DE1758121C - Kupferlegierung sowie Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leit fahigkeit und Festigkeit dieser Legie rung - Google Patents

Description

Bekanntlich ist Kupfer zwar ein ausgezeichneter elektrischer Leiter, doch sind seine Festigkeitseigenschaften nicht für alle Anwendungsbereiche ausreichend. Es wurden daher zahlreiche Legierungszusätze vorgeschlagen, um die Festigkeitseigenschaften von Kupfer zu erhöhen. Auf diese Weise wird jedoch die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers erheblich vermindert. Es ist daher sehr erwünscht, Kupferlegierungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig erhöhter Festigkeit zur Verfügung zu stellen.

Aus der USA.-Patentschrift 3 039 867 sind Kupferlegierungen mit hoher elektrischer IACS-Leitfähigkeit (International Standard for Annealed Copper) und Zugfestigkeit bekannt. Diese Legierungen enthalten 2,0 bis 3,0% Eisen, höchstens 0,04% Phosphor, Rest Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Legierungen der bevorzugten Zusammensetzung können eine IACS-Leitfähigkeit von etwa 70% und gleichzeitig eine Zugfestigkeit von 35,15 kg/mm[hoch]2 aufweisen. Diese Legierungen werden vorzugsweise zu Knüppeln üblicher Größe gegossen und auf übliche Dicken heruntergewalzt. Bereits durch Warmverformung lässt sich das Eisen im Kupfer lösen. Anschließend kann man den Knüppel einer Lösungsglühbehandlung unterwerfen. Hierauf kann man die Legierung zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit bei niedrigerer Temperatur glühen. Schließlich wird die Legierung zur Enddicke kalt gewalzt oder kalt gezogen. Die dabei erhaltene Kombination von elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit ist jedoch noch nicht voll befriedigend.

Die Erfindung bezweckt es, neue verbesserte eisenhaltige Kupferlegierungen zur Verfügung zu stellen, die sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig überlegene Festigkeitseigenschaften auszeichnen, deren physikalische Eigenschaften nach der Glühbehandlung nicht stark variieren, die selbst in Gegenwart geringer Mengen an Verunreinigungen auf Grund unterschiedlicher Glühbehandlung gewünschte unterschiedliche Festigkeiten annehmen können und die sich billig und auf technisch einfache Weise herstellen lassen.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Kupferlegierung, bestehend aus 1,7 bis 3,0% Eisen, 0,03 bis 0,20% Silicium, 0,01 bis 0,10% Phosphor, 0,03 bis 0,15% Zink, Rest Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Die erfindungsgemäßen 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 etwa 75 bis 81% leicht erhalten. Außerdem haben die Legierungen der Erfindung ausgezeichnete Glüheigenschaften und die Fähigkeit, unterschiedliche Festigkeiten auf Grund unterschiedlicher Glühbehandlung annehmen zu können. Ferner zeigen die Legierungen der Erfindung hohe Anlaßbeständigkeit im gewalzten Zustand. Die hohe elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen ist kombiniert mit ausgezeichneten Zugfestigkeitseigenschaften im geglühten Zustand in der Größenordnung von etwa 45,70 kg/mm[hoch]2 und höher. Die Zugfestigkeit und die übrigen physikalischen Eigenschaften der Legierungen der Erfindung variieren bei geringem Gehalt an herstellungsbedingten Verunreinigungen nur unwesentlich. Weiterhin widerstehen die Legierungen der Erfindung dem Erweichen beim Löten bei Temperaturen zwischen 370 und 427°C.

Es sind zwar bereits Kupferlegierungen bekannt, welche 0,3 bis 3% Eisen und 0,1 bis 1,5% Silicium enthalten, wobei die zulegierten Komponenten bei 950°C in feste Lösung gebracht, dann durch Abschrecken und anschließende Glühbehandlung im Bereich von 550 bis 625°C als Eisen-Silicium-Verbindung ausgeschieden werden und so der Legierung die erforderliche Härte von z.B. 90 bis 100 Brinell verleihen. Die dabei erzielten Zugfestigkeiten sind aber für viele Zwecke nicht ausreichend hoch.

Weiterhin ist empfohlen worden, für die Herstellung von Bronzedraht für Freileitungen eine Kupferlegierung zu verwenden, welche 0,8 bis 2,3% Fe[tief]3P enthält, wobei das Verhältnis von Fe : P, je nachdem, ob auch noch Zink anwesend ist oder nicht, im Bereich von 2,85 : 1 bis 3,1 : 1 oder bis 6 : 1 liegt. Der kleinste Zinkgehalt beträgt dabei 0,4%. Diese bekannten Legierungen enthalten demgemäß mindestens etwa 0,124% Phosphor.

Die Legierungen der Erfindung können noch geringe Mengen andere Legierungsbestandteile enthalten, um bestimmte erwünschte Ergebnisse zu erzielen. Zum Beispiel kann Aluminium in einer Menge bis zu 0,07% und Mangan in einer Menge bis zu 0,08% vorhanden sein.

