DE2309077C3

DE2309077C3 - Verwendung einer Legierung auf Kupferbasis als Werkstoff für die Herstellung stromführender, federnder TeUe

Info

Publication number: DE2309077