Kenngrößen zur Bewertung der Eigenschaften von Kupfer-Legierungen

Für federnd beanspruchte Bauelemente stellen neben Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit vor allem die typischen Federeigenschaften, wie Federbiegegrenze und Biegewechselfestigkeit sowie die Biegbarkeit wichtige Kenngrößen dar. Bei höherer thermischer Beanspruchung wird das Verhalten der Federwerkstoffe durch Entfestigung und Relaxation bestimmt. Im folgenden sollen diese Kenngrößen kurz beschrieben werden.

Federbiegegrenze

Die Federbiegegrenze stellt die Randbiegespannung dar, die nach Belastung eines genormten Probekörpers und anschließender Entlastung zu einer bleibenden Durchbiegung von 0,05 mm führt. Die Messung der Federbiegegrenze erfolgt nach EN 12384. Die Federbiegegrenze wird neben dem Umformgrad auch stark von der Prüfrichtung innerhalb der Bandebene bestimmt (Figure 1). Dabei ergeben sich quer zur Walzrichtung höhere Werte als parallel dazu. Dies muss bei der Konstruktion einer Feder berücksichtigt werden.

Figure 1: Richtungsabhängigkeit der Federbiegegrenze einiger Kupferwerkstoffe (Wieland)

Biegewechselfestigkeit

Unter Biegewechselfestigkeit versteht man die größte symmetrisch zur Null- Lage aufgebrachte Biegespannung, die eine Probe z.B. Relaisfeder „unendlich oft“ ohne Bruch aushält. (Faustregel: Biegewechselfestigkeit = 1/3 Zugfestigkeit). Die Messung der Biegewechselfestigkeit erfolgt über die Aufnahme von sog. Wöhlerkurven. Mit steigender Biegespannung nimmt die erreichbare Anzahl von Lastwechseln ab.Oberhalb von 10⁷ Lastwechseln ist der Einfluss der Lastspielzahl vernachlässigbar, so dass der für 2 x 10⁷ Lastwechsel ermittelte Wert als Biegewechselfestigkeit angegeben werden kann. Hohe Werte für die Biegewechselfestigkeit weisen die Mehrstofflegierungen CuZn23Al3,5Co und CuSn1CrNiTi auf, niedrige Werte dagegen CuFe2P und CuZn30 (Figs. 2 – 3).

Figure 2: Wöhlerkurven einiger Kupferwerkstoffe. Bandproben: 0,3 mm dick, kaltumgeformt Prüffrequenz: 1500/min (Wieland)

Figure 3: Bereiche der Biegewechselfestigkeit einiger Kupferwerkstoffe (Wieland))

Biegbarkeit

Zur Bewertung des Biegeverhaltens eines Bandes wird der kleinste ohne Anriss der Probe anwendbare und auf die Banddicke s bezogene Biegeradius r angegeben. Hierzu werden Biegeversuche z.B. als Biegeprüfung von 90° gemäß ISO 7438 oder als Hin- und Her-Biegeversuch durchgeführt. Die Biegbarkeit ist bei den naturharten Kupferlegierungen senkrecht zur Walzrichtung deutlich besser als parallel zur Walzrichtung (Figs. 4 – 7).

Figure 4: Kleinstmögliche Biegeradien bei 90°-Abkantung als Funktion der 0,2% Dehngrenze (Streckgrenze)RP0.2 Biegekante senkrecht zur Walzrichtung (Wieland)

Figure 5: Kleinstmögliche Biegeradien bei 90°-Abkantung als Funktion der 0,2% Dehngrenze (Streckgrenze)RP0.2 Biegekante parallel zur Walzrichtung (Wieland)

Erweichungs (Entfestigungs)-Verhalten

Bei erhöhter Temperatur kann durch thermische Aktivierung ein durch Kaltumformung oder Ausscheidungshärtung eingestellter Verfestigungsgrad vollständig abgebaut werden. Als Beginn der Erweichung wird häufig die Temperatur definiert, bei der ein Werkstoff 10% seiner Anfangsfestigkeit einbüßt. Sie hängt vom Grad der Kaltumformung, der Glühtemperatur und -dauer ab. Je höher die Kaltumformung war, um so niedriger liegt die Erweichungstemperatur. Die Erweichungstemperatur von Reinkupfer liegt erwartungsgemäß bei niedrigen Temperaturen. Hohe Werte für die Erweichungstemperatur weisen CuNi9Sn2 und CuSn1CrNiTi auf (Figure 6).

Figure 6: Erweichungsverhalten einiger Kupferwerkstoffe nach 40% Kaltumformung (Wieland)

Relaxationsverhalten

Unter dem Begriff Spannungsrelaxation ist der Spannungsabfall eines elastisch beanspruchten Werkstoffes in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur zu verstehen. Ursache für die Spannungsrelaxation sind thermisch aktivierte Prozesse, die mit Kriechvorgängen vergleichbar sind. Als Maß für die Spannungsrelaxation dient der auf den Ausgangszustand bezogene prozentuale Abfall der Biegespannung. Eine Temperaturerhöhung wirkt sich stärker auf das Nachlassen der Federkraft aus als eine Verlängerung der Belastungsdauer. Durch eine gezielte Anlassbehandlung der Federn kann die Relaxationsneigung deutlich verringert werden. Zur Messung der Spannungsrelaxation werden verschiedene Verfahren angewandt, die auf der Prüfnorm ASTM E-32-86 basieren.

Figure 7 verdeutlicht das je nach Werkstoffzusammensetzung unterschiedliche Relaxationsverhalten von Kupfer-Legierungen. Günstig verhalten sich CuNi3Si1Mg und CuCrSiTi, während CuZn30 und CuSn6 eine starke Relaxationsneigung aufweisen.

Figure 7: Relaxationsverhalten einiger Kupferwerkstoffe. Anfangsspannung: 100% der Federbiegegrenze Belastungsdauer: 100h (Wieland)

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