Naturharte Kupfer-Legierungen

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.

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).

Table 1: Physikalische Eigenschaften einiger Kupfer-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]
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

Table 2: Mechanische Eigenschaften einiger Kupfer-Zink-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]
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.

Figure 1: Zustandsdiagramm Kupfer-Zink für den Bereich 0 bis 60 Massen-% Zink

Figure 2: Festigkeitseigenschaften von Messing in Abhängigkeit vom Kupfergehalt (Kaltumformung 0 und 50%)

Figure 3: Verfestigungsverhalten von CuZn36 durch Kaltumformung

Figure 4: Erweichungsverhalten von CuZn36 nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 25%

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.

Table 3: Physikalische Eigenschaften von Kupfer-Zinn-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]
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

Table 4: Mechanische Eigenschaften von Kupfer-Zinn-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]
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

Figure 5: Erweichungsverhalten von CuZn36 nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%

Figure 6: Zustandsdiagramm Kupfer-Zinn für den Bereich 0 bis 30 Massen-% Zinn

Figure 7: Festigkeitseigenschaften von Zinnbronze in Abhängigkeit vom Zinngehalt (Kaltumformung 0 und 50%)

Figure 8: Verfestigungsverhalten von CuSn8 durch Kaltumformung

Figure 9: Erweichungsverhalten von CuSn8 nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%

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.

Table 5: Physikalische Eigenschaften von 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

Table 6: Mechanische Eigenschaften von Kupfer-Nickel-Zink-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]
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

Figure 10: Kupferecke des ternären Zustandsdiagramms Kupfer-Nickel-Zink mit Existenzbereich der handelsüblichen Neusilber-Legierungen

Figure 11: Verfestigungsverhalten von CuNi12Zn24 durch Kaltumformung

Figure 12: Erweichungsverhalten von CuNi12Zn24 nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%

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.

Table 7: Physikalische Eigenschaften einiger Kupfer-Silber-(Cadmium)-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]
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

Table 8: Mechanische Eigenschaften einiger Kupfer-Silber-(Cadmium)-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]
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

Figure 13: Zustandsdiag ramm Kupfer-Silber für den Bereich 0 bis 40 Massen-% Silber

Figure 14: Verfestigungsverhalten von CuAg2 durch Kaltumformung

Figure 15: Erweichungsverhalten von CuAg2 nach 1h Glühdauer und einer Kaltumformung von 40%

Figure 16: Erweichungsverhalten von CuAg2 nach 1h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%

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