Naturharte Kupfer-Legierungen

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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
EN UNS
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%

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 (Bild 5.11). Sie steigen mit wachsendem Zinngehalt deutlich an. Am Beispiel von CuSn8 sind das Verformungs- und Erweichungsverhalten aufgeführt (Figure 8 and 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
EN UNS
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%

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
EN UNS
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%

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
EN UNS
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%

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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