Difference between revisions of "Naturharte Kupfer-Legierungen"
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ausgeprägte Festigkeitszunahme. | ausgeprägte Festigkeitszunahme. | ||
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den USA) sowie die Mehrstoffzinnbronze | den USA) sowie die Mehrstoffzinnbronze | ||
CuSn3Zn9. | CuSn3Zn9. | ||
− | In <!--5.10--><xr id="fig:Phase diagram of the Cu-Sn system for the range of 0 – 30 wt% Sn"/> ist die kupferreiche Seite des | + | In (<!--5.10--><xr id="fig:Phase diagram of the Cu-Sn system for the range of 0 – 30 wt% Sn"/>) ist die kupferreiche Seite des |
Zustandsdiagramms für das System | Zustandsdiagramms für das System | ||
Kupfer-Zinn dargestellt. Die durch Kaltumformung | Kupfer-Zinn dargestellt. Die durch Kaltumformung | ||
erzielbaren Festigkeitswerte sind | erzielbaren Festigkeitswerte sind | ||
− | denen des Messings überlegen ( | + | denen des Messings überlegen (<xr id="fig:Mechanical properties of tin bronze depending on the tin content (cold working 0 and 50%)"/>). |
− | + | Sie steigen mit wachsendem Zinngehalt | |
deutlich an. Am Beispiel von CuSn8 | deutlich an. Am Beispiel von CuSn8 | ||
sind das Verformungs- und Erweichungsverhalten | sind das Verformungs- und Erweichungsverhalten | ||
− | aufgeführt (<xr id="fig:Strain hardening of CuSn8 by cold working"/><!--Figures 5.12--> | + | aufgeführt (<xr id="fig:Strain hardening of CuSn8 by cold working"/><!--Figures 5.12--> und <xr id="fig:Softening of CuSn8 after 3 hrs annealing after 50% cold working"/><!--Fig. 5.13-->). |
Das Relaxationsverhalten der Kupfer-Zinn- | Das Relaxationsverhalten der Kupfer-Zinn- | ||
Legierungen ist bis ca. 100°C günstig, | Legierungen ist bis ca. 100°C günstig, | ||
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− | [[File:Phase diagram of the Cu Sn system.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Phase diagram of the Cu Sn system.jpg|left|thumb|<caption>Zustandsdiagramm Kupfer-Zinn für den Bereich 0 bis 30 Massen-% Zinn</caption>]] |
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− | [[File:Mechanical properties of tin bronze depending on the tin content.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Mechanical properties of tin bronze depending on the tin content.jpg|left|thumb|<caption>Festigkeitseigenschaften von Zinnbronze in Abhängigkeit vom Zinngehalt |
+ | (Kaltumformung 0 und 50%)</caption>]] | ||
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<figure id="fig:Strain hardening of CuSn8 by cold working"> | <figure id="fig:Strain hardening of CuSn8 by cold working"> | ||
− | [[File:Strain hardening of CuSn8 by cold working.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Strain hardening of CuSn8 by cold working.jpg|left|thumb|<caption>Verfestigungsverhalten von CuSn8 durch Kaltumformung</caption>]] |
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<figure id="fig:Softening of CuSn8 after 3 hrs annealing after 50% cold working"> | <figure id="fig:Softening of CuSn8 after 3 hrs annealing after 50% cold working"> | ||
− | [[File:Softening of CuSn8 50.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Softening of CuSn8 50.jpg|left|thumb|<caption>Erweichungsverhalten von CuSn8 nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%</caption>]] |
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− | ====<!--5.1.4.3--> | + | ====<!--5.1.4.3-->Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen (Neusilber)==== |
− | + | Die günstigen Federeigenschaften, die hohe Korrosionsbeständigkeit und die | |
+ | gute Verarbeitbarkeit machen Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen trotz der | ||
+ | niedrigen elektrischen Leitfähigkeit zu einem häufig eingesetzten Federwerkstoff | ||
