Ein Projekt zeigt, dass hochfeste Kupfer-Beryllium-Legierungen auch mit stark reduziertem Blei eine vergleichbare Zerspanbarkeit wie etablierte Standardwerkstoffe erreichen können – eine mögliche Antwort auf künftig deutlich verschärfte RoHS-Grenzwerte.
Im Rahmen eines Entwicklungsprojekts wurden verschiedene bleireduzierte und bleifreie Kupfer-Beryllium-basierte Legierungskonzepte untersucht, die die Anforderungen an hohe Festigkeiten als auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit erfüllen.
(Bild: Materion)
Hochfeste Kupferbasislegierungen mit Festigkeitswerten oberhalb von Rm = 1000 MPa sind im Markt etabliert und in vielen verschiedenen anspruchsvollen Applikationen im Einsatz [1–3]. Die hohen Festigkeiten ergeben sich überwiegend durch das Zulegieren von geringen Mengen an Beryllium (mBe ≤ 2 %), welches in Kombination mit einer thermomechanischen Behandlung zu einer Ausscheidungsbildung in der Mikrostruktur führt und mit einer Kaltverfestigung kombiniert werden kann.
In einigen Legierungsvarianten wird Blei so hinzulegiert, dass es sich als feindisperse Phase an den Korngrenzen sowie im Korninneren ausscheidet. Diese Ausscheidungen wirken als besonders effektive Spanbrecher und führen zu kurzbrüchigen Spänen, die einen störungsfreien Spanabtransport in automatisierten Bearbeitungsprozessen ermöglichen [4, 5]. Gleichzeitig senkt die bleibedingte Reduktion der Zerspankräfte die thermomechanische Belastung der Werkzeuge, wodurch der Werkzeugverschleiß verringert wird.
In Summe gestatten diese Effekte den Einsatz deutlich höherer Schnittdaten und damit eine gesteigerte Prozessproduktivität [6]. Der aktuell gemäß RoHS zulässige Bleigehalt in Kupferbasislegierungen beträgt mPb = 4,00 %. Wiederkehrend werden jedoch Vorschläge diskutiert, diesen Grenzwert auf mPb ≤ 0,10 % zu senken [7–9]. Auf Grundlage dieses potenziellen Grenzwertes wurden bereits erste bleiarme oder bleifreie Kupferbasislegierungen entwickelt. Diese Werkstoffe zeigen nach bisher vorliegenden Marktberichten jedoch überwiegend geringe bis mittlere Festigkeitsniveaus und erreichen nicht die Zerspanbarkeit der bislang etablierten bleihaltigen Legierungen, ohne dass Einbußen bei solchen Eigenschaften wie beispielsweise elektrischer oder thermischer Leitfähigkeit in Kauf genommen werden [10, 11].
Im Rahmen eines Entwicklungsprojekts wurden daher verschiedene bleireduzierte und bleifreie Kupfer-Beryllium-basierte Legierungskonzepte erarbeitet, die die Anforderungen an hohe Festigkeiten als auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit erfüllen. Ziel war die Entwicklung von Legierungen mit einem Bleigehalt von mPb ≤ 0,10 %, die eine vergleichbare Bearbeitbarkeit aufweisen wie die bisher eingesetzten Standardlegierungen. Die entwickelten Werkstoffe erreichen Festigkeitsniveaus, die mit konventionellen Kupfer-Beryllium-Legierungen vergleichbar sind, und zeigen zugleich eine sehr gute Zerspanbarkeit.
Zur Bewertung und gezielten werkstoffseitigen Optimierung der Zerspanbarkeit wurde die am MTI der RWTH Aachen entwickelte Methode zur Bestimmung von Zerspanbarkeitsindizes eingesetzt [12]. Diese ursprünglich für niedrig- bis mittelfeste Legierungen ausgelegte Methodik wurde im Rahmen des Projekts auf hochfeste Kupferwerkstoffe übertragen und stellte die Grundlage für die anwendungsnahe Werkstoffentwicklung dar.
