DE2146465A1

DE2146465A1 - Kupferlegierung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2146465A1
Application number: DE19712146465
Authority: DE
Inventors: Jacob Hamden; Ford James A. North Haven; Conn. Crane (V.St.A.). C22c 9-06
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1970-10-05
Filing date: 1971-09-16
Publication date: 1972-04-06
Also published as: NO134262C; BE773513A; AU3300471A; FR2111017A5; DE2146465B2; JPS5126888B1; CA960556A; IT939412B; NO134262B; CH576000A5; GB1350791A

Description

¹¹ Kupferlegierung und Verfahren zu ihrer Herstellung "

Priorität: 5. Oktober 1970, Y.St.A., Anm.lir. 78 219

Kupferlegierungen werden in grossem Ausmass grosstechnisch hergestellt und für die verschiedensten Zwecke angewendet. Es wäre sehr erwünscht, Kupferlegierungen mit hoher Festigkeit in kaltgewalztem Zustand und ausserdem guter Dehnbarkeit und Verformbarkeit zur Verfügung zu haben. Selbstverständlich sollen solche Legierungen auch wirtschaftlich attraktiv sein und zwar sowohl im Hinblick auf die reinen Materialkosten als auch im Hinblick auf die Herstellungsmassnahmen.

!Typische im Handel erhältliche Kupferlegierungen mit hoher Pestigkeit im kaltgewalzten Zustand zeigen jedoch nur eine niedrige Dehnbarkeit, d.h. eine Dehnung von weniger als 2 Prozent bei Dickenminderungen von 50 Prozent oder mehr.

sind zwar Kupferlegierungen bekannt, welche eine hohe Festig-

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keit im kaltgewalzten Zustand mad eine wesentlich verbesserte Verformbarkeit aufweisen. Leider werden jedoch die Festigkeitseigenschaften, wie es auch sonst bei Kupferlegierungen üblich ist, durch die Einwirkung von hohen Temperaturen verschlechtert. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Kupferlegierungen zur Verfügung zu stellen, welche diese Mangel nicht aufweisen, welche sich jedoch bequem, schnell und in einfacher Weise in grosstechnisch em Maßstab herstellen lassen. Ausserdem ist es das Ziel der Erfindung, Massnahmen zur Verfügung zu stellen, mittels deren die Festigkeitseigenschaften wieder hergestellt werden können, welche durch die Einwirkung hoher Temperaturen verloren gegangen sind und/oder ein solches Erweichen des Materials zu verzögern, d.h., diejenige Temperatur zu erhöhen, bei welcher derartige Erweichungserscheinungen einsetzen. Es ist weiterhin das Ziel der Erfindung, Massnahmen dieser Art zur Verfügung zu stellen, welche es nicht erforderlich machen, eine Kaltbearbeitung der Legierung vorzunehmen.

Die erfindungsgemässe Kupferlegierung enthält

A) 2,0 bis 6,0 Prozent Aluminium und 1,0 bis 4,0 Prozent Silicium oder

B) 2,0 bis 6,0 Prozent Aluminium und 3,0 bis 5,0 Prozent Germanium,

jeweils in Form einer gesättigten festen Lösung in der Kupfermatrix sowie

C) 0,01 bis 5 Prozent Eisen und/oder Nickel und/oder Kobalt

^: . und/oäer Zirconium in Form eines Zwischenstuf engefüge s mit

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stabilen, an diesen Legierungszusätzen angereicherten Ausscheidungen, Rest Kupfer sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung einer Kupferlegierung der vorstehend genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass eine die Bestandteile A und C bzw. B und C in den angegebenen Mengen enthaltende feste Kupferlegierung auf eine Temperatur von mindestens 700⁰C unter Bildung einer Lösung der Komponenten A oder B erhitzt wird, und dass sie anschliessend mindestens 5 Minuten lang zur Ausscheidung einer an der Komponente C angereicherten Phase bei Temperaturen von 300 bis 65O⁰C gealtert wird.

