Es gibt zahlreiche Verfahren zur Steigerung der Festigkeit von Kupfer, doch die meisten dieser Verfahren gehen mit einem deutlichen Verlust der Leitfähigkeit einher. Dieser Artikel beleuchtet eine Methode, die die Festigkeit erhöht, gleichzeitig aber die hohe Leitfähigkeit bewahrt.
Kupfer bietet eine beeindruckende Vielzahl nützlicher Eigenschaften, wovon die elektrische Leitfähigkeit eine der bemerkenswertesten ist. Kupfer, und sämtliche Kupferlegierungen, sind äußerst effizient bei der Übertragung sowohl elektrischer als auch thermischer Energie. Dies macht sie zu einem äußerst vielseitigen Material in nahezu jeder Branche. Allerdings existiert ein fundamentaler Zusammenhang zwischen der Leitfähigkeit eines Materials und seiner Festigkeit. Somit scheint es unmöglich zu sein, eine hohe Festigkeit und gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit in einem Material zu vereinen. Dennoch gibt es Methoden, die Festigkeit zu erhöhen und die Leitfähigkeit weitgehend zu bewahren.
Was bedeutet Festigkeit?
Die Festigkeit eines Materials bezieht sich auf seine Fähigkeit, mechanischen Belastungen standzuhalten, bevor es zu einem Versagen, wie ungewolltem Biegen oder Brechen, kommt. Sie gibt die maximale Spannung an, die ein Material während seiner Verformung aushalten kann. Normalerweise weisen Legierungen eine höhere Festigkeit auf als reine Metalle. Materialien mit hoher Festigkeit eignen sich besonders für den Leichtbau, sind jedoch in der Regel schwieriger zu bearbeiten.
Was versteht man unter Leitfähigkeit?
Leitfähigkeit umfasst zwei unterschiedliche Aspekte: thermische und elektrische Leitfähigkeit. Die thermische Leitfähigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, Wärmeenergie durch Wärmeleitung zu übertragen. Dabei erfolgt die Temperaturübertragung stets von der wärmeren zur kälteren Quelle, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind beispielsweise gefragt, wenn es darum geht, Wärme effizient abzuleiten. Bei Wärmedämmstoffen hingegen sind niedrigere Werte erwünscht.
Auf der anderen Seite beschreibt die elektrische Leitfähigkeit die Fähigkeit eines Materials, elektrische Ströme zu übertragen. Diese elektrische Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands, wobei höhere elektrische Leitfähigkeit mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand einhergeht. Anders ausgedrückt, ein Material kann nicht gleichzeitig über eine hohe Leitfähigkeit und einen hohen spezifischen Widerstand verfügen.
Wie kann die Festigkeit eines Materials erhöht werden?
Es gibt mehrere Methoden, um die Festigkeit eines Materials zu steigern, doch jede dieser Methoden hat ihre Besonderheiten. Hier sind einige Ansätze:
- Legierungselemente: Oft werden geringe Mengen von Legierungselementen hinzugefügt, um bestimmte Eigenschaften eines Metalls zu verbessern. Bei Kupfer sind gängige Legierungselemente beispielsweise Nickel, Aluminium, Zinn oder Mangan. Jedoch hat die Zugabe einer Substanz zur Verbesserung einer bestimmten Eigenschaft oft unbeabsichtigte Auswirkungen auf andere Eigenschaften. Zum Beispiel wird Phosphor häufig verwendet, um Kupfer zu desoxidieren, was die Festigkeit und Härte erhöhen kann, jedoch die Leitfähigkeit erheblich beeinträchtigt. Allgemein gesagt, erhöhen Legierungselemente die Festigkeit von Kupfer, führen jedoch gleichzeitig zu einer Verringerung der Leitfähigkeit.
- Kornfeinung: Die Verfeinerung des Korngefüges ist ein hervorragendes Mittel zur Steigerung der Festigkeit, da sie die Anzahl der Grenzflächen zwischen Körnern erhöht. Dies verhindert die Bewegung von Versetzungen und führt zu einer Verfestigung. Allerdings reduzieren Korngrenzen, die 2D-Defekte in der Kristallstruktur darstellen, tendenziell sowohl die elektrische als auch die thermische Leitfähigkeit.
- Kaltumformung: Die Kaltbearbeitung ist eine weitere Methode zur Steigerung der Festigkeit von Metallen. Sie erfolgt unterhalb der Rekristallisationstemperatur und wird üblicherweise bei nicht spröden Metallen mit hohem Schmelzpunkt eingesetzt. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch die Kaltumformung verringert, weil dabei leichte Versetzungen in die Legierung eingeführt werden. Dennoch erfolgt bei der Kaltumformung eine weniger starke Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit als bei den zuvor genannten Verfahren.
Erhöhung der Festigkeit bei gleichbleibender Leitfähigkeit
Normalerweise geht eine höhere Festigkeit mit einer niedrigeren Leitfähigkeit einher. Dennoch gibt es Ausnahmen. Durch das Verfahren der Dispersionsverfestigung oder Ausscheidung lassen sich die Eigenschaften eines Metalls oder einer Legierung gezielt verbessern. Dies geschieht durch das Einbringen von Materialpartikeln, die in der metallischen Matrix weitgehend unlöslich sind. Dies bedeutet, dass die hinzugefügten Legierungselemente gebunden und als Ausscheidungspartikel nur in geringem Maße in der Kupfermatrix verbleiben.
Folglich hat sich die Ausscheidungshärtung als die geeignetste Methode erwiesen, um eine optimale Kombination von Festigkeit und Leitfähigkeit in Kupferbasislegierungen zu erreichen. Beispiele hierfür sind AMPCOLOY® 940 und AMPCOLOY® 972.
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