Methodische Vorgehensweise: Legierungsentwicklung
Abbildung 1: Leitfähigkeits-Streckgrenzen-Diagramm zur Einordnung von Alloy 25 und M25 im Vergleich zu anderen Kupfer-Basis-Werkstoffen.
(Bild: Materion, RWTH Aachen)
Ziel der Materialentwicklung war es, den Bleigehalt in hochfesten Kupfer-Beryllium-Legierungen auf mPb ≤ 0,10 % zu reduzieren, ohne Einbußen hinsichtlich Festigkeit und Zerspanbarkeit in Kauf nehmen zu müssen. Als Ausgangspunkt dienten die etablierten Legierungen Alloy 25 (C17200) und Alloy M25 (C17300), die aufgrund ihrer hohen Festigkeitsniveaus in zahlreichen industriellen Anwendungen weitverbreitet sind. Ihre herausragende Leistungsfähigkeit wird unter anderem im sogenannten „Bananen-Diagramm“ (Abbildung 1) deutlich, welches die Streckgrenze in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit darstellt und die Überlegenheit der Kupfer-Beryllium-Legierungen gegenüber anderen handelsüblichen Kupferbasiswerkstoffen im Hochfestigkeitsbereich verdeutlicht.
Legierung
Lieferzustand
Chemie, Massen%
0,2%-Dehngrenze in %
Zugfestigfestigkeit in %
Bruchdehnung A in %
Elektr. Leitfähigkeit, % IACS
Alloy 25
H
Be: 1,80-2,00, Pb: max. 0,02, Rest Cu
520-720
590-830
8 bis 20
15-20
HT
1000-1310
1210-1480
4 bis 9
25-30
Alloy M25
H
Be: 1,80-2,00, Pb: 0,20-0,60, Rest Cu
520-720
590-830
8 bis 20
15-20
HT
1000-1310
1210-1480
4 bis 9
25-30
Tabelle 1: Eigenschaftsprofile der Ausgangswerkstoffe
Die beiden Legierungen sind bis auf den Bleigehalt gleich legiert und werden auch mit fast identischen Parametern produziert. Während der Legierung Alloy 25 kein Blei zulegiert wird, enthält die Legierung M25 Bleigehalte von mPb = 0,60 % zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit. Im ersten Prüfumfang wurden diese beiden Legierungen in unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen mit dem im nächsten Kapitel beschriebenen Prüfverfahren charakterisiert und so die Basis für die weiteren Entwicklungsschritte gelegt. Die Legierungen wurden über den üblichen schmelzmetallurgischen Prozess bei Materion erzeugt und Stangen mit einem Durchmesser von D = 40 mm hergestellt. H („Hart“) bezeichnet dabei den Zustand „Lösungsgeglüht und kaltgezogen“, HT „Lösungsgeglüht, (auf volle Härte) kaltgezogen und durch die Standardwärmebehandlung ausgehärtet“, wobei der Zustand H den üblichen Verarbeitungszustand in der Praxis darstellt und das Bauteil erst nach abgeschlossener Bearbeitung ausgehärtet wird. Der Zustand HT entsteht durch abschließende Aushärtung und stellt den Anwendungszustand der Legierung dar. Deshalb sind dessen Eigenschaften in Tabelle 1 ebenfalls aufgelistet.
Stand: 08.12.2025
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Auf Basis dieser beiden Standardlegierungen und deren Ergebnisse wurden dann bei Materion verschiedene neuartige Legierungskonzepte entwickelt und in gleicher Weise produziert. Dabei wurden folgende Vorgaben umgesetzt:
1. Identische Berylliumgehalte von mBe = 1,80–2,00 % zur Beibehaltung der hohen Festigkeit
2. Maximale Bleigehalte von mPb = 0,10 % zur Realisierung der möglichen zukünftigen RoHS-Einschränkung
3. Legierungskonzept, welches interne Herstellungs-, Kosten- und Recyclingvorgaben erfüllt
Aus insgesamt acht entwickelten Legierungen sollen in diesem Beitrag zwei Konzepte näher beleuchtet werden, wobei ein Konzept in die Serienproduktion überführt worden ist. Zum einen handelt es sich um die einfachste Variation Alloy M25LL, an der im Vergleich zur konventionellen Legierung M25 lediglich eine Absenkung des Bleigehaltes auf mPb = 0,10% vorgenommen wurde. Die zweite Legierung, die im Folgenden vorgestellt werden soll, erhielt in der Zwischenzeit den kommerziellen Namen Emery Low Lead™. Diese wurde nach den oben beschriebenen Vorgaben entwickelt und enthält neben Beryllium weitere Mikrolegierungselemente, die anstelle von Blei als Spanbrecher dienen.
