Hochleistungskupferlegierungen für zukunftsweisende Technologien

1. 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 (CuBe) gelten seit vielen Jahren als bewährte Werkstoffe in der Materialtechnik und sind aus zahlreichen industriellen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Grundsätzlich lassen sie sich in zwei Kategorien einteilen: Legierungen mit besonders hoher mechanischer Festigkeit sowie Varianten, die vorrangig auf eine hohe elektrische Leitfähigkeit ausgelegt sind. 

   Zu den hochfesten CuBe-Werkstoffen zählen unter anderem Alloy 25 (C17200) und Alloy M25 (C17300). Beide weisen einen Berylliumgehalt von etwa 1,80 bis 2,00 % auf und zeichnen sich durch herausragende mechanische Kennwerte aus. Die Legierung Alloy M25 enthält zusätzlich Blei, wodurch sich ihre Zerspanbarkeit bei Dreh-, Bohr- und Fräsbearbeitungen deutlich verbessert. Im ausgehärteten Zustand erreichen Alloy 25 und Alloy M25 die höchsten Festigkeits- und Härtewerte aller handelsüblichen Kupferlegierungen, was sie besonders für technisch anspruchsvolle Einsatzgebiete prädestiniert. 

   CuBe-Legierungen mit vergleichsweise geringerer Festigkeit, dafür jedoch erhöhter elektrischer Leitfähigkeit, besitzen in der Regel niedrigere Berylliumanteile und sind zusätzlich mit Elementen wie Cobalt und/oder Nickel legiert. So liegt der Berylliumgehalt der Legierungen Alloy 3 (C17510) und Alloy 10 (C17500) im Bereich von 0,4 bis 0,7 %. Zur Verbesserung der Warmfestigkeit wurde die Legierung Alloy 10X entwickelt, die gegenüber Alloy 10 geringe Zusätze von Zirkon enthält. Dadurch bleiben Festigkeit und Duktilität bis zu Temperaturen von etwa 430 °C weitgehend erhalten. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Kennwerte der genannten Legierungen zusammen. 

Die hohen Festigkeiten der genannten Legierungen tragen in der Regel auch zu einer ausgezeichneten Verschleißbeständigkeit und Schwingfestigkeit bei. Diese Eigenschaften bleiben nicht nur bei Raumtemperatur erhalten, sondern auch unter höheren Temperaturen. Dies macht sie besonders geeignet für den Einsatz in verschiedenen Dichtungskomponenten in Verbrennungsmotoren. Beispiele für solche Anwendungen sind Ventilsitze, Ventilführungen, Kolbenringe und Unterleg- bzw. Dichtscheiben. Diese Legierungen wurden nach umfangreichen Erprobungsversuchen ausgewählt, um die anspruchsvollen Bedingungen in diesen Hochleistungskomponenten zuverlässig zu bewältigen.3)  

Um die hohen Festigkeitsniveaus von Kupfer-Beryllium-Legierungen zu erzielen, ist ein gezielt gesteuerter Ausscheidungshärtungsprozess notwendig, der innerhalb eines exakt definierten Temperaturfensters abläuft. Insbesondere bei der Herstellung von Bandmaterial wird diese Wärmebehandlung häufig mit einer Kaltumformung kombiniert, um die mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern. 

Halbzeuge wie Bänder, die später zu Endbauteilen weiterverarbeitet werden, durchlaufen oftmals zusätzliche Umformschritte, etwa Crimp- oder Fließpressprozesse. In solchen Anwendungsfällen kann die Wärmebehandlung auch erst nach der Bauteilherstellung erfolgen. Die Komponenten werden dabei zunächst in einem weichgeglühten, gut umformbaren Zustand gefertigt, was die Umsetzung komplexer Bauteilgeometrien erleichtert. Die anschließende Ausscheidungshärtung erfolgt direkt am fertigen Bauteil und stellt die gewünschten hohen Festigkeitswerte ein. 

Dieses Vorgehen ist vergleichbar mit dem Stückvergüten von Stahlbauteilen, bei dem die endgültigen mechanischen Eigenschaften ebenfalls durch eine nachträgliche Wärmebehandlung erzielt werden. Auf diese Weise lassen sich komplexe Bauteile effizient und materialsparend herstellen, ohne auf hohe Leistungsfähigkeit des Werkstoffs verzichten zu müssen.  

