DE1929066B2

DE1929066B2 - Hochfeste kupferlegierung

Info

Publication number: DE1929066B2
Application number: DE19691929066
Authority: DE
Inventors: Jacob Hamden Ford James A. North Haven Conn. Crane (V.St.A)
Original assignee: Ohn Mathieson Chemical Corp New Haven Conn VStA
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1968-06-14
Filing date: 1969-06-09
Publication date: 1971-12-30
Also published as: BE734550A; SE356534B; JPS4923455B1; JPS6242978B1; GB1259156A; FR2010893A1; CA930205A; DE1929066A1; CH513984A

Description

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Kupierlcgicruiigen mil einer hohen Festigkeil in kaltgewalztem Zustand, die außerdem guie Dehnharkeit bzw. Verformbarkeit besiizen, sind sehr ge-Iragl. Selbslserständlich stillen diese Legierungen aiiL-li billig sein, sowohl im Hinblick auf die Materialkosten als auch auf die I lerstellimgskohten.

Typische handelsübliche Legierungen mit guter festigkeit in kaltgewalztem Zustand besitzen nur eine geringe Dehnbarkeil, z. B. eine Dehnung von weniger als 2"/„ bei Dickenverminderungen von 50% und darüber.

Aufgabe der Erfindung ist es, neue, billige, leicht herstellbare Kupferlegieriingen mit ausgezeichnetem llärtungsverliaiten und damit hoher Streckgrenze Lind ZLigfestigkeit gemeinsam mit einem hohen Ausmaß an Dehnbarkeit zur Verfügung zu stellen.

Gegenstand der Erfindung sind somit hochfeste Kupferlegieriingen, die aus 2,0 bis 6,0% Aluminium und 1,0 bis 4 0% Silicium oder 3,0 bis 5,0% Germanium sowie gegebenenfalls 0,01 bis 5,0% Zirkonium. Eisen. Nickel und/oder Kobalt, Rest Kupfer bestehen, mit der Maßgabe, daß die Bestandteile der Legierung so bemessen werden, daß diese im Zustand eines im wesentlichen gesättigten Mischkristalls vorliegt.

Die KupferlegierLingen der Erfindung besitzen eine hohe Festigkeit in kaltgewalztem Zustand und eine erhöhte Dehnbarkeit, z. B. eine Dehnung von gewöhnlich mein als 3% bei Dickenverminderungen von 50% oder höher. Außerdem kann man die Eigenschäften der Legierungen der Erfindung leicht durch die üblichen Verarbeitungsmc'ioden für Kupferlegieriingen. nämlich durch Gießen. Warm- sowie anschließendes Kaltwalzen, erzielen. Die Legierungen der Erfindung benötigen keine besondere Wärmebehandlung zur Verbesserung der Dehnbarkeit, wie es beim Aushärten von Kupfcr-Bcryllium-Legierungen oder bei den martensitischen Kiipfer-Aluminium-Legierimgen ei forderlich ist.

Da die Kupferlegierungen der Erfindung bei einer \orgegebenen Dehnung eine höhere Festigkeit bc-Mtzen als bekannte Legierungen, werden sie in großem Imfang für Anwendimgszweeke eingesetzt, bei denen Kupferlegieriingen mit hoher Festigkeit in kaltgewalztem Zustand benötigt werden. Man kann /. B. eine Zugfestigkeit von über 90 kg.'mm² bei einer Dehnung \on 3% erreichen. Ferner besitzen die Legierungen der Erfindung gewöhnlich noch andere vorteilhafte I-igenschaften, wie gute elektrische Leitfähigkeit. Die \orteilhafte Kombination der hohen Festigkeit und {inten Dehnbarkeit der kaltgewalzten Legierungen der Erfindung scrlcihl ihnen eine höhere Verformbarkeit. «ils sie bekannte Legierungen aufweisen. Die Legierungen der Erfindung besitzen auch nach einem Weichglühen cine gute Verformbarkeit. Außerdem Mini ihre I lerstellungs- und Matcrialkosicn jenen der am leichtesten herstellbaren Kupferlegierungen vergleichbar oder sogar geringer.

