DE2051493A1 - Legiertes Kupfer - Google Patents

Description

Die metallurgische Prüfung von zu Bruch gegangenen gegossenen Kupferteilen und zu Bruch gegangenden geschmiedeten Kupferteilen, die Temperaturen von wenigstens 371 bis 53Ö C unter Spannungsbedingungen ausgesetzt wren, die schätzungs— weise mindestens 2,8 bis 3,5 kp/mm über längere Zeiträume betrugen, hat ergeben, daß das grundlegende Phänomen, das Rißbildung oder Abblättern und Erosionserscheinungen der Metalloberfläche in dieeen Teilen/eine t'orm der Versprödung ist. Eine derartige Versprödung ist offensichtlich mit der bevorzugten Ausscheidung von eisenangereiohertem und möglicherweise auoh chromangereichertem Material an den Korngrenzenzonen des Kupfers verbunden und erfolgt in Form

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Patentanwalt· Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtich.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

f MÖNCHEN 2, THERiSIENSTRASSE 33 · Telefon. MlJW · T.ltgramm-Adrtn., Upatll/München layer. Vereintbank München, Zweigtt. CWtar-von-Miller-Rlng, Kto.-Nr. BM 495 · Poitichtck-Konto ι Manchen Nr. 1633 97

Oppenouer lOro. PATENTANWALT DR. KEINHOLD SCHMIDT

von nahezu ununterbrochenen Filmen, und zwar entweder allein oder mit nachfolgender vorzugsweiser Oxidation oder einem Sulphidierungsangriff an solchen elisen-und/oder chromangereicherten Zonen.

Eine solche Versprödung wird nun erfindungsgemäß mit Kuper vermieden, beispielsweise reduziertem Elektrolytkupfer oder sauerstofffreiem, hochleitfähigen Kupfer (OFHC), das Eisen nur in Spuren (etwa 50 ppm ,in Gewichtsteilen gemessen) enthält, möglicherweise einen Chromgehalt von bis zu 10 ppm aufweist und andere Elemente in Anteilen enthält, die nur als Verunreinigungen angesehen werden können. Dieses Kupfer wird mit Zirkonium in einem Gewichtsanteil von etwa 0,005 bis 0,03 Gew.-% in Verbindung mit Aluminium in einem gleichen oder sogar noch größeren Mengenanteil legiert. Wenn dieser Legierungsvorgang in der richtigen Weise unter Vakuumbedingungen oder in einer metallurgischen Inertgasatmosphäre stattfindet, so wird ein legiertes Metall erhalten, das sich durch einen verbesserten Widerstand gegen Verspröden an den Korngrenaenzonen auszeichnet, und zwar insbesondere unter Temperaturen von annähernd 482⁰C bis 53B⁰C und bei einer Zugbeanspruchung von 2,8 bis 3,5 kp/mm .

Die Erfindung befaßt sich also mit reduziertem Kupfer, das nur Spurenanteile von Eisen und möglicherweise auch Chrom enthält und das mit Zirkonium und Aluminium legiert ist. Das sioh dabei ergebende legierte Metall kennzeiohnet sich durch ein beträchtliches Hinausschieben des Versprödungsbeginns, wenn es bei erhöhten Temperaturen Zugspannungen unterworfen wird.

durch Erfindungsgemäß wurde also gefunden, daß sich/ein

derartiges Verfahren . Verspröden des duroh Spannung beanspruohten und erwärmten Kupferteils insbesondere bei

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erhöhten Temperaturen, bei denen eisenangereicherte (und chromangereicherte) Materialien rascher diffundieren, beträchtlich linauszögern läßt, wenn dem Kupfer in geringen Mengen und auf gesteuerte Weise Zirkonium und auch Aluminium zugesetzt werden,wobei diese minimalen Mengen stöchiometrisoh auf den Eisengehalt des Kupfers und möglicherweise den Chromgehalt, falls Chrom vorhanden ist, bezogen sind. Obgleich Zusätze der genannten Zirkonium- und Aluminiunu/legierungselemente zum Kupfer in Mengen, die größer als der bevorzugte Bereich sind, das Hinauszögern ™ der Versprödung, die sonst erreicht wird, nicht negativ beeinflussen können, d.h. also, diese Verzögerung nicht verringern können, und oftmals sogar die erzielte Verbesserung noch verstärken, können größere Mengen andere Eigenschaften nachteilig beeinflussen, so beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit herabsetzen.