Zerspanbarkeitsbewertung
Die spanende Bearbeitbarkeit besitzt für CuBe-Legierungen eine zentrale Bedeutung, da sie die Wirtschaftlichkeit, Prozessstabilität und Maßgenauigkeit bei der Herstellung anspruchsvoller Komponenten wesentlich beeinflusst [14]. Deswegen wurde bereits zu Beginn der Legierungsentwicklung die Bearbeitbarkeit als primäres Bewertungskriterium festgelegt, um eine wissensbasierte und zielgerichtete Optimierung der Legierungszusammensetzung zu ermöglichen. Dadurch sollte sichergestellt werden, dass werkstoffseitige Anpassungen und ihre Auswirkungen auf die Zerspanbarkeit überprüft werden können. Um diese Bewertung über den gesamten Entwicklungsprozess hinweg reproduzierbar und vergleichbar zu gestalten, kam die am MTI entwickelte Methode der Zerspanbarkeitsindizes zum Einsatz. Für das Entwicklungsprojekt wurde die Methode speziell zwecks Charakterisierung von CuBe-Legierungen verfeinert, sodass der Einfluss verschiedener werkstofflicher Optimierungen auf die Zerspanbarkeit präzise und konsistent beurteilt werden konnte.
Die Zerspanbarkeitsindizes basieren auf einer am MTI der RWTH Aachen entwickelten Methodik, die ursprünglich zur vergleichenden Bewertung der Zerspanbarkeit verschiedener Kupferlegierungen konzipiert wurde, Abbildung 2 [12]. Dabei werden die vier zentralen Zerspanbarkeitskriterien unter möglichst konstanten und reproduzierbaren Randbedingungen hinsichtlich Maschine, Prozess, Werkzeug und Peripherie im Außenlängsdrehen erfasst und ausgewertet. Die erhobenen quantitativen Größen Zerspankraft, Freiflächenverschleiß und Oberflächenrauheit sowie die qualitative Bewertung der Spanform werden anschließend in normierte Indexwerte zwischen 20 (geringe Zerspanbarkeit) und 100 (sehr gute Zerspanbarkeit) überführt. Diese vier Einzelindizes werden je nach relevanter Zielanwendung unterschiedlich gewichtet (Allgemein, Schruppen, Schlichten). Der daraus resultierende eindimensionale Gesamtindex im Bereich von 20 ≤ ZI ≤ 100 ermöglicht schließlich ein objektives Ranking verschiedener Werkstoffe hinsichtlich ihrer Zerspanbarkeit. Für die Bewertung der untersuchten CuBe-Legierungen und zur präziseren Erfassung werkstoffseitiger Anpassungseffekte wurden die zugrunde liegenden Bewertungskriterien sowie die zugehörigen Grenzwerte spezifisch auf diese Legierungsgruppe abgestimmt. Insbesondere die Skalen und Indexbereiche für Zerspankraft und Werkzeugverschleiß wurden im für CuBe-Legierungen relevanten Bereich verfeinert, um eine höhere Auflösung zu erzielen. Dadurch konnten auch geringe Unterschiede in der Bearbeitbarkeit zwischen den einzelnen Legierungsvarianten im Gesamtindex zuverlässig abgebildet werden, ohne die übergreifende Standardisierung und Vergleichbarkeit der Zerspanbarkeitsbewertung zu beeinträchtigen.
Abbildung 2: Methodisches Vorgehen der Zerspanbarkeitsbewertung mithilfe von Zerspanbarkeitsindizes.
