DE1783163A1

DE1783163A1 - Verfahren zur verbesserung der elektrischen leitfaehigkeit und festigkeit von kupferlegierungen

Info

Publication number: DE1783163A1
Application number: DE19681783163
Authority: DE
Inventors: Charles D Mclain
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1967-06-26
Filing date: 1968-04-05
Publication date: 1973-07-26
Also published as: DE1758120B2; DE1783163B2; GB1225283A; FR1570994A; SE343605B; US3522112A; GB1225284A; SE380293B; SE372041B; GB1225282A; CH548454A; DE1758120C3; DE1758120A1; DE1783164A1; JPS5514134B1; GB1225285A; CH529220A; JPS5514132B1; JPS549129B1; JPS5514133B1

Description

New Haveh, Connecticut, V.St.A.

"Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und Λ Festigkeit von Kupferlegierungen"

Priorität: 26. Juni 1967, V.St.A., Nr. 648 742

Die Festigkeit von Kupfer läßt sich zwar durch die Zulegierung kleiner Mengen verschiedener Elemente wirksam erhöhen, doch wird dadurch die elektrische Leitfähigkeit gleichzeitig oft beachtlich herabgesetzt. Die Erzielung einer optimalen Kombination von hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit ist daher seit langem Gegenstand von umfassenden Untersuchungen gewesen.

So sind aus der US-PS 3 039 867 Kupferlegierungen mit hoher elektrischer IACS-Leitfähigkeit (International Standard for Annealed Copper) und Zugfestigkeit bekannt. Diese Legierungen enthalten 2,0 bis 3,0 fo Eisen, höchstens 0,04 % Phosphor, Rest Kupfer. Legierungen der bevorzugten Zusammensetzung können eine IACS-Leitfähigkeit von etwa 70 *$ und gleichzeitig eine Zugfestig-keit von'35,15 kg/mm aufweisen, Diese Legierungen werden vorzugsweise zu Knüppeln üblicher Größe gegossen und auf übliche

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Stärken heruntergewalzt. Durch Warmverformung bei z.B. 900⁰C läßt sich das Eisen im Kupfer lösen und anschließend wird lösungsgeglüht, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer,Kaltverformungsstufe. Durch ein Glühen bei niederen Temperaturen im Bereich von 480 bis 600°C und Haltezeiten von 8 bis 48 Std. wird die Ausscheidung, des -gelösten Eisen bewirkt. Schließlich .wird die Legierung zur Endstärke kalt gewalzt ader-·kalt gezogen. Die zur Erzielung günstiger Werte für elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit benötigte Verärbeitungszeit ist jedoch relativ lang und beträgt im allgemeinen 24 Std. und langer.

Obwohl diese bekannte Arbeitsweise von der Technik der stufenweisen Ausscheidung des gelösten Eisens aus Cu-Pe-Legierungen Gebrauch macht, sind die dabei tatsächlich ablaufenden Vorgänge infolge von gleichzeitig oder nachfolgend stattfindenden Phasenumwandlungen nicht leicht zu übersehen bzw. die daraus resultierende Wirkung auf die Leitfähigkeit und Festigkeit nicht ohne weiteres vorauszusagen. Gerade systematische wissenschaftliche Unter-" suchungen dieses Legierungssystems, z.B. von A. Boltax, bestätigen, daß in Abhängigkeit von den speziellen Abkühlungsbedingungen ganz unterschiedliche Ergebnisse in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit erhalten werden.

' Dieser Sachverhalt wird bestätigt durch die Angäben in der US-PS 2 155 4o6, welche sich auf Kupferlegierungen bezieht, die außer Fe und P noch Su und/oder Zn enthalten. Durch eine kombinierte Warm- und Kaltverformung werden nur IACS-Werte von etwa 42 bis 47 % erhalten.

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Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß sich durch eine glückliche Auswahl von Wärmebehandlungen und Verformungen in bestimmten Sequenzen optimale Kombinationen von elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit erzielen lassen bzw. daß bei gleich guten Wertkombinationen im Vergleich zum Stand der Technik die Verarbeitungsze'iten wesentlich herabgesetzt werden können. Hieraus ergibt sich für die Durchführung im großtechnischen Maßstab ein beachtlicher technischer Portschritt.

