DE2116549C3

DE2116549C3 - Verfahren zur Herstellung von Kupferlegierungen, die einen hohen Gehalt an Eisen, Kobalt und Phosphor aufweisen, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig hoher Festigkeit

Info

Publication number: DE2116549C3
Application number: DE2116549A
Authority: DE
Inventors: Elmars Hamden Conn. Ence (V.St.A.)
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1970-04-13
Filing date: 1971-04-05
Publication date: 1979-09-27
Also published as: FR2089440A5; DE2116549B2; JPS525446B1; DE2116549A1; US3698965A; CA934578A; SE369924B; GB1345915A; BE765662A

Description

Es besteht ein großer Bedarf an Kupferlegierungen, die außer hoher elektrischer Leitfähigkeit eine höchstmögliche Festigkeit aufweisen. Derartige Legierungen sind jedoch entweder schwer hersteilbar bzw. verarbeitbar oder relativ teuer. Um den Kupferlegierungen eine hohe Festigkeit zu verleihen, kann man ihnen bekanntlich bestimmte Bestandteile zulegieren. Durch die Zulegierung wird jedoch im allgemeinen die Leitfähigkeit verringert Die Erzielung einer Aushär* tung unter Mischkristallbildung hängt z.B. vom Verbleiben der zulegierten Bestandteile in der Mischkristallphase ab. Dieser Zustand ist jedoch mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit unvereinbar. Auch bei den anderen Maßnahmen zur Festigkeitserhöhung, wie der Ausscheidungshärtung, Dispersionshärtung, der Ordnungs-Fehlordnungs-Umwandlung und der martensitischen Umwandlung sind notwendig zulegierte Bestandteile vorhanden, die im allgemeinen nicht vollständig aus der Kupfermatrix entfernt werden und daher die Legierung vermindern.

So sind aus der US-PS 22 10 670 Kupferlegierungen s für Gußstücke bekanntgeworden, die neben geringen, aber wirksamen, jeweils 5% nicht übersteigenden Anteilen an Kobalt und Eisen noch 0,10 bis 20% Zinn enthalten können und infolge einer Abschreckbehandlung der Gußstücke von Temperaturen oberhalb 750⁰C

ίο sowie einer Ausscheidungsglühung im Bereich von 400 bis 550⁰C in ihren Festigkeitseigenschaften verbessert werden können. Lediglich bei Verwendung dieser Legierungen als Lötlegierungen kann es zweckmäßig sein, 0,05 bis 2% Phosphor zur Schmelzpunkterniedrigung und Erhöhung der Benetzungsfähigkeit zuzulegieren.

Gemäß der US-PS 2147 844 brauchen ausscheidungshärtbare Kupferlegierungen für GcTLiücke mit verbesserten mechanischen und elektrischen Eigenschäften nur die Elemente Kobalt und Eisen, jeweils in Mengen bis zu 5%, als Zusätze zu enthalten, während Anteile an Zinn und/oder Magnesium fehlen und Phosphor nur gegebenenfalls als Desoxidationsmittel dient Die Ausscheidungshärtung erfolgt wiederum durch Abschrecken von Temperaturen oberhalb 750⁰C mit anschließender Glühbehandlung zwischen 450 und 600⁰C

Schließlich sind aus der US-PS 30 39867 ternäre Cu-Fe-P-Legierungen hoher elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit bekanntgeworden, die 2,0 bis 3% Eisen und Phosphor bis maximal 0,04% enthalten und in Form einer Knetlegierung verarbeitbar sind. Sie werden dazu einer Warm- und Kaltwalzung unterzogen, anschließend bei 700 bis 900⁰C lösungsgeglüht, nochmals um 50% kaitverformt und abschließend bei Temperaturen von z. B. 480 bis 600" C ausgehärtet, wodurch das Eisen feinteilig ausgeschieden wird.

Überraschenderweise wurde nunmehr gefunden, daß sich Kupferlegierungen mit einer neuartigen Gefügestruktur herstellen lassen, welche im ausscheidungsgehärteten Zustand nicht die übliche Fe/Co-Phase, sondern komplexe unterschiedliche Verbindungen enthalten und sich dadurch deutlich von üblichen Kupferbronzen unterscheiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Kupferlegierungen, die einen Gehalt an Eisen, Kobalt und Phosphor aufweisen, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig hoher Festigkeit ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Gußbarren aus einer Legierung, bestehend aus 0,2 bis 4% üisen, 0,2 bis 2,5% Kobalt, wobei der Gesamtgehalt an Eisen und Kobalt 1 bis 5% ausmacht, 0,01 bis 0,5% Phosphor sowie 0,1 bis 1% Magnesium und/oder 0,1 bis 1% Zinn, Rest Kupfer und unvermeidliche Verunreinigungen,

a) auf Temperaturen von 700 bis 1000° C erhitzt

b) warmgewalzt,

c) lösungsgeglüht,

d) kaltgewalzt,

e) mindestens eine Stunde bei 250 bis 575° C ausscheidunpgehärtet und

0 abschließend nochmals kaltgewalzt wird.

