DD288180A5

DD288180A5 - Verfahren zur herstellung einer hochleitfaehigen aushaertbaren kupferlegierung

Info

Publication number: DD288180A5
Application number: DD33305489A
Authority: DD
Inventors: Udo Fischer; Gunther Kath; Norbert Czaeczine; Rudi Kupfer; Franz Weber
Original assignee: Veb Halbzeugwerk Auerhammer "Albert Funk",De
Priority date: 1989-09-28
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1991-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hochleitfaehigen aushaertbaren Kupferlegierung. Das erfindungsgemaesze Verfahren kann in der NE-Metallurgie angewendet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer aushaertbaren hochleitfaehigen Kupferlegierung mit eng tolerierten, der Verbindung Mg3P2 entsprechenden Gehalten an Magnesium und Phosphor durch Stranggieszen zu entwickeln. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz eine Legierung, bestehend aus 0,06 bis 0,15% Magnesium, 0,05 bis 0,10% Phosphor sowie gegebenenfalls weiteren Zusaetzen an Zinn bis 0,40% und Silber bis * Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen erschmolzen, in einen Warmhalteteil einer Strangguszanlage ueberfuehrt und als Strang abgezogen wird, wobei an einer Schmelzprobe die elektrische Leitfaehigkeit und der Magnesiumgehalt ermittelt werden, die elektrische Leitfaehigkeit am erstarrten Halbzeug erfaszt wird, die Hoehe des nicht an Magnesium und/oder Sauerstoff gebundenen Phosphoranteiles als Funktion dieser Meszwerte bestimmt wird und der ueberschuessige Phosphorgehalt durch Zugabe magnesiumhaltiger Materialien in dosierbarer Form in den Warmhalteteil kompensiert wird.{Kupferlegierung; Magnesium; Phosphor; Stranggusz; Warmhalteteil; elektrische Leitfaehigkeit}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer aushärtbaren Kupferlegierung kann in der NE-Metallurgie angewendet werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für viele Anwendungsfällo in der Elektrotechnik und Elektronik werden Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig erhöhten Fertigkeitseigenschaften verlangt. Auf Grund der hohen elektrischen Leitfähigkeit, der Plastizität und der Verfügbarkeit ist Kupfer Basismetall dieser Werkstoffe. Kupferlegierungen, in denen die Festigkeitssteigerung durch Mischkristallverfestigung hervorgerufen wird, stellen jedoch nur einen Kompromiß dar, denn die erhöhte Festigkeit ist mit einem Abfall der elektrischen Leitfähigkeit verknüpft. Eine hinsichtlich diesen Anforderungen vorteilhafte Werkstoffgruppe sind Kupferlegierungen, in denen durch eine Wärmebehandlung feindisperse Ausscheidungen, z. B. aus Mg₃Pj. erzeugt werden können. Die dadurch erzielte Festigkeitszunahme ist mit keiner wesentlichen Einbuße an Leitfähigkeit verbunden, so daß diese Legierungen Leitfähigkeitswerte aufweisen, die mit denen technisch reiner Kupferqualitäten vergleichbar sind. Derartige Kupferleuierungen enthalten oft neben Magnesium und Phosphor weitere Elemente wie Zinn oder Silber in geringen Anteilen, wobei insbesondere das Silber die Wärmebehandlung zur Ausscheidung der Mg₃P₂-Partikel unkritischer gestalten soll. Die dafür verwendeten Silberzusätze in der Größenordnung um 0,1 % üben keinen Einfluß auf die Leitfähigkeit der Legierung aus. Derartige Legierungen werden bisher im Blockguß hergestellt. Eine wirtschaftlichen Herstellung von Cu-Mg-P-Legierungen durch kontinuierliche Verfahren und der damit vorbundenen Möglichkeit der Erzeugung großer Chargen steht die hohe Sauerstoffaffinität der Elemente Magnesium und Phosphor entgegen, die gleichzeitig als Desoxydationsmittel wirken. Beide Elemente verschlacken, verdampfen oder brennen unkontrolliert ab, selbst wenn mit einer Schutzschicht, z. B. einer Holzkohledecke oder unter Vakuum gearbeitet wird. Der sich durch hohe Magnesiumverluste einstellende Phosphorüberschuß senkt die elektrische Leitfähigkeit niedrig legierter Kupferlegierungen drastisch. Bereits 0,05% freier, d.h. nicht als Mg₃P₂ oder P2O5 gebundener Phosphor erniedrigen die Leitfähigkeit um bis zu 40%, so daß zur Erzeugung eines homogenen Gußerzeugnisses mit hoher elektrischer Leitfähigkeit die Einstellung und Aufrechterhaltung eng tolerierter, aufeinander abgestimmter Gehalte an Magnesium und Phosphor während des gesamten Gießvorganges unerläßlich ist. Bekannt ist dns Legieren einer Kupferschmelze mit Magnesium durch Zugabe einet Kupfer-Magnesium-Vorlegierung unter einer Glocke (SU-US 360386). Die Vorlegierung wird in stückiger Form in die Schmelze gegeben. Die zur Vermeidung von Abbrand und Spritzverlusten'erforderliche Glocke muß bis zur vollständigen Auflösung der Vorlegierung in der Schmelze verbleiben und verzögert den Konzentrationsausgleich. Mit dem Verfahren ist es zwar möglich, den Magnesiumgehalt der Schmelze für eine kurze Zeit zu beeinflussen, doch ist die diskontinuierliche Zugabe stückigen Materials nicht geeignet, den Magnesiumgehalt der Schmelze unterden beim kontinuierlichen Gießen herrschenden Bedingungen der Masseströmung zu korrigieren und über den für einen Gießprozeß entsprechenden Zeitraum in engen Grenzen konstant zu halten.

