Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik

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1 Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik Von Dr.-lng. Kurt Dies Bad Hornburg v. d. H. Mit 849 Abbildungen und 228 Tabellen

2 ISBN DOI / ISBN ( ebook) Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem wege (Photokopie, Mikrokopie) oder auf andere Art zu vervielfältigen by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1967 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Library of Congress Catalog Card Number Die \Viedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, \Varenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Titel-Nr. 1328

3 Vorwort Das vorliegende Werk befaßt sich hauptsächlich mit technischem Kupfer nnd Kupferlegierungen, bei denen der Kupfergehalt gegenüber den übrigen Legiernngsbestandteilen überwiegt. Obwohl Kupfer ein sehr altes nnd weitverbreitetes Gebrauchsmetall ist, bestehen im deutschen Schrifttum kaum zusammenfassende Schriften über die technisch wichtigsten Kupferlegiernngen, sondern überwiegend eine große Zahl zum Teil sehr ausführlicher Monographien über Einzelfragen. Es ist nicht Aufgabe des vorliegenden Buches, die Metallkunde der Kupferlegiernngen zu behandeln, dennoch erachtet es der Verfasser als notwendig nnd nützlich, den einzelnen Kapiteln über Kupfer und Kupferlegierungen eine kurze Übersicht über metallknndliche Grundlagen voranzustellen. Diese einleitenden Abschnitte wurden im Hinblick auf das Thema der Monographie ausgewählt und behandelt. Die speziellen Abschnitte versuchen das derzeitige Grundwissen möglichst konzentriert, jedoch ohne Anspruch auf Vollständigkeit zu bringen. Der Hauptwert wird dabei auf das Herausarbeiten von systematischen Zusammenhängen aus der Fülle von Einzelarbeiten gelegt. Hierdurch soll es den in der Praxis stehenden Ingenieuren, aber auch den Studierenden und Wissenschaftlern möglich gemacht werden, sich des Werkes, in dem viele in dem Schrifttum verstreute Zahlenwerte gesammelt sind, als praktischer Ratgeber zu bedienen. Dem Vorstand der Vereinigte Deutsche Metallwerke A.G sowie der Geschäftsführnng der Hauptniederlassung Frankfurt am Main danke ich für die verständnisvolle Förderung der Arbeit nnd für die Genehmignng der Veröffentlichnng. Ferner gilt mein Dank allen Mitarbeitern, die zum Zustandekommen des Buches beigetragen haben. Herr Dr. ERicHHODES bearbeitete Teile der Abschnitte über Korrosion. Herr Dr. PAUL WINCIERZ, Metallgesllschaft A. G., Frankfurt(Main, hat Abschnitte des Kapitels l kritisch durchgesehen, und Herr Direktor i. R. Dipl.-Ing. FRITZ KüNSTEL hat frenndlicherweise die Durchsicht des gesamten Manuskriptes übernommen. Mein ganz besonderer Dank gilt Frau vvitta GENZMER, die an der Fertigstellnng des Manuskriptes nnermüdlich mitgewirkt hat. Es ist mir eine besondere Freude, dem Verlag für sein Entgegenkommen hinsichtlich der Ausstattnng des umfangreichen vverkes zu danken. Bad Homburg, im Oktober 1966 Kurt Dies

4 lnhaltsverzeichms 1. luetallkundliche Grundlagen (Ausgewählte Abschnitte) 1.1 Metallatome l.l.l. Aufbau der Atome Bohrsches Atommodell Pauli-Prinzip Elektronengas und Brillouin-Zonen Magnetisches Verhalten Periodisches System der Elemente Idealer Kristall Typen der chemischen Bindung Metallische Bindung Räumliche Punktgitter und Symmetriegruppen Metallische Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme Optische Eigenschaften 20 Allgemeine Literatur Metallische Realkristalle und polykristalline Festkörper Fehlstellentheorie Versetzungen Kleinwinkel- und Großwinkelkorngrenzen Mischkristalle Diffusion Mischkristalle mit Ordnungsvorgängen Mischkristalle mit Löslichkeitsänderung Ausscheidungsvorgänge Plastizität und Verfestigung Plastizität Verfestigung Erholung, primäre Rekristallisation, sekundäre Rekristallisation Plastisches Fließen in der Wärme (Dauerstand- und Zeitstandfestigkeit) Chemisches Verhalten Korrosion Zunderung Beeinflussung durch Strahlungsvorgänge