+ | für Schalter und Relais. Wie dem Zustandsdiagramm zu entnehmen ist, | ||
+ | liegen die verwendeten Werkstoffe im "-Bereich, stellen demnach einphasige | ||
+ | Legierungen dar (<xr id="fig:Copper rich region of the ternary copper-nickel-zinc phase diagram with indication of the more commonly available german silver materials"/><!--(Fig. 5.14)-->). Die Umformbarkeit und die Festigkeitseigenschaften | ||
+ | von Neusilber sind mit denen von Kupfer-Zinn-Legierungen vergleichbar. Das Verfestigungs- und Erweichungsverhalten zeigen | ||
+ | die Bilder (<xr id="fig:Strain hardening of CuNi12Zn24 by cold working"/><!--Figures 5.15--> und <xr id="fig:Softening of CuNi12Zn24 after 3 hrs annealing after 50% cold working"/><!--5.16-->) am Beispiel von CuNi12Zn24 . | ||
− | + | Hinsichtlich ihres Relaxationsverhaltens sind Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen | |
− | + | der Zinnbronze überlegen. Hervorzuheben sind noch die sehr gute Schweißund | |
+ | Lötbarkeit sowie die hohe Korrosionsbeständigkeit der Kupfer-Nickel-Zink- | ||
+ | Legierungen. | ||
<figtable id="tab:tab5.11"> | <figtable id="tab:tab5.11"> | ||
− | <caption>'''<!--Table 5.11:--> | + | <caption>'''<!--Table 5.11:-->Physikalische Eigenschaften von Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen'''</caption> |
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− | ! | + | !Werkstoff<br />Bezeichnung<br /> |
− | ! | + | !Zusammensetzung<br />[wt%] |
− | ! | + | !Dichte<br />[g/cm<sup>3</sup>] |
− | !colspan="2" style="text-align:center"| | + | !colspan="2" style="text-align:center"|Elektr. Leitfähigkeit |
− | ! | + | !Elektr. Widerstand[μΩ·cm] |
− | ! | + | !Wärmeleitfähigkeit<br />[W/(m·K)] |
− | ! | + | !Lin. Ausdehnungskoeff.<br />[10<sup>-6</sup>/K] |
− | ! | + | !E-Modul<br />[GPa] |
− | ! | + | !Erweichungstemperatur<br />(ca. 10% Festigkeitsabfall)<br />[°C] |
− | ! | + | !Schmelzbereich<br />[°C] |
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<figtable id="tab:tab5.12"> | <figtable id="tab:tab5.12"> | ||
− | <caption>'''<!--Table 5.12:--> | + | <caption>'''<!--Table 5.12:-->Mechanische Eigenschaften von Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen'''</caption> |
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px" | {| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px" | ||
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− | ! | + | !Werkstoff |
− | ! | + | !Zustand |
− | ! | + | !Zugfestigkeit R<sub>m</sub><br />[MPa] |
− | !0,2% | + | !0,2% Dehngrenze<br />R<sub>p02</sub><br />[MPa] |
− | ! | + | !Bruchdehnung<br />A<sub>50</sub><br />[%] |
− | ! | + | !Vickershärte<br />HV |
− | ! | + | !Biegeradius<sup>1)</sup><br />min senkrecht zur<br />Walzrichtung |
− | ! | + | !Biegeradius<sup>1)</sup><br />min parallel zur<br />Walzrichtung |
− | ! | + | !Federbiegegrenze σ<sub>FB</sub><br />[MPa] |
− | ! | + | !Biegewechselfestigkeit σ<sub>BW</sub><br />[MPa] |
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|CuNi12Zn24 | |CuNi12Zn24 | ||
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<div class="multiple-images"> | <div class="multiple-images"> | ||
<figure id="fig:Copper rich region of the ternary copper-nickel-zinc phase diagram with indication of the more commonly available german silver materials"> | <figure id="fig:Copper rich region of the ternary copper-nickel-zinc phase diagram with indication of the more commonly available german silver materials"> | ||
− | [[File:Copper rich region of the termary copper nickel zinc phase diagram.jpg|right|thumb| | + | [[File:Copper rich region of the termary copper nickel zinc phase diagram.jpg|right|thumb|Figure 10: Kupferecke des ternären Zustandsdiagramms Kupfer-Nickel-Zink mit Existenzbereich der handelsüblichen Neusilber-Legierungen]] |