Bekannt ist weiterhin das Legieren einer Schmelz'.* durch Zugabe einer Vorlegierung in Drahtform (US-PS 3836360). Ein Vorwärmen des Drahtes soll das Inlösunggehen beschleunigen.

Für das Legieren einer Kupferschmelze mit Magnesium ist dieses Verfahren nicht anwendbar. Das Schmelzen einer hochmagnesiumhaltigen Vorlegierung ist auf Grund der begrenzten Löslichkeit von Magnesium im Kupfer praktisch nicht möglich. Die sich im System Cu-Mg ausbildenden Intermediären Verbindungen sind sehr spröde, so aaß Draht aus einer Cu-Mg-Vorlegierung durch übliche Umformverfahren nicht hergestellt v/erden kann.

In der US-PS 4689199 wird ein Verfahren zur Zugabe von Material in geschmolzene Medien vorgeschlagen, wobei das Legierungsmetall als Draht über einen Speiser einem in die Schmelze getauchten Reaktionsgefäß zugeführt wird, in dem der Draht in ein Plasma bzw. in einen Spray überführt und durch Anlegen einer Gleichspannung im Inertgasstrom verteilt wird. Dieses Verfahren erfordert einen großen apparativen Aufwand. Das trifft besonders auf die Einrichtung zur Erzeugung des

