DE1090437B

DE1090437B - Process for improving the electrical and mechanical properties of copper-zirconium alloys

Info

Publication number: DE1090437B
Application number: DEN14004A
Authority: DE
Inventors: Allen Webster Hodge; Paul William Nippert
Original assignee: Nippert Electric Products Co
Current assignee: Luvata Ohio Inc
Priority date: 1956-08-14
Filing date: 1957-08-13
Publication date: 1960-10-06

Description

Verfahren zum Verbessern der elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Kupfer-Zirkon-Legierungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupfer-Zirkon-Legierung und ihr Herstellungsverfahren und insbesondere auf eine neuartige Kupfer-Zirkon-Legierung für elektrische Leiter, wie Kommutatoren usw.Process for improving electrical and mechanical properties of copper-zirconium alloys The invention relates to a copper-zirconium alloy and their manufacturing process, and in particular a new type of copper-zirconium alloy for electrical conductors such as commutators etc.

In der Hauptsache schafft das neuartige Verfahren eine verbesserte Kupfer-Zirkon-Legierung, die nicht nur bei höherer Temperatur ausgezeichnete Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit, sondern darüber hinaus die für Kupferlegierungen einzigartige Eigenschaft besitzt, daß sie quer zur Kaltbearbeitungsrichtung höhere Festigkeit als parallel dazu besitzt.In the main, the novel process creates an improved one Copper-zirconium alloy, which not only has excellent strength at higher temperatures and electrical conductivity, but also those for copper alloys Has a unique property that it is higher across the cold working direction Strength than parallel to it.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Verbesserung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften einer Kupfer-Zirkon-Legierung mit einem Zirkongehalt von 0,01 bis 0,15'% wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Legierung 5 bis 60 Minuten lang bei einer Temperatur von 704 bis 1038° C lösungsgeglüht und anschließend in der Weise abgeschreckt und kaltverformt wird, daß sich ihr Querschnitt auf etwa 50% verringert.In the present method to improve the electrical and mechanical properties of a copper-zirconium alloy with a zirconium content from 0.01 to 0.15 '% this is achieved according to the invention in that the alloy Solution heat treated for 5 to 60 minutes at a temperature of 704 to 1038 ° C and is then quenched and cold-worked in such a way that its cross-section reduced to about 50%.

An sich besitzen silberhaltige Kupferlegierungen und Chrom-Kupfer-Legierungen zur Herstellung von bei höheren Temperaturen arbeitenden elektrischen Leitern geeignete, gute elektrische Eigenschaften. Diese Legierungen erhalten aber bei der Kaltbearbeitung quer zur Bearbeitungsrichtung nicht die Festigkeit, die sie parallel zur Bearbeitungsrichtung bekommen und besitzen daher nicht die vorerwähnte, einzigartige physikalische Eigenschaft der Kupfer-Zirkon-Legierung gemäß vorliegender Erfindung. Darüber hinaus ähneln alle bisher bekannten Kupfer-Zirkon-Legierungen, zu denen auch bereits eine Kupferlegierung mit einem Zirkongehalt von 0,13% gehört, die von 940° C abgeschreckt wird, den vorerwähnten silberhaltigen Kupfer- und Chrom-Kupfer-Legierungen insofern, als ihre Festigkeit quer zur Kaltbearbeitungsrichtung nicht größer als parallel dazu ist.Per se, silver-containing copper alloys and chromium-copper alloys have for the production of electrical conductors that work at higher temperatures, good electrical properties. However, these alloys are preserved during cold working perpendicular to the machining direction does not have the same strength as it is parallel to the machining direction get and therefore do not have the aforementioned unique physical property the copper-zirconium alloy according to the present invention. They also resemble all previously known copper-zirconium alloys, including a copper alloy with a zirconium content of 0.13%, which is quenched from 940 ° C, belongs to the aforementioned silver-containing copper and chromium-copper alloys insofar as their strength transverse to the cold working direction is not greater than parallel to it.

Dies liegt vermutlich daran, daß es bisher nicht bekannt war, derartige Legierungen erfindungsgemäß zu glühen und so abzuschrecken und kaltzuverformen, daß sich ihr Querschnitt auf 50% verringert. Abgesehen von dieser erhöhten mechanischen Festigkeit quer zur Walzrichtung, insbesondere gegen scharfe Kerben, zeichnen sich die erfindungsgemäß verbesserten Legierungen durch eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit mit hoher Resistenz gegen Rekristallisation bei höheren Temperaturen aus, die sie unter anderem besonders für Kommutatorsegmente geeignet machen. Das bedeutet, daß ein eingekerbter elektrischer Leiter, beispielsweise ein Kommutatorsegment, aus der Kupfer-Zirkon-Legierung gemäß vorliegender Erfindung durch die Kerben nicht geschwächt wird. Im Gegensatz dazu besitzen gekerbte elektrische Leiter aus silberhaltigem Kupfer oder Chrom-Kupfer-Legierungen eine hohe Kerbempfindlichkeit, so daß solche Leiter bei Vorhandensein von Kerben materiell sehr geschwächt sind.This is presumably because it was not previously known such To anneal alloys according to the invention and so quench and cold work them, that their cross-section is reduced to 50%. Apart from this increased mechanical Strength transversely to the rolling direction, especially against sharp notches, stand out the alloys improved according to the invention due to a very high electrical conductivity with high resistance to recrystallization at higher temperatures, they made make it particularly suitable for commutator segments, among other things. It means that a notched electrical conductor, such as a commutator segment of the copper-zirconium alloy according to the present invention by the notches is weakened. In contrast, have notched electrical conductors made of silver-containing Copper or chromium-copper alloys have a high notch sensitivity, so that such Heads are materially very weakened in the presence of notches.

