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Ausscheidungen, nichtmetallische

Ausscheidungen (Dispersionen) sind mikroskopisch kleine Fremdpartikel in Form chemischer Metallverbindungen (Oxide, Nitride, Carbide, Carbonitride), die in feinster Verteilung im Gefüge von Metallen eingelagert sind. Sie treten natürlicherweise durch Verunreinigungen auf, lassen sich mit dem Ziel der Dispersionsverfestigung aber auch gezielt durch Legieren erzeugen, also durch Zugeben der Ausgangsstoffe (Dispersionsbildner) in die Metallschmelze.

In der Pulvermetallurgie können Ausscheidungen mit gleichem Effekt auch durch innigen mechanischen Kontakt mit dem Metall auf „kaltem“ Weg erzielt werden (RMML-Verfahren).

Bearbeitbarkeit, mechanische

Gemeint ist die Eignung eines Werkstoffes zur spanenden Formgebung, also zum Bohren, Fräsen, Drehen, Schleifen oder Polieren. Sie wird durch die Härte und den Gefügeaufbau des Werkstoffs beeinflusst. Nicht nur sehr harte, auch sehr weiche Werkstoffe wie z.B. Elektrolytkupfer, lassen sich schlecht mechanisch bearbeiten – sie „schmieren“. Dispersionsverfestigte pulvermetallurgische Werkstoffe hingegen sind gut mechanisch zu bearbeiten.

CEP DISCUP®

Über das RMML-Verfahren hergestellter pulvermetallurgischer Werkstoffe auf der Basis von reinem Kupfer. Durch gezielte Beigaben von Aluminiumoxid und anderen Dispersionsbildnern werden eine ultrafeine Gefügestruktur und Dispersionsverfestigung erreicht. Damit zählen die Werkstoffe zu den so genannten ODS-Kupfern (oxide dispersion strengthened coppers). CEP DISCUP® ist eine eingetragene Marke von CEP Freiberg.

Dispersionsverfestigung

Steigerung der Härte, Festigkeit und Zähigkeit von Werkstoffen durch Ausscheidungen (Dispersionen) nach der Zugabe von Dispersionsbildnern. Die Wirkung der Ausscheidungen besteht darin, den Verformungswiderstand des Werkstoffs zu erhöhen, indem sie die Bewegung natürlicher Defekte im Metallatomgitter, der sog. Versetzungen, behindern. Versetzungsbewegung ist die metallphysikalische Voraussetzung für jegliche Verformung. Zugleich sorgt eine sehr feine Gefügestruktur dafür, dass sich keine kritischen Versetzungsstaus bilden können, die den Bruchwiderstand des Werkstoffes senken.

Elektrobronze

Sammelbegriff für klassische Knetlegierungen aus Kupfer und anderen Metallen (Ni, Be, Co, Cr, Zr), die als Werkstoff in der Elektrotechnik eingesetzt werden (Leitungen und Kontakte) und eine etwas höherer Härte, Festigkeit und Temperaturbeständigkeit als reines Kupfer aufweisen.

Elektrolytkupfer

Auch: Reinkupfer. Durch Elektrolyse gewonnenes Kupfer von hoher Reinheit. Wird vorrangig als Werkstoff in der Elektrotechnik eingesetzt (Leitungen und Kontakte) und weist eine geringe Härte, Festigkeit und Temperaturbeständigkeit auf.

Festigkeit

Festigkeit und Festigkeitseigenschaften sind Sammelbegriffe für Eigenschaften des Werkstoffs, die sich im Wesentlichen über die Kenngrößen des statischen Zugversuchs definieren. Eine der wichtigsten ist die 0,2%-Dehngrenze (Rp0,2), jene Spannung, die gerade zu 0,2 % plastischer Dehnung führt. Für Kupfer und Kupferwerkstoffe liegt der Wert zwischen 160 und 340 MPa, für höherfeste Baustähle zwischen 340 und 960 MPa. Zweite wichtige Kenngröße ist die Zugfestigkeit (Bruchspannung). Sie liegt bei Kupfer und Kupferwerkstoffen zwischen 200 und 400 MPa, bei höherfesten Baustählen zwischen 520 und 1.150 MPa.

Festigkeits-Memory

Eine besondere Eigenschaft des Werkstoffs CEP DISCUP®, resultierend aus dem Mechanismus der Dispersionsverfestigung. Wird der Werkstoff über seine Rekristallisationstemperatur hinaus erwärmt, so verliert er seine Festigkeit im Unterschied zu klassischen Metallen nicht dauerhaft. Sie stellt sich nach dem Abkühlen wieder ein; der Werkstoff regeneriert sein Gefüge selbst.

