DE1758123B1

DE1758123B1 - Kupferlegierung und verfahren zur erhoehung ihrer elektrischen leitfaehigkeit und festigkeit

Info

Publication number: DE1758123B1
Application number: DE19681758123
Authority: DE
Inventors: Mclain Charles D
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1967-06-26
Filing date: 1968-04-05
Publication date: 1972-10-19
Also published as: GB1186285A; SE340890B; FR1578133A; BE717175A; US3522039A; CH513983A

Description

Bekanntlich ist Kupfer ein ausgezeichneter elektrischer Leiter, doch ist die mechanische Festigkeit nicht für alle Anwendungsgebiete ausreichend hoch. Es wurden daher bereits 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 Verfugung zu stellen.

Aus der USA.-Patentschrift 3 039 867 sind Kupferlegierungen mit hoher elektrischer IACS-Leitfähigkeit (Internationel 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/ mm² aufweisen. Diese Legierungen werden vorzugsweise zu Knüppeln üblicher Größe gegossen und auf übliche Stärken heruntergewalzt. Bereits durch Warmverformung läßt sich das Eisen im Kupfer lösen. Nach der Warmverformung kann man den Knüppel einer Lösungsglühbehandlung unterwerfen. Hierauf kann man die Legierung zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit bei niedrigerer Temperatur ausscheidungsglühen. Schließlich wird die Legierung auf die Endabmessung kalt gewalzt oder kalt gezogen. Die dabei erzielbaren Festigkeitseigenschaften sind jedoch für viele Zwecke immer noch nicht befriedigend.

Um diesen Mangel zu beheben, ist bereits empfohlen worden, Kupferlegierungen einzusetzen, welche 0,3 bis 3,0% Eisen, 0,1 bis 0,6% Phosphor und mindestens 0,5% Zink enthalten, wobei das Verhältnis Fe: P im Bereich von 2,5:1 bis 5,5:1 liegen soll. Die angegebenen Leitfähigkeiten liegen jedoch mit 42 bis 47% IACS viel zu tief. Außerdem hat die praktische Erfahrung gezeigt, daß bereits bei Zinkgehalten von 0,5 bis 1% keine Reproduzierbarkeit im technischen Maßstab in bezug auf die elektrische Leitfähigkeit mehr sichergestellt ist. Die Gründe hierfür sind jedoch nicht bekannt.
Weiterhin ist für die Herstellung von Bronzedraht für Freileitungen eine Kupferlegierung bekannt, welehe 0,8 bis 2,3% Eisenphosphid sowie gegebenenfalls 0,4% Zink zwecks Erhöhung der Festigkeit enthält, wobei das Verhältnis Fe: P im Bereich von 2,85:1 bis 6:1 liegt. Auch in diesem Fall ist der Zinkgehalt für eine Reproduzierbarkeit in bezug auf die elektrische Leitfähigkeit zu hoch.

überraschenderweise wurde nunmehr gefunden, daß sich Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit von Kupferlegierungen gleichzeitig verbessern lassen, ohne daß die Reproduzierbarkeit im technischen Maßstab darunter leidet. Außerdem lassen sich diese Legierungen durch unterschiedliche Glühbehandlungen in gewünschter Weise auf bevorzugte Festigkeitswerte einstellen, wobei die Gegenwart von herstellungsbedingten Verunreinigungen nicht störend wirkt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Kupferlegierung, bestehend aus 1,5 bis 3,5% (Gewichtsprozent) Eisen, 0,01 bis 0,15% Phosphor, 0,03 bis 0,20% Zink, Rest Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Diese neuen Legierungen zeichnen sich durch einen sehr geringen Zinkgehalt aus, der es aber trotzdem ermöglicht, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit in gleicher Weise zu verbessern, ohne daß Schwierigkeiten bei der technischen Herstellung auftreten.

Bevorzugt werden im Rahmen der Erfindung Kupferlegierungen mit einem Gehalt an Eisen von 1,8 bis 2,9%.
Der Phosphorgehalt liegt vorzugsweise im Bereich von 0,03 bis 0,10%. Der Zinkgehalt liegt bei Eisengehalten von 1,8 bis 2,9 % vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,2%; insbesondere liegt er im Bereich von 0,1 bis 0,2%, wenn die Legierung 0,03 bis 0,10% Phosphor und 1,8 bis 2,9% Eisen enthält.

