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Kupferlegierungen stellen eine der vielseitigsten und am weitesten verbreiteten Familien von technischen Werkstoffen in der modernen Industrie dar. Nach Eisen und Aluminium ist Kupfer das drittwichtigste kommerzielle Metall wegen seiner Verfügbarkeit und attraktiven Eigenschaften: ausgezeichnete Formbarkeit, gute Festigkeit, ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit und überlegene Korrosionsbeständigkeit. Durch das Hinzufügen verschiedener Legierungselemente zu reinem Kupfer können Ingenieure und Metallurgen Materialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, verbesserter Korrosionsbeständigkeit und optimierten Leistungseigenschaften für bestimmte Anwendungen schaffen. Um zu verstehen, wie diese Legierungselemente die endgültigen Eigenschaften von Kupferlegierungen beeinflussen, ist es wichtig, das richtige Material für industrielle, elektrische, marine und architektonische Anwendungen auszuwählen.

Verständnis von Kupferlegierungen und ihrer Bedeutung

Es gibt bis zu 400 verschiedene Kupfer- und Kupferlegierungszusammensetzungen, die lose in die Kategorien unterteilt sind: Kupfer, Hochkupferlegierung, Messing, Bronze, Cupronikkel, Kupfer-Nickel-Zink (Nickelsilber), Bleikupfer und Speziallegierungen. Diese umfangreiche Vielfalt ermöglicht es Ingenieuren, Materialien mit genau zugeschnittenen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen auszuwählen, von elektrischen Leitern bis hin zu Schiffshardware.

Einfach ausgedrückt bestimmt die endgültige Anordnung der Legierungsmetalle in Bezug auf das normale fcc-Kupfergitter die Eigenschaften des Legierungsmaterials. Die flächenzentrierte kubische (fcc) Kristallstruktur aus Kupfer bildet die Grundlage, auf die Legierungselemente ihren Einfluss ausüben. Legierungsmetalle finden ihren Platz im Kupfergitter auf drei grundsätzlichen Wegen: Sie ersetzen Kupferatome im fcc-Gitter. Sie verbinden sich mit dem Kupfer und bilden lokalisierte Bereiche (Phasen), in denen die Kristallstruktur eine andere Form als der fcc-Kupferkristall hat. Sie werden durch das erstarrende Kupfergitter abgewiesen, werden aber beim Einfrieren und Wachsen in den Kristallen der Legierung gefangen.

Der Hauptzweck der Zugabe von Legierungselementen zu Kupfer ist die Erhöhung der Festigkeit und Erweichungsbeständigkeit, ohne zu viel von seiner inhärent guten Herstellungsfähigkeit, elektrischen Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verlieren.

Gängige Legierungselemente in Kupferlegierungen

Kupfer ist leicht mit vielen gängigen oder bekannten metallischen Elementen legiert, hauptsächlich Zink, Nickel, Aluminium, Silizium, Mangan, Eisen, Kobalt und Chrom, entweder einzeln oder in Kombination.

Primärlegierungselemente

  • Zinc: Das häufigste Legierungselement, das verwendet wird, um Messinglegierungen mit erhöhter Festigkeit und Duktilität zu erzeugen.
  • Tin: Traditionelles Legierungselement für Bronze, das Verschleißfestigkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften bietet
  • Nickel: Verbessert die Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit, insbesondere in marinen Umgebungen.
  • Aluminium: Erschafft Aluminiumbronzen mit außergewöhnlicher Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit
  • Silizium: Verbessert die Festigkeit und Fluidität während der Gießvorgänge
  • Phosphorus: Agiert als Desoxidator und verbessert die Verschleißfestigkeit in Phosphorbronzen.
  • Lead: Verbessert die Bearbeitbarkeit, ohne andere Eigenschaften signifikant zu beeinflussen
  • Mangan: Trägt zur Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei
  • Eisen: Erhöht die Festigkeit und Verschleißfestigkeit in bestimmten Legierungssystemen

Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Legierungselemente wie Mg, In, Si, Nb, Hf, Sb, Ni, Al, Fe, Zr, Cr, Zn, P, Ag, Sc, Pb, Sn, Co, Ti, Mn, Te und Bi auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von ETP-Kupfer wurden mit Legierungszusätzen von 0,1 Gew.-%, 0,3 Gew.-% und 0,5 Gew.-% durchgeführt.

Verfestigungsmechanismen in Kupferlegierungen

Die Metallurgie von Kupferlegierungen eignet sich für die Verwendung, einzeln oder in Kombination, der verschiedenen gängigen Verstärkungsmechanismen: Festlösungs- und Arbeitshärtung sowie Dispergierpartikel- und Ausfällungshärtung.

Festlösungshärtung

Legierungselemente, die in verfestigtem Kupfer gelöst bleiben, stärken die Gitterstruktur, ohne Sekundärphasen zu bilden, was jedoch die elektrische Leitfähigkeit verringert. Wenn Legierungsatome Kupferatome im Kristallgitter ersetzen, erzeugen sie lokalisierte Verzerrungen, die die Versetzungsbewegung behindern und dadurch die Festigkeit und Härte erhöhen. Dieser Mechanismus ist besonders wirksam bei Messinglegierungen, bei denen Zinkatome in der Kupfermatrix auflösen.

Dehnungshärtung (Arbeitshärtung)

Kaltverformung (Roll- oder Ziehen) härtet Kupfer und seine Legierungen, erhöht Festigkeit und Härte bei gleichzeitiger Verringerung der Duktilität. Diese Methode verringert die Leitfähigkeit geringfügig, kann jedoch durch Glühen wiederhergestellt werden. Die Dehnungsverfestigung tritt auf, wenn durch plastische Verformung Versetzungen in die Kristallstruktur eingebracht werden, die dann in Wechselwirkung treten und eine weitere Verformung behindern. Dieser Prozess ist durch Wärmebehandlung reversibel, wodurch er zu einem flexiblen Verstärkungsverfahren wird.

