Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen

Eigenschaften und Verarbeitung der Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen werden sowohl von den Hauptlegierungselementen Kupfer, Nickel und Zink als auch von weiteren Zusatzelementen wie Blei, Mangan und Zinn maßgeblich beeinflusst.

Kupfer ist als Basismetall für die Zähigkeit maßgebend. Es erleichtert die Kaltumformung. Nickel verbessert die Anlaufbeständigkeit, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, und die Korrosionsbeständigkeit. Es erhöht den Elastizitätsmodul und den elektrischen Widerstand. Mit zunehmendem Nickelgehalt wird der Schmelzbereich zu höheren Temperaturen verschoben. Zink trägt zur Verfestigung der Legierungen bei und verbessert die Warmumformbarkeit, vermindertjedoch die Korrosionsbeständigkeit gegenüber aggressiven Medien. Durch steigenden Zinkgehalt wird der Schmelzbereich herabgesetzt. Blei macht die Knetlegierungen leichter zerspanbar, verringert jedoch die Zähigkeit und steigert die Warmrissempfindlichkeit während des Glühens. Die Warmumformbarkeit der oc-Legierungen wird durch Blei stark beeinträchtigt, so dass diese meist nur kalt umgeformt werden. Dagegen wird die gute Warmumformbarkeit der (oc + [š)~Legierungen durch Blei nicht wesentlich beeinflusst. ln den Gußlegierungen, denen Blei bis zu 9 % zugegeben wird, verbessert es die Gießbarkeit, insbesondere für die Herstellung druckdichter Gußstücke.

Wohl alle Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen enthalten als zulässige Beimengung etwas Mangan (max. 0,5 bis 0,7 %); es vermindert die Glühbrüchigkeit, wirkt desoxidierend und entschwefelnd. Zinn ist in den Gußlegierungen ein wesentlicher Bestandteil, denn es erniedrigt den Schmelzpunkt und macht die Schmelze dünnflüssig. Es erhöht Festigkeit und Härte, vermindert jedoch die Dehnung. In Knetlegierungen ist Zinn nicht enthalten, weil es versprödend wirkt und die Warmformbarkeit verschlechtert.

Anwendungen

Wegen ihrer guten Festigkeits- und Federungseigenschaften, ihrer Farbe, ihrer niedrigen Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität sowie der leichten Galvanisierbarkeit haben Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen viele spezifische Anwendungsgebiete gefunden. Die Verwendung dieser Legierungen wird von der Zusammensetzung und damit sowohl von den Eigenschaften als auch von den Verarbeitungsmöglichkeiten bestimmt. Für die Elektrotechnik und Elektronik sind diese Werkstoffe vor allem wegen ihrer Festigkeit und Zähigkeit, der ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit, dem im Vergleich zu anderen Kupfenıverkstoffen beachtlichen Elastizitätsmodul, der besseren Anlaufbeständigkeit sowie der Korrosionsbeständigkeit interessant. Diese Kombination von Eigenschaften ist besonders vorteilhaft für elektrische Kontakte, Federn usw. Für Federn und Membranen in der Schwachstromtechnik, für elektrische Widerstandsdrähte, Manometerfederrohre usw. wird vor allem CuNi18Zn20 venıvendet. Zieh- und Stanzteile kommen u. a. für Lampensockel, Schalterdeckel, Gehäuse und ähnliche, aus Blech oder Band herstellbare Armaturen der Elektrotechnik in Frage. Aus Kontaktbimetallbänderm werden mechanisch und elektrisch beanspruchte Kontaktteile und Federelemente gefertigt. Die Voraussetzungen hierfür bringen außer der Korrosionsbeständigkeit und der guten Federeigenschaften des Materials auch seine ausreichende Lötfähigkeit. Die Bimetallbänder haben Einlagen aus Gold oder Silber- oder Palladiumlegierungen.  Für manche Anwendungszwecke stellt allerdings der hohe Zinkgehalt des Neusilbers einen Nachteil dar, da er sich beim Weichglühen unter Schutzgas über die Gasphase auf den Kontaktwerkstoff übertragen kann. In solchen Fällen können Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen als Alternative herangezogen werden.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften
Thermische und elektrische Eigenschaften
Festigkeitseigenschaften