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 über 70% leicht erhalten. Außerdem haben die Legierungen der Erfindung ausgezeichnete Glüheigenschaften und die Fähigkeit, unterschiedliche Festigkeiten auf Grund unterschiedlicher Glühbe-

handlung annehmen zu können. Außerdem nehmen die Legierungen der Erfindung hohe Anlaßbeständigkeiten in gewalztem Zustand an. Die hohe elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen ist begleitet von ausgezeichneten Zugfestigkeitseigenschäften in geglühtem Zustand in der Größenordnung von etwa 38,32 kg/mm"' und höher. Die Festigkeit und physikalischen Eigenschaften der Legierungen der Erfindung variieren bei geringem Gehalt an Verunreinigungen nur unwesentlich.

Die Legierungen der Erfindung können noch geringe Mengen anderer 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. Geringe Mengen an Verunreinigungen können geduldet werden.

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 der Warmverformung unterworfen werden, z. B. gewalzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und Festigkeit der erfindungsgemäßen Kupferlegierungen ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung bei 800 und 1050⁰C, vorzugsweise bei etwa 950⁰C, warmwalzt, 3c danach mit zwischengeschalteten Glühstufen bei 400 bis 600⁰C und Haltezeiten von mindestens 2 Stunden kaltwalzt, wobei in jeder Kaltwalzstufe eine Dickeverminderung von mindestens 50% durchgeführt wird. Es können auch 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 Haubenofen 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 werden und herkömmliches Ofenglühen angewendet werden, z. B. Glühen im Haubenofen.

	Tabelle	I	Zn %	Cu
	Fe %	Legierung P %	0,08	Rest Rest
1 (Erfindung)	2,3 2,3	0,027 0,03
2 (Vergleich) (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 94O⁰C warmgewalzt und danach mit Sprühwasser auf Raumtemperatur abgeschreckt. Anschließend wurde das Material auf 2,5 mm kaltgewalzt, 1 bis 4 Stunden bei 480 bis 600° C im Haubenofen geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 1 bis 3 Stunden im Haubenofen bei 460 bis 48O⁰C geglüht, auf 0,635 mm kaltgewalzt und 1 bis 3 Stunden im Haubenofen bei 440 bis 480⁰C geglüht.

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

Tabelle II

Legierung	Streck grenze kg/mm²	Zug festigkeit kg/mm²	Deh nung %	IACS- Leit- fähigkeit %
1 (Erfindung) 2 (Vergleich)	18.98 16,24	41,83 35,22	24 27,5	73,9 73,5

Beispiel 1

Die erfindungsgemäße und eine Vergleichslegierung wurden auf folgende Weise hergestellt: Sehr reines Kupfer und sehr reines Eisen wurden miteinander in einem Niederfrequenz-Induktionsofen unter einer Holzkohlenschicht bei etwa 1200⁰C verschmolzen. Etwa 10% der Kupferbeschickung wurden zurückgehalten, und die Schmelze wurde auf etwa 1300⁰C geringfügig überhitzt, um das Eisen in Lösung zu bringen. Sehr reine Legierungszusätze wurden zugegeben, sobald die Schmelze eine Temperatur von etwa 1300⁰C aufwies. Danach wurde der Rest des Kupfers zugeschlagen und die Schmelze auf die Gießtemperatur von etwa 1200⁰C gebracht. Hierauf wurde die Schmelze mit einer Gießgeschwindigkeit von 54,1 cm/Min, in eine wassergekühlte Kokille mit den Abmessungen 73 χ 12,7 χ 244 cm gegossen. Die auf diese Weise erhaltenen Legierungen hatten folgende Zusammensetzung.

Aus der Tabelle geht hervor, daß die erfindungsgemäße Legierung 1 bei vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeit eine höhere Festigkeit nach dem Glühen aufweist als die bekannte Legierung 2.

Beispiel 3

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

Tabelle III

Legierung

3 (Erfindung)..
4 (Vergleich)
(USA.-Patent
3 039 867) ...

0,045

0,025

2,4

Zn

0,12

Cu

Rest

Die Legierungen wurden folgendermaßen verarbeitet: 12,7 cm dicke Knüppel wurden bei 925⁰C auf 8,89 mm warmgewalzt, dann auf 7,62 mm abgefräst, hierauf auf 2,54 mm kaltgewälzt, 2 Stunden bei 49O⁰C geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 2 Stunden bei 440° C geglüht, dann auf 0,635 mm kaltgewalzt und weitere 2 Stunden bei 44O⁰C geglüht. Nach jeder Glühstufe wurde die Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Legierungen bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengestellt.

Tabelle IV

Legierung

Erste Gliihbehandlung

Zugfestigkeit kg/mm²

IACS-Leitfähigkeit

Zweite Gliihbehandlung

Zugfestigkeit
kg/mm²

IACS-Leitfähigkeit

Dritte Glühbehandlung Zugfestigkeit kg/mm²

IACS-Leitfähigkeit

3 (Erfindung).

4 (Vergleich) .

38,32 33,82

64,7 69,9

42,82
39,37

72,0 72,1

39,58 35,93

73,4 72,3

Aus der Tabelle geht hervor, daß die erfindungsgemäße Legierung 3 bei vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeit eine höhere Festigkeit nach dem Glühen aufweist als die bekannte Legierung 4.

Beispiel 4

Dieses Beispiel erläutert den schädlichen Einfluß eines zu hohen Zinkgehaltes auf die elektrische Leitfähigkeit. Gemäß der Arbeitsweise von Beispiel 1 wurden Legierungen der nachstehenden Zusammensetzungen hergestellt, wobei außer dem Zinkgehalt auch der Phosphorgehalt variiert wurde:

Tabelle V

	Legierung	Fe	Zusammensetzung	0,1	Zn	0,15	Verunreinigungen	Cu
	(Erfindung)	2,4 bis 2,5	P	0,4	bis	0,6	%	Rest
5	(Vergleich)	2,4 bis 2,5	0,02 bis 0,035	0,4	bis	0,6	0,01 max.	Rest
6	(Vergleich)	2,4 bis 2,5	0,02 bis 0,035	0,8	bis	1,0	0,01 max.	Rest
7	(Vergleich)	2,4 bis 2,5	0,02 bis 0,035	0,1	bis	0,15	0,1 max.	Rest
8	(Erfindung)	2,4 bis 2,5	0,02 bis 0,035	0,4	bis	0,6	0,01 max.	Rest
9	(Vergleich)	2,4 bis 2,5	0,08 bis 0,12	0,4	bis	0,6	0,1 max.	Rest
10	(Vergleich)	2,4 bis 2,5	0,08 bis 0,12		bis	0,01 max.	Rest
11		0,08 bis 0,12		0,1 max.

Diese Legierungen wurden gemäß Beispiel 3 verarbeitet, wobei jedoch insgesamt nur zwei Glühbehandlungen durchgeführt und die elektrische Leitfähigkeit bzw. die mechanischen Festigkeitseigenschaften nach dem Endglühen bei 440⁰C gemessen wurden.

Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle VI zusammengefaßt.

Tabelle VI

Legierung	Zug festigkeit kg/mm²	Streck grenze kg/mm²	Deh nung %	IACS-Leit- fähigkeit %
5 (Erfindung) 6	42,19 40,08 40,78 40,08 42,89 42,89 43,59	30,94 28,83 32,34 30,23 31,64 31,64 33,75	14 15 15 13 14 14 13,5	70 bis 76 67 64 60 bis 63 68 bis 74 65 62
7
8
9 (Erfindung) 10
11

Diese Werte bestätigen, daß ein Zinkgehalt von 0,4% und mehr nur die Zugfestigkeit bzw. Streckgrenze verbessert, daß aber gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit stark beeinträchtigt wird. Außerdem war es schwierig, in diesem Fall reproduzierbare Werte für die elektrische Leitfähigkeit zu erhalten, d. h., der Ausschuß war sehr hoch.

Claims

Patentansprüche:

1. Kupferlegierung, bestehend aus 1,5 bis 3,5% Eisen, 0,01 bis 0,15% Phosphor, 0,03 bis 0,20% Zink, Rest Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, jedoch mit einem Gehalt an 1,8 bis 2,9% Eisen.

3. Kupferlegierung nach Anspruch 1, jedoch mit einem Gehalt an 0,03 bis 0,10% Phosphor,

4. Kupferlegierung nach Anspruch 1, jedoch mit einem Gehalt an 0,1 bis 0,2% Zink.

5. Kupferlegierung nach Anspruch 2, jedoch mit einem Gehalt an 0,05 bis 0,2% Zink.

6. Kupferlegierung nach Anspruch 2, jedoch mit einem Gehalt an 0,03 bis 0,10% Phosphor.

7. Kupferlegierung nach Anspruch 6, jedoch mit einem Gehalt an 0,1 bis 0,2% Zink.

8. Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und Festigkeit einer Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei 800 bis 1050° C warmbearbeitet, danach mit zwischengeschalteten Glühstufen bei 400 bis 600⁰C und Haltezeiten von mindestens 2 Stunden kaltgewalzt wird, wobei in jeder Kaltwalzstufe eine Dickenverminderung von mindestens 50% durchgeführt wird.