Kupfer ist ein orangerotes Metall mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und antibakteriellen Eigenschaften. Nickel ist ein glänzendes, silbriges Metall, das eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und chemische Beständigkeit bietet.
Durch die Kombination dieser beiden Metalle in unterschiedlichen Anteilen auf metallurgischer Ebene entstehen Kupfer-Nickel-Legierungen (CuNi). Sie vereinen die Vorteile von Kupfer und Nickel und bieten ein ausgewogenes Verhältnis von Korrosionsbeständigkeit, Duktilität sowie thermischer und elektrischer Leitfähigkeit.
Das Verständnis der Arten von Kupfer-Nickel-Legierungen, ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften, Vorteile, Nachteile, Anwendungen und Kostenauswirkungen kann bei der CNC-Bearbeitungsmaterial Auswahl oder jedes andere Fertigungsprojekt. Lassen Sie uns diese Aspekte von CuNi-Legierungen im Detail besprechen.
Was ist eine Kupfer-Nickel-Legierung?
Kupfernickelteile
Eine Kupfer-Nickel-Legierung, kurz CuNi-Legierung, ist eine Metalllegierung, die durch die metallurgische Verbindung von Kupfer und Nickel entsteht. Reines Kupfer und Nickel werden zusammen geschmolzen und in verschiedene Formen gegossen. Die Legierung weist dabei eine für beide Ausgangsmetalle charakteristische Mikrostruktur auf. Die Nickelatome werden in das Kupfergitter eingebaut und bilden eine neue, durchgehende kubisch-flächenzentrierte (kfz) Kristallstruktur.
Wie jeder andere auch LegierungsmaterialDas Verhältnis der Legierungselemente in der Mischung kann je nach Legierungstyp variieren. In Cu-Ni-Legierungen liegt der Nickelanteil zwischen 10 und 45 %. Mit zunehmendem Nickelanteil wird die Zusammensetzung zäher, aber weniger bearbeitbar. Legierungen mit
Neben Kupfer und Nickel werden auch Mangan und Eisen in geringen Mengen (ca. 2 %) zugesetzt. Diese Zusätze erhöhen die Korrosionsbeständigkeit zusätzlich. Einigen Legierungen werden zudem Zinn und Aluminium zugesetzt, um sie für Hochleistungsanwendungen geeignet zu machen.
Physikalische Eigenschaften von Kupfer-Nickel-Legierungen
Kupfer-Nickel-Legierungen rosten nicht leicht, sind gut duktil und lassen sich zu Rohren, Schläuchen und komplexen Bauteilen formen. Außerdem sind sie dichter als reines Kupfer.
| Eigenschaft | Cu-Ni 90/10 | Cu-Ni 70/30 |
| Dichte (g·cm⁻³) | 8.9 | 8.95 |
| Spezifische Wärme (J·kg⁻¹·K⁻¹, ≈20 °C) | 377 | 377 |
| Wärmeleitfähigkeit (W·m⁻¹·K⁻¹, ≈20 °C) | 50 | 29 |
| Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient (10⁻⁶ K⁻¹, 10–300 °C) | 17 | 16 |
| Elektrische Leitfähigkeit (% IACS) | 9 % InVeKoS | 4% |
Mechanische Eigenschaften von Kupfer-Nickel-Legierungen
Kupfer-Nickel-Legierungen weisen eine gute mechanische Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit auf. Sie bieten zudem eine gute Dehnung und eine mittlere Härte.
| Eigenschaft | Cu-Ni 90/10 | Cu-Ni 70/30 |
| Elastizitätsmodul (GPa) | 135 | 150-152 |
| Schermodul (GPa) | 50 | 57 GPa |
| Poisson-Verhältnis | 0.34 | 0.34 |
| Zugfestigkeit (MPa) | 300–420 MPa | 372-517 |
| Streckgrenze (MPa) | 100 MPa | 120-130 |
| Dehnung (% ) | 30% | 30-45% |
| Härte (HV) | 85-95 | 95-110 |
Arten von Kupfer-Nickel-Legierungen
Arten von CuNi-Legierungen
Basierend auf den Prozentsätzen von Nickel und Kupfer in der Zusammensetzung gibt es verschiedene Arten von Kupfernickel, die jeweils leicht unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Dazu gehören Cu-Ni 90/10, Cu-Ni 70/30, Cu-Ni 80/20 und Cu-Ni 75/25.