</figure> | </figure> | ||
<figure id="fig:Strain hardening of CuNi12Zn24 by cold working"> | <figure id="fig:Strain hardening of CuNi12Zn24 by cold working"> | ||
− | [[File:Strain hardening of CuNi 12Zn24 by cold working.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Strain hardening of CuNi 12Zn24 by cold working.jpg|left|thumb|<caption>Verfestigungsverhalten von CuNi12Zn24 durch Kaltumformung</caption>]] |
</figure> | </figure> | ||
<figure id="fig:Softening of CuNi12Zn24 after 3 hrs annealing after 50% cold working"> | <figure id="fig:Softening of CuNi12Zn24 after 3 hrs annealing after 50% cold working"> | ||
− | [[File:Softening of CuNi12Zn24 50.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Softening of CuNi12Zn24 50.jpg|left|thumb|<caption>Erweichungsverhalten von CuNi12Zn24 nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%</caption>]] |
</figure> | </figure> | ||
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− | ====<!--5.1.4.4--> | + | ====<!--5.1.4.4-->Kupfer-Silber-(Cadmium)-Legierungen (Silberbronze)==== |
− | + | Neben dem niedriglegierten CuAg0,1 werden auch Kupfer-Werkstoffe mit | |
+ | höherem Silberanteil (2 bis 6 Massen-% ) als Kontaktträgerwerkstoffe eingesetzt. | ||
+ | Sie enthalten teilweise noch 1,5 Massen-% Cd. Wie aus dem Zustandsdiagramm | ||
+ | zu erkennen ist, sind Kupfer-Silber-Legierungen prinzipiell aushärtbar, | ||
+ | jedoch ist die dadurch erreichbare Festigkeitssteigerung gering (<xr id="fig:Phase diagram of copper-silver for the range of 0 – 40 wt% silver"/><!--(Fig. 5.17)-->). | ||
− | + | Kupfer-Silber-Legierungen weisen günstige Federeigenschaften und im Vergleich | |
+ | zu anderen Federwerkstoffen eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit | ||
+ | auf (<xr id="tab:tab5.13"/> <!--(Tab. 5.13)--> und <xr id="tab:tab5.14"/><!--(Tab. 5.14)-->). Die Festigkeitswerte im stark verformten Zustand | ||
+ | kommen denen der Kupfer-Zinn-Legierungen nahe. Verfestigungs- und Erweichungsverhalten | ||
+ | sind am Beispiel von CuAg2 dargestellt [[#figures5|(Figs. 13 – 15)]]<!--(Figs. 5.18 – 5.20)-->. Im Relaxationsverhalten ist die Silberbronze dem Neusilber und der | ||
+ | Zinnbronze überlegen. | ||
− | + | Wegen der günstigen Federeigenschaften in Verbindung mit der sehr hohen | |
− | + | elektrischen Leitfähigkeit eignen sich Silberbronzen z.B. für Kontaktfedern in | |
+ | Relais bei hoher Strombelastung. Daneben werden sie wegen ihrer hohen | ||
+ | Warmfestigkeit als Trägerwerkstoffe für stromführende Dauerkontakte in Schaltgeräten | ||
+ | der Hochspannungstechnik sowie als Elektrodenwerkstoffe für das | ||
+ | Widerstandsschweißen eingesetzt. | ||
<figtable id="tab:tab5.13"> | <figtable id="tab:tab5.13"> | ||
− | <caption>'''<!--Table 5.13:--> | + | <caption>'''<!--Table 5.13:-->Physikalische Eigenschaften einiger Kupfer-Silber-(Cadmium)-Legierungen'''</caption> |
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px" | {| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px" | ||
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− | ! | + | !Werkstoff<br />Bezeichnung<br /> |
− | ! | + | !Zusammensetzung<br />[wt%] |
− | ! | + | !Dichte<br />[g/cm<sup>3</sup>] |
− | !colspan="2" style="text-align:center"| | + | !colspan="2" style="text-align:center"|Elektr. Leitfähigkeit |
− | ! | + | !Elektr. Widerstand[μΩ·cm] |
− | ! | + | !Wärmeleitfähigkeit<br />[W/(m·K)] |
− | ! | + | !Lin. Ausdehnungskoeff.<br />[10<sup>-6</sup>/K] |
− | ! | + | !E-Modul<br />[GPa] |
− | ! | + | !Erweichungstemperatur<br />(ca. 10% Festigkeitsabfall)<br />[°C] |
− | ! | + | !Schmelzbereich<br />[°C] |
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! | ! | ||
