Wärmebehandlung von Kupfer & Kupferlegierungen: Glühen, Härten, Spannungsarm

Kupfer und seine Legierungen (Messing, Bronze, Neusilber, Berylliumkupfer) werden wärmebehandelt, um Festigkeit, Leitfähigkeit, Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit einzustellen. Die Verfahren unterscheiden sich grundlegend von Stahl – keine martensitische Umwandlung, sondern Rekristallisation, Phasenumwandlungen (β-Phase) und Ausscheidungshärten.

Wärmebehandlungsverfahren für Kupferlegierungen

Homogenisieren (Homogenizing)

Ziel: Ausgleich von Gussegregationen (Mikroseigerung), Lösung von Phasen (z. B. γ-Phase in Cu-Sn, β-Phase in Cu-Zn, Cu-Al, Cu-Ni).
Anwendung: Gusshalbzeuge (Bramsen, Bolzen) vor Warmumformung (Walzen, Strangpressen, Schmieden).
Parameter: 450–900 °C (legierungsabhängig), Stunden. Schutzgas/Ofenatmosphäre gegen Oxidation.

Weichglühen / Rekristallisationsglühen (Annealing)

Ziel: Abbau Kaltverfestigung (Versetzungsdichte), Rekristallisation → weiches, duktiles Gefüge (neue korngrenzenfreie Körner). Wiederherstellung der Umformbarkeit für weitere Kaltumformstufen.
Temperatur: Rekristallisationstemperatur T_Rekrist. ~ 0,3–0,4 T_Schmelz (K). Typisch 250–650 °C.
Kritisch:

• Zu niedrig → Unvollständige Rekristallisation.
• Zu hoch / Zu lang → Grobkornwachstum → Verschlechterung mechanischer Eigenschaften, Oberflächenrauheit (Orangenhaut).
• Feinkornstabilisierung: Einige Legierungen (z. B. Cu-Fe-P, Cu-Cr-Zr) bilden feine Auscheidungen, die Korngrenzen pinnen → Feinkorn auch bei höheren Temperaturen.

Varianten:

• Weichglühen (Soft Anneal): Unterhalb des schnellen Kornwachstums. Maximale Weiche.
• Zwischen-/Leichtglühen (Light Anneal): Knapp über T_Rekrist. Teilweiser Abbau, Erhalt gewisser Festigkeit/Struktur.

Abkühlung: Meist Luft/Ofen (unkritisch). Schnelles Abschrecken macht Cu nicht hart (anders als Stahl!).

Spannungsarmglühen (Stress Relieving)

Ziel: Reduktion von Eigenspannungen (Schweißen, Zerspanen, Kaltumformen, ungleichmäßige Abkühlung) → Maßhaltigkeit, Vermeidung von Spannungsrisskorrosion (SCC), Dimensionsstabilität.
Parameter: 150–350 °C (deutlich unter T_Rekrist), 1–3 h, langsame Abkühlung. Keine Gefügeänderung, keine Festigkeitsminderung.

Lösungsglühen & Ausscheidungshärten (Solution Treatment & Precipitation Hardening)

Nur für aushärtbare Legierungen (hauptsächlich Berylliumkupfer CuBe2 / CuBe1.7, sowie Cu-Cr, Cu-Ni-Sn, Cu-Co-Be).
Prozess (ähnlich Al):

1. Lösungsglühen: 750–950 °C (CuBe: ~790 °C) → Lösung der härtenden Phase (γ, β') in α-Matrix → Abschrecken (Wasser/Öl) → übersättigter Mischkristall (weich, duktil).
2. Kaltverformen (optional): Erhöht Versetzungsdichte → mehr Keime für Ausscheidung → höhere Endfestigkeit (Thermomechanische Behandlung).
3. Ausscheidungshärten (Altern): 200–480 °C (CuBe: 300–340 °C), 1–3 h → Feinste γ/β'-Ausscheidungen → Höchstfestigkeit (bis 1400 MPa Zugfestigkeit bei CuBe), hohe Leitfähigkeit (im T-Zustand), gute Verschleißfestigkeit.

Zustandsbezeichnungen (EN 1976 / ASTM B601): TB00 (weichgeglüht), TD04 (kaltverfestigt), TF00 (lösungsgeglüht + abgeschreckt), TH04 (ausgehärtet).

Wichtige Legierungsgruppen & Typische Behandlung

Legierung	Hauptanwendung	Wärmebehandlung
Reinkupfer (Cu-ETP, Cu-OF)	Elektro, Wärmeleiter	Weichglühen (Rekrist.), Spannungsarm
Messing (Cu-Zn, z. B. CuZn37)	Armaturen, Verbinder	Weichglühen, Spannungsarm (Entzinkung beachten!)
Bronze (Cu-Sn, z. B. CuSn6)	Gleitlager, Federn	Weichglühen, Spannungsarm, Kaltverfestigung (Federn)
Aluminiumbronze (Cu-Al-Fe-Ni)	Meerwasser, Verschleiß	Lösungsglühen + Anlassen (Martensit/Bainit)
Berylliumkupfer (CuBe2)	Federn, Werkzeuge, Elektroden, EX-Schutz	Lösungsglühen + Ausscheidungshärten (TH04)
Cu-Cr-Zr	Widerstandsschweißelektroden	Lösungsglühen + Ausscheidungshärten

Kupfer-Wärmebehandlung erfordert präzise Temperaturführung (Oxidationsgefahr!), saubere Öfen (Schutzgas/Vakuum für Hochtemperatur) und Kenntnis der Phasendiagramme. Besonders bei aushärtbaren Legierungen (CuBe) sind Prozessfenster eng – Abweichungen führen zu Eigenschaftsverlust oder Rissen.