Erfindurigsgemäß lassen sich sehr gute lACS-Leitfähigkeitswerte " .erhalten,, während gleichzeitig sehr hohe Festigkeitswerte von etwa 56 kg/mm zu erreichen sind. Die Festigkeit und andere physikalische Eigenschaften der Legierungen variieren nur unwesentlich bei geringem Gehalt an Ve'runreinigungen. Weiterhin widerstehen die Legierungen dem Erweichen beim Löten bei Temperaturen zwischen 370 und 427⁰C.

Die Art des Gusses der betreffenden Kupferlegierung ist nicht besonders kritisch; es können herkömmliche Gießmethoden angewen- i det werden, jedoch sind höhere Temperaturen bevorzugt, um das Eisen in Lösung zu bringen. Vorzugsweise wird die Legierung zu Knüppeln üblicher Große gegossen, die anschließend warmverformt werden.

Gemäß der Erfindung kann jede Kupferlegierung verarbeitet werden, die 1 bis 3>5 % Eisen, vorzugsweise 1,5 bis 2,9$ Eisen, und vorzugsweise bestimmte weitere Zusätze enthält, z.B. ein oder mehrere der folgenden Elemente: 0,01 bis 0,5 %Silicium, 0,01 bis 0,5 % Phosphor und 0,01 bis 0,5 $> Zink. Außerdem können geringe

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Mengen von.einem oder mehreren weiteren Zusätzen verwendet werden,z.B. 0,01 bis 0,5 % Mangan, Zinn, Aluminium, Nickel, Calcium, Titan, Chrom, Wolfram und Vanadium. Geringe Mengen an üblichen Verunreinigungen können geduldet werden.

In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe "Warmwalzen" und "Kaltwalzen" verwendet, da diese die bevorzugten Verformungsmaßnahmen sind. Es soll jedoch beachtet werden, daß auch andere W Warm- oder Kaltverformungen angewendet werden können, wie Schmie-. den, Strangpressen von Knüppeln für nahtlose Rohre oder Drähte.

Nach dem Gießen werden die Legierungen bei erhöhter Temperatur warmgewalzt. Die Temperatur beim Warmwalzen kann von 800 bis 1050⁰C variieren, d.h. das Material kann innerhalb des genannten * Temperaturbereiches in das Warmwalzgerüst eingeführt werden. Die Warmwalzbearbeitungstemperaturen sind nicht besonders kritisch. Das Warmwalzen wird vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 875 und 975°C durchgeführt. Diese Behandlung im Bereich von 800 bis 1050⁰C ist erforderlich, um eine optimale elektrische Leitfähigkeit zu erzielen.

Die Dickenverminderung in der Warmwalzstufe (a) ist nicht kritischj sie ist davon abhängig, welche Dicken das Material haben soll. ■

Nach der Warmwalz- und Haltestufe bei der hohen Temperatur wird die Legierung auf eine Halte temperatur zwischen 4-00 und 550⁰C

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abgekühlt und bei dieser Temperatur mindestens 30 Minuten geglüht. Die Abkühlungsmethode auf die Haltetemperatur ist nicht kritisch, aber nach der Haltezeit wird die Legierung langsam abgekühlt. Sie soll mit einer Geschwindigkeit von weniger als 200⁰C pro Stunde auf eine Temperatur von mindestens 350 C und vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von weniger als 75°C pro Stunde und optimal weniger als 20°C pro Stunde langsam abgekühlt werden.

Nach Haltezeiten bei Temperaturen unter 350⁰C sind regulierte Abkühlungsgeschwindigkeiten nicht besonders kritisch.

Erfindungsgemäß werden verbesserte Ergebnisse schon mit einem einzigen Kaltwalz- und Glühzyklus erzielt. Überraschend ist dabei, daß bei Anwendung der langsamen Abkühlungsstufe (c) gute Eigenschaften beim Kaltwalzen bis zur endgültigen Dicke erzielt werden. Beispielsweise entwickelt eine auf herkömmliche Art warmgewalzte, mit Wasser abgekühlte Legierung, kaltgewalzt mit 90 % Dickenverminderung, eine Zugfestigkeit von etwa 56,25 kg/mm , aber eine IACS-Leitfähigkeit von nur etwa 25 %» während man mit I einer Haltestufe nach dem Warmwalzen, anschließender langsamer Abkühlung und Kaltwalzen mit $0% Dickenverminderung eine Zugfestigkeit von etwa 56,25 kg/mm und eine IACS-Leitfähigkeit von .etwa 65 % erzielen kann.

