Aushärtbare Kupfer-Legierungen

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Neben den naturharten Kupferwerkstoffen spielen aushärtbare Kupferlegierungen als Trägerwerkstoffe für elektrische Kontakte eine wichtige Rolle. Bei den aushärtbaren Legierungen können durch eine geeignete Wärmebehandlung fein verteilte Ausscheidungen einer zweiten Phase erzeugt werden, die die Festigkeit des Werkstoffes deutlich erhöhen.

Kupfer-Beryllium-Legierungen (Berylliumbronze)

Voraussetzung für die Aushärtbarkeit der CuBe-Werkstoffe ist die mit sinkender Temperatur rasch abnehmende Löslichkeit des Berylliums im Kupfer. Wie aus dem Zustandsschaubild für CuBe ersichtlich, sind bei ca. 780°C 2,4 Massen-% Be in Kupfer löslich Figure 1. In diesem Temperaturbereich wärmebehandelte CuBe-Legierungen sind homogen („lösungsglühen“). Der homogene Zustand kann durch schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur eingefroren werden („abschrecken“). Durch die anschließende Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 325°C wird die gewünschte Ausscheidungshärtung erreicht, die einen deutlichen Anstieg der Festigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit von CuBe bewirkt Table 1. Die erreichbaren Festigkeits- und Härtewerte sind abhängig von der Glühtemperatur und Glühdauer sowie vom Umformgrad (Tab. 5.18) und Table 2 and (Figs. 43 – 75).


Von den aushärtbaren Kupferlegierungen haben CuBe-Werkstoffe, vor allem CuBe2 und CuBe1,7 für stromführende Kontaktfedern wegen ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften eine besondere Bedeutung erlangt. Daneben sind noch die Werkstoffe CuCo2Be und CuNi2Be zu erwähnen, die bei mittleren Festigkeitswerten eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. CuBe-Legierungen sind als aushärtbare Halbzeuge in verschiedenen Lieferzuständen erhältlich. Daneben können CuBe-Halbzeuge mit geringen Einbußen hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften im „werksvergüteten“ Zustand eingesetzt werden. In diesem Falle wurde das Halbzeug bereits beim Hersteller ausscheidungsgehärtet.

Da Beryllium in der EU-67/548 als kanzerogen eingestuft ist, wird bei einer Reihe von Legierungen versucht, das Eigenschaftsspektrum der bewährten CuBe1,7- und CuBe2-Werkstoffe wenigstens näherungsweise auch mit einem geringeren Be-Anteil zu erreichen. Auch die Entwicklung weiterer ausscheidungshärtender Kupfer-Legierungen ohne toxische bzw. deklarationspfichtige Elemente z.B. CuNiCoSi zielt in Richtung CuBe-Ersatz.

Figure 1 Zustandsdiagramm Kupfer-Beryllium mit Temperaturbereichen für Hartlötungen und Wärmebehandlungen

Figure 2 Aushärtung von CuBe2 bei 325°C nach unterschiedlicher Kaltumformung

Figure 3 Aushärtung von CuBe2 (weich) bei 325°C

Figure 4 Aushärtung von CuBe2 (halbhart) bei verschiedenen Anlasstemperaturen

Figure 1: Zustandsdiagramm Kupfer-Beryllium mit Temperaturbereichen für Hartlötungen und Wärmebehandlungen
Figure 2: Aushärtung von CuBe2 bei 325°C nach unterschiedlicher Kaltumformung
Figure 3: Aushärtung von CuBe2 (weich) bei 325°C
Figure 4: Aushärtung von CuBe2 (halbhart) bei verschiedenen Anlasstemperaturen


Table 1: Physikalische Eigenschaften einiger Kupfer-Beryllium-Legierungen
Werkstoff Bezeichnung
EN UNS
Zusammensetzung
[Massen-%]
Dichte
[g/cm3]
Elektr. Leitfähigkeit Elektr. Widerstand
[μΩ·cm]
Wärmeleitfähigkeit
[W/(m·K)]
Lin. Ausdehnungskoeff.
[10-6/K]
E-Modul
[GPa]
Erweichungstemperatur
(ca. 10% Festigkeitsabfall)
[°C]
Schmelzbereich
[°C]
[MS/m] [% IACS]
CuBe1.7
CW100C
C17000
Be 1.6 - 1.8
Co 0.3
Ni 0.3
Cu Rest
8.4 8 - 9a
12 - 13b
11c
14 - 16
21 - 22
19
11 - 12.5a
7.7 - 8.3b
9.1c
110 17 125a
135b
ca. 380 890 - 1000
CuBe2
CW101C
C17200
Be 1.8 - 2.1
Co 0.3
Ni 0.3
Cu Rest
8.3 8 - 9a
12 - 13b
11c
14 - 16
21 - 22
19
11 - 12.5a
7.7 - 8.3b
9.1c
110 17 125a
135b
ca. 380 870 - 980
CuCo2Be
CW104C
C17500
Co 2.0 - 2.8
Be 0.4 - 0.7
Ni 0.3
Cu Rest
8.8 11 - 14a
25 - 27b
27 - 34c
19 - 24
43 - 47
47 - 59
7.1 - 9.1a
3.7 - 4.0b
2.9c
210 18 131a
138b
ca. 450 1030 - 1070
CuNi2Be
CW110C
C17510
Ni 1.4 - 2.2
Be 0.2 - 0.6
Co 0.3
Cu Rest
8.8 11 - 14a
25 - 27b
27 - 34c
19 - 24
43 - 47
47 - 59
7.1 - 9.1a
3.7 - 4.0b
2.9c
230 18 131a
138b
ca. 480 1060 - 1100

