DE102004012386A1

DE102004012386A1 - Verbundhalbzeug aus einer Kupferlegierung, Herstellungsverfahren und Verwendung

Info

Publication number: DE102004012386A1
Application number: DE200410012386
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Hofmann; Michael Scharf
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2004-03-13
Filing date: 2004-03-13
Publication date: 2005-10-06
Also published as: EP1574327A3; EP1574327A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundhalbzeug (1) aus einer Kupferlegierung, bestehend aus zumindest einem Kern- (2) und einem den Kern- (2) umschließenden Mantelbereich (3), wobei zumindest einer der Bereiche (2, 3) aus einem mittels innerer Oxidation gebildeten Oxid der Legierung oder eines Legierungsbestandteiles besteht und zumindest ein weiterer Bereich nicht oxidiert ist, und die Verwendung des Verbundhalbzeugs. DOLLAR A Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung des Verbundhalbzeugs (1) aus einer Kupferlegierung mit den folgenden Schritten: DOLLAR A - Glühen des Halbzeugs bei hohen Temperaturen in oxidierender Atmosphäre, DOLLAR A - Entfernen der durch den Glühvorgang entstehenden äußeren Deckschicht, DOLLAR A - Umformen auf Endmaß.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundhalbzeug aus einer Kupferlegierung, bestehend aus zumindest einem Kern- und einem den Kern- umschließenden Mantelbereich sowie ein Verfahren zur Herstellung des Verbundhalbzeugs und dessen Verwendung.
Manche Verbundhalbzeuge aus Kupferwerkstoffen nehmen bezüglich der Festigkeit bzw. Härte und der elektrischen Leitfähigkeit eine Mittelstellung zwischen reinem Kupfer und vollständig durch kombinierte festigkeitsteigernde Maßnahmen gehärteten Kupferlegierungen ein. Für zahlreiche technische Anwendungen besteht der Wunsch nach ausgewogenen Eigenschaftskombinationen im Vordergrund. Gegenüber den reinen Werkstoffen werden oft an der Metalloberfläche gezielt Veränderungen vorgenommen, bei der in eine metallische Matrix Nichtmetalle, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff eindiffundiert wird, um, beispielsweise auf der Grundlage von Lösungsvorgängen und chemischen Festkörperreaktionen, die Festigkeit bzw. Härte des Werkstoffs oberflächlich durch eine so genannte Dispersionshärtung zu steigern.
Besonderes technisches Interesse gewinnt das Eindiffundieren eines Nichtmetalles in eine Metallmatrix, der noch eine weitere Komponente zulegiert ist, welche eine stärkere Neigung zur Oxidbildung besitzt als das Grundmetall. In diesem Fall reagiert der gelöste Sauerstoff mit dem erwähnten Legierungsmetall unter Bildung einer fein verteilten Dispersion von Oxidteilchen. Insbesondere im Falle der Reaktion mit Sauerstoff bezeichnet man diesen Vorgang als innere Oxidation. Übliche Beispiele in der Praxis, bei denen das Verfahren der inneren Oxidation angewandt wird, beziehen sich auf Edelmetallsysteme mit zulegierten Oxidbildnern. Wegen ihrer sehr guten Leitfähigkeit einerseits und ihrer Korrosionsbeständigkeit andererseits eignen sich beispielsweise die Platinmetalle, Silber und Gold sehr gut als Werkstoffe für elektrische Kontakte.

So ist aus der Offenlegungsschrift DE 20 028 86 ein Verfahren zur Herstellung eines durch innere Oxidation dispersionsgehärteten Werkstoffes aus Platinmetallen und Gold, beziehungsweise deren Legierungen bekannt, die sowohl gegen oxidierende als auch gegen reduzierende oder inerte Gase beständig sind. Das Herstellungsverfahren durch innere Oxidation erfolgt bei Temperaturen von 300°C bis 800°C in Verbindung mit einer thermischen Nachbehandlung. Hierdurch entstehen feine, zum Teil submikroskopisch kleine Oxidausscheidungen im Bereich von weniger als 1 μm Teilchengröße. Mit dieser feindispersen Ausscheidung verknüpft ist eine Härte- und Festigkeitssteigerung, die auch bei höheren Temperaturen erhalten bleibt. An die innere Oxidation schließt sich zur Stabilisierung des Werkstoffes eine thermische Nachbehandlung in oxidierender, reduzierender oder inerter Gasatmosphäre oder auch im Hochvakuum an. Als Ausgangsmaterial kommen unter anderem Bleche und Drähte in Betracht. Allerdings werden bei dem Verfahren nur Platinmetalle und deren Legierungen oder Palladium, Rhodium, Iridium, Ruthenium oder Gold zu Dispersionshärtung herangezogen. Allenfalls werden den Edelmetalllegierungen geringe Anteile an Kupfer zulegiert.

