Kupfer vs. Messing vs. Aluminium als Gehäuse: So treffen…

Ein Gehäuse muss meist mehr leisten, als nur etwas zu halten. Es kann Strom zur Masse führen, Wärme von einem Sensor ableiten, eine Schaltung abschirmen, ein Gewinde halten, das tausendmal angezogen wird, und die Umgebung überstehen, in der es montiert ist. Kupfer, Messing und Aluminium erfüllen diese Aufgaben in unterschiedlicher Rangfolge, und die drei werden üblicherweise als Preisstufen diskutiert, obwohl der Preis das Letzte sein sollte, was die Frage entscheidet. Was sie entscheidet, ist, was das Gehäuse leiten muss, wie viel es wiegen darf und ob es an einem feuchten Ort mit einem anderen Metall verschraubt wird. Dieser Vergleich bewertet die drei Werkstoffe anhand dieser Funktionen und betrachtet anschließend, wie sich jeder unter einer Tiefziehpresse verhält, denn ein Metall, das auf dem Papier gewinnt, kann am Werkzeug dennoch verlieren.

Kupfer vs. Messing vs. Aluminium als Gehäuse: Welches Metall passt zu welcher Funktion?

Kupfer, Messing und Aluminium teilen die Gehäuseaufgabe auf drei Arten, und die entscheidenden Kennzahlen sind elektrische Leitfähigkeit in Prozent IACS, Wärmeleitfähigkeit in W/m·K und Dichte. Kupfer wie C11000 liegt bei etwa 100 Prozent IACS und 390 W/m·K bei einer Dichte von 8.96 g/cm³, daher ist es die Wahl, wenn das Gehäuse zugleich Strompfad oder Abschirmung ist. Aluminium 1050A liegt bei etwa 61 Prozent IACS und 230 W/m·K bei 2.70 g/cm³, ungefähr einem Drittel der Dichte für etwa ein Viertel der Leitfähigkeit, weshalb es überall dort gewinnt, wo Gewicht und Materialkosten dominieren. Messing CuZn37 liegt bei etwa 27 bis 28 Prozent IACS und 120 W/m·K bei etwa 8.4 g/cm³ und wird wegen dem gewählt, was die anderen beiden nicht bieten: leicht zerspanbare Gewinde, Steifigkeit und Schalldämpfung. Die Bedingung, die alle drei außer Kraft setzt, ist die Fügestelle — Aluminium darf nicht nass an Kupfer oder Messing anliegen.

Wie jedes Metall tatsächlich spezifiziert wird

Eine Gehäusezeichnung sollte eine Legierung und einen Zustand nennen, niemals eine Farbe. Kupfer in einem gezogenen Gehäuse bedeutet normalerweise elektrolytisches Zähkupfer C11000 oder sauerstofffreies C10100, wenn das Teil später in einer Wasserstoffatmosphäre gelötet oder geglüht wird; beide bestehen zu etwa 99.9 Prozent aus Kupfer. Messing ist eine Familie und nicht ein Werkstoff: CuZn37 und Patronenmessing CuZn30 sind die Umformgüten, während Automatenmessing mit 2 bis 3.5 Prozent Blei legiert ist und für bearbeitete Gehäuse gekauft wird, bei denen das Gewinde und nicht die gezogene Wand das kritische Merkmal ist. Aluminium wird nach Güte und Zustand gemeinsam spezifiziert, weil beide nicht trennbar sind: 1050A und 3003 ermöglichen das einfachste Tiefziehen, 5052 erhöht Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, und 6061 wird normalerweise spanabhebend bearbeitet statt gezogen, sofern es nicht vollständig geglüht geliefert wird. Fragen Sie den Zustand mit Namen an, O oder H14 oder H32, denn dieselbe Güte in zwei Zuständen verhält sich unter der Presse völlig unterschiedlich.

Die drei Kennzahlen, die das Gehäuse entscheiden

Elektrische Leitfähigkeit: etwa 100 Prozent IACS für Kupfer C11000, 61 Prozent für Aluminium 1050A, rund 35 Prozent für 5052 und 27 bis 28 Prozent für Messing CuZn37 — gegenüber etwa 10 Prozent IACS für Baustahl DC04 und 2 bis 3 Prozent für Edelstahl 304. Wo das Gehäuse Strom führt oder über seinen eigenen Körper eine Erdverbindung herstellt, ist dieser Unterschied die gesamte Entscheidung, kein Detail.
Wärmeleitfähigkeit: etwa 390 W/m·K für Kupfer C11000, 230 W/m·K für 1050A, 190 W/m·K für 3003 und 167 W/m·K für Aluminium 6061-T6 sowie nahe 120 W/m·K für Messing. Kupfer transportiert Wärme in einem festen Bauraum am schnellsten; Aluminium transportiert genug Wärme pro Kilogramm, und genau diese Zahl ist für ein tragbares Design oft entscheidend.
Dichte: 8.96 g/cm³ für Kupfer, etwa 8.4 g/cm³ für Messing und 2.70 g/cm³ für Aluminium. Dasselbe Gehäuse aus Aluminium wiegt weniger als ein Drittel der Kupferversion, was Montagelasten, Fallverhalten und Frachtkosten ebenso verändert wie den Materialpreis.

