Hochleistungskupferlegierungen für moderne Technologieanwendungen

Neueste Studien belegen, dass hochfeste Kupferlegierungen eine ausgezeichnete Stabilität in wasserstoffreichen Umgebungen bieten, was sie zu einer vielversprechenden Alternative zu anderen Materialien in der zukunftsträchtigen Wasserstofftechnologie macht. Im Gegensatz zu konkurrierenden Materialien wie hochfesten Stählen zeigen CuBe-Legierungen keine Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung, trotz ihrer hohen Festigkeit. Zusätzlich bieten sie eine effektive Barriere gegen das Eindringen und die Diffusion von Wasserstoff. Im weiteren Verlauf wird auf diese Legierungen und die neuesten Erkenntnisse dazu eingegangen.

Legierungen und Eigenschaftsprofile  

Kupfer-Beryllium-Legierungen, auch bekannt als CuBe-Legierungen, sind ein etablierter Standard in der Materialtechnik und aus vielen Anwendungsbereichen nicht mehr wegzudenken. Generell lassen sich diese Legierungen in zwei Hauptgruppen unterteilen: diejenigen, die auf extrem hohe Festigkeit ausgelegt sind, und solche, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit bieten.

Zu den hochfesten Legierungen gehören beispielsweise Alloy 25 (C17200) und Alloy M25 (C17300). Diese enthalten Beryllium in einem Bereich von 1,80 bis 2,00 % und bieten außergewöhnliche mechanische Eigenschaften. Besonders die Legierung M25 ist zusätzlich mit Blei legiert, was die Verarbeitungseigenschaften bei Dreh-, Bohr- und Fräsprozessen verbessert. Im ausgehärteten Zustand erreichen Alloy 25 und Alloy M25 die höchsten Festigkeiten und Härtegrade aller kommerziell verfügbaren Kupferbasislegierungen, was sie für anspruchsvolle technische Anwendungen besonders wertvoll macht.

Die CuBe-Legierungen, bei denen im Vergleich niedrigere Festigkeiten, dafür aber höhere Leitfähigkeiten erreicht werden, sind in der Regel mit niedrigeren Beryllium-Gehalten legiert und enthalten dafür zusätzliche Elemente wie Cobalt und/ oder Nickel. So betragen die Beryllium-Gehalte der Legierungen Alloy 3 (C17510) und Alloy 10 (C17500) 0,4 bis 0,7 %. Um einen Festigkeitsabfall bei höheren Temperaturen zu vermeiden, wurde die Legierung Alloy 10X entwickelt, die im Vergleich zur Legierung 10 zusätzlich mit geringen Gehalten an Zirkon legiert ist und dadurch eine hohe Festigkeit und Duktilität in einem Temperaturbereich bis ca. 430°C erreicht. Die nachfolgende Tabelle zeigt die wichtigsten Kennwerte für die genannten Legierungen.

Um die hohen Festigkeitswerte von CuBe-Legierungen zu erreichen, ist ein spezifischer Prozess der Ausscheidungshärtung erforderlich. Dieser Prozess findet in einem genau definierten Temperaturbereich statt. Besonders bei der Herstellung von Bändern wird die Temperaturaushärtung oft mit einer Kaltumformung kombiniert, um die mechanischen Eigenschaften weiter zu optimieren.

Halbzeuge wie Bänder, die zur Herstellung der finalen Bauteile verwendet werden, unterliegen oft weiteren Umformprozessen wie Crimpen oder Fließpressen. In solchen Fällen kann die Wärmebehandlung auch nach der Herstellung der Bauteile erfolgen. Dies bedeutet, dass die Bauteile zunächst in einem weicheren, leichter umformbaren Zustand gefertigt werden, was die Realisierung komplexer Geometrien ermöglicht. Die anschließende Ausscheidungshärtung findet direkt am Bauteil statt und bringt die gewünschten hohen Festigkeiten hervor.

Diese Methode ähnelt stark dem Stückvergüten, das bei Stahlkomponenten angewendet wird, wo ebenfalls durch eine nachträgliche Wärmebehandlung die endgültigen mechanischen Eigenschaften im Bauteil eingestellt werden. Diese Technik ermöglicht eine effiziente und materialsparende Produktion komplexer Bauteile bei gleichzeitig hoher Materialleistung. 

Aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber einer Spannungsrelaxation – auch bei höheren Temperaturen – werden diese hochfesten Legierungen oftmals in Steckverbindern, Kontakten, Federelementen und Schalter in der Elektronikindustrie verbaut.4) Auch bei kryogenen Temperaturen sind die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften sehr stabil; es findet keinerlei Versprödung statt. Weiterhin werden die Legierungen aufgrund ihrer elektrischen und magnetischen Eigenschaften als elektromagnetische Abschirmdichtungen (EMI/RFI) und, meist gleichzeitig, aufgrund ihrer thermischen Leitfähigkeit als Wärmeableiter zum Schutz der sensiblen elektronischen Bauteile eingesetzt. 