alösungsgeglüht und kaltumgeformt
blösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet
clösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet im Werk (werksvergütet)


Table 2: Mechanische Eigenschaften von Kupfer-Beryllium-Legierungen
Werkstoff Zustand Zugfestigkeit Rm
[MPa]
0,2% Dehngrenze
Rp02
[MPa]
Bruchdehnung
A50
[%]
Vickershärte
HV
Biegeradius1)
min senkrecht zur
Walzrichtung
Biegeradius1)
min parallel zur
Walzrichtung
Federbiegegrenze
σFB
[MPa]
Biegewechselfestigkeit
σBW
[MPa]
CuBe1,7 R 390a
R 680a
R 1030b
R 1240b
R 680c
R 1100c
380 -520
680 - 820
1030 - 1240
1240 - 1380
680 - 750
1100 - 1200
≥ 180
≥ 600
≥ 900
≥ 1070
≥ 480
≥ 930
35
2
3
1
18
3
80 - 135
210 - 250
330 - 380
360 - 420
220 - 350
330 - 370
0 x t
1 x t
1 x t

1 x t
6 x t
0 x t
3 x t
1.5 x t

1 x t
10 x t


700
1000
390
790


260
280

260
CuBe2 R 410a
R 690a
R 1140b
R 1310b
R 690c
R 1200c
410 -540
690 - 820
1140 - 1310
1310 - 1480
690 - 760
1200 - 1320
≥ 190
≥ 650
≥ 1000
≥ 1150
≥ 480
≥ 1030
35
2
3
1
18
3
90 - 140
215 - 260
350 - 400
380 - 450
220 - 250
360 - 410
0 x t
1 x t


1 x t
5 x t
0 x t
3 x t


1.5 x t
10 x t


800
1040
400
900


270
300

280
CuCo2Be
CuNi2Be
R 250a
R 550a
R 650b
R 850b
R 520c
250 - 380
550 - 700
650 - 820
850 - 1000
520 - 620
≥ 140
≥ 450
≥ 520
≥ 750
≥ 340
20
2
10
1
5
60 - 90
160 - 200
195 - 230
240 - 290
150 - 180
0 x t
3 x t
1 x t
3 x t
1 x t
0 x t

1 x t
3.5 x t
1 x t


360
650
300


220
250
210

1) t: Banddicke max 0,5 mm
alösungsgeglüht und kaltumgeformt
blösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet
clösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet im Werk (werksvergütet)

Weitere aushärtbare Kupfer-Legierungen

Kupfer-Chrom-Legierungen

Kupfer-Chrom ist, wie das Zustandsdiagramm zeigt, ähnlich wie Kupfer- Beryllium aushärtbar Figure 5. Im ausgehärteten Zustand ist CuCr begrenzt kaltumformbar. Es weist gegenüber Kupfer eine stark erhöhte Warmfestigkeit bei hoher elektrischer Leitfähigkeit auf. Härte und elektrische Leitfähigkeit von Kupfer-Chrom in Abhängigkeit von der Kaltumformung und den Aushärtebedingungen sind in den Bildern (Figs. 6 – 9) dargestellt Table 3 und Table 4.

Kupfer-Chrom-Werkstoffe eignen sich besonders für Widerstands-Schweißelektroden. Beim Hartlöten tritt nur ein geringer Härteabfall auf, wenn mit niedrigschmelzenden Silberloten und kurzer Lötzeit gearbeitet wird.

Figure 5 Kupferecke des Zustandsdiagramms Kupfer-Chrom bis 0,8 Massen-% Chrom

Figure 6 Erweichungsverhalten von warmausgehärtetem und nachverformtem CuCr1

Figure 7 Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von lösungsgeglühtem CuCr0,6 von der Glühbehandlung

Figure 8 Abhängigkeit der Härte von lösungsgeglühtem CuCr 0,6 von der Glühbehandlung

Figure 9 Elektrische Leitfähigkeit und Härte von warmausgehärtetem CuCr 0,6 nach Kaltumformung

Figure 5: Kupferecke des Zustandsdiagramms Kupfer-Chrom bis 0,8 Massen-% Chrom
Figure 6: Erweichungsverhalten von warmausgehärtetem und nachverformtem CuCr1
Figure 7: Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von lösungsgeglühtem CuCr0,6 von der Glühbehandlung
Figure 8: Abhängigkeit der Härte von lösungsgeglühtem CuCr 0,6 von der Glühbehandlung
Figure 9: Elektrische Leitfähigkeit und Härte von warmausgehärtetem CuCr 0,6 nach Kaltumformung


Table 3: Physikalische Eigenschaften weiterer aushärtbarer Kupfer-Legierungen
Werkstoff Bezeichnung
EN UNS
Zusammensetzung
[Massen-%]
Dichte
[g/cm3]
Elektr. Leitfähigkeit Elektr. Widerstand
[μΩ·cm]
Wärmeleitfähigkeit
[W/(m·K)]
Lin. Ausdehnungskoeff.
[10-6/K]
E-Modul
[GPa]
Erweichungstemperatur
(ca. 10% Festigkeitsabfall)
[°C]
Schmelzbereich
[°C]
[MS/m] [% IACS]
CuCr Cr 0.3 - 1.2
Cu Rest
8.89 26a
48b
45a
83b
3.8a
2.1b
170a
315b
17 112 ca. 450 980 - 1080
CuZr Zr 0.1 - 0.3
Cu Rest
8.9 35a
52b
60a
90b
2.9a
1.9b
340a 16 135 ca. 500 1020 - 1080
CuCr1Zr
CW106C
C18150
Cr 0.5 - 1.2
Zr 0.03 - 0.3
Cu Rest
8.92 20a
43b
34a
74b
5.0a
2.3b
170a
310 - 330b
16 110a
130b
ca. 500 1070 - 1080

alösungsgeglüht und kaltumgeformt
blösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet


Table 4: Mechanische Eigenschaften weiterer aushärtbarer Kupfer-Legierungen

Werkstoff

Zustand

Zugfestigkeit

Rm

[MPa]

0,2% Dehngrenze

Rp02

[MPa]

Bruchdehnung

A50

[%]

Vickershärte

HV

Federbiegegrenze

FFB [MPa]

CuCr

R 230a

R 400a R 450b R 550b

> 230

> 400

> 450

> 550

> 80

> 295

> 325

> 440

30

10

10

8

> 55

> 120

> 130

> 150

350

CuZr

R 260a

R 370a R 400b R 420b

> 260

> 370

> 400

> 420

> 100

> 270

> 280

> 400

35

12

12

10

> 55

> 100

> 105

> 115

280

CuCr1Zr

R 200a

R 400b

R 450b

> 200

> 400

> 450

> 60

> 210

> 360

30

12

10

> 70

> 140

> 155

420

Kupfer-Zirkon-Legierungen

Die Löslichkeit von Zirkon in Kupfer beträgt ca. 0,15 Massen-% Zr bei der eutektischen Temperatur von 980° C Figure 10. Kupfer-Zirkon-Werkstoffe weisen ein ähnliches Eigenschaftsspektrum wie die Kupfer-Chrom-Werkstoffe auf. Bei Raumtemperatur ist Kupfer-Zirkon in den mechanischen Eigenschaften dem Kupfer-Chrom unterlegen, bezüglich Warmfestigkeit jedoch mindestens gleichwertig.

Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierungen

Anstatt der früher üblichen Werkstoffe CuCr und CuZr wird seit einigen Jahren die aushärtbare Dreistofflegierung CuCr1Zr eingesetzt. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch hohe Festigkeitswerte auch bei erhöhten Temperaturen und eine sehr hohe Anlaufbeständigkeit sowie hohe Erweichungstemperaturen aus. Im ausgehärteten Zustand weist CuCr1Zr eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf Figure 11. Neben ihrem Einsatz als mechanisch und thermisch hochbeanspruchbare Teile, z.B. als Kontakttulpen in Hochspannungsschaltern, ist auch ihre Verwendung als Elektrodenwerkstoffe für das Widerstandsschweißen hervorzuheben.

Figure 10 Kupferecke des Zustandsdiagramms Kupfer-Zirkon bis 0,5 Massen-% Zirkon

Figure 11 Erweichungsverhalten von CuCr1Zr nach 1h Glühdauer und einer Kaltumformung von 90%

Kupferecke des Zustandsdiagramms Kupfer-Zirkon bis 0,5 Massen-% Zirkon
Erweichungsverhalten von CuCr1Zr nach 1h Glühdauer und einer Kaltumformung von 90%

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