5 Inhaltsverzeichnis 2. Herstellungsverfahren von Kupfer und Kupferlegierungen (Ausgewählte Abschnitte) 2.1 Raffination von Kupfer Raffination durch Elektrolyse Schmelzflußraffination Gießen Blockguß und Strangguß Formguß Sand- und Kokillenguß Schleuderguß Druckguß Allgemeine Literatur zu Abschn. 2.1 und warm- und Kaltverformen Strangpressen Kaltziehen Sintern Allgemeine Literatur zu Abschn. 2.3 und 2.4 V Reines Kupfer 3.1 Störunempfindliche Eigenschaften Atomare Eigenschaften Thermodynamische Eigenschaften Magnetische Eigenschaften Elastische Eigenschaften Störempfindliche Eigenschaften Physikalische Eigenschaften Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme Mechanische Eigenschaften Optische Eigenschaften Sonstige Eigenschaften Chemische Eigenschaften. Allgemeine Literatur zu Kapitel ll Technisch reines Kupfer 4.1 Einfluß von Gasen Einfluß von Sauerstoff Einfluß von Wasserstoff Wasserstoffkrankheit Einfluß von CO, C0 2, N 2 und Sauerstofffreies Kupfer Sauerstofffreies Kupfer mit hoher elektrischer Leitfähigkeit

6 VI Inhaltsverzeichnis Sauerstofffreies Kupfer mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit (mit Phosphor desoxydiertes Kupfer) Sauerstoffhaltiges Kupfer Physikalische Eigenschaften Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme Einfluß von Verunreinigungen auf den spez. elektrischen Widerstand Textur Wachstumstexturen Umformungstextur. 143 Ziehtextur S Walztextur S Torsionstextur S Rekristallisationstexturen S Zipfelbildung :Mechanische Eigenschaften Einfluß der Temperatur auf die mechanischen Werte Tiefziehversuch nach ERICHSEN Wärmebehandlung und Gefüge Einfluß von Reimengungen auf die Warm- und Kaltverarbeitung von Kupfer Unerwünschte Reimengungen Elemente, deren Einfluß an der Grenze zwischen unerwünscht und erwünscht liegen Erwünschte Reimengungen Chemische Eigenschaften Korrosion Einfluß der Witterung Verhalten des Kupfers in Gebrauchswässern 167 Verhalten des Kupfers in weichen Wässern S Verhalten in durch Aufbereitung enthärteten Wässern S Verhalten des Kupfers in Wässern mittlerer Härte S. 168-Verhalten in hartem wasser S Verhalten in Trinkwasser, das durch Zusätze aufbereitet wurde S Verhalten in Waschmitteln S Zusammenfassung S Lokalelementbildung Verhalten des Kupfers in Salzlösungen Verhalten in Seewasser Erosion und Kavitation Verhalten des Kupfers in Säuren Nichtoxydierende Säuren (z. R. Salzsäure, Essigsäure, verdünnte Schwefelsäure) S.172- Oxydierende Säuren s Verhalten des Kupfers in Alkalien Ammoniumhydroxyd, Lösungen von Ammonsalzen Zunderung Physiologische Wirkung des Kupfers Kupfer und niedere Organismen Kupfer als notwendiges Spurenelement 179

7 Inhaltsverzeichnis 4.7 Spanabhebende Bearbeitung. 4.8 Stoffverbindende Arbeiten Schweißen Gasschmelzschweißen Zusatzwerkstoffe S Schutzgas-Lichtbogenschweißung Löten Weichlöten Hartlöten. 4.9 Oberflächenbehandlungen Mechanisches Polieren Beizen Glänzen und Brennen Allgemeine Literatur zu Kapitel 4 VII Legierungen des Kupfers mit Elementen der 1. Gruppe des Periodischen Systems 5.1 Kupfer-Silber Zustandsschaubild In der Technik übliche Kupfer-Silber-Legierungen Hochkupferhaltige Legierungen mit maximal 0,5% Ag Kupferlegierungen mit Silbergehalten über 0,5-16% Kupferlegierungen mit über 16-50% Silber : Kupfer-Gold Zustandsschaubild und Gefügeaufbau Umwandlung im festen Zustand Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Chemisches Verhalten Verwendung Mehrstofflegierungen Kupfer-Gold-Silber Kupfer-Gold-Zink Kupfer-Gold-Nickel 213 Allgemeine Literatur zu Kapitel Legierungen des Kupfers mit Elementen der 2. Gruppe des Periodischen Systems 6.1 Kupfer-Beryllium Kupfer-Beryllium-Zustandsschaubild Physikalische und mechanische Eigenschaften Kupfer-Beryllium-Legierungen für funkenfreie Werkzeuge Kupfer-Beryllium-Legierungen für Federn Chemisches Verhalten