Die vorzugsweise zugesetzte Zirkoniummenge soll im Bereich zwischen 0,005 und 0,03 Gew.-% der Gesamtlegierung liegen. In vielen Fällen liegt die mit dem Kupfer legierte Zirkoniummenge zur Erreichung der genannten Vorteile in dem engeren Bereich von etwa 0,01 bis ^j 0,02 Gew.-# der Gesamtlegierung.

Die Menge des mit demselben Kupfer legierten Aluminiums entspricht im praktischen Anwendungsfall im wesentlichen der Zirkoniummenge, obgleich proportional größere Aluminiummengen, in gewissen Grenzen,keine nachteiligen Auewirkungen hinsichtlich der Verzögerung des Versprödungsbeginns, die sonst erreioht wird, zu haben scheinen. Somit wird auch vorzugsweise eine entsprechende Aluminiummenge im Bereich von etwa 0,005 bis 0,03 Gew.~% dem Kupfer zugesetzt, wobei oftmals eine Menge im Bereich

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von 0,01 bis 0,02 Gew.-% Verwendung findet. FUr den Aluminiumgehalt ist keine genaue obere Grenze bekannt, und in wenigstens einem Fall wurde eine Gesamtmenge von 0,3 % Aluminium mit einem Zirkoniumzusatz von 0,02 % verwendet.

Es ist ferner wichtig, daß Ale Legierungselemente mit dem Kupfer auf kontrollierte bzw. gesteuerte Weise legiert werden. Bei einem solchen brauchbaren Legierungsverfahren wird das Kupfer unter Vakuum geschmolzen, durch Einblasen von Sauerstoff in einem partiellen Vakuum reduziert, mit den Legierungselementen unter Vakuumbedingungen legiert, dann durch Einblasen von Argon in einem partiellen Vakuum vollständig durchmischt und danach ebenfalls unter Vakuum gegossen und in den festen Zustand übergeführt. Bei einer anderen brauchbaren Verfahrensweise wird reduziertes Kupfer geschmolzen, legiert, gemischt und gegossen und dann in den festen Zustand übergeführt, und zwar das alles in einer niohtreagierenden, gasförmigen Atmosphäre, beispielsweise in im wesentlichen reinem Argon. Es muß vermieden werden, daß die Legierungselemente unter Metallsohmelztemperaturen Sauerstoff ausgesetzt werden. Außerdem sollten die Legierungsbedingungen so gewählt werden, daß sich die Zirkonium- und Aluminiumzusätze nicht in einer Oxid-Nitrid- oder Carbidform befinden, da sie sonst nicht die gewünschte Wirkung haben. Demzufolge werden die genannten Legierungebestandteile vorzugsweise in ihrer metallischen Form vereinigt. Obgleich dies gegenwärtig nicht bekannt ist, kann angenommen werden, daß Homologe der Legierungselemente, insbesondere Hafnium, sich ebenfalls zur Erzielung der genannten Vorteile eignen.

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Die Vergleichswerte in den folgenden Tabellen I und II zeigen die Bedeutung des gemachten Verfahrensvorschlags in bezug auf das Herbeiführen einer Verzögerung beim Versprödungsbeginn unter Zugbeanspruchung und erhöhten Temperaturen. Die Tabelle I enthält Informationen in bezug auf die verbesserten Legierungen, während die Tabelle II andererseits sich auf Kupfer bezieht, das in einer herkömmlichen Weise legiert ist. In jedem Fall jedoch wurde das geprüfte, legierte Metall auf eine Weise hergestellt, die eine Reduktion bewirkte,und wurde in Zugstab- ä

/2 form einer Zugspannung von wenigstens 2,8 kp/mm und einer Temperatur von annähernd 510⁰C unterworfen. Die Zeit bis zur Versprödung (Bruch) unter den speziellen Versuchsbedingungen ist für jede diesbezügliche Schmelzlegierungsverbindung angeführt.

