Top-Weichmetalle für CNC-Bearbeitung: Praktischer Leitfaden

Natürlich harte Metalle wie Wolfram und Chrom sind in der Fertigungsindustrie eher selten. Tatsächlich sind die meisten Metalle naturgegeben relativ weich – aber durch Legieren, Biegen, Dehnen oder Hämmern stark genug für die Fertigung gemacht.

Weiche, nicht-eisenhaltige (eisenfreie) Metalle lassen sich leicht schneiden und zerspanen, mit minimalem nachträglichen Wärmebehandlungsbedarf. Die gängigsten Weichmetalle für CNC-Bearbeitung sind Kupferlegierungen – typische Anwendungen: Schmuckherstellung, Beschichtung, elektrische Leitungen. Aluminium nimmt in der CNC-Bearbeitung eine ähnliche Rolle ein, ist aber so weit verbreitet, dass es ein eigenes Gespräch verdient.

Weichmetalle sind mit diversen Fertigungsprozessen kompatibel, doch Ingenieure und Produktteams fertigen häufig Teile aus Weichmetallen per CNC-Bearbeitung. Hier ist alles, was Produktteams über Zerspanung mit Kupfer, Bronze und Messing – den Top-3-Weichmetallen am Markt – wissen müssen.

1. Kupfer

Kupfer C101 zeichnet sich zudem durch antimikrobielle Eigenschaften aus – EPA-Tests zeigten, dass 355 Kupferlegierungen einschließlich C101 über 99,9 % der Bakterien innerhalb von zwei Stunden nach Kontakt abtöten.

Daher findet Kupfer sich häufig an hochfrequentierten Kontaktstellen im Medizinbereich: Bettgeländer, Waschbecken, Armaturen, Toilettenbeschläge. Weitere populäre Anwendungen: Elektrische Leitungen, Elektromagnete, Leiterplatten in der Halbleiterindustrie.

Zwar ist Kupfer in den meisten maritimen und industriellen Umgebungen korrosionsbeständig, doch Halogene, Sulfide und ammoniakbasierte Lösungen können es angreifen. Auch ist C101 aufgrund hohen Sauerstoffgehalts bei erhöhten Temperaturen besonders anfällig für Wasserstoffversprödung.

Mechanische Kenndaten:

• Zugfestigkeit: 310 – 380 MPa
• Elastizitätsmodul: 125 – 135 GPa
• Bruchdehnung: 6 – 25 %
• Härte: 27 HV
• Wärmeleitfähigkeit: 390 – 398 W/(m·°C)

2. Messing

Beispielsweise hat eine Messinglegierung mit 32 – 39 % Zink gute Warmumformeigenschaften, aber schlechte Kaltumformeigenschaften. Ingenieure und Produktteams sollten den Zinkgehalt einer Messinglegierung vor der endgültigen Entscheidung notieren.

Viele Teams arbeiten mit 360 Messing, da es gute Zugfestigkeit und natürliche Korrosionsbeständigkeit bietet. Zudem ist es hoch zerspanbar, schweißbar und schont die CNC-Maschine.

Nachteile: Bei Kontakt mit Ammoniak oder ammoniakbasierten Lösungen wird Messing anfällig für Spannungsrisskorrosion. Meist lösbar durch Glühen in der Nachbearbeitung. Finanziell ist Messing eines der teureren Weichmetalle.

360 Messing eignet sich ideal für Reibungsarme Anwendungen – häufig für Musikinstrumente, Schlossbauteile, Zahnräder. Aufgrund der starken Goldähnlichkeit auch breit in rein dekorativen Anwendungen.

Mechanische Kenndaten:

• Zugfestigkeit: 140 MPa
• Bruchdehnung: 23 %
• Härte: Rockwell B35
• Dichte: 0,307 lbs / cu. in.
• Max. Temperatur: 1650 °F

3. Bronze

Wie Messing basieren Bronzelegierungen auf Kupfer, kombiniert mit anderen Legierungen. Zinn ist eine der häufigsten Zusätze. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften ändern sich bei Zugabe von Phosphor, Aluminium, Mangan, Silizium u. a. – Ingenieure und Designer sollten dies beachten.

642 Bronze ist duktil, korrosions-, anlauf- und ermüdungsbeständig und hat die höchste Zerspanbarkeit aller Messing- und Bronzelegierungen. Bronze übertrifft Kupfer in Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Typische Anwendungen: Musikinstrumente, Medaillen, Marineanwendungen, industrielle Anwendungen wie Flugzeugbuchsen, wo ein reibungsarmes Metall gefordert ist. Leider ist Bronze aufgrund hohen Kupfergehalts teuer in der Bearbeitung.

Mechanische Kenndaten:

• Zugfestigkeit: 517 – 621 MPa
• Elastizitätsmodul: 16.000 ksi
• Schubmodul: 6.000 ksi
• Dichte: 0,278 lb/in³ bei 68 °F
• Elektrische Leitfähigkeit: 8 % IACS bei 68 °F

Das richtige Material für den Job wählen

Weichmetalle bieten viele vorteilhafte Eigenschaften für CNC-gefertigte Teile. Sie sind generell leicht zu zerspanen, natürlich korrosionsbeständig und für diverse Anwendungen branchenübergreifend geeignet. Bei Messing und Bronze insbesondere sollten Ingenieure und Produktteams den Legierungsgehalt doppelt prüfen – zusätzliche Elemente beeinflussen mechanische und physikalische Eigenschaften des Endteils maßgeblich.

Für Ingenieure und Produktteams ist die Wahl des am besten geeigneten Materials eine der wichtigsten Entscheidungen im Entwicklungsprozess. Teams müssen ihre Sorgfaltspflicht erfüllen, um gewünschte Ergebnisse zu sichern – ein Experte wie Fast Radius kann helfen.

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