Leitfähigkeit pro Kilogramm, nicht Leitfähigkeit

Die Rangfolge verschiebt sich, sobald der Vergleich auf Massenbasis gestellt wird, was der üblichen Beurteilung eines tragbaren oder fahrzeugmontierten Gehäuses entspricht. Aluminium transportiert pro Kilogramm etwa doppelt so viel Wärme und etwa doppelt so viel Strom wie Kupfer, weil sein Dichtevorteil größer ist als sein Leitfähigkeitsnachteil; Kupfer gewinnt weiterhin bei der absoluten Leitfähigkeit in einem festen Bauraum, wo das Volumen und nicht die Masse die Einschränkung ist. Messing liegt bei jeder Kennzahl hinter beiden, weshalb ein Messinggehäuse für Steifigkeit, Dämpfung und Zerspanbarkeit spezifiziert wird und nicht für einen Leitfähigkeitswert. Wenn die Anforderung als Wärmewiderstand oder Stromtragfähigkeitsziel pro Masseneinheit geschrieben ist, gewinnt üblicherweise Aluminium; wenn sie als Dämpfung oder Widerstand über eine Fügestelle in einem festen Raum geschrieben ist, gewinnt Kupfer.

Wie sich Kupfer, Messing und Aluminium unter einer Tiefziehpresse verhalten

Alle drei lassen sich tiefziehen, und jeder versagt auf eine Weise, die konstruktiv berücksichtigt werden muss, statt sie im Tryout zu entdecken.

Kupfer: Ein geglühter C11000-Rohling lässt sich tief und sauber ziehen, aber sein rekristallisiertes Korn wächst leicht, sodass grobkörniges Band zu einer rauen, narbigen Oberfläche neigt (Orangenschaleneffekt), die sich durch das Abstrecken hindurch zeigt und nicht wirtschaftlich auspolieren lässt. Kaufen Sie mit kontrollierter Korngröße und behalten Sie die Zwischenglühung im Prozessablauf bei.
Messing CuZn37: Patronenmessing war der ursprüngliche Tiefziehwerkstoff, daher ist die Umformbarkeit erwiesen, aber es kaltverfestigt schnell, und ein hoher Napf benötigt normalerweise eine Zwischenglühung zwischen den Stufen. Bleihaltiges Automatenmessing ist keine Tiefziehgüte — spezifizieren Sie es nur, wo das Merkmal spanabhebend bearbeitet wird.
Aluminium: 1050A und 3003 lassen sich ohne Schwierigkeiten zu tiefen Näpfen ziehen, 5052 benötigt großzügigere Radien und bessere Schmierung, und 6061 wird normalerweise spanabhebend bearbeitet statt gezogen, sofern es nicht vollständig geglüht ist. Die Rückfederung ist höher als bei Stahl oder Messing, daher müssen Stempelradius und Werkzeugspiel darauf ausgelegt sein, und Fressen muss mit dem richtigen Schmierstoff kontrolliert werden.
Wandabstreckung und Leitfähigkeit: Abstrecken erhöht die Festigkeit in allen drei Metallen, aber es erhöht auch die Versetzungsdichte und senkt die Leitfähigkeit. Daher gehört eine Leitfähigkeitsanforderung auf das fertige, geglühte Teil mit benanntem Prüfverfahren, nicht auf das eingehende Band.

Galvanische Korrosion ist die Regel, die die Kennzahlen außer Kraft setzt

Kupferlegierungen stehen nahe am oberen Ende der galvanischen Spannungsreihe, Aluminium deutlich darunter. Ein Gehäuse aus Kupfer oder Messing in elektrischem Kontakt mit Aluminium treibt bei Vorhandensein von Feuchtigkeit oder Chlorid das Aluminium in die Korrosion: Das Aluminium wird zur Anode, und die Fügestelle versagt lange bevor das Gehäuse versagt. Praktische Lösungen sind, den elektrischen Pfad mit einer isolierenden Scheibe, Hülse oder Beschichtung zu unterbrechen; die Aluminium-Kontaktfläche zu plattieren oder zu beschichten; oder das Paar nur in einem trockenen, versiegelten Gehäuse zu akzeptieren, in dem kein Elektrolyt die Fügestelle überbrücken kann. Messing oder Kupfer gegen Edelstahl ist ein milderes Paar, aber kein kostenloses, und in chloridhaltigen Umgebungen kann Messing auch entzinken, wodurch eine kupferfarbene Oberfläche zurückbleibt, die noch intakt aussieht und nicht mehr die Festigkeit besitzt, für die sie spezifiziert wurde.