Weiterhin sind Untersuchungen zur Löslichkeit von Sauerstoff in Reinstkupfer und in Verbindung mit zulegiertem Eisen aus Hammer et al. 1984, Metall, Jg. 38, Heft 1 bekannt. Die Untersuchungen führen zu dem Ergebnis, dass zwischen 550°C und 1050°C geringere Sauerstoffanteile im Kupfer eingelagert werden als bisher angenommen. An Kupfer-Eisenverbindungen zeigen sich Ausscheidungen in Form von FeO oder bei Temperaturen über 800°C Ausscheidungen von CuFe₂O₄. Andere Eisenoxide wurden bei den Untersuchungen nicht gefunden.

Auf der Grundlage der bisherigen Erkenntnisse liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Halbzeug im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften und der Härte dahingehend zur Verfügung zu stellen, dass sich beide Eigenschaften für den jeweiligen Gebrauch optimal an die technischen Bedürfnisse anpassen lassen.

Die Erfindung wird bezüglich des Halbzeugs durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Herstellungsverfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 5 sowie der Verwendung gemäß Anspruch 12 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verbundhalbzeug aus einer Kupferlegierung aus zumindest einem Kern- und einem den Kernumschließenden Mantelbereich besteht, wobei zumindest einer der Bereiche aus einem mittels innerer Oxidation gebildeten Oxid der Legierung oder eines Legierungsbestandteiles besteht und zumindest ein weiterer Bereich nicht oxidiert ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das Verbundhalbzeug aus zumindest einem Kern- und einem den Kern- umschließenden Mantelbereich besteht. Es können jedoch auch mehrere Kern- bzw. Mantelbereiche ausgebildet sein, die jeder für sich oxidiert oder nicht oxidiert vorliegen. Dabei können sich die einzelnen Bereiche schalenartig umschließen. Die jeweilige Zuordnung zum Kern- oder Mantelbereich ist nicht streng festgelegt, ergibt sich jedoch weitgehend aus den geometrischen Gegebenheiten des Verbundmaterials. Das Umschließen des Kerns durch den Mantelbereich geschieht im Wesentlichen vollflächig. Im Begriff vollflächig umschließen soll auch Halbzeug mit umfasst sein, bei dem beispielsweise durch einen Schneidvorgang die Kern- bzw. Mantelbereiche offen liegen.

Werkstoffe auf Kupferbasis haben oft heterogene Gefüge mit unterschiedlichen Phasenbestandteilen, die zum Teil als Ausscheidungen unmittelbar benachbart zur Matrix vorliegen können. So können in den einzelnen Bereichen mittels innerer Oxidation entweder die gesamte Legierung oder auch nur einzelne Bestandteile einer Oxidation unterzogen werden. Durch innere Oxidation der Kupferlegierung lässt sich ein Verbundhalbzeug herstellen, das durch relativ weiche und elektrisch gut leitfähige Volumenbereiche aufweist. Insbesondere sind aushärtbare Kupfer-Eisen-Legierungen mit weiteren die Eigenschaften bestimmenden Elementen geeignet, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Härte einzustellen, um damit beide Eigenschaften für den jeweiligen Gebrauch optimal an die technischen Bedürfnisse anzupassen. Notwendige Voraussetzung für innere Oxidation von Kupferwerkstoffen ist das Vorhandensein wenigstens einer schlecht löslichen Legierungskomponente A, die ein thermodynamisch stabileres Oxid A_xO_y als Cu₂O bilden kann. Die Legierungskomponente kann dabei ein Legierungselement oder mehrere Legierungselemente sowie eine intermediäre bzw. intermetallische oder geordnete Phase oder mehrere derartige Phasen aufweisen.

In einem speziellen Fall einer ausscheidungsfähigen Kupferlegierung werden die Werkstoffeigenschaften besonders günstig beeinflusst. Zumindest eine Komponente A liegt in Form von Ausscheidungen im Gefüge vor. Die Löslichkeit von A in der Cu-Matrix nimmt mit sinkender Temperatur ab. Dadurch ist ein Aushärten möglich. Der Schmelzpunkt von A ist größer als der von Cu bei 1083°C, wodurch die Aktivierungsenergie für eine Diffusion und damit auch für das Auflösen von A groß ist. Auf diese Weise können Mantel- oder Kernbereiche, beispielsweise bei Drähten, eine oxidierte weiche Schicht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausbilden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in der Möglichkeit einer gezielten Beeinflussung der Eigenschaften durch entsprechende Wahl der Materialzusammensetzung der Ausgangslegierung in Verbindung mit geeigneten Glüh- und Umformschritten. Damit lassen sich auf Bedarf die Festigkeitswerte und die elektrische Leitfähigkeit aufeinander abstimmen. So können beispielsweise preiswerte Drähte oder Verbundkabel mit hoher mechanischer Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit bereitgestellt werden.

Mehrkomponentige Legierungen weisen oft einen komplexen Gefügeaufbau auf. In bevorzugter Ausführungsform kann die Kupferlegierung zumindest eine Komponente enthalten, die thermodynamisch ein stabileres Oxid als Cu₂O ausbildet. Hierdurch erfolgt die innere Oxidation gezielt an gewissen ausgewählten Gefügebestandteilen.

In bevorzugter Ausführungsform liegt eine ausscheidungsfähige Kupferlegierung vor, bei der die Legierungskomponente in Form von bereits vorliegenden oder sich während des ersten Verfahrensschrittes ausbildenden Ausscheidungen in einer Matrix vorhanden ist. Die Ausscheidungshärtung bzw. das Aushärten kann hierbei wegen der Abnahme der Löslichkeit der Legierungskomponente in der Legierungsmatrix im Laufe der Abkühlung von Oxidationstemperatur oder durch eine gezielte thermische Nachbehandlung bei mittleren Temperaturen der so genannten Warmauslagerung zunehmen. Liegt der Schmelzpunkt der Legierungskomponente über dem des reinen Kupfers, dann lösen sich die Ausscheidungen bei hohen Temperaturen nur langsam auf und bleiben so als Reaktionspartner für Sauerstoff im Gefüge erhalten.

Vorteilhafterweise kann die Kupferlegierung zumindest eines oder mehrere der Elemente Mg, Al, Si, V, Mn, Zn, P, Co, As, Ni, Ag, Fe, Cr, Zr, Pb, Sb, Cd oder Ti enthalten. Aus diesen Elementen gebildete Legierungen umfassen insbesondere alle niedrig legierten Kupferlegierungen, wie beispielsweise Legierungen auf der Basis CuZn, CuNiCrSi, CuCrZr, CuFeP, CuCr, CuSiMn oder CuMg. Durch Ausscheidungssysteme mit den genannten Elementen lassen sich Festigkeitseigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit der Legierungen vorteilhaft beeinflussen. Viele ausscheidungshärtende Systeme enthalten fein verteilte intermetallische Ausscheidungen, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und vorteilhafte mechanische Eigenschaften herbeiführen. Beispielsweise führt die Beimengung von Eisen und Phosphor durch eine Temperaturbehandlung zu einer feindispersen Ausscheidung von Eisen und Eisenphosphiden in der Metallmatrix. Solche aushärtbare Legierungen weisen nach entsprechender Wärmebehandlung bereits vor der inneren Oxidation eine hohe Festigkeit in Verbindung mit einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit auf. Durch die innere Oxidation kann dabei die gegenläufige Beziehung zwischen Festigkeit und Leitfähigkeit weitgehend überwunden werden.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs aus einer Kupferlegierung durch folgende Schritte angegeben:

– Glühen des Halbzeugs bei hohen Temperaturen in oxidierender Atmosphäre,
– Entfernen der durch den Glühvorgang entstehenden äußeren Deckschicht (Zunderschicht),
– Umformen auf Endmaß.

Des Weiteren geht die Erfindung bezüglich des Verfahrens von der Überlegung aus, dass im ersten Prozessschritt das Halbzeug bei hoher Temperatur in oxidierender Atmosphäre geglüht wird. Um die Prozesszeiten zu verkürzen, werden möglichst hohe Temperaturen zur inneren Oxidation angestrebt. Bevorzugt kann die Glühung je nach Legierungszusammensetzung im Bereich von 800°C – 1050°C erfolgen.

Hierdurch kann bereits nach wenigen Minuten eine signifikante Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit festgestellt werden. Bei geringeren Glühtemperaturen sind entsprechend längere Prozesszeiten erforderlich. Die Reaktionsgase sind reiner Sauerstoff, Luft oder andere Mischungen aus Sauerstoff, Stickstoff und wahlweise Wasserstoff oder Edelgase. Durch die Glühbehandlung bei hoher Temperatur entsteht durch innere Oxidation im Übergangsbereich zu nicht oxidierten Bereichen eine scharf abgegrenzte Reaktionsschicht. Zudem sinkt in der innen oxidierten Oberflächenschicht die Konzentration der gelösten Legierungselemente, welche einen hohen Dampfdruck aufweisen, wie beispielsweise Cd, Zn oder Mg. Die Reaktionsschicht ist durch oxidierte und bei ausscheidungsfähigen Legierungen üblicherweise durch vergröberte Ausscheidungen geprägt. In ihr weist die Kupfermatrix eine relativ kleine Konzentration gelöster Fremdatome auf. Die Härte und der spezifische Widerstand sind gegenüber der übrigen Legierung verringert.

Nach der Oxidation kann die durch den Glühvorgang gebildete Zunderschicht als äußere Deckschicht durch Beizen entfernt werden.

Die Weiterverarbeitung kann je nach Erfordernis durch an sich bekannte Umformverfahren erfolgen. Die Herstellung von Draht mit einem gut leitenden als Ader ausgebildeten inneren oder äußeren Bereich erfolgt durch Weiterziehen des behandelten Ausgangsmaterials.

Dies kann durch eine Kaltumformung bis zur Endkontur des Halbzeugs erreicht werden. Im Fall von Rohren und Hohlstangen kann der Innendurchmesser d_i durch Walzen und/oder Hohlzüge auf Null oder Werte nahe Null reduziert werden. Dies gelingt insbesondere dann, wenn man für den Außendurchmesser nach Umformung d_u<d_i anstrebt, wobei allerdings noch die jeweilige Wanddickenänderung zu berücksichtigen ist.

Durch Warmauslagern kann das Festigkeitsniveau und die Leitfähigkeit des lösungsgeglühten Restvolumens angehoben werden. Dabei ist zu erwarten, dass die Eigenschaften der oxidierten Bereiche verhältnismäßig wenig beeinflusst werden, da dort die Ausscheidungen nunmehr als stabile Oxide vorliegen und die gewählte Temperatur unterhalb der Löslichkeitslinie der ausscheidungshärtenden Komponente liegt.

Insbesondere kann die Glühung vorteilhafterweise bei einer homologen Temperatur T/T_m von über 0,9, bevorzugt zwischen 0,92 bis 0,96 durchgeführt werden. Durch eine homologe Temperatur von über 0,9 werden bei der inneren Oxidation die Prozesszeiten entsprechend minimiert. Die homologe Temperatur ergibt sich aus dem Quotienten aus der absoluten Prozesstemperatur und der absoluten Schmelztemperatur in Kelvin. Die Sauerstofflöslichkeit sowie die Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff in der Legierung sind hierdurch entsprechend erhöht.

Die Schichtdicke der jeweiligen oxidierten Bereiche wächst parabolisch und in erster Nährung linear mit der Glühdauer. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Oxidfront nimmt mit steigender Temperatur und in Abhängigkeit vom Grade der Verzunderung mit steigendem Sauerstoffpartialdruck zu.

Die äußere, überwiegend aus Cu-Oxid bestehende Zunderschicht als Deckschicht wird durch Beizen, beispielsweise in verdünnter Schwefelsäure, oder Brennen, beispielsweise in Beizlösungen, mit Oxidationsmitteln entfernt.

Vorteilhafterweise wird das Halbzeug nach dem Glühen bei hohen Temperaturen in oxidierender Atmosphäre rasch auf Raumtemperatur abgeschreckt. Sofern die Glühtemperatur oberhalb der Löslichkeitslinie einer Legierungskomponente liegt, kann hierdurch eine nachfolgende Aushärtung erfolgen.

