DE2062939A1

DE2062939A1 - Hochleitfahige Kupferlegierungen

Info

Publication number: DE2062939A1
Application number: DE19702062939
Authority: DE
Inventors: Mutsuo Tonomura Takashi Niko Tochigi Sakamoto (Japan)
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1969-12-23
Filing date: 1970-12-21
Publication date: 1971-07-01
Also published as: GB1284197A; DE2062939B2; JPS4840166B1; DE2062939C3

Description

THE FURUKAWA EIECTRIC COMPANY LIMITED, Tokyo, Japan

" Hochleitfähige Kupferlegierungen "

Priorität: 23. Dezember 1969, Japan, Nr. 44-103678

Die vorliegende Erfindung betrifft hochleitfähige Kupferlegierungen, welche auch eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweisen und sich besonders gut für Stromwender, Rotorspulen und Kernstücke von Radiatoren für Automobile und Klimatisierungsanlagen eignen.

Für Stromwender und Rotorspulen werden Legierungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit benötigt, während für Kernstücke von Radiatoren für Automobile und Klimaanlagen vorallem Legierungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit benötigt werden.

Für derartige Anwendungszwecke wird daher in der Regel reines Kupfer verwendet und falls eine besonders hohe Wärme be-

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ständigkeit \ erforderlich ist, werden für solche Anwendungen Kupferlegierungen eingesetzt, beispielsweise Kupfer-Silberlegierungen, Kupfer-Kadmiumlegierungen, Kupfer-Chromlegierungen oder • Kupfer-Zirkonlegierungen.

Obwohl reines Kupfer eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, zeigt es doch . eine ungenügende Wärmebeständigkeit und es rekristallisiert und erweicht bei !Temperaturen von 25O⁰C oder darunter, je nach, dem angewendeten Grad des Kaitabwalzens. Aus diesem Grund ist reines Kupfer auch nicht für..solche Anwendungsgebiete eingesetzt worden, bei denen ein Weich- oder Hartlöten oder eine andere Wärmebehandlung erforderlich ist.

Kupfer-Silberlegierungen zeigen zwar eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit, aber sie genügen insbesondere in Bezug auf eine entsprechende Steifheit und auf die Wärmebeständigkeit

^nicht den/gestellten Anforderungen. Darüberhinaus haben derartige Legierungen den Nachteil, daß sie beim Lösungsglühen nach einer pickenminderüng um mehr als 50 tfo durch Kaltwalzen eine Gefügeänderung unter Ausbildung eines kubischen Gefüges erleiden. Ein derartiges kubisches Gefüge beeinträchtigt jedoch die Verarbeitbarkeit der Legierungen und macht eine weitere Verformung praktisch unmöglich.

Auch Kupfer-Kadmiumlegierungen sind schon wegen der guten Leitfähigkeit vorgeschlagen worden, doch weisen sie für die vorstehend genannten Anwendungsgebiete nicht die erforderliche Wär.-^m^heßtändip:keit auf, und außerdem muß wegen der Giftig-

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keit des Kadmiums beim Erschmelzen der. Legierungen und beim Gießen besondere Sorgfalt aufgewendet werden.

Kupfer-Chromlegierungen zeigen ausgezeichnete Eigenschaften; beispielsweise beträgt die Zugfestigkeit 49,7 kg/mm , die Rekristallisations-und Erweichungstemperatur liegt bei 480 C und es lassen sich elektrische Leitfähigkeiten von 83 $ IAGS erreichen. Auch Kupfer-Zirkonlegierungen zeigen entsprechende ausgezeichnete Eigenschaften; beispielsweise beträgt die Zugfestigkeit 42 kg/mm , die Rekristallisationsr· und Erweichungstemperatur liegt bei etwa 480⁰C und die elektrische Leitfähigkeit beträgt 90 $> IACS.