Was die Kosten des Gehäuses tatsächlich treibt

Der Rohstoff ist der erste und größte Unterschied: Pro Kilogramm kostet Aluminium etwa ein Viertel bis ein Drittel des Preises von Kupfer, Messing liegt dazwischen und bewegt sich mit beiden Metallen. Diese Lücke weitet oder verengt sich im Fertigteil aus drei Gründen. Der erste ist der Umform- und Glühaufwand, denn Messing benötigt meist eine zusätzliche Zwischenglühung, Kupfer ein kontrolliertes Korn und einen sauberen Schmierfilm, und Aluminium eine sorgfältige Radius- und Schmierstoffkontrolle. Der zweite ist der Schrott- und Verschnittwert, der bei allen drei hoch ist und den Preis des Rohlings teilweise ausgleicht. Der dritte und oft entscheidende sind die Sekundäroperationen: Wenn das Gehäuse ein Gewinde, eine Fläche oder eine bearbeitete Bohrung benötigt, gewinnt Automatenmessing häufig das gesamte Angebot, obwohl es pro Kilogramm mehr kostet, weil es mit Geschwindigkeiten bearbeitet werden kann, die die anderen beiden nicht zulassen.

Wie der Werkstoff auf einer Zeichnung für ein gezogenes Gehäuse spezifiziert wird

Nennen Sie die Legierung und den Zustand, nicht die Farbe: C11000 hart oder geglüht, CuZn37 halbhart, 1050A H14, 5052 H32, 6061-T6. Geben Sie die Blechnorm an, gegen die das Zeugnis gelesen wird, damit das Hüttenzeugnis geprüft und nicht nur bewundert werden kann.
Geben Sie die Funktion an, die das Metall erfüllen muss: einen Leitfähigkeitswert, eine Abschirmungsanforderung, einen Wärmepfad, eine Gewindeklasse oder eine Korrosionsklasse. Ein Gehäuse, das nur ein Gewinde halten muss, benötigt nicht die Leitfähigkeit von Kupfer, und dafür zu bezahlen ist ein Konstruktionsfehler und keine Sicherheitsreserve.
Geben Sie an, ob das Gehäuse Teil eines Magnetkreises ist. Kupfer, Messing und Aluminium sind alle unmagnetisch, daher kann keines von ihnen als Flusspfad dienen; wenn das Gehäuse im Magnetkreis liegt, ist der richtige Werkstoff ein weichmagnetischer Stahl und nicht einer dieser drei.
Zeichnen Sie die Fügestelle, nicht nur das Teil: Nennen Sie das Gegenmaterial, die Beschichtung und die Scheibe, denn das galvanische Paar wird auf Montageebene festgelegt und kann später nicht vom Gehäuselieferanten korrigiert werden.
Setzen Sie jede Leitfähigkeits- oder Wärmeanforderung nach dem Umformen und Glühen, mit Prüfverfahren und Messposition, damit sie am Fertigteil verifiziert wird und nicht am Band, das in die Presse ging.

Was Balford fertigt

Balford tiefzieht und abstreckt Gehäuse bis 250 mm Durchmesser in Zhuji, Zhejiang, auf Pressen von 25 t bis 350 t, wobei die Werkzeuge im Haus konstruiert und gebaut werden, sodass Materialwahl, Ziehfolge und Glühposition eine ingenieurtechnische Entscheidung sind und nicht drei Bestellungen. Wir verarbeiten Kupfer und Messing, Aluminium 1050, 3003, 5052 und 6061, Baustahl DC01 und DC04 sowie Edelstahl 304 und 316L, und die Machbarkeitsprüfung erfolgt, bevor das Werkzeug geschnitten wird. Zwei Aussagen, damit das Bild ehrlich bleibt: Wir sind nach ISO 9001:2015 zertifiziert und unsere Qualitätskontrollen sind auf die Anforderungen von IATF 16949 ausgerichtet, aber wir beanspruchen keine IATF 16949-Zertifizierung; und die Massenwärmebehandlung, einschließlich der Zwischenglühungen, die diese Metalle oft benötigen, wird von qualifizierten externen Partnern durchgeführt und als ausgelagert deklariert, ebenso die Galvanik. Umformen, Zerspanen, Montage und Prüfung des Teils selbst erfolgen in unserem eigenen Werk.