In bevorzugter Ausführungsform kann nach dem Glühen, nach dem Entfernen der Deckschicht oder nach dem Umformschritt, beispielsweise durch Warmauslagerung, eine thermische Nachbehandlung durchgeführt werden. Hierdurch wird das Material nach dem Umformen an die jeweiligen Bedürfnisse bezüglich Leitfähigkeit und Härte angepasst.

Vorteilhafterweise kann das Halbzeug rohrförmig ausgebildet sein und die oxidierende Atmosphäre kann das Innere des Rohres durchströmen. Insbesondere bei lang gestreckten Halbzeugen, wie beispielsweise Drähte, kann eine innere Ader mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, ausgehend von einem Rohr oder einer Hohlstange, erzeugt werden. Das oxidierende Reaktionsgas wird beim Glühen durch den Hohlkörper geleitet, während die Außenoberfläche durch ein Inertgas vor Oxidation geschützt wird.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann das Halbzeug rohrförmig ausgebildet sein und die oxidierende Atmosphäre über die Außenseite und durch die Innenseite des Rohres strömen. Hierdurch wird sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite des Rohres durch innere Oxidation die elektrische Leitfähigkeit erhöht.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird beim Umformen auf Endmaß der Innendurchmesser des Rohres verringert, wodurch sich ein innenoxidierter, im Wesentlichen kompakter Kernbereich ausbildet. Ein dickwandiges Rohr mit kleinem Innendurchmesser verringert den Aufwand bei der nachfolgenden Umformung. Aber auch Rohre mit noch größeren Wandstärken, beispielsweise mit einem Rohrinnendurchmesser-Verhältnis von 4 × 0,9 mm können verarbeitet werden. Vom Innendurchmesser wie auch von der Rohrlänge hängt jedoch der Volumenstrom des Reaktionsgases sowie der Beizflüssigkeit und damit auch die Prozesszeit der Entzunderung und gegebenenfalls der nachfolgenden Oxidationsglühung ab. Die Wahl des Rohrinnendurchmessers wird zur Optimierungsgröße des Herstellprozesses.

Zudem können sich bei einer außenseitigen und innenseitigen Oxidation von Rohren beim Umformen auf Endmaß, bei dem der Innendurchmesser des Rohres verringert wird, ein innenoxidierter, im Wesentlichen kompakter Kernbereich und mehrschichtige Mantelbereiche ausbilden. Ob sich der kompakte Kernbereich dabei vollständig schließt, hängt vom Umformungsgrad ab. Denkbar sind auch verbleibende innenliegende Hohlräume mit geringem Volumenanteil.