Bei diesen Legierungen handelt es sich, jedoch um Typen, welche . ein Alterungs-Härtungsgefüge ausbilden, und daher bereitet ihre Herstellung ziemliche Schwierigkeiten., Beispielsweise werden diese Legierungen beim Lösungsglühen an der Luft erhitzt und dann in Wasser oder öl abgeschreckt. Während des Erhitzens an der Luft oxidieren das Kupfer und die Legierungselemente unter

Bildung einer Zunderungsschicht, welche sich von der Oberfläche aus je nach den Erhitzungsbedingungen und der chemischen Zusammensetzung bis zu einigen mm Tiefe in die Legierung hinein erstrecken kann. Auf diese Weise werden die Eigenschaften und die Güte der fertigen Produkte wesentlich verschlechtert.

Um die Ausbildung einer derartigen Zunderungsschicht zu verhindern, hat man die betreffenden Legierungen auch schon in einer nicht oxidierend wirkenden Atmosphäre erhitzt. In diesem Fall

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werden jedoch relativ komplizierte Anlagen benötigt, wodurch die Erzeugungskapazität verringert und damit die Herstellungskosten , erhöht werden. Insbesondere als Kernstücke von Radiatoren für Automobile und Klimatisierungsanlagen werden üblicherweise dünne Blechstreifen von 0,06 bis 0,04 mm Dicke verwendet und daraus ergeben sich weitere Schwierigkeiten beim Abschrecken; Aber selbst wenn die Abschreckbehandlung möglich ist, ist die Verarbeitbarkeit nach dem Tempern außerordentlich schlecht und die verformten Endprodukte weisen sehr ungünstige Eigenschaften auf.

In der USA.-Patentschrift Nr. 2 379 434 wird eine Kupfer-Thalliumlegierung beschrieben, welche 2 bis 35 f° Thallium enthält und für Lagermetalle mit geringer. Reibung verwendet wird. Die elektrische Leitfähigkeit und—die Wärmeleitfähigkeit dieser Legierung ist jedoch infolge des hohen..Thalliumgehaltes außer-

ordentlich schlecht, und aus diesem Grund kann eine solche Legierung auch nicht für solche Zwecke eingesetzt werden, wo es insbesondere auf eine hohe elektrische, und eine hohe Wärmeleitfähigkeit ankommt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, hochleitfähige Kupferlegierungen zur Verfügung zu stellen, welche nicht nur befriedigende Eigenschaften bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sondern gleichzeitig eine mög-, liehst hohe Erweichungstemperatur zeigen und sich außerdem leicht herstellen lassen.

Biese Aufgabe wird durch die Erfindung mittels neuer Kupfer-

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Thalliumlegierungen gelöst.

' Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf hochleitfähige Kupferlegierungen, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß sie aus ,0,005 bis 0,9 $ Thallium, Rest Kupfer und herstellungsbedingte Verunreinigungen bestehen.

Die erfindungsgemäßen Thallium-Kupferlegierungen lassen sich durch übliches Erschmelzen, Vergießen und durch übliche Verarbeitungsmethoden sehr leicht herstellen. Es werden keine besonderen Wärmebehandlungen, wie ein Abschrecken, benötigt, und außerdem lassen sich diese Legierungen, ausgezeichnet zu den Endprodukten verarbeiten. Insbesondere weisen die erfindungsgemässen Kupfer-Thalliumlegierungen eine._ausgezeichnete Wärmebeständigkeit auf, was sich aus einerErweichungstemperatur von 420 bis 45O⁰C nach einer halbstündigen Behandlung bei dieser Temperatur ergibt. Die Zugfestigkeit ist sehr hoch und liegt im allgemeinen im Bereich von 36 bis 40 kg/mm , und außerdem zeigen diese Legierungen eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, welche im Bereich von etwa 97-bis 99 # IACS liegt. Die erfindungsgemäßen Legierungen eignen sich daher besonders gut als Leitermaterialien, beispielsweise für Stromwender ^:und Rotorspulen und außerdem zur Herstellung von Kernstücken für Radiatoren von Automobilen und Klimatisierungsanlagen, d.h. für Anwendungsgebiete, wo eine Wärmebehandlung erforderlich 1st, wie ein Weich- oder ein Hartlöten, um auf diese Weise Anlagen zusammenzubauen.

