Kupfer-Nickel-Legierungen

Kupfer-Nickel-Legierungen sind Legierungen aus Kupfer (Basismetall mit dem größten Einzelgehalt) und Nickel mit oder ohne andere Elemente, wobei jedoch der Zinkgehalt in jedem Fall nicht mehr als 1 % betragen darf. Wenn andere Elemente vorhanden sind, hat Nickel nach Kupfer den größten Einzelanteil verglichen mit jedem anderen Element.

Es ist – wie bei anderen Kupferwerkstoffen auch – zwischen Knetlegierungen, die zu Halbzeug verarbeitet, und Gusslegierungen, aus denen nach verschiedenen Gießverfahren Gussstücke hergestellt werden, zu unterscheiden. Die gebräuchlichen Legierungen enthalten außer 8,5 bis 45 % Ni zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften meist noch Mangan, Eisen sowie Zinn, die Gusslegierungen außerdem hauptsächlich Zusätze von Niob und Silicium.

Kupfer-Nickel-Legierungen haben interessante physikalische Eigenschaften, gute Festigkeitskennwerte – auch bei Dauerbeanspruchung und erhöhten Temperaturen – sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber vielen Medien – vor allem Meerwasser. Die Eigenschaften der binären Kupfer-Nickel-Legierungen sind für manche Anwendungsfälle noch nicht ausreichend. Durch einige Zusätze werden bestimmte Eigenschaften der Kupfer-Nickel-Legierungen entscheidend verbessert. Von den zusätzlichen Legierungselementen sind insbesondere Mangan, Eisen und Zinn sowie Niob und Silicium, ferner Chrom, Beryllium und Aluminium technisch bedeutungsvoll. Bei tiefen Temperaturen besitzen die Kupfer-Nickel-Legierungen, wie auch andere Kupferwerkstoffe, ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften., Zugfestigkeit steigt dort mit fallender Temperatur an, ohne dass Bruchdehnung und Einschnürung merklich abnehmen. Diese Legierungen zeigen also bei tiefen Temperaturen keinerlei Versprödung. Deshalb sind sie für Anwendungen in der Kryotechnik sowie für weitere Tieftemperaturanwendungen in der Marine- und Off-Shore-Technik oder in der Flüssigerdgastechnik (LNG für englisch liquefied natural gas) und in -anlagen sehr gut geeignet.

 

Physikalische Eigenschaften
Elektrische Eigenschaften
Thermische Eigenschaften
Korrosionsbeständigkeit
Magnetische Eigenschaften
Kupfer-Nickel-Knetlegierungen
Kupfer-Nickel-Gusslegierungen

Physikalische Eigenschaften

Nickel beeinflusst die Farbe der Kupfer-Nickel-Legierungen entscheidend. Die Kupferfarbe wird mit steigendem Nickelzusatz heller. Ab etwa 15 % Ni sind die Legierungen fast silberweiß. Glanz und Reinheit der Farbe nehmen mit dem Nickelgehalt zu; etwa ab 40 % Ni ist die polierte Fläche kaum noch von der des Silbers zu unterscheiden. Die Dichte des Kupfers (8,93 kg/dm3 bei 20°C) wird durch steigenden Nickelgehalt (Dichte des Nickels bei 20°C = 8,90 kg/dm3) nur wenig verändert und beträgt für alle Kupfer-Nickel-Legierungen 8,9 kg/dm3. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des reinen Kupfers von 394 W/(m × K) wird durch Nickel stark vermindert ; sie erreicht mit ca. 21 W/(m × K) einen Kleinstwert bei etwa 45 % Ni. Der Längendehnungskoeffizient nimmt mit dem Nickelzusatz zunächst stärker, dann langsamer ab (Bild 8). Die spezifische Wärme (bei 20°C) von Kupfer liegt bei 0,385 J/(g × K) und von Nickel bei 0,452 J/(g × K). Mit zunehmendem Nickelgehalt nimmt sie zunächst geringfügig ab und man kann im Mittel mit einem Wert von 0,377 J/(g × K) rechnen. Alle physikalischen Eigenschaften der beiden Kupfer-Nickel-Knetlegierungen CuNi10Fe1Mn und CuNi30Mn1Fe sind eingehend untersucht und von Raumtemperatur bis 1000°C gut bekannt.

Elektrische Eigenschaften

Der elektrische Widerstand der Kupfer-Nickel-Widerstandslegierungen ist für verschiedene Temperaturen in Tab. 8 angegeben. Er steigt mit dem Nickelgehalt stark an, so dass die Kupfer-Nickel-Legierungen als Widerstandswerkstoffe geeignet sind. Es tritt ein Maximum bei ca. 45 % Ni auf. Ungefähr im gleichen Konzentrationsbereich liegt das Minimum des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes. Besonders hervorzuheben ist die hohe Thermokraft der Kupfer-Nickel-Legierungen im Bereich zwischen 40 und 50 % Ni gegen andere Metalle wie Eisen , Kupfer, Platin usw. Sie sind daher zur Anwendung in Thermopaaren für Temperaturmessungen im mittleren Temperaturbereich besonders geeignet. Die hohe Thermospannung von CuNi44 schließt seine Verwendung als Widerstandsmaterial in Niederspannungsgeräten aus, weil die Kupferanschlüsse mit CuNi44 ein Thermoelement bilden.