Daher besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer neuartigen Kupfer-Zirkon-Legierung und eines Herstellungsverfahrens für diese, wobei diese Legierung quer zur Kaltbearbeitungsrichtung fester als in Richtung parallel dazu ist.Therefore, it is an object of the present invention to provide a new type of copper-zirconium alloy and a manufacturing process for this, this alloy being stronger transversely to the cold working direction than in the parallel direction is to.

Ein weiteres Erfindungsziel besteht in der Schaffung einer neuartigen Kupfer-Zirkon-Legierung und eines Herstellungsverfahrens für diese, wobei die Legierung zur Gewinnung von eingekerbten Gegenständen verwendbar ist, die nicht durch das Vorhandensein der Kerben geschwächt sind.Another aim of the invention is to create a novel one Copper-zirconium alloy and a manufacturing process for this, the alloy can be used for the extraction of notched objects that are not affected by the Presence of the notches are weakened.

Noch ein weiteres Erfindungsziel besteht in der Schaffung einer neuartigen Kupfer-Zirkon-Legierung von hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit bei höherer Temperatur und ein neuartiges Herstellungsverfahren für diese Legierung, wobei das Kornwachstum und damit die Korngröße der Legierung ohne wesentliche Minderung der hohen Festigkeit und hohen elektrischen Leitfähigkeit wählbar verändert werden können.Yet another aim of the invention is to create a novel one Copper-zirconium alloy of high strength and high electrical conductivity at higher temperature and a new manufacturing process for this alloy, the grain growth and thus the grain size of the alloy without any significant reduction the high strength and high electrical conductivity can be changed selectively can.

Die Erfindung bezweckt fernerhin die Schaffung eines verbesserten, bei höheren Temperaturen verwendbaren elektrischen Leiters, der durch Kaltbearbeiten gewonnen wird und quer zur Kaltbearbeitungsrichtung fester als in Richtung parallel dazu ist.The invention further aims to provide an improved, usable at higher temperatures electrical conductor that is obtained by cold working and is stronger transversely to the cold working direction than is in the direction parallel to it.

Die Erfindung bezweckt außerdem noch die Schaffung eines verbesserten, bei höherer Temperatur verwendbaren elektrischen Leiters, der mit Kerben versehen, durch diese jedoch nicht geschwächt ist.The invention also aims to provide an improved, electrical conductor that can be used at higher temperatures and is provided with notches, however, it is not weakened by this.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich. In den Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, zeigt Fig. 1 ein Schaubild eines typischen, aus Segmenten aufgebauten Kommutators, dessen sämtliche Segmente aus einem erfindungsgemäß hergestellten elektrischen Leiter bestehen, Fig. 2 ein Schaubild einer ausgewalzten Platte, die aus der neuartigen Kupfer-Zirkon-Legierung gemäß vorliegender Erfindung besteht und nach dem neuen, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist; aus dieser ausgewalzten Platte werden quer zueinander stehende Probestücke ausgeschnitten, wie dies durch gestrichelte Linien angedeutet ist, Fig. 3 ein Schaubild einer ersten Art von Probestücken aus der neuartigen Kupfer-Zirkon-Legierung gemäß vorliegender Erfindung, die aus einer Platte gemäß Fig. 3 herausgeschnitten sind, Fig. 4 ein Schaubild einer zweiten Art von Probestücken aus der neuartigen Kupfer-Zirkon-Legierung gemäß vorliegender Erfindung, die ebenfalls aus einer Platte gemäß Fig. 2 ausgeschnitten worden sind.Further objects and advantages of the invention are from the following Description visible. In the drawings showing a preferred embodiment To illustrate the invention, Figure 1 shows a diagram of a typical segmented segment constructed commutator, all of which segments are made of a manufactured according to the invention electrical conductors, Fig. 2 is a diagram of a rolled plate that consists of the novel copper-zirconium alloy according to the present invention and is produced by the new process according to the invention; rolled out of this Plate are cut out transverse test pieces, as shown by is indicated by dashed lines, Fig. 3 is a diagram of a first type of test piece from the novel copper-zirconium alloy according to the present invention, which consists of of a plate according to FIG. 3 are cut out, FIG. 4 is a diagram of a second Kind of test pieces from the novel copper-zirconium alloy according to the present Invention, which have also been cut out from a plate according to FIG.