Fällungshärtung

Einige Legierungselemente weisen eine höhere Löslichkeit in heißem Kupfer auf als in kaltem. Sie können bei hohen Temperaturen gelöst und dann bei niedrigeren Temperaturen gefällt werden, wodurch feine Ausscheidungen entstehen, die die Matrix stärken, ohne die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen. Dieser Mechanismus ist besonders wichtig bei Hochleistungs-Kupferlegierungen wie Kupfer-Beryllium und Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen, bei denen eine kontrollierte Wärmebehandlung zu feinen Ausscheidungen führt, die die Festigkeit erheblich erhöhen und gleichzeitig eine angemessene elektrische Leitfähigkeit beibehalten.

Dispersionsverfestigung

Die meisten der führenden Hochtemperatur-Kupferlegierungen beruhen auf einer Verstärkung der Oxiddispersion (ODS) oder einer Ausscheidungshärtung (PH). Die ODS-Verstärkung hat den Vorteil, dass die Oxide während der Temperaturalterung nicht vergröbern, während die PH-Legierungen dies tun und die Verstärkung verloren geht.

Zink: Die Grundlage der Messinglegierungen

Zink ist das am häufigsten verwendete Legierungselement in Kupfer, wodurch die umfangreiche Familie von Messinglegierungen entsteht, die unzähligen industriellen Anwendungen dienen. Der Zinkanteil beeinflusst die Eigenschaften und die Mikrostruktur der resultierenden Legierung dramatisch.

Einfluss des Zinkgehalts auf mechanische Eigenschaften

Mit zunehmendem Zinkgehalt – bis zu etwa 45 % Zn – steigen die Zugfestigkeit und die Brinellhärte. Die Bruchdehnung erreicht einen Maximalwert von etwa 30 % Zn. Diese Beziehung zwischen Zinkgehalt und mechanischen Eigenschaften ermöglicht es Ingenieuren, Messingzusammensetzungen auszuwählen, die Festigkeit und Umformbarkeit für bestimmte Anwendungen ausgleichen.

Die Zugabe von Zink erhöht die Festigkeit und Duktilität des Kupfergrundmaterials. Je höher die Zinkkonzentration, desto stärker und biegsamer ist die Legierung. Diese Beziehung ist jedoch nicht linear über alle Zinkkonzentrationen hinweg, da die Bildung verschiedener Phasen auf verschiedenen Zinkebenen unterschiedliche Eigenschaftsregime schafft.

Phasenstrukturen in Messing

Legierungen mit bis zu ca. 35 % Zink sind Einphasenlegierungen, bestehend aus einer festen Lösung von Zink und Alpha-Kupfer, die eine ausgezeichnete Duktilität aufweisen und sich ideal für Kaltumformvorgänge wie Tiefziehen, Stanzen und Umformen eignen.

Messing mit einem Zinkgehalt zwischen 32 und 39 % hat eine Zweiphasenstruktur, die aus Alpha- und Beta-Phasen besteht. Gelbe Messinge fallen unter diese Zwischenkategorie. Die Beta-Phase ist härter als die Alpha-Phase. Diese Materialien haben hohe Festigkeiten und eine geringere Duktilität bei Raumtemperatur als die Legierungen mit weniger Zink. Die Zweiphasen-Messinge sind leicht zu warm und spanabhebend, aber die Kaltverformbarkeit ist begrenzt.

Messing mit mehr als 39 % Zink, wie Muntz-Metall, weisen eine überwiegend beta-Struktur auf, wobei jedoch ein Zinkgehalt von mehr als 50 % die Bildung des γ-Bestandteils auslöst, der mit abnehmender Temperatur zunimmt. Das Vorhandensein von γ-Phase führt zu extremer Härte und Sprödigkeit, wodurch eine präzise Zusammensetzungskontrolle bei der Herstellung unerlässlich ist.

Anwendungen von Messinglegierungen

Messing wird in Anwendungen wie Ausschneiden, Prägen, Zeichnen, Piercing, Federn, Feuerlöschern, Schmuck, Kühlerkernen, Lampen, Munition, flexiblen Schlauch und der Basis für Goldplatten verwendet, wobei die Vielseitigkeit von Messinglegierungen auf ihre hervorragende Kombination von mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und ästhetischer Anziehungskraft zurückzuführen ist.

Messinge zeichnen sich durch eine ausgezeichnete Gießbarkeit und eine gute Kombination aus Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus und werden in Anwendungen wie Sanitärinstallationen, Armaturen und Niederdruckventilen, Getrieben, Lagern, dekorativer Beschläge und architektonischer Verkleidung eingesetzt.

Korrosionsüberlegungen in Messing

Die Entzinkung kann bei Legierungen mit mehr als 15 % Zink in stagnierendem, saurem wässrigem Milieu ein Problem darstellen. Die Entzinkung beginnt mit der Entfernung von Zink von der Oberfläche des Messings, wobei eine relativ poröse und schwache Schicht aus Kupfer und Kupferoxid verbleibt. Die Entzinkung kann durch das Messing hindurchgehen und das gesamte Bauteil schwächen.

Das Problem der Spannungsrißkorrosion kann auch bei Messingen mit mehr als 15 % Zink auftreten, wenn die Bauteile einer Zugspannung in Umgebungen ausgesetzt sind, die feuchtes Ammoniak, Amine und Quecksilberverbindungen enthalten. Diese Korrosionsmechanismen sind für die richtige Legierungsauswahl in Betriebsumgebungen unerlässlich.

Zinn: Herstellung von Bronzelegierungen mit überlegener Verschleißfestigkeit

Bronze, bei der Zinn eine wichtige Ergänzung darstellt, und Messing, bei dem Zink verwendet wird, sind die bekanntesten traditionellen Typen. Zinnbronzen werden seit Tausenden von Jahren verwendet und dienen weiterhin kritischen Anwendungen, bei denen Verschleißfestigkeit und -festigkeit an erster Stelle stehen.

