Kupfer-Zink-Legierungen (Messing)
Messing ist eine Legierung aus den Metallen Kupfer und Zink. Die gängigen Verbindungen enthalten einen Zinkgehalt von fünf bis 45 Prozent. Darüber hinaus werden keine brauchbaren Legierungen hergestellt. Das Farbspektrum reicht von Goldrot mit hohem Kupferanteil bis hin zu Hellgelb mit hohem Zinkanteil.
Kupfer und Zink vermischen sich optimal in der Schmelze und bleiben auch beim Erstarren gleichmäßig ineinander verteilt. Messing ist daher ein sehr homogenes Material. Obwohl theoretisch unendlich viele Legierungen zwischen Kupfer und Zink hergestellt werden können, ist die Zahl der Messingsorten in der Praxis auf einige Dutzend begrenzt. Die neuen Euronormen listen etwa 60 Klassen auf. Dadurch können weitgehend alle gewünschten physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften erzeugt werden.
Aber nicht nur die beiden Grundmetalle sind hervorragend ineinander löslich. Zahlreiche weitere Elemente wie Aluminium, Eisen, Mangan, Nickel, Silizium und Zinn können der Schmelze zugesetzt und so neue Legierungen mit vorteilhaften Eigenschaften erhalten werden. Messinge mit solchen speziellen Zusätzen werden Sondermessinge genannt. Als Automaten- oder Automatenmessinge werden auch solche Messingsorten bezeichnet, die geringe Mengen Blei als dritte Komponente zur besseren Zerspanbarkeit enthalten.
Weitere Informationen
- Klassifizierung von Materialien
- Automatenmessing (MS58)
- Eigenschaften
- Anwendungsbeispiele
Die Verwendungen sind jedoch sehr unterschiedlich. Messingprodukte finden sich beispielsweise häufig in Sanitärinstallationen wie Rohren, Armaturen oder Armaturen wieder. Hier wird die hohe Korrosionsbeständigkeit und Stabilität des Materials geschätzt. Das ist auch der Grund, warum Schiffspropeller aus Messing bestehen. Aber auch in Kraftwerken und im Maschinenbau findet Messing Verwendung als Ventile, Lager oder Rohre. Weitere Anwendungsgebiete sind die Steuer-, Mess- und Regeltechnik, der Fahrzeugbau, die Feinmechanik oder die Elektrotechnik und Elektronik. Bei den beiden letztgenannten wird die Kupferlegierung aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit unter anderem zur Herstellung von Anschlusskontakten, Steckverbindungen, Hohlleitern oder Antennen verwendet.
Klassifizierung von Materialien
Die in den Tabellen 7, 8 und 9 der Norm DIN CEN/TS 13388 aufgeführten Knetlegierungen werden nach DIN EN 1412 in drei Gruppen eingeteilt:
- A: Kupfer-Zink-Knetlegierungen ohne weitere Legierungselemente.
- B: Kupfer-Zink-Knetlegierungen mit Blei u
- C: Kupfer-Zink-Knetlegierungen mit weiteren Legierungselementen (Mehrstofflegierungen).
In der Gruppe A wird zwischen Legierungen mit einem Zinkgehalt bis 37 % und Legierungen mit mehr als 37 % Zink unterschieden. Legierungen mit weniger als 37 % Zink haben eine homogene α-Struktur. Bei Legierungen mit mehr als 37 % Zink tritt auch β als zweite Phase auf, was die Eigenschaften deutlich verändert. Dieselbe Einteilung ist auch für Gruppe B üblich. Diesen Legierungen wird zur Verbesserung der Zerspanbarkeit bis zu 3,5 % Blei zugesetzt. Blei ist in Kupfer-Zink-Legierungen unlöslich. Die Bleieinschlüsse wirken als Spanbrecher im Gefüge. In der Gruppe C enthalten die Legierungen Zusätze von Aluminium, Zinn, Nickel, Eisen, Silizium, Mangan etc. Diese Zusätze verschieben mehr oder weniger die Phasengrenzen des Kupfer-Zink-Systems; sie beeinflussen die Struktur und die Eigenschaften. Sie dienen vor allem der Verbesserung der Festigkeit sowie der Gleit- und Verschleißeigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit.