Die Art des Gusses der Legierung ist nicht besonders kritisch; es können herkömmliche Gießmethoden für diese Legierungen verwendet werden, jedoch sollen höhere Temperaturen angewendet werden, um das Eisen in Lösung zu bringen. Vorzugsweise wird die Legierung zu Knüppeln üblicher Größe gegossen, die anschließend einer Warmverformung unterworfen, z.B. gewalzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und Festigkeit dieser neuen Kupferlegierungen ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Legierung bei 800 bis 1050°C, vorzugsweise bei etwa 950°C, warmwalzt, danach mit zwischengeschalteten Glühstufen bei 400 bis 600°C und Haltezeiten von mindestens 2 Stunden kaltwalzt, wobei bei jeder Kaltwalzstufe eine Dickenverminderung von mindestens 50% durchgeführt wird.

Es können längere Haltezeiten angewendet werden, um die elektrische Leitfähigkeit der Legierung zu verbessern. Kontinuierlich stranggeglühtes Bandmaterial oder Walzgut nimmt ebenso gute physikalische Eigenschaften an, wie im Hauben-Ofen geglühtes Material, doch ist die elektrische Leitfähigkeit nicht so hoch. Zur Erzielung von sowohl hoher Festigkeit nach dem Glühen als auch hoher elektrischer Leitfähigkeit soll daher das Fertigglühen und vorzugsweise das Zwischenglühen chargenweise durchgeführt und herkömmliches Ofenglühen angewendet werden, z.B. Glühen im Hauben-Ofen.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Eine erfindungsgemäße und eine Vergleichs-Legierung wurden auf folgende Weise hergestellt: Sehr reines Kupfer und sehr reines Eisen wurden miteinander in einem Niederfrequenz-Induktionsofen unter einer Holzkohlenschicht bei etwa 1200°C verschmolzen. Etwa 10% der Kupferbeschickung wurden zurückgehalten, und die Schmelze wurde auf etwa 1300°C geringfügig überhitzt, um das Eisen in Lösung zu bringen. Sehr reine Legierungszusätze wurden zugegeben, sobald die Schmelze eine Temperatur von etwa 1300°C aufwies. Danach wurde der Rest des Kupfers zugeschlagen und die Schmelze auf die Gießtemperatur von etwa 1200°C gebracht. Hierauf wurde die Schmelze mit einer Gießgeschwindigkeit von 54,1 cm/Min. in eine wassergekühlte Kokille mit den Abmessungen 73 x 12,7 x 244 cm gegossen. Die auf diese Weise erhaltenen Legierungen hatten folgende Zusammensetzung.

Tabelle I

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Legierung Fe P Si Zn Cu

______________________________________________________________________________________________________

1 gemäß Erfindung 2,3% 0,021% 0,13% 0,08% Rest

2 zum Vergleich 2,3% 0,03% --- --- Rest

(USA.-Patent

3 039 867)

Beispiel 2

Die gemäß Beispiel 1 hergestellten Legierungen 1 und 2 wurden folgendermaßen verarbeitet: Die Legierungen wurden bei 900 bis 940° Angström warmgewalzt und danach mit einem Wasserspray auf Raumtemperatur abgeschreckt. Anschließend wurde das Material auf 2,5 mm kaltgewalzt, 1 bis 4 Stunden bei 480 bis 600°C im Hauben-Ofen geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 1 bis 3 Stunden im Hauben-Ofen bei 460 bis 480°C geglüht, auf 0,635 mm kaltgewalzt und 1 bis 3 Stunden im Hauben-Ofen bei 440 bis 480°C fertiggeglüht.

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

Tabelle II

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Legie- Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung IACS-Leit-

rung kg/mm[hoch]2 kg/mm[hoch]2 % fähigkeit %

_____________________________________________________________________________________________

1 19,91 37,54 27 81,2

2 16,24 35,22 27,5 73,5

Aus der Tabelle geht hervor, dass die erfindungsgemäße Legierung 1 eine höhere elektrische Leitfähigkeit und auch eine höhere Festigkeit aufweist als die bekannte Legierung 2.

Beispiel 3

Es wurden zwei Legierungen gemäß Beispiel 1 hergestellt. Die Legierungen hatten folgende Zusammensetzung:

Tabelle III

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Legierung P Fe Si Zn Cu

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3 (Erfindung) 0,021% 2,3% 0,13% 0,08% Rest

4 (USA.-Patent

3 039 867) 0,025% 2,4% --- --- Rest

Die Legierungen wurden folgendermaßen verarbeitet: 12,7 cm dicke Knüppel wurden bei 925°C auf 8,89 mm warmgewalzt, dann auf 7,62 mm abgefräst, hierauf auf 2,54 mm kaltgewalzt, 2 Stunden bei 490°C geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 2 Stunden bei 440°C geglüht, dann auf 0,635 mm kaltgewalzt und weitere 2 Stunden bei 440°C geglüht. Nach jeder Glühstufe wurde die Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Legierungen bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengestellt.

Tabelle IV

Claims (2)

1. Kupferlegierung, bestehend aus 1,7 bis 3,0% Eisen, 0,03 bis 0,20% Silicium, 0,01 bis 0,10% Phosphor, 0,03 bis 0,15% Zink, Rest Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

2. Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und Festigkeit einer Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Legierung bei 800 bis 1050°C warmwalzt, danach mit zwischengeschalteten Glühstufen bei 400 bis 600°C und Haltezeiten von mindestens 2 Stunden kaltwalzt, wobei bei jeder Kaltwalzstufe eine Dickenverminderung von mindestens 50% durchgeführt wird.