Mikrostrukturelle Effekte von Zinn

Wenn der Zinngehalt auf 11 % oder mehr erhöht wird, wird sich ein Teil der Alpha-Phase verändern, wenn das Metall unter 400°C abkühlt. Eine neue Phase erscheint, die in den normalen fcc-Alpha-Kristallen durchsetzt ist. Diese Phase, Delta genannt, kann mit relativ schneller Abkühlung im Material erhalten bleiben.

Die Delta-Phase (obwohl im Grunde immer noch fcc) enthält viel mehr Zinn im Verhältnis zu Kupfer als in der Alpha gefunden wird und ist sehr hart und stark, aber es fehlt viel Duktilität. Sie erscheint unter besten Bedingungen als fein verteilte Inseln in der gesamten Mikrostruktur des Materials. Der Einfluss dieser zweiten Phase auf den Gleitmechanismus ist dramatisch, da sie die Gleitebenen nach kleinen Bewegungsgraden festnagelt. Dieser Pinning-Effekt erhöht die Verschleißfestigkeit und Tragfähigkeit von Zinnbronzen erheblich.

Zinn in Messinglegierungen

Die Zinnmessinge (C40400 bis C49000) enthalten verschiedene Zinnzusätze von 0,3 bis 3,0 %, um die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit von Messinglegierungen zu verbessern, Neben der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeitseigenschaften von Kupfer-Zink-Rohrlegierungen wie C44300 (Cu- 30Zn-1Sn) bietet die Zinnzugabe auch gute Kombinationen von Festigkeit, Umformbarkeit und elektrischer Leitfähigkeit, die von verschiedenen elektrischen Verbindern wie C42500 (Cu-10Zn-2Sn) benötigt werden.

Das Metallmetall ist ein Metallmetall, das in Form eines Metalls mit einer Dicke von etwa 10 mm und einer Dicke von etwa 10 mm verwendet wird.

Aluminium: Hochfeste Aluminiumbronzen

Aluminiumbronzen sind Legierungen aus Kupfer und Aluminium, deren Gehalt meist zwischen 5 % und 11 % liegt. Aluminiumbronzen stellen eine Klasse von Hochleistungs-Kupferlegierungen mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit dar.

Eigenschaften von Aluminiumbronzen

Sie haben eine höhere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit als andere Bronzen, insbesondere in marinen Umgebungen, und haben eine geringe Reaktivität gegenüber Schwefelverbindungen. Aluminium bildet eine dünne Passivierungsschicht auf der Oberfläche des Metalls. Diese Schutzoxidschicht bietet eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit im Meerwasser, wodurch Aluminiumbronzen das Material der Wahl für Schiffspropeller, Pumpenkomponenten und Offshore-Ausrüstung sind.

Diese zusätzlichen Elemente verbessern die Eigenschaften von Aluminiumbronzen weiter, wobei Eisen die Kornstruktur verfeinert, Nickel die Korrosionsbeständigkeit verbessert und Mangan die Festigkeit und Gießbarkeit verbessert.

Die Aluminium- und Mangan-Bronzelegierungen weisen auch Knetformäquivalente auf, die sehr starke mechanische Eigenschaften aufweisen, da sie entweder durch Extrudieren, Ziehen, Walzen oder Schmieden streng bearbeitet wurden und in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet sind.

Aluminium in Messing

Aluminium macht Messing stärker und korrosionsbeständiger. Kleine Zusätze von Aluminium zu Messinglegierungen können sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die Umweltbeständigkeit erheblich verbessern und so Materialien schaffen, die für anspruchsvolle Anwendungen geeignet sind.

Nickel: Verbesserte Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit

Nickel ist ein wichtiges Legierungselement, das sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die Korrosionsbeständigkeit von Kupferlegierungen dramatisch verbessert. Kupfer-Nickel-Legierungen bilden eine eindeutige Materialfamilie mit einzigartigen Eigenschaften.

Kupfer-Nickel-Legierungen

Zur Familie der Kupfer-Nickel-Legierungen gehören auch verschiedene Dispersions- und Ausscheidungshärtelegierungen durch Ausbildung von Härtephasen mit dritten Elementen, wie Ni2Si in C70250 (Cu-3Ni-0,7Si-0,15Mg) und die in den Cu-Ni-Sn-Legierungen erhältliche spinodale Aushärtung (C72700 mit Cu-10Ni-8Sn), die außergewöhnliche Kombinationen von Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit erzielen.

Nickelsilber

Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen, auch Nickel-Silber genannt, sind eine Familie von festlösungsverfestigenden und arbeitshärtenden Legierungen mit verschiedenen Nickel-Zink-Werten im Cu-(4-26)Ni-(3-30)Zn-ternären Legierungssystem, die wegen ihrer Festigkeit, Formbarkeit und Korrosions- und Anlaufbeständigkeit sowie für einige Anwendungen metallischer Weißfarbe geschätzt werden.

Silizium: Verbesserung der Gießbarkeit und Festigkeit

Siliziumbronzen stellen eine weitere wichtige Klasse von Kupferlegierungen dar und bieten hervorragende Kombinationen aus Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Gusseigenschaften. Siliziumzusätze zu Kupfer erzeugen Legierungen mit Eigenschaften, die die Lücke zwischen Messing und Aluminiumbronzen überbrücken.

Siliziumbronzen enthalten typischerweise 1-4% Silizium und werden für ihre hohe Festigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und überlegene Schweißbarkeit im Vergleich zu anderen Kupferlegierungen geschätzt.

Auswirkungen von Legierungselementen auf mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Kupferlegierungen - einschließlich Festigkeit, Härte, Duktilität und Zähigkeit - werden durch die Art und Menge der vorhandenen Legierungselemente stark beeinflusst.

