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Werkstoffkunde – Unterschiedliche Legierungen mit Kupfer (6)

Eine Legierung ist ein metallischer Werkstoff, der aus mindestens zwei Elementen besteht. Legiert man eines der ersten von Menschen genutzten Metalle – das Kupfer – mit Zinn oder Zink, so erhält man Bronze oder Messing. Auch andere Kupferverbindungen sind in der elektrotechnischen Praxis gebräuchlich.

Funkenfreie Zange aus Berylliumkupfer (Foto: nicransby, gemeinfrei, https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:CuBe_Tool.jpg https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5 549 333)

Funkenfreie Zange aus Berylliumkupfer (Foto: nicransby, gemeinfrei, https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:CuBe_Tool.jpg https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5 549 333)

Kupferlegierungen

Bei dieser Legierung ist der Hauptbestandteil das Metall Kupfer. Kupferlegierungen gelten als erste von Menschen gezielt hergestellte Legierungen. In der Geschichte der Menschheit spielten Kupferlegierungen eine große Rolle, sodass man ganze Epochen nach ihnen benannte, z. B. die europäische Bronzezeit (von etwa 2200 bis 800 v. d. Z.).

Bronze: Historisch gesehen ist Bronze ein Sammelbegriff für viele Kupferlegierungen. Im technischen Sinne präzise ist die Verwendung des Begriffs Bronze hauptsächlich für Kupfer-Zinn-Legierungen. Bronzen existieren als Knet- und als Gusslegierungen. Neben Zweistofflegierungen sind auch Mehrstofflegierungen gebräuchlich.

Messing: Die zweite bekannte Kupferlegierung ist Messing, welches als Haupt-Legierungs-Zusatzstoff Zink enthält. Das Farbspektrum reicht von goldrot bei hohem Kupferanteil bis hellgelb bei hohem Zinkanteil. Die Zahl der Messingsorten ist normativ auf etwa 60 begrenzt. Damit lassen sich weitgehend alle gewünschten physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften erzeugen. Doch nicht nur die beiden Grundmetalle sind hervorragend ineinander löslich. Es lassen sich zahlreiche weitere Elemente wie Aluminium, Eisen, Mangan, Nickel, Silizium und Zinn der Schmelze hinzufügen und so neue Legierungen mit vorteilhaften Eigenschaften gewinnen. Messinge mit solch gezielten Zusätzen werden als Sondermessing bezeichnet.

Kupfer-Zinn-Legierungen

Zinnbronze (CuSn) ist eine Legierung aus den Metallen Kupfer (Cu) und Zinn (Sn). Solche mit Zinnanteilen von 20 % sind als Glockenbronze bekannt. Bronze wird im seltensten Fall als reine Zweistofflegierung genutzt, sondern mit weiteren Legierungskomponenten und Zusätzen versehen. Dadurch lassen sich die Werkstoffeigenschaften maßgeschneidert beeinflussen. Bei Knetlegierungen werden vor allem Phosphor und Zink beigemengt, bei Gusslegierungen sind darüber hinaus Blei, Nickel und Eisen von Bedeutung. Derartige Legierungen werden auch als Mehrstoffbronzen bezeichnet.

Eigenschaften: Bronze weist durch die Legierungskomponente Zinn eine hohe Festigkeit und Härte auf. Außerdem ist sie sehr korrosions- und verschleißfest sowie meerwasserbeständig. Die Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme ist bei niedrigen Zinngehalten gut, wenn auch nicht so hoch wie die von reinem Kupfer. Mit steigendem Zinngehalt sinkt die Leitfähigkeit, während Festigkeit und Härte zunehmen. Bronze bietet zudem gute Feder- und Gleiteigenschaften und verfügt über eine hervorragende Dauerschwingfestigkeit.

Kupfer-Zink-Legierungen

Messing (CuZn) ist eine Legierung aus den Metallen Kupfer (Cu) und Zink (Zn). Die gebräuchlichen Verbindungen enthalten einen Zinkanteil von 5 % bis 45 %. Die kennzeichnenden Eigenschaften sind die hohe Festigkeit, Verformbarkeit, Kaltverfestigung, Korrosionsbeständigkeit und gute Gleiteigenschaften. Gemäß DIN EN 1412 wird der Werkstoff in 3 Gruppen eingeteilt:

A Kupfer-Zink-Knetlegierungen ohne weitere Legierungselemente,
B Kupfer-Zink-Knetlegierungen mit Blei und
C Kupfer-Zink-Knetlegierungen mit weiteren Legierungselementen (Mehrstofflegierungen).

In der Gruppe A unterscheidet man Legierungen mit einem Zinkgehalt bis 37 % und darüber hinaus, wodurch die Eigenschaften wesentlich verändert werden.
Die gleiche Einteilung ist auch für die Gruppe B üblich. Diesen Legierungen ist bis zu 3,5 % Blei zur Verbesserung der Spanbarkeit zugesetzt. Blei ist in Kupfer-Zink-Legierungen unlöslich.

In Gruppe C enthalten die Legierungen Zusätze von Aluminium, Zinn, Nickel, Eisen, Silizium, Mangan usw. Diese Zusätze beeinflussen das Gefüge und die Eigenschaften. Vor allem dienen sie der Verbesserung der Festigkeit sowie der Gleit- und Verschleißeigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit.

Einsatzgebiete: Beispielsweise ist CuZn5, mit einer Leitfähigkeit von immerhin noch über 33 MS/m, ein begehrter Werkstoff für spezielle Anwendungen im Bereich des Elektromaschinenbaus.

Niedriglegierte Kupferwerkstoffe

Kupfer ist ein Werkstoff mit sehr hoher Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, mittlerer Festigkeit und guter Umformbarkeit. Durch verhältnismäßig geringe Zusätze anderer Elemente können die Eigenschaften des reinen Kupfers – z. B. Festigkeit, Entfestigungstemperatur und Zerspanbarkeit – erheblich verbessert werden, während die anderen Eigenschaften 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 von der Menge der zugesetzten Elemente ab.

Kupfer-Silber-Legierungen. Zur Festigkeitssteigerung durch Mischkristallbildung werden dem Kupfer zwischen 0,03 % bis maximal 0,12 % Silber hinzulegiert. Die erreichbaren Zugfestigkeitswerte liegen bei maximal 270 N/mm2. Diese Legierungen werden in der Elektrotechnik für Kollektorringe, Kontakte und Kommutatorlamellen eingesetzt.

Kupfer-Magnesium-Legierungen: Die Magnesiumgehalte liegen bei 0,2 % bis 0,8 %. Diese Legierungen werden für Leitungsseile in der Fernmeldetechnik verwendet, umgangssprachlich Postbronze genannt. Darüber hinaus finden Sie als kaltgezogene Fahrdrähte Anwendung in der Oberleitung für hohe Geschwindigkeiten.
Kupfer-Beryllium-Legierungen. Berylliumkupfer enthält etwa 0,4 bis 2 % Beryllium und ggf. weitere Bestandteile. Ein Hammerkopf aus diesem Werkstoff schlägt keine Funken, weshalb diese Werkzeuge z. B. in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden (Bohrinseln, Gaswerke, Raffinerien). Verwendet wird Berylliumkupfer z. B. für hochbelastete Federn in Maschinen, Kontaktfedern in Relais, elektrischen Berührungskontakten, für funkenfreie Werkzeuge (Bild), für Spritzgussformen, im Motorenbau für Ventilsitzringe.

Autor: K.-H. Bleiß

Der Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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