Key point

Lassen Sie die Funktion das Metall wählen: Kupfer, wo das Gehäuse Strompfad oder Abschirmung ist und die Masse keine Einschränkung darstellt; Aluminium, wo Gewicht und Materialkosten dominieren und die Fügestelle trocken gehalten werden kann; Messing, wo das Geld tatsächlich in bearbeitete Gewinde und Steifigkeit fließt und nicht in Leitfähigkeit. Prüfen Sie dann die sekundären Regeln, bevor die Zeichnung freigegeben wird — keines der drei ist magnetisch, daher gehört ein Gehäuse innerhalb eines Magnetkreises aus weichmagnetischem Stahl, und ein Aluminiumgehäuse, das nass an Messing verschraubt wird, benötigt eine isolierte Fügestelle, nicht nur eine gezeichnete.

Frequently asked questions

Ist Aluminium für ein Gehäuse besser als Kupfer?

Für ein tragbares oder fahrzeugmontiertes Gehäuse normalerweise ja: Aluminium 1050A erreicht etwa 61 Prozent IACS und 230 W/m·K bei ungefähr einem Drittel der Dichte von Kupfer, sodass es pro Kilogramm etwa die doppelte Leitfähigkeit zu einem Bruchteil der Materialkosten liefert. Kupfer bleibt die bessere Antwort, wo die Leistung in einem festen Bauraum erzielt werden muss, weil es pro Volumeneinheit mehr als dreimal so viel leitet wie Aluminium, und wo das Gehäuse zugleich EMI-Abschirmung ist und den niedrigstmöglichen Widerstand über seine Fügestellen benötigt.

Können Kupfer und Aluminium in derselben Baugruppe verwendet werden?

Ja, aber nur bei beherrschtem galvanischem Paar. Kupfer ist gegenüber Aluminium stark kathodisch, daher wird bei Vorhandensein von Feuchtigkeit oder Chlorid das Aluminium zur Anode und korrodiert. Deshalb besteht die Standardpraxis darin, die Fügestelle mit einer Scheibe oder Hülse zu isolieren, die Aluminiumfläche zu beschichten oder zu plattieren und die Baugruppe trocken zu halten. In einem versiegelten Innenraum ist das Paar beherrschbar; in einer feuchten oder marinen Baugruppe sollte es konstruktiv vermieden statt toleriert werden, weil die Korrosion durch die Potenzialdifferenz angetrieben wird und nicht durch die Qualität eines der Teile.

Warum Messing statt Kupfer für ein bearbeitetes Gehäuse verwenden?

Weil die Kosten dieses Gehäuses üblicherweise in der Zerspanung liegen und nicht im Metall. Automatenmessing ist das Referenzmaterial auf der Zerspanbarkeitsskala, sodass Gewinde, Planflächen und Bohrungen schnell und sauber geschnitten werden, während reines Kupfer schmierig ist und zum Reißen neigt, sofern es nicht legiert oder speziell behandelt wird, und Aluminiumgewinde mehr Sorgfalt erfordern und leichter ausreißen. Messing dämpft außerdem Schall besser als die beiden anderen, weshalb es nach wie vor die akustischen Gehäuse dominiert, in denen es traditionell verwendet wird.

Verändert Tiefziehen die Leitfähigkeit von Kupfer oder Aluminium?

Ja. Umformen speichert Versetzungen im Metall, was den spezifischen Widerstand erhöht, sodass eine gezogene Wand etwas weniger leitet als das geglühte Band, aus dem sie geschnitten wurde, und das Abstrecken einer Wand auf einen dünneren Querschnitt verstärkt den Effekt. Zwischen- und Endglühungen stellen den größten Teil des Verlusts wieder her. Wenn ein Leitfähigkeitswert am fertigen Gehäuse spezifiziert wird, sollte er auf der Zeichnung als Anforderung an das fertige, wärmebehandelte Teil mit benanntem Prüfverfahren stehen, denn ein Wert aus dem Eingangsmaterial beschreibt nicht das Teil, das ausgeliefert wird.

Welches der drei ist am besten für ein Gehäuse geeignet, das zusätzlich EMI abschirmen muss?

Kupfer liefert die höchste Dämpfung und den niedrigsten Übergangswiderstand, weshalb es für HF- und Mikrowellengehäuse und für Abschirmbecher gewählt wird. Aluminium schirmt ebenfalls gut ab, bildet aber ein isolierendes Oxid, sodass das Gehäuse zuerst behandelt werden muss — eine leitfähige Konversionsbeschichtung, Galvanisierung oder eine leitfähige Dichtung an jeder Naht —, bevor es sich wie eine Abschirmung verhält und nicht wie ein Spalt darin. Messing liegt zwischen beiden und bleibt der traditionelle Werkstoff für Steckergehäuse und Wellenleiter, wo eine steife plattierte Hülle um eine bearbeitete Schnittstelle das ist, was die Anwendung benötigt.

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