Vergleich der Gefüge von CEP DISCUP®, Reinkupfer und von CuCr1Zr vor und nach Wärmebehandlung

Werkstoffvergleich Gefüge nach Glühung
Härte

Werkstoffeigenschaft, die sich über die Eindringtiefe eines unter Normbedingungen in die Werkstoffoberfläche eingedrückten Prüfkörpers definiert. Es gibt verschiedene Härtemessskalen. Eine der gebräuchlichsten ist die Vickers-Härte (HV), bei der mit einer Diamantspitze in Pyramidenform gemessen wird.

Härte und elektrische Leitfähigkeit: CEP DISCUP® im Vergleich mit anderen Leiterwerkstoffen

Diagramm Werkstoffvergleich elektrische Leitfähigkeit und Härte

GLIDCOP ist ein ODS-Kupfer des Herstellers Höganäs AB.

Hartlöten

Als Hartlöten wird ein Fügeverfahren bezeichnet, das bei Temperaturen über 450 °C erfolgt. Es schafft Verbindungen zwischen Werkstoffen, die fester als klassische Weichlötverbindungen sind. Hartlöten wird dort angewandt, wo Schweißen aus werkstofftechnischen Gründen nicht möglich ist.

Klebeneigung

Neigung elektrischer Kontaktwerkstoffe im Hochspannungsbereich, beim Schließen des Kontaktes aufgrund von Überschlaglichtbögen mit dem Kontaktpartner zu verkleben. Insofern ist hohe Klebeneigung auch Ausdruck geringer Lichtbogenfestigkeit.

Leitfähigkeit, elektrische

Fähigkeit eines Werkstoffes, elektrischen Strom zu leiten. Wird häufig in Siemens pro Meter gemessen, aber auch in % IACS (Prozentwert der Leitfähigkeit, verglichen mit der von reinem geglühtem Kupfer). Gute elektrische Leitfähigkeit geht bei Metallen in der Regel auch mit guter thermischer Leitfähigkeit einher.

Härte und elektrische Leitfähigkeit: CEP DISCUP® im Vergleich mit anderen Leiterwerkstoffen

Diagramm Werkstoffvergleich elektrische Leitfähigkeit und Härte

GLIDCOP ist ein ODS-Kupfer des Herstellers Höganäs AB.

Lichtbogenfestigkeit

Widerstand gegen die Schädigung von Kontaktwerkstoffen im Hochspannungsbereich durch Überschlaglichtbögen. Mangelnde Lichtbogenfestigkeit äußert sich in unerwünschter Elektroerosion („Abbrennen“) oder lokalen Aufschmelzungen, die zum Verkleben der Kontaktpartner führen (Klebeneigung).

PERCOFORM®-Verfahren

Exklusiv bei CEP Freiberg angewandtes, als Patent angemeldetes Verfahren zum kontinuierlichen Pulver-strangpressen von Kupfer-Hochtemperaturwerkstoffen. Mit ihm lassen sich sehr lange Stangen oder auch Endlosmaterial im Durchmesserbereich von 3 mm bis 10 mm erzeugen. Das Halbzeug entsteht unmittelbar aus dem Granulat des pulvermetallurgischen Werkstoffs. Wichtigste Bauteile der Anlage sind ein rotierendes Extrusionsrad und ein daran gepresster Schuh. Das Granulat wird in den Arbeitsspalt zwischen Schuh und Extrusionsrad gefüllt, wobei es sich durch die Reibung so erwärmt, dass es sich in eine formbare Werkstoffmasse verwandelt. Das Verfahren stellt eine Weiterentwicklung des unter dem Namen CONFORM bekannten Umformverfahrens zum Urformverfahren dar.

PERCOFORM®-Verfahren, Funktionsschema

Funktionsschema des PERCOFORM-Verfahrens
Pulvermetallurgie

Pulvermetallurgie ist ein Teilbereich der Metallurgie, in dem Werkstoffe aus pulverförmigen metallischen Rohstoffen durch Pressen oder Sintern und zusätzliche Verfahren zu metallischen Halbzeugen oder Fertigteilen verarbeitet werden. Sie weisen andere Eigenschaftsprofile auf als klassische schmelzmetallurgisch erzeugte Werkstoffe (Knetlegierungen).

RMML-Verfahren

Kurzbezeichnung für „Reaktionsmahlen und mechanisches Legieren“; Bezeichnung „kalter“ Herstellungsverfahren für pulvermetallurgische Werkstoffe, die bei CEP Freiberg angewandt werden. Reines Kupferpulver wird zusammen mit Legierungszusätzen und Dispersionsbildnern in einer Kugelmühle nach einem ganz bestimmten Mahlregime intensiv vermahlen. Durch sich wiederholende Zerkleinerungs- und Kaltverschweißungsprozesse werden ultrafeine, thermisch stabile Oxide und Karbide als Ausscheidungen in der Kupfermatrix gebildet und fein verteilt. Es entsteht ein so genanntes ODS-Kupfer (oxide dispersion strengthened copper) zunächst als Granulat. Dieses wird anschließend durch Umformverfahren wie z.B. Strangpressen zu Halb- oder Fertigerzeugnissen weiterverarbeitet.