Fig. 1 zeigt eine typische Kommutatoranordnung. Viele Jahre hindurch wurde die Entwicklung kleiner Schnelläufermotoren mit Kommutatoren der in Fig. 1 dargestellten Art durch die geringe Festigkeit von Kommutatoren aus praktisch reinem hartgewalztem Kupfer begrenzt. Untersuchungen zeigten, daß die Festigkeit von zähgepoltem Kupfer bei hohen Temperaturen ohne Minderung der elektrischen Leitfähigkeit durch kleine Silberzusätze beträchtlich erhöht werden konnte. Ein Zusatz von 0,0765 bis 0,1071% Silber zu grobkörnigem, hartgewalztem Kupfer erhöhte die Kommutatorfestigkeit für Dauerbetrieb bei 200° C und Kurzbetrieb bis zu 400' C.Fig. 1 shows a typical commutator arrangement. For many years The development of small high-speed motors with commutators of the type shown in FIG. 1 type represented by the low strength of commutators made of practically pure bounded by hard rolled copper. Investigations showed that the strength of tough poled Copper at high temperatures without reducing the electrical conductivity small silver additions could be increased considerably. An addition of 0.0765 to 0.1071% silver over coarse grain hard rolled copper increased commutator strength for continuous operation at 200 ° C and short-term operation up to 400 ° C.

Bis zum zweiten Weltkrieg konnte diese Legierung höhere Temperaturen als das beste, zur Verfügung stehende Isoliermaterial aushalten. Nachdem aber bessere Isoliermaterialien entwickelt worden waren, wurde die Kommutatorentwicklung wieder durch das Weichwerden des Kupfers bei erhöhter Temperatur gehemmt. Es wurde experimentell festgestellt, daß 232° C die höchstzulässige Betriebstemperatur für mit Silber-Kupfer-Kommutatoren ausgerüstete Motore darstellt Dann wurde Chrom-Kupfer untersucht und für Kommutatoren geeignet befunden, die bei oder oberhalb 260° C arbeiten. Die Verwendung dieser Legierung bot aber zahlreiche Probleme. Chrom-Kupfer läßt sich äußerst schwer zu guten, festen Drahtbarren vergießen, und beim Ziehen ist die Ziehringabnutzung infolge der Fäden aus nicht aufgelöstem Chrom und Oxyd äußerst stark.Until the Second World War, this alloy was able to reach higher temperatures endure as the best insulation material available. But after that better Insulation materials had been developed, commutator development was again inhibited by the softening of the copper at elevated temperatures. It got experimental found that 232 ° C is the maximum operating temperature for using silver-copper commutators Represents equipped motors Then chromium-copper was examined and used for commutators found suitable operating at or above 260 ° C. Using this However, alloy presented numerous problems. Chromium-copper is extremely difficult to use shed good, solid wire bar, and pulling ring wear is a result of the pulling process the threads of undissolved chromium and oxide are extremely strong.

Außerdem neigen Kommutatorsegmente aus Chrom-Kupfer bei Vollhitzebetrieb dazu, an den Schwalbenschwänzen einzureißen. Fig. 1 zeigt typische Kommutatorsegmente 20 mit Schwalbenschwänzen 22. Um das Einreißen von Segmenten aus Chrom-Kupfer zu, vermeiden, müssen die Barren geglüht und ihre Härte unter die Brüchigkeitsstufe gesenkt werden. Dieses Verfahren ist sehr kritisch, da hierbei die unter Rekristallisationstemperatur während einer Zeitdauer überschritten werden muß, die für jede Kupfercharge und für jede Barrengröße besonders bestimmt werden muß. Außerdem muß die Barrenhärte vor und nach dem Glühen überwacht werden. Beim Chrom-Kupfer liegen die Ausbeuteverluste sowohl wegen übererweichens als auch wegen schlechtem Ausgangsgusses zwischen 10 und hinauf zu 80°/o des insgesamt verarbeiteten Metalls.In addition, commutator segments made of chrome-copper tend to operate at full heat to tear at the dovetail. Fig. 1 shows typical commutator segments 20 with dovetails 22. To prevent the tearing of segments made of chrome-copper, To avoid, the ingots must be annealed and their hardness below the brittleness level be lowered. This process is very critical because it involves the recrystallization temperature below must be exceeded for a period of time that is necessary for each copper charge and must be specially determined for each ingot size. In addition, the ingot hardness must be monitored before and after annealing. The loss of yield lies in the case of chromium-copper both because of over-softening and because of poor initial casting between 10 and up to 80 per cent of the total metal processed.

Kommutatorsegmente werden durch die Kräfte beansprucht, die durch den Klemm- oder V -Ring 24 (s. Fig.1) und durch die bei der hohen Umlaufgeschwindigkeit entstehenden Zentrifugalkräfte ausgeübt werden. Mit wachsender Temperatur nimmt die Fähigkeit der Segmente ab, diesen Beanspruchungen zu widerstehen. Im Extremfall wird durch die erhöhte Temperatur das Metall deformiert und die Segmente herausgeworfen. Selbst Segmentbewegüngen in der Größenordnung von nur einigen tausendstel Millimeter verursachen aber bereits eine übermäßige Bürstenabnutzung. Wenn das Metall hart bleibt, aber an Festigkeit und Duktilität verliert, können die Segmente einreißen. Ein Fehler an einem einzigen Segment, sei es durch übermäßige Deformation oder durch Einreißen, verursacht aber das vollständige Ausfallen des Motors.Commutator segments are stressed by the forces caused by the clamping or V ring 24 (see Fig. 1) and by the high speed of rotation resulting centrifugal forces are exerted. Increases with increasing temperature the ability of the segments to withstand these stresses. In the extreme the metal is deformed by the increased temperature and the segments are thrown out. Even segment movements on the order of only a few thousandths of a millimeter but already cause excessive brush wear. When the metal is hard remains, but loses strength and ductility, the segments can tear. A failure on a single segment, either through excessive deformation or through Cracking, but causes the engine to fail completely.