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Die Gründe für die Begrenzung des Thalliumgehalts bei den erfindungsgemäßen Legierungen auf einen Bereich von 0,005 bis 0,9 i° sind die folgenden? In dem Maß, wie der Thalliumgehal.t ansteigt, nimmt auch die Wärmebeständigkeit und die Festigkeit ohne wesentliche Beeinträchtigung der Leitfähigkeit zu, aber { 'bei einem Thalliumgehalt unter 0,005 °h ist diese günstige ■Wirkung nicht ausgeprägt genug, während bei Thalliumgehalten von oberhalb 0,9 i° keine weitere Verbesserung in Bezug auf die

keit/
Wärmebeständig/^erwartet werden kann. Außerdem erhöhen sich durch einen Thalliumgehalt von mehr als 0,9 $> die Produktionskosten, da ^Thallium ein sehr teures Metall ist. Andererseits führt eine Erhöhung des Thalliumgehaltes zu einer Verminderung der elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit. In allen

keit/

Fällen, wo es" auf eine hohe Wärmebeständig/ und eine hohe mechanische Festigkeit sowi'e auf ausgezeichnete" Eigenschaften bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit.und der Wärmeleitfähigkeit ankommt, wird daher der Thalliumgehalt der neuen Legierungen zweckmäßig im Bereich von 0,01 bis. 0,08 fo gehalten.

Für die Herstellung der Legierungen kann reines Kupfer verwendet ,werden, beispielsweise hammergares Kupfer, Elektrolytkupfer und sauerstofffreies Kupfer. Außerdem eignet sich ein desoxidiertes Kupfer, welches unter Verwendung von festen Desoxidationsmitteln, wie Phosphor, Lithium, Silicium, Calcium, Zink, Aluminium, Ger und Magnesium,hergestellt worden ist.

Die Wahl des Ausgangsmaterials richtet, sich nach den speziellen Anwendungszwecken der erfindungsgemäßen Legierungen.

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Falls das desoxidierte Kupfer noch geringe Mengen der angewendeten festen Desoxidationsmittel enthält, so ergeben sich daraus keine Nachteile für die erfindungsgemäßen Legierungen.

Für spezielle Anwendungszwecke, bei denen die Legierung im Hochvakuum oder in einer reduzierend wirkenden Atmosphäre angewendet wird, setzt man zweckmäßigerweise sauerstofffreies Kupfer oder desoxidiertes Kupfer als Ausgangsmaterial ein, um mögliche schädliche Nebenwirkungen des Sauerstoffgehaltes zu vermeiden.

Die erfindungsgemäßen Legierungen lassen sich in üblicher Weise durch Erschmelzen, Gießen und anschließendes Heiß- oder Kaltwalzen zu Endprodukten in beliebiger Form.verarbeiten. Das Thallium wird zweckmäßig während des Schmelz^—oder Gießvorganges in Form einer Vorlegierung aus Kupfer und Thallium mit. einem Thalliu-mgehalt von 30 bis 40 $ zugesetzt.

Um besonders gute elektrische und thermische Leitfähigkeits-

keit/ eigenschaften und zugleich eine hohe - Wärme beständig/ und hohe mechanische Festigkeit zu erzielen, wird es bevorzugt, einen Gußbarren oder einen Massel aus der erfindungsgemäßen Legierung auf eine Temperatur von 900 bis TOOO⁰C zu erwärmen, sie anschließend warmzuwalzen und dann während des weiteren Kaltabwalzens bei einer Temperatur von 400 bis 55O⁰C zwischenzuglühen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von einigen Beispielen noch näher erläutert. Erfindungsgemäße Legierungen und im Handel erhältliche Legierungen mit den in Tabelle I angegebenen