Plasmas bzw. des Sp'ays zu. Die Übertragung des Verfahrens auf die Zuführung eines Magnesiumdrahtes in eine Kupferschmelze ist nicht möglich, da das hexagonale Metall schwer umforinbar ist und die Herstellung des Drahtes mit einem hohen Ausschußanteil verbunden ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer aushärtbaren phosphorhaltigen Kupferlegierung mit einer dem Kupfer vergleichbaren elektrischen Leitfähigkeit und erhöhter Festigkeit zu entwickeln.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer aushärtbaren hochleitfähigen Kupferlegierung mit eng tolerierten, der Verbindung Mg₃P₂ entsprechenden Gehalten am Magnesium und Phosphor durch Stranggießen zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Legierung, bestehend aus 0,06 bis 0,15 Με.-% Magnesium, 0,05 bis 0,10 Ma.-% Phosphor sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen an Zinn bis 0,40 Ma.-% und Silber bis 0,20 Ma.-%, Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen, erschmolzen wird, diese Schmelze in einen Warmhalteteil einer Stranggußanlage überführt und aus einer mit dem Warmhalteteil verbundenen Stranggußkokille als Halbzeug abgezogen wird, wobei an einer aus dem Warmhalteteil entnommenen Schmelzprobe die elektrische Leitfähigkeit und der Magnesiumgehalt als Meßwerte 1 und 2 ermittelt werden, die elektrische Leitfähigkeit am erstarrten stranggegossenen Halbzeug als Meßwert 3 erfaßt wird, die Höhe des nicht an Magnesium und/oder Sauerstoff gebundenen Phosphoranteiles als Funktion der Meßwerte 1 bis 3 unter Berücksichtigung der elementspezifischen Beiträge zur Leitfähigkeit ermittelt wird und der überschüssige Phosphorgehalt durch Zugabe magnesiumhaltiger Materialien in den Warmhalteteil kompensiert wird. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es unwesentlich, ob das auf die Sollzusammensetzung abgestimmte Legierungen im Schmelzofen oder in einem Zwischengefäßz. B. einer Gießpfanne- stattfindet.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung besteht in der Zuführung magnesiumhaltiger Materialien in Drahtform. Dadurch ist es möglich, die Zugabe kontinuierlich zu gestalten, den Vorgang durch Einspulen von Draht zu automatisieren und auch während länger andauernder Gießprozesse den Magnesiumgehalt in eng tolerierten Grenzen zu halten.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht darin, den dem Warmhalteteil zugeführten Draht als Verbund aufzubauen, wobei der Außenmantel aus Kupfer und der Kern aus einer Cu-Mg-Vorlegierung besteht. In Verbindung mit dem plastischen Kupfermaiitel ist das sonst spröde Kupfer-Magnesium umformbar, so daß Drähte größerer Länge herstellbar sind. Das außen liegende Kupfer schirmt das reaktive Kupfer-Magnesium von der Atmosphäre ab, so daß eine vollständige Überführung des Magnesiumanteiles in die Schmelze möglich ist.

AusfOhrunpsbeisplel

Das erfindungsgemäße Verfahren wird am Beispiel der Herstellung einer Legierung aus 0,095 Ma.-% Mg, 0,08 Ma.-% P, 0,07 Ma.- % Ag, 0,20Ma.-% Sn, Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen beschrieben.

Im Atmosphären-Induktionsofen wird sauerstofffreies Kupfer unter einer Holzkohle-Schutzdecke eingeschmolzen. Diese Schmelze wird in eine Gießpfanne überführt, durch Zugabe von Kupfer-Phosphor desoxydiert und danach in einen als induktiv beheizten Rinnenofen ausgeführten Warmhalteteil einer horizontalen Stranggußanlage gefüllt. Im Warmhalteteil wird durch Zugabe von Silber, Zinn, Kupfer-Magnesium und Kupfer-Phosphor auf den Sollwert legiert und aus der mit dem Warmhalteteil verbundenen Kokille ein Strang mit den Abmessungen 14 χ 330mm² abgezogen.

Durch den Kontakt mit der Atmosphäre und durch die langzeitig einwirkenden hohen Fertigungstemperaturen im Warmhalteteil treten Verschlackungs- und Verdampfungsverluste an dom reaktiven Element Magnesium auf. Damit verändert sich zeitabhängig das für die Bildung von Mg₃P₂ erforderliche Mg-P-Verhältnis.

Aus dem Warmhalteteil wird eine Schmelzprobe entnommen und an ihr die elektrische Leitfähigkeit als Meßwert MW1 sowie der Magnesiumgehalt Xi in Ma.-% als Meßwert MW2 ermittelt. Als Zusatzinformation werden die Gehalte X| der übrigen Legierungselemente Zinn, Silber und Phosphor bestimmt. Am aus der Kokille austretenden plattenförmigen Strang wird die elektrische Leitfähigkeit als Meßwert MW3 erfaßt. Die Abweichung von dem für die hohe Leitfähigkeit der Legierung erforderlichen Verhältnis der Gehalte an Magnesium und Phosphor wird als Funktion der Meßwerte MW1, MW2 und MW3 nach den Beziehungen

MW1 = f (ΣΑ,χ,) und

erfaßt, wobei Ai ein Koeffizient für die elementspezifische Beeinflussung der elektrischer; Leitfähigkeit, A₀ ein Regressionskoeffizient, P der Phosphorgehalt in Ma.-% und B ein Regressionsexponent ist. Durch Zugabe von kupferummanteltem Draht mit einem Kern aus einer CuMg-Vorlegierung mit 10Ma.-% Mg wird der überschüssige Gehait an Phosphor kompensiert.

