DE1758119C3

DE1758119C3 - Verwendung von Kupferlegierungen für Gegenstände mit gleichzeitiger hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE1758119C3
Application number: DE19681758119
Authority: DE
Inventors: Charles D. Alton Ill. Mclain (V.St.A.)
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1967-06-26
Filing date: 1968-04-05
Publication date: 1978-05-11
Also published as: FR1569525A; GB1188426A; DE1758119A1; DE1758119B2

Description

F.s wurden bereits zahlreiche Legierungssätze empfohlen, um die Festigkeitscigenschaften von Kupfer /u erhöhen, wobei jedoch die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers meistens erheblich vermindert wird. Fs wäre daher sehr erwünscht, Kupferlegierungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig erhöhter Festigkeit zur Verfügung zu haben, um solche Legierungen für Gegenstände zu verwenden, bei denen es entscheidend auf entsprechend verbesserte Eigenschaftskombinationen ankommt.

Aus der USA.-Patentschrift 3 039 867 sind zwar Kupferlegierungen mit hoher elektrischer IACS-Lcitfühigkuit (International Standard for Annealed Copper) und erhöhter Zugfestigkeit bekannt, doch haben diese in der Praxis noch nicht völlig befriedigen können, insbesondere bezüglich der Festigkeitseigenschaften.

Diese bekannten legierungen enthalten 2,0 bis 3,0 " Ii Eisen, höchstens 0,04 ⁰Zo Phosphor, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen. Legierungen der bevorzugten Zusammensetzung können eine IACS-Leitfähigkeit von etwa 70 "u und gleichzeitig eine Zugfestigkeit von 35,15 kp'min- aufweisen. Diese Legierungen werden vorzugsweise /u Knüppeln üblicher Gtülie sergossen und auf übliche Stärken herunteigewalzt. Hereits durch Warmformgebung läßt sich das f-iscn in Kupfer lösen. Nach der Warmformgebung kann man den Knüppel einer Losuiigsglüluing unterwerfen, lliciaiil kann man die Legierung /ur ihöliung iluer elektrischen I cilfiihinkcit bei niedrigerer Temperatur glühen. Schließlich wird die Legierung durch Kaltwalzen oder -ziehen auf die Endstärke heruntergebracht.

Dieser Verbindungstyp ist im »1966 Book of ASTM-Standards«, Teil 5, S. 733, als Legierung Nr. 194 aufgeführt und gibt die entsprechenden Muß-Komponenten in Form von Zahlenbereichen wieder, welche in denjenigen Bereich fallen, der in der US-PS 3039 867 als bevorzugt angegeben ist. Demgemäß

i" soll die Legierung Nr. 194 2,1 bis 2,6 V» Fe und 0,01 bis 0,03% P enthalten. Außerdem werden maximal zulässige Werte für herstellungbedingte Verunreinigungen in Form von anderen Metallkomponenten angegeben, wie 0,03 Ve für Zinn, 0,20 Vo für Zink und 0,02 Vo für Aluminium. Dies bedeutet, daß die Menge an solchen herstellungsbedingten Verunreinigungen möglichst niedrig zu halten ist und die ASTM-Veröffentlichung keine Lehre beinhaltet, solche weiteren Metallkomponenten bewußt als bestimmte technische

»° Wirkungen hervorrufende Zusätze zu verwenden. Da in der US-PS 3 039 867 überdies betont wird, daß bei diesem Legierungstyp andere Bestandteile als Fe, Cu und P nach Möglichkeit ausgelassen werden sollen, kann die Angabe in der ASTM-Veröffentlichung nur

^a5 dahingehend interpretiert werden, daß die Legierung Nr. 194 möglichst überhaupt kein Zinn, Aluminium und Blei enthalten soll.

Es ist weiterhin bekannt, Kokillen aus einem Baustiilf herzustellen, der einer Kupierlegierung mit einem Aluminiunigchalt bis zu 12 Vo entspricht, welche zusätzlich höchstens je 45 %i Zink oder Nickel oder je 8"« Eisen, Mangan und/oder Zinn enthalten kann. Infolge des Aluminiumgehalts bildet sich auf der Innenseite der Kokille eine in der Hauptsache aus Aluminiumoxid bestehende Oxidschicht aus, welche die wichtige Aufgabe hat, ein Zusammenschweißen des Gußblocks mit der Kokille zu verhindern. Fine Eigenschaftskombination aus gleichzeitig hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit ist für einen Kokillenbaustolf nicht erforderlich.