(Bild: Materion, RWTH Aachen)
Alle Versuche zur Ermittlung der Zerspanbarkeitsindizes wurden am MTI der RWTH Aachen auf einem Stangendrehzentrum des Typs DMG MORI NZX 1500 | STY3 durchgeführt (vgl. Abbildung 3). Als Werkzeug kam eine Wendeschneidplatte des Typs Kennametal CNGP120408FP aus dem Substrat KC5010 zum Einsatz, die über einen passenden C-Plattenhalter auf einer Kraftmessplattform vom Typ Kistler 9119AA2 fixiert wurde. Das Versuchsmaterial mit einem Stangendurchmesser von D = 40 mm wurde mittels eines Stangenladers vom Typ Breuning IRCO-ILS-MUK-70-III kontinuierlich zugeführt. Sämtliche Untersuchungen erfolgten unter Einsatz konventioneller Überflutungskühlung, wobei gewährleistet wurde, dass die Werkzeugschneide durchgehend und vollständig mit Kühlschmierstoff benetzt war. Als KSS wurde ein Schneidöl des Typs Blaser Blasomill GT 22 verwendet.
Abbildung 3: Prüfstand für die Zerspanungsuntersuchungen
(Bild: Materion, RWTH Aachen)
Ergebnisse
Im Rahmen des Entwicklungsprojekts zur Entwicklung hochfester und zugleich gut zerspanbarer Kupferlegierungen wurde eine Vielzahl von Werkstoffen mithilfe der in Kapitel 2.2 beschriebenen Methodik untersucht. Zur Darstellung des kontinuierlichen Entwicklungsfortschritts und der werkstoffseitigen Optimierung der Zerspanbarkeit der CuBe-Legierungen werden in diesem Bericht jedoch ausschließlich die Ergebnisse von vier ausgewählten Werkstoffvarianten präsentiert. Hierzu zählen der am Markt etablierte bleihaltige Referenzwerkstoff M25H sowie die bleireduzierten Legierungen 25H, M25LL und Emery Low Lead™. Während die Variante 25H mit mPb ≤ 0,02 % praktisch absolut bleifrei ist, enthalten M25LL und Emery Low Lead™ geringe Bleigehalte von bis zu mPb ≤ 0,1 %. Unter den bleireduzierten Werkstoffen stellt Emery Low Lead™ die finale Entwicklungsstufe mit der besten Zerspanbarkeit dar. Im Folgenden werden die Ergebnisse hinsichtlich Spanform, Werkzeugverschleiß, Zerspankraft und Oberflächengüte dieser Werkstoffvarianten systematisch dargestellt und diskutiert.
Spanform
Zur Beurteilung der Spanform wurden die Späne während des Drehprozesses für einen konstanten Prozessparametersatz aufgefangen und hinsichtlich ihrer Spanform nach DIN 8589 klassifiziert. Die bleihaltige Legierung M25H zeigte im Zerspanungsprozess einen ausgeprägt guten Spanbruch, der sich insbesondere durch die Ausbildung sehr kleiner Bröckelspäne charakterisieren ließ. Im Gegensatz dazu wies die bleifreie Legierung 25H aufgrund des fehlenden Einflusses des Elements Blei einen unzureichenden Spanbruch auf, was bei der Drehbearbeitung zur Bildung langer Wirrspäne führte und eine automatisierte Fertigung somit ausschloss. Die erste Weiterentwicklung in Form der Legierung M25LL erzielte bereits eine Verbesserung des Spanbruchs, die auf den leicht erhöhten Bleigehalt zurückzuführen ist.
Noch günstigere Spanformen wurden bei der Legierung Emery Low Lead™ beobachtet, die sehr kleine Spanlocken erzeugte und damit eine ähnliche Eignung für automatisierte Fertigungsprozesse aufwies wie die bleihaltige Referenzlegierung. Diese Verbesserung ist auf die Anpassung der chemischen Zusammensetzung und die Optimierung der Prozessierungsroute des Materials zurückzuführen. Insgesamt erreichten die bleihaltige Legierung M25H sowie die bleifreie Legierung Emery Low Lead™ mit einem Spanform-Index von 80 die besten Bewertungen, womit die bleifreie Legierung Emery Low Lead™ mit der bleilegierten Referenz für die gewählten Prozessrandbedingungen auf gleichem Niveau steht. Mit etwas längeren Spänen folgte die Legierung M25LL, die einen Spanform-Index von 60 erzielte. Die Variante 25H schnitt mit einem Spanform-Index von 20 am schlechtesten ab.
