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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.
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Die Elemente Kupfer-Zirkon-X bilden ein Dreistroffsystem.
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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.
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Legierungen des quasibinären Systems Cu-CuZrX sind wegen ihrer guten
mechanischen Eigenschaften einerseits und ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit
anderseits von praktischer Bedeutung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dieses Quarzrohr war vorgängig auf der Innenseite durch gekrackten
Alkoholdampf mit Graphit überzogen worden.
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Die gerichtet erstarrten Probekörper aus den Legierungen wurden unter
Schutzgas in Graphittiegeln in einer Vorrichtung gen.
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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.
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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.
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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.
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In der sechsten Kolonne ist die elektrische Leitfähigkeit in % der
elektrischen Leitfähigkeit der eutektischen Legierung des quasibinären Systems Cu-CuZrSi
bzw. Cu-CuZrGe.
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In der Folge sind die Leitfähigkeitswerte der elektischen Legierungen
e und I mit 100% aufgeführt.
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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.
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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.
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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.