Bei umlaufendem Motor verlaufen die durch die Zentrifugalkräfte hervorgerufenen Beanspruchungen quer zu der Richtung, in der das Kommutatorsegment 20 gewalzt wurde. Diese Kaltbearbeitungsrichtung ist in Fig.1 durch den Pfeil 25 schematisch dargestellt. Die Beanspruchungen laufen auch durch den Schwalbenschwanz 22, der einen Teil des Kommutators bildet. Diese Zentrifugalkräfte können durch leichte Verspannungen verstärkt werden, die von den starken Druckkräften herrühren, die vom Verriegelungsring 24 auf die Enden der Segmente 20 ausgeübt werden. Da die thermische Ausdehnung von Kupfer größer als die von Stahl ist, wachsen die Zusammenbau-Druckkräfte mit steigender Temperatur an. Allgemein gesprochen scheinen-Risse in den Segmenten von Chrom-Kupfer-Kommutatoren stets auf Zugfestigkeitsmängeln quer zur Kaltbearbeitungsrichtung zu liegen.When the motor is rotating, the stresses caused by the centrifugal forces run transversely to the direction in which the commutator segment 20 was rolled. This cold working direction is shown schematically in FIG. 1 by the arrow 25. The stresses also pass through the dovetail 22 which forms part of the commutator. These centrifugal forces can be intensified by slight tensions resulting from the strong compressive forces exerted by the locking ring 24 on the ends of the segments 20. Since the thermal expansion of copper is greater than that of steel, the assembly compressive forces increase with increasing temperature. Generally speaking, cracks in the segments of chrome-copper commutators always appear to be due to lack of tensile strength across the cold working direction.

Die neuartige Kupfer-Zirkon-Legierung gemäß vorliegender Erfindung besitzt die vorerwähnten Nachteile nicht und ist daher für die Herstellung von hochwertigeren, bei vergleichsweise hoher Temperatur verwendbaren elektrischen Leitern höchst vorteilhaft. Es wurde gefunden, daß die hochwertigere Legierung gemäß vorliegender Erfindung in folgender Weise hergestellt werden kann. Zunächst werden 0,01 bis 0,150/0 Zirkon in üblicher Weise mit Kupfer als Rest legiert. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes elektrolytisch verfeinertes Kupfer ist in den »ASTM Standards for Electrolytic Copper«, Auflage 1955, Teil 2; Abschnitt B-224-52, als Kupfer mit einer Leitfähigkeit von 10019/o bei 20° C und in Abschnitt B5-43 als 99,900 Kupfer und Silber (Silber als Kupfer gerechnet) mit einem Widerstand von 0,15328 Q/m-g bei 20°C bezeichnet. Selbstverständlich braucht das für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete verfeinerte Kupfer jedoch nicht unbedingt auf elektrolytischem Wege verfeinert zu sein, solange es eine der elektrischen Leitfähigkeit von elektrolytisch verfeinertem Kupfer entsprechende Leitfähigkeit besitzt. Das beim erfindungsgemäßen -Verfahren verwendete Zirkon ist aus handelsüblichem, nach dem Kroll-Verfahren hergestelltem Schwamm, wie er 1957 erhältlich war, hergestellt oder besitzt zumindest den gleichen Reinheitsgrad wie das vorbezeiehnete, nach dem Kroll-Verfahren hergestellte Zirkon. Danach wird die entstandene Legierung zunächst 5 bis 60 Minuten lang bei einer Temperatur von 704 bis 1038° C lösungsgeglüht. Die lösungsgeglühte Legierung wird dann zwecks Erzielung eines schnellen Temperaturabfalls abgeschreckt und danach vorzugsweise so weitgehend kaltgewalzt, daß eine 50%ige Querschnittsverringerung eintritt.The novel copper-zirconium alloy according to the present invention does not have the disadvantages mentioned above and is therefore suitable for the production of higher quality, highly advantageous electrical conductors that can be used at comparatively high temperatures. It has been found that the higher quality alloy of the present invention can be produced in the following manner. First, 0.01 to 0.150 / 0 are zirconia alloyed in the usual way with copper as the remainder. For the implementation of the invention Process suitable electrolytically refined copper is in the »ASTM standards for Electrolytic Copper ", edition 1955, part 2; Section B-224-52, as copper with a conductivity of 10019 / o at 20 ° C and in section B5-43 as 99.900 copper and silver (silver calculated as copper) with a resistance of 0.15328 Q / m-g at 20 ° C. Of course, this is necessary for the implementation of the invention However, refined copper does not necessarily use electrolytic process Ways to be refined as long as there is one of the electrical conductivity of electrolytic has conductivity equivalent to that of refined copper. That with the invention - The zirconium used in the process is made from commercially available, manufactured according to the Kroll process Sponge, as it was available in 1957, manufactured or at least owns the same Degree of purity like the one above, manufactured according to the Kroll process Zircon. Thereafter, the resulting alloy is first kept at one temperature for 5 to 60 minutes Solution annealed from 704 to 1038 ° C. The solution annealed alloy is then used for the purpose Quenched to achieve a rapid drop in temperature and preferably thereafter so largely cold-rolled that a 50% reduction in cross-section occurs.