Das Glühen erfolgt im Temperaturbereich von 400 bis 55O⁰C, vorzugsweise von 44o bis 520 C, wobei vorzugsweise Glühzeiten von etwa 3 Stunden angewendet werden. Die Dickenverminderung soll in der Kaltwalzstufe mindestens 30 % und vorzugsweise mindestens

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50 % betragen.

Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung.

Ausführungsbeispiel

a) Eine Legierung wird auf folgende Weise hergestellt.

Sehr reines Kupfer und sehr reines Eisen werden miteinander in einem' Niederfrequenz-Induktionsofen unter einer Holzkohlenschicht bei etwa 1200⁰C verschmolzen. Etwa 10 % der .!CupferbeSchickung werden zurückgehalten, und die Schmelze wird auf etwa 1300⁰C geringfügig überhitzt, um das Eisen in Lösung ,zu bringen. Sehr reine Legierungszusätze werden zugegeben, sobald die Schmelze eine Temperatur von etwa 1300⁰C aufweist. Danach wird der Rest des Kupfers zugeschlagen und die Schmelze auf die Gießtemperatur "von etwa 1200⁰C, gebracht. Hierauf wird die Schmelze in eine wassergekühlte Kokille mit den Abmessungen 73 x 12,7.x 244 cm in einer Gießgeschwindigkeit von 54,1 cm/Min, gegossen. Die auf diese Weise erhaltene Legierung hat folgende Zusammensetzung:

Pe P Zn Cu

2,3 % 0,02β % 0,10 % Rest

b) Zwei 12,7 cm dicke Knüppel werden folgendermaßen verarbeitet: beide Knüppel A und B werden bei einer Temperatur von etwa 94O°C auf etwa 8,89 nun warmgewalzt. Die Vergleichsprobe A wird unmittelbar nach dem letzten Warmwalζvorgang mit Sprühwasser auf Raumtemperatur abgeschreckt und anschließend mit 90 % Diekenverminderung

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kaltgewalzt. Die Probe B wird erfindungsgemäß von der Warmwalztemperatur auf 500⁰C abgekühlt, einer Haltezeit von 30 Minuten unterworfen, mit einer Geschwindigkeit von etwa 75°C pro Stunde langsam auf etwa 200⁰C abgekühlt und anschließend mit 90 % Dickenverminderung kaltgewalzt. Dabei ergeben sich die folgenden Eigenschaften:

Knüppel Zugfestigkeit, IACS-Leitfähigkeit,

- kg/mm %

A (zum Vergleich) 56,60 28 '

B 56,25 65 -

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und Festigkeit von Kupferlfgierungen, die X bis 3,5 % Eisen, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen enthalten, durch Ausscheiden des gelösten Eisens und eine kombinierte Warm- und Kaltverformung, dadurch g e k e η η ζ e i e Ja η e t, daß die Legierung

a) bei einer Temperatur von 800 bis 1O5O°Q warmverforrnt,

b) hierauf mindestens 30 fiinuten bei einer ">nperatur von 40G bis 55O⁰C geglüht,

c) mit-einer Cresehwindigkeit von'weniger als 2Q0°C/3tunde auf mindestens 55O⁰C abgekühlt und'

d) schließlich mit mindestens 3Q fo Diekenverminderung kaltverformt wird.

2, Verfahreja .nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (a) bei einer Temperatur von 875 bis 975°C durchgeführt wird.

3- Verfahren.nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die.Glühbehandlung in Stufe (b) etwa 3 Stunden durchgeführt wird, .

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß in der Stufe (c) mit einer Geschwindigkeit von weniger als 75°C/Stunde und insbesondere von weniger als 20°C/Stunde abge-Whit«!«; 309830/0B&6