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! | ! | ||
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− | |CuAg2<br /> | + | |CuAg2<br />nicht genormt<br /> |
|Ag 2<br />Cu Rest<br /> | |Ag 2<br />Cu Rest<br /> | ||
|9.0 | |9.0 | ||
Line 688: | Line 689: | ||
|1050 - 1075 | |1050 - 1075 | ||
|- | |- | ||
− | |CuAg2Cd1,5<br /> | + | |CuAg2Cd1,5<br />nicht genormt<br /> |
|Ag 2<br />Cd1,5<br />Cu Rest | |Ag 2<br />Cd1,5<br />Cu Rest | ||
|9.0 | |9.0 | ||
Line 700: | Line 701: | ||
|970 - 1055 | |970 - 1055 | ||
|- | |- | ||
− | |CuAg6<br /> | + | |CuAg6<br />nicht genormt<br /> |
|Ag 6<br />Cu Rest | |Ag 6<br />Cu Rest | ||
|9.2 | |9.2 | ||
Line 717: | Line 718: | ||
<figtable id="tab:tab5.14"> | <figtable id="tab:tab5.14"> | ||
− | <caption>'''<!--Table 5.14:--> | + | <caption>'''<!--Table 5.14:-->Mechanische Eigenschaften einiger Kupfer-Silber-(Cadmium)-Legierungen'''</caption> |
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px" | {| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px" | ||
|- | |- | ||
− | ! | + | !Werkstoff |
− | ! | + | !Zustand |
− | ! | + | !Zugfestigkeit R<sub>m</sub><br />[MPa] |
− | !0,2% | + | !0,2% Dehngrenze<br />R<sub>p02</sub><br />[MPa] |
− | ! | + | !Bruchdehnung<br />A<sub>50</sub><br />[%] |
− | ! | + | !Vickershärte<br />HV |
− | ! | + | !Biegeradius<sup>1)</sup><br />min senkrecht zur<br />Walzrichtung |
− | ! | + | !Biegeradius<sup>1)</sup><br />min parallel zur<br />Walzrichtung |
− | ! | + | !Federbiegegrenze σ<sub>FB</sub><br />[MPa] |
− | ! | + | !Biegewechselfestigkeit σ<sub>BW</sub><br />[MPa] |
|- | |- | ||
|CuAg2 | |CuAg2 | ||
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<figure id="fig:Phase diagram of copper-silver for the range of 0 – 40 wt% silver"> | <figure id="fig:Phase diagram of copper-silver for the range of 0 – 40 wt% silver"> | ||
− | [[File:Phase diagram of copper silver.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Phase diagram of copper silver.jpg|left|thumb|<caption>Zustandsdiag ramm Kupfer-Silber für den Bereich 0 bis 40 Massen-% Silber</caption>]] |
</figure> | </figure> | ||
<figure id="fig:Strain hardening of CuAg2 by cold working"> | <figure id="fig:Strain hardening of CuAg2 by cold working"> | ||
− | [[File:Strain hardening of CuAg2 by cold working.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Strain hardening of CuAg2 by cold working.jpg|left|thumb|<caption>Verfestigungsverhalten von CuAg2 durch Kaltumformung</caption>]] |
</figure> | </figure> | ||
<figure id="fig:Softening of CuAg2 after 1 hr annealing after 40% cold working"> | <figure id="fig:Softening of CuAg2 after 1 hr annealing after 40% cold working"> | ||
− | [[File:Softening of CuAg2 40.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Softening of CuAg2 40.jpg|left|thumb|<caption>Erweichungsverhalten von CuAg2 nach 1h Glühdauer und einer Kaltumformung von 40%</caption>]] |
</figure> | </figure> | ||
<figure id="fig:Softening of CuAg2 after 1 hr annealing after 80% cold working"> | <figure id="fig:Softening of CuAg2 after 1 hr annealing after 80% cold working"> | ||
− | [[File:Softening of CuAg2 80.jpg|left|thumb|<caption> | + | [[File:Softening of CuAg2 80.jpg|left|thumb|<caption>Erweichungsverhalten von CuAg2 nach 1h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%</caption>]] |
</figure> | </figure> | ||
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Latest revision as of 08:59, 4 January 2023
Legierungen wie Messinge (CuZn), Zinnbronzen (CuSn) und Neusilber (CuNiZn), bei denen die gewünschte Festigkeit durch Kaltumformung erzeugt wird, werden als naturharte Legierungen bezeichnet. Zu dieser Gruppe sind auch die Silberbronzen mit Silbergehalten von 2 bis 6 Massen-% zu zählen.
