DE1939036B2

DE1939036B2 - Verwendung eines mehrschichtigen verbundwerkstoffes mit mindestens einer schicht aus einer kupferlegierung und mindestens einer schicht aus eisen oder einer eisenlegierung fuer durch verformen herzustellende gegenstaende

Info

Publication number: DE1939036B2
Application number: DE19691939036
Authority: DE
Inventors: Sheldon H. Godfrey IU. Butt (V.St.A.)
Original assignee: OHn Corp., New York, N.Y. (V.St.A.)
Priority date: 1968-08-02
Filing date: 1969-07-31
Publication date: 1977-04-07
Also published as: DE1939036A1; FR2014939A1; US3589874A; GB1242325A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines mehrschichtigen Verbundwerkstoffes mit mindestens einer Schicht aus einer Kupferlegierung, die Eisen und/oder Kobalt enthält, und mindestens einer mit der Kupferlegierungsschicht unmittelbar verbundenen Schicht aus Eisen oder einer Eisenlegierung als Ausgangsmaterial bei der Herstellung von Gegenständen, die hohen Qualitätsanforderungen genügen müssen, durch Verformen.

Die Herstellung eines mehrschichtigen Ausgangsmaterials, das eine Schicht aus einer Kupferlegierung, die Eisen, Zink, Zinn, Phosphor oder Blei enthalten kann sowie eine weitere Schicht aus Eisen oder einer Eisenlegierung aufweist, durch Wal/plattieren und seine Weiterverformung ist bekannt (US-PS 33 81365). Derartige mehrschichtige Ausgangsmaterialien haben den Vorteil, daß die günstigen Eigenschaften der Metalle beider Schichten in den hergestellten Gegenständen vereinigt sind. Währen¹ bei der Herstellung von Gegenständen aus einer ein.· igen Legierung häufig viele Eigenschaften wie Elastizitätsmodul. Farbe, Dichte und Festigkeit in Kombination mit hoher fto thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, nicht 1:1 ausreichendem Maß durch Legierungsmaßnahmen oder Wärmebehandlung verändert werden können, hassen sich bei mehrschichtigen Ausgangsmaterialien nach außen hin die Eigenschaften einer IJberzugsschicht zur ^5 Gellung bringen, obwohl der Gegenstand weiterhin auch die Eigenschaften einer Grundschicht behält. Daher sind die Eigenschaften mehrschichtiger Ausgangsmaterialien insgesamt in hohem Maß modifizäerbar und häufig denen von Ausgangsmaterialien aus einer einzigen Legierung überlegen. Außerdem sind mehrschichtige Ausgangsmaterialien im allgemeinen wirtschaftlicher, da an Material für die teurere Schicht gespart werden kann.

Eisen besitzt beispielsweise die Vorteile hoher Festigkeit bei Raumtemperatur und bei erhöhten Temperaturen sowie guter KaltverformbarkeiL Bei der Herstellung von Gegenständen aus einem Ausgangsmaterial mit einer Eisenschicht kann man diese gewünschten Eigenschaften beibehalten, während durch eine Überzugsschicht beispielsweise Verschleißfestigkeit, Farboxydationsfähigkeit, Leitfähigkeit, Anlaufbeständigkeit und Oberflächenglätte erreicht werden können. So können beispielsweise Wärmeaustauscher, elektrotechnisches Material, z. B. für die Nachrichtenübermittlung, Baustahl, Kraftfahrzeugteile, Schiffscontainer und Schmuckgegenstände, eine Kernschicht aus Eisen aufweisen.

Nach der Lehre der Erfindung ist dann, wenn mehrschichtig aufgebaute Gegenstände mit einer oder mehreren gut haftenden, rißfreien Kupferlegierungsschichten durch Verformen hergestellt werden sollen, vorgesehen, daß als Ausgangsmaterial ein mehrschichtiger Verbundwerkstoff mit mindestens einer Schicht aus einer Kupferlegierung, die aus 0,5 bis 5% Eisen und/oder 0,5 bis 2% Kobalt und Rest Kupfer besteht, und mindestens einer mit der Kupferlegierungsschicht unmittelbar verbundenen Schicht aus Eisen oder einer Eisenlegierung verwendet wird, wobei sich das Ausgangsmaterial im rekristallisierend geglühten Zustand befindet, der durch ein in der Kupferlegierungsschicht mit erhöhtem Verformungswiderstand deutlich unterdrücktes Kornwachstum ausgezeichnet ist.