Physikalische Eigenschaften

De in Deutschland genormten Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen bestehen je nach Verwendungszweck aus 47 bis 64 % Cu, 10 bis 25 % Ni und 15 bis 42 % Zn. Einigen Legierungen werden außerdem weitere Elemente zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften oder der Verarbeitbarkeit zugegeben. Elemente dieser Art sind z.B. Blei, Mangan oder Zinn. Ihre silberähnliche Farbe erhalten die Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen durch das Zusammenwirken der Legierungsbestandteile Nickel und Zink. Legierungen mit höheren Kupfergehalten sind gelblich. Mit zunehmendem Zinkgehalt erhalten sie einen grünlichen Schimmer. Die Farbe einer Legierung mit etwa 20 % Ni kommt der des Silbers am nächsten. Noch höhere Nickelgehalte führen allmählich zur Farbe des reinen Nickels. Die Schmelzbereiche der Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen steigen mit den Nickel-und Kupfergehalten an. Zur groben Berechnung bediente man sich früher folgender Faustformel: Schmelzbereich in °C = 10 x (Gew. % Ni) + 5 x (Gew. Cu) + 600. Der Elastizitätsmodul der genormten bleifreien Knetlegierungen liegt etwa zwischen 125 und 140 kN/mm².

Thermische und elektrische Eigenschaften

Die thermische und elektrische Leitfähigkeit ist im Vergleich zu anderen Kupferwerkstoffe niedrig. Wegen ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit, die etwa zwischen 3 und 5 m/Ω * mm² liegt, sind sie als Widerstandswerkstoffe verwendbar. Im Vergleich hierzu haben z. B. die Kupfer-Zink-Legierungen (Messinge) eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 13 m/Ω * mm² und darüber. Die Wärmeleitfähigkeit der Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen ist mit 21 bis 33 W/m * K ebenfalls gering; die Kupfer-Zink-Legierungen (Messinge) haben immerhin Werte über 113 W/m * K. Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen sind unmagnetisch; dies ist für einige Anwendungsbereiche von Bedeutung.

Festigkeitseigenschaften

Die für Kupferlegierungen verhältnismäßig hohe Festigkeit kann wegen des großen Verfestigungsvermögens der Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen durch Kaltumformung noch stark erhöht werden. Je nach Zusammensetzung liegt die Zugfestigkeit zwischen 340 und über 610 N/mm2; sie kann für runde Federdrähte nach DIN EN 12166 aus CuNi18Zn20 über 830 N/mm2 erreichen. Die starke Verfestigung durch Kaltumformung kommt in der großen Differenz der Kennwerte für Zugfestigkeit, 0,2-Dehngrenze und Härte im weichen und harten Zustand zum Ausdruck. Die Brinellhärte liegt etwa zwischen 85 und 190 HB, die Vickershärte von Bändern und Streifen für Blattfedern nach DIN EN 1654 aus CuNi18Zn20 bei über 230 H.V. Bei erhöhten Temperaturen fällt die Zugfestigkeit bis etwa 300 °C noch nicht wesentlich ab. Je nach erwarteter Lebensdauer ist bei diesen Temperaturen u. U. das Kriechverhalten bereits zu berücksichtigen. Wie alle Kupferwerkstoffe zeigen auch die Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen keine Versprödungserscheinungen bei tiefen Temperaturen; sie sind deshalb zum Einsatz für Tieftemperaturzwecke gut geeignet. Für die Berechnung wird von Festigkeitswerten bei Raumtemperatur ausgegangen. Das bedeutet praktisch die Berücksichtigung eines mit fallender Temperatur zunehmenden Sicherheitsfaktors.

Sowohl in Form von Band als auch Draht ist vor allem CuNi18Zn20 ein hervorragender Federwerkstoff. Federbänder aus CuNi18Zn20 sind in DIN EN 1654 genormt. Während in Tab. 1 dieser Norm die Vickershärte und der kleinste Biegeradius als Abnahmewerte festgelegt wurden, ist in Tab. 2 der Norm für angelassene Bänder statt der Härte die Federbiegegrenze festgelegt.  Die Federbiegegrenze ist ein Kennwert für die Federkraft.  Durch eine Glühbehandlung nach dem Fertigwalzen im Temperaturbereich von 200 bis 300 °C wird die Federbiegegrenze erhöht („AnIasseffekt“). Diese Wärmebehandlung bietet die Gewähr, dass sich die Federkraft im Dauerbetrieb auch bei erhöhten Temperaturen kaum verändert und bewirkt außerdem einen starken Abbau evtl. im Band vorhandener Eigenspannungen. Federdrähte aus CuNi18Zn20 sind in DIN EN 12166 genormt. Tab. 1 dieser Norm enthält u. a. Kennwerte für die Zugfestigkeit von kaltverfestigtem CuNi18Zn20 im angelassenen Zustand in Abhängigkeit vom Drahtdurchmesser. In der Norm sind Dorndurchmesser für den Wickelversuch nach DIN ISO 7802 für kaltverfestigte Legierungen angegeben. Tiefungswerte für die Legierungen CuNi12Zn24 und CuNi18Zn20, die besonders gute Tiefzieheigenschaften haben, enthält DIN EN 1652.

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