Contents
Kupfer-Zink-Legierungen (Messing)
Kupfer-Zink-Legierungen finden wegen ihrer ausreichend hohen elektrischen Leitfähigkeit, der gegenüber Kupfer höheren Festigkeit bei noch guter Verarbeitbarkeit und des günstigen Preises breite Anwendung als Kontaktträgerwerkstoffe in Schaltgeräten der Energietechnik (Table 1 und Table 2). Besonders geeignet sind die sehr gut kaltbildsamen Messinge bis 37 Massen-% Zn, die nach dem Zustandsdiagramm ausschließlich aus der α-Phase aufgebaut sind (Figure 1). Beachtenswert ist die starke Abhängigkeit der Dichte, der elektrischen Leitfähigkeit und der Festigkeitseigenschaften vom Zinkgehalt (Figure 2).
Werkstoff Bezeichnung |
Zusammensetzung [wt%] |
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] | |||||||||
CuZn5 CW500L C21000 |
Cu 94 - 96 Zn Rest |
8.87 | 33 | 57 | 3.8 | 243 | 18.0 | 127 | 1055 - 1065 | |
CuZn10 CW501L C22000 |
Cu 89 - 91 Zn Rest |
8.79 | 25 | 43 | 4.0 | 184 | 18.2 | 125 | 1030 - 1045 | |
CuZn15 CW502L C23000 |
Cu 84 - 86 Zn Rest |
8.75 | 21 | 36 | 4.8 | 159 | 18.5 | 122 | ca. 250 | 1005 - 1025 |
CuZn20 CW503L C24000 |
Cu 79 - 81 Zn Rest |
8.67 | 19 | 33 | 5.3 | 142 | 18.8 | 120 | ca. 240 | 980 - 1000 |
CuZn30 CW505L C26000 |
Cu 69 - 71 Zn Rest |
8.53 | 16 | 28 | 6.3 | 124 | 19.8 | 114 | ca. 230 | 910 - 940 |
CuZn37 CW508L C27200 |
Cu 62 - 64 Zn Rest |
8.45 | 15.5 | 27 | 6.5 | 121 | 20.2 | 110 | ca. 220 | 900 - 920 |
CuZn23Al3Co CW703R C68800 |
Cu 73.5 Al 3.4 Co 0.4 Zn Rest |
8.23 | 9.8 | 17 | 10.2 | 78 | 18.2 | 116 | ca. 280 | 950 - 1000 |
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] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CuZn5 | R 230 R 270 R 340 |
230 - 280 270 -350 340 - 440 |
≤ 130 ≥ 200 ≥ 280 |
36 12 4 |
45 - 90 70 - 120 110 - 160 |
0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t |
250 | 130 |
CuZn10 | R 240 R 280 R 350 |
240 - 290 280 - 360 350 - 450 |
≤ 140 ≥ 200 ≥ 290 |
36 13 4 |
50 - 100 80 - 130 110 - 160 |
0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t |
260 | 140 |
CuZn15 | R 300 R 350 R 410 R 480 R 550 |
300 - 370 350 - 420 410 - 490 480 - 560 ≥ 550 |
≤ 150 ≥ 270 ≥ 360 ≥ 420 ≥ 480 |
16 8 3 1 |
85 - 120 100 - 150 125 - 155 150 - 180 ≥ 170 |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 1 x t 3 x t |
300 | 160 |
CuZn20 | R 270 R 320 R 400 R 480 |
270 - 320 320 - 400 400 - 480 480 - 570 |
≤ 150 ≥ 200 ≥ 320 ≥ 440 |
38 20 5 3 |
55 - 105 95 - 155 120 - 180 ≥ 150 |
0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t |
320 | 180 |
CuZn30 | R 270 R 350 R 410 R 480 |
270 - 350 350 - 430 410 - 490 480 - 580 |
≤ 160 ≥ 200 ≥ 430 ≥ 430 |
40 21 9 4 |
95 - 125 120 - 155 150 - 180 170 - 200 |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 1 x t 2 x t 3 x t |
330 | 180 |
CuZn37 | R 300 R 350 R 410 R 480 R 550 |
300 - 370 350 - 440 410 - 490 480 - 560 550 - 640 |
≤ 180 ≥ 200 ≥ 260 ≥ 430 ≥ 500 |
38 19 8 3 |
55 - 105 95 - 155 120 - 190 ≥ 150 ≥ 170 |
0 x t 0 x t 0 x t 0.5 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 3 x t |
350 | 190 |
CuZn23Al3Co | R 660 R 740 R 820 |
660 - 750 740 - 830 ≥ 820 |
≥ 580 ≥ 660 ≥ 780 |
10 3 2 |
190 - 220 210 - 240 ≥ 235 |
0 x t 1 x t |
0 x t 2 x t |
≥ 400 | 230 |
1) t: Banddicke max 0,5 mm
Nachteile der Kupfer-Zink-Legierungen sind die mit steigendem Zinkgehalt zunehmende Neigung zur Spannungsrisskorrosion und das im Vergleich zu anderen Kupferlegierungen schlechte Spannungsrelaxationsverhalten.