Abbildung 4: Spanformbewertung
(Bild: Materion, RWTH Aachen)
Werkzeugverschleiß
Zur Beurteilung des Werkzeugverschleißes wurde der Werkzeugverschleiß für jeden Werkstoff individuell nach einer Schnittzeit von tc = 150 Minuten bewertet. Neben der optischen Beurteilung der Schneide wurde zusätzlich die maximale Verschleißmarkenbreite auf der Werkzeugfreifläche mithilfe eines digitalen Lichtmikroskops vom Typ Keyence VHX-6000 gemessen. Mithilfe dieser wurde der Index für den Werkzeugverschleiß ermittelt. Zwischen den untersuchten Werkstoffen zeigten sich hinsichtlich des resultierenden Werkzeugverschleißes deutliche Unterschiede. Die bleihaltige Legierung M25H wies nach einer Schnittzeit von tc = 150 Minuten mit einer maximalen Verschleißmarkenbreite von VBmax = 53 µm und einem Verschleißindex von 60 den geringsten Verschleiß auf. Demgegenüber zeigte die vollständig bleifreie Variante 25H den höchsten Verschleiß, gekennzeichnet durch eine maximale Verschleißmarkenbreite von VBmax = 86 µm und einen Verschleißindex von 40. Die Werkstoffe M25LL und Emery Low Lead™ ordneten sich mit Verschleißindizes von 50 sowie maximalen Verschleißmarkenbreiten von VBmax = 62 µm bzw. VBmax = 67 µm im mittleren Bereich ein. Insgesamt bestätigt sich somit auch in Bezug auf den Werkzeugverschleiß der Erfolg des Entwicklungsvorgehens: Zwar erreicht die finale Entwicklungsstufe Emery Low Lead™ nicht das Verschleißniveau der bleihaltigen Referenz M25H, sie zeigt jedoch eine deutlich geringere Verschleißneigung als die erste bleifreie Entwicklungsstufe 25H.
Abbildung 5: Verschleißbewertung
(Bild: Materion, RWTH Aachen)
Resultierende Oberflächengüte und Zerspankraft
Neben der Spanform und dem Werkzeugverschleiß wurden ebenfalls die resultierende Oberflächengüte in Form des arithmetischen Mittenrauwerts sowie die Zerspankraft bewertet. Die Oberflächengüte wurde mithilfe eines taktilen Rauheitsmessgeräts nach Norm mit einer Messstrecke von l = 2,5 mm gemessen und ausgewertet. Für die Zerspankraft wurde der Mittelwert der Schnittkraft zur Bewertung herangezogen. Hinsichtlich der Oberflächenrauheit zeigten die untersuchten Werkstoffe, mit Ausnahme der bleifreien Variante 25H, nur geringe Unterschiede. Sowohl beim bleihaltigen Referenzwerkstoff M25H als auch bei den bleifreien Legierungen M25LL und Emery Low Lead™ lag die arithmetische Mittenrautiefe unterhalb von Ra = 1 µm und damit auf einem vergleichbar niedrigen Niveau. Die bleifreie Legierung Emery Low Lead™ erreichte eine sogar gegenüber der bleihaltigen M25H geringfügig verbesserte Oberflächengüte. Deutlich abweichend hiervon erreichte die Legierung 25H mit Ra = 2,03 µm einen wesentlich höheren Rauheitswert. Dieser starke Anstieg ist auf die Bildung ungünstiger Spanformen zurückzuführen, die sich während der Bearbeitung um das Bauteil wickelten und dadurch die Oberfläche mechanisch beschädigten.
