DE102012014311A1

DE102012014311A1 - Verfahren zur Herstellung eines CuMg-Werkstoffs und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102012014311A1
Application number: DE102012014311.7A
Authority: DE
Inventors: Norbert Jost; Andreas Zilly; Simon Kött
Original assignee: HOCHSCHULE PFORZHEIM
Current assignee: HOCHSCHULE PFORZHEIM
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2014-01-23
Also published as: WO2014012978A3; WO2014012978A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs zur Verwendung als zugfestes elektrisches Leitmaterial, bei dem zunächst ein Gusskörper aus einer Kupferbasislegierung bereitgestellt wird, die aus Magnesium in einem Anteil von 2,0 bis 3,5 Gew.-% und zum Rest Kupfer sowie unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und der Gusskörpers bei einer Temperatur von bis zu 250°C unter Bildung eines verfestigten Formkörpers kaltverfestigt wird. Im Anschluss an die Kaltverfestigung wird der Formkörper zur Bildung des zugfesten Werkstoffs durch Erwärmen auf eine Temperatur im Bereich von 350 bis 500°C unter Bildung von Cu2Mg-Ausscheidungen geglüht. Der so hergestellte Werkstoff kann als elektrisches Leitmaterial, insbesondere als Fahrdraht von elektrifizierten Schienenfahrzeugen, verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs aus einer magnesiumhaltigen Kupferbasislegierung und die Verwendung des so hergestellten Werkstoffs als elektrisches Leitmaterial, insbesondere als Fahrdraht für elektrifizierte Fahrzeuge.
Niedriglegierte Kupferbasislegierungen werden in der Elektrotechnik als Leitmaterial insbesondere für Leitungsdrähte, elektrische Anschlüsse, Steckverbinderstifte, Strom führende Federn sowie Relaisbauteile eingesetzt. Ein besonderer Anwendungsbereich für magnesiumhaltige Kupferlegierungen sind Fahrdrähte für elektrifizierte Schienenfahrzeuge. Durch die kontinuierlich steigenden Geschwindigkeiten der Fahrzeuge bestehen hohe Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der für die Fahrdrähte eingesetzten Werkstoffe und insbesondere deren Zugfestigkeit.
Die bisher für Fahrdrähte eingesetzten Kupfer-Magnesium-Legierungen enthalten üblicherweise Magnesium in einem Anteil von 0,2 bis 0,8 Gew.-% und werden produktionsseitig so eingestellt, dass die Legierungen innerhalb des homogenen α-Mischkristallbereichs liegen, in dem ein einphasiger, gleichmäßig zusammengesetzter Mischkristall vorliegt. In einem Artikel von H. Ullwer, M. Linke und L. Pangert, „Technologische Betrachtungen zur kontinuierlichen Fertigung von Cu-Mg-Leitbronzedraht", Metall 45 (1991), Heft 11, Seiten 1120 bis 1123, ist ein Verfahren zum Stranggießen einer solchen Kupfer-Magnesium-Legierung beschrieben.
Nach dem thermodynamischen Gleichgewichtsdiagramm beträgt die maximale Löslichkeitsgrenze von Magnesium in Kupfer bei einer Temperatur von 726°C etwa 2,77 Gew.-%. Bei einer Abkühlung auf 200°C sinkt die Löslichkeit auf etwa 0,8 Gew.-% ab. Für niedrig legierte Kupferlegierungen mit Magnesiumgehalten von unter 0,8 Gew.-% können wegen der fast vollständigen Löslichkeit des Magnesiums in der Kupfermatrix Festigkeitssteigerungen nur durch Mischkristallverfestigung und durch Kaltverfestigung erreicht werden. Die durch die Kaltverfestigung induzierten Gitterfehler beeinträchtigen jedoch die elektrische Leitfähigkeit. Da mit steigendem Magnesiumgehalt zwar die Festigkeit der Legierungen ansteigt, aber gleichzeitig die Leitfähigkeit abnimmt, wird bei dieser Anwendung ein relativ geringer Magnesiumanteil eingesetzt, um der Leitfähigkeitsreduktion durch Kaltverfestigung entgegenzuwirken.