Von den Sondermessingen kommt vor allem CuZn23Al3Co als Kontaktträgerwerkstoff zum Einsatz. Dieser Werkstoff erreicht wesentlich höhere Festigkeitswerte als die Standard-Messinge. Obwohl CuZn23Al3Co zu den naturharten Legierungen gerechnet wird, erreicht er bei geeigneter Anlassbehandlung eine ausgeprägte Festigkeitszunahme.
Kupfer-Zinn-Legierungen (Zinnbronze)
Die Kupfer-Zinn-Legierungen CuSn6 und CuSn8 gelten dank ihrer günstigen Federeigenschaften und ihrer guten Verarbeitbarkeit als Standardwerkstoffe für federnde Kontaktteile in elektromechanischen Bauelementen, wie Steckverbindern, Schaltern und Relais (Table 3 und Table 4). Zum Einsatz kommen außerdem die Legierungen CuSn4 und CuSn5 (vor allem in den USA) sowie die Mehrstoffzinnbronze CuSn3Zn9. In (Figure 6) ist die kupferreiche Seite des Zustandsdiagramms für das System Kupfer-Zinn dargestellt. Die durch Kaltumformung erzielbaren Festigkeitswerte sind denen des Messings überlegen (Figure 7). Sie steigen mit wachsendem Zinngehalt deutlich an. Am Beispiel von CuSn8 sind das Verformungs- und Erweichungsverhalten aufgeführt (Figure 8 und Figure 9). Das Relaxationsverhalten der Kupfer-Zinn- Legierungen ist bis ca. 100°C günstig, wird jedoch oberhalb 150°C deutlich schlechter.
Werkstoff Bezeichnung |
Zusammensetzung [wt%] |
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] | |||||||||
CuSn4 CW450K C51100 |
Sn 3.5 - 4.5 P 0.01 - 0.4 Cu Rest |
8.85 | 12.0 | 20 | 8.3 | 118 | 18.0 | 120 | ca. 260 | 960 - 1060 |
CuSn5 CW451K C51000 |
Sn 4.5 - 5.5 P 0.01 - 0.4 Cu Rest |
8.85 | 10.0 | 17 | 10.0 | 96 | 18.0 | 120 | ca. 260 | 940 - 1050 |
CuSn6 CW452K C51900 |
Sn 5.5 - 7.0 P 0.01 - 0.4 Cu Rest |
8.80 | 9.0 | 15 | 11.1 | 75 | 18.5 | 118 | ca. 280 | 910 - 1040 |
CuSn8 CW453K C52100 |
Sn 7.5 - 8.5 P 0.01 - 0.4 Cu Rest |
8.80 | 7.5 | 13 | 13.3 | 67 | 18.5 | 115 | ca. 320 | 875 - 1025 |
CuSn3Zn9 CW454K C42500 |
Zn 7.5 - 10 Sn 1.5 - 3.5 P 0.2 Ni 0.2 Cu Rest |
8.75 | 12 | 28 | 6.2 | 120 | 18.4 | 126 | ca. 250 | 900 - 1015 |
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] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CuSn4 | R 290 R 390 R 480 R 540 R 610 |
290 - 390 390 - 490 480 - 570 540 - 630 ≥ 610 |
≤ 190 ≥ 210 ≥ 420 ≥ 490 ≥ 540 |
40 13 5 4 2 |