Eine bevorzugte Zusammensetzung für das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung besteht in einer Legierung, die praktisch 0,08% Zirkon und als Rest Kupfer enthält.A preferred composition for the method of the present invention Invention consists in an alloy that contains practically 0.08% zirconium and the remainder copper contains.

Bei Lösungsglüh-Temperaturen unter 704° C ist die von der Kupfer-Zirkon-Legierung-anschließend entwickelte Festigkeit zu gering; um den Vorteil der Erfindung wirkungsvoll ausnutzen zu können. Die optimale Festigkeitszunahme quer zur Kaltbearbeitungsrichtung wird bei praktisch 760° C erreicht.At solution annealing temperatures below 704 ° C, that of the copper-zirconium alloy is then applied developed strength too low; to effectively exploit the advantage of the invention to be able to. The optimal increase in strength across the cold working direction is reached at practically 760 ° C.

Eine weitere, ungewöhnliche und nutzbringende Besonderheit der erfindungsgemäßen Legierung besteht darin, daß sie innerhalb des früher erwähnten Bereiches von 704 bis 1038° C bei verschiedenen Temperaturen lösungsgeglüht werden kann, so daß man das Kornwachstum zwecks Erzielung der gewünschten Korngröße im Fertiggut wahlweise beeinflußen kann. Es stellte sich heraus, daß beim Lösungsglühen der erfindungsgemäßen Legierung bei den verschiedenen Temperaturen ihre hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit nicht wesentlich beeinflußt werden. Da das Kornwachstum eine Funktion von Zeit und Temperatur ist, kann auch die Zeit bei gegebener Temperatur innerhalb eines weiten Bereichs verändert werden, um ohne wesentliche Beeinflussung der vorerwähnten Eigenschaften das Kornwachstum zu beeinflussen. Nach .Kenntnis der Erfinder gibt es bisher keine andere Legierung auf Kupferbasis, die innerhalb eines Bereiches bei verschiedenen Temperaturen lösungsgeglüht -werden kann. Die -bekannten Kupferlegierungen müssen vielmehr bei einem bestimmten Zeit-Temperatur-Verhältnis behandelt werden, um die gewünschten Festigkeits- und Elektroleitfähigkeitseigenschaften zu erhalten. Daher besteht bezüglich der Korngrößenbeeinflussung keine Anpassungsfähigkeit. Daraus ergibt sich, daß der vorstehend beschriebene Spielraum beim Lösungsglühen der erfindungsgemäßen Legierung insbesondere dann besonders vorteilhaft ist, wenn große Legierungschargen gleichmäßig durcherhitzt werden müssen, weil die inneren Chargenabschnitte allmählich auf die ausgewählte, niedrige Lösungsglühtemperatur von beispielsweise 704 bis 816° C gebracht werden können, ohne daß in den Oberflächenteilen der Charge übermäßige Erhitzung und dadurch bedingt übermäßiges Kornwachstum auftreten.Another, unusual and beneficial feature of the invention The alloy is that it is within the earlier mentioned range of 704 up to 1038 ° C can be solution annealed at different temperatures, so that one grain growth is optional for the purpose of achieving the desired grain size in the finished product can influence. It was found that the solution heat treatment of the invention Alloy at the different temperatures its high strength and high electrical strength Conductivity cannot be significantly affected. Because grain growth is a function of time and temperature, the time at a given temperature can also be within can be varied over a wide range without significantly affecting the aforementioned Properties to influence grain growth. According to the inventor's knowledge So far there has been no other copper based alloy that comes within a range can be solution annealed at different temperatures. The well-known copper alloys must rather be treated at a certain time-temperature ratio, to obtain the desired strength and electroconductivity properties. Therefore, there is no adaptability with regard to influencing the grain size. From it it is found that the latitude described above in the solution treatment of the invention Alloy is particularly advantageous when large batches of alloy must be heated through evenly, because the inner batch sections gradually to the selected, low solution heat treatment temperature of, for example, 704 to 816 ° C can be brought without excessive in the surface parts of the batch Heating and, as a result, excessive grain growth occur.

Es wurde fernerhin gefunden, daß die elektrische Leitfähigkeit der neuartigen Kupfer-Zirkon-Legierung gemäß vorliegender Erfindung auf den hohen Wert von ungefähr 95% der elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer erhöht werden kann. Diese Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit kann dadurch erzielt werden, daß man die Legierung entweder nach dem vorstehend erwähnten Lösungsglühen und Abschrecken oder nach -dem früher erwähnten Kaltbearbeiten altert. Die maximale Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit wird erzielt, wenn die Legierung vorzugsweise zwischen 60 und .120 Minuten -lang bei 232 bis 510° C gealtert wird.It was also found that the electrical conductivity of the novel copper-zirconium alloy according to the present invention to the high value can be increased by approximately 95% of the electrical conductivity of pure copper can. This increase in electrical conductivity can be achieved by that one the alloy after either the aforementioned solution heat treatment and quenching or after the cold working mentioned earlier, it ages. The maximum increase in Electrical conductivity is achieved when the alloy is preferably between Aged for 60 and 120 minutes at 232 to 510 ° C.