Lassen Sie uns kurz auf diese Legierungen aus Kupfer und Nickel eingehen:
Cu–Ni 90/10
Diese Legierung besteht zu 90 % aus Kupfer und zu 10 % aus Nickel. Mangan und Eisen sind zu etwa 1 % hinzugefügt. Sie entspricht der UNS C70600-Legierung. Darüber hinaus ist sie ein seewasserbeständiges Material mit guter Duktilität, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser. Cu-Ni 90/10 wird in Schiffsbeschlägen, Rohrleitungen, im Schiffsbau und in Wärmetauschern eingesetzt.
Cu–Ni 70/30
Der erhöhte Nickelanteil erhöht die mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Dehnungseigenschaften sind etwas besser. Die 70/30-Legierung ist zudem rostbeständig in fließendem Wasser und in Meeresumgebungen. Sie entspricht zudem der UNS C71500-Legierung.
Sie können dies für Anwendungen verwenden, bei denen höhere mechanische Belastungen auftreten, wie etwa Wasseraufbereitungsanlagen, Offshore-Rohrleitungen und Kondensatorrohre. Der höhere Nickelanteil treibt jedoch die Legierungskosten in die Höhe.
Cu–Ni 80/20
Cu-Ni 80/20 entspricht Cu-Ni 80/20 und wird auch als Zwischenprodukt von Cu-Ni 90/10 und 70/30 bezeichnet. Es bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine etwas geringere mechanische Festigkeit. Es findet Anwendung in Rohren, Kabeln, Architektur und Dekoration sowie in einigen Meerwasser-Hardware-Produkten.
Cu-Ni 75/25
Diese Kupfer-Nickel-Legierung ist in der Münzherstellung und bei der Produktion von Dekorationsartikeln beliebt. Sie bietet hervorragende Korrosionsbeständigkeit, gute Duktilität, Verschleißfestigkeit und ein ansprechendes Aussehen. Im Handel ist auch eine für die Metallstanzung optimierte 75/25-Legierung erhältlich.
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Vorteile von Kupfer-Nickel-Legierungen
Kupfer-Nickel-Legierungen vereinen die vorteilhaften Eigenschaften von Kupfer und Nickel. Sie bieten eine gute Korrosionsbeständigkeit, lassen sich in verschiedene Formen bringen und sind recycelbar.
Diese Legierungen finden breite Anwendung in der Schifffahrt, da sie in Salzwasser und unter anderen rauen Bedingungen gut funktionieren. Dies ist einer der Gründe, warum Kupfer gegen Bronze Bei der Auswahl von Materialien für Meerwassersysteme wird häufig die Leistungsfähigkeit diskutiert.
Schauen wir uns nun die fünf wichtigsten Vorteile von Kupfer-Nickel-Legierungen an:
- Korrosionsbeständigkeit: Kupfernickellegierungen bieten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in Salzwasser und anderen rauen Umgebungen.
- Antibakteriell: Sie sind antibakteriell und für einige pharmazeutische und kryogene Anwendungen geeignet. Sie sind auch in Meeresumgebungen von Vorteil, da sie Meeresorganismen abhalten.
- Thermische Stabilität: Cu-Ni-Legierungen behalten ihre Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen, üblicherweise bis zu 650 °C. Darüber hinaus sind sie beständig gegen zyklische thermische Belastung.
- Bearbeitbarkeit und Formbarkeit: Die Kupfernickel können mittels CNC-Bearbeitung zu komplexen Teilen verarbeitet werden, während die Bleche mithilfe von Fertigungsverfahren in verschiedene Formen gebracht werden können. Die Teile können außerdem durch Schweißen und Löten verbunden werden.
- Leitfähigkeit: Die Legierungen verfügen über hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften und elektrische Leitfähigkeit. Daher eignen sie sich gut für Verkabelungen, Steckverbinder und Wärmetauscher.
