Kupferlegierungen

Kupferlegierungen sind Legierungen von Kupfer und anderen Metallen oder Halbmetallen zu unterschiedlichen Mischverhältnissen, in denen Kupfer der Hauptbestandteil einer solchen ist. Diese Legierungen zeichnen sich aufgrund der Kupferbasis durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus.^[1]

Kupferlegierungen gelten als erste gezielt von Menschen hergestellte Legierungen.^[2] In der Geschichte der Menschheit spielten vor allem Bronze (Kupfer-Zinn) und Messing (Kupfer-Zink) eine größere Rolle. Ersteres ist heute nicht mehr genormt und wird für eine Reihe hochlegierten Kupferwerkstoffe mit Zinn (bis 12 % Sn), Nickel (Nickelbronze mit bis über 20 % Ni), Aluminium (Aluminiumbronze bis 10 % Al) und anderen verwendet.

Kupfer-Zinn-Legierungen (Bronze)

Die kennzeichnenden Eigenschaften der Kupfer-Zinn-Legierungen sind ihre hohe Festigkeit, Verformbarkeit, Kaltverfestigung und Korrosionsbeständigkeit und ihre guten Gleiteigenschaften.

Zinnbronzen werden mit Phosphor desoxidiert. Sie enthalten daher Phosphorreste und werden oft fälschlich als Phosphorbronze bezeichnet.

Bei der Bezeichnung oder Bestellung von Halbzeugen, z. B. Blechen, Stangen, Drähten, Rohren, können Zustandsbezeichnungen nach DIN EN 1173 ergänzt werden.

Kupfer-Zink-Legierungen (Messing)

Die kennzeichnenden Eigenschaften der Kupfer-Zink-Legierungen sind ihre hohe Festigkeit, Verformbarkeit, Kalt-Verfestigung und Korrosionsbeständigkeit und ihre guten Gleiteigenschaften.

Kupfer löst im festen Zustand bis zu etwa 30 % Zink als Mischkristall. Die aus diesen Mischkristallen aufgebauten Legierungen werden $ \alpha $-Messing genannt. Mit zunehmendem Zinkgehalt nehmen Zugfestigkeit und Streckgrenzen des $ \alpha $-Messing zu. Ursache der zunehmenden Verfestigung ist die mit dem Zinkgehalt zunehmende Anzahl der von Versetzungen begrenzten Stapelfehler des Messings, die bei der plastischen Verformung entstehen.

Bei Zinkgehalten über etwa 30 % entsteht $ \beta $-Messing. Die $ \beta $-Phase besteht bei hoher Temperatur aus Mischkristallen, bei niedriger Temperatur aus der sehr spröden intermetallischen Phase CuZn.

Die wegen zu hoher Sprödigkeit technisch unbrauchbare $ \gamma $-Phase besteht aus der intermetallischen Phase Cu$ _{5} $Zn$ _{8} $.

Blechmessing

besteht aus $ \alpha $-Mischkristallen und ist bei 400 °C bis 500 °C spröde, bei Raumtemperatur weich, gut verformbar und schlecht zerspanbar.

Stangenmessing

besteht aus ($ \alpha $+$ \beta $-Mischkristallen und ist gut warmverformbar und bei Raumtemperatur gut zerspanbar.

Reines $ \gamma $-/$ \beta $- und $ \gamma $+$ \beta $-Messing ist wegen zu großer Sprödigkeit technisch unbrauchbar.

Durch Zulegieren anderer Metalle entsteht Sondermessing.

Kupfer-Zink-Legierungen(Kupferanteil >80 %)

Werden auch als Tombak bezeichnet, wobei Siliziumtombak die größte konstruktionstechnische Relevanz besitzt.

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 0,3 % bis 0,8 %. Diese Legierungen werden für Leitungsseile in der Fernmeldetechnik verwendet („Postbronze“).

Kupfer-Beryllium-Legierungen (Berylliumbronze)

Kupfer-Beryllium-Legierungen enthalten zwischen 1,6 % bis 2,1 % Beryllium. Die Löslichkeit von Kupfer für Beryllium nimmt mit sinkender Temperatur ab. Sie beträgt bei 605 °C 1,55 % Be, bei Raumtemperatur weniger als 0,1 % Be. Aus diesem Grunde sind Berylliumbronzen aushärtbar, d. h. ihre Festigkeitseigenschaften können durch Abschrecken von 800 °C in Wasser mit nachfolgendem längeren Halten auf 300 °C (=Auslagern) erhöht werden. Nach starker Kaltverformung vor dem einstündigen Auslagern betragen die Zugfestigkeit bis 1550 N/mm², die Härte 365 HB und die Bruchdehnung 2 %. Anwendungsbeispiele sind: starkem Verschleiß ausgesetzte Teile, z. B. Getriebeteile, Lager sowie Blattfedern, Schlitzklemmen und hoch beanspruchte Bauteile, die unmagnetisch sein müssen. Eine wichtige Anwendung sind funkenfreie Werkzeuge für den Bergbau und für die chemische Industrie.

Eine weitere aushärtbare Kupferlegierung entsteht durch Zulegieren von Tellur. Die resultierenden Cu2Te-Partikel verbessern die Zerspanbarkeit erheblich bei nur geringer Beeinträchtigung der Leitfähigkeit.

Literatur

• Martin Klein: Einführung in die DIN-normen. Vieweg+Teubner Verlag, 2007, ISBN 3-8351-0009-2
• Eduard Vinaricky: Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren. Springer, 2002, ISBN 3-540-42431-8
• Heinrich Cornelius: Kupfer im technischen Eisen. J. Springer, 1940
• Ernst Brunhuber: Guss aus Kupferlegierungen: Casting copper-base alloys. Fachverlag Schiele & Schoen, 1986, ISBN 3-7949-0444-3 google books
• Stephan Hasse, Ernst Brunhuber: Giesserei Lexikon. Fachverlag Schiele & Schoen, 2001, ISBN 3-7949-0655-1 google books
• Heinz M. Hiersig: Lexikon Produktionstechnik, Verfahrenstechnik. Springer, 1995, ISBN 3-18-401373-1

Einzelnachweise

Weblinks

• Informationsseite des Deutschen Kupferinstituts zu Kupferlegierungen
• Kupfer-Schlüssel Legierungsverzeichnis von Kupferlegierungen