Tabelle I

Schmelzen Bedin- Prozent Prozent Prozent Stunden bis Nr. gung Zirkonium Aluminium Kupfer zum Bruch

16	wie ge	0,005	0,01	99	,97	226
	gossen
34	wie ge	0,01	0,02	99	,96	179
	gossen
35	wie ge	0,02	0,02	99	,95	176
	gossen
89	wie ge	0,02	0,3	99	,60	336 *
	gossen

* VersuchsdurchfUhrung bei einer Zugbelastung von 3,5 kp/mm ; bei darauffolgender Belastung bis zu 4,9 kp/mm ging der Stab nahezu sofort zu Bruoh.

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Tabelle II

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Schmelzen Bedin- Prozent Prozent Prozent Stunden bis Nr. gung Zirkonium Aluminium Kupfer zum Bruoh

15	wie ge	0	0,01	99,97	0,2
	gossen
33	wie ge	0	0	99,98	0,1
	gossen
36	wie ge	0,002	<0,001	99,99	38,3
	gossen
ETP	gesohmie-	0	0	99,88	2,2
	det
OPHC	geschmie	0	0	99,99	4,0
	det

Die in den obigen Tabellen mit 0 angegebenen Mengen waren nicht messbar und werden deshalb als nicht vorhanden oder nur in Spuren vorhanden (weniger als etwa 50 ppm Gewichtsteile) angesehen. Der Eisengehalt jeder Legierung wurde in jedem Fall zu weniger als 30 ppm (weniger als 0,003 %) bestimmt. Solche Mengenbestimmungen ergaben sich aus spektrographlsohen Analysen.

Aus den erzielten Verbesserungen beim Legieren läßt eich auch herleiten, daß das Verfahren zum Legieren von Kupfer mit bestimmten Mengen an Zirkonium und Aluminium den Eisengehalt des Kupfers erheblich reduziert. In einem Fall wurde festgestellt, daß das Ausgangskupfer mit einem Eisengehalt von annähernd 50 ppm (Gewiohtsteile) nach Absohluß des Legierens mit Zirkonium und Aluminium einen Eisengehalt von annähernd 10 ppm (Gewiohtsteile) aufwies.

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Claims (11)

Patentansprüche

1. Kupferlegierung, gekennzeichnet durch in Gewichtsteilen annähernd 0,005 bis 0,03 $> Zirkonium, wenigstens etwa 0,005 bis 0,03 % Aluminium und dem Rest mit Ausnahme von Verunreinigungen reduziertem Kupfer.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Zirkonium- als auch der Aluminiumgehalt annähernd 0,005 bis 0,01 % betragen.

3. Kupferlegierung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkoniumgehalt annähernd 0,005 %> und der Aluminiumgehalt annähernd 0,001 % betragen.

k. Kupferlegierung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkoniumgehalt annähernd 0,02 % und der Aluminiumgehalt annähernd 0,3 # betragen.

5. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkonium in der Kupferlegierung zur Herstellung einer stabilen intermetallischen Verbindung mit Eisen vereinigt ist.

6. Kupferlegierung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkoniumgehalt in der Kupferlegierung zur Herstellung einer ein stabiles ternäres System bildenden intermetallischen Verbindung mit Aluminium und Eisen vereinigt ist.

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7. Verfahren zum Legieren von Kupfer, dadurch gekennzeichnet, daß in Gewichtsprozenten annähernd 0,005 bis 0,03 $ Zirkonium und wenigstens etwa zwischen 0,005 und 0,03 % Aluminium mit reduziertem Kupfer in einer nicht reagierenden Atmosphäre chemisoh verbunden werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl- das Zirkonium als auch das Aluminium in einer Menge von annähernd 0,005 bis 0,01 % zugesetzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkonium in einer Menge von annähernd 0,05 % und daß das Aluminium in einer Menge von annähernd O₁Oi % zugesetzt werden»

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkonium in einer Menge von annähernd 0,02 % und daß das Aluminium in einer Menge von annähernd 0,3 % zugesetzt werden.

11. Verfahren zur Reduzierung des Eisengehalts von mit Verunreinigungen versehenem Kupfer, dadurch gekennzeichnet, daß in Gewichtsprozenten annähernd 0,005 bis 0,03 # Zirkonium und wenigstens etwa 0,005 bis 0,03 % Aluminium mit nur eintn Spurenanteil an Eisen aufweisendem Kupfer in einem nicht reagierenden Medium chemisch verbunden werden, um dadurch den in Spurenmengen vorliegenden Eisengehalt erheblich zu verringern.

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