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chemischen Zusammensetzungen werden in Formen aus Gußeisen mit Abmessungen von 30 mm Dicke, 100 mm Breite und 200 mm Länge vergossen und die so erhaltenen Gußbarren werden in einem Elektroofen auf 95O⁰C erwärmt. Anschließend werden sie direkt zu Blechen mit einer-Dicke von 4 mm warmgewalzt und diese Bleche werden in einer 50prozentigen Salpetersäurelösung gebeizt, um die Oxidschicht auf der Blechoberfläche zu entfernen. Anschließend walzt man kalt bis zu einer Dicke von 2 mm, führt dann eine Zwischenglühung bei 500⁰C in einem Stickstoffstrom während einer Stunde durch, walzt weiter bis zu einer Dicke von 0,7 mm kalt ab, glüht in der vorstehend beschriebenen Weise nochmals zwischen und führt eine nochmalige Kaltabwalzung bis zu einer Enddicke von 0,5 mm durch.

Für das vorstehend -beschriebene Gießverfahren wird ein 'Gußtiegel auf Graphit der üblichen Art verwendet, welcher mittels Hochfrequenzinduktionsstrom aufgeheizt wird. Die in Tabelle I angeführten Legierungen Nr. 1 bis 8 wurden gegossen, indem man den Tiegel und den Verteiler vollständig mit Kohlepulver überdeckte und außerdem eine Schutzschicht.von Inertgas anwendete um s-icherzustellen, daß sich die gesamte Schmelze praktisch in einer nichtoxidierenden Atmosphäre befand. Bei den erfindungsgemäßen Legierungen Nr. 9 bis 19 und bei den handelsüblichen Legierungen Nr. 20 bis 21 wurde dagegen das Erschmelzen und das Gießen an der Luft ohne eine Schicht aus Kohle durchgeführt, wobei . bei den erfindungsgemäßen Legierungen Nr. 12 bis 19 und bei der handelsüblichen Legierung Nr. 20 noch ein Desoxidationsmittel zugesetzt wurde.

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Der Sauerstoffgehalt bei den erfindungsgemäßen Legierungen Nr. bis ii und bei der handelsüblichen Legierung ¹Nr. 21 entspricht etwa demjenigen von hammergarem Kupfer, während der Sauerstoffgehalt der anderen Legierungen niedriger ist. Die erfindungsgemäßen Legierungen Nr. 12 bis 19 und die handelsübliche Le- . gierung Nr. 20 enthalten außerdem noch..eine geringe Menge des Desoxidationsmittels.

Die Eigenschaften dieser Legierungen wurden bestimmt und die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengefaßt. Bei allen für diese

₍ Messungen verwendeten Blechstreifen betrug die durch Kaltwalzen erzielte Dickenverminderung 30 %. Unter "Erweichungstemperatur" in Tabelle II wird diejenige Temperatur verstanden, bei welcher

. der Meßstreifen nach halbstündigem Erhitzen und Abkühlen auf Normaltemperatur eine Zugfestigkeit aufweist, welche dem Mittelwert der Zugfestigkeit vor dem Erhitzen und nach vollständigem Lösungsglühen entspricht.

Aus den Zahlenderten von Tabelle II ergibt sich, daß die erfindungsgemäßen Legierungen nicht nur eine ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweisen, sondern auch ohne jegliche Wärmebehandlung

keit/
eine hohe Wärmebeständig/"""³^^*¹· Außerdem wird durch diese Zahlenwerte bestätigt, daß die Eigenschaften der erfindungsgemässen Legierungen nicht dadurch beeinträchtigt werden, wenn sie noch geringe Mengen eines Desoxidationsmittels enthalten, welches infolge des Gießvorganges praktisch unvermeidlich und an sich auch üblich ist.