Mittels der erfindungsgemässen Legierungen und des vorstehend erläuterten Herstellungsverfahrens lassen sich eine Reihe sehr wesentlicher Vorteile verwirklichen. So ist es möglich, die durch die Einwirkung hoher Temperaturen verminderten Pestigkeitseigensehaften nur durch eine thermische Behandlung und ohne eine Kaltbearbeitung wieder herzustellen. Wenn man beispielsweise einen Schweissvorgang durchführt, so ist die Schweisszone weich. Gemäss der Erfindung lassen sich jedoch die verlorengegangenen Eigenschaften wieder herstellen. Bei vielen Anwendungszwecken erfolgt ein Festigkeitsverlust infolge der Herstellungsverfahren und der Bedingungen beim tatsächlichen Gebrauch. Mittels des vorstehend erläuterten Verfanrens der Erfindung ist es möglich, die verminderten Festigkeitseigensehaften wiederherzustellen oder zumindest den Festigkeitsverlust wesentlich zu verzögern, indem ' man entweder diejenige Temperatur, bei welcher ein solcher

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Festigkeitsschwund auftritt, erhöht oder den Zeitabschnitt, nach welchem ein solcher Festigkeitsverlust zu beobachten ist, verlängert .

Diese Vorteile werden mittels des vorstehend erläuterten einfachen Verfahrens erzielt, welches sich ohne Schwierigkeiten im technischen Maßstab durchführen lässt.

Üblicherweise werden bei Kupferlegierungen, die im kaltgewalzten Gefügezustand eingesetzt werden, bestimmte Grenzen bezüglich der noch zulässigen einwirkenden !Temperatur beobachtet, bei welcher eine Erweichung einsetzt. (Regenerierung und Rekristallisation finden statt.) Diese Temperatureinwirkung vermindert die Pestigkeit. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird vor der Kaltbearbeitung eine Lösungsbehandlung durchgeführt, wodurch sich die Temperatur erhöht, bei welcher eine Erweichung des Materials beobachtet wird.

Demgemäss zeigen die erfindungsgemässen Legierungen ein ausgezeichnetes Verhalten bezüglich des Härtens im bearbeiteten Zustand, wodurch hohe Streckgrenzen und Zugfestigkeiten zugleich mit einer hohen Verformbarkeit erzielt werden. Für einen bestimmten Dehnungsgrad zeigen daher die erfindungsgemässen Legierungen im kalt nachgewalzten Gefügezustand sehr hohe Festigkeiten. Sie lassen sich ausserdem sehr gut heisswalzen und kaltwalzen, und ausserdem sind die Herstellungs- und Bearbeitungskosten relativ niedrig.

im Hinblick auf ihre ausgezeichneten Eigenschaften können die

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erfindungsgemassen Legierungen in breitem Umfang für technische Zwecke eingesetzt werden. Beispielsweise kann man leicht eine Legierung herstellen, welche bei einer Dehnung von 3 Prozent eine Festigkeit beim Bruch von 77»34- K /mm aufweist. Ausserdem werden bei den erfindungsgemassen Legierungen im allgemeinen auch noch andere wünschenswerte Eigenschaften beobachtet. Infolge der sehr erwünschten Kombination aus hoher !Festigkeit und hoher Verformbarkeit in kalt nachgewalztem Gefügezustand zeigen diese Legierungen eine bessere Verformbarkeit Im " Vergleich zu üblichen im Handel erhältlichen Standardlegierungen. Ausserdem haben die erfindungsgemassen Legierungen auch eine gute Verformbarkeit in geglühtem Zustand, und die Herstellungskosten sowie die Materialkosten sind gering.

Die Kombination der Legierungszusätze A, d„h. von 2,0 bis 6,0 Prozent Aluminium und von 1,0 bis 4_t0 Prozent Silicium/bzw. .der Legierungszusätze B, d.h. von 2,0 bis 6,0 Prozent Aluminium und von 3,0 bis 5,0 Prozent Germanium, ermöglicht es, die Stapelfehlerenergie des Kupfers bis auf 3 erg/ cm herabzusetzen.

Vorzugsweise enthalten die erfindungsgemassen. Legierungen 2,5 bis 4,0 Prozent Aluminium sowie 1,5 bis 3,0 Prozent Silicium.

Die Legierungszusätze müssen in der Kupfermatrix in einer praktisch vollständig gesättigten Lösung vorliegen, d.h., die Menge der Legierungszusätze muss so gewählt werden, dass das Kupfer an ihnen vollständig gesättigt ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass einmal die Stapelfehlerenergie einen Minimumswert

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annimmt und dass andererseits eine maximal hohe Festigkeit erhalten wird. Um diesen Sättigungszustand zu erreichen, kann auch ein Überschuss der Legierungszusätze verwendet werden. Ein solcher Überschuss scheidet sich dann als zweite Gleichgewichtsphase aus. Bei den erfindungsgemässen Legierungen soll jedoch diese zweite Gleichgewichtsphase in einer Menge von weniger als 20 Volumenprozent vorhanden sein. Das bedeutet, dass die Primärphase eine gesättigte feste Lösung der Legierungszusätze in der Kupfermatrix darstellt, und dass es sich bei der zweiten Phase um eine Ausscheidung einer zweiten Gleichgewichtsphase handelt, welche dem speziellen Legierungssystem entspricht.

