Verstellbarer Schraubenschlüssel mit der Aufschrift „BeCu“ an der Seite, um anzuzeigen, dass er aus Berylliumkupfer gefertigt ist.

Berylliumkupfer ( BeCu ), auch bekannt als Kupferberyllium ( CuBe ), Berylliumbronze und Federkupfer , ist eine Kupferlegierung mit 0,5–3 % Beryllium . [ 1 ] Kupferberylliumlegierungen werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit und guten Wärme- und elektrischen Leitfähigkeit häufig eingesetzt. [ 2 ] Sie werden aufgrund ihrer Duktilität , Schweißbarkeit und Bearbeitungseigenschaften verwendet . Sie finden vielfältige Spezialanwendungen in Werkzeugen für explosionsgefährdete Bereiche, Musikinstrumenten, Präzisionsmessgeräten, Munition und in der Luft- und Raumfahrt . Da Beryllium ein Gefahrstoff ist, birgt die Verarbeitung von Kupferberyllium ein Risiko der Exposition.

Eigenschaften

Berylliumkupfer ist eine duktile , schweißbare und gut bearbeitbare Legierung. Wie reines Kupfer ist es beständig gegen nicht-oxidierende Säuren (wie Salzsäure und Kohlensäure ) und Kunststoffzersetzungsprodukte, gegen abrasiven Verschleiß und gegen Fressen . Es kann wärmebehandelt werden, um Festigkeit, Haltbarkeit und elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen .

Berylliumkupfer erreicht die höchste Festigkeit (bis zu 1400 MPa (200.000 psi)) aller Kupferlegierungen. [ 3 ] Es besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 62 Btu/h·ft·°F (107 W/mK), die 3- bis 5-mal höher ist als die von Werkzeugstahl . Der Schmelzpunkt im festen Zustand liegt bei 866 ° C (1590 ° F ), der im flüssigen Zustand bei 982 °C (1800 °F). Es lässt sich gut warmumformen. Die Berylliumkupferlegierung C17200 weist eine ähnliche Festigkeit und Härte wie Stahl auf; die Rockwell-Härte im optimalen (ausgehärteten) Zustand liegt im Bereich von 200 ksi und RC45.

C17200 bietet wirksame Korrosionsbeständigkeit unter rauen Bedingungen wie Meerwasser und in Bohrlochumgebungen . Es widersteht Spannungsrisskorrosion durch Sulfide und Chloride sowie der Versprödung durch Kohlendioxid und Wasserstoff .

Kupferlegierungen im Allgemeinen gelten seit jeher als funkenfrei. C17200 besitzt die nötige Festigkeit für den Einsatz in Hand- und Maschinenwerkzeugen. Diese Funkenfreiheit ist besonders vorteilhaft in explosionsgefährdeten Bereichen wie der Öl- und Gasindustrie sowie der Pulverindustrie. [ 4 ]

Toxizität

Das Einatmen von berylliumhaltigem Staub, Nebel oder Dämpfen kann zu einer chronischen Berylliumkrankheit führen , die den Sauerstoffaustausch zwischen Lunge und Blutkreislauf beeinträchtigt. Die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) führt Beryllium als krebserregend für den Menschen (Gruppe 1). Auch das Nationale Toxikologieprogramm (NTP) stuft Beryllium als krebserregend ein. Kupfer-Beryllium-Legierungen mit einem Berylliumgehalt von unter 2,5 % (bezogen auf Kupfer) gelten nicht als krebserregend.

Verwendung

Beispiel eines funkenfreien Werkzeugs aus Berylliumkupfer

Berylliumkupfer ist eine Nichteisenlegierung, die in Federn , Federdraht, Wägezellen und anderen Bauteilen verwendet wird, die unter wiederholter Belastung ihre Form behalten müssen. Es besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit und wird für Niedrigstromkontakte von Batterien und elektrischen Steckverbindern eingesetzt.

