Kupferlegierung
Bekanntlich ist Kupfer ein ausgezeichneter elektrischer Leiter. Zahlreiche Legierungszusätze wurden vorgeschlagen, um die Festigkeitseigenschaften von Kupfer zu erhöhen. Auf diese Weise wird jedoch die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers erheblich vermindert. Es ist daher sehr erwünscht, Kupferlegierungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig erhöhter Festigkeit zur Verfügung zu stellen.
Aus der USA-Patentschrift 3 039867 sind Kupferlegierungen mit hoher elektrischer LACS-Leitfähigkeit (International Standard for Annealed Copper) und Zugfestigkeit bekannt. Diese Legierungen enthalten 2,0 bis 3,0% Eisen, höchstens 0,04% Phosphor, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen. Legierungen der bevorzugten Zusammensetzung können eine IACS-Leitfähigkeit von etwa 70% und gleichzeitig eine Zugfestigkeit von 3515 kg/cm2 aufweisen. Diese Legierungen werden vorzugsweise zu Knüppeln üblicher Grösse gegossen und auf übliche Stärken heruntergewalzt. Bereits durch Warmformgebung lässt sich das Eisen im Kupfer lösen. Nach der Warmformgebung kann man den Knüppel einer Lösungsglühbehandlung unterwerfen. Hierauf kann man die Legierung zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit bei niedrigerer Temperatur glühen.
Schliesslich wird die Legierung zur Endstärke kalt gewalzt oder kalt gezogen.
Die Erfindung bezweckt es, neue, verbesserte eisenhaltige Kupferlegierungen zur Verfügung zu stellen, die sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig hohe Festigkeitseigenschaften auszeichnen, deren physikalische Eigenschaften nach dem Glühen nicht stark variieren, die selbst in Gegenwart geringer Menge an Verunreinigungen unterschiedliche Festigkeit auf Grund unterschiedlicher Glühbehandlung annehmen können, und die sich billig und auf technisch einfache Weise herstellen lassen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Kupferlegierung.
die 1,5 bis 3,5% Eisen, und 0,02 bis 0,21% Silicium, sowie gegebenenfalls 0,01 bis 0,15 % Phosphor, gegebenenfalls 0,03 bis 0,20 Zink, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen enthält. Die bevorzugte Phosphormenge liegt zwischen 0,01 und 0,10% und die bevorzugte Zinkmenge zwischen 0,03 und 0,15%. Die Legierung enthält Eisen vorzugsweise in einer Menge von 1,7 bis 3,0%, insbesondere von 1,8 bis 2,9%. Der bevorzugte Siliciumgehalt liegt zwischen 0,03 und 0,20%, insbesondere zwischen 1,0 und 0,17%.
Die erfindungsgemässen Legierungen sind durch zahlreiche unerwartete und überraschende Eigenschaften gekennzeichnet. Z.B. ist die elektrische Leitfähigkeit der Legierungen wesentlich verbessert. Es lassen sich nämlich IACS-Leitfähigkeitswerte von etwa 75 bis 81% leicht erhalten. Ausserdem haben die Legierungen der Erfindung ausgezeichnete Glüheigenschaften und die Fähigkeit, unterschiedliche Festigkeiten auf Grund unterschiedlicher Glühbehandlung annehmen zu können. Ausserdem nehmen die Legierungen der Erfindung hohe Anlassfestigkeften in gewalztem Zustand an. Die hohe elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemässen Legierungen ist begleitet von ausgezeichneten Zugfestigkeitseigenschaften in geglühtem Zustand in der Grössenordnung von etwa 4570 kg/cm2 und höher.
Die Festigkeit und physikalischen Eigenschaften der Legierungen der Erfindung variieren bei geringem Gehalt an Verunreinigungen nur unwesentlich. Weiterhin widerstehen die Legierungen der Erfindung dem Erweichen beim Löten bei Temperaturen zwischen 370 und 4270C.