8 VIII Inhaltsverzeichnis Verarbeitung Spanabhebende Bearbeitung Verbindungsarten Löten S Schweißen S Verwendung Kupfer-Magnesium Zustandsschaubild und Gefüge Eigenschaften und Verwendung der Kupfer-Magnesium-Legierungen Dreistoffsystem Kupfer-Magnesium-Zinn Kupfer-Cadmium-Legierungen Zustandsschaubild und Gefüge Eigenschaften und Verwendung Kupfer-Cadmium-Magnesium-Legierungen Kupfer-Cadmium-Zinn-Legierungen Kupfer-Quecksilber Kupfer-Zink Messing Zustandsdiagramm 254 Einfluß von Reimengungen S Physikalische Eigenschaften Gitterbau und Textur S Spezifische Wärme S Wärmeausdehnungskoeffizient und Ausdehnung S Dichte S Optische Eigenschaften S Magnetische Eigenschaften S Elastische Eigenschaften, E-Modul, Dämpfung und Schallgeschwindigkeit S Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme s Gefügeänderung durch Verformung und Rekristallisation Mechanische Eigenschaften Verfestigung durch Kaltverformung und Entfestigung durch Rekristallisation S Wechselfestigkeit S Kerbschlagzähigkeit S Technologische Proben S Verhalten bei tiefen Temperaturen S Warmumformung und Festigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen S Chemische Eigenschaften, Korrosion, Zunderung KorrosionS Lötbrüchigkeit S Zunderung und Zinkausdampfung S Verhalten in Waschmittellösungen S Spanabhebende Bearbeitung Stoffverbindende Arbeiten Weichlöten S Hartlöten S Schweißen s Oberflächenbehandlung Brennen und Glanzbrennen S Oberflächenveredlung durch Schleifen, Polieren und Glänzen S Verwendung Sondermessing Allgemeines 344

9 Inhaltsverzeichnis IX Einfluß der Zusätze auf das Gefüge, verschiedene Dreistoffsysteme auf der Basis Cu-Zn o o o 0 o o 0 o o o o 344 CuZnFe So 345- CuZnNi So 345- CuZnMn So 347- CuZnAl So CuZnSi So CuZnSn So Weitere Zusätze So 352- Heimengungen So 352 6o5o2o3 Gefüge o o o o o o o5o2.4 Warm- und Kaltverformung o o o5o2o5 Wärmebehandlung, Konzentrations- und Spannungsausgleich o o o o o 0 0 o o o 0 o o 0 o o Physikalische Eigenschaften o o o o 0 o Zusammensetzung und mechanische Werte einiger praktisch bewährter Sondermessinge 0 o 0 o o o o o o 362 Festigkeit bei tiefen und hohen Temperaturen So Schwingungsfestigkeit So Chemisches Verhalten, Korrosion, Zunderung o o o 0 o Korrosion So Spannungsrißkorrosion So Zunderung So Spanabhebende Bearbeitung o o 0 0 o o o o o o o o o 373 Drehen So Bohren So Reiben So Gewindeschneiden So Räumen So Sägen So Schleifen So Schmieren und Kühlen So 378 6o5o2o10 Stoffverbindende Arbeiten o o o o o 379 Weichlöten So Hartlöten So Schweißen So Verwendung o o o o o o o o o o 380 Lötwerkstoffe aus Sondermessing und Messing So Lagerwerkstoffe So 384 Go5o3 CuNiZn, Neusilber o o o 0 o o5o3o1 Zustandsdiagramm 0 0 o oo5o3o2 Einfluß von Heimengungen Blei So 386- Zinn So J.VIangan und Magnesium So Phosphor So Aluminium So Unerwünschte Heimengungen So 386 6o5o3o3 Schmelzen und Verarbeitung o o o o 387 6o5o3.4 Physikalische Eigenschaften o 388 Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme So Magnetische Eigenschaften So 389 -Thermo-elektrische Eigenschaften So 389 -Optische Eigenschaften So 390 6o5o3o5 Mechanische Eigenschaften o o 391 Knetlegierungen mit Zinkgehalten unter 15% So Knetlegierungen mit Zinkgehalten über 15% "Neusilber" So 394- Gußwerkstoffe So Chemisches Verhalten oo5o3o7 Spanabhebende Bearbeitung Stoffverbindende Arbeiten Weichlöten So 402- Hartlöten So Schweißen So 404 6o5o3o9 Verwendung