Berylliumkupfer ist funkenfrei , dennoch robust und nichtmagnetisch und erfüllt die Anforderungen der ATEX-Richtlinie für die Zonen 0, 1 und 2. Schraubendreher, Zangen, Schraubenschlüssel, Kaltmeißel , Messer und Hämmer aus Berylliumkupfer sind für explosionsgefährdete Bereiche wie Ölplattformen , Kohlebergwerke und Getreidesilos erhältlich. Als alternatives Metall für funkenfreie Werkzeuge wird mitunter Aluminiumbronze verwendet . Im Vergleich zu Stahlwerkzeugen sind Werkzeuge aus Berylliumkupfer teurer und weniger robust, die Vorteile in explosionsgefährdeten Bereichen können diese Nachteile jedoch überwiegen. [ 5 ] Zu den vielfältigen Anwendungsgebieten von Berylliumkupfer gehören unter anderem:

  • Bestimmte Schlaginstrumente, insbesondere Tamburine und Triangeln , aufgrund des gleichmäßigen Klangs und der Resonanz von Berylliumkupfer.
  • Tieftemperatur- Kryogeräte , wie zum Beispiel Verdünnungskühler , eignen sich aufgrund ihrer mechanischen Festigkeit und relativ hohen Wärmeleitfähigkeit in diesem Temperaturbereich besonders gut.
  • Formen zur Herstellung von Kunststoffbehältern (einschließlich der meisten Kunststoffmilchflaschen) mittels Blasformverfahren . [ 6 ]
  • Bei panzerbrechenden Geschossen [ 7 ] ist dies jedoch ungewöhnlich, da Geschosse aus Stahllegierungen viel günstiger sind und ähnliche Eigenschaften aufweisen .
  • Mess-während-des-Bohrvorgangs (MWD)-Werkzeuge werden in der Richtbohrindustrie eingesetzt . Eine nichtmagnetische Legierung ist erforderlich, da Magnetometer zur Erfassung der vom Werkzeug gelieferten Feldstärkedaten verwendet werden.
  • Wartung von Magnetresonanztomographen (MRT) und Kernspinresonanztomographen (NMR), bei denen die Verwendung von Werkzeugen aus Eisenwerkstoffen aufgrund der starken Magnetfelder gefährlich ist und magnetische Materialien im Magnetfeld die Bildgebung stören können.
  • Dichtungen zur Herstellung einer HF-dichten (gegen Hochfrequenzleckagen beständigen) Abdichtung, die elektronische Dichtung an Türen, die bei EMV- Prüfungen verwendet wird, und reflexionsarme Kammern .
  • In den 1980er-Jahren wurde Berylliumkupfer zur Herstellung von Golfschlägern , insbesondere Wedges und Puttern , verwendet . Obwohl manche Golfer das Spielgefühl von Schlägerköpfen aus Berylliumkupfer bevorzugen, sind diese aufgrund regulatorischer Bestimmungen und hoher Kosten heutzutage kaum noch erhältlich.
  • Die Firma Kiefer Plating (inzwischen aufgelöst) aus Elkhart, Indiana, fertigte Trompetenglocken aus Berylliumkupfer für die Schilke Music Co. aus Chicago. Diese leichten Glocken erzeugen einen Klang, der von einigen Musikern bevorzugt wird. [ 8 ]
  • Berylliumkupferdraht [ 9 ] wird in vielen Formen hergestellt: rund, quadratisch, flach und geformt, in Spulen, auf Spulen und in geraden Längen.
  • In Hochleistungs-Viertaktmotoren mit beschichteten Titanventilen werden Ventilsitze und -führungen aus Berylliumkupfer (BeCu) verwendet. BeCu leitet die Wärme vom Ventil bis zu siebenmal schneller ab als Ventilsitze und -führungen aus pulvermetallurgischem Stahl oder Gusseisen. Das weichere BeCu reduziert den Ventilverschleiß und verlängert die Ventillebensdauer.
  • Für die Luftfahrtindustrie eignen sich Berylliumkupfer aufgrund seiner Festigkeit, Dimensionsstabilität und Beständigkeit gegen Verschleiß, Ermüdung und Korrosion hervorragend zur Herstellung von Lagern und Buchsen. Diese Eigenschaften, zusammen mit seiner Wärmeleitfähigkeit, machen es zur besten Kupferlegierung für elektrische Kontakte, Steckverbinder und Kabel. [ 10 ] [ 11 ]

ausgehärtete Legierung

Berylliumkupfer (C17200 & C17300) ist eine aushärtbare Legierung, die die höchste Festigkeit aller Kupferlegierungen erreicht. Sie kann nach dem Formen zu Federn, filigranen oder komplexen Formen ausgehärtet werden. Sie wird aufgrund ihrer Elastizität , Korrosionsbeständigkeit, Stabilität, Leitfähigkeit und geringen Kriechneigung geschätzt.