Zusätzlich zu den vorstehend genannten Legierungskombinationen A und B enthalten die erfindungsgemässen Kupferlegierungen noch mindestens ein Übergangselement, nämlich Eisen, Nickel, Kobalt oder Zirconium in Mengen von 0,01 bis 5,0 Gewichtsprozent und vorzugsweise von 0,1 bis 2,0 Prozent. Diese weiteren Legierungszusätze verzögern das Kornwachstum bei erhöhten !Temperaturen, und erhöhen dadurch die Festigkeit im geglühten Gefügezustand. Ausserdem wird durch ihren Zusatz erreicht, dass sich die Bereiche bezüglich der Zusammensetzung und der !Temperatur verbreitern, innerhalb welcher die Eigenschaften im vergüteten geglühten Zustand relativ konstant bleiben. Bei einem vorgegebenen Ausmass an Kaltbearbeitung erhöhen diese Legierungszusätze G ausserdem im allgemeinen die Zugfestigkeit.

Es ist im Rahmen der Erfindung von Bedeutung, dass diese vor stehend genannten Übergangselemente nach der Lösungsbehandlung und der Alterungsbehandlung . *n Form eines Zwischenstufen-,

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gefüges mit stabilen an diesen Legierungszusätzen angereicherten Ausscheidungen vorliegen. Auf diese Weise können die durch die Einwirkung hoher Temperaturen verlorengegangenen Festigkeits-

^enschaften wiedergewonnen werden und ausserdem verzögert sich das Eintreten einer Erweichung, wenn das Material mittleren Temperaturen ausgesetzt ist.

Die erfindungsgemässen Legierungen können mittels üblicher Methoden "bearbeitet werden, beispielsweise durch Warmwalzen, Kaltwalzen und Zwischenglühen.

Eine Stufe des erfindungsgemässen Verfahrens besteht in einer bei Temperaturen von mindestens 700 ö durchgeführten Lösungsbehandlung, wodurch die Zwischenphase, welche das Übergangs-.element enthält, in der Kupfermatrix in Lösung geht und dadurch die Voraussetzung dafür geschaffen wird, dass diese Zwischenphase bei der anschliessenden Alterungsbehandlung als ätabile Phase ausgeschieden wird.

Bei einer solchen Zwischenstufengefügephase handelt es sich um eine Phase in einem Legierungssystem, deren Zusammensetzung sich nicht auf ;jede darin vorhandene reine Komponente erstreckt. Diese Zwischenstufengefügephase ermöglicht es insbesondere, die verlorengegangenen Festigkeitseigenschaften wiederherzustellen·

Die Lösungsbehandlung soll bei einer Temperatur von mindestens 700⁰C durchgeführt werden. Palis das Material in der festen Form behandelt wird, so beträgt die Behandlungszeit mindestens 5 Minuten und die Behandlungstemperatur kann bis zur Temperatur der«

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Soliduskurve erhöht werden, d.h., für ein Aluminium-Silicium-Kobalt-Legierungssystem liegt die Solidus-Temperatur "bei etwa 97O⁰C. Vorzugsweise wird die Lösungsbehandlung etwa 30 Minuten "bis 2 Stunden durchgeführt, obwohl man die Behandlungszeit gewünscht enf alls auch noch verlängern kann. Sobald die Solidus-Temperatur überschritten wird, verlaufen die eine Lösung bewirkenden r.eaktionskinetischen Vorgänge in der. Flüssigkeit selbstverständlich sehr viel rascher als in der festen Phase.

Durch diese Lösungsbehandlung sollen die Legierungszusätze einschliesslich der Komponente C in Lösung gebracht und im wesentlichen in der Kupfermatrix in Lösung gehalten werden. Beispielsweise ist eine sehr langsame Abkühlungsgeschwindigkeit unerwünscht, weil dadurch die Menge des gelösten Legierungszusatzes, welche in der Zwischenphase in Lösung bleibt, verringert wird und sich dadurch die Wirksamkeit der anschliessenden Alterungsbehandlung gleichfalls verringert. Sehr befriedigende Abkühlungs geschwindigkeiten werden durch Kühlung mittels Luft oder durch Abschrecken mittels Wasser erzielt.

Falls die betreffende Kupferlegierung geschmolzen wird, bei spielsweise bei einem Schweissvorgang, dann findet die Lösungsbehandlung praktisch sofort an Ort und Stelle statt, d.h., die an Kobalt angereicherte Zwischenphase geht praktisch sofort in Lösung.

Selbstverständlich können die' Wirkungen einer Lösungsbehandlung auch mittels anderer Verfahrensschritte erzielt werden, z.B. durch ein Warmwalzen oder sie können mittels anderer thermischer

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Behandlungen im Fabrikationsverfahren realisiert werden, "beispielsweise durch einen Schweissprozess oder ein Hartlötverfah- . ren.

Bei der Alterungsbehandlung handelt es sich um eine Warme "behandlung, welche mindestens 5 Minuten lang "bei einer !Temperatur im Bereich von 300 bis 65O⁰O und vorzugsweise im Bereich von 350 "bis 500°0 durchgeführt wird. Selbstverständlich ist diese Wärmebehandlung temperatur- und zeitabhängig, wobei längere Haltezeiten für die niedrigeren Alterungstemperaturen bevorzugt wer-3en. Es hat sich gezeigt, dass mit Verlängerung der Alterungszeiten die Pestigkeitseigenschaften verbessert werden können, aber gleichzeitig die Dehnung abnimmt. Daher muss man die speziellen Behandlungsbedingungen auf die im Endprodukt gewünschten Eigenschaften abstellen.

Die Alterungsbehandlung kann entweder mittels gesonderter Verfahrensstufen oder im Verlauf des üblichen Herstellungsganges oder während der eigentlichen Anwendung erfolgen, beispielsweise kann die Legierung während des Gebrauchs den Alterungstemperaturen ausgesetzt sein oder die Alterung findet während beispielsweise eines WeichlotVorganges statt.

Durch die Alterungsbehandlung wird ein Zwischenstufengefüge mit stabilen_ran den Legierungszusätzen 0 angereicherten Ausscheidungen erhalten.

Selbstverständlich können die erfindungsgemässen Legierungen auch noch wahlweise andere Legierungszusätze enthalten, mit denen

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spezielle wünschenswerte Ergebnisse erzielt werden. Ausserdem enthalten sie neben dem Kupferanteil herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Beispiel 1

Mittels der üblichen Massnahmen des Druckgiessens, des Warmwalzens, Kaltwalzens und einer Zwischenglühung wird eine erfindungsgemässe Kupferlegierung A der nachstehenden Zusammensetzung hergestellt: Aluminlumgehalt 3 Prozent, Siliciumgehalt 2,1 Prozent, Kobaltgehalt 0,4 Prozent und Rest Kupfer. Der Aluminium- und Siliciumzusatz liegt in der Legierung in Form einer gesättigten festen Lösung in der Kupfermatrix vor.

Beispiel 2

Proben der gemäss Beispiel 1 hergestellten erfindungsgemässen Legierung A werden mit einer schmelzgeschweissten Stumpfnaht versehen und weisen dann die nachstehend angegebenen Eigenschaften auf. Die Schweissoperation dient dabei als erfindungsgemässe Lösungsbehandlung und bildet eine kobaltreiche Zwischenphase in der Matrix. Die Eigenschaften dieser Legierung sind wie folgt: Festigkeit beim Bruch (nachstehend auch als USS angegeben) 47,8 k /mm , Streckgrenze bei 0,2 Prozent: 19_}69 k /mm , Dehnung: 15 Prozent.

Diese Legierung wird anschliessend eine Stunde bei 450⁰C gealtert, wodurch die Zwischenphase in Form von stabilen^ an Kobalt angereicherten Ausscheidungen erhalten wird, welche durch die gesamte Kupfermatrix dispergiert sind. Diese Legierung weist im

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gealterten Zustand die folgenden Eigenschaften auf:

UTS 50,62 k /mm², Streckgrenze bei 0,2 Prozent 28,83 k /mm², Dehnung 15 Prozent.

Beispiel 3

Es werden eine Anzahl von Legierungen gemäss der Arbeitsweise von Beispiel 1 hergestellt, welche jedoch wechselnde Mengen an Kobalt enthalten. So enthält die Legierung B 0,5 Prozent Kobalt, die Legierung C 1 Prozent Kobalt und die Legierung 3D 2 Prozent Kobalt.