Überraschenderweise wurde nunmehr gefunden, daß für Gegenstände, für die gerade eine derartige F.igenschaftskoinbination erforderlich oder sehr erwünscht ist, Kupferlegierungen verwendet werden können, welche ganz spezielle Legierungskomponentei) in spezifischen Konzentrationsbereichen enthalten, wobei Eisen und Aluminium als Legierungskomponenten obligatorisch sind.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf die Ver-

5" Wendung von Kupferliegerungen, bestehend aus 1,5 bis 3,5 °/o Eisen, 0,02 bis 0,08Vo Aluminium, gegebenenfalls 0,01 bis 0,10Vo Phosphor, gegebenenfalls 0,05 bis 0,20 »/0 Zink, gegebenenfalls bis zu 0,18Vo Silicium, gegebenenfalls bis zu 0,08 Vo Mangan, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen, im nach Warm- und anschließender Kaltverformung schlußgeglühten Zustand für Gegenstände, die gleichzeitig hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen müssen.

Bevorzugt werden im Rahmen der Erfindung Legierungen der vorstehend gekennzeichneten Art verwendet, die 1,8 bis 2,9 Vo Eisen enthalten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Legierungen der vorstehend beschrie-

^fi5 benen Art im nach Warm- und anschließender Kaltverformung schlußgeglühten Zustand eingesetzt, welche 0,01 bis 0,08 Vo Phosphor, 0,05 bis 0,15 Vo Zink und 0,02 his 0,07 ⁰Zo Aluminium enthalten.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind durch zahlreiche unerwartete und überraschende Eigenschaften gekennzeichnet. Zum Beispiel ist die elektrische Leitfähigkeit der Legierungen wesentlich verbessert. Es lassen sich nämlich IACS-Leitfähigkeitswerte von über 7O°/o leicht erhalten. Außerdem haben diese Legierungen ausgezeichnete Wärmebehandlungseigenschaften und die Fähigkeit, auf Grund unterschiedlicher Wärmebehandlung unterschiedliche Festigkeitswerte annehmen zu können, i» Außerdem erreichen die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen hohe Festigkeitswerte im kaltverformten Zustand. Die hohe elektrische Leitfähigkeit der Legierungen ist im nach Warm- und anschließender Kaltverformung schlußgeglühten »5 Zustand begleitet von ausgezeichneten Zugfestigkeitseigenschaften in der Größtnordnung von 38,67 kp/mm² und mehr. Die Festigkeit und die sonstigen physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen variieren bei geringem Gehalt an Verunreinigungen nur unwesentlich.

Die Art des Gusses der Legierungen ist nicht besonders kritisch; es könne.ι herkömmliche Gießmethoden verwendet werden, jedoch sollen höhere ^a5 Temperaturen angewendet werden, um ca;. f'Uen in lösung zu bringen. Vorzugsweise wird die Legierung zu Knüppeln üblicher Größe vergossen, die anschließend einer Warmformgebung unterworfen werden, L. B. gewalzt werden.

Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform werden Legierungen verwendet, die bei 800 bis 1050" C, vorzugsweise bei '.U)O bis 1050 ' C, warmgewalzt, danach mit Zwischengeschäften Glühsiufcn bei 400 bis 600" C und Haltezeiteu \on mindestens 1 Stunde, vorzugsweise mindestens 2 Stunden, mit einem Verformungsgrad von vorzugsweise mindestens 50 ¹Vn kaltgewalzt worden sind.

Kontinuierlich stranggeglühtes Bandmaterial oder Walzgut erreicht ebenso gute Fesligkeitseigenschaften 4» wie im Hauben-Ofen geglühtes Material, doch ist die elektrische Leitfähigkeit nicht so hoch. Zur Umwicklung von sowohl hoher Festigkeit als auch hoher elektrischer Leitfähigkeit nach dem Glühen sollen daher das Fertigglühen und insbesondere die einzelnen Glühstufen chargenweise durchgeführt und herkömmliches Ofenglühen angewendet werden, /.. B. Glühen im Hauben-Ofen.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