Die Legierungen der Erfindung können noch geringe Mengen andere Legierungsbestandteile enthalten, um bestimmte erwünschte Ergebnisse zu erzielen. Z.B. kann Aluminium in einer Menge bis zu 0,07% und Mangan in einer Menge bis zu 0,08% vorhanden sein.
Die Eigenschaften der erfindungsgemässen Legierungen lassen sich in einem weiten Bereich von Verarbei tungsbedingungen gegenüber herkömmlichen Legierungen verbessern. Eine spezielle Verarbeitung hat natürlich auch Änderungen der Eigenschaften zur Folge.
Die Art des Gusses der Legierung ist nicht besonders kritisch, es können herkömmliche Giessmethoden für diese Legierungen verwendet werden, jedoch sollen hö here Temperaturen angewendet werden, um das Eisen in Lösung zu bringen. Vorzugsweise wird die Legierung zu Knüppeln üblicher Grösse gegossen, die anschliessend der Warmformgebung unterworfen werden, z.B. gewalzt werden.
Nach dem Giessen soll die Legierung bei erhöhter Temperatur, d.h. zwischen 800 und 10500C, vorzugsweise bei etwa 9500C warmgewalzt werden. Anschliessend wird die Legierung mit zwischengeschalteten Glühstufen bei 400 bis 6000C und Haltezeiten von mindestens 2 Stunden kaltgewalzt, wobei bei jeder Kaltwalzstufe eine Stärkenverminderung von mindestens 50% durchgeführt wird. Es können längere Haltezeiten angewendet werden, um die elektrische Leitfähigkeit der Legierung zu verbessern. Kontinuierlich stranggeglühtes Bandmaterial oder Walzgut nimmt ebensogute physikalische Eigenschaften an, wie im Bell-Ofen geglühtes Material, doch ist die elektrische Leitfähigkeit nicht so hoch.
Zur Entwicklung von sowohl hoher Festigkeit nach dem Glühen und hoher elektrischer Leitfähigkeit soll daher das Fertigglühen und vorzugsweise das Glühen im Verfahren chargenweise durchgeführt werden und herkömmliches Ofenglühen angewendet werden, z.B. Glühen im Bell-Ofen.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel 1
Legierungen wurden auf folgende Weise hergestellt.
Sehr reines Kupfer und sehr reines Eisen wurden miteinander in einem Niederfrequenz-Induktionsofen unter einer Holzkohlenschicht bei etwa 12000C verschmolzen.
Etwa 10% der Kupferbeschickung wurden zurückgehalten, und die Schmelze wurde auf etwa 13000C geringfügig überhitzt, um das Eisen in Lösung zu bringen.
Sehr reine Legierungszusätze wurden zugegeben, sobald die Schmelze eine Temperatur von etwa 13000C aufwies. Danach wurde der Rest des Kupfers zugeschlagen und die Schmelze auf die Giesstemperatur von etwa 12000C gebracht. Hierauf wurde die Schmelze in eine wasserstoffgekühlte Kokille mit den Abmessungen 73 X 12,7 X 244 cm in einer Giessgeschwindigkeit von 54,1 cm/Min. gegossen. Die auf diese Weise erhaltenen Legierungen hatten folgende Zusammensetzung.
TABELLE I Legierung Fe P Si Zn CLI 1 2,3 0,021% 0,13So 0,08% Rest
2 2,3% 0,03 % - - Rest (USA-Patent 3 039 867)
Beispiel 2
Die gemäss Beispiel 1 hergestellten Legierungen 1 und 2 wurden folgendermassen verarbeitet. Die Legierungen wurden bei 900 bis 9400C warmgewalzt und danach mit einem Wasserspray auf Raurntemperatur abgeschreckt. Anschliessend wurde das Material auf 2,5 mm kaltgewalzt, 1 bis 4 Stunden bei 480 bis 6000C im Bell Ofen geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 1 bis 3 Stunden im Bell-Ofen auf 460 bis 4800C geglüht, auf 0,635 mm kaltgewalzt und 1 bis 3 Stunden im Bell-Ofen auf 440 bis 4800C geglüht.
Anschliessend wurden die Legierungen auf ihre physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengestellt:
TABELLE II
Legie- Streck- Zugfe- Dehnung, IACS-Leit rung festigkeit. stigkeit, o fähigkeit, kg/cm2 kg/cm3
1 1991 3754 27 81,2 2 1624 3522 27,5 73,5
Aus der Tabelle geht hervor, dass die erfindungsgemässe Legierung 1 eine höhere elektrische Leitfähigkeit und auch eine höhere Festigkeit aufweist, als die bekannte Legierung 2.
Beispiel 3
In diesem Beispiel wurden 3 Legierungen gemäss Beispiel 1 hergestellt. Die Legierungen hatten folgende Zusammensetzung:
TABELLE III Legie rung Fe Sl P Ag O Cu
3 2,4% 0,12% - - - Rest (Erfindung)
4 2,4% - 0,02% - - Rest (USA Patent 3 039 867)
5 - - - 0,06% 0,04% Rest (bekannte Legierung)
Die Legierungen wurden dann gemäss Beispiel 2 verarbeitet, wobei eine zusätzliche Kaltwalzstufe durchgeführt wurde, um die Festigkeitseigenschaften zu erhöhen.
Anschliessend wurden die Legierungen folgendermassen auf die Erweichungstemperatur geprüft. Die Legierungen wurden bei Temperaturen zwischen 315 und 4270C während 3 bis 4 Minuten in ein Salzbad getaucht. Danach wurden die Proben auf die Rockwell 15T Härte, die Streckfestigkeit und Zugfestigkeit geprüft. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 und 2 wiedergegeben. In Fig. 1 ist die Rockwell 15T Härte gegen die Temperatur und in Fig. 2 die Festigkeit gegen die Temperatur aufgetragen. Die ausgezogenen Linien geben die Werte nach 3minütiger Tauchzeit in das Salzbad und die gestrichelten Linien die Werte nach 4minütiger Tauchzeit wieder. Bei keiner der Legierungen änderte sich die elektrische Leitfähigkeit.
Aus den Figuren geht hervor, dass die erfindungsgemässe Legierung 3 den bekannten Legierungen 4 und 5 erheblich überlegen ist.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wurden 3 Legierungen gemäss Beispiel 1 hergestellt. Die Legierungen hatten folgende Zusammensetzung:
TABELLE IV Legierung P Fe Si Zn CLI
6 0,021% 2,3% 0,13% 0,08% Rest (Erfindung)
7 - 2,4% 0,14% - Rest (bekannte Legierung)
8 0,025% 2,4% - - Rest (USA-Patent 3 039 867)
Die Legierungen wurden folgendermassen verarbeitet. 12,7 cm dicke Knüppel wurden bei 9250C auf 8,89 mm warmgewalzt, dann auf 7,62 mm gewalzt, hierauf auf 2,54 mm kaltgewalzt, 2 Std. bei 4,900C geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 2 Stunden bei 4400C geglüht, dann auf 0,635 mm kaltgewalzt und weitere 2 Stunden bei 4400C geglüht. Nach jeder Glühstufe wurde die Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Legierung bestimmt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammen gestellt.
TABELLE V Legierung Erste Glühbehandlung Zweite Glühbehandlung Dritte Glühbehandlung
Zugfestig- IACS-Leit- Zugfestig- IACS-Leit- Zugfestig- IACS-Leit keit, kg/cm2 fähigkeit, % keit, kg/cm2 fähigkeit. % keit, kg/cm' fähigkeit, %
6 4330 69,7 4654 73,5 4732 76,9
7 3937 66,2 4464 75,1 4796 82,0
8 3170 69,9 3937 72,1 3592 72,3
PATENTANSPRUCH I
Kupferlegierung, enthaltend 1,5 bis 3,5% Eisen und 0,02 bis 0,21% Silicium.