70 - 100 115 - 155 150 - 180 170 - 200 ≥ 190 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
420 | 200 |
CuSn5 | R 310 R 400 R 490 R 550 R 630 R 690 |
310 - 390 400 - 500 490 - 580 550 - 640 630 - 720 ≥ 690 |
≤ 250 ≥ 240 ≥ 430 ≥ 510 ≥ 600 ≥ 670 |
45 17 10 6 3 |
75 - 105 120 - 160 160 - 190 180 - 210 200 - 230 ≥ 220 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
460 | 220 |
CuSn6 | R 350 R 420 R 500 R 560 R 640 R 720 |
350 - 420 420 - 520 500 - 590 560 - 650 640 - 730 ≥ 720 |
≤ 300 ≥ 260 ≥ 450 ≥ 500 ≥ 600 ≥ 690 |
45 20 10 7 4 |
80 - 110 125 - 165 160 - 190 180 - 210 200 - 230 ≥ 220 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
480 | 230 |
CuSn8 | R 370 R 450 R 540 R 600 R 660 R 740 |
370 - 450 450 - 550 540 - 630 600 - 690 660 - 750 ≥ 740 |
≤ 300 ≥ 280 ≥ 460 ≥ 530 ≥ 620 ≥ 700 |
50 23 15 7 4 |
90 - 120 135 - 175 170 - 200 190 - 220 210 - 240 ≥ 230 |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
520 | 240 |
CuSn3Zn9 | R 320 R 380 R 430 R 510 R 580 R 660 |
320 - 380 380 - 430 430 - 520 510 - 600 580 - 690 ≥ 660 |
≤ 230 ≥ 200 ≥ 330 ≥ 430 ≥ 520 ≥ 610 |
25 18 6 3 4 |
80 - 110 110 - 140 140 - 170 160 - 190 180 - 210 ≥ 200 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
500 | 210 |
1) t: Banddicke max 0,5 mm
Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen (Neusilber)
Die günstigen Federeigenschaften, die hohe Korrosionsbeständigkeit und die gute Verarbeitbarkeit machen Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen trotz der niedrigen elektrischen Leitfähigkeit zu einem häufig eingesetzten Federwerkstoff für Schalter und Relais. Wie dem Zustandsdiagramm zu entnehmen ist, liegen die verwendeten Werkstoffe im "-Bereich, stellen demnach einphasige Legierungen dar (Figure 10). Die Umformbarkeit und die Festigkeitseigenschaften von Neusilber sind mit denen von Kupfer-Zinn-Legierungen vergleichbar. Das Verfestigungs- und Erweichungsverhalten zeigen die Bilder (Figure 11 und Figure 12) am Beispiel von CuNi12Zn24 .
Hinsichtlich ihres Relaxationsverhaltens sind Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen der Zinnbronze überlegen. Hervorzuheben sind noch die sehr gute Schweißund Lötbarkeit sowie die hohe Korrosionsbeständigkeit der Kupfer-Nickel-Zink- Legierungen.
Werkstoff Bezeichnung |
Zusammensetzung [wt%] |
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] | |||||||||
CuNi12Zn24 CW403J C75700 |
Cu 63- 66 Ni 11 - 13 Mn 0.5 Fe 0.3 Zn Rest |
8.67 | 4.4 | 7 | 30 | 42 | 18 | 125 | ca. 400 | 1020 - 1065 |
CuNi18Zn20 CW409J C76400 |
Cu 60 - 63 Ni 17 - 19 Mn 0.5 Fe 0.3 Zn Rest |
8.73 | 3.3 | 5 | 23 | 33 | 17.7 | 135 | ca. 440 | 1055 - 1105 |
CuNi18Zn27 CW410J C77000 |
Cu 53 - 56 Ni 17 - 19 Mn 0.5 Fe 0.3 Zn Rest |
8.70 | 3.3 | 5 | 23 | 32 | 17.7 | 135 | ca. 440 | 1050 - 1100 |
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] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CuNi12Zn24 | R 360 R 430 R 490 R 550 R ≥ 610 |
360 - 430 430 - 510 490 - 580 550 - 640 ≥ 580 |
≤ 230 ≥ 230 ≥ 400 ≥ 480 ≥ 580 |
35 8 6 3 2 |
80 - 110 110 - 150 150 - 180 170 - 200 ≥ 190 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
480 | 210 |
CuNi18Zn20 | R 380 R 450 R 500 R 580 R ≥ 640 |
380 - 450 450 - 520 500 - 590 580 - 670 ≥ 640 |
≤ 250 ≥ 250 ≥ 410 ≥ 510 ≥ 600 |
27 9 5 2 |
85 - 115 115 - 160 160 - 190 180 - 210 ≥ 220 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
520 | 220 |
CuNi18Zn27 | R 390 R 470 R 540 R 600 R ≥ 700 |
390 - 470 470 - 540 540 - 630 600 - 700 ≥ 700 |
≤ 280 ≥ 280 ≥ 450 ≥ 550 ≥ 680 |
30 11 5 2 |
90 - 120 120 - 170 170 - 200 190 - 220 ≥ 220 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
550 | 250 |
1) t: Banddicke max 0,5 mm
Kupfer-Silber-(Cadmium)-Legierungen (Silberbronze)
Neben dem niedriglegierten CuAg0,1 werden auch Kupfer-Werkstoffe mit höherem Silberanteil (2 bis 6 Massen-% ) als Kontaktträgerwerkstoffe eingesetzt. Sie enthalten teilweise noch 1,5 Massen-% Cd. Wie aus dem Zustandsdiagramm zu erkennen ist, sind Kupfer-Silber-Legierungen prinzipiell aushärtbar, jedoch ist die dadurch erreichbare Festigkeitssteigerung gering (Figure 13).
Kupfer-Silber-Legierungen weisen günstige Federeigenschaften und im Vergleich zu anderen Federwerkstoffen eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit auf (Table 7 und Table 8). Die Festigkeitswerte im stark verformten Zustand kommen denen der Kupfer-Zinn-Legierungen nahe. Verfestigungs- und Erweichungsverhalten sind am Beispiel von CuAg2 dargestellt (Figs. 13 – 15). Im Relaxationsverhalten ist die Silberbronze dem Neusilber und der Zinnbronze überlegen.
Wegen der günstigen Federeigenschaften in Verbindung mit der sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit eignen sich Silberbronzen z.B. für Kontaktfedern in Relais bei hoher Strombelastung. Daneben werden sie wegen ihrer hohen Warmfestigkeit als Trägerwerkstoffe für stromführende Dauerkontakte in Schaltgeräten der Hochspannungstechnik sowie als Elektrodenwerkstoffe für das Widerstandsschweißen eingesetzt.
Werkstoff Bezeichnung |
Zusammensetzung [wt%] |
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] | |||||||||
CuAg2 nicht genormt |
Ag 2 Cu Rest |
9.0 | 49 | 85 | 2.0 | 330 | 17.5 | 123 | ca. 330 | 1050 - 1075 |
CuAg2Cd1,5 nicht genormt |
Ag 2 Cd1,5 Cu Rest |
9.0 | 43 | 74 | 2.3 | 260 | 17.8 | 121 | ca. 350 | 970 - 1055 |
CuAg6 nicht genormt |
Ag 6 Cu Rest |
9.2 | 38 | 66 | 2.4 | 270 | 17.5 | 120 | 960 - 1050 |
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] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CuAg2 | R 280 R 380 R 450 R 550 |
280 - 380 380 - 460 450 - 570 ≥ 550 |
≤ 180 ≥ 300 ≥ 420 ≥ 500 |
30 6 3 1 |
50 - 110 100 - 140 130 - 165 ≥ 160 |
0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 1 x t |
400 | 190 |
CuAg2Cd1,5 | R 300 R 380 R 480 R 600 |
300 - 380 380 - 490 480 - 620 ≥ 600 |
≤ 190 ≥ 310 ≥ 440 ≥ 550 |
30 8 3 1 |
55 - 110 100 - 145 130 - 170 ≥ 160 |
0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 1 x t |
440 | 220 |
CuAg6 | R 320 R 400 R 500 R 650 |
320 - 400 400 - 510 500 - 660 ≥ 650 |
≤ 210 ≥ 330 ≥ 460 ≥ 610 |
30 6 3 1 |
70 - 120 110 - 150 145 - 175 ≥ 175 |
0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 1 x t |
460 | 230 |
1) t: Banddicke max 0,5 mm