Um die Festigkeit der vorliegenden Legierung auszuwerten, wurden sowohl Zugfestgkeits- als auch Kriechbruchteste durchgeführt. Bei den _ Zugtesten wurde das Metall verhältnismäßig schnell auf Bruch belastet, bei dem Kriechbruchtest wurde ein verzögerter Bruch bei kleineren Belastungen herbeigeführt.To evaluate the strength of the present alloy, both Tensile strength and creep rupture tests carried out. In the case of the _ tensile tests the metal was loaded relatively quickly to breakage in the creep rupture test a delayed break caused by smaller loads.

- Da einige, Metalle sehr empfindlich gegen Kerben, zufällige Kratzer oder geformte Kerben, z. B. in Form eines Bolzengewindes sind, wurden für beide Teste sowohl eingekerbte Probestücke 27 (Fig. 4) als auch ungekerbte Probestücke 28 (Fig. 3) verwendet. Für beide Teste wurden die Probestücke sowohl parallel als auch quer zur Walzrichtung herausgeschnitten. Solche quer zueinander angeordnete Probestücke sind in der Fig. 2 mit 28-A und 28-B bezeichnet, wobei sie aus der ausgewalzten Platte 31 ausgeschnitten werden. Die Walz- oder Kaltbearbeitungsrichtung der Platte 31 ist dabei durch den Pfeil 25 dargestellt.- As some, metals very sensitive to nicks, accidental scratches or shaped notches, e.g. B. are in the form of a bolt thread, were for both Test both notched coupons 27 (Figure 4) and unnotched coupons 28 (Fig. 3) is used. For both tests, the specimens were both parallel and also cut out transversely to the rolling direction. Such arranged transversely to one another Test pieces are denoted by 28-A and 28-B in FIG. 2, where they are from the rolled out Plate 31 can be cut out. The direction of rolling or cold working of the plate 31 is represented by arrow 25.

Bei den Bruchtesten wurden die gekerbten Probestücke dazu verwendet, um die Eigenschaften des Metalls anzuzeigen, das für einen Kommutator verwendbar schien.In the breaking tests, the notched specimens were used to to indicate the properties of the metal that can be used for a commutator seemed.

In der der Beschreibung folgenden Tabelle I sind einige mechanische Eigenschaften der vorliegenden, neuartigen Legierung einerseits bei Raumtemperatur und andererseits bei 288° C angegeben. Diese Eigenschaften wurden festgestellt, nachdem die Legierung das zur Erzielung der angegebenen Härte erforderliche Ausmaß von Kaltbearbeitung und Wärmebehandlung erfahren hatte. Im Vergleich dazu wurden in Tabelle II die Eigenschaften von silberhaltigem Kupfer und Chrom-Kupfer üblicher Härtegrade bei 288° C wiedergegeben. Die elektrische Leitfähigkeit der drei Kommutatorlegierungen ist aus Tabelle III ersichtlich.In Table I, which follows the description, there are some mechanical Properties of the present, novel alloy on the one hand at room temperature and on the other hand indicated at 288 ° C. These properties were found after the alloy has reached the extent necessary to achieve the specified hardness had learned about cold working and heat treatment. In comparison, were in Table II the properties of silver-containing copper and chromium-copper are more common Degree of hardness shown at 288 ° C. The electrical conductivity of the three commutator alloys can be seen from Table III.

Die Erweichungstemperatur sowohl von kaltbearbeiteter und gealterter, erfindungsgemäßer Legierung als auch von handelsüblichem Chrom-Kupfer liegt nach 1/2stündiger Behandlung bei ungefähr 500° C. Silberhaltiges Kupfer mit 0,0765% Ag erweicht bei 315 bis 330° C. Im Betrieb sind Kommutatorsegmente für gewöhnlich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt, dagegen können die Belastungszeiten im ganzen beträchtlich länger sein.The softening temperature of both cold worked and aged, alloy according to the invention as well as commercially available chromium-copper is behind 1/2 hour treatment at about 500 ° C. Silver-containing copper with 0.0765% Ag softens at 315 to 330 ° C. In operation, commutator segments are usually lower Exposed to temperatures, on the other hand, the exposure times can be considerable on the whole be longer.

Um die Festigkeit der Kommutatorlegierungen bei verlängerten Belastungszeiten und höherer Temperatur festzustellen, wurden die in Tabelle IV wiedergegebenen Bruchteste durchgeführt. Wie angegeben, sinkt bei allen Legierungen die Bruchfestigkeit bei höherer Temperatur. Silberhaltiges Kupfer, das 100 Stunden und länger auf 288° C gehalten wurde, erlitt Dauerschädigung und verlor viel an Festigkeit. Chrom-Kupfer zeigte große Kerbempfindlichkeit, obwohl es parallel zur Walzrichtung beträchtliche Festigkeit behielt. Quer zur Walzrichtung dagegen war die Bruchfestigkeit ungefähr die des weichgewordenen, silberhaltigen Kupfers. Chroin-Kupfer erlitt keine Dauererweichung.About the strength of the commutator alloys in the event of prolonged loading times and higher temperature were the break tests shown in Table IV carried out. As stated, the breaking strength decreases with all alloys higher temperature. Silver-containing copper that has been heated to 288 ° C for 100 hours and longer was held, suffered permanent damage and lost much of its strength. Chrome-copper showed great notch sensitivity, although it was considerable parallel to the rolling direction Maintained firmness. In contrast to the direction of rolling, the breaking strength was approximate that of the softened, silver-containing copper. Chroin copper did not suffer from permanent softening.