Thermische Eigenschaften

Die hohe Wärmeleitfähigkeit des reinen Kupfers von 394 W/(m × K) wird durch Nickel stark vermindert ; sie erreicht mit ca. 21 W/(m × K) einen Kleinstwert bei etwa 45 % Ni. Der Längendehnungskoeffizient nimmt mit dem Nickelzusatz zunächst stärker, dann langsamer ab.  Die spezifische Wärme (bei 20°C) von Kupfer liegt bei 0,385 J/(g × K) und von Nickel bei 0,452 J/(g × K). Mit zunehmendem Nickelgehalt nimmt sie zunächst geringfügig ab und man kann im Mittel mit einem Wert von 0,377 J/(g × K) rechnen. Kupfer-Nickel-Legierungen haben auch bei höheren Temperaturen noch gute Festigkeitseigenschaften. Bereits durch geringe Nickelzusätze wird die Warmfestigkeit des Kupfers gesteigert. Den Einfluss des Nickelgehaltes auf die Entfestigung von kaltgewalzten Kupfer-Nickel-Legierungen bei höheren Temperaturen ist signifikant. Durch Zusatz von Eisen werden die Festigkeitseigenschaften nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei erhöhten Temperaturen verbessert.

Korrosionsbeständigkeit

Die Kupfer-Nickel-Legierungen gehören zu den korrosionsbeständigsten Kupferwerkstoffen. Sie sind beständig gegen Feuchtigkeit, nicht oxidierende Säuren, Laugen und Salzlösungen, organische Säuren und trockene Gase wie Sauerstoff, Chlor, Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff, Schwefeldioxid und Kohlendioxid. Die Gefahr für eine Spannungsrisskorrosion besteht ebenfalls nicht, auch die Neigung zu selektiver Korrosion ist äußerst gering.

Magnetische Eigenschaften

Kupfer-Nickel-Legierungen zeigen keinen Ferromagnetismus. Kupfer ist diamagnetisch, Nickel ferromagnetisch. Nickel-Kupfer-Legierungen gehen mit steigendem Nickelgehalt vom diamagnetischen über den paramagnetischen in den ferromagnetischen Zustand über. Eisen hat je nach Legierung einen geringen Einfluss, wenn es in fester Lösung vorhanden ist. Liegt das Eisen in ausgeschiedener Form vor, so führen diese ferromagnetischen mikroskopischen Partikel zu einem makroskopischen Anstieg des Ferromagnetismus. Die ausscheidungsfreie Matrix bleibt dia- bzw. paramagnetisch. Kupfer-Nickel-Legierungen mit 20 bis 25 % Ni und 20 % Fe oder etwa 25 % Co sind ausgesprochene Magnetwerkstoffe. Infolge ihrer hohen Remanenz und Koerzitivkraft eignen sie sich auch für Dauermagnete.

Kupfer-Nickel-Knetlegierungen

Festigkeitskennwerte für Bleche und Bänder aus Kupfer-Nickel-Knetlegierungen sind in DIN EN 1652 enthalten. Weitere Festigkeitsdaten sind in den jeweiligen Halbzeugnormen enthalten. Der Werkstoffzustand wird in den Festigkeitsnormen durch ein Anhängen des Buchstaben R and das Legierungskurzzeichen mit einer nachfolgenden Zahl gekennzeichnet, z.B. CuNi30Mn1Fe R350. Für den Festigkeitszustand R350 wird eine Zugfestigkeit von mindestens 350 N/mm2 gewährleistet. Durch den Festigkeitszustand werden auch 0,2 %-Dehngrenze und Bruchdehnung mit festgelegt. Durch Anhängen des Buchstaben H mit einer nachfolgenden Zahl wird nur eine Mindesthärte (Vickershärte) garantiert, so z.B. CuNi30Mn1Fe H110.  Mit wachsender Zugfestigkeit ist ein nur verhältnismäßig geringer Abfall von Bruchdehnung und Einschnürung verbunden. Dagegen weist die Härte eine starke Zunahme mit steigendem Nickelgehalt auf. Die Kerbschlagzähigkeit wird durch den Nickelgehalt nur geringfügig beeinflusst. Eisen hat einen günstigen Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften der Kupfer-Nickel-Legierungen. .Werden durch Erhöhung der Eisen- und Mangangehalte auf jeweils 2 % erreicht, so haben z.B. Bänder und Bleche aus der Legierung CuNi30Fe2Mn2 eine Zugfestigkeit von 440 n/mm2 und eine 0,2 %-Dehngrenze von 145 n/mm2. Eine weitere Steigerung der Festigkeitswerte bewirken z.B. Zusätze von Aluminium oder Chrom. Außerdem steigen, wie bei allen metallischen Werkstoffen, bei Kupfer-Nickel-Knetlegierungen mit zunehmender Kaltumformung die Zugfestigkeit, die 0,2 %-Dehngrenze und die Härte an, dagegen nimmt die Bruchdehnung ab.

Kupfer-Nickel-Gusslegierungen

Zu erwähnen sind drei aushärtbare Kupfer-Nickel-Gusslegierungen mit Zusätzen von Aluminium, Chrom oder Beryllium. Die Legierung mit etwa 2 % Al kann im Gusszustand oder in einem ausgehärteten Zustand Anwendung finden. Die größte Festigkeitssteigerung wird durch Zusatz von Beryllium – nach Aushärtung – erreicht. Eine solche Legierung wird in den USA in der Meerestechnik bereits eingesetzt. Aushärtbare Kupfer-Nickel-Gusslegierungen hoher Festigkeit mit Zinngehalten bis 6 %, die meist noch weitere Zusätze wie Blei und Zink enthalten, sind in ASTMN 584 genormt.

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