Auch hinsichtlich der Zerspankraft zeigte sich ein vergleichbares Verhalten. Die Schnittkräfte der bleihaltigen Legierung M25H sowie der bleifreien Varianten M25LL und Emery Low Lead™ lagen mit Werten zwischen 181 N < Fc < 206 N in einem ähnlichen, vergleichsweise niedrigen Bereich. Deutlich abweichend hiervon wies die vollständig bleifreie Legierung 25H mit einer Schnittkraft von Fc = 410 N ein wesentlich höheres Kraftniveau auf. Dieses Verhalten ist auf die unterschiedlichen Mechanismen der Spanbildung zurückzuführen: Während bei M25H, M25LL und Emery Low Lead™ ein kontinuierlicher Spanbruch vorherrscht, kommt es bei 25H nicht zum Bruch des Spans. Stattdessen wird der Span stark auf der Spanfläche des Werkzeugs gestaucht. Die ausgeprägte Stauchung in Kombination mit dem ausbleibenden Spanbruch führt zu einer deutlichen Erhöhung der Prozesskräfte. Gleichzeitig begünstigt dieses ungünstige Spanbildungs- und Kraftverhalten den erhöhten Werkzeugverschleiß bei der Legierung 25H.
Abbildung 6: Bewertung von Zerspankraft und Oberflächengüte.
(Bild: Materion, RWTH Aachen)
Gesamtheitliche Bewertung der Zerspanbarkeit
Abbildung 7 zeigt die resultierenden Zerspanbarkeitsindizes der untersuchten Werkstoffvarianten auf Basis einer gleichgewichteten Bewertung der Kriterien Spanform, Werkzeugverschleiß, Oberflächengüte und Zerspankraft. Die Darstellung verdeutlicht, dass sowohl die bleihaltige Referenzlegierung M25H als auch die finale bleireduzierte Entwicklungsstufe Emery Low Lead™ die höchsten Gesamtbewertungen erzielen und damit die beste Zerspanbarkeit aufweisen. Während bei Emery Low Lead™ der Werkzeugverschleiß geringfügig höher ausfällt als bei M25H, kompensiert der Werkstoff dies durch eine bessere Oberflächengüte, wodurch sich insgesamt ein vergleichbares und sogar leicht höheres Zerspanbarkeitsniveau der bleifreien Legierung ergibt. Die Legierung M25LL folgt mit einem mittleren Zerspanbarkeitsindex und ordnet sich klar zwischen diesen beiden Varianten und der deutlich schlechter bewerteten Legierung 25H ein. Letztere zeigt aufgrund der ungünstigen Spanbildung, der erhöhten Zerspankräfte und des ausgeprägten Werkzeugverschleißes die geringste Eignung für eine prozesssichere spanende Bearbeitung. Insgesamt bestätigt der Zerspanbarkeitsindexvergleich damit die zuvor anhand der Einzelkriterien beschriebenen Trends und unterstreicht den erfolgreichen Entwicklungsfortschritt hin zu einer bleireduzierten Legierungsvariante mit zerspanungstechnisch konkurrenzfähigen Eigenschaften. Die untersuchten alternativen Gewichtungen der Gewichtungsvarianten für Schlicht- und Schruppprozesse zeigen qualitativ übereinstimmende Resultate und sind aus diesem Grund nicht separat aufgeführt.
Abbildung 7: Gesamtheitliche Bewertung der Zerspanbarkeit und Ableitung der Zerspanbarkeitsindizes.
(Bild: Materion, RWTH Aachen)
Zusammenfassung und Ausblick
Dr. Andreas Frehn ist Direktor für Technologie & Innovation und Technisches Marketing EMEA bei Materion.
(Bild: Materion)
Im vorliegenden Beitrag wurden die Entwicklung und Bewertung bleireduzierter und bleifreier hochfester Kupfer-Beryllium-Legierungen mit dem Ziel vorgestellt, die bisher etablierten bleihaltigen Legierungen hinsichtlich Festigkeit und Zerspanbarkeit zu ersetzen. Ausgangspunkt bildeten die Standardlegierungen Alloy 25 und Alloy M25, deren unterschiedliche Bleigehalte maßgeblich die Zerspanbarkeit beeinflussen. Aufbauend auf dieser Analyse wurden mehrere neue Legierungsvarianten entwickelt, deren Bleigehalt auf mPb ≤ 0,10 % begrenzt ist und die gleichzeitig eine hohe Festigkeit sowie eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Für die werkstoffseitige Optimierung wurde die am MTI entwickelte Methode zur Ermittlung von Zerspanbarkeitsindizes an die Besonderheiten hochfester CuBe-Legierungen angepasst und als zentrales Bewertungsinstrument eingesetzt.