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Legierungstyp

Tl

Tabelle I

Zusammensetzung

Cd

Ag Verunreinigungen Cu

Gemäß Erfin- Nr.'1 dung _{H 2}

Verwendung
von sauerstofffreiem
Kupfer

Nr.3

4 5 6 7 8

0,005 0,009 0,02

0,04

0,06

0,08

0,2

0,9 O...0,0005 O...0,0004 O...0,0006

O...0,0005 O,..0,0005 O...0,0004 O...0,0004 O..„0,0006

Il Il Il Il Il

Verwendung \
von sauerstoffhaltigem
Kupfer 11

9 10

0,005

0,05

0,09 0... 0,02 0...0,05 0.. .0,05\

12

0,05

	13	0,05
	14	0,05
Verwendung von des- oxidiertem Kupfer	15 16	0,05 .0,05
	17	0,05
	18	0,05
	19	0,05
Handelsüb liche Le gierungen	20

Ο.. .0 3». . .0

0. . .0 Li...0

0.. .0 *Si...0

0.. .0 Mg...0

0. ..0 Zn...0

0.. .0 Α1...0

0.. .0 Ca...0

0.. .0 Ce...0

,0003 ,004

,0005 ,005

,0004 ,002

,0006 ,002

,001 ,02

,0005 ,005

,0004 ,004

,002 ,01

0,2 0...0,0002 P,..0,02

0,15 0...0,05

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Tabelle II

Eigenschaften.

Legierungstyp

Zugfestig- Streck- Dehnung, Erwei- Bearbeit- elekkeit, grenze in 50 mm chungs- barkeit trische kg/mm^ 0,2$ fo temperatur, oc

ext.,
kg/mm

Leitfähig keit, o IACS

gemäß Er findung Nr. 1	35,6	33,2	8,0	420	ausge zeichnet	gut	99
2	36,1	33,8	7,8	-^ 430	Il	mittel mäßig	99
3	36,5	33,9 .	7,7	430	η	99
4	36,6	34,1	7,8	430	tt	99
5	36,8	34,2	7,2	430	tt	99
6	^v 36,9	34,2 .	6,9	430	tt	99,
7	37,0	34,4	' 6,4	440		98
8	39,7	36,5	6,0	450	It	97
9	35,4	'32,0	7,5	410	Il	99
10	' 36,5	32,9	7,0	420.	H	99
11	36,8	34,0	6,0	430	It	99
. 12	36,9	34,8	7,6	440	It	96
13	36,5	34,2	7,8	430	It	99 ·
14	36,8	34,6	7,5	430	tt	98 ■
15	36,9	34,5	7,1	440	tt	98
16	36,4	34,3	7., 2	430	tt	99
17	36,8	34,5	7,0	"430	It	97
18	36,9	34,5	7,4	430	N	99
19	36,7	34,4,	7,3	430	tt	99
Handels übliche Legie rungen 20	38,4	37,6	3,0	370	85
21	34,0	32,5	2,1	350	98 .

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Claims

Patentansprüche

1. Hochleitfähige Kupferlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,005 bis 0,9 $ Thallium, Rest Kupfer, und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.

2. Hochleitfähige Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,01 bis 0,08 $ Thallium enthält.

3. Hochleitfähige Kupferlegierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie hammergares Kupier mit einem Sauerstoffgehalt von 0,02 bis 0,05 $> enthält.

4. Hochleitfähige Kupferlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie desöxidiertes Kupfer mit geringen Restmengen des Desoxidationsmittels, nämlich Phosphor, Lithium, Silicium, Magnesium, Zink, Aluminium, Calcium und/oder Cer, enthält.

5. Hochleitfähige Kupferlegierung nach Anspruch 1 und 2, da-'durch gekennzeichnet, daß sie sauerstofffreies Kupfer enthält.

6. Verfahren zur Herstellung hochleitfähiger Kupferlegierungen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Thallium in Form einer 30 bis 40$ Thallium enthaltenden Kupfer-Vorlegierung zugesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet-, daß die Kupferlegierung nach dem Vergießen zu Gußbarren auf eine Temperatur im Bereich von 900 bis.1000⁰C erhitzt, warmgewalzt und

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anschließend zwischen den Kaltwalzstichen auf Temperaturen von 400 bis 55O⁰C zwischengeglüht wird.

8. Verwendung der Kupferlegierung nach Anspruch 1 bis 8 mit einem Thalliumgehalt von 0,01 bis 0,08 $ zur Herstellung von Wärmeaustauscherelementen.

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