Das erfindungsgemäße verwendete Ausgangsmaterial läßt sich bei guter Haftfestigkeit der Schichten aneinander und verminderter Neigung zur Rißbildung gut mechanisch verformen. Ferner wird die Schicht aus der Kupferlegierung bei der mechanischen Verformung weniger stark ausgezogen, so daß die Schicht aus der Kupferlegierung im Sinn besserer Wirtschaftlichkeit ohne die Gefahr des Auftretens von Rostflecken dünner sein kann. Diese Vorteile kommen bei einer Verformung durch Tiefziehen besonders stark zur Geltung. Darüber hinaus haben das beschriebene Ausgangsmaterial und infolgedessen auch die hergestellten Gegenstände ausgezeichnete physikalische und mechanische Eigenschaften, beispielsweise Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie ein gefälliges Aussehen.

Der Gehalt der Kupferlegierung an Eisen und/oder Kobalt führt dazu, daß bei Glühung des Ausgangsmaterials im für das Weichglühen der Schicht aus Eisen oder einer Eisenlegierung erforderlichen Temperaturbereich das Kornwachstum in der Schicht aus der Kupferlegierung deutlich unterdrückt ist und dadurch die Streckgrenze der Kupferlegierung auf mindestens 40% der Streckgrenze Jer Eisenlegierung erhöht ist.

Kupfer-Eisen-Phosphor-Legierungen mit 2 bis 3°o Fisen sind an sich bekannt (US PS 30 39 867). Diese Legierungen sind jedoch wegen ihrer guten Kombination von hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Zugfestigkeit als Werkstoff für elektrische Leiter vorgesehen; eine Lehre, diese Legierungen für eine Schicht eines inehrschichtigen Ausgangsmaterials einzusetzen, läßt sich dieser Druckschrift nicht entnehmen.

Die mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Verbundwerkstoff hergestellten mehrschichtigen Ge-

genstände können aus nur einer Schicht aus der Kupferlegierung und nur einer Schicht aus Eisen bzw. einer Eisenlegierung bestehen, sie können aus einer Grundschicht aus der Kupferlegierung oder aus Eisen bzw. einer Eisenlegierung bestehen, die mit zwei Oberzugsschichten aus Eisen bzw. einer Eisenlegierung oder aus der Kupferlegierung beschichtet ist, oder sie können aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaut sein, wobei die beiden Außenschichten entweder beide aus der Kupferlegierung, oder beide aus Eisen bzw. einer Eisenlegierung, oder eine Außenschicht aus der Kupferlegierung und die andere Außenschicht aus Eisen bzw. einer Eisenlegierung bestehen können. Als Beispiele für Gegenstände mit einer Grundschicht aus der Kupferlegierung und einer Oberzugsschicht aus einer Eisenlegierung seien elektrische Anschlüsse, wo es auf gute Leitfähigkeit des Kerns und Oxydationsbeständigkeit des Oberzugs ankommt sowie hochwertiges Kochgerät genannt, wo ein gut wärmeleitfähiger Kupferkern mit korrosionsbeständigem, gegenüber Nahrungsmitteln inertem Material beschichtet ist.

Die erfindungsgemäß verwendeten Kupferlegierungen können außer 0,5 bis 5,0% Eisen und/oder 0,5 bis 2,0% Kobalt, zusätzlich bis 30% Zink, bis 8% Zinn bis 10% Aluminium, bis 0,08% Mangan, 0,03 bis 0,20% Silicium sowie Nickel, Calcium, Titan, Chrom, Wolfram und Vanadin in Mengen von 0,01 bis 0,5% enthalten. Zur Desoxydation können der Schmelze vor dem Vergießen 0,015 bis 0,10% Phosphor zugegeben werden. Die Kupferlegierungen können auch übliche Verunreinigungen enthalten, z. B. bis 0,2% Zink, bis 0,03% Blei und andere Elemente insgesamt bis zu 0,10%, sofern sie nicht absichtlich als Legierungsbesiandteile zugegeben wurden.

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung können für die Eisenschicht Eisen oder beliebige Eisenlegierungen, die in der Hauptsache aus Eisen bestehen, eingesetzt werden, vorzugsweise hochreines Eisen, Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, Eisen-Chrorr-Legierungen, Eisen-Mangan-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen und rostfreie Stähle wie Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen. Weitere bevorzugte Legierungsbestandteile sind Aluminium, Titan, Silicium, Phosphor, Schwefel, Zirkonium und Zink.

Das Ausgangsmaterial wird vorzugsweise nach dem Verfahren gemäß den US-PS 33 81 364 und 33 81 365 hergestellt Die zweite Patentschrift betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaierials mit einer Grundschicht aus einer Eisenlegierung. Plattierungen auf eine derartige Grundschicht sind schwierig, da die für das Warmwalzen erforderlichen hohen Temperaturen die Bildung schuppiger festhaftender Oxide bewirken. Diese Oxidschicht wirft allgemein schwerwiegende Probleme auf und neigt während des Warmwalzens häufig zum Aufreißen. Bei dem Verfahren nach der US-PS 33 81365 erhitzt man das Grundmetall, das weniger als 12,7 mm dick ist, auf eine Temperatur zwischen 149 und 732⁰C und verwalzt es mit dem Überzugsmetall mit einer Geschwindigkeit von mindestens 30,5 m/min bei einem Verformungsgrad von 35 bis 75% in einem Stich. Das Grundmetall und das Überzugsmetall, das weniger als 6,4 mm dick ist, berühren sich erst zwischen den Walzen, wobei das Überzugsmetal! noch vor dem Kontakt mit dem Grundmetall auf einer Walze aufliegt. Der Winkel zwischen dem Grundmetall und dem Überzugsmetall beim Einlauf in die Walzen soll mindestens 5°, vorzugsweise über 10°, betragen, so daß sich die beiden Metalle nicht vor dem Eintritt in die Walzen berühren. Beim Eintritt in die Walzen laufen Oberzugsmetall und Walzen mit verschiedenen Lineargeschwindigkeiten, während beim Verlassen der Walzen entsprechend der Dickenabnahme beim Walzplattieren die Geschwindigkeiten gleich sind. Die Tatsache, daß das Überzugsmetail bereits vor dem Kontakt mit dem Grundmetall an der Walze anliegt, bewirkt im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Walzen und

ίο des Überzugsmetalls das Auftreten einer Schubspannung an der Grenzfläche Grundmetall/Oberzugsmetall zwischen den Walzen. Hierbei findet ein heftiger Materialfluß statt, so daß die Grenzfläche um mindestens 20% erhöht wird und eine innige Verbin-

•S dung von Grundmetall und Überzugsmetall entsteht Es findet an der Grenzschicht jedoch keine interatomare Diffusion statt

Ts können aber auch andere Verfahren für die Herstellung des erfindungsgemäß zu verwendenden Verbundwerkstoffs aus einem Eisen-Grundmetall und dem Kupferlegierungsüberzug herangezogen werden, so daß die Dicke der Kernschicht und der Überzugsschicht nicht prinzipiell nach unten begrenzt ist.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.

*³ Beispiel 1

Eine bincre Kupferlegierung mit 2,1 bis 2,6% Eisen wird beidseitig auf einen Kohlenstoffstahl (SAE 1010) aufgebracht. Im Ausgangsmaterial hat dann der Stahlkern eine Dicke von etwa 0,5 mm, und die Kupferlegierungsschichten weisen jeweils eine Dicke von etwa 0,06 mm auf. Das Ausgangsmaterial wird dann zum Zwecke der Rekristallisation bei 650⁰C geglüht. Die Korngröße der Kupferlegierung beträgt anschlie-

J5 ßend etwa 0,005 mm. Beim anschließenden Tiefziehen und Verformen können keine Anzeichen von Rißbildung in der Kupferlegierungsschicht beobachtet werden; die Dicke der Kupferlegierungsschicht ist nur sehr wenig verringert.