Nachteile von Kupfer-Nickel-Legierungen
Obwohl Kupfernickel äußerst nützliche Materialien in der Bearbeitung und Metallverarbeitung sind, weisen sie auch einige Einschränkungen auf. Insbesondere die Kostenauswirkungen und die geringe Bearbeitbarkeit einiger Sorten sind zu berücksichtigen.
Die Nachteile von Kupfernickellegierungen sind::
- Teurer als andere Legierungen: Im Vergleich zu Aluminium-Strangpresslegierung und rostfreier Stahl Legierungen, Kupfer-Nickel ist teurer.
- Bearbeitbarkeit: Einige Sorten, wie Cu-Ni 70/30, sind weniger gut bearbeitbar und benötigen möglicherweise Werkzeuge mit einer harten Beschichtung.
- Empfindlich gegenüber Schweißverunreinigungen: Obwohl Cu-Ni-Legierungen eine hohe Schweißbarkeit aufweisen, neigen sie stärker zu Schweißverunreinigungen und erfordern eine präzise Temperaturkontrolle.
Anwendungen von Kupfer-Nickel-Legierungen (CuNi)
Aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit und langen Lebensdauer finden CuNi-Legierungen breite Anwendung in der Schiffsausrüstung, in Rohrleitungssystemen, elektrischen Bauteilen und im Bauwesen. Für Meerwassersysteme werden sie oft Edelstahl vorgezogen. Dieselben Eigenschaften machen sie auch zu einem praktischen Werkstoff für Kupferbearbeitung in anspruchsvollen Umgebungen.
Schauen wir uns die wichtigsten Anwendungen an:
Kupfer-Nickel-Rohre und Rohrnippel 
Rohrnippel
Aufgrund ihrer Biokraftstoff- und Korrosionsbeständigkeit eignen sich Kupfer-Nickel-Rohre hervorragend für den Einsatz unter Meerwasser und auf Offshore-Plattformen. Rohrnippel sind daher kurze Rohrstücke mit Gewinden an beiden Enden; sie werden in Fittings und Rohrverlängerungen verwendet.
Anwendungsbeispiele: Armaturen, Flansche, Ventile, Offshore-Rohrleitungen, Einlass-/Auslasssysteme, Rohrleitungen für korrosive Flüssigkeiten in der Industrie.
Kühlkreisläufe
CuNi-Kupferschleifen
Kühlkreisläufe sind ein Netzwerk geschlossener oder halbgeschlossener Rohre. Sie ermöglichen den Kühlmittelfluss und dienen der Wärmeableitung von Maschinen, Werkzeugen, Geräten und Systemen. Aufgrund seiner hervorragenden Wärmeübertragungseigenschaften eignet sich Kupfernickel für diese Anwendung.
Anwendungsbeispiele: Seewasserkühlkreisläufe, Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, Kältetechnik, Kraftwerke, Kondensatoren usw.
Schiffbau
Meerwasser-Rohrleitungssystem
Kupfernickel werden im Schiffsbau, im Innenausbau und in verschiedenen Hilfssystemen eingesetzt. Die Festigkeit von Kupfernickel, seine Langlebigkeit, die geringe Neigung zum Biofouling und seine Beständigkeit gegen Meerwassererosion machen es zu einem nützlichen Werkstoff im Schiffsbau.
Anwendungsbeispiele: Komponenten für Unterwasserausrüstung, Hydraulikleitungen, Offshore-Strukturen, Frachtheizschlangen, Pumpenkomponenten, Schiffsrümpfe sowie Bilgen- und Ballastleitungen.
Entsalzungsanlagen
CuNi-Legierungen eignen sich gut für Entsalzungsanlagen, egal ob ein- oder mehrstufig. Sie halten Salzwasser stand, ohne dass die Oberfläche über einen längeren Zeitraum angegriffen wird.
Anwendungsbeispiele: Verdampferkammerrohre, Wärmerückgewinnungsabschnitt, Soleheizrohre, Düsen für Entspannungskammern, Ventile und Armaturen.
Welche Bedeutung hat Kupfer-Nickel?