Ausscheidungsfähige Kupfer-Magnesium-Legierungen sind in einem Artikel von O. Dahl „Über die Struktur und die Vergütbarkeit der Cu-reichen Cu-Mg- und Cu-Mg-Sn-Legierungen", Wissenschaftliche Veröffentlichungen Siemenswerken 6 (1927), Seite 222 bis 234, beschrieben. Untersucht wurden Kupferlegierungen mit einem Magnesiumanteil von 0,5 bis 3,5 Gew.-%, die homogenisiert und anschließend vergütet wurden. Durch das Vergüten kann in Abhängigkeit vom Magnesiumgehalt sowie von der Temperatur und der Anlassdauer ein Anstieg der Brinellhärte und der Leitfähigkeit erreicht werden.
Aus der EP 1 759 026 B1 sind Kupferlegierungen mit einem Magnesiumanteil von 2,9 bis 4,0 Gew.-%, 0,005 bis 1,3 Gew.-% Si und/oder Al sowie wahlweise weiteren Legierungsbestandteilen bekannt. Diese Kupferlegierungen werden als korrosionsbeständige Werkstoffe verwendet.
Die DE 10 2007 015 442 A1 beschreibt korrosionsbeständige Kupferlegierungen mit 0,7 bis 2,8 Gew.-% Magnesium, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Chrom und wahlweise Anteilen von Ag, Cr, P, Ti und Pb, sowie zum Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen. Auch diese Kupferlegierungen werden als korrosionsbeständige Werkstoffe beschrieben, deren mechanischen Eigenschaften durch Anlassen im Temperaturbereich von 300 bis 500°C verändert werden können.
Gegenüber diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe, einen als elektrisches Leitmaterial verwendbaren Werkstoff bereitzustellen, der kostengünstig herstellbar ist und eine möglichst hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig guter elektrischer Leitfähigkeit aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben, die wahlweise miteinander kombiniert werden können.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlicher Werkstoff gemäß Anspruch 11 und die Verwendung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffs als elektrisches Leitmaterial, insbesondere als Fahrdraht für elektrifizierte Fahrzeuge wie beispielsweise Schienenfahrzeuge.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einer Kupferbasislegierung aus, die Magnesium in einem Anteil von 2,0 bis 3,5 Gew.-% enthält und zum Rest aus Kupfer sowie unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Der Magnesiumanteil in der Kupferbasislegierung ist so gewählt, dass eine im festen Zustand ausscheidungsfähige Legierung entsteht. Dazu muss der Magnesiumanteil über der maximalen Löslichkeit von Magnesium in der Kupfermatrix bei der jeweiligen Ausscheidungstemperatur liegen. Die aus einer Cu₂Mg-Phase bestehenden Ausscheidungen bewirken eine deutliche Steigerung der mechanischen Festigkeit. Andererseits wird die elektrische Leitfähigkeit gegenüber reinem Kupfer durch die Ausscheidungen nicht so stark reduziert wie durch die in Mischkristallphase vorliegenden Legierungselemente.
Der Magnesiumanteil in der Kupferbasislegierung sollte erfindungsgemäß mindestens 2,0 Gew.-% betragen. Unterhalb dieses Magnesiumanteils tritt keine Steigerung der mechanischen Festigkeit in der gewünschten Größenordnung ein.