10 X Inhaltsverzeichnis 7. Legierungen des Kupfers mit Elementen der 3. Gruppe des Periodischen Systems 7.1 Kupfer-Bor Zustandsschaubild Schmelzen und Verarbeitung Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Verwendung Kupfer-Aluminium Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften, Gitterbau und Textur Gitterbau Dichte Spezifische Wärme Ausdehnungskoeffizient Magnetische Eigenschaften Optische Eigenschaften Elastische Eigenschaften Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme Gießen der Kupfer-Aluminium-Legierungen (Aluminiumbronzen) Warmverformung Verfestigung durch Kaltverformung und Entfestigung durch Rekristallisation; mechanische Eigenschaften Wechselfestigkeit Kerbschlagzähigkeit Technologische Prüfungen Verhalten bei tiefen Temperaturen Mehrstoff-Aluminiumbronzen Cu-Al-Fe Cu-Al-Ni Cu-Al-Mn Cu-Al-Si Zusätze und Beimengungen 435 Blei S Zink S Chrom, Titan, Zirkonium S Selen und Tellur S Physikalische Eigenschaften von lviehrstoff-aluminiumbronzen Verarbeitung Mechanische Werte Festigkeit bei tiefen und hohen Temperaturen Kerbschlagzähigkeit Wechselfestigkeit ö Chemische Eigenschaften, Korrosion Örtlicher Angriff (Lochfraß) Spannungsrißkorrosion Verhalten gegenüber Meerwasser Angriff von Alkalien und Salzlösungen 463

11 Inhaltsverzeichnis XI Verhalten gegen anorganische Säuren Verhalten gegen organische Säuren Verhalten in Waschmitteln Zundern Spanabhebende Bearbeitung Stoffverbindende Arbeiten Löten Schweißen Verwendung Legierungen des Kupfers mit Scandium, Yttrium, Indium und Lanthan Kupfer-Scandium Kupfer-Yttrium Kupfer-Indium Kupfer-Lanthan Legierungen des Kupfers mit seltenen Erden, Cer, Gadolinium und Ytterbium Legierungen des Kupfers mit Elementen der 4. Gruppe des Periodischen Systems 8.1 Kupfer-Silizium Zustandsschaubild Kupfer-Silizium-Mangan Kupfer-Silizium-Eisen Physikalische Eigenschaften Gitterparameter und Textur Spezifische Wärme Dichte Magnetisches Verhalten Elastizitätsmodul Elektrischer Widerstand Mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften Spanabhebende Bearbeitung Verbindungsarbeiten Weich- und Hartlöten Schweißen Verwendung ') Kupfer-Zinn-Legierungen Zustandsschaubild Kupfer-Zinn (Bronze) Kupfer-Zinn-Phosphor Kupfer-Zinn-Blei Kupfer-Zinn-Zink (Rotguß) Kupfer-Zinn-Nickel Reimengungen Gefüge der gegossenen Kupfer-Zinn- und Kupfer-Zinn-Phosphor Legierungen

12 XII Inhaltsverzeichnis Physikalische Eigenschaften Gitterbau und Textur Spezifische Wärme Dichte Magnetisches Verhalten Farbe Elastische Eigenschaften Elektrische Leitfähigkeit Mechanische Eigenschaften Verformung und Rekristallisation Herstellung und mechanische Eigenschaften von Kupfer- Zinn-Knetlegierungen Wechselfestigkeit S Kerbschlagzähigkeit und technologische Proben S Festigkeitseigenschaften bei tiefen und hohen Temperaturen S Herstellung und mechanische Eigenschaften von Kupfer Zinn-Gußlegierungen Wärmebehandlung von Kupfer-Zinn-Gußlegierungen s Chemische Eigenschaften, Korrosion Kupfer-Zinn-Knetlegierungen Kupfer-Zinn-Gußlegierungen Zunderung Spanabhebende Bearbeitung Verbindungsarbeiten Weich- und Hartlöten Schweißen Verwendung Kupferwerkstoffe für Gleitlager 8.4 Kupfer-Blei Zustandsschaubild Kupfer-Blei-Zinn Kupfer-Blei-Nickel Andere Beimengungen Herstellung und Gefüge Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften Spanabhebende Bearbeitung Verbindungsarbeiten Verwendung Kupfer-Titan Zustandsschaubild Herstellung und Gefüge Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Mehrstoff-Kupfer-Titan-Legierungen Chemische Eigenschaften, Korrosion Verwendung