Die Zugabe des Legierungselementes Magnesium in dieser Form hat den Vorteil, daß es gut dojierbar ist und daß der Prozeß der Einstellung des Verhältnisses der Elemente Mg und P unter Verwendung der Meßgrößen MW1 und MW3 als Stellgrößen in Verbindung mit einem eine Drahtablauf haspel treibenden Motor automatisiert werden kann. Da die Drahtoberfläche frei von

reaktionsfähigem Magnesium ist, kann die im Draht vorhandene Magnesiummenge weitgehend quantitativ in die Schmelzeüberführt werden. Dio der Schmelze zugeführte Kupfermenge beeinflußt praktisch den Kupfergehalt der Legierung nicht.

Während des Gießprozesses wird die aus der Kokille als Strang ausgezogene Menge durch Zugaben diskreter Schmelzmengen

in den Warmhalteteil kompensiert. Für einen ermittelten Phosphorüberschuß von beispielsweise 0,025Ma.-% ist es bei einer

Füllmenge von 2000kg erforderlich, dem Waimhalteteil 38 Meter kupferummantelten Draht mit einem 5-mm-Kern einer CuMg 10-Vorlegierung zuzuführen. Entsprechend derzeitabhängigen Verdampfungsverluste, der zugeführten Teilmengen an erschmolzenem Kupfer und der Gießleistung der Stranggußanlage wird der Drahtvorschub eingestellt. Für die Praxis ist es von Bedeutung, daß ein geringer Magnesiumüberschuß die Leitfähigkeit der Legierung nur unwesentlich

reduziert.

Der nach diesem Verfahren hergestellte Strang weist eine große Gleichmäßigkeit in der chemischen Zusammensetzung und

eine hohe elektrische Leitfähigkeit durch weitgehende Einhaltung des stöchiometrischen Verhältnisses der Elemente

Magnesium und Phosphor entsprechend der sich ausbildenden intermediären Phase Mg₃P₂ auf.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer hochleitfähigen aushärtbaren Kupferlegierung, bestehend aus 0,06 bis 0,15Ma.-% Magnesium, 0,05 bis 0,10Ma.-% Phosphor sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen an Zinn bis 0,40 Ma.;% und Silber bis 0,20 Ma.-%, Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen du«-ch Schmelzen, Überführen der Schmelze in einen Warmhalteteil einer Stranggußanlage sowie Abziehen eines Halbzeuges aus einer mit dem Warmhalteteil verbundenen Stranggußkokille, dadurch gekennzeichnet, daß an einer aus dem Warmhciceteil entnommenen Schmelzprobe die elektrische Leitfähigkeit und der Magnesiumgehalt als Meßwerte 1 und 2 ermittelt werden, die elektrische Leitfähigkeit am erstarrten stranggegossenen Halbzeug als Meßwert 3 erfaßt wird, die Höhe des nicht an Magnesium und/oder Sauerstoff gebundenen Phosphoranteiles als Funktion der Meßwerte 1 bis 3 unter Berücksichtigung der elementspezifischen Beiträge zur elektrischen Leitfähigkeit bestimmt wird und dieser überschüssig j Phosphorgehalt durch Zugabe magnesiumhaltiger Materialien in dosierbarer Form in den Warmhalteteil kompensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß magnesiumhaltiges Material in Drahtform dem Warmhalteteil zugegeben wird..

3. Verfar jn nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß kupferummantelter Draht mit einem Kern aus einer Kupfer-Magnesium-Vorlegierung dem Warmhalteteil zugeführt wird.