Die reinen (binären) Kupfer-Zink-Legierungen lassen sich aufgrund ihrer Mikrostruktur in drei Hauptgruppen einteilen.
Die erste Gruppe von Legierungen bis ca. 37 % Zink hat eine einheitliche Mikrostruktur (α-Phase) und kristallisiert in einem kubisch flächenzentrierten Gitter.
Die zweite Gruppe, gekennzeichnet durch ca. 37 bis 46 % Zink, enthält mit der β-Phase, die in einem kubisch-raumzentrierten Gitter erstarrt, einen zusätzlichen Strukturbestandteil geringerer Plastizität, dessen Anteil an der Gesamtstruktur mit dem Zinkgehalt zunimmt (α+β-Struktur).
Die dritte Materialgruppe mit ca. 46 bis 50 % Zink bestehen wiederum aus einer einheitlichen Struktur (β-Phase).
Bei noch höheren Zinkgehalten tritt als weiterer Gefügebestandteil die γ-Phase auf, deren extreme Sprödigkeit solche Legierungen technisch unbrauchbar macht.
Die Eigenschaften der binären Kupfer-Zink-Legierungen ändern sich relativ gleichmäßig je nach Zinkgehalt im Bereich der α-Mischkristalle. Bei höheren Zinkgehalten beobachtet man dagegen meist sprunghafte Eigenschaftsänderungen mit dem Auftreten von β-Mischkristallen im Gefüge. Neben dem Zinkgehalt werden die Eigenschaften durch den Gehalt an weiteren Legierungselementen beeinflusst. Für bestimmte Anforderungen stehen somit passende Legierungsvarianten zur Verfügung.
Automatenmessing (MS58)
Für das sogenannte Automatenmessing ist die Bezeichnung „MS58“ in der Praxis noch weit verbreitet. Eigentlich darf heute nicht mehr von MS58 gesprochen werden, da diese Qualität laut Norm nicht mehr existiert. In DIN 17660, Ausgabe Aug. 1954, ist folgende Zusammensetzung der damaligen MS 58 angegeben:
- Cu 57–59,5; Pb 1-3; Zn-Rest; Fe 0,5, Sn 0,3, Al 0,1, Mn 0,2, Ni 0,5, Sb 0,02, andere 0,2 max.
Obwohl die heute zu verwendenden Werkstoffe in diese Analyse passen, wurde 1967 eine Einteilung in drei Legierungsgruppen und zunächst fünf Legierungen vorgenommen, die 1974 auf die heute noch existierenden drei Legierungen reduziert wurde. Die Unterschiede zwischen den Werkstoffen CuZn39Pb2, CuZn39Pb3 und CuZn40Pb2 ergeben sich aus deren spezifischen Anwendungen. Jedes dieser Materialien wurde hinsichtlich spezifischer Verarbeitungsverfahren optimiert:
- CuZn39Pb2 (CW612N nach EN, 2.0380 nach ehemaliger DIN): gut warmumformbar, bedingt kaltumformbar (Biegen, Nieten, Bördeln); gute stanzbare Bohr- und Fräsqualität;
- CuZn39Pb3 (CW614N nach EN, 2.0401 nach ehemaliger DIN): gute Warmumformbarkeit; Hauptlegierung für die Bearbeitung auf automatischen Maschinen;
- CuZn40Pb2 (CW617N nach EN, 2.0402 nach ehem. DIN): gute Warmumformbarkeit, bedingte Kaltumformbarkeit; Legierung für alle Bearbeitungsverfahren und präzise gezogene Profile.