Bei einem Magnesiumanteil über der maximalen Löslichkeitsgrenze von 2,77 Gew.-% bilden sich im Gusskörper bereits Kristallite aus der spröden Cu₂Mg-Phase. Bis zu einem Anteil von etwa 3,5 Gew.-% liegen diese Kristallite in diskontinuierlicher Phase vor und stören die weitere Vergütung der Kupferlegierung nicht. Bei Überschreiten dieses Anteils kann dagegen eine Verschlechterung der mechanischen Festigkeit der Legierungen eintreten. Der Magnesiumanteil in der Kupferbasislegierung beträgt daher erfindungsgemäß höchstens 3,5 Gew.-%.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Magnesiumanteil möglichst nahe an oder knapp unter der maximalen Löslichkeitsgrenze von 2,77 Gew.-%, und beträgt besonders bevorzugt von 2,5 bis 3,0 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 2,5 bis 2,7 Gew.-%.
Der Gusskörper aus der magnesiumhaltigen Kupferbasislegierung wird vorzugsweise im Stranggussverfahren hergestellt. Dieses Verfahren ist schon zur Herstellung von Fahrdrähten aus konventionellen Cu-Mg-Legierungen bewährt.
Das Gießen der erfindungsgemäßen Kupferbasislegierung erfolgt vorzugsweise unter Stickstoffatmosphäre. Damit kann eine Oxidation des Magnesiums verhindert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Gusskörper nach dem Gussvorgang und vor der anschließenden Kaltverfestigung durch eine thermomechanische Behandlung homogenisiert.
Die Homogenisierung erfolgt vorzugsweise durch Lösungsglühen nahe der für die maximalen Löslichkeitsgrenze bestimmten Temperatur während einer vorbestimmten Glühdauer sowie anschließendes Warmwalzen, Rekristallisationsglühen und Abschrecken des homogenisierten Gusskörpers mit Wasser.
Bevorzugt wird die Homogenisierung bei einer Temperatur von etwa 700 bis 750°C durchgeführt. Die Glühdauer während des Lösungsglühens beträgt vorzugsweise etwa 0,5 bis 1 Stunde. Das Warmwalzen kann in mehreren Durchgängen erfolgen, wobei der Werkstoff zwischen den einzelnen Walzstichen jeweils auf die gewünschte Homogenisierungstemperatur erwärmt wird. Die Haltezeit während des Rekristallisationsglühens beträgt in Abhängigkeit von der Probengeometrie etwa 0,5 bis 2 Stunden.
Die Homogenisierungsbehandlung führt zu einem feinkörnigen Gefüge mit gleichmäßig verteilter Mischkristallphase, das weitgehend frei von Versetzungen ist.
Im Anschluss an die Herstellung des Gusskörpers aus der Kupferbasislegierung wird erfindungsgemäß eine Kaltverfestigung des wahlweise homogenisierten Gusskörpers bei einer Temperatur von bis zu 250°C unter Bildung eines verfestigten Formkörpers durchgeführt. Die Kaltverfestigung dient dazu, die Zugfestigkeit des Werkstoffs durch Einbringen von im Wesentlichen homogen im verfestigten Formkörper verteilten Versetzungen zu erhöhen. Gleichzeitig sollen die homogen eingebrachten Versetzungen als spätere Keimstellen für die Ausscheidungsphase zur Verfügung stehen.
Die Durchführung der Kaltverfestigung kann nach grundsätzlich im Stand der Technik bekannten Umformverfahren wie Kaltdrahtziehen oder Kaltwalzen erfolgen. Für die Herstellung von Fahrdrähten ist eine Kaltverfestigung auf Drahtziehmaschinen oder Drahtwalzmaschinen bevorzugt.
Der für die Kaltverfestigung zu wählende logarithmische Umformgrad ist abhängig von der jeweils eingesetzten Probengeometrie und wird im Hinblick auf die jeweilige Anwendung der Kupferlegierung so zu bestimmen sein, dass eine größtmögliche Steigerung der Zugfestigkeit erreicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kaltverfestigung mit einem logarithmischen Umformgrad φ_h von mindestens 0,7, bevorzugt mindestens 2,0 und besonders bevorzugt 2,0 bis 2,5 ausgeführt.
Für die Anwendung als Fahrdraht kann die Kaltverfestigung in mehreren Durchgängen mit einer Querschnittsreduktion von mindestens 50%, vorzugsweise 65 bis 90% durchgeführt werden.
Durch die Kaltverfestigung des Gusskörpers tritt eine erhebliche Steigerung der Zugfestigkeit im Vergleich zu dem homogenisierten Gusskörper ein. Vorzugsweise liegt die Steigerung der Zugfähigkeit im Bereich über 100%, besonders bevorzugt bei 200 bis 300%, bezogen auf die Zugfestigkeit des homogenisierten Gusskörpers. Die Leitfähigkeit des Werkstoffs wird durch die über die Kaltverfestigung in die Kupfermatrix eingebrachten Versetzungen nur geringfügig herabgesetzt.
Nach der Kaltverfestigung wird der so erhaltene verfestigte Formkörper erfindungsgemäß einer Wärmebehandlung durch Ausscheidungsglühen unterzogen. Dazu wird der verfestigte Formkörper durch Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 500°C unter Bildung von Cu₂Mg-Ausscheidungen wärmebehandelt.
Die Bildung der Cu₂Mg-Ausscheidungen bewirkt, dass die Leitfähigkeit des Werkstoffs überraschend deutlich, um mindestens 50%, vorzugsweise bis zu 60%, bezogen auf den verfestigten Formkörper, zunimmt. Diese deutliche Zunahme der Leitfähigkeit kann damit erklärt werden, dass durch die Bildung der Cu₂Mg-Ausscheidungen der Magnesiumanteil in der Kupfermatrix herabgesetzt wird. Darüber hinaus wirken die zuvor durch die Kaltverfestigung in den Formkörper eingebrachten Versetzungen wie Kristallisationskeime, so dass die Cu₂Mg-Ausscheidungen im erfindungsgemäßen Werkstoff äußerst feinkörnig und diskontinuierlich verteilt vorliegen.
Vorzugsweise erfolgt das Ausscheidungsglühen bei einer Temperatur zwischen 350 bis 430°C, und ganz besonders bevorzugt etwa bei der Erholungstemperatur (T_E = 0,4 × Schmelztemperatur) der jeweiligen Legierung. Eine zu niedrige Glühtemperatur erfordert wegen der langsamen Diffusionsvorgänge zu lange Behandlungszeiten. Eine zu hohe Glühtemperatur kann dazu führen, dass durch Kristallwachstumsvorgänge eine Bildung von grobkörnigen Cu₂Mg-Ausscheidungen in kontinuierlicher Phase auftritt und die Festigkeit des Werkstoffs abnimmt.
Durch das Ausscheidungsglühen werden die zuvor durch die Kaltverfestigung eingebrachten Versetzungen teilweise abgebaut. Die damit verbundene Abnahme der Zugfestigkeit wird durch die Bildung eines hohen Volumens von feinkörnigen und diskontinuierlich verteilten Cu₂Mg-Ausscheidungen ohne Änderung der Gefügestruktur größtenteils kompensiert. Damit bleibt der Werkstoff trotz der Wärmebehandlung nach Kaltverfestigung hoch zugfest und erhält gleichzeitig eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit und eine im Vergleich zum kaltverfestigten Werkstoff verbesserte Bruchdehnung.
Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der angegebenen Reihenfolge der Verfahrensschritte wesentlich für das Bereitstellen eines Leiterwerkstoffs mit hoher Zugfestigkeit und gleichzeitig guter Leitfähigkeit ist. Wird dagegen die Kaltverfestigung im Anschluss an eine Ausscheidungshärtung durchgeführt, bildet sich zunächst die spröde Ausscheidungsphase Cu₂Mg, die bei einer nachfolgenden Kaltumformung bereits ab einem mittleren Umformgrad zu einer Überschreitung der Grenzformänderung führt. Dies zeigt sich an der Ausbildung von Rissen im Werkstoff und an einem hohen Rückgang der Duktilität. Außerdem führt eine Ausscheidungsbehandlung des wahlweise homogenisierten Gusskörpers, vor der Kaltverfestigung, nur zu einer Leitfähigkeitserhöhung von etwa 5%, da die ausgeschiedene Cu₂Mg-Phase in diesem Fall relativ grobkörnig und bevorzugt an den Korngrenzen des α-Mischkristalls vorliegt und das Ausscheidungsvolumen insgesamt niedriger ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einem hoch zugfesten Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit. Vorzugsweise weist der Werkstoff eine Härte (HV1) von mindestens 160, eine Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa, besonders bevorzugt mindestens 650 MPa, und eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 30 MS/m auf.