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 bedeutendes Anwendungsfeld von Kupfer-Beryllium-Legierungen liegt im Bereich reibungs- und verschleißbeanspruchter Bauteile. Das Zusammenspiel aus vergleichsweise niedrigem Elastizitätsmodul und hoher Streckgrenze führt zu einem hohen Resilienzwert. Dieser wirkt sich beispielsweise bei Gleitlagern positiv aus, da lokale Belastungsspitzen reduziert werden und sich dadurch im Vergleich zu anderen Lagerwerkstoffen deutlich längere Standzeiten ergeben. Dies ermöglicht verlängerte Wartungsintervalle, etwa bei Baumaschinen oder Anlagen im Untertagebetrieb. 

Darüber hinaus besitzen CuBe-Legierungen eine von Natur aus hohe Beständigkeit gegenüber Abrieb und Verschleiß. Sie erlauben Werkstoffkombinationen, die sich durch geringe Reibung sowie minimale Beeinträchtigung der Oberflächen auszeichnen. So zeigen beispielsweise Gewindeverbindungen aus der Legierung Alloy 25 in Kombination mit nichtrostenden Stählen eine ausgeprägte Resistenz gegen Abrieb und Kaltverschweißen (Fressen).4) 

Die spezielle chemische Zusammensetzung von Kupfer-Beryllium-Legierungen begünstigt die Ausbildung berylliumhaltiger Oxidschichten, die den Werkstoffen einen im Vergleich zu den meisten anderen Kupferbasislegierungen deutlich erhöhten Korrosionsschutz verleihen. Besonders ausgeprägt ist ihre Beständigkeit gegenüber zahlreichen wässrigen Lösungen von Alkalihydroxiden, sowohl bei niedrigen als auch bei erhöhten Temperaturen. 

Wie bei anderen Kupferlegierungen gibt es jedoch auch Medien, die kritisch zu bewerten sind. Dazu zählen vor allem Ammoniumhydroxid sowie Ammoniak in feuchter oder sauerstoffhaltiger Umgebung. Demgegenüber zeigen CuBe-Legierungen eine hohe chemische Stabilität in kalter konzentrierter Schwefelsäure, in kalter und warmer verdünnter Schwefelsäure, in Flusssäure sowie in kalter verdünnter Salzsäure. 

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber nichtrostenden Stählen liegt in der hohen Widerstandsfähigkeit von CuBe-Legierungen gegenüber chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion. Darüber hinaus sind sie sehr unempfindlich gegenüber Biofouling, was ihren Einsatz in spezialisierten Anwendungen wie Interferenzpass-Portdichtungen in der Unterwasser-Telekommunikation begünstigt. Insgesamt machen diese Eigenschaften Kupfer-Beryllium-Legierungen zu einer zuverlässigen Werkstofflösung für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit und Betriebssicherheit.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 Phänomene5), 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 Prüfungen sind entscheidend, um die Beständigkeit von Werkstoffen in wasserstoffreichen Umgebungen zuverlässig zu bewerten. 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. Besonders überzeugende Ergebnisse erzielte dabei die CuBe-Legierung Alloy 25. 

Die Tests zeigten, dass auch nach längeren Beladungszeiten unter gasförmigen oder elektrochemischen Bedingungen keine nennenswerten Wasserstoffgehalte im Werkstoff nachweisbar waren. Dies spricht dafür, dass Alloy 25 praktisch keine Wasserstoffaufnahme zeigt. Zudem beeinträchtigte die Wasserstoffbeladung die mechanischen Eigenschaften der Legierung im quasistatischen Zugversuch nicht. Damit bestätigt sich die hohe Resistenz von Alloy 25 gegenüber Wasserstoffversprödung – einem Problem, das viele andere metallische Werkstoffe unter ähnlichen Bedingungen betrifft. 

Diese Ergebnisse sind besonders relevant, da sie die Eignung von Alloy 25 für Anwendungen in wasserstoffreichen Umgebungen belegen und somit die Zuverlässigkeit sowie Sicherheit von Bauteilen unter extremen Betriebsbedingungen 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 häufig nach sicherheits- oder umwelttechnischen Aspekten sowie möglichen Einschränkungen gefragt. Auf diese Punkte soll an dieser Stelle kurz eingegangen werden. Grundsätzlich ist die Verwendung von Kupfer-Beryllium-Legierungen weltweit weder verboten noch eingeschränkt. 