Zugfestigkeit und Streckgrenze

Legierungselemente erhöhen im Allgemeinen die Zugfestigkeit und Streckgrenze von Kupfer durch verschiedene Mechanismen. Feste Lösungsverfestigung tritt auf, wenn Legierungsatome das Kristallgitter verzerren, was die Versetzungsbewegung erschwert. Fällungshärtung erzeugt feine Partikel, die die Versetzungsbewegung blockieren, während die Arbeitshärtung Versetzungsverwirbelungen einführt, die eine weitere Verformung behindern.

Es ist bemerkenswert, dass es eine starke negative Korrelation zwischen den mechanischen Eigenschaften und der elektrischen Leitfähigkeit gibt. Dieser grundlegende Kompromiss bedeutet, dass Legierungen, die für maximale Festigkeit entwickelt wurden, typischerweise die elektrische Leitfähigkeit opfern, während Legierungen mit hoher Leitfähigkeit eine geringere mechanische Festigkeit akzeptieren müssen.

Härte

Die Härte der Kupferlegierungen kann durch Kaltumform- und Wärmebehandlungsverfahren weiter gesteigert werden. Verschiedene Legierungsfamilien weisen charakteristische Härtebereiche auf, die sie für spezifische Anwendungen geeignet machen - von weichen, formbaren Legierungen für elektrische Anwendungen bis hin zu harten, verschleißfesten Legierungen für Lager und Getriebe.

Duktilität und Formbarkeit

Messing mit einem Kupfergehalt von mehr als 63 % ist das duktilste aller Kupferlegierungen und wird durch komplexe Kaltumformvorgänge geformt. Die Duktilität nimmt im Allgemeinen mit zunehmendem Legierungsgehalt und mit der Bildung von zweiten Phasen ab. Die Beziehung ist jedoch komplex und hängt von dem spezifischen Legierungssystem und der Verarbeitungshistorie ab.

Einphasige Legierungen weisen typischerweise eine überlegene Duktilität im Vergleich zu Mehrphasenlegierungen auf. Das Vorhandensein von harten, spröden Phasen kann die Duktilität und Formbarkeit erheblich reduzieren und die Herstellungsprozesse einschränken, die verwendet werden können. Das Verständnis dieser Beziehungen ist entscheidend für die Auswahl von Legierungen, die erfolgreich in komplexe Formen geformt werden können.

Verschleißfestigkeit

Die Verschleißfestigkeit ist insbesondere bei Lageranwendungen, Zahnrädern und Gleitkontaktflächen von Bedeutung. Zinn- und Aluminiumbronzen zeichnen sich durch ihre harten zweiten Phasen und günstigen Mikrostrukturen durch ihre Verschleißfestigkeit aus. Die Deltaphase bei Zinnbronzen und die eisenreichen Phasen bei Aluminiumbronzen bieten eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Klebe- und Schleifverschleiß.

Kombinationen aus Eisen, Aluminium, Silizium und Mangan machen verschleiß- und reißfestes Messing, die strategisch kombiniert werden können, um Legierungen zu schaffen, die für bestimmte Verschleißbedingungen optimiert sind.

Temperaturauswirkungen auf mechanische Eigenschaften

Kupferlegierungen werden mit sinkender Temperatur stärker und duktiler. Sie behalten auch eine ausgezeichnete Schlagzähigkeit bis 20 K. Diese allgemeinen Eigenschaften wurden bei Versuchen mit 15 Kupferlegierungen, einschließlich Messing, Bronze und handelsüblichen Kupfern, nachgewiesen. Dieses ungewöhnliche Verhalten macht Kupferlegierungen zu ausgezeichneten Wahlmöglichkeiten für kryogene Anwendungen.

Auswirkungen von Legierungselementen auf die Korrosionsbeständigkeit

Kupferlegierungen weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf, die spezifischen Korrosionsbeständigkeitseigenschaften variieren jedoch stark in Abhängigkeit von den vorhandenen Legierungselementen und der Einsatzumgebung.

Allgemeine Korrosionsbeständigkeit

Reines Kupfer weist in den meisten atmosphärischen Umgebungen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf, da Schutzoxid- und Patinaschichten gebildet werden, wobei Legierungselemente diesen inhärenten Widerstand je nach Art und Konzentration entweder verstärken oder verringern können.

Nickelzusätze verbessern die Korrosionsbeständigkeit erheblich, insbesondere in marinen und sauren Umgebungen. Kupfer-Nickel-Legierungen werden häufig in Meerwasseranwendungen eingesetzt, einschließlich Schiffsrümpfe, Wärmetauscher und Entsalzungsanlagen. Der Nickelgehalt erzeugt einen stabileren passiven Film, der dem Abbau in chloridhaltigen Umgebungen standhält.

Aluminiumbronzen entwickeln eine zähe Aluminiumoxidoberflächenschicht, die einen außergewöhnlichen Korrosionsschutz bietet Diese passive Schicht ist besonders wirksam in Meerwasser und anderen aggressiven Umgebungen, was Aluminiumbronzen zur bevorzugten Wahl für Schiffspropeller, Pumpenkomponenten und Offshore-Ausrüstung macht.

Entzinkung in Messinglegierungen

Die Entzinkung stellt einen spezifischen Korrosionsmechanismus dar, der in bestimmten Umgebungen auf Messinglegierungen einwirkt. Durch dieses selektive Korrosionsverfahren wird Zink von der Legierungsoberfläche entfernt, wobei eine poröse, schwache kupferreiche Schicht zurückbleibt. Die Entzinkungsanfälligkeit steigt mit zunehmendem Zinkgehalt, insbesondere bei Legierungen mit mehr als 15 % Zink.

Entzinkungsresistente Messing Messings, auch CR-Messing genannt, werden dort eingesetzt, wo die Korrosionsgefahr groß ist und normale Messings die Anforderungen nicht erfüllen. Anwendungen mit hohen Wassertemperaturen, vorhandenen Chloriden oder abweichenden Wasserqualitäten (Soft Water) spielen eine Rolle. Beispielsweise wird DZR-Messing in Wasserkesselanlagen eingesetzt.

