CuCrZr im Vergleich zu reinem Kupfer: Wenn die Leitfähigkeit allein nicht ausreicht

Bei den meisten industriellen Anwendungen im Bereich der Leitfähigkeit kommt zunächst reines Kupfer (C11000) in Betracht. Es bietet die höchste elektrische Leitfähigkeit aller im Handel erhältlichen Metalle, gepaart mit einer entsprechend hohen Wärmeleitfähigkeit. Für statische Anwendungen, die nahe der Umgebungstemperatur betrieben werden, ist dies oft die richtige Wahl.

Viele Anwendungen in der Praxis sind jedoch weder statisch noch finden sie bei Umgebungstemperatur statt. Bei Widerstandsschweißelektroden fließen Ströme, die die Spitzentemperaturen auf über 600 °C ansteigen lassen. Heißkanaldüsen im Spritzguss durchlaufen täglich tausende Male wiederholte Druck- und Wärmebelastungen. Stranggießformen sind kontinuierlich hohen Temperaturen ausgesetzt. In diesen Umgebungen erweicht reines Kupfer, verformt sich und verliert seine Maßhaltigkeit.

Wenn dies geschieht, entstehen die Kosten nicht durch die Legierung selbst. Die Kosten entstehen durch Stillstandzeiten, Ausschuss und eine verkürzte Standzeit der Werkzeuge.

Diese Lücke sollte CuCrZr schließen.

Die mechanische Grenze von reinem Kupfer

Das Erweichungsverhalten von reinem Kupfer hängt von seiner Glühtemperatur ab, die bei etwa 200 bis 250 °C liegt. Oberhalb dieser Temperatur heben Rückbildung und Rekristallisation jegliche während der Fertigung entstandene Kaltverfestigung auf. Die Zugfestigkeit sinkt, die Härte nimmt ab, und das Bauteil beginnt sich unter Belastungen zu verformen, denen es zuvor standhalten konnte.

Spezifische Betriebsbedingungen, unter denen reines Kupfer nicht ausreicht :

• Elektrodenspitzen beim Widerstandsschweißen, wo sich Stromdichte und Elektrodenkraft mit Wärme verbinden
• Heißkanaldüsen im Spritzguss, bei denen zyklische Wärme- und Druckbelastungen im Dauerbetrieb zu Verformung und Verschleiß führen können
• Hochstromkontakte und Sammelschienen unter Dauerbelastung
• Stranggießformen, die dem Kontakt mit geschmolzenem Metall ausgesetzt sind
• Lösungsglühen, das Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur, bei der sich Chrom in der Kupfermatrix auflöst.
• Auslagerungshärtung: erneutes Erhitzen der Legierung auf eine niedrigere Temperatur, wodurch sich feine Chromausscheidungen in der gesamten Mikrostruktur bilden 

In jedem Fall ist der Fehlermodus derselbe: fortschreitende Verformung, Verlust der geometrischen Toleranz und eventuelle Ersatznotwendigkeit.

Was sich mit CuCrZr ändert

CuCrZr (Chrom-Zirkonium-Kupfer, bezeichnet als CuCr1Zr oder C18150) werden geringe Mengen Chrom (etwa 0,5 bis 1,5 %) und Zirkonium (bis zu 0,2 %) in die Kupfermatrix eingebracht. Für sich genommen würden diese Zusätze kaum etwas bewirken. Die Veränderung entsteht durch die Wärmebehandlung.

CuCrZr wird in zwei Stufen verarbeitet:

Diese Ausscheidungen sind zu klein, um Elektronen nennenswert zu streuen, sodass der Großteil der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit des Kupfers erhalten bleibt. Sie sind jedoch groß und ausreichend verteilt, um Versetzungen unter Belastung zu fixieren, was der Legierung ihre mechanische Stabilität verleiht.