Durch die vorgenannten, als Legierungsbestandteile der erfindungsgemäßen Kupferlegieriingen dienenden Elemente soll die Stapelfehlcrenergie des Kupfers auf einen Wert unterhalb etwa 3 erg/cm² herabgesetzt werden. Die Stapclfehlerenergie des Kupfers beträgt etwa 30 erg/cm².

Den größten Vorteil als Legierungsbestandtcile besit/en jene der vorgenannten Elemente, die die größte Verringerung der Stapelfchlercnergic des Kupfers bewirken und daher die Stapelfehlerbildung erleichtern.

Kupfer und homogene x-Kiipl'crlegierungen besitzen eine nächenzentrierie kubische Kristallgilierstruktur. Diese Krisiallgitieisiruktur kann durch Abgleiten auf eng gepackten Schichten um Atomen, die den 1111 J-Ebenen entsprechen, deformiert werden. Die Cileiiverfurmung wird durch die Bewegungen \on Versetzungen auf diesen eng gepackten {II IJ-Ebenen vollzogen. Das Ausmaß des c.irch die Bewegung einer Versetzung bewirkten Gleitens wird durch den Hnrgers-Vektor definiert, der im Falle der llächenzentrierten kubischen Kristallstruktur '/.. a •110 - beträgt. Ls wurde festgestellt, daß diese Versetzungseinheit '/»α MIO:- in sogenannte MaIb- \ersetzuiigen dissoziieren kann, die einem niedrigeren Energiezustand entsprechen. Zwischen diesen sogenannten Halbversetzungen befindet sich ein Stapelfehler.

Der Stapelfehler wird am besten beschrieben, indem man sich vorstellt, wie die eng gepackten {111 }-Ebenen bei einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur angeordnet sind. Diese Ebenen sind in der Reihenfolge ABCABCABC aneinandergeschichtet. F i g. 1 zeigt die Anordnung der Atome auf einer dieser eng gepackten Fhenen (aus dem Buch »Dislocations and Plastic Flow i\ Crystals* von A. H. C ο 11 r e I I, 1. Ausgabe, 1953. S. 73). In Fig. 1 sind die Positionen der Ebenen B und C durch die Buchstaben B und C angegeben. Die Vcrsetzungscinheiten O₁ und die entsprechenden Halbversetzungen />... und A₃ sind als Vektorpfeile beschrieben. Man sieht, daß unter der Annahme, daß die Atome kugelförmig sind, das Gleiten leichter längs des durch /;₂ und h_:i definierten Weges erfolgen kann. Wenn das Gleiten längs eines Vektors wie b₂ zwischen zweien dieser enggepackten Ebenen erfolgt, d. h., wenn das Gleiten durch die Bewegung einer Halbversetzung erfolgt, wird ein Stapelfchler erzeugt, demzufolge die Stapelfolge ABCACABC wird. Dieser SUipclfehler bewirkt, daß die Kristallgitterstruktur die Form einer dünnen Schicht annimmt, die einer hexagonalen eng gepackten Kristallgitterstruktiir entspricht. Die Bildung eines derartigen Stapelfehlers bewirkt ein geringfügiges Ansteigen der Energie des Kristalls, weil die Anordnung der nächstgclegencn Nachbaratonic in der flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur verändert worden ist.