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet für CuBe-Legierungen sind Reibverschleißanwendungen. Die Kombination aus relativ niedrigem E-Modul und hoher Streckgrenze sorgt für einen hohen Resilienzwert, der z. B. bei Gleitlagern zu einer geringeren lokalen Beanspruchung und damit zu höheren Lebensdauern im Vergleich zu anderen Lagerwerkstoffen führt, die wiederum in längeren Wartungsintervallen z. B. bei Baumaschinen oder Maschinen im Untertage-Betrieb resultieren. Zusätzlich haben diese Legierungen von Natur aus eine gute Beständigkeit gegen Abrieb und Verschleiß und ermöglichen Werkstoffpaarungen, die sich durch minimale Reibung und Oberflächenbeeinträchtigung auszeichnen. Gewindeverbindungen aus der Legierung Alloy 25 mit nichtrostenden Stählen zeigten Resistenz gegen Abrieb und Kaltfressen. (4) 

Die besondere chemische Zusammensetzung der Kupfer-Beryllium-Legierungen führt zur Bildung von Beryllium-haltigen Oxidschichten, die diesen Legierungen einen höheren Korrosionswiderstand verleihen als den meisten anderen Kupferbasislegierungen. CuBe-Legierungen zeigen insbesondere eine hohe Beständigkeit gegenüber vielen wässrigen Lösungen der meisten Alkalihydroxide, und dies sowohl bei niedrigen als auch bei höheren Temperaturen.

Allerdings können, ähnlich wie bei anderen Kupferbasislegierungen, bestimmte Medien problematisch sein. Insbesondere Ammoniumhydroxid und Ammoniak, wenn er nicht trocken oder sauerstoffhaltig ist, stellen Herausforderungen dar. Jedoch sind CuBe-Legierungen stabil in kalter konzentrierter Schwefelsäure, sowohl in kalter als auch in warmer verdünnter Schwefelsäure, in Flusssäure und in kalter verdünnter Salzsäure.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Legierungen gegenüber nichtrostenden Stählen ist ihre Resistenz gegen Spannungsrisskorrosion, die typischerweise durch Chlorionen ausgelöst wird. Zudem bieten CuBe-Legierungen eine hohe Beständigkeit gegen Bio-Fouling, was sie für spezielle Anwendungen wie Interferenzpass-Portdichtungen in der Unterwasser-Telekommunikation besonders geeignet macht. Diese Eigenschaften machen CuBe-Legierungen zu einer wertvollen Wahl für Einsatzgebiete, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Zuverlässigkeit erfordern. (4) 

Verhalten In wasserstoffhaltigen Umgebungen 

Das bekannteste Problem bei der Anwendung von Werkstoffen in wasserstoffhaltigen Atmosphären ist das der Wasserstoffversprödung. Dabei wird die Anfälligkeit des eingesetzten Werkstoffs durch ein kritisches Zusammenspiel von Werkstoff (Legierungszusammensetzung, Gefüge, Festigkeitszustand), Wasserstoffumgebung und den äußeren oder inneren Spannungen im Bauteil bestimmt. Diese Kombination resultiert dann in einer Verschlechterung der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften des Materials, was dann wiederum zu katastrophalen Bauteilschädigungen und entsprechenden Ausfällen führen kann. Der Terminus Wasserstoffversprödung umfasst verschiedene Phänomene (5), die in den allermeisten Fällen hochfeste metallische Werkstoffe betreffen. Problematisch bei einer Wasserstoffversprödung ist, dass diese sowohl bei der Erzeugung der Materialien, aber auch später bei der Bauteilproduktion oder – im schlechtesten Fall – im Betrieb auftreten kann. Im Gegensatz zu anderen Werkstofffehlern müssen auch nicht jedes Bauteil oder einzelne Materialchargen betroffen sein, sondern es können auch einzelne Bauteile aus einzelnen Chargen dieses Schadensbild zeigen. Zudem ist eine Messung von Wasserstoff, speziell in Bauteilen, recht schwierig und in der Regel in einer serienbegleitenden Prüfung nicht realisierbar. 

Vergleichende Versuche sind entscheidend, um die Beständigkeit von Werkstoffen vor ihrem Einsatz in Wasserstoffumgebungen sicherzustellen. In einem umfangreichen Forschungsprogramm, das in Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum und dem DECHEMA-Forschungsinstitut durchgeführt wurde, wurde die Stabilität verschiedener hochfester Kupferbasislegierungen untersucht. Die Ergebnisse für die CuBe-Legierung Alloy 25 waren besonders positiv.

Die Untersuchungen zeigten, dass nach längeren Beladungszeiten unter gasförmigen sowie elektrochemischen Bedingungen keine signifikanten Wasserstoffgehalte im Werkstoff festgestellt werden konnten. Dies deutet darauf hin, dass Alloy 25 keine nennenswerte Wasserstoffaufnahme zeigt. Darüber hinaus hatte die Wasserstoffbeladung keinen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung im quasistatischen Zugversuch. Dieses Ergebnis unterstreicht die Resistenz von Alloy 25 gegenüber Wasserstoffversprödung, einer häufigen Problematik bei vielen anderen metallischen Werkstoffen unter ähnlichen Bedingungen.

