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KUPFERLEGIERUNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Ni@@te@senhüttenwesen,
insbesondere auf Kupferlegierungen.
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Diese Erfindung kann eine breite Verwendung in der elektrotechnischen
Industrie, zum Beispiel zur Herstellung von Stromleitern a@s Draht kleineren Querschnitts
mit einer hinreichend hohen elektrischen Leitfähigkeit finden, welche mechanisch@mäßig
beansprucht werden.
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Stromleiter werden fast immer aus Kupfer und Kupferlegierungen hergestellt.
Doch weist reines Kupfer bei einer hohen Leitfähigkeit (nach dem Absolutwert der
spezifischen Leitfähigkeit steht Kupfer an zweiter Stelle hinter dem Silber) eine
niedrige mechanische Festigkeit auf.
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Es ist möglich, die mechanische Festigkeit von Kupfe@
durch
Kaltverfermen zu steigern, jedoch hat das reine Kupfer wegen der niedrigen Rekristallisationsanfangstemper@tu@
keine Verwendung zur Herstellung von Werkstücken gefunden, welche einer Erwärmung
unterwerfen werden. Es wurde auch festgestellt, daß zur Erhöhung der mechanischen
Festigkeit und der Rekristallisationsanfangstemperatur Kupfer mit verschiedenen
Legierungselementen zusätzlich legiert worden muß, doch wird dabei ein Abfall der
Leitfähigkeit beobachtet. Bs ist folgerichtig anzunehmen, daß je mehr Legierungselemente
in eine Kupferlegierung eingeführt werden, deste deutlicher die Verfestigung der
Legierung beohachtet und desto bedeutender ihre Leitfähigkeit herabgesetzt wird.
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Allerdings hat die Praxis bei der Entwicklung von nied@@@-legierten
Kupferlegierungen gezeigt, daß bestimmte Abweichungen von den bestehenden Gesetzmäßigkeiumvorkommen,
daß heißt, daß die Einführung <in die Legierung> von Legierungsel@m@ntea <
> nicht immer zu einer Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften führt, während
die Leitfähigkeit dieser Legierung herabgesetzt wird.
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So ist es bei der Entwicklung einer neuen upterlegierung mit vorgegebenen
Eigenschaften nötig, eine oveatuelle Ver-
schlechterung des Leitwerts unbedingt-zum Beizpiel durch die Erhöhung des mechanischen
Festigkeitswertes-auszugleichen.
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Es ist eine Reihe von Kupferlegierungen mit Chrom- und Zirkoniomzusätzen
bekannt (britische Patentschrift 921795; USA-Patentschrift 3194655; Zacharow, M.@.
"Metallowedenie i obrabotka metallow" (M.B. @@@@@@@. "@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@-
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########"), Nr.5, 1956, S.52; Sudzuki, Nichen kindzoku rackaissi, 1969, 33, Nr.5,
S.628). Diese Legierungen unterscheiden sich von anderen Kupferlegierungen für Stromleiter
durch erhöhte Festigkeits- und Leitfähigkeitswerte. Außerdem übersteigt die Hitzebeständigkeit
der genannten Legierungen wesentlich die entsprechenden Eigenschaften der bekannten
Chrom- und Zirkoniumbronzen. Doch erlaubtes das Niveau der mechanischen und elektrischen
Eigenschaften der Chrom- und Zirkoniumbronzen nicht, diese für.eine ganze Reihe
von Erzeugnissen der elektrotechnischen Industrie zu verwenden.
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So weist, zum Beispiel, eine Legierung mit 0,3 Gew.% Zirkonium und
0,34 Gew.% Chrom, Rest Kupfer nach einer wärmemechanischen Behandlung inklusive
abschrecken von 9500C, Ziehen auf 6o und Ausscheidungshärten bei 450 0q während
einer Stunde folgende Eigenschaftswerte auf: Zugfestigkeit ### 48 kp/mm² elektrische
Leitfähigkeit # 83%, bezogen auf die von Kupfer (Hao Tarora, Takami Maruta, J.Japan
@nst. of Metals, v. 25, Bo. 10, 1961, p. 615).
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Die zur Zeit bekannten Kupferlegierungen haben also eine hinreichend
hohen Leitwert, während ihre mechanischen Eigeaschaften den an sie bestellten @nforderungen
nicht entsprechen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, des Gefügeemer
Kupferlegierung auf solche Weise zu verändern, daß die kupferlegierung unter Beibehaltung
einer hohen elektrischen Leitfähigkeit auch hohe mechanische Eigenschaf ten aufeist,
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß iriene Kupferlegierung,
welche
0,01 bis 0,8 Gew.% Chrom und 0,01 bis 0,6 Gew.% Zirkonium enthält, zusätzlich 0,01
bis 0,6 Gew.% Le-
gierungszusätze eingeführt sond, wobei es bei diesen Zu sätzen @m Bor, Silber, Kalzium,
Yttrium, Indium, Zerium, Hafnium handeln kann.