Ein Beispiel für DZR-Messing ist C352-Messing mit etwa 30% Zink, 61-63% Kupfer, 1,7-2,8% Blei und 0,02-0,15% Arsen. Das Blei und Arsen unterdrücken den Zinkverlust signifikant. Kleine Zusätze von Arsen, Antimon oder Phosphor können die Entzinkungsbeständigkeit dramatisch verbessern, indem sie das Zink in der Legierungsmatrix stabilisieren.

Spannungskorrosionsrisse

Spannungsrißkorrosion (Stress Corrosion Cracking, SCC) ist ein kritischer Fehlermodus für bestimmte Kupferlegierungen, insbesondere Messing mit mehr als 15% Zink, der auftritt, wenn Zugspannung mit bestimmten korrosiven Umgebungen kombiniert wird, insbesondere solche, die Ammoniak, Amine oder Quecksilberverbindungen enthalten.

Wird die Belastung oder die chemische Umgebung entfernt, kommt es nicht zu Spannungsrissen, manchmal reicht eine Behandlung zur Spannungsrißentlastung aus, um das Auftreten von Spannungsrissen zu verhindern. Um SCC-Ausfälle in Messingbauteilen zu verhindern, ist es unerlässlich, sowohl das Spannungsniveau als auch die Umweltbelastung zu verstehen und zu kontrollieren.

Widerstand gegen Korrosion im Meer

Meeresumgebungen stellen aufgrund der Anwesenheit von Chloriden, Sauerstoff und biologischen Organismen besonders anspruchsvolle Korrosionsbedingungen dar.

  • Kupfer-Nickel-Legierungen: Ausgezeichnete Beständigkeit gegen Meerwasserkorrosion und Biofouling
  • Aluminiumbronzen: Überlegene Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit in marinen Umgebungen
  • Naval Messing: Zinn-modifiziertes Messing mit verbesserter Entzinkungsresistenz im Meerwasser
  • Siliziumbronzen: Gute Korrosionsbeständigkeit kombiniert mit ausgezeichneter Schweißbarkeit

Auswirkungen auf die elektrische und thermische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit von handelsüblichem reinem Kupfer, etwa 101 % IACS (International Annealed Copper Standard), ist nur die zweite von kommerziell reinem Silber (etwa 103 % IACS), was Kupfer zum Material der Wahl für elektrische Anwendungen macht.

Wirkung der Legierung auf die Leitfähigkeit

Aus diesem Grund werden Kupfer und hohe Kupferlegierungen gegenüber Kupferlegierungen mit einem Gesamtlegierungsgehalt von mehr als wenigen Prozent bevorzugt, wenn eine hohe elektrische oder thermische Leitfähigkeit für die Anwendung erforderlich ist.

Die Verringerung der Leitfähigkeit tritt auf, weil Legierungsatome das regelmäßige Kristallgitter von Kupfer stören, Elektronen streuen und deren Fluss behindern; die Größe dieses Effekts hängt vom spezifischen Legierungselement, seiner Konzentration und davon ab, ob es eine feste Lösung bildet oder als zweite Phase ausfällt.

Die thermische und elektrische Leitfähigkeit von Kupfer wird durch geringe Mengen von Silber oder Cadmium relativ unbeeinflusst; die mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur sind ebenfalls unverändert; dies macht Silber und Cadmium zu wertvollen Zusätzen, wenn sowohl die Leitfähigkeit als auch die spezifischen mechanischen Eigenschaften beibehalten werden müssen.

Balancieren Leitfähigkeit und Stärke

Der Zweck des Hinzufügens von Legierungselementen zu Kupfer besteht darin, die Festigkeit, die Duktilität (Umformbarkeit) und die thermische Stabilität zu optimieren, ohne einen inakzeptablen Verlust an Herstellungsfähigkeit, elektrischer/thermischer Leitfähigkeit oder Korrosionsbeständigkeit zu verursachen.

Eine wichtige Lösung für diese Herausforderung sind Fällungshärtende Kupferlegierungen: Durch die Bildung feiner Ausscheidungen, die die Legierung verstärken, ohne die Kupfermatrix signifikant zu stören, erreichen diese Legierungen Festigkeiten, die um ein Vielfaches höher sind als reines Kupfer, während sie 40-80% der elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers beibehalten.

Die erhaltenen Testergebnisse werden die Auswahl geeigneter Legierungselemente ermöglichen, um neue Kupferlegierungen mit gezielten funktionellen Eigenschaften zu entwickeln, die für den Einsatz unter hohen und variablen mechanischen und elektrischen Belastungen für die Energietechnik bestimmt sind.Spezifische Anwendungen von legiertem Kupfer mit verbesserten mechanischen und elektrischen Eigenschaften umfassen unter anderem Eisenbahn- und Straßenbahn-Oberleitungen, RSW-Elektroden für die Automobilindustrie, Schraubverbinder und andere, bei denen sowohl eine gute elektrische Leitfähigkeit als auch eine hohe Festigkeit erforderlich sind.

Verarbeitungs- und Wärmebehandlungseffekte

Die Eigenschaften von Kupferlegierungen hängen nicht nur von der Zusammensetzung, sondern auch von der Verarbeitungshistorie und der Wärmebehandlung ab. Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist für die Erreichung einer optimalen Leistung unerlässlich.

Kaltarbeiten

Kaltumformung - Verformung bei Raumtemperatur - ist eine primäre Methode zur Verstärkung von Kupferlegierungen, bei der Versetzungen in die Kristallstruktur eingebracht werden, die wechselwirken und eine weitere Verformung behindern, wodurch die Festigkeit und Härte erhöht und die Duktilität verringert wird.