Kilian Brans M.Sc. ist Projektmanager der Gruppe Grundlagen der Zerspanung des Lehrstuhls für Fertigungstechnologie an der RWTH Aachen.
(Bild: RWTH Aachen)
Die experimentellen Untersuchungen zeigten deutliche Unterschiede zwischen den untersuchten Werkstoffen. Während die bleifreie Variante 25H in allen betrachteten Kriterien (Spanform, Werkzeugverschleiß, Oberflächengüte und Zerspankraft) erheblich schlechter abschnitt und keine Eignung für eine automatisierte Serienfertigung aufweist, zeigten die weiterentwickelten Werkstoffe M25LL und insbesondere Emery Low Lead™ eine deutliche Annäherung an das Niveau der bleihaltigen Referenz M25H. Emery Low Lead™ überzeugte durch eine kurzbrüchige Spanform, eine gute Oberflächengüte, moderate Schnittkräfte sowie ein Verschleißverhalten, das zwar leicht über M25H liegt, aber dennoch eine prozesssichere Bearbeitung gewährleistet. Die gesamtheitliche Bewertung mittels Zerspanbarkeitsindizes bestätigt diesen Trend: Emery Low Lead™ erreicht als bleireduzierte Entwicklungsstufe einen Zerspanbarkeitsindex, der dem des bleihaltigen M25H entspricht und diesen in Teilen sogar übertrifft.
Damit konnte gezeigt werden, dass eine gezielte werkstoffseitige Optimierung der Mikrolegierungselemente, der Herstellungsroute und der Blei-Substitution zu bleireduzierten Legierungssystemen führt, die hinsichtlich ihrer Zerspanbarkeit konkurrenzfähig zu etablierten bleihaltigen CuBe-Legierungen sind. Aufbauend auf den vorliegenden labortechnischen Untersuchungen sollten die entwickelten bleireduzierten Legierungsvarianten in unterschiedlichen industriellen Anwendungsfeldern und Fertigungsprozessen erprobt werden. Ziel ist es, zusätzliche prozessspezifische Erkenntnisse unter realen Produktionsbedingungen zu gewinnen und die Übertragbarkeit der im Labor ermittelten Ergebnisse zu bewerten. Weiterhin sind umfassende industrielle Erprobungen erforderlich, um potenziell notwendige Prozessanpassungen frühzeitig zu identifizieren und die Einsatzfähigkeit bleifreier Werkstoffe in Anwendungen mit hochfesten Kupferlegierungen sicherzustellen. Auf diese Weise kann eine belastbare Grundlage für eine zukünftige industrielle Umstellung auf bleifreie Lösungen geschaffen werden. (sb)
Literatur
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[11] Schultheiss, F., Johansson, D., Bushlya, V., Zhou, J., Nilsson, K., Ståhl, J.-E., 2017. Comparative Study on the Machinability of Lead-free Brass. Journal of Cleaner Production 149, 366–377.
[12] Klocke, F., Nobel, C., Lung, D., 2013. Entwicklung einer Hochleistungszerspanung für schwerzerspanbare bleifreie Kupferknet- und -gusslegierungen: Schlussbericht IGF. WZL der RWTH Aachen.
[13] Frehn, A., Mack, S., Greschner, U., 2021. Moderne hochfeste Kupferbasislegierungen für automotive Anwendungen. Tagungsband Kupfersymposium 2021, 20–23.
[14] Klocke, F., 2018. Fertigungsverfahren 1: Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Springer Vieweg, Berlin, 682 pp.
* Andreas Frehn, Björn Reetz und Stefan Staudt arbeiten bei Materion Brush GmbH; Kilian Brans, Markus Meurer und Thomas Bergs sind vom Manufacturing Technology Institute der RWTH Aachen.