Das sich daraus ergebende Eigenschaftsprofil kann reines Kupfer unter keinen Umständen erreichen::

Dieser Kompromiss – etwa 15 bis 25 % Leitfähigkeit bei etwa doppelter Festigkeit und einer deutlich höheren Erweichungstemperatur – ist genau der Grund, warum CuCrZr in Anwendungen eingesetzt werden kann, in denen reines Kupfer ungeeignet ist.

Wo sich der Unterschied in der Produktion zeigt

Widerstandsschweißen

Eine Elektrodenkappe aus reinem Kupfer bildet nach einigen hundert bis einigen tausend Schweißvorgängen, je nach Stromstärke und Kraft, eine Pilzkappe. CuCrZr-Kappen behalten ihre Härte über weitaus längere Laufzeiten bei, was weniger Wechsel, eine gleichmäßigere Schweißqualität und geringere Elektrodenkosten pro Schweißvorgang bedeutet. Aus diesem Grund ist CuCrZr das Referenzmaterial für RWMA-Elektroden der Klasse 2.

Spritzgussdüsen

Werkzeugstahl bietet Festigkeit, leitet Wärme jedoch nur langsam, was die Zykluszeit verlängert. Reines Kupfer leitet Wärme gut, verformt sich jedoch unter Belastung. CuCrZr-Heißkanaldüsen leiten Wärme effizient weiter und halten gleichzeitig zyklischen mechanischen Belastungen stand, was die Zykluszeit verkürzen und die Oberflächenqualität der Teile verbessern kann, ohne die Standzeit des Werkzeugs zu beeinträchtigen.

Stranggießformen

Kupferformen müssen Wärme aus erstarrendem Stahl oder Nichteisenmetallen abführen und gleichzeitig Verschleiß und thermischer Ermüdung am Meniskus standhalten. CuCrZr sorgt für eine stabile Erstarrung über lange Produktionszyklen hinweg.

Hochstromkontakte und Sammelschienen

Unter Dauerbelastung kriechen und verformen sich Bauteile aus reinem Kupfer. CuCrZr leitet die gleichen Ströme und behält dabei seine Form bei, was die Verbindungszuverlässigkeit verbessert und den Wartungsaufwand verringert.

Wenn reines Kupfer dennoch die richtige Wahl ist

Nicht jede Anwendung erfordert CuCrZr. Wenn die Betriebstemperatur unter 200 °C bleibt, die mechanischen Belastungen gering sind und maximale Leitfähigkeit im Vordergrund steht, bleibt reines Kupfer die richtige Wahl. Die Wärmebehandlung verursacht zusätzliche Kosten und Prozessschritte, die nur dann gerechtfertigt sind, wenn die Betriebsbedingungen dies erfordern.

Die Entscheidung ist einfach: Wenn sich das Bauteil unter Betriebsbedingungen verformt, aufquillt, verkriecht oder seine Toleranzen verliert, ist CuCrZr wahrscheinlich das bessere Material. Ist dies nicht der Fall, ist reines Kupfer ausreichend.

Die Position von AMPCO METAL

AMPCO METAL produziert AMPCOLOY® 972, eine Chrom-Zirkonium-Kupfer-Legierung, die in wärmebehandeltem Zustand mit geprüften mechanischen und physikalischen Eigenschaften geliefert wird. Die Legierung erreicht eine elektrische Leitfähigkeit von 86 % IACS, eine Wärmeleitfähigkeit von 320 W/m·K bei 20 °C und eine Zugfestigkeit von 520 MPa in stranggepressten Rundstangen. Sie ist berylliumfrei, der RWMA-Klasse 2 zugeordnet und für Betriebstemperaturen bis zu 500 °C ausgelegt.

Für Ingenieure, die Chrom-Zirkonium-Kupfer spezifizieren, lautet die praktische Frage selten: „Soll ich CuCrZr verwenden?“ Vielmehr lautet sie: „Welche Form, welcher Zustand und welcher Lieferant gewährleisten eine vorhersehbare Leistung?“ Hier sind die Disziplin bei der Legierungsherstellung, die Kontrolle der Wärmebehandlung und die Bearbeitbarkeit ebenso wichtig wie die chemische Zusammensetzung selbst.