Der Kaltverformungsgrad wird typischerweise als prozentuale Querschnittsverringerung ausgedrückt. Leichte Kaltverformung (10-20% Reduktion) führt zu bescheidenen Festigkeitssteigerungen bei gleichzeitiger Beibehaltung einer guten Duktilität. Schwere Kaltverformung (60-80% Reduktion) führt zu maximaler Festigkeit, reduziert jedoch die Duktilität und Formbarkeit erheblich.

Glühen

Das Glühen - Aufheizen auf erhöhte Temperaturen und anschließendes kontrolliertes Abkühlen - kehrt die Auswirkungen der Kaltverformung durch Rekristallisation um. Dieses Verfahren stellt die Duktilität und Formbarkeit wieder her, während es gleichzeitig Festigkeit und Härte verringert. Die Glühtemperaturen und -zeiten müssen sorgfältig kontrolliert werden, um das gewünschte Gleichgewicht der Eigenschaften zu erreichen.

Die Korngröße kann durch geeignete Auswahl von Kaltumformungs- und Glühverfahren gesteuert werden. Diese Steuerung der Korngröße stellt einen weiteren Mechanismus zur Optimierung der Legierungseigenschaften dar.

Lösungsbehandlung und Altern

Die Lösungsbehandlung beinhaltet das Erwärmen der Legierung, um Legierungselemente in feste Lösung zu lösen, gefolgt von einem schnellen Abkühlen (Abschrecken), um die übersättigte Lösung bei Raumtemperatur zu halten.

Die Alterungstemperatur und -zeit bestimmen die Größe, Verteilung und Kohärenz der Präzipitate, die wiederum die endgültigen Eigenschaften bestimmen. Die Unteralterung erzeugt feine, kohärente Präzipitate, die eine mäßige Verstärkung bewirken. Die Spitzenalterung erzeugt die optimale Präzipitatstruktur für maximale Festigkeit. Die Überalterung führt zu groben Präzipitaten, die eine geringere Verstärkung bewirken, aber andere Eigenschaften wie die Spannungsrelaxationsbeständigkeit verbessern können.

Spezialisierte Legierungselemente und ihre Auswirkungen

Lead für Machbarkeit

Kupferlegierungen mit 1 bis 6 % Pb sind freie Bearbeitungsqualitäten und werden häufig für bearbeitete Teile verwendet, insbesondere für solche, die in Schraubenmaschinen hergestellt werden Blei löst sich nicht in Kupfer, sondern existiert als feine dispergierte Partikel, die als Spanbrecher bei der Bearbeitung wirken und die Oberflächengüte und Standzeit verbessern.

Blei kann zur leichteren Bearbeitung oder für Lagerlegierungen hinzugefügt werden, bei Lageranwendungen sorgt Blei für eine solide Schmierung und verbessert die Konformierbarkeit, so dass das Lager kleinere Wellenfehlausrichtungen aufnehmen kann.

Phosphor als Desoxidator

Phosphor erfüllt mehrere Funktionen in Kupferlegierungen. Als Desoxidator entfernt es Sauerstoff aus geschmolzenem Kupfer und verhindert die Bildung von Kupferoxid, das die Duktilität und andere Eigenschaften verringern würde. Restphosphor in Phosphorbronzen sorgt auch für eine Festlösung, die die Verschleißfestigkeit stärkt und verbessert.

Eisen für die Kornverfeinerung

Durch geringe Zusätze von Eisen zu Kupferlegierungen, insbesondere Aluminiumbronzen, wird die Kornfeinung und die mechanischen Eigenschaften verbessert. Durch die Zugabe von nur 1 % Eisen zu einer Messinglegierung wird eine Legierung mit einer merklichen magnetischen Anziehungskraft erhalten.

Silber und Cadmium für die Erweichungsresistenz

Die Zugabe von geringen Mengen an Elementen wie Silber und Cadmium zu desoxidiertem Kupfer erhöht die Erweichungsbeständigkeit zu Zeiten und Temperaturen, die bei Lötvorgängen auftreten, wie sie zum Verbinden von Komponenten von Kraftfahrzeug- und LKW-Kühlern verwendet werden.

Industrielle Anwendungen auf Basis von Legierungselementen

Die Auswahl der Kupferlegierungen für spezifische Anwendungen hängt von der einzigartigen Kombination der Eigenschaften ab, die durch verschiedene Legierungselemente bereitgestellt werden.

Elektrische und elektronische Anwendungen

Hochleitfähigkeitsanwendungen erfordern reines Kupfer oder hochkupferhaltige Legierungen mit minimalen Legierungszusätzen. Kupfer, das für elektrische Leiter verwendet wird, enthält mehr als 99,9% Cu und wird entweder als elektrolytisches Zähigkeitskupfer (ETP) oder als sauerstofffreies Hochleitkupfer (OFHC) identifiziert.

Für Anwendungen, die sowohl Leitfähigkeit als auch mechanische Festigkeit erfordern, bieten ausscheidungshärtende Legierungen wie Kupfer-Chrom, Kupfer-Beryllium oder Kupfer-Nickel-Silizium optimale Kombinationen, die in elektrischen Steckverbindern, Relaisfedern, Schalterbauteilen und anderen Anwendungen verwendet werden, bei denen hohe Kontaktkräfte und elektrische Leistung nebeneinander bestehen müssen.

Marine Anwendungen

Meeresumgebungen erfordern eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig ausreichenden mechanischen Eigenschaften. Kupfer-Nickel-Legierungen, Aluminiumbronzen und Marinemessing dominieren diesen Anwendungsraum. Die natürliche Biofouling-Resistenz von Kupfer-Nickel-Legierungen macht sie besonders wertvoll für Meerwasserrohrsysteme und Wärmetauscher.

Aluminiumbronzen bieten die höchste Festigkeit unter den korrosionsbeständigen Kupferlegierungen und sind damit ideal für Schiffspropeller, Pumpenlaufräder und Ventilkomponenten, die sowohl mechanischen Belastungen als auch korrosiven Meerwasserbelastungen standhalten müssen.

Trage- und Trageanwendungen

Lageranwendungen erfordern spezifische Kombinationen von Eigenschaften, einschließlich Verschleißfestigkeit, Konformierbarkeit, Einbettbarkeit und Kompatibilität mit Wellenmaterialien. Zinnbronzen und Bleibronzen zeichnen sich in diesen Anwendungen durch ihre günstigen Mikrostrukturen und das Vorhandensein von Weichphasen aus, die Schmierung bieten.

Kupfer ist dafür bekannt, bestimmte einzigartige Eigenschaften zu besitzen, die es zum besten technischen Material für Lageranwendungen machen. Die Zugabe von Zinn, Blei und anderen Elementen optimiert diese inhärenten Eigenschaften für bestimmte Lagerbedingungen.

Architektur- und Dekorative Anwendungen

Architekturanwendungen schätzen die ästhetische Attraktivität von Kupferlegierungen zusammen mit ihrer Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit. Messings mit unterschiedlichen Zinkgehalten bieten Farben von rot bis gelb, während die Witterung unverwechselbare Patinas erzeugt. Die Fähigkeit, das Aussehen in Außenumgebungen zu erhalten, macht Kupferlegierungen ideal für Dach-, Verkleidungs- und Dekorationselemente.

Sanitär- und Wassersysteme

Sanitäranwendungen erfordern Korrosionsbeständigkeit in Trinkwasser, eine ausreichende Festigkeit für die Druckeindämmung und Entzinkungsbeständigkeit. Entzinkungsfeste Messingmassen, Kupfer-Nickel-Legierungen und spezielle Bronzezusammensetzungen erfüllen diese Anforderungen. Rechtsvorschriften legen häufig den maximalen Bleigehalt und den minimalen Entzinkungswiderstand für Sanitäranwendungen fest.

Die Forschung entwickelt weiterhin neue Kupferlegierungen mit verbesserten Eigenschaftskombinationen und geringeren Umweltauswirkungen. Mehrere Trends prägen die Zukunft der Entwicklung von Kupferlegierungen.

Bleifreie Legierungen

Umwelt- und Gesundheitsbedenken haben die Entwicklung bleifreier Kupferlegierungen für Sanitär- und Trinkwasseranwendungen vorangetrieben. Wismut und Silizium werden als Alternativen zu Blei für die Verbesserung der Bearbeitbarkeit untersucht, obwohl die Erreichung einer gleichwertigen Leistung nach wie vor eine Herausforderung darstellt.

Hochleistungslegierungen

Fortschrittliche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Elektronik erfordern Kupferlegierungen mit außergewöhnlichen Eigenschaftskombinationen. Die Forschung konzentriert sich auf Ausscheidungshärtungssysteme, die eine hohe Festigkeit bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer angemessenen Leitfähigkeit erreichen. Legierungen, die Hafnium, Zirkonium und andere feuerfeste Elemente enthalten, sind vielversprechend für Hochtemperaturanwendungen.

Nachhaltige Legierungsentwicklung

Mit dieser Studie soll die Identifizierung nachhaltigerer Alternativen zu Cu-Be-Legierungen gefördert werden, die besonders für die Entwicklung nicht toxischer und umweltfreundlicher Legierungen von Bedeutung sind. Beryllium-Kupfer-Legierungen bieten zwar außergewöhnliche Eigenschaften, stellen jedoch Gesundheitsrisiken während der Verarbeitung dar. Die Forschung zielt auf die Entwicklung alternativer Legierungssysteme mit vergleichbarer Leistung, aber geringerer Toxizität ab.

Design von Rechenlegierungen

Fortschrittliche Berechnungsmethoden, einschließlich maschinellem Lernen und thermodynamischer Modellierung, beschleunigen die Legierungsentwicklung. Diese Werkzeuge ermöglichen die Vorhersage von Legierungseigenschaften auf der Grundlage von Zusammensetzung und Verarbeitung, wodurch der experimentelle Aufwand für die Entwicklung neuer Materialien reduziert wird. Große Datenbanken mit Kupferlegierungseigenschaften unterstützen diese computergestützten Ansätze.

Auswahlkriterien für Kupferlegierungen

Die Auswahl der geeigneten Kupferlegierung für eine bestimmte Anwendung erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung mehrerer Faktoren.

Primäre Leistungsanforderungen

Der erste Schritt bei der Auswahl der Legierung beinhaltet die Identifizierung der kritischen Leistungsanforderungen:

  • Mechanische Eigenschaften: Festigkeit, Härte, Duktilität, Ermüdungsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit
  • Elektrische Eigenschaften: Leitfähigkeitsanforderungen für stromführende Anwendungen
  • Thermale Eigenschaften: Leitfähigkeit für Wärmeübertragungsanwendungen, thermische Ausdehnungskompatibilität
  • Korrosionsbeständigkeit: Kompatibilität mit der Serviceumgebung einschließlich Wasser, Chemikalien, Atmosphäre
  • Physische Eigenschaften: Dichte, Farbe, magnetische Eigenschaften

Herstellungserwägungen

Auch wenn ein Legierungselement zugesetzt wird, um eine bestimmte Eigenschaft stark zu verbessern, müssen die anderen Eigenschaften, insbesondere die Herstellungs- oder Umformbarkeit, dennoch so sein, dass die Legierung kommerziell brauchbar ist. Darüber hinaus sind die Eigenschaften von Kupferlegierungen abhängig von den verarbeiteten Bedingungen in Verbindung mit der Zusammensetzung. Einige Kupferlegierungen sind in verschiedenen hergestellten Formen, Gussteilen, Blechen, Platten, Stangen und Draht im Handel erhältlich, viele sind jedoch nur in einer oder zwei erhältlich.

Kompatibilität der Herstellungsmethode muss berücksichtigt werden:

  • Casting: Fluidität, Schrumpfungseigenschaften, Anfälligkeit für Heißrisse
  • Umformung: Kaltumformbarkeit, Warmverarbeitbarkeit, Feder-Rück-Eigenschaften
  • Bearbeitung: Bearbeitbarkeit, Lebensdauer, Oberflächenbeschaffenheit
  • Fügen: Schweißbarkeit, Lötbarkeit, Lötbarkeit

Wirtschaftliche Faktoren

Kostenüberlegungen umfassen Rohstoffpreise, Verarbeitungskosten und Gesamtlebenszykluskosten. Während einige Legierungselemente teuer sind, können die verbesserte Leistung oder die verlängerte Lebensdauer die höheren Anschaffungskosten rechtfertigen. Verfügbarkeit und Vorlaufzeiten für bestimmte Legierungen beeinflussen auch die Auswahlentscheidungen.

Einhaltung der Vorschriften

Viele Anwendungen erfordern die Einhaltung spezifischer Normen und Vorschriften. Sanitäranwendungen müssen Bleigehaltsgrenzen und Anforderungen an die Entzinkungsbeständigkeit erfüllen. Elektrische Anwendungen können spezifische Leitfähigkeitsminimums erfordern. Anwendungen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, erfordern zugelassene Legierungszusammensetzungen. Das Verständnis und die Erfüllung dieser Anforderungen ist für eine erfolgreiche Legierungsauswahl unerlässlich.

Prüfung und Qualitätskontrolle

Um sicherzustellen, dass Kupferlegierungen die Spezifikationen erfüllen, sind umfassende Prüfverfahren und Qualitätskontrollverfahren erforderlich, wobei verschiedene Prüfverfahren verschiedene Aspekte der Legierungsleistung kennzeichnen.

Mechanische Prüfungen

Die Zugfestigkeitsprüfung bestimmt Festigkeit, Duktilität und Elastizitätsmodul. Die Härteprüfung ermöglicht eine schnelle Beurteilung der Festigkeit und des Wärmebehandlungszustands. Die Ermüdungstests bewerten die Widerstandsfähigkeit gegen zyklische Belastung. Die Schlagprüfung misst die Zähigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen plötzliche Belastungen. Die Verschleißprüfung charakterisiert die Leistung bei Gleit- oder Rollkontaktanwendungen.

Elektrische Prüfung

Messungen der elektrischen Leitfähigkeit belegen, dass Legierungen die Spezifikationen für stromführende Anwendungen erfüllen. Bei der Prüfung werden typischerweise Wirbelstrom- oder Vierpunkt-Sondenverfahren verwendet, um die Leitfähigkeit als Prozentsatz des International Annealed Copper Standard (IACS) zu bestimmen.

Korrosionsprüfung

Die Bewertung der Korrosionsbeständigkeit kann Salzsprühprüfungen, Tauchprüfungen in bestimmten Medien, elektrochemische Messungen und Entzinkungstests für Messinglegierungen umfassen Beschleunigte Prüfverfahren ermöglichen eine schnelle Bewertung, während Langzeitexpositionsprüfungen die Leistung unter tatsächlichen Betriebsbedingungen validieren.

Mikrostrukturanalyse

Die metallographische Untersuchung zeigt Kornstruktur, Phasenverteilung und Defekte. Die optische Mikroskopie liefert grundlegende Informationen über die Mikrostruktur, während die Elektronenmikroskopie eine detaillierte Analyse der feinen Ausscheidungen und Phasenzusammensetzungen ermöglicht. Die Röntgenbeugung identifiziert kristalline Phasen, die in der Legierung vorhanden sind.

Schlussfolgerung

Legierungselemente beeinflussen die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit, die elektrische Leitfähigkeit und die Gesamtleistung von Kupferlegierungen grundlegend. Das Verständnis dieser Beziehungen ermöglicht Ingenieuren und Materialwissenschaftlern die Auswahl und Entwicklung von Legierungen, die für bestimmte Anwendungen optimiert sind.

Zink erzeugt die vielseitige Familie von Messinglegierungen mit Eigenschaften, die von hochduktilen Einphasenlegierungen bis hin zu starken Zweiphasen-Zusammensetzungen reichen. Zinn produziert Bronzelegierungen mit außergewöhnlicher Verschleißfestigkeit und mechanischen Eigenschaften. Aluminium erzeugt hochfeste Aluminiumbronzen mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit. Nickel verbessert sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die Umweltbeständigkeit, insbesondere in marinen Anwendungen. Silizium verbessert die Gießbarkeit und schafft Legierungen mit ausgewogenen Eigenschaftskombinationen.

Die Auswahl geeigneter Legierungselemente und Verarbeitungsmethoden erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Leistungsanforderungen, der Herstellungsbeschränkungen, der wirtschaftlichen Faktoren und der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. Moderne Rechenwerkzeuge und umfangreiche Immobiliendatenbanken unterstützen diesen Auswahlprozess, während die laufende Forschung weiterhin neue Legierungszusammensetzungen mit verbesserter Leistung und geringeren Umweltauswirkungen entwickelt.

Da die Technologie voranschreitet und die Anforderungen an die Anwendung immer anspruchsvoller werden, werden sich Kupferlegierungen weiterentwickeln. Das grundlegende Verständnis darüber, wie Legierungselemente die Eigenschaften beeinflussen, bildet die Grundlage für diese kontinuierliche Entwicklung und stellt sicher, dass Kupferlegierungen für unzählige industrielle, elektrische, marine und architektonische Anwendungen unverzichtbar bleiben.

Weitere Informationen zu Kupferlegierungen und ihren Anwendungen finden Sie in der Kopper Development Association oder bei Total Materia Weitere technische Informationen finden Sie bei ASM International, der professionellen Organisation für Werkstoffingenieure und Wissenschaftler.