Solche Erkenntnisse sind von großer Bedeutung, da sie die Eignung von Alloy 25 für Anwendungen in wasserstoffreichen Umgebungen bestätigen und somit die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Bauteilen unter extremen Bedingungen gewährleisten. 

Diffusionsmessungen mit Hilfe einer Permeationszelle zeigten zudem, dass nicht nur kaum Wasserstoff in den Werkstoff eindringt, sondern dass auch keine messbare Diffusion durch das Material erfolgt. Die Legierung kann somit als Barriere gegenüber einem Wasserstoffeintrag bzw. einem -durchgang gesehen und daher für dichtende Bauteile im Bereich der Wasserstofftechnologie in Frage kommen. Denkbar sind dabei auch Werkstoffkombinationen, die sich über Plattierprozesse realisieren lassen. (6) (7) 

Sicherheit und Umwelt  

Im Zusammenhang mit Beryllium-haltigen Legierungen wird immer wieder die Frage nach sicherheits- oder umwelttechnischen Aspekten bzw. Einschränkungen gestellt, auf die an dieser Stelle kurz eingegangen werden soll. 

Grundsätzlich gilt, dass die Verwendung von Kupfer-Beryllium-Legierungen von keinem Land weltweit verboten oder eingeschränkt ist. 

Kupfer-Beryllium-Legierungen wurden in den endgültigen EU-Richtlinien über Altfahrzeuge (ELV), zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten (RoHS) oder über Elektro- und Elektronik- Altgeräte (WEEE) nicht aufgenommen oder gar begrenzt. Eine von der Europäischen Kommission in Auftrag gegebene Evaluierung gelangte zu der Empfehlung, Beryllium nicht in die RoHS-Liste aufzunehmen und entsprechende Legierungen in Elektro- und Elektronikgeräten (EEE) weiterhin zu erlauben. 

Beryllium und Berylliumoxid wurden in REACH registriert. Beryllium ist aber nicht auf der Liste der besonders besorgniserregenden Stoffe (SVHC) aufgeführt, die für eine Zulassung in Frage kommen. Beryllium wurde 2011/2012 im Rahmen von REACH überprüft. Die deutsche BAuA führte diese Überprüfung durch und kam zu dem Schluss, dass bei der Endverwendung von Beryllium kein Risiko besteht, sondern nur bei industriellen Prozessen. BAuA und die EU kamen zu dem Schluss, dass ein verbindlicher Arbeitsplatzgrenzwert ausreicht, um das Risiko zu mindern. 

Dieser verbindliche Arbeitsplatzgrenzwert (OEL) ist seit 2019 in der CAD/CMRD-Richtlinie über chemische Arbeitsstoffe und Richtlinie über Karzinogene und Mutagene festgelegt. Für verschiedene Fertigungsverfahren existieren zusätzlich entsprechende Empfehlungen hinsichtlich Technologie und Durchführung. (8)

An dieser Stelle sollte noch erwähnt werden, dass Beryllium zu den derzeit von der Europäischen Kommission als kritisch eingestuften Rohstoffen zählt. Als „kritisch“ (Critical Raw Materials) werden Materialien dann genannt, wenn die Risiken für Versorgungsengpässe und/oder deren Auswirkungen auf die Wirtschaft im Vergleich zu den meisten anderen Materialien hoch sind, da diese Materialien nicht einfach durch andere Werkstoffe substituiert werden können. 

Zusammenfassung  

Kupfer-Beryllium-Legierungen zeichnen sich durch ein außergewöhnliches Eigenschaftsprofil aus, das sie besonders vielseitig macht. Diese Legierungen verbinden extrem hohe Festigkeiten über einen breiten Temperaturbereich mit speziellen Reibeigenschaften, hoher Korrosionsbeständigkeit, sowie exzellenter Spannungsrelaxations- und Verschleißbeständigkeit. Zugleich behalten sie die typisch guten Leitfähigkeitseigenschaften von Kupferbasislegierungen bei.

Dank der Einhaltung von REACH und RoHS-Richtlinien während der Produktion sind diese Werkstoffe weltweit verfügbar und uneingeschränkt einsetzbar. Erweiterte Versuchsprogramme haben zudem gezeigt, dass Kupfer-Beryllium-Legierungen eine hohe Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung aufweisen und effektiv als Barriere gegen den Eintrag und die Diffusion von Wasserstoff dienen können. Diese Eigenschaften machen sie zu einer sicheren Wahl für Anwendungen in wasserstoffreichen Umgebungen.

Aufgrund dieses umfangreichen und vorteilhaften Eigenschaftsprofils finden Kupfer-Beryllium-Legierungen bereits heute breite Anwendung in zahlreichen Industriebereichen, einschließlich der Dichtungstechnik. Ihre Beständigkeit und Barrierewirkung in wasserstoffhaltigen Atmosphären bieten zudem erhebliches Potenzial für neue Anwendungen in der von politischer Seite zunehmend geförderten Wasserstofftechnologie. Dies spiegelt sich in der ständigen Entwicklung neuer Einsatzmöglichkeiten wider, was die Bedeutung und den Wert dieser Legierungen in aktuellen und zukünftigen technologischen Anwendungen unterstreicht.