Die Ausgangslegierung enthält vorzugsweise 0,7 bis 23% Eisen, 03 bis 13% Kobalt und 0,03 bis 0,15% Phosphor.

Die erfindungsgemäß hergestellten Kupferlegierungen weisen überraschend günstige Kombinationen von Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit auf, sind aber

gleichzeitig relativ unempfindlich in bezug auf die bei ihrer Verarbeitung angewendete Abschreckgeschwindigkeit. Daher wird auch die elektrische Leitfähigkeit durch die für die Ausscheidungshärtung durchzuführenden Maßnahmen weniger beeinträchtigt, als es bei bekannten Verfahren der Fall ist

Die Ausgangslegiening kann in üblicher Weise erschmolzen und zu Barren vergossen werden, wobei im Fall von Legierungen mit Eisen- und Kobaltgehalten im oberen Gehaltsbereich höhere Schmelz- und Gießtemperaturen erforderlich sein können im Vergleich zu den ernndungsgemäß zu behandelnden Legierungen, die nur wenig Eisen bzw. Kobalt enthalten.

Man kann z. B. nach dem herkömmlichen Induktionsschmelzverfahren arbeiten, wobei man die Legierungsbestandteile vorzugsweise in Form von Vorlegierungen auf Kupferbasis einsetzt Es stellt einen besonderen Vorteil der erfindungsgemäß zu verarbeitenden Kupferlegierungen dar, daß solche bekannten Schmelzmethoden sowie übliche Schutzschichten für die Schmelze, wie Graphit oder Hafckohle. verwendet werden können. Nach dem Gießen werden die Barren zum Warmwalzen auf Temperaturen von 700 bis 100O⁰C, vorzugsweise 850 bis 975⁰C, erhitzt Die Barren werden vor dem eigentlichen Walzen vorzugsweise mindestens 30 Minuten im vorgenannten Temperaturbereich gehalten. Anschließend werden die Barren in diesem Temperaturbereich bis zu einer zweckmäßigen Dicke warmgewalzt, d. h. das Warmwalzen soll in diesem Temperaturbereich begonnen werden. Es ist nicht wichtig, welche Dickenverminderung beim Warmwalzvorgang erreicht wird. Anschließend wird lösungsgeglüht Nach dem Lösungsglühen kann man die Legit/Ting aufgrund der vorgenannten überraschend niedrigen Empfindlichkeit gegenüber der anzuwendenden Abk ~;hlungsgeschwindigkeit mit jeder beliebigen Geschwindigkeit bis auf Raumtemperatur abkühlen. Es wurde jedoch festgestellt, daß etwas höhere Festigkeitswerte erzielt werden, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit erhöht wird. Nach dem Abkühlen sollen die Legierungen kaltgewalzt werden. Das Kaltwalzen kann in einem oder mehreren Stichen bis zu einer Dickenverminderung von bis 96% durchgeführt werden. Die Temperatur beim Kaltwalzen ist nicht ausschlaggebend, beträgt jedoch im allgemeinen weniger als 200⁰C

Anschließend wird eine Ausscheidungshärtung im Temperaturbereich von 250 bis 575° C durchgeführt Diese Behandlung soll mindestens 1 Stunde, Vorzugs*

Tabelle I

weise jedoch weniger als 50 Stunden dauern. Abschließend wird erneut kaltgewalzt

Zwischen den Kaltwalzstichen kann man die Walzbleche mindestens einmal zwischenglühen. Zu diesem Zweck können sehr gut Band-Glühmethoden angewendet werden, wobei im allgemeinen kurze Behandlungszeiten, d. b. von 15 Sekunden bis 5 Minuten, gegebenenfalls bis zu 1 Stunde, sowie Temperaturen von 250 bis 600⁰C angewendet werden. Man kann jedoch auch

ίο chargenweise glühen, wobei bis zu 24 Stunden bei Temperaturen von 250 bis 575° C geglüht wird. Wenn Zwischenglühungen angewendet werden, beträgt die Gesamtverweilzeit bei der Glühtemperatur für alle Glühungen vorzugsweise unterhalb 30 Stunden. Es ist dabei nicht wichtig, mit welcher Geschwindigkeit die Abkühlung, ausgehend vom vorgenannten Temperaturbereich, durchgeführt wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren erreichen die Kupferlegierungen somit wie erwähnt die gewünschte Kombination aus Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit ohne das Erfordernis einer raschen Abschreckgeschwindigkeit
Das Beispiel erläutert die Erfindung.