Herstellungsprozess der Kupfer-Hochtemperaturwerkstoffe vom Typ CEP DISCUP®

Strangpressen, hydrostatisches

Beim hydrostatischen Strangpressen wird ein auf Umformtemperatur erwärmter, vorgeformter Werkstoffblock mithilfe eines Stempels in einem Hohlraum, dem Rezipienten, durch eine formgebende Matrize gepresst. Dabei ist der Block von einer Druckflüssigkeit (zumeist Öl) umgeben, wodurch die Druckkraft in feiner Verteilung übertragen wird. Das erlaubt die Verarbeitung ansonsten nur schwer umformbarer oder empfindlicher Werkstoffe. Beim hydrostatischen Strangpressen handelt es sich um ein diskontinuierliches Strangpressverfahren, bei dem Pressung für Pressung kurze Stangen oder Rohre entstehen. CEP Freiberg benutzt das Verfahren zur Herstellung von Rohren aus Verbundrohr CEP DISCUP®+Cu. Zur Erzeugung des Rohrs wird beim Umformen im Innern ein Dorn mitgeführt, mit dem sich neben verschiedenen Innenquerschnitte auch verschiedene Innengeometrien erzeugen lassen.

Hydrostatisches Strangpressen, Funktionsschema

Funktionsschema des hydrostatischen Strangpressens
Strangpressen, indirektes

Beim indirekten Strangpressen wird ein auf Umformtemperatur erwärmter, vorgeformter Werkstoffrohling („Grünling“) mithilfe eines Stempels in einem Hohlraum, dem Rezipienten, durch eine formgebende Matrize gepresst. Im Gegensatz zum klassischen direkten Strangpressen wird beim indirekten Verfahren der gefüllte Rezipient gegen den feststehenden Stempel bewegt, der zugleich Matrize ist. So entstehen weniger Reibungskräfte, und es wird ein höherer Wirkungsgrad erzielt. Es handelt sich um ein diskontinuierliches Strangpressverfahren, bei dem Pressung für Pressung Stangen im Durchmesserbereich von 8 mm bis 30 mm entstehen.

Indirektes Strangpressen, Funktionsschema

Funktionsschema des indirekten Strangpressens
Temperaturbeständigkeit

Beschreibt den Widerstand eines Werkstoffes gegen Entfestigung durch Rekristallisation. Sammelbegriff, der den Erhalt bestimmter Werkstoffeigenschaften, zumeist der Härte, Festigkeit, aber auch der Verschleißbeständigkeit beschreibt, nachdem der Werkstoff zeitweilig hohen Temperaturen ausgesetzt war. Insbesondere Temperaturen oberhalb der das Gefüge verändernden Rekristallisationstemperatur sind von Bedeutung.

Sie kann sowohl bei der Herstellung als auch beim Werkstoffeinsatz überschritten werden, was vorherige Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung rückgängig macht. Während beispielsweise die Rekristallisationstemperatur von Stählen bei 550 °C bis 700 °C liegt, erreicht CEP DISCUP® mehr als 900 °C.

Vergleich der Raumtemperaturhärten von CEP DISCUP®, Reinkupfer und CuCr1Zr nach Glühung

Diagramm
Werkstoffvergleich Temperatur und Haerte
Verschleißbeständigkeit

Sammelbegriff für die Widerstandsfähigkeit von Werkstoffen gegen verschiedenste Verschleißarten, z.B. adhäsiven oder abrasiven Verschleiß. Dabei handelt es sich um von der Oberfläche ausgehende, oft durch Reibung von Werkstoffpaarungen ausgelöste, flächige Werkstoffschädigungen. Meist kommen noch Oxidations- und Temperatureinflüsse hinzu, sodass es um Widerstandsfähigkeit gegen eine komplexe Verschleißbeanspruchung geht, z.B. Hochtemperaturverschleiß und Funkenerosion. Dispersionsverfestigte pulvermetallurgische Werkstoffe erreichen hier oft bessere Werte als klassische Metalle.

Zähigkeit

Widerstand eines Werkstoffes gegen Rissbildung und plötzlichen Bruch unter mechanischer Beanspruchung. Wird in speziellen Versuchen, z.B. dem Kerbschlagbiegeversuch, oder in Bruchmechaniktests ermittelt. Besonders bei tiefen Temperaturen und unter dem Einfluss ionisierender Strahlung verlieren viele klassische metallische Werkstoffe ihre Zähigkeit – sie verspröden. Dispersionsverfestigte pulvermetallurgische Werkstoffe sind hingegen oft resistenter.