Wie Bild 3 zeigt, nimmt sie mit steigendem Aluminiumgehalt fast linear bis auf etwa 7,5 kg/dm3 bei 10 % Al ab. Der Elastizitätsmodul der handelsüblichen Kupfer-Aluminium-Legierungen liegt bei Werten zwischen 105 und 130 kN/mm2 (s. Ausklapptabelle). Im α-Bereich nimmt er mit zunehmendem Aluminiumgehalt ab und steigt mit dem Auftreten der γ2-Phase stark an . Der Gleitmodul liegt zwischen 43 und 45 kN/mm2 (s. Ausklapptabelle). Die Poisson-Zahl (Querkontraktionszahl) „ν“ beträgt 0,30–0,35.

Die Wärmeleitfähigkeit wird durch den Aluminiumgehalt herabgesetzt. Mit der Temperatur steigt die Wärmeleitfähigkeit der Kupfer-Aluminium-Legierungen an. Der Temperaturkoeffizient der Wärmeleitfähigkeit nimmt mit dem Aluminiumgehalt zu. Der Wärmeausdehnungskoeffizient erfährt durch den Aluminiumgehalt nur wenig Veränderung). Mit steigender Temperatur wächst der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient.

Elektrische Eigenschaften

Die elektrische Leitfähigkeit und sein Temperaturkoeffizient verringern sich mit zunehmendem Aluminiumgehalt . Zusätze wie Eisen sowie insbesondere Mangan und Nickel setzen sie weiter herab ). Die handelsüblichen Kupfer-Aluminium-Legierungen erreichen etwa 12 bis 17 % der Leitfähigkeit des reinen Kupfers. Mit zunehmender Temperatur wird die elektrische Leitfähigkeit der Kupfer-Aluminium-Legierungen geringer.

Magnetische Eigenschaften

Die magnetischen Eigenschaften der Kupfer-Aluminium-Legierungen werden von den weiteren Zusätzen am stärksten durch Eisenverändert  Der in der binären Legierungsbasis sehr schwache Paramagnetismus wird durch Eisen erheblich verstärkt. Der kritische Eisengehalt von amagnetische Verwendung (µ » 1,001) findenden Kupfer-Aluminium-Werkstoffen liegt für nickelfreie Legierungen bei weniger als 0,15 -% Fe. Für nickelhaltige (etwa 4 % Ni) Legierungen liegt der Fe-Gehalt bei 0,5 -%. Nickel hat in den üblichen Mengen nur eine geringe Wirkung auf die Permeabilität der Kupfer-Aluminium-Legierungen. Mangan beeinflusst nur geringfügig die Permeabilität. Durch geeignete Wärmebehandlung lassen sich die magnetischen Eigenschaften weiter verbessern.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften der genormten Kupfer-Aluminium-Knetlegierungen sind in den Halbzeug-Produkt- und Gusserzeugnisnormen festgelegt. Die Zugfestigkeit der binären Kupfer-Aluminium-Legierungen steigt im Gusszustand mit zunehmendem Aluminiumgehalt zunächst gleichmäßig an, um oberhalb von etwa 10 % Al durch die versprödende Wirkung des als Zerfallsprodukt der β-Phase auftretenden Gefügebestandteils γ2 rasch abzufallen . In den handelsüblichen heterogenen Kupfer-Aluminium-Mehrstoff-Legierungen wird diese Phasenreaktion durch den Zusatz weiterer Legierungselemente gezielt beeinflusst, womit sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Belastung die sehr hohen Festigkeitswerte dieser Legierungsgruppe erklärbar sind. Die Bruchdehnung erreicht ihren Höchstwert bereits bei Aluminiumgehalten zwischen 5 und 8 % . Die Härte der homogenen Legierungen nimmt über den gesamten Konzentrationsbereich des Aluminiums gleichmäßig zu.

Die mechanischen Eigenschaften der kaltumformbaren Knetlegierungen sind im Wesentlichen vom Verformungsgrad abhängig. Neben den Legierungsbestandteilen sind ferner Korngröße und Verformungsverfahren, die Verfestigung und Texturbildung und damit auch die mechanischen Eigenschaften bestimmen, von Bedeutung. Bei den kaltumformbaren, homogenen Knetlegierungen steigen mit zunehmendem Kaltumformungsgrad Zugfestigkeit, Dehngrenze und Härte an, Bruchdehnung und Brucheinschnürung nehmen dagegen ab. Je nach Zusammensetzung bzw. Kaltumformungsgrad liegt die Zugfestigkeit der Kupfer-Aluminium-Knetlegierungen zwischen 340 und etwa 830 N/mm2.

Bei erhöhten Betriebstemperaturen liegen die nickel- und eisenhaltigen Kupfer-Aluminium-Mehrstoff-Legierungen wegen ihrer hohen Ausgangsfestigkeit besonders günstig . Sie können ihrer Warmfestigkeit entsprechend bei Temperaturen bis 300°C (überwachungspflichtige Bauteile  bis 250°C) eingesetzt werden. Bei Langzeitbeanspruchungen und hohen Temperaturbeanspruchungen werden die Einsatzmöglichkeiten durch die Kriecheigenschaften (Zeitstandfestigkeit) bestimmt. In Zeitstandversuchen von 30.000 h Dauer wurden die Kriecheigenschaften für den Werkstoff CuAl10Ni5Fe4 bestimmt. Die so ermittelten Festigkeitswerte erlauben es, das Verhalten des Werkstoffs für Temperaturen bis 250°C und Betriebszeiten bis maximal 100 000 h abzuschätzen.

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