Kupferlegierung

Begriff und grundlegende Eigenschaften

Kupferlegierungen sind Werkstoffe, deren Hauptbestandteil Kupfer ist. Ihm werden Metalle oder Halbmetalle in unterschiedlichen Mengen beigemischt. Enthält eine Legierung Kupfer, aber nicht als Hauptbestandteil, heißt sie dagegen kupferhaltige Legierung.

Kupferlegierungen gehören zu den ersten Legierungen, die Menschen gezielt herstellten. Besonders bedeutend sind Bronze aus Kupfer und Zinn sowie Messing aus Kupfer und Zink. Typische Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe sind hohe Festigkeit, gute Verformbarkeit, Kaltverfestigung, Korrosionsbeständigkeit und gute Gleiteigenschaften. Kaltverfestigung bedeutet, dass ein Metall durch plastische Verformung bei niedriger Temperatur fester und härter wird.

Bronze und Tombak

Zinnbronzen sind Kupfer-Zinn-Legierungen. Sie werden mit Phosphor desoxidiert, also von störendem Sauerstoff befreit. Deshalb bleiben Phosphorreste zurück; dennoch ist die häufig verwendete Bezeichnung „Phosphorbronze“ nicht immer sachlich richtig. Bei Halbzeugen wie Blechen, Stangen, Drähten und Rohren können Zustandsbezeichnungen nach DIN EN 1173 angegeben werden.

Die Bezeichnung Bronze ist heute nicht mehr genormt. Sie wird für verschiedene hochlegierte Kupferwerkstoffe benutzt: Zinnbronze enthält bis zu 12 % Zinn, Nickelbronze kann über 20 % Nickel enthalten und Aluminiumbronze bis zu 10 % Aluminium. Daneben gibt es weitere Bronzearten mit anderen Legierungselementen.

Kupfer-Zink-Legierungen mit einem Kupferanteil von mehr als 80 % werden auch Tombak genannt. Die größte konstruktionstechnische Bedeutung besitzt Siliziumtombak.

Aufbau und Eigenschaften von Messing

Kupfer kann im festen Zustand bis zu etwa 30 % Zink als Mischkristall lösen. Ein Mischkristall ist eine einheitliche feste Phase, in deren Kristallgitter Atome eines weiteren Elements eingebaut sind. Legierungen aus diesen Mischkristallen heißen α-Messing. Mit zunehmendem Zinkgehalt steigen Zugfestigkeit und Streckgrenze. Die Streckgrenze bezeichnet die Belastung, ab der eine bleibende Verformung einsetzt. Ursache der Verfestigung ist die zunehmende Zahl von Stapelfehlern, die bei plastischer Verformung entstehen und von Versetzungen begrenzt werden.

Bei mehr als etwa 30 % Zink bildet sich β-Messing. Bei hoher Temperatur besteht die β-Phase aus Mischkristallen; bei niedriger Temperatur liegt die sehr spröde intermetallische Phase CuZn vor. Intermetallische Phasen besitzen eine geordnete Zusammensetzung und Struktur aus mehreren Metallen. Die γ-Phase besteht aus Cu₅Zn₈ und ist wegen ihrer hohen Sprödigkeit technisch unbrauchbar. Auch reines γ-/α- und γ+β-Messing kann deshalb technisch nicht genutzt werden.

Blechmessing besteht aus α-Mischkristallen. Es ist bei Raumtemperatur weich, gut verformbar und schlecht zerspanbar, wird jedoch bei 400 °C bis 500 °C spröde. Stangenmessing besteht aus α+β-Mischkristallen; es lässt sich gut warmverformen und bei Raumtemperatur gut zerspanen.

Messingsorten und ihre Verwendung

Die genormten Messingsorten unterscheiden sich deutlich in Festigkeit, Dehnbarkeit, Härte und Bearbeitbarkeit.

CW509L beziehungsweise CuZn40 (MS60) besitzt eine Zugfestigkeit von 240 bis 470 N/mm², eine Streckgrenze von 240 bis 390 N/mm², eine Bruchdehnung von 43 bis 12 % und eine Härte von 80 bis 140 HB 10. Es ist gut warm- und kaltumformbar und eignet sich unter anderem als Schmiedemessing und Münzmetall sowie zum Biegen, Nieten, Stauchen und Bördeln. Im weichen Zustand kann es geprägt und tiefgezogen werden; mit Bleizusatz ist es auf Automaten gut zerspanbar.