13 Inhaltsverzeichnis 8.6 Kupfer-Zirkonium Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Mehrstoff-Kupfer-Zirkonium-Legierungen Chemische Eigenschaften, Zunderung Verwendung 8.7 Kupfer-Hafnium XIII Legierungen des Kupfers mit Elementen der 5. Gruppe des Periodischen Systems 9.1 Kupfer-Phosphor Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Verarbeitung Mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Kupfer-Silber-Phosphor Verwendung Kupfer-Arsen Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Herstellung und mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Verwendung Kupfer-Antimon Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Herstellung und mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Verwendung 9.4 Kupfer-Wismut Legierungen des Kupfers mit Elementen der 6. Gruppe des Periodischen Systems 10.1 Kupfer-Sauerstoff Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Herstellung und Gefüge Mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Spanabhebende Bearbeitung Verbindungsarbeiten Verwendung

14 XIV I nhal tsverz eichnis 10.2 Kupfer-Schwefel Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Verarbeitung und mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Bearbeitbarkeit und Verbindungsarbeiten Verwendung Kupfer-Selen Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Verarbeitung und mechanische Eigenschaften Bearbeitbarkeit und Verwendung Kupfer-Tellur Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Herstellung und Gefüge Mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Spanabhebende Bearbeitung Verbindungsarbeiten Verwendung Kupfer-Chrom Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Herstellung und Gefüge Mechanische Eigenschaften Einfluß dritter Komponenten auf Kupfer-Chrom-Legierungen Chemische Eigenschaften, Korrosion Spanabhebende Bearbeitung Verbindungsarbeiten Verwendung Legierungen des Kupfers mit Elementen der 7. Gruppe des Periodischen Systems 11.1 Kupfer-Mangan Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Verbindungsverfahren und Verwendung Kupfer-Mangan-Nickel Kupfer-Mangan-Eisen Kupfer-Mangan-Silizium ~9 Kupfer-Mangan-Aluminium Kupfer-Mangan-Zinn Kupfer-Mangan-Zink Kupfer-Mangan-Phosphor

15 Inhaltsverzeichnis 12. Legierungen des Kupfers mit Elementen der 8. Gruppe des Periodischen Systems XV 12.1 Kupfer-Eisen Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften :Mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Bearbeitbarkeit und Verwendung Kupfer-Eisen-Phosphor Kupfer-Eisen-Schwefel Kupfer-Eisen-Silizium Kupfer-Cobalt Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Kupfer-Cobalt-Mangan Kupfer-Cobalt-Silizium Kupfer-Cobalt-Beryllium Kupfer-Nickel Zustandsschaubild Physikalische Eigenschaften Gitterbau Spezifische Wärme Thermokraft Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient Dichte Optische Eigenschaften Magnetische Eigenschaften Elastische Eigenschaften Elektrischer Widerstand Herstellung und Gefüge Mechanische Eigenschaften Chemische Eigenschaften, Korrosion Oberflächenbehandlung Bearbeitbarkeit Verbindungsarbeiten Weich und Hartlöten Schweißen Mehrstoffsysteme auf der Basis Kupfer-Nickel Kupfer-Nickel-Eisen Kupfer-Nickel-Silizium Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen mit niedrigem Nickelgehalt S Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen mit hohem Nickelgehalt S. 831

16 XVI Inhaltsverzeichnis Seile Kupfer-Nickel-Phosphor Zustandsschaubild S Aushärtung und Gefüge S Herstellung S Physikalische Eigenschaften S Mechanische Eigenschaften S Chemische Eigenschaften, Korrosion S Bearbeitung, Löten, Schweißen, Oberflächenbehandlung S VerwendungS Kupfer-Nickel-Beryllium Kupfer-Nickel-Cobalt Verwendung der Kupfer-Nickel-Legierungen 843 Sachverzeichnis: I. Allgemeines.... II. Anwendungsgebiete