Aushärtbare Kupfer-Legierungen

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 (Table 2 und Figs. 2 – 4).

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

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

_a lösungsgeglüht und kaltumgeformt

_b lösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet

_c lösungsgeglüht, 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

_a lösungsgeglüht und kaltumgeformt

_b lösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet

_c lösungsgeglüht, 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 Figure 6 bis 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

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

_a lösungsgeglüht und kaltumgeformt

_b lösungsgeglüht, 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%

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