Das Verbundhalbzeug aus aushärtbaren Kupferwerkstoffen nimmt bezüglich Härte und elektrische Leitfähigkeit eine Mittelstellung zwischen reinen Kupfersorten und vollständig, durch kombinierte festigkeitssteigernde Maßnahmen gehärteten Legierungen ein. Das Verbundhalbzeug findet seine Verwendung für Steckverbinder, Abhebekontakte oder Drähte. Drähte mit einer gut leitenden Randschicht eignen sich für die Hochfrequenztechnik, wo bei hohen Wechselstromfrequenzen nur noch die Außenhaut des Leiters Strom führt. Drähte mit einer gut leitenden Zentralader können für bewegliche Kontakte, wie beispeilsweise Druck-, Abhebe- bzw. Unterbrecherkontakte, Schleifkontakte oder Festkontakte, wie beispielsweise Wickelverbindungen, Pressverbindungen oder Steck- und Klemmverbindungen eingesetzt werden. Aufgrund der verhältnismäßig harten Außenschale ist ein günstiges Abbrand- und Verschleißverhalten zu erwarten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen schematisch:
1 einen Querschnitt eines Verbundhalbzeugs mit oxidiertem Mantelbereich,
2 eine Ansicht eines Rohres mit einer im Inneren oxidierten Schicht zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs,
3 ein Verbundhalbzeug nach der Endumformung aus einem auf der Innenoberfläche oxidierten Rohres,
4 ein Verbundhalbzeug nach der Endumformung aus einem auf der Innen- und Außenoberfläche oxidierten Rohres, und
5 eine graphische Darstellung der Härte- und Leitfähigkeitszunahme durch eine Auslagerungsglühung bei einer drahtförmigen CuFe2P Legierung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines drahtförmigen Verbundhalbzeugs 1 mit oxidiertem Mantelbereich 3. Die Schichtdicken des Mantelbereiches 3 sind je nach Behandlungsdauer im Regelfall 2 bis 20% des gesamten Drahtquerschnittes. Der innen liegende Kernbereich 2 besteht aus der ursprünglichen Legierung, die gegebenenfalls durch die thermische Behandlung eine Gefügeumwandlung erfährt. Ein Übergang zwischen dem oxidierten Mantelbereich 3 und dem innen liegenden Kernbereich 2 ist insbesondere bei hoher Glühtemperatur in Verbindung mit geringer Prozesszeit entsprechend scharf ausgebildet.
Zur Herstellung von innen liegenden Oxidschichten werden, wie in 2 dargestellt, als Ausgangsmaterial Rohre 4 oder Hohlstangen verwendet. Ausgangsmaterial können auch Oval- oder Rechteckstangen und -Rohre sein. 2 zeigt eine Ansicht eines Rohres 4 vor der Endumformung, mit einer im Inneren oxidierten Schicht 2, bei der die Verzunderung bereits abgetragen ist. Die äußere Oberfläche des Rohres wurde durch ein Inertgas geschützt und ist nicht oxidiert. Im Kaltumformschritt wird aus dem vorbehandelten Rohr 4, wie in 3 dargestellt, durch Querschnittsverminderung ein Drahtmaterial mit einem kompakten oxidierten Kernbereich 2 gezogen. Das Rohr 4 kann aber auch aus Profilen oder Drähten mit nicht kreisrundem Querschnitt umgeformt werden.
4 zeigt ein Verbundhalbzeug nach der Endumformung aus einem auf der Innen- und Außenoberfläche oxidierten Rohres 4. Bei der inneren Oxidation wird hierzu sowohl durch das Innere des Rohres 4 als auch auf der Rohroberfläche sauerstoffhaltiges Gas hindurch bzw. entlang geführt. Nach dem Umformprozess entsteht ein mehrschichtiges Drahtmaterial mit einem oxidierten inneren Kernbereich 21, einem nicht oxidierten äußeren Kernbereich 22 und einem oxidierten Mantelbereich 3.
Denkbar ist auch, Rohre 4 mit unterschiedlichem Querschnitt nach der Oxidationsbehandlung ineinander zu fügen und über eine Kaltumformung ein Drahtmaterial mit einer Vielzahl von sich konzentrisch umgebenden oxidierten und nicht oxidierten Bereichen herzustellen.
Anwendungsbeispiel für eine CuFe2P-Legierung:
Die Vorgänge bei den Wärmebehandlungen sind im Folgenden exemplarisch anhand eines gefertigten CuFe2P-Runddrahtes mit einem Durchmesser d = 2 mm dargestellt. Die Fertigung des Drahtes beinhaltet eine optimierte Warmauslagerung, wodurch bereits Ausscheidungen im Gefüge vorlagen. Der Draht wurde bei 1.000°C 10 min in Luft geglüht. Die Proben wurden metallographisch, mit Leitfähigkeits- und Härtemessungen charakterisiert. Um die Eigenschaft der durch innere Oxidation entstandenen Randschicht zu quantifizieren, wurden die Reaktionsschichten bei einigen Proben durch Ätzen in Salpetersäure entfernt. Durch Messung der Leitfähigkeit vor und nach dem Brennen ließ sich bei bekannten geometrischen Verhältnissen die spezifische, elektrische Leitfähigkeit der Schicht ermitteln. Tab. 1 zeigt die Messergebnisse der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit im Kern- und Randbereich bei Proben, die rasch in Wasser oder an Luft abgekühlt wurden.
Tabelle 1:
Im oxidierten Randbereich ist ein signifikanter Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit gegenüber dem nicht oxidierten Kernbereich zu beobachten.
Bei einer weiteren Untersuchungsreihe wurde der Einfluss der Warmauslagerung auf die elektrische Leitfähigkeit und die Härte untersucht. An den bei 1.000°C lösungsgeglühten Proben wurde dazu eine Wärmebehandlung bei 500°C bis zu 9 h vollzogen.
Die Experimente lieferten folgende Ergebnisse, die in Tabelle 2 gelistet und in 7 graphisch dargestellt sind.
Tabelle 2:
Bei 1.000°C und innerhalb ca. 1 h nimmt der Drahtdurchmesser linear mit der Zeit ab. Das Schichtdickenwachstum folgt ebenfalls in erster Nährung einem linearen Zeitgesetz. Mit steigender Schichtdicke (Lösungsglühdauer) nimmt die spezifische, elektrische Leitfähigkeit des Drahtes zu. Die spezifische, elektrische Leitfähigkeit beträgt nach 9 h Glühdauer 39 MS/m. Mit metallographischen Untersuchungen und durch vergleichende Leitfähigkeitsmessungen an entzunderten Proben und an Proben, bei denen die innenoxidierte Randzone durch Brennen in Salpetersäure entfernt wurde, kann die Leitfähigkeit der Randschicht ermittelt werden. Sie ist 0,07 mm breit, ihre spezifische Leitfähigkeit beträgt 54 MS/m, während der Drahtkern eine spezifische Leitfähigkeit von nur 37 MS/m aufweist.
Die Härte der Randschicht ist signifikant geringer als diejenige im Drahtkern, die durch die Auslagerung eine Härtezunahme erfährt. In der Randschicht liegen vergröberte Eisen-, Eisenphosphid oder Eisenkupfermischoxide vor. Durch Warmaushärten (z. B. bei 500°C) kann die Härte wie auch die spezifische Leitfähigkeit des Drahtkerns angehoben werden. Dies wirkt sich günstig auf die Eigenschaften des gesamten Drahtes aus.
Die Messergebnisse bestätigen, dass eine Wärmebehandlung zu einem weiteren Zuwachs an Härte und elektrischer Leitfähigkeit führen. Während der Wärmebe handlung bei ca. 1000°C bildet sich außer einer gut leitenden Schicht durch innere Oxidation im Drahtkern ein lösungsgeglühter Zustand, der nach Abschrecken und einer Warmauslagerung zu einer Ausscheidungshärtung führt.