Beispiel 2

Auf einen Kohlenstoffstahl (SAE 1010) wird auf der einen Seite eine Kupferlegierung mit 2,1 bis 2,6% Eisen und auf der anderen Seite eine Neusilberlegierung aufgebracht. In dem sich ergebenden Ausgangsmaterial ist die Stahlschicht etwa 0,17 mm dich während die Kupferlegierungsschicht auf der einen Seite eine Dicke von etwa 0,02 mm aufweist. Zum Zwecke der Rekristallisation wird das Ausgangsmaterial bei einer Temperatür von ungefähr 600° C geglüht. Anschließend beträgt die Korngröße der Kupferlegierungsschicht etwa 0,006 mm. Beim anschließenden Tiefziehen und Verformen können keine Anzeichen einer Rißbildung in der Kupferlegierungsschicht festgestellt werden; die Dikkenabnahme der Kupferlegierungsschicht ist äußerst gering.

Beispiel 3

Auf einen rostfreien Stahl (Typ 409) wird beidseitig eine Kupferlegierung mit 2,1 bis 2,6% Eisen aufgebracht. Im sich ergebenden Ausgangsmaierial hai der Stahlkern eine Dicke von ungefähr 0,20 mm, während die Kupferlegierungsschichten eine Dicke von etwa 0,025 mm aufweisen. Zum Zwecke der Rekristallisation wird das Ausgangsmaterial bei einer Temperatur von 704 bis 760°C geglüht. Anschließend beträgt die Korngröße in den Kupferlegierungsschichten etwa 0,008 mm. Bei anschließendem Tiefziehen und Verfor-

men können keinerlei Anzeichen von Rißbildung in der Kupferlegierungsschicht beobachtet werden; die Dikkenabnahme der Kupferlegierungsschicht ist äußerst gering.

Beispiel 4

Aus einer Kupferlegierung mit einem Eisengehalt von 2,1 bis 2,6% und einer Stahllegiening (Typ 304) wird ein Ausgangsmaterial mit einer Stahlschicht von etwa 0,51 mm und einer Kupferlegierungsschicht von etwa 0,13 mm Dicke hergestellt Zum Zwecke der Rekristallisation wird das Ausgangsmaterial bei 927 bis 982° C geglühL Anschließend beträgt die Korngröße in der Kupferlegierungsschicht ungefähr 0,03 mm. Beim anschließenden Tiefziehen und Verformen können keine Anzeichen von Rißbildung in der Kupferlegierungsschicht festgestellt werden; die Dickenab-ahme der Kupferlegierungsschicht ist äußerst gering.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines mehrschichtigen Verbundwerkstoffes mit mindestens einer Schicht aus einer Kupferlegierung, die aus 0,5 bis 5% Eisen und/oder 0,5 bis 2% Kobalt und Rest Kupfer besteht, und mindestens einer mit der Kupferlegierungsschicht unmittelbar verbundenen Schicht aus Eisen oder einer Eisenlegierung als Ausgangsmaterial im ι ο rekristallisierend geglühten Zustanii, der durch ein in der Kupferlegierungsschicht mit erhöhtem Verformungswiderstand deutlich unterdrücktes K.ornwachstum ausgezeichnet ist, für durch Verformen herzustellende, mehrschichtig aufgebaute Gegenstände mit einer oder mehreren gut haftenden, rißfreien Kupferlegierungsschichten.

2. Verwendung eines mehrschichtigen Verbundwerkstoffes der in Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, wobei die Kupferlegierungsschicht bzw. -schichten bis 30% Zink enthält bzw. enthalten, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.

3. Verwendung eines mehrschichtigen Verbundwerkstoffs der in Anspruch 1 oder 2 angegebenen Zusammensetzung, wobei die Kupferlegierungs- 2s schicht bzw. -schichten zusätzlich bis 8% Zinn enthält bzw. enthalten, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.

4. Verwendung eines mehrschichtigen Verbundwerks»offs der in einem der Ansprüche 1 bis 3 angegebenen Zusammensetzung, wobei die Kupferlegierungsschicht bzw. -schichten zusätzlich zwi schen 0,015 und 0,1% Phosphor enthält bzw. enthalten, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.

35