Unter Verwendung einer Kupferbasislegierung mit einem Magnesiumanteil von 2,5 Gew.-% konnte durch die erfindungsgemäße Kombination einer Kaltverfestigung mit einem Umformgrad von φ_h = 2,1 und daran anschließendem Ausscheidungsglühen bei 400°C während 8 Stunden eine Zugfestigkeit R_m von 654 MPa und einer Leitfähigkeit von 32 MS/m hergestellt werden. Gegenüber einem handelsüblichen Material für elektrische Fahrdrähte aus einer CuMg0,5-Standardlegierung (Valcond^® von nkt cables GmbH) bedeutet dies eine Steigerung der Zugfestigkeit von über 25% bei nur etwas geringerer Leitfähigkeit.
Die Verwendung von Gusskörpern mit höheren Ausgangsquerschnitten und die Kaltverfestigung der Gusskörper mit höheren Umformgraden lässt eine weitere Steigerung der Zugfestigkeit erwarten.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffe können mit Vorteil als elektrische Leiterwerkstoffe und insbesondere als Fahrdrähte von elektrifizierten Fahrzeugen verwendet werden.
Bei mit hohen Zugkräften belasteten Leiterwerkstoffen, wie beispielsweise Fahrdrähten von elektrischen Schienenfahrzeugen erlaubt eine Erhöhung der Zugfestigkeit auch eine deutliche Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit. Durch die damit verbundenen Vorteile einer höheren Auslastung von Hochgeschwindigkeitsverkehrsstrecken und den Sicherheitsgewinn bei der Oberleitungsdimensionierung wird die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eintretende Verringerung der Leitfähigkeit deutlich kompensiert. Durch die erhöhte Zugfestigkeit der Leiterwerkstoffe lassen sich zudem bei anderen Anwendungsfällen die Querschnitte reduzieren, was zu einer Material- und damit Gewichtseinsparung führt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll.
Messverfahren
Probenkörper aus den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kupfer-Magnesiumlegierungen wurden mit den im Folgenden angegebenen Verfahren auf ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften untersucht.

a) Härte Die Messung der Härte erfolgte auf einem Kleinlasthärteprüfer nach dem Vickersverfahren (HV1) gemäß DIN EN ISO 6507-1 (1997).
b) Zugfestigkeit Die Zugfestigkeit R_m wurde im Zugversuch gemäß DIN EN 10002 bestimmt. Die Prüfung erfolgte an Flachzugproben in Anlehnung an die Abmessungen der Zugproben Form E nach DIN 50125. Die im Zugversuch verwendete Probengeometrie variierte in Abhängigkeit vom Umformgrad. Die Probendicke lag im Bereich von a = 0,5–2,0 mm, die Probenbreite lag im Bereich von b = 4,0–6,5 mm.
c) Bruchdehnung Die Bestimmung der Bruchdehnung erfolgte ebenfalls an den Flachproben im vorgenannten Zugversuch nach DIN EN 10002. Zur Ermittlung der Bruchdehnung A₅ wurde Die Anfangsmesslänge L₀ gemäß der Verwendung von proportionalen Proben mit
bestimmt. S₀ bezeichnet den Anfangsquerschnitt der Probe. Die Anfangsmesslänge L₀ betrug danach, abhängig vom Umformgrad, zwischen 10 und 16 mm.
d) Leitfähigkeit Die Bestimmung der Leitfähigkeit erfolgte mit einem Leitfähigkeitsmessgerät Sigmascope SMP10 der Firma Helmut Fischer nach dem Wirbelstromverfahren gemäß DIN EN 2004-1 bzw. ASTM E1004.