a) Zwei Legierungen wurden auf folgende Weise hergestellt: Sehr reines Kupfer und sehr reines Hiscn wurden in einem Niederfrequenz-Induktionsofen unter einer Holzkohlenschicht bei etwa 1200" C geschmolzen. Eitwa 10 ¹Vu der Kupfcrheschickung wurde zurückgehalten. Die Schmelze wurde geringfügig auf etwa 1300 ' C überhitzt, um üas Eisen in Lösung zu bringen. Sobald die Schmelze eine Temperatur von etwa 1300 C erreicht hatte, wurden sehr reine L.egierungszusät/e zugegeben. Danach wurde der Rest iles Kupfers zugeschlagen und die Schmelze auf die Gießtemperalui \on etwa 1200 (' gebracht, lliciaiif wurde die Schmelze mit einer (iießgesehwimligkeit von 54.1 cm min in eine wassergekühlte Kokille mit Jen Abmessungen 73 * 12,7 * 244 cm gegossen. Die auf diese Weise eihallenen Legierungen hatten folgende Zusii in ine üsetzimg:

Tabelle I

Legierung	Eisen »/»	Phosphor II,„	Alu minium "■"·	Kupfer
1 2 (zum Vergleich USA.-Patent- schrift 3 039 867)	2,4 2,3	0,03	0,08	Rest Rest

b) Die so hergestellten Legierungen 1 und 2 wurden bei 900 bis 940" C warmgewalzt und danach durch Aufsprühen von Wasser auf Raumtemperatur abgeschreckt.

Anschließend wurde das Material auf 2,5 mm kaltgewalzt, 1 bis 4 Stunden bei 480 bis 60(1 C im Hauben-Ofen geglüht, auf 1,3 mm kaltgewalzt, I bis 3 Stunden im Hauben-Ofen bei 460 bis 480 C geglüht, auf 0.635 mm kaltgewalzt und ! bis 3 Stunden im Hauben-Ofen bei 440 bis 480" C geglüht.

Anschließend wurden die Legierungen auf ihre physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle H zusammengestellt:

Tabelle!!

Legierung	Streck grenze kp mm-	Zug festigkeit kp iiim^J	Bruch dehnung	IACS Leit fähigkeit " „
1 2 (Vergleich)	19,83 16,24	41,83 35,22	24,1 27,5	73,1 73,5

Aus dieser Tabelle geht hervor, daß die erfindungsgcniiiß zu verwendende Legierung 1 bei vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeit eine höhere Festigkeit besitzt ais die bekannte Legierung 2.

Beispiel 2

Gemäß der Arbeitsweise von Beispiel 1 a) wird eine Legierung 3 der folgenden Zusammensetzung hergestellt:

I-c ¹¹Ό	I' "/ο	Al ·.»	Zn »/„	Cu Sl
2,4	0,03	0,07	0,10	Rest

und gemäß Beispiel 1 b) weiterverarbeitet.

Die fertig gewalzten Bleche von 0,635 mm Dicke hatten die folgenden Eigenschaften:

Slreckgmiz.e
kp nun¹

19.8.1

/u^fesligkeil
kp iiiiii-

\1,19

Hrucli
dehnung

25.0

I \( S-

I cilt.ihiykul

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung von Kupferlegierungen, bestehend aus 1,5 bis 3,5 -V« Eisen, 0,02 bis 0,08 Vo Aluminium, gegebenenfalls 0,01 bis 0,10 Vo Phosphor, gegebenenfalls 0,05 bis 0,20% Zink, gegebenenfalls bis zu 0,18 ⁰Zo Silicium, gegebenenfalls bis zu 0,08 V» Mangan, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen, im nach Warm- und anschließender Kaltverformung schlußgeglühten Zustand für Gegenstände, die gleichzeitig hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen müssen.

2. Verwendung von Kupferlegierungen der Zusammensetzung und im Zustand nach Anspruch 1, die 1,8 bis 2,9 Ve Eisen enthalten, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung von Kupferlegierungen der Zusammensetzung und im Zustand nach Anspruch 1, die 0,01 bis 0,08Vo Phosphor, 0,05 bis 0,15Vo Zink und 0,02 bis 0,07 °/o Aluminium enthalten, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung von Kupferlegierungen der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die bei 800 bis 1050" C, vorzugsweise bei 900 bis 1050° C, warmgewalzt, danach mit zwischengeschalteten Glühstufen bei 400 bis 600° C und Haltezeiten von mindestens 1 Stunde, vorzugsweise mindestens 2 Stunden, mit einem Verformungsgrad von vorzugsweise mindestens 50 ⁰Zo kaltgewalzt worden sind, für den Zweck nach Anspruch 1.