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Die beim komplexen Legieren gewonnene neue Kupferlegierung erlaubt
es, in nicht festem Zustand eine Zugfestigkeit von 60 bis 65 kp/mm2 und eine elektrische
Leitfähigkeit von 83 bis 92%, bezogen auf die von Kupfer, zu gewährleisten.
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Bekanntlich ruft die gemeinsame Einführung von Chrom und Zirkonium
ins Kupfer (zum Beispiel, in die oben erwänhnte Legierung) die Bildung einer feineren
Dispersionsform von Se£undärphasen für Cr und Cr3Zr im Vergleich zu denselben Phasen
in binären Legierungen hervor, was letzten Endes z@ hohen Festigkeits- und Hitzebeständigkeitswerten
von ternäre Legierungen führt.
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Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierungen
mit Zusätzen zu legieren, welche nach ihrem Einfluß auf Legierungen in zwei Gruppen
unterteilt werden können.
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I. Legierungszusätze: Bor, Kalzium, Yttrium, Zerium Diese Elemente
sind in Kupfer schlecht löslich und bilden mit Kupfer und den anderen Legierungselementen
intermetallfeche Verbindungen. Solche Zusätze fuhren zur starken Kornverfeinerung
der Legiorung, binden den Sauerstoff unter Bildung von i Kupfer unlöslichen Oxyden
usw. Die positive Wirkung der Legierungszusätze äußert sich in der Steigerung der
mechanischen
Eigenschaften bei Raumtemperatur und bei Temperaturerhöhung.
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So weist, zum Beispiel, eine tornäre mit Kalzium Legierte Kupferlegierung
eine um 9% höhere Zugfestigkeit bei 250°C als Legierung eine ähnlicher Zusammensetzung,
aber ohne Kalzium zusatz auf.
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II. Legierungszusätze : Indium, Silber, Hafnium Diese Elemente sind
in Kupfer in festem Zustand beschrankt löslich; binäre Kupferlegierungen mit den
genannten Elementen außer Indium weisen eine Verfestigungsneigung beieiner Wärmebehandlung,
auf.
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So kann das Zusammenwirken von drei Zusätzen offeober eine höhere
Verfestigun6 bei der Wärmebehandlung als des Zusammenwirken von Chrom und Zirkonium
allein hervorrufen.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen können lange Erwärmungen bei 250°C
ohne merkliche Entfestigung und ohne Änderung der elektrischen Eigenschaften aushalten.
Gute Fertigungsgerechtheit der Legierung erlaubt es, Drähte bis zu 20 im Durchmesser
herzustellen.
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Auf Grund von Versuchsergehnisser wurde festgestellt, daß das Ninführen
in eine ternäre Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung der. Legierungszusätze unter 0,01
Gew.% zu koiner Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der elektrischen
Leitfähigkeit führt. Das Legieren dieser Legierung mit dem vierten Legierungszusatz
(Indium, Silber, Hafnium) in einer Menge von mehr als 0,6 Gew.% führt zu einem Merklichen
Abfall der elektrischen
Leitfähigkeit.
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Der günstigste Gehalt an Zirkonium und Chrom beti@gt 0,01 bis 0,6
bzw. 0,01 bis 0,8 Gew.%. Die Einführung in die Legierung von Zirkonium oder Chrom
in der Menge unter 0,01 Gew.% erlaubt es nicht, die erforderliche Festgkeitssteigerung
nach dem Ausscheidungshärten eines der Verformung unter zogenen Werkstoffs zu erzielen,
während das Legieren mit einer erhöhten Menge von Chrom und Zirkonium (mehr alS
die bzw 0,6 Gew.%) zu einem heträchtlichen Abfall der elektrischen Leitfähigkeit
der Legierung führt, was bei der Ausnutzung der Legierung als Stromleiter unzulässig
ist.
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Die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Legierung wird durch Normalverfahren
der chemischen und der Spektralamalyse überwacht, welche es gestatten, das Yorhandensein
der erfindungsgemäßen Legierungszusätze in der Legierung fest.-zustellen.
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Die erfindungsgemäße Kupferlegierung, welche 0,01 bis 0,8 Gew.% Chrom,
0,01 bis 0,6 Gew.% Zirkonium, 0,01 bis 0,6 Gew.% Legierungszusätzt (Bor, Silber,
Kalzium, Yttrium, Indium, Zerium, Hafnium), Rest Kupfer enthält, erlaubt es, Erzeugnisse
aus dieser Legierung mit guter Plastizität zu erhalten. Sie läßt die Verformung
zum Beispiel von Draht oLS zu einem Ziehgrad von 10 000 zu, wobei dia relative Brucheinschnütung
beim Zugversuch 75% nicht überschreitet.
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Die aus der erfindungsgemäßen Legierung horgestellten Stromleiter
mit einem Durchmesser unter 0,8 mm behalten ihre hohen nechanischen und elektrischen
Eigenschaften bei erhöhten
Temperaturen bei.
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Die beschriebenen Legierungen werden. nach der Verfestigung durch
Wärmebehandlung im Zustand der Ausscheidungshartung und im festen Zustand verwendet.
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Sonstige Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden des
weiteren an Hand von Herstellungsbeispielen dci Legierungen erläutert.
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Beispiel 1 Als Vergleichslegierung wurde folgende Urlegierung gewählt.
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0,3% Zr und 0,34% Cr, Rest Kupfer. Die Legierung, welche nach folgender
Technologie, und zwar: Abschrecken in Wasser von 950°C, Kaltverformen, Anlassen
bei 450°C während einer Stunde hergestellt ist, weist folgende Eigenschaften auf:
Zugfestigkeit ...... 49 kp/mm² Dehnung .................... 5% elektrische Leitfähigkeit,
bezogen 83% auf Kupfer
Beispiel 2 Eine Legierung nach Beispiel 1 mit einem Borzusatz in der Mange von 0,01%
des Gesamtgewichts nach der im Beispiel 1 beschriebenen Behandlung weist folgende
Eigenschaften auf: Zugfestigkeit ................... 50,2 kp/mm² Dehnung .......................
8% elektrische Leitfähigkeit, bezogen 91% auf Kupfer
Beispiel 3 Legierung, welche 0,01% Chrom, 0,6% Zirkoniu@, @ Kalzium,
Rest Kupfer enthält.
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Nach Abschrecken, Kaltverformen und Anlassen @eist die Legierung
folgende Eigenschaften auf: Zugfestigkeit ........... 52,0 kp/mm² Dehnung ...................
4% elektrische Leitfähigkeit, bezogen 84% auf Kupfer
Beispiel 4 einem Legierung nach Beispiel 1 mit Silberzusatz in der Menge von 0,6%
des Gesamtgewichts. Diese Legierung kann mit der Legierung nach der japanischen
Patentschrift Nr. 1074 vom 18.01.1969 verglichen werden.
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q 2 Legierung nach der Erfindungsgemäße Patentschrift Nr. 1074@,
Legierung Zusammensetzung Chrom nicht mehr Chrom 0,01 bis 0,8% der Legierung als
2,0S Zirkonium 0,5 bis 3,0% Zirkonium 0,01 bis 0,6% Silber nicht uelr als Silber
0,01 bis 0,6% Kupfer Rest Kupfer Rest
1 2 Zugfestigkeit, kp/mm²
65 bis 69 66 bis 7' Elektrische Leitfähigkeit in % bezogen auf Kupfer 64 bis 72
84 bis 87 Anmerkung : die Legierungen sind im kaltverfestigten Zustand geprüft.
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Beispiel 5 Legierung nach Beispiel 1 mit einem Yttriumzusatz in der
Menge von 0,6; des Gesamtgewichts. Nach Abschrecken, Kaltverformen und Anlassen
weist die Legierung folgende Eigenschaften auf : Zugfestigkeit ...................
5 kp/'I:LYn Dehnung - - - 3,0 elektrische Leitfähigkeit, bezogen auf Kupfer 86%
Beispiel 6 Legierung, welche 0,8% Chrom, 0,01% Zirkonium, 0,2% In diuin, Rest Kupfer
enthält.
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Nach Abschrecken, Kaltverformen und Anlassen weist die Legierung
folgende Eigenschaften auf: Zugfestigkeit ..................... 52 kp/mm² Dehnung
........................... 4% elektrische Leitfähigkeit, bezogen 87% auf Kupfer
Beispiel 7 Legierung nach Beispiel 1 mit einem Zeriumzusatz in
der Menge von 0,05% des Gesamtgewichts. Nach Abschrecken, Kaltverformen und Anlassen
weist die Legierung folgende Eigenschaften auf: Zugfestigkeit.........................
51 Dehnung .......................... 5% elektrische Leitfähigkeit, bezogen 84%
auf Kupfer
Beispiel 8
Legierung nach Beispiel 1 mit Hafniumzusatz in der Menge von 0,1% des Gesamtgewichts.
Nach Abschrecken, .tverformen und Anlassen weist die Legierung folgende Eigenschaften
guf: Zugfestigkeit ....................... 53 kp/mm² Dehnung ............................
3% elektrische Leitfähigkeit, bezogen 85% auf Kupfer