Heidenreich und S h ο c k 1 c y (»Report on Strength of Solids«. London. Physical Society. 57 [194S]) haben darauf hingewiesen, daß eine Versetziingscinhcit beim flächenzentrierten kubischen Kristallsystems in zwei Halbvcisetzimgcn dissoziicien kann. Im Fall einer Versetziingscinhcit an einer {111 !-Ebene würde z. B. die Reaktion

- '/«ο[2ΤΤ]

erfolgen. Diese Reaktion ergibt eine niedrigere Energie für die beiden Halbversetzungen gegenüber der ursprünglichen Versetzungseinheit. Die Halbversetzun* gen stoßen sich infolge ihrer elastischen Eigenspannungen ab und erzeugen eine Lage von Stapelfehlern in der Gleitebene zwischen ihnen. Das Ausmaß der Trennung der Halbversetziingen wird durch das mit dem Stapelfehler verbundene Ansteigen der Gitterenergie definiert, Bei Gleichgewichtsbedingungen werden die Halbversetziingen durch einen Abstand ν

\!ineinander getrennt, der durch die Gleichung
i¹ 3 μ «-/2-1.7 f

definiert ist. in tier /ι der Schermndul, « der Gitterparameter und ι die Stapell'ehlcrenergie ist.

Jedes Metall liesil/l »,eine charakteristische Stapeliehlerenergie. Aluminium bzw. Kupier hcsii/en /. B. eine Stapel'.'jhlereneruie \on etwa 270 crg/cm- b/.w. von 30 erg/cm'-. Dme!) die Zugabe bestimmter ge- ία K'isier Stoffe, hauptsächlich jener mit erheblicher Löslichkeit und höheren Wertigkeiten als das als Lösungsmittel dienende Material, wird eine Verringerung der Siapell'ehlerenergie des gelösten Stoffes bewirkt, wodurch eine weite Trennung der HaIh-Versetzungen gestattet wird.

F i g. 2 zeigt die Wirkung einiger Legierungszusüi/e /u Kupfer (Λ. Il ο w i e und P. R. S w a η η, • Phil. Mag.« [8], 6 [1961], S. 1215). Als Abszisse ist in I-" i g. 2 das Elektronen-Atom-Verhältnis und als Ordinate die Stapelfehlerenergie aufgetragen

In »The Direct Observation of Dislocations« von S. A m e 1 i η c k s, herausgegeben von Academic Press Inc. (1964), ist eine weitere Ausarbeitung dieser Betrachtungen enthalten.

Durch die Verwendung von zwei oder mehreren Elementen als Legierungsbestandteile muß die Stapelfehlerenergie des Kupfers, wie erwähnt, bis auf den gewünschten Wert verringert werden. Vorzugsweise soll die Stapelfehlerenergie soweit wie möglich an den Wert 0 heran verringert werden.

Die als Legierungsbestandteile dienenden Elemente müssen in der Kupfermatrix in Form einer im wesentlichen gesättigten Lösung vorhanden sein, d. h., die Anteile der als Legierungsbestandteile dienenden Elemente müssen so bemessen sein, daß das Kupfer hinsichtlieh der Elemente gesättigt ist. Dies stellt sicher, daß die Stapelfehlerenergic ein Minimum und die Festigkeit ein Maximum erreicht. Um die Sättigung zu garantieren, kann man die betreffenden Elemente im Überschuß verwenden. Der Überschuß kann als ausgeschiedene sekundäre Gleichgewichtsphase zugegen sein. Bei den crfindimgsgcmäßen Legierungen soll der Überschuß der sekundären Gleichgewichtsphasc einen Anteil von weniger als 20 Volumprozent. bc.ogen auf die Gesamtlegierung, ausmachen. Mit anderen Worten, die primäre Phase stellt eine gesättigte feste Lösung der als Legierungsbestandteile dienenden Element-; in Kupfer dar, und die sekundäre Phase ist eine Ausscheidung der sekundären Gleichgewichtsphase, die dem jeweiligen Legierungssystem entspricht.