Vergütetes Berylliumkupfer der Sorten C17200 und C17300 wurde durch Aushärtung und Kaltziehen weiterverarbeitet. Eine zusätzliche Wärmebehandlung ist außer einer möglichen leichten Spannungsarmglühung nicht erforderlich. Es ist ausreichend duktil, um es um seinen Durchmesser zu wickeln und zu Federn und den meisten anderen Formen zu verarbeiten. Der vergütete Draht eignet sich besonders dann, wenn die Eigenschaften von Berylliumkupfer gewünscht sind, eine Aushärtung der fertigen Teile jedoch nicht praktikabel ist.

Die Beryllium-Kupfer-Legierungen C17510 und C17500 sind aushärtbar und bieten gute elektrische Leitfähigkeit, physikalische Eigenschaften und Verschleißfestigkeit. Sie werden in Federn und Drähten eingesetzt, wo elektrische Leitfähigkeit oder der Erhalt der Eigenschaften bei hohen Temperaturen wichtig sind.

Spezialvarianten

Hochfeste Beryllium-Kupfer- Legierungen enthalten bis zu 2,7 % Beryllium (Gusslegierungen) bzw. 1,6–2 % Beryllium und etwa 0,3 % Kobalt (Knetlegierungen). Die Festigkeit wird durch Aushärtung erzielt. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Legierungen liegt zwischen der von Stahl und Aluminium. Gusslegierungen werden häufig im Spritzgussverfahren hergestellt. Die Knetlegierungen tragen die UNS- Bezeichnungen C17200 bis C17400, die Gusslegierungen C82000 bis C82800. Der Aushärtungsprozess erfordert eine schnelle Abkühlung des geglühten Metalls, wodurch eine feste Lösung von Beryllium in Kupfer entsteht. Diese wird anschließend mindestens eine Stunde lang bei 200–460 °C gehalten, wodurch sich metastabile Beryllidkristalle in der Kupfermatrix ausscheiden. Eine Überalterung über die Gleichgewichtsphase hinaus führt zum Verlust der Beryllidkristalle und damit zu einer Verringerung der Festigkeit. Die Beryllide in Gusslegierungen ähneln denen in Knetlegierungen.

Hochleitfähige Beryllium-Kupfer- Legierungen enthalten bis zu 0,7 % Beryllium sowie Nickel und Kobalt. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Legierungen ist höher als die von Aluminium und etwas niedriger als die von reinem Kupfer; sie werden häufig als elektrische Kontakte eingesetzt. [ 12 ]

Referenzen

  1. ^ „Berylliumkupfer“ . Belmont Metals . 17. Mai 2017. Abgerufen am 20. Januar 2023 .
  2. ^ „Ressourcen: Normen & Eigenschaften – Mikrostrukturen von Kupfer und Kupferlegierungen: Kupfer-Beryllium“ . www.copper.org . Abgerufen am 20.01.2023 .
  3. ^ Bauccio, Michael (Hrsg.). (Januar 1993). ASM Metals Reference Book, dritte Auflage . Materials Park, Ohio: ASM International. S. 445. ISBN 0-87170-478-1Die
  4. ^ „C17200 Berrylliumkupfer“ . Aviva Metals . Archiviert vom Original am 27.09.2020 . Abgerufen am 31.08.2020 .
  5. ^ „Beryllium-Aluminium vs. Beryllium-Kupfer: Wie man das richtige Material auswählt“ . www.samaterials.com . Abgerufen am 06.02.2026 .
  6. ^ „Lösung von Formproblemen mit Berylliumkupfer: Formenbau. – Kostenlose Online-Bibliothek“ . www.thefreelibrary.com . Abgerufen am 28.07.2022 .
  7. ^ „Bundesrecht und AP-Munition“ . Nucnews.net. Archiviert vom Original am 14.11.2009 . Abgerufen am 02.11.2009 .
  8. ^ „Schallbecher-, Zug- und Oberflächenoptionen | Der Schilke-Anhänger | Jim Donaldson“ . www.everythingtrumpet.com . Abgerufen am 28.07.2022 .
  9. ^ „Berylliumkupfer“ . Archiviert vom Original am 27.06.2009 . Abgerufen am 08.05.2009 .
  10. ^ „Allgemeine Anwendungen von Berylliumkupfer“ . Stanford Advanced Materials . Oceania International LLC. 24. Juli 2025. Abgerufen am 21. Mai 2026 .
  11. ^ „Luftfahrt“ . NGK Berylco . NGK Corporation . Abgerufen am 21. Mai 2026 .
  12. ^ „Feature – EDMing Beryllium Copper: An Introduction“ . Mmsonline.com. Archiviert vom Original am 14.06.2011 . Abgerufen am 17.10.2010 .