In den EU-Richtlinien zu Altfahrzeugen (ELV), zur Beschränkung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten (RoHS) sowie zu Elektro- und Elektronik-Altgeräten (WEEE) werden CuBe-Legierungen weder aufgeführt noch limitiert. Eine von der Europäischen Kommission in Auftrag gegebene Bewertung empfahl ausdrücklich, Beryllium nicht in die RoHS-Liste aufzunehmen und die Nutzung entsprechender Legierungen in Elektro- und Elektronikgeräten (EEE) weiterhin zu gestatten. 

Beryllium und Berylliumoxid sind im Rahmen von REACH registriert. Dabei wird Beryllium nicht als besonders besorgniserregender Stoff (SVHC) eingestuft, der einer Zulassung unterliegt. Im Jahr 2011/2012 erfolgte eine Überprüfung von Beryllium durch die deutsche BAuA im Rahmen von REACH. Das Ergebnis: Risiken bestehen primär nur bei industriellen Prozessen, nicht jedoch bei der Endverwendung. Sowohl BAuA als auch die EU kamen zu dem Schluss, dass ein verbindlicher Arbeitsplatzgrenzwert ausreicht, um potenzielle Risiken wirksam zu minimieren. 

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)  

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Beryllium derzeit von der Europäischen Kommission als kritischer Rohstoff („Critical Raw Material“) eingestuft wird. Materialien gelten als kritisch, wenn das Risiko von Versorgungsengpässen und deren potenzielle wirtschaftliche Auswirkungen im Vergleich zu anderen Werkstoffen hoch ist, insbesondere weil sie nicht leicht durch alternative Materialien ersetzt werden können. 

Zusammenfassung 

Kupfer-Beryllium-Legierungen zeichnen sich durch ein außergewöhnlich vielseitiges Eigenschaftsprofil aus. Sie verbinden hohe Festigkeiten über einen breiten Temperaturbereich mit speziellen Reibeigenschaften, hoher Korrosionsbeständigkeit sowie ausgezeichneter Spannungsrelaxations- und Verschleißresistenz. Gleichzeitig behalten sie die für Kupferlegierungen typischen hervorragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten bei. 

Dank der Einhaltung von REACH- und RoHS-Vorgaben während der Produktion sind diese Werkstoffe weltweit verfügbar und uneingeschränkt einsetzbar. Umfangreiche Prüfprogramme haben zudem gezeigt, dass CuBe-Legierungen eine hohe Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung aufweisen und effektiv als Barriere gegen Wasserstoffaufnahme und -diffusion wirken. Damit stellen sie eine zuverlässige Wahl für Anwendungen in wasserstoffreichen Umgebungen dar. 

Aufgrund dieses umfassenden und vorteilhaften Eigenschaftsprofils kommen Kupfer-Beryllium-Legierungen bereits heute in zahlreichen Industriezweigen zum Einsatz, unter anderem in der Dichtungstechnik. Ihre Beständigkeit sowie die Barrierewirkung in wasserstoffhaltigen Atmosphären eröffnen zudem erhebliches Potenzial für neue Anwendungen in der zunehmend politisch geförderten Wasserstofftechnologie. Die kontinuierliche Entwicklung neuer Einsatzmöglichkeiten unterstreicht die Bedeutung und den Wert dieser Legierungen für aktuelle und zukünftige technologische Anwendungen. 

Literatur  

1) Ratka, J.O.; Spiegelberg, W.D.; IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 30, 4th Issue, 1994  

2) Frehn, A.; Surrey, S.; Grensing, F; Tarrant, A.; Lewis, P.; Tagungsband zur ESA ECSSMET 2024 Konferenz, Nordwijk (Niederlande), 23.-27.09.2024 

3) Tricker, D.; Egger, A.; Krus, D.; Bredda, S.; SAE Int. J. Adv. & Curr. Prac. in Mobility 2 (5), 2020  

4) Materion Guide to High Performance Alloys, Ausgabe 2019, https:// www.materion.com/en/gated/guide-to-high-performance-alloys  

5) Jürgensen, J.; Pohl, M.; DGM Materials Week 2021, 09.09.2021  

6) Frehn, A.; Greschner, U.; Tagungsband zur Copper Alloys 2022 Konferenz, Düsseldorf, 22.-23.11.2022  

7) Jürgensen, J.; Frehn, A.; Ohla, K.; Stolz, S.; Pohl, M.; Metals 2024, 14, 588, https://doi.org/10.3390/met14050588  

8) https://www.beryllium.eu/resources