Alle Legierungen werden eine Stunde lang einer Lösungsbehandlung bei Temperaturen von 900 bzw. 950°C unterworfen und weisen die in der nachstehenden Tabelle I aufgeführten Eigenschaften auf.

Anschliessend werden diese Legierungen entweder 30 Minuten lang oder 24 Stunden lang (vergleiche Tabelle I) einer Alterungsbehandlung bei 450 C unterworfen. Die Legierungen weisen dann die in Tabelle I angegebenen Eigenschaften auf.

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Tabelle I

Legie rung	Lösungs- behandlung bei ⁰C	Alterungs zeit, Std.	UTS, ^; k / mm	*) Festigkeit beim Bruch	Streck grenze	Dehnung, i°
B	900		46,40	14,77	55
B	900	1/2	49,91	21,80	52
B	900	24	50,62	26,72	36
C	950	—'	43,59	14,06	60
C	950	1/2·	50,62	25,31	36
C	950	24	52,03	30,23	32 '
D	950	—	44,29	14,77	51
D	950	1/2	54,14	29,53	40
D	950	24	56,25	37,26	30

Beispiel 4

Die Legierung A von Beispiel 1 wird um 60 Prozent mittels einer Kaltbearbeitung in der Dicke vermindert und dann eine Stunde lang bei Temperaturen von 200⁰C bzw. 300⁰G bzw. 400⁰C geglüht. Die nachstellend in Tabelle II angegebenen Eigenschaften erläutern die Tatsache, dass eine einstündige Wärmebehandlung bei 400⁰C zu schwerwiegender Erweichung führt. Im Vergleich dazu wurden die Legierungen B, C und D vor einer Dickenminderung um 50 Prozent durch Kaltbearbeitung eine Stunde lang bei 900 bzw. 95O⁰C einer Lösungsbehandlung unterworfen. Erst anschliessend behandelte man "Sie bei Temperaturen von 200 bzw. 300 bzw. 400⁰C. Die in Tabelle II angeführten Eigenschaften der Legierungen be-

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stätigen, dass mittels der erfindungsgemässen Massnahmen wesentlich verbesserte Eigenschaften erzielt werden. In diesem Zusammenhang ist auch noch zu bemerken, dass die Legierungen B, C und D jeweils 2 Stunden lang bei den angegebenen Temperaturen behandelt worden sind, die Legierung A dagegen nur 1 Stunde lang. Trotz dieser längeren Behandlungszeit, welche die Erweichung der Legierung noch fördern sollte, d.h., dass man eine stärkere Erweichung beobachten müsste, zeigen die erfindungsgemässen Legierungen B, C und I) eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber solchen Erweichungserscheinungen.

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Claims

2H6A65 - 15 Patentansprüche

1. Kupferlegierung, enthaltend

A 2,0 "bis 6,0 Prozent Aluminium und 1,0 "bis 4,0 Prozent Silicium oder

B 2,0 bis 6,0 Prozent Aluminium und 3,0 bis 5,0 Prozent Germanium

jeweils in Form einer gesättigten festen Lösung in der Kupfermatrix, sowie

C 0,01 bis 5 Prozent Eisen und/oder Nickel und/oder Kobalt und/oder zirconium in Form eines Zwischenstufengefüges mit stabilen, an diesen Legierungszusätzen angereicherten Ausscheidungen, Rest Kupfer sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 2,5 bis 4,0 Prozent Aluminium enthält.

3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 1,5 bis 3,0 Prozent Silicium enthält.

4. Kupferlegierung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,1 bis 2 Prozent der Komponente C enthält.

5. Kupferlegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Komponente C Kobalt enthält.

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6. Verfahren zwr Herat el] ting einer Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Bestandteile A und C "bzw. B und C in den angegebenen Mengen enthaltende feste Kupferlegierung axif eine Temperatur von mindestens 700 G unter Bildung der Lösung der Komponenten A oder B erhitzt" wird, und dass sie ans chi ie s send mindestens 5 Minuten lang zur Ausscheidung einer an der Komponente C angereicherten Phase bei Temperaturen von 300 bis 65O⁰C gealtert wird.

7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Legierung nacli der Lösungsbehandlung an der Luft abkühlt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Legierung nach der Lösungsbehandlung mit Wasser abschreckt.

9· Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Alterungsbehandlung bei Temperaturen von bis 500⁰C durchführt.

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