Herstellung von Gusskörpern aus einer CuMg-Legierung
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kupfer-Magnesiumlegierungen wurde Kathoden-Kupfer mit einem Reinheitsgrad von 99,99% und Reinmagnesium verwendet. In einer Vakuum-Stranggießanlage VC400 V der Firma Indutherm wurde das Probenmaterial induktiv unter Stickstoffatmosphäre in einem Graphittiegel aufgeschmolzen. Nach dem Öffnen des Verschlusses am Tiegelboden gelangte die Schmelze in eine Graphitkokille mit einer Ummantelung aus wassergekühltem Kupfer. Ein in der Kokille befindlicher Ziehstab aus Stahl diente als Abdichtung und wurde nach dem Anhaften der erstarrten Schmelze abgezogen. Dadurch entstand ein kontinuierlicher Draht mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 2.500 mm.
Es wurden Probenkörper mit verschiedenen Legierungsanteilen von 2,5 bis 3,5 Gew.-% Magnesium hergestellt.
Homogenisierungsbehandlung
Zur Homogenisierung des Gussgefüges wurden die Probenkörper 20 Minuten lang bei einer Temperatur im Bereich der maximalen Löslichkeit von 700 bis 730°C erwärmt. Danach wurden die Proben in einem Flachwalzprozess mit jeweils vier Walzstichen bis auf eine Endhöhe von 4 mm gewalzt. Zwischen jedem Walzstich erfolgte eine Zwischenerwärmung im Muffelofen bei Ausgangstemperatur. Anschließend wurden die Proben 1 Stunde lang im Ofen bei 730°C gehalten und danach in Wasser abgeschreckt.
Die auf diese Weise erhaltenen homogenisierten Gusskörper einer CuMg2,5-Legierung hatten eine Zugfestigkeit von 320 MPa und eine Härte (HV1) von ca. 85. Die elektrische Leitfähigkeit betrug etwa 20 MS/m.
Kaltverfestigung
Die homogenisierten Probenkörper wurden einer Kaltverfestigung durch Kaltumformen mit logarithmischen Umformgraden φ_h von 0,7 bis 2,1 unterzogen. Das Kaltumformen erfolgte in mehreren Durchgängen auf einem Duo-Flachwalzgerüst mit zwei angetriebenen Arbeitswalzen.
Nach der Kaltumformung mit einem Umformgrad von φ_h = 2,1 hatten die Probenkörper eine Dicke von 0,5 mm. Die so hergestellten Proben aus der CuMg2,5-Legierung wiesen eine Härte (HV1) von 250 und eine Zugfestigkeit von 840 MPa auf. Die Leitfähigkeit bei 20°C betrug etwa 20 MS/m und blieb gegenüber der Homogenisierungsbehandlung im Wesentlichen unverändert.
Ausscheidungsglühen
Die durch Kaltumformen verfestigten Probenkörper wurden bei Temperaturen zwischen 350°C und 500°C bis zu 72 Stunden lang isotherm geglüht. Gute Ergebnisse wurden mit einer Wärmebehandlung bei 400°C während 8 Stunden erzielt.
Die Zugfestigkeit des vorverfestigten Werkstoffs sinkt temperaturbedingt infolge der Ausscheidungsglühung ab, während die Bruchdehnung ansteigt und gleichzeitig die Leitfähigkeit überproportional zunimmt.
