Kap 8
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Lernkarten
Was sind die Eigenschaften von Kupfer?
- duktiles kfz-Metall
- hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit
- beständig gegen atmosphärische Korrosion (dünne, grünliche Deckschicht)
- Dichte: 8,9 g/cm³
- leicht höher als die von Stahl
- E-Modul: 120 GPa, niedriger als Stahl
- Schmelzpunkt: 1083°C
- toxische Wirkung auf Bakterien und kleine Lebewesen (z.B. Algen)
Warum ist die Kupfergewinnung unproblematisch?
da niedrige Bildungsenthalpie
Bei was ist Kupfer problematisch und warum?
- problematisch beim Schweißen, da Wasserstoffdiffusion in Gang gesetzt wird
⇒ Gasblasen im Bereich der Korngrenzen ⇒ hohe Drücke ⇒ Gefüge von innen gesprengt = Wasserstoffkrankheit
Was sind die Hauptlegierungselemente?
Zn, Sn, Ni, Al, Be
Was sind Mechanismen zur Festigkeitssteigerung?
- Mischkristallhärtung
- Ausscheidungshärtung
- Kaltverfestigung
- Kornfeinerung
- Umwandlungshärtung
Aus welchen Legierungselementen besteht Messing?
- Messing: Cu mit Zn
Aus welchen Legierungselementen besteht Broze?
- Bronze: Cu mit anderen Hauptlegierungselementen
Berechnung von el. Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit
Allgemein (mechanisch, thermisch, korossiv,…) : Messgröße = Werkstoffkennwert x Geometrie x Belastungsgröße
Elektrische Leitfähigkeit:
I bzw q(punkt) = -(sigma)*(A/l)*deltaU
Wärmeleitfähigkeit:
Q(punkt)= -(lambda)*(A/l)*deltaT
Eigenschaften von Reinkupfer
- im weichgeglühten Zustand: keine nennenswerte Festigkeit
- durch Kaltverformung (Walzen, Stangpressen oder Schmieden = Druckumformprozesse):
R p0,2 > 300
- durch Umformung im Druckgebiet: wesentlich höhere Umformungsgrade als im Zugversuch,
außerdem: keine Einschnürung beim Druckumformen
Eigenschaften Cu-Ni-Legierungen
Kupfer, Nickel: beide kfz-Gitter, fast identischen Gitterkonstanten und ähnliche Elektronegativitäten
⇒ vollständig ineinander löslich
⇒ keine Sprünge in den mechanischen Eigenschaften bei Betrachtung des Ni-Gehaltes
je mehr Ni, desto mehr Verfestigung möglich
Nickel macht Werkstoff säurebeständig
Was geschieht mit steigenden Ni-Gehalt?
- Erholungs- und Rekristallisationstemperatur steigt
- Ni-Gehalt > 15%: Legierung ändert ihre Farbe von rot zu silber
Für was werden Cu-Ni-Legierungen verwendet?
Münzherstellung, Feinmechanik, Geräte- und Instrumentenbau
Wie ist die Gitterstruktur von Zn als reines Metall?
hexagonales Gitter
Was für ein Gefüge haben Cu-Zn Legierungen
- bei 50% Cu, 50% Zn: krz-Phase (sog. β-Phase)
- bei tiefen Temperaturen: β-Phase nimmt Überstruktur an ⇒ kubische Struktur β‘ -Phase)
- < 37% Zn: Messing ist einphasig, besteht aus kfz α-Körnern mit Rekristallisationszwillingen
- 37% < Zn < 46%: zweiphasig, (α + β)-Messing, Phasen liegen nicht ineinander wie Ausscheidungen, sondern als sehr feine Körner nebeneinander
- 46% < Zn < 50%: Nur β-Phase, grobe Körner, keine Zwillinge
Erhältlich als Knetlegierung und Gusslegierung
Wie werden Cu-Zn-Legierungen genannt?
Messing
Was geschieht mit steigendem Zn-Gehalt?
- Dehngrenze und Zugfestigkeit steigen durch Mischkristallhärtung bis ca. 35% Zn leicht an
- danach: rapider Anstieg der Festigkeit durch Kornfeinung und Anwesenheit der β-Phase
- Zn > 45%: Festigkeit sinkt, da β-Körner meist sehr grob
- Zn > 50%: Starke Versprödung, da γ-Phase in Erscheinung tritt
Was ist Sondermessing?
CuZn-Legierungen mit Elementzusätzen wie Al, Mn oder Sn
Für was werden Cu-Zn-Legierungen verwendet?
- Pleuel: gute Korrosionsbeständigkeit, gute Gleiteigenschaften
- in Säuren weniger beständig, da Entzinkung auftritt
- Ähnlich bei (α + β)-Messing: Bildung von Lokalelementen zwischen den Körnern (β-Körner: viel Zn; α-Körner: wenig Zn)
Erhältlich als Knetlegierung und Gusslegierung
Eigenschaften von Cu-Al-Legierungen
- Al in Cu bis zu 9% l¨oslich, bildet kfz- α-Mischkristall
- 9% < Al < 14%: zwei Phasen, α und γ 2 stabil
- Unterteilung in zwei Gruppen: einphasige und mehrphasige Legierungen
- mehrphasige Legierungen enthalten häufig weitere Elemente
- Sorten mit mehr als 14% Al werden wie Kohlenstoffstähle vergütet
Wie werden Cu-Al-Legierungen genannt?
Aluminiumbronzen
Was entsteht bei rascher Abkühlung aus dem β-Bereich der Cu-Al-Legierung?
es entsteht Martensit (Wie bei Kohlenstoffstahl)
Was passiert beim Anlassen von Cu-Al-Legierungen?
Martensit zerfällt beim Anlassen in α und γ2 (analog zu Fe-C-Martensit)
Wie unterscheiden sich vergütbare Al-Bronzen von einphasigen Werkstoffen?
vergütbare Al-Bronzen haben weit höhere Dehngrenzen als die einphasigen Werkstoffe
Wie verändert sich die Zugfestigkeit von Cu-Al-Legierungen?
- steigt mit zunehmenden Al-Gehalt bis 10% Al und fällt danach ab
- Nebeneffekt: Verringerung der Dichte mit steigendem Al
Eigenschaften von Cu-Be-Legierungen
- höchste Festigkeiten unter den Kupferlegierungen
- Beispiel für Ausscheidungshärtung
- bis zu 2 % Be, damit Cu aushärtbar wird
Eigenschaften von Cu-Sn-Pb-Legierungen
- „Gleitlagerwerkstoffe“
- Träge Kinetik der Î-Phase ⇒ Phase kann in Bereichen unter 350°C ignoriert werden
- geeignet für Gleitlager
- Sn: erhöht die Härte und auch Festigkeit,
- Pb: Selbstschmiereffekt (günstige Notlaufeigenschaften im Fall einer Mangelschmierung)
- Schnelle Abfuhr von Reibwärme durch hohe Wärmeleitfähigkeit
Welche Eigenschaften hat Blei in Cu-Sn-Pb-Legierungen?
nahezu unlöslich in Cu, Zusatz bewirkt Bildung einer zweiten extrem weichen, zweiten Phase
--> mit zunehmendem Bleigehalt sinkt die Festigkeit des Werkstoffs
Welche Eigenschaften hat Zinn in Cu-Sn-Pb-Legierungen?
- Sn < 9% : Legierung gut umformbar
- 10% < Sn < 25%: neben kfz α-Phase auch δ-Phase (wirkt versprödend, da komplexe Elementarzelle) ⇒ Knetlegierungen max. 9% Sn, höherer Sn-Gehalt nur in Gusslegierungen