Die bleihaltigen Sorten CW612N/CuZn39Pb2, CW614N/CuZn39Pb3 und CW617N/CuZn40Pb2 sind besonders für spanende oder warme Bearbeitungsverfahren geeignet. Ihre Zugfestigkeitsbereiche betragen 360 bis 590, 380 bis 610 beziehungsweise 360 bis 570 N/mm². CuZn39Pb2 ist gut stanz- und zerspanbar und wird etwa als Uhrenmessing für Räder und Platinen verwendet. CuZn39Pb3 lässt sich nach dem Anwärmen gut umformen und eignet sich für spanabhebende Verfahren, Formdrehteile, Graviermessing und genau gezogene Stangenpressprofile. CuZn40Pb2 ist sehr gut spanend bearbeitbar sowie warmpress- und schmiedbar; daraus entstehen unter anderem Massenteile für Elektrotechnik, Feinmechanik und optische Industrie.

CW708R beziehungsweise CuZn31Si erreicht eine Zugfestigkeit von 440 bis 490 N/mm², eine Streckgrenze von 200 bis 290 N/mm², eine Bruchdehnung von 22 bis 15 % und eine Härte von 120 bis 160 HB 10. Es eignet sich auch bei hohen Belastungen für gleitend beanspruchte Teile wie Lagerbüchsen, Führungen und andere Gleitelemente.

Sondermessing und weitere Kupferlegierungen

Durch zusätzliche Metalle entsteht Sondermessing. Nickel erhöht die Kerbschlagzähigkeit. Mangan verbessert die Korrosionsbeständigkeit und verfeinert das Korn, Eisen verfeinert ebenfalls das Korn. Zinn erhöht die Beständigkeit gegen Seewasser. Aluminium steigert Härte und Streckgrenze, ohne die Zähigkeit zu vermindern.

Kupfer-Silber-Legierungen enthalten zur Festigkeitssteigerung durch Mischkristallbildung 0,03 % bis 0,12 % Silber. Sie erreichen Zugfestigkeiten von höchstens 270 N/mm². In der Elektrotechnik werden sie für Kollektorringe, Kontakte und Kommutatorlamellen eingesetzt.

Kupfer-Magnesium-Legierungen enthalten 0,2 % bis 0,8 % Magnesium. Sie dienen als „Postbronze“ für Leitungsseile in der Fernmeldetechnik und als kaltgezogene Fahrdrähte in Oberleitungen für hohe Geschwindigkeiten.

Kupfer-Nickel-Legierungen mit typischerweise 10 % bis 30 % Nickel heißen Kupfernickel. Eine verbreitete Legierung mit 25 % Nickel wird als Münzmetall verwendet.

Aushärtbare Kupferlegierungen

Kupfer-Beryllium-Legierungen enthalten 1,6 % bis 2,1 % Beryllium. Die Löslichkeit von Beryllium in Kupfer sinkt mit der Temperatur: Bei 605 °C beträgt sie 1,55 % Be, bei Raumtemperatur weniger als 0,1 % Be. Deshalb lassen sich Berylliumbronzen aushärten. Dazu werden sie von 800 °C in Wasser abgeschreckt und anschließend längere Zeit bei 300 °C gehalten; dieser zweite Schritt heißt Auslagern.

Nach starker Kaltverformung und anschließendem einstündigem Auslagern kann die Zugfestigkeit bis zu 1550 N/mm² betragen. Die Härte erreicht 365 HB, die Bruchdehnung liegt bei 2 %. Eingesetzt werden diese Legierungen für stark verschleißbeanspruchte Teile wie Getriebeteile und Lager sowie für Blattfedern, Schlitzklemmen und hoch belastete Bauteile, die unmagnetisch sein müssen. Besonders wichtig sind funkenfreie Werkzeuge für den Bergbau, Bohrinseln, Förderplattformen und die chemische Industrie.

Auch durch das Zulegieren von Tellur entsteht eine aushärtbare Kupferlegierung. Die dabei gebildeten Cu₂Te-Partikel verbessern die Zerspanbarkeit erheblich, während die elektrische Leitfähigkeit nur gering beeinträchtigt wird.