Die an einem Probenkörper aus einer CuMg2,5-Legierung nach 8 Stunden bei 400°C erzielten Werte für die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung und die Leitfähigkeit sind in der folgenden Tabelle 1 einer Standardlegierung CuMg0,5 eines Herstellers für Bahnleitmaterial (Valcond^® von nkt Cables) gegenübergestellt. Die Zugprobe aus der CuMg2,5-Legierung hatte eine Probendicke a = 0,5 mm, eine Breite b = 6,5 mm und eine Anfangsmesslänge L₀ = 10 mm. Tabelle 1

Standardlegierung CuMg0,5 (120 mm²) CuMg2,5 (φ_h = 2,1)

Härte HV1 107 192

Leitfähigkeit MS/m 36 32

Zugfestigkeit R_m MPa 490 654

Bruchdehnung A % 3–10 (A₂₀₀) 5,5 (A₅)
Trotz des deutlich höheren Legierungsanteils weist die erfindungsgemäß hergestellte CuMg-Legierung eine nur geringfügig niedrigere Leitfähigkeit als die Standardlegierung auf. Die Zugfestigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Legierung liegt jedoch deutlich höher. Die Bruchdehnung ist aufgrund der unterschiedlichen Indizes nur bedingt vergleichbar.
Die deutlich gesteigerte Zugfestigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Legierungen ermöglicht eine Verwendung als hochbelastbares Leitmaterial, insbesondere in Form von Fahrdrähten für elektrifizierte Schienenfahrzeuge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1759026 B1 [0006]
DE 102007015442 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Ullwer, M. Linke und L. Pangert, „Technologische Betrachtungen zur kontinuierlichen Fertigung von Cu-Mg-Leitbronzedraht”, Metall 45 (1991), Heft 11, Seiten 1120 bis 1123 [0003]
O. Dahl „Über die Struktur und die Vergütbarkeit der Cu-reichen Cu-Mg- und Cu-Mg-Sn-Legierungen”, Wissenschaftliche Veröffentlichungen Siemenswerken 6 (1927), Seite 222 bis 234 [0005]
DIN EN ISO 6507-1 [0040]
DIN EN 10002 [0040]
DIN 50125 [0040]
DIN EN 10002 [0040]
DIN EN 2004-1 [0040]
ASTM E1004 [0040]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs aus einer magnesiumhaltigen Kupferlegierung, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Gusskörpers aus einer Kupferbasislegierung, wobei die Kupferbasislegierung aus Magnesium in einem Anteil von 2,0 bis 3,5 Gew.-% und zum Rest Kupfer sowie unvermeidbaren Verunreinigungen besteht; Kaltverfestigen des Gusskörpers bei einer Temperatur von bis zu 250°C unter Bildung eines verfestigten Formkörpers; und Ausscheidungsglühen des verfestigten Formkörpers zur Bildung des Werkstoffs durch Erwärmen auf eine Temperatur im Bereich von 350 bis 500°C unter Bildung von Cu₂Mg-Ausscheidungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferbasislegierung mit einem Magnesiumanteil von 2,5 bis 3,0 Gew.-%, vorzugweise von 2,5 bis 2,7 Gew.-%, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverfestigung mit einem Umformgrad von mindestens 0,7, vorzugsweise von mindestens 2,0 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kaltverfestigung ein Umformverfahren, vorzugsweise ein Drahtwalzverfahren oder ein Drahtziehverfahren, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausscheidungsglühen unter Bildung von diskontinuierlichen Cu₂Mg-Ausscheidungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausscheidungsglühen bei einer Temperatur von 350 bis 430°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusskörper vor der Kaltverfestigung homogenisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierung ein Erwärmen auf eine Temperatur von 700 bis 750°C und Warmwalzen des Gusskörpers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Härte (HV1) von mindestens 160, eine Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 30 MS/m aufweist
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit mindestens 650 MPa beträgt.
Werkstoff aus einer magnesiumhaltigen Kupferlegierung zur Verwendung als elektrisches Leitmaterial, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten Werkstoffs als elektrisches Leitmaterial, insbesondere als Fahrdraht für elektrifizierte Fahrzeuge und Schienenfahrzeuge.