Ganz andere Ergebnisse wurden demgegenüber mit der Kupfer-Zirkon-Legierung gemäß vorliegender Erfindung erzielt. Erstens festigten .die Kerben die Kupfer-Zirkon-Legierungsprobestücke, gleichgültig, ob sie quer oder längs belastet wurden, zweitens waren quer zur Walzrichtung belastete Probestücke fester als entsprechende, parallel zur Walzrichtung belastete Exemplare. Nichtgekerbte Probestücke behielten nach 500stündiger -Belastung in Längsrichtung bei 288° C 76% ihrer ursprünglichen Zugfestigkeit. Unter allen Belastungsbedingungen waren sie noch fester.Completely different results were obtained with the copper-zirconium alloy achieved according to the present invention. First, the notches strengthened the copper-zirconium alloy specimens, It does not matter whether they were loaded transversely or longitudinally, secondly, they were transverse to the rolling direction loaded test pieces more firmly than corresponding, loaded parallel to the rolling direction Copies. Unnotched specimens retained after 500 hours of exposure in the longitudinal direction at 288 ° C 76% of its original tensile strength. Under all load conditions they were even firmer.

Es wurde auch festgestellt, daß der Zeitfaktor der Festigkeitsminderung bei der erfindungsgemäßen Legierung wesentlich niedriger als bei den beiden anderen Legierungen war.It was also found that the time factor is the strength degradation significantly lower for the alloy according to the invention than for the other two Alloys was.