Als Legicrungsbestandteile werden jene Elemente erfindungsgemäß bevorzugt, die die Stapelfchlcrcnergie sehr rasch auf einen Wert von etwa 3 crg/cm² oder darunter verringern. Es wurde festgestellt, daß die StapeKehlcrencrgie im Einklang mit dem Elektronen-Atom-Verhältnis der festen Lösung verringert wird und daß deswegen Atome mit hoher Wertigkeit gewöhnlich bevorzugt als gelöste Stoffe verwendet werden. Außerdem werden Elemente mit hoher Löslichkeit in Kupfer bevorzugt verwendet.

Der Anteil der verwendeten Elemente hängt von ihrer relativen Löslichkeit in Kupfer und ihrer Fähigkeit zur Verringerung der Stapelfehlerenergie des Kupfers auf da-, benötigte Ausmaß ab.

Eine bevorzugte erfindungsgemäße Kupferlegierung besteht aus 2,5 bis 4,0°/₀ Aluminium und 1,5 bis 3.I)¹V₁, Silicium iider 3,(1 bis 5,0"/,, Germanium smwc gegebenenfalls 0,1 bis 1,5"/,,ZiIkOnUIm, l-.isen. Nickel und/oder Kobalt, liest Kupfer.

Besonders hesorzugte Kupferlegicrungei, der Lilindung bestehen aus 2.0 bis 6,0",,, Aluminium. 1,5 bis 3,0¹Vn Silicium und 0,01 bis 5.(1¹V₁, Kobalt, Rest Kupier.Oder aus 2,5 bis 4,0"/,, Aluminium. 1,5 bis 3.0"/,, Silicium und 0,1 bis 1.5".',, Kobalt. Rest Kupfer.

Die (ibergangselemente verzögern das Kornwaclv.-Uim bei erhöhter Temperatur und erhöhen dadurch die Festigkeit im geglühten Zustand. Ferner neigen sie dazu, die Fiüenschafien der Legierungen der Frlindung in kaltgewalztem Zustand m stabilisieren, wenn ein vorgegebener Kaltverformungsgrad (Dickenabnahme) vorliegt, und sie \erleihen den Legierungen, bezogen auf eine vorgegebene Dehnung (z. B. 3"/„), gewöhnlich eine höhere Zugfestigkeit.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Es wird eine Kupferlegitrnig durch übliches kontinuierliches Gießen, Warmwalzen, Kaltwalzen und Zwischenglühen hergestellt. Die Legierung besitzt folgende Zusammensetzung: 3,1 "/„ Aluminium. 2,1"/,, Silicium, Rest Kupfer und unvermeidliche Verunreinigungen. Die Legierung besitxl ein Elektronen-Atom-Verhältnis von eiwa 1,3 und ist außerdem eine homogene Legierung. Die Stapelfehlerenergie der Legierung beträgt weniger als 3 erg/crc², und die '.egierungsbestandteile sind in Form einer im wesentlichen gesättigten festen Lösung in einer Kupfermatrix enthalten.

Die Legierung wird in der nachstehenden Art verarbeitet, und es werden die nachstehenden Eigenschaften erzielt.