1: Verbundhalbzeug
2: Kernbereich
21: innerer Kernbereich
22: äußerer Kernbereich
3: Mantelbereich
4: Rohr

Claims

Verbundhalbzeug (1) aus einer Kupferlegierung, bestehend aus zumindest einem Kern- (2) und einem den Kern- (2) umschließenden Mantelbereich (3), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Bereiche (2, 3) aus einem mittels innerer Oxidation gebildeten Oxid der Legierung oder eines Legierungsbestandteiles besteht und zumindest ein weiterer Bereich nicht oxidiert ist.
Verbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung zumindest eine Komponente enthält, die thermodynamisch ein stabileres Oxid als Cu₂O ausbildet.
Verbundhalbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung ausscheidungsfähig ist.
Verbundhalbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung zumindest eines oder mehrere der Elemente Mg, Al, Si, V, Mn, Zn, P, Co, As, Ni, Ag, Fe, Cr, Zr, Pb, Sb, Cd oder Ti enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aus einer Kupferlegierung, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Glühen des Halbzeugs bei hohen Temperaturen in oxidierender Atmosphäre, – Entfernen der durch den Glühvorgang entstehenden äußeren Deckschicht, – Umformen auf Endmaß.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühung bei einer homologen Temperatur T/T_m von über 0,9 durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug nach dem Glühen bei hohen Temperaturen in oxidierender Atmosphäre rasch auf Raumtemperatur abgeschreckt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Glühen, nach dem Entfernen der Deckschicht oder nach dem Umformschritt eine thermische Nachbehandlung durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug rohrförmig ausgebildet ist und die oxidierende Atmosphäre das Innere des Rohres (4) durchströmt.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug rohrförmig ausgebildet ist und die oxidierende Atmosphäre die über die Außenseite und durch die Innenseite des Rohres (4) strömt.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umformen auf Endmaß der Innendurchmesser des Rohres (4) verringert wird, wodurch sich ein innenoxidierter, im Wesentlichen kompakter Kernbereich (2) ausbildet.
Verwendung des Verbundhalbzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für Steckverbinder, Abhebekontakte oder Drähte.