Eine weitere Eigenschaft von besonderer Wichtigkeit bei einer Kommutatorlegierung besteht in der Fähigkeit, einen Kommutationsfilm zu entwickeln und aufrechtzuerhalten. Kommutationsuntersuchungen zeigten, daß die Bürstenlebensdauer sowohl auf Meereshöhe als auch in großen Höhen bei aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Kommutatoren zumindest gleich der Bürstenlebensdauer bei ähnlichen Kommutatoren aus silberhaltigem Kupfer oder Chrom-Kupfer ist. Tabelle I Typische mechanische Eigenschaften der erfindungs- gemäß hergestellten Zirkon-Kupfer-Legierung 24°C 288°C Parallel zur Walzrichtung - genommene Probestücke . Rockwell-B-Härte ...... 64 Zugfestigkeit (kg/cm2) ... 3761 2953 Fließfestigkeit bei 0,2% Verbiegung (offset) (kg/cm,) . . . . . . . . . . . . . 3550 2812 Proportionalitätsgrenze (kg/cm') ............. 1335 Elastizitätsmodul (kg/cm2) ............. 1314700 Dehnung auf 50,8 mm (l/o) 10,6 7,5 Querzusammenziehung (0/0) ................. 54,3 Quer zur Walzrichtung ge- nommene Probestücke Rockwell-B-Härte ....... 66 Zugfestigkeit (kg/cm2) ... 3093 Fließfestigkeit bei 0,2% Verbiegung (kg/cm2) .. 2918 Dehnung auf 50,8 mm (0%) 6,5 Tabelle II Typische mechanische Eigenschaften von silber- haltigem Kupfer und Chrom-Kupfer bei 288' C Silberhaltiges Chrom - Kupfer Kupfer Rockwell-B-Härte bei Zimmertemperatur ... 61 82 Parallel zur Walzrichtung Zugfestigkeit (kg/em2) ... 2461 3515 Fließfestigkeit bei 0,2% Verbiegung (kg/em2) . . 1969 3234 Dehnung auf 50,8 mm (%) 12 7 Querzusammenziehung (°/o) ................. 42,5 4 Quer zur Walzrichtung Zugfestigkeit (kg/cm2) ... 2531 3304 Fließfestigkeit bei 0,2% Verbiegung (kg/cm2) .. 2180 2883 Dehnung auf 50,8 mm (%) 8 3 Querzusammenziehung (0/0) ................. 25,5 6 Tabelle III Elektrische Leitfähigkeit von Kupferlegierungen bei 20' C Internationales, geglühtes Standardkupfer .. 100,0% Silberhaltiges Kupfer, Rockwell 61 B ....... 97,00% Zirkon-Kupfer-Legierung gemäß Erfindung, Rockwell68B ....... . .................. 95,80/0 Chrom-Kupfer, Rockweh 82B ........... 82;0% Tabelle IV Typische Bruchfestigkeiten von Kommutatorlegierungen bei 288' C Nach 100 Stunden Nach 500 Stunden (kg/cm') (kg/c-)) ungekerbt I gekerbt ungekerbt I gekerbt Parallel zur Walzrichtung Zirkon-Kupfer-Legierung gemäß Erfindung .... 2390 2633 2250 2492 Chrom-Kupfer ............................. 2531 1969 2281 1649 Silberhaltiges Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1227 1086 735 2) Quer zur Walzrichtung Zirkon-Kupfer-Legierung gemäß Erfindung .... 2672 2914 2563 2703 Chrom-Kupfer ............................. 1297 1195 914 844 Silberhaltiges Kupfer ................... . ..... 1406 1086 984 3) Bemerkungen: - - ') Die Werte für 500 Stunden sind aus bis zu 350 Stunden laufenden Versuchen extrapoliert. `) Bruchfestigkeit nach 210 Stunden ungefähr 703 kg/cm` und rapid abnehmend. ') Bruchfestigkeit nach 300 Stunden ungefähr 703 kg/cm' und rapid abnehmend. Die Bruchfestigkeit von ungekerbtem, silberhaltigem Kupfer nach 500 Stunden ist nur geschätzt. Die bei den gekerbten Probestücken sehr bemerkliche Rekristallisation und Erweichung des Metalls dürften die scheinbaren Werte höher als die wahren Werte werden lassen. Obwohl die Erfindung in der vorstehenden Beschreibung in einer bevorzugten Ausführungsform erläutert worden ist, muß verstanden werden, daß auch andere Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfanges der nachstehenden Patentansprüche gewählt werden können.Another property of particular importance in a commutator alloy is the ability to develop and maintain a commutation film. Commutation studies have shown that the brush life both at sea level and at great heights in commutators made from the alloy according to the invention is at least equal to the brush life in similar commutators made of silver-containing copper or chromium-copper. Table I. Typical mechanical properties of the invention prepared according to the n Z i r k o n-K up fer alloy 24 ° C 288 ° C Parallel to the rolling direction - specimens taken . Rockwell B hardness ...... 64 Tensile strength (kg / cm2) ... 3761 2953 Yield strength at 0.2% Deflection (offset) (kg / cm,) . . . . . . . . . . . . . 3550 2812 Proportional limit (kg / cm ') ............. 1335 modulus of elasticity (kg / cm2) ............. 1314700 Elongation to 50.8 mm (l / o) 10.6 7.5 Transverse contraction (0/0) ................. 54.3 Across the rolling direction specimens taken Rockwell B hardness ....... 66 Tensile strength (kg / cm2) ... 3093 Yield strength at 0.2% Deflection (kg / cm2) .. 2918 Elongation to 50.8 mm (0%) 6.5 Table II Typical mechanical properties of silver containing copper and chromium-copper at 288 ° C Chromium containing silver - Copper copper Rockwell B hardness at room temperature ... 61 82 Parallel to the rolling direction Tensile strength (kg / em2) ... 2461 3515 Yield strength at 0.2% Deflection (kg / em2). . 1969 3234 Elongation to 50.8 mm (%) 12 7 Transverse contraction (° / o) ................. 42.5 4 At right angles to the rolling direction Tensile strength (kg / cm2) ... 2531 3304 Yield strength at 0.2% Deflection (kg / cm2) .. 2180 2883 Elongation to 50.8 mm (%) 8 3 Transverse contraction (0/0) ................. 25.5 6 Table III Electrical conductivity of copper alloys at 20 'C International, annealed standard copper .. 100.0% Silver-containing copper, Rockwell 61 B ....... 97.00% Zirconium-copper alloy according to the invention, Rockwell68B ........ .................. 95.80 / 0 Chrome-copper, Rockweh 82B ........... 82; 0% Table IV Typical breaking strengths of commutator alloys at 288 ° C After 100 hours After 500 hours (kg / cm ') (kg / c-)) Notched I Notched Not Notched I Notched Parallel to the rolling direction Zirconium-copper alloy according to the invention .... 2390 2633 2250 2492 Chromium-copper ............................. 2531 1969 2281 1649 Silver-containing copper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1227 1086 735 2) At right angles to the rolling direction Zirconium-copper alloy according to the invention ... 2672 2914 2563 2703 Chromium-copper ............................. 1297 1195 914 844 Silver-containing copper .................... ..... 1406 1086 984 3) Remarks: - - ') The values for 500 hours are extrapolated from experiments running up to 350 hours. `) Breaking strength after 210 hours about 703 kg / cm` and rapidly decreasing. ') Breaking strength after 300 hours about 703 kg / cm' and rapidly decreasing. The breaking strength of unnotched, silver-containing Copper after 500 hours is only estimated. The very noticeable recrystallization and softening of the notched specimens of the metal should make the apparent values higher than the true values. Although the invention has been explained in a preferred embodiment in the above description, it must be understood that other embodiments can also be selected within the scope of the following patent claims.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Method of improving electrical and mechanical properties of a copper-zirconium alloy with a zirconium content from 0.01 to 0.15%, characterized in that the Alloy 5 solution annealed for up to 60 minutes at a temperature of 704 to 1038 ° C and is then quenched and cold-worked in such a way that its cross-section reduced to about 50%.

2. The method according to claim 1, characterized in that the alloy is solution annealed at a temperature of practically 760 ° C.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the alloy is practical Contains 0.08% zirconium and copper as the remainder.

4. Method according to one of the preceding Claims, characterized in that the alloy after the cold working at aged at a temperature of 232 ° C.

5. The method according to claim 4, characterized characterized in that the alloy is aged for 60 to 120 minutes. Into consideration printed publications: Zeitschrift für Metallkunde, Vol. 39/1948; Pp. 173/174.