Für Trinkwasseranwendungen spielen geringfügige Unterschiede in den technologischen Eigenschaften keine wesentliche Rolle. Darüber hinaus begrenzen Vorschriften die Anzahl der Materialien, die verwendet werden können, sogar innerhalb der oben genannten Gruppe. Im Streitfall kann die Bezeichnung MS58 erhebliche Probleme bereiten. Das sogenannte MS58 ist ein gängiges Material, das praktisch immer ab Lager verfügbar ist. Kunden wird daher oft zu diesem Material geraten, obwohl eine genauer spezifizierte Qualität nach den geltenden Normen oder ein anderes, weniger gefragtes Messingmaterial manchmal besser geeignet wäre.
Eigenschaften von Knetlegierungen aus Kupfer-Zink (Messing).
Physikalische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Elektrische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Thermische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Magnetische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur (Knetlegierungen)
Mechanische Eigenschaften bei erhöhten und niedrigen Temperaturen (Knetlegierungen)
Eigenschaften von Kupfer-Zink (Messing)-Gusslegierungen
Physikalische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Die Dichte von reinem Kupfer bei 20 °C beträgt 8,93 g/cm3. Dieser Wert nimmt mit steigendem Zinkgehalt ab. Der E-Modul nimmt mit dem Zinkgehalt bis zur Grenze des α-Bereichs leicht ab, im (α+β)-Bereich stark. Charakteristisch für Kupfer-Zink-Legierungen ist ihre ansprechende Farbe. Die Kupferfarbe ändert sich mit zunehmendem Zinkgehalt über Goldrot bei CuZn5, Goldgelb bei CuZn15 und Grüngelb bei CuZn28 bis hin zu einem satten Gelbton bei CuZn37. Mit dem Auftreten von β-Kristallen in den zweiphasigen (α+β)-Kupfer-Zink-Legierungen ändert sich der Farbton ins Rötliche. Allerdings ist hier zu erwähnen, dass bei der Abschätzung der Zusammensetzung anhand der Farbe die Zugabe geringe Mengen anderer Legierungselemente können ihn stark verändern. Beispielsweise führen geringe Zusätze von Aluminium zu CuZn40Pb2 zu einer grünlich-gelben Farbe und von Mangan zu einer bräunlichen Farbe. Das macht die Kupfer-Zink-Legierungen für Architektur und Kunst interessant.
Elektrische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Die elektrische Leitfähigkeit von α-Messing sinkt mit zunehmendem Zinkgehalt auf einen Wert von etwa 15,5 MS/m, CuZn5 ist mit einer Leitfähigkeit von immer noch über 33 MS/m ein begehrter Werkstoff für spezielle Anwendungen in der Elektrotechnik der Grad der Kaltumformung steigt, die elektrische Leitfähigkeit sinkt.
Thermische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit dem Zinkgehalt ab und mit der Temperatur zu. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient steigt mit dem Zinkgehalt. Die spezifische Wärme ist im α-Bereich mit 0,377 bis 0,390 J/g × K nahezu unabhängig vom Kupfergehalt. Die spezifische Wärme steigt mit dem Zinkgehalt. Im (α+β)-Bereich steigt sie mit zunehmender Zinkkonzentration an.
Magnetische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Eisenfreie Kupfer-Zink-Legierungen sind diamagnetisch. Die spezifische Suszeptibilität von reinem Kupfer von -0,086 × 10-6 steigt mit dem Zinkgehalt bis auf -0,19 × 10-6 für CuZn43Pb2 an. Sie ist temperaturabhängig.
Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur (Knetlegierungen)
Die üblichen Kupfer-Zink-Legierungen können nicht ausgehärtet werden. Hohe Härte- und Festigkeitseigenschaften können daher neben der Legierungshärtung nur durch Kaltumformung erreicht werden. Mit steigendem Zinkgehalt – bis etwa 45 % Zn – steigen Zugfestigkeit und Brinellhärte. Die Bruchdehnung erreicht bei ca. 30 % Zn einen Maximalwert. CuZn30 lässt sich am besten kaltumformen. CuZn37, aus wirtschaftlichen Gründen die wichtigste Legierung zum Kaltumformen in Deutschland, ist CuZn30 in der Kaltumformbarkeit jedoch nur geringfügig unterlegen. Bestimmte Legierungszusätze verbessern die mechanischen Eigenschaften der Kupfer-Zink-Legierungen, bei einigen Legierungen auch die Verschleiß- und Gleiteigenschaften. Zugfestigkeit und Härte nehmen mit dem Grad der Kaltumformung zu, während die Bruchdehnung abnimmt. Die Zugfestigkeit von binären Kupfer-Zink-Knetlegierungen als Band oder Blech liegt zwischen 230 und über 610 N/mm2, je nach Zusammensetzung und dem Grad der Kaltumformung, der die Werkstoffbeschaffenheit bestimmt, liegt die Brinellhärte HB zwischen 45 und 180 ; die Vickershärte HV ist messtechnisch bedingt etwas höher als die Brinellhärte.
CuZn37 ist ein guter Federwerkstoff (Federeigenschaften für Bänder und für Drähte. Einphasige α-Kupfer-Zink-Legierungen lassen sich gut tiefziehen. Die Tiefziehwerte für CuZn36, R300 (und CuZn37, R300) liegen zwischen 11 – 14,3 mm abhängig von der Blechdicke (0,3 – 2 mm).Die Ermüdungsfestigkeit wird üblicherweise als Wechselfestigkeit bestimmt.Die Ermüdungsfestigkeit steigt mit abnehmendem Kupfergehalt.Bei „Mehrstofflegierungen“ zum Beispiel die Ermüdungsfestigkeit von CuZn37Mn3Al2PbSi , liegt zwischen 170 N/mm2 im gepressten und 190 N/mm2 im gezogenen Zustand [1] Das Verhältnis von Dauerfestigkeit zu Zugfestigkeit liegt mit 0,26 bis 0,33 im für Kupferwerkstoffe üblichen Bereich.
Mechanische Eigenschaften bei erhöhten und niedrigen Temperaturen (Knetlegierungen)
Besonders „Mehrstofflegierungen“ haben bei erhöhten Temperaturen noch gute Eigenschaften. Die Kriechfestigkeit von Kupfer-Zink-Legierungen steigt – zumindest bei niedrigen Temperaturen – mit abnehmendem Kupfergehalt. Kupfer-Zink-Legierungen werden bei niedrigen Temperaturen nicht spröde. Dies ermöglicht ihren Einsatz als Konstruktionswerkstoffe im Niedertemperaturbereich.
Eigenschaften von Kupfer-Zink (Messing)-Gusslegierungen
Die Kupfer-Zink-Gusslegierungen werden nach ihrer Eignung als Sand- (GS), Kokillen- (GM), Schleuder- (GZ), Strangguss (GC) und Druckguss (GP) eingeteilt. Bei Mehrkomponentenlegierungen für den Kokillenguss unterscheidet man in der Praxis weiter zwischen den Legierungen nach ihrem Lötverhalten und ihren mechanischen Eigenschaften; dementsprechend wird zwischen weich- und hartlötbaren aluminiumfreien Legierungen und hochfesten aluminiumhaltigen Legierungen unterschieden.
Die meisten physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Leitfähigkeit und Ausdehnung von Kupfer-Zink-Gusslegierungen sind im weichgeglühten und rekristallisierten Zustand vergleichbar mit denen von Knetlegierungen.
Magnetische Eigenschaften: Eisenfreie Kupfer-Zink-Gusslegierungen sind diamagnetisch. Die spezifische Suszeptibilität von reinem Kupfer von -0,086 × 10-6 steigt mit dem Zinkgehalt. Es ist temperaturabhängig.
Mechanische Eigenschaften: Die Spanne der Zugfestigkeitswerte reicht hier bis 750 N/mm2. Das Gießverfahren hat einen erheblichen Einfluss, wie ein Vergleich mit den Kennwerten für den Sandguss zeigt.
Mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen: Besonders „Mehrstofflegierungen“ weisen auch bei erhöhten Temperaturen noch gute Eigenschaften auf.
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