Beispiel

a) Es werden mehrere Kupferlegierungen unter Anwendung herkömmlicher, für Legierungen dieses Typs geeigneter Methoden in einem Induktionsofen hergestellt und die Metallschmelze wird mittels eines Inertgases oder reduzierend wirkenden Gases vor dem Sauerstoffzutritt geschützt

Es wird Kupfer (handelsübliche, hochleitfähige, oxidfreie Qualität) geschmolzen, und die Temperatur der Schmelze wird auf etwa 1200 bis 1300⁰C erhöht Anschließend werden Eisen und Kobalt als Metalle zulegiert Nach der vollständigen Auflösung dieser Legierungsbestandteile wird Phosphor in Form einer 10 bis 15% P enthaltenden Kupfer-Vorlegierung in die Schmelze eingetragen. Danach werden der Schmelze erfindungsgemäß Zinn- und/oder Magnesiummetall zugesetzt wobei die Magnesiumzugabe bei etwa 1200⁰C vorgenommen wird. Die Schmelze wird dann etwa 5 bis 10 Minuten bei dieser Temperatur gehalten und während dieser Zeitspanne unter Rühren in Gußeisenformen eingegossen. Die Zusammensetzung der erhaltenen Gußbarren ist aus Tabelle I ersichtlich. Die Legierungen A und C dienen zum Vergleich, sie enthalten weder Sn noch Mg.

Legierung	Anteile, %	Kobalt	Phosphor	Zinn	Magnesium	Kupfer (und un
	Eisen					vermeidliche Ver
						unreinigungen)
		0,7	0,1	-	-	Rest
A (Vergleich)		0,7	0,1	0,4	-	Rest
B		1,5	0,1	-	-	Rest
C (Vergleich)	2,5	1,5	0,1	0,4	-	Rest
D	2,5	1,5	0,1	-	0,4	Rest
E	2,5	1,5	0,1	0,2	0,2	Rest
F	2,5

b) Die Gußbarren werden anschließend bei 980⁰C bis zu einer Dicke von etwa 1,27 cm warmgewalzt, und die Bleche werden anschließend 1 Stunde bei 980⁰C lösungsgeglüht. Danach werden die Bleche einer simulierten technischen Walz-Wärmebehandlung unterworfen, die aus den nachstehenden Stufen besteht:

rasches Abkühlen auf 860° C, 10 Minuten bei 860⁰C, Abschrecken mit Wasser, Kaltwalzen um 70%, 8 bis 16 Stunden Ausscheidungshärten bei Temperaturen von 450 bis 500⁰C und Kaltwalzen um 90%. Die danach

erhaltene Matrix weist eine feine, einheitliche Dispersion der Legierungsbestandteile auf, die komplexe intermetallische Verbindungen enthält Die Eigenschaften der Legierungen sind aus Tabelle II ersichtlich.

Tabelle II	0,2 »/.-Streck	Zugfestigkeit	Bruchdehnung	Elektrische Leit
Legierung	grenze			fähigkeit, % des
	kp/mm²	kp/mm²	%	IACS-Nonnwerts
	58,1	63,0	3	60
A (Vergleich)	64,4	68,6	34	>50
B	59,5	65,8	4,5	60
C (Vergleich)	65,1	70,4	44	>50
D	72,8	78,4	3	>50
E	70,0	74,2		50
F

Die in Tabelle II aufgeführten Wer;e zeigen die A eine um etwa 10% höhere Festigkeit bei einer

überraschend verbesserten Eigenschaften der erfin- ähnlichen Duktilität und nur wenig niedrigerer Leitfä-

dungsgemäß hergestellten Kupferlegierungen. Die higkeit Legierungen D, E und F zeigen gegenüber der

Legierung B besitzt z. B. gegenüber Vergleichslegierung 25 Vergleichslegierung C analoge Vorteile.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Kupferlegierungen, die einen Gehalt an Eisen, Kobalt und Phosphor aufweisen, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig hoher Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gußbarren aus einer Legierung, bestehend aus 0,2 bis 4% Eisen, 0,2 bis 24% Kobalt, wobei der Gesamtgehalt an Eisen und Kobalt 1 bis 5% ausmacht, 0,01 bis 0,5% Phosphor sowie 0,1 bis 1% Magnesium und/oder 0,1 bis 1% Zinn, Rest Kupfer und unvermeidliche Verunreinigungen,

a) auf Temperaturen von 700 bis 1000⁰C erhitzt,

b) wanngewalzt,

c) lösungsgeglüht,

d) kaltgewalzt,

e) mindestens 1 Stunde bei 250 bis 575° C ausscheidungsgehärtet und

f) abschließend nochmals kaltgewalzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit einem Gehalt von 0,7 bis 23% Eisen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit einem Gehalt von 0,3 bis 1,5% Kobalt verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit einem Gehalt von 0,03 bis 0,15% Phosphor verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltwalzen aus einer Mehrzahl von Kaltwalzgängen mit mindestens einer Zwischenglühung besteht, wobei die Zwischenglühung(en) beim Bandglühen bei 250 bis 600⁰C für 15 Sekunden bis 5 Minuten, gegebenenfalls bis zu 1 Stunde, bzw. beim chargenweisen Glühen bei 250 bis 575°C für bis zu 24 Stunden, vorgenommen wird bzw. werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdauer aller Zwischenglühungen weniger als 30 Stunden beträgt

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gußbarren vor dem Warmwalzen mindestens 30 Minuten im Temperaturbereich von 700 bis 100O⁰C gehalten wird.