1. um 30"/_n kaltgewalzt nach 1 Stunde Glühen

bei 550=· C

Zugfestigkeit, kg/mm² 71.4

0.2%-Dehngrenze. kg/mm³ . . . 54.6

Bruchdehnung. ⁰/„ 12

2. um 50ⁿ/₀ kaltgewalzt nach 1 Suinde Glühen

bei 550 C

Zugfestigkeit, kg/mm² 84

0.2"/„-Dehngrenze, kg/mm² ... 70
Bruchdehnung. °/„ 4

3. um 70% kaltgewalzt nach 1 Stunde Glühen

bei 550 C

Zugfestigkeit, kg/mm² 90

0,2"/„-Dehngrenze, kg/mm² ... 7K.4

Bruchdehnung. °/„ 3

Beispiel 2

Gemäß Beispiel 1 wird eine Legierung der nachstehenden Zusammensetzung hergestellt: 3.1ⁿ/_(l Aluminium, 2,l"/₀ Silicium, 0.4°/₀ Kobalt. Rest Kupfer und unvermeidliche Verunreinigungen. Diese Legierung besitzt ein Elektroncn-Atom-Verhältnis von etwa 1,3 und ist ebenfalls eine homogene Legierung. Ferner bssitzt die Legierung eine Stapelfehlerenergie von weniger als 3 erg/cm², und Aluminium und Silicium sind als Legierungsbestandteile in Form einer im wesentlichen gesättigten festen Lösung in der Kupfermatrix enthalten. Die Legierung wird in der nachstehenden Art verarbeitet und besitzt die nachstehenden Eigenschaften.

1. um 30% kaltgewalzt nach I Stunde Glühen bei 550 C

Zugfestigkeit, kg/mm² 80

0.2%-Dehngrenze. kg/mm² ... 62.3 Bruchdehnung,

2. um 50% kaltgewalzt nach 1 Stunde Glühen

bei 550 C

Zugfestigkeit, kg/mm² 90

0.2%-Dehngrenze. kg/mm² ... 72.8 Bruchdehnung. % 3

3. um 70% kaltgewalzt nach 1 Stunde Glühen

bei 550 C

Zugfestigkeit, kg/mm'² 93

0.2"/„-Dehngrenze, kg/mm² ... 77.7 *5 Bruchdehnung. % 3

B e i s ρ i e I 3

Gemäß Beispiel 1 wird eine Kupferlegierung der nachstehenden Zusammensetzung hergestellt: 3.5% Aluminium. 4.8% Germanium. Rest Kupfer und unvermeidliche Verunreinigungen. Die Legierung besitzt ein Elektronen-Atom-Verhältnis von etwa 1.3 und ist eine homogene Legierung. Die Stapelfehlerenergie der Legierung beträgt weniger als 3 erg/cm². und die Legierungsbestandteile sind in Form einer im wesentlichen gesättigten festen Lösung in einer Kupfermatrix enthalten. Die Legierung wird in der nachstehenden Art verarbeitet und besitzt die nachstehenden Eiaenschaften:

um 50% kaltgewalzt nach 1 Stunde Glühen bei 600 C

Zugfestigkeit, kg/mm³ 77

0.2"/„-Dehngrenze, kg'mm² 63

Bruchdehnung. % 5

Claims

Patentansprüche:

1. Hochfeste Kupferlegierung, bestehend aus 2.0 bis 6.0% Aluminium\ind 1.0 bis 4.0% Silicium oder 3.0 bis 5.0% Germanium sowie gegebenenfalls 0.01 bis 5.0°/_n Zirkonium. Eisen. Nickel und/oder Kobalt. Rest Kupfer, mit der Maßgabe, daß die Bestandteile der Legierung so bemessen werden, daß diese im Zustand eines im wesentlichen gesättigten Mischkristalls vorliegt.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1. bestehend aus 2.5 bis 4J3% Aluminium und 1.5 bis 3.0% Silicium oder 3.0 bis 5.O⁰Z₀ Germanium sowie gegebenenfalls 0.1 bis 1.5% Zirkonium. Eisen. Nickel und oder Kobalt. Rest Kupfer.

3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2. bestehend aus 2.0 bis 6.0%

3,0°/_n Silicium und 0.01 bis
Kupfer.

4. Kupferlegierung nach Anspruch 3. bestehend aus 2.5 bis 4.0% Aluminium. 1.5 bis 3.0% Silicium und 0.1 bis 1.5% Kobalt. Rest Kupfer.

5. Kupferlegierung nach Anspruch 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Überschuf¹ an den Legierungsbestandteilen als sekundäre Gleichgewichtsphase enthält, deren Anteil jedoel· weniger als 20 Volumprozent der Gesamtlegierunt beträat.

Aluminium. 1.5 bis 5.0% Kobalt. Rest

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen