DE2261298A1 - Kupferlegierung - Google Patents

Kupferlegierung

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DE2261298A1
DE2261298A1 DE19722261298 DE2261298A DE2261298A1 DE 2261298 A1 DE2261298 A1 DE 2261298A1 DE 19722261298 DE19722261298 DE 19722261298 DE 2261298 A DE2261298 A DE 2261298A DE 2261298 A1 DE2261298 A1 DE 2261298A1
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copper
alloy
silicon
zirconium
electrical conductivity
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Application number
DE19722261298
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English (en)
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Andrew R Nicoll
Antony J Dr Perry
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BBC Brown Boveri France SA
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BBC Brown Boveri France SA
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C9/00Alloys based on copper

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Description

  • Kupferlegierung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Legierung bestehend aus den Elementen Kupfer, Zirkon und X, wobei das Symbol X für die Elemente Silicium und Germanium steht.
  • Die Elemente Kupfer-Zirkon-X bilden ein Dreistroffsystem.
  • Dieses Dreistoffsystem weist eine gleichatomige intermetallische Verbindung CuZrX auf, die mit reinem Kupfer eine eutektische Reaktion eingeht. Diese intermetallische Verbindung wird auch E-Phase genannt. Das Dreistoffsystem CuZrX enthält somit ein quasibinäres System Cu-CuZrX. Das Zweistoffsystem Cu-Zr weist eine intermetallische Verbindung Cu5Zr auf, welche mit reinem Kupfer eine eutektische Reaktion eingeht. Vom eutektischen Punkt dieses Zweistoffsystems erstreckt sich eine eutektische Rinne zum eutektischen Punkt des vorerwähnten quasibinären Systems.
  • Legierungen des quasibinären Systems Cu-CuZrX sind wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften einerseits und ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit anderseits von praktischer Bedeutung.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ftlr Legierungen aus dem Dreistoffsystem Kupfer-Zirkon-X mit jeweils vorgegebenem Kupfergehalt gegenüber den bekannten Legierungen auf dem quasibinären Schnitt eine bessere elektrische Leitfähigkeit zu erzielen. Die jeweilige Wahl des Kupfergehaltes kann sich im Einzelfall nach anzustrebenden anderen Eigenschaftskombinationen richten, z.B. nach einer bestimmten Kombination von Zugfesfkkeit und Dehnung.
  • Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Legierung als Phasen freies Kupfer und die intermetallischen Verbindungen Cu Zr sowie CuZrX enthält und einen Kupfergehalt von weniger als 99 at%, vorzugsweise weniger als 98 at% aufweist.
  • Oberhalb eines Kupfergehaltes von 99 att tritt der Effekt der LeitfAhigkeitserhdhung im Bereich zwischen dem genannten quasibinären Schnitt und dem Cu-Zr-Randsystem bei jeweils gleichem Kupfergehalt weitgehend zurück, während jenseits d.h. auf der zirkonreichen Seite der zwischen E-Phase CuZrX einerseits und der intermetallischen Verbindung Cu5Zr andererseits verlaufenden Phasengrenze spröde intermetallische Verbindungen auftreten, die eine technische Anwendung praktisch ausschliessenX Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise und teilweise mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Ausschnitt aus dem Dreistoffsystem Cu-Zr-Si, Fig. 2 einen Ausæhnitt aus dem Dreistoffsystem Cu-Zr-Ge und Fig. 3 einen Schnitt durch die verwendete Schmelz- und Abkühlungseinrichtung.
  • Aus dem ternären System Kupfer-Zirkon-Silicium (Fig. 1) mit dem quasibinären Schnitt s = Cu-CuZrX und der eutektischen Rinne r wurden die Legierungen a, b, c und e und aus dem ternären System Kupfer-Zirkon-Germanium (Fig. 2) die Legierungen I bis VI in Form gerichtet erstarrter Probekörper untersucht. Zur Herstellung der gerichtet erstarrten Probekörper aus den vorgenannten Legierungen wurde wie-folgt vorgegangen. Alle Legierungen wurden aus 99,93%-igem, reinem OFHC-Kupfer, 99,99%-igem Zirkon und Halbleiter-Silicium bzw. Halbleiter-Germanium hergestellt. Vorgegossene Stäbe von 3 mm Durchmesser wurden dadurch hergestellt, dass die ausgewogenen Komponenten in Graphittiegeln unter strömendem Argon in einem RF-Induktionsofen geschmolzen wurden. Die Schmelze wurde in schmelzflüssigem Zustand bis zur vollständigen Homogenisierung gehalten und danach in ein Quarzrohr eingesaugt.
  • Dieses Quarzrohr war vorgängig auf der Innenseite durch gekrackten Alkoholdampf mit Graphit überzogen worden.
  • Die gerichtet erstarrten Probekörper aus den Legierungen wurden unter Schutzgas in Graphittiegeln in einer Vorrichtung gen.
  • Fig. 3 hergestellt. Diese ist wie folgt ausgebildet. Auf einer Grundplatte 1 ist ein doppelwandiges Rohr 2 mit einem Eintritt 4 und einem Austritt 3 für Kühlwasser, befestigt. Das doppelwandige Rohr 2 ist von einer RF-Induktionsspule 5 umgeben. eiter ist es über eine flexible Kupplung 6 mit einer Antriebskupplung 7 verbunden. In das doppelwandige Rohr 2 ist ein Tragrohr 8 eingeschoben, das an seinem unteren Ende erschütterungsfrei den Graphittiegel 9 trägt. Das obere Ende des Tragrohres 8 ist mit einer nicht dargestellten Argonschutzgasquelle verbunden. Das einströmende Argon tritt einerseits in den Graphittiegel 9 und andererseits durch Oeffnungen 10 im Oberteil der Graphittiegelwand in das Innere des doppelwandigen Rohres ein, aus welchem das Argonschutzgas nach unten austreten kann. Zur Erzielung einer gerichteten Erstarrung wird das Tragrohr 8 mit dem Graphittiegel 9 und dem in diesen hineingestellten vorgegossenen Stab 11 durch die Schmelzzone 12 hindurch bewegt. Unter der Schmelzzone 12 bildet sich der gerichtet erstarrte Probekörper 13. Eine Kontrollprobe wurde mit einem axial angeordneten Thermoelement mit einem Drahtdurchmesser von 0,1 mm durch die Schmelzzone 12 und die Erstarrungszone 13 hindurchgeführt, um den Temperaturgradienten G zu bestimmen. Dieser beträgt 640 0C/cm vor der Zwischenfläche fest/flUssig. Die Höhe der Schmelzzone 12 beträgt 2 cm. Die Wachstumsgeschwindigkeit V, d.h., die Vorschubgeschwindigkeit des Tragrohres 8 betrug 19,14 cm/h Die derart hergestellten, gerichtet erstarrten Probekörper wiesen einen Durchmesser von 4 mm und eine Länge von 100 mm auf und wurden je in zwei Zugprobestäbe mit Gewindeköpfen von 2,5 mm Durchmesser und einer Messlänge von 10 mm hergestellt. Die Zugfestigkeit und die Dehnungen wurde bei Raumtemperatur auf einer 11lnstron"-Maschine mit einer Zugspannungssteigerung von 0,025 Min.-1 durchgeführt. Die Dehnung wurde mit einem Dehnungsmesstreifenextensometer gemessen, wobei die Dehnung streifenlänge lo mm betrug.
  • Die elektrische Leitfähigkeit wurde mit einer Gleichstrombei 20°C Leitfähigkeitsmesbrücke / bestimmt. Es wurden hierzu die Zugprobestäbe vor dem Zugversuch verwendet und die Leitfähigkeit in der Probestablängsmitte auf eine Länge von lomm gemessen.
  • Die Ergebnisse der Versuche mit Bezug auf das ternäre System Kupfer-Zirkon-Silicium sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengestellt. Jene mit Bezug auf das ternäre System Kupfer-Zirkon-Germanium sind in der Tabelle 2 enthalten. In der ersten Kolonne sind die Bezeichnungen der untersuchten Legierungen in Uebereinstimmung mit Fig. 1 aufgeführt. In der zweiten, dritten und vierten Kolonne sind die Gehalte an Kupfer, Zirkon und Silicium bzw. Germanium in Atomprozenten aufgeführt. In der fünften Kolonne ist die im Zugversuch ermittelte Bruchspannung in kp/mm² au@eführt.
  • In der sechsten Kolonne ist die elektrische Leitfähigkeit in % der elektrischen Leitfähigkeit der eutektischen Legierung des quasibinären Systems Cu-CuZrSi bzw. Cu-CuZrGe.
  • In der Folge sind die Leitfähigkeitswerte der elektischen Legierungen e und I mit 100% aufgeführt.
  • Tabelle 1 Legierung Zusammensetzung OB El. Leitfähigkeit cu% Zr% Si% kp/mm2 in % At At At a 95,1 2,3 2,6 37,0 76 b 95,1 2,6 2,3 30,0 111 c 9445 3,33 2,22 32,0 119 e (eutekt) 95,24 2,38 2,38 30,0 loo Tabelle 2 Legierung Zusammensetzung OB El. Leitfähigkeit Cu% Zr% Ge% kp/mm² in % At At At I (eutekt) 94,80 2,60 2,60 36,0 loo II 94t69 2,84 2,47 31,o 122 III 94,36 3,38 2,26 32,o 133 Iv 93,82 4,30 1,88 38,5 125 V 93,o6 5,6 1,34 51,5 105 VI 92,05 7,3 0,65 65,0 80 Bei der Legierung a ist das Verhältnis at% Silicium zu at% Zirkon grösser als 1. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt lediglich 76% der für die eutektische Legierung e gemessenen Leitfähigkeit. Bei der eutektischen Legierung e beträgt das Verhältnis at96 Silicium zu at% Zirkon 1:1. Bei den Legierungen b und c, bei denen das Verhältnis at% Silicium zu att Zirkon kleiner als 1 ist, betragen die Leitfähigkeitswerte 111 bzw. 119 %. Daraus lässt sich mit Bezug auf das ternäre Zustandsschaubild Cu-Zr-Si die Schlussfolgerung ziehen, dass im Bereich zwischen dem quasibinären Schnitt Cu-CuZrSi und der Zirkonecke höhere Leitfähigkeitswerte erzielt werden als im Bereich zwischen dem quasibinären Schnitt und der Siliciumecke, sofern man sich annähernd auf Zusammensetzungslinien gleichen Cu-Gehaltes in at % bewegt. Der Bereich technisch verwendbarer Legierungen ist, wie Versuche ergeben haben, durch das im Dreistoffsystem Kupfer-Zirkon-Silicium enthaltene quasibinäre System Cu-CuZrSi-Cu5Zr begrenzt, während bei hohen Cu-Gehalten im Bereich der Kupferecke praktisch keine Leitfähigkeitserhöhung im Bereich zwischen dem quasibinären Schnitt Cu-CuZrX und dem Randsystem Cu-Zr mehr auftritt. Die Grenze liegt bei etwa 99 at% Cu, wAlhrend im Interesse einer markannten Leitfähigkeitsverbesserung bei höheren Festigkeitswerten vorzugsweise ein Cu-Gehalt von weniger als 98 at% zu wählen ist.
  • Diese Folgerung wird durch die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse mit Bezug auf das Dreistoffsystem Kupfer-Zirkon-Germanium bestätigt. Mit zunehmendem Zirkongehalt erreicht die elektrische Leitfähigkeit ein Maximum von 133 % bei der Legierung III. Dieser Maximalwert entspricht einem Gefügeanteil an Eutektikum Cu-Cu5Zrvon -14 Vol.%. Bei der Legierung V, bei der der Gefügeanteil von Cu-CuSZr Eutektikum 50 Vor.% beträgt, liegt die elektrische Leitfähigkeit bei 105 %. Bei einem-weiteren Absinken des Siliciumgehaltesf d.h. je näher die Zusammensetzung der Legierung dem bekannten binären System Cu-Cu5Zr kommt, fällt die elektrische Leitfähigkeit w'ieder ab (Legierung VI), jedoch bei gleichbleibendem Cu-Gehalt in als mindestens nicht wesentlich unter die Werte auf dem quasibinären Schnitt.
  • Parallele Versuche der nicht gerichtet erstarrten Proben aus den gleichen Legierungen zeigten a, b, c, e und I bis VI die gleiche Gesetzmässigkeit mit Bezug auf die Zugfestigkeits-und elektrischen Leitfähigkeitswerte. Die vorteilhaften relativen Eigenschaftsänderungen beim Uebergang von den bekannten Zusammensetzungen in das beanspruchte Legierungsgebiet -bei gleichem Cu-Gehalt - gelten also grundsätzlich für gerichtete und ungerichtete Erstarrung. Das erfindungsgemässe Legierungsgebiet weist also den wesentlichen Vorteil auf, dass insbesondere auch günstige Kombinationen von el-ektrischen und mechanischen Eigenschaften erzielbar sind. Dabei kann insbesondere die Zugfestigkeit' aber auch die Bruchdehnung durch Anwendung der an sich bekannten gerichteten Erstarrung auf vorteilhaft hohe, den bekannten Kupferlegierungen teilweise mindestens gleiche Werte gebracht werden.

Claims (4)

P a t.e n t a n s p r ü ch e
1. Legierung, bestehend aus den Elementen Kupfer, Zirkon und einem weiteren Element X, wobei das Symbol X für eines der Elemente Silizium und Germanium steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung als Phasen freies Kupfer und die intermetallischen Verbindungen Cu5Zr sowie CuZrX enthält und einen Kupfergehalt von weniger als 99 at%, vorzugsweise weniger als 98 at%,aufweist.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Cu-Cu5Zr-Eutektikum im Gefüge weniger als 50 Vol.% ist.
3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Cu-Cu5Zr-Eutektikum im Gefüge 10-30 Vol.% beträgt.
4. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Cu-Cu5Zr-Eutektikum im Gefüge 14 Vol.% beträgt.
DE19722261298 1972-11-13 1972-12-15 Kupferlegierung Pending DE2261298A1 (de)

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