Durch die Kombination von Kupfer und Nickel können Sie die Eigenschaften beider Legierungen optimal nutzen. Legierungen sind duktiler als Nickel und zäher als Kupfer. Darüber hinaus bieten sie thermische Stabilität bei hohen Temperaturen. Der Einsatz von Legierungen trägt zudem zur Senkung der Materialkosten bei; ihre Preise sind niedriger als bei reinem Nickel.
Aufgrund der oben genannten Eigenschaften ist Kupfernickel von großer Bedeutung für Schiffssysteme und -ausrüstung, Industrie- und Meerwasserrohrleitungen, Wärmetauscher und die Elektroindustrie.
Darüber hinaus können Sie die Eigenschaften auch nach Bedarf anpassen, indem Sie den Anteil von Nickel, Kupfer und anderen Legierungselementen (geringe Mengen) ändern.
Cu-Ni-Legierung vs. Titanlegierung vs. legierter Stahl 
CuNi im Vergleich zu anderen Legierungen
Titanlegierungen sind zäher als CuNi und bieten ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, sind aber teurer. Titanlegierung Sorten wie Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2V und Ti-6Al-4V ELI sind in der CNC-Bearbeitung beliebt.
Legierte Stähle entstehen durch die Legierung mehrerer Elemente in Eisen, wie zum Beispiel Chrom, Nickel, Vanadium, Molybdän, Schwefel und Phosphor. Inzwischen ist der Unterschied zwischen legierter Stahl vs. Kohlenstoffstahl ist, dass Kohlenstoffstahl einen hohen Kohlenstoffanteil enthält, aber nicht so viele Legierungsmetalle beinhaltet.
Die folgende Tabelle bietet einen vergleichenden Überblick über Cu-Ni, Titan und Stahllegierungen:
| Eigenschaften | Cu-Ni-Legierungen | Titanlegierungen | Alloy Steel |
| Zugfestigkeit | Moderat | Hoch | Höher als Cu-Ni, niedriger als Ti-Legierungen |
| Korrosionsbeständigkeit | Hervorragend in Meerwasser | Hervorragend in aggressiver Umgebung | Gut |
| Temperaturbeständigkeit | Mäßig (~300°C) | Ausgezeichnet (bis ~600°C) | Gut bis ausgezeichnet, abhängig von der Legierungsqualität |
| Gewicht | Moderat | Leicht | Stark |
| Kosten | Mittel bis hoch | Hoch | Niedrig bis mäßig |
| Allgemeine Anwendungen | Schiffsausrüstung, Wärmetauscher | Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate, chemische Verarbeitung | Automobil, Bau, Maschinenbau |
Summieren
Kupfer-Nickel-Legierungen zeichnen sich durch ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser und ihre gute mechanische Festigkeit aus. Sie sind außerdem gute Wärme- und Stromleiter. Daher findet CuNi breite Anwendung in der Schifffahrt,
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Häufig gestellte Fragen
Was ist CuNii?
CuNi ist eine Bezeichnung für Kupfer-Nickel-Legierungen, auch Kupfernickel genannt. Sie bestehen aus 10 bis 45 % Nickel, 65 bis 90 % Kupfer und 1–2 % Mangan und Eisen.
Wofür wird eine Kupfer-Nickel-Legierung verwendet?
Die Kupfer-Nickel-Legierung wird unter Bedingungen wie Meerwasser, korrosiver Belastung und hoher thermischer Belastung verwendet.
Ist Kupfer-Nickel-Legierung teuer?
Ja, es ist teurer als die meisten anderen CNC-Bearbeitungslegierungen wie Edelstahl und Aluminiumlegierungen. Für die meisten Anwendungen ist der Preis jedoch gerechtfertigt.
Welchen Festigkeitsbereich haben Kupfer-Nickel-Legierungen?
Die genaue Festigkeit hängt von der Art der Legierung (90/10, 70/30, 80/20) und der Wärmebehandlung ab. Die Zugfestigkeit liegt jedoch im Bereich von 300 bis 520 MPa.
Ist CuNi-Legierung sicher?
Ja, CuNi-Legierungen sind sicher für Wassersysteme, Heizungen und Kondensation. Einige Sorten sind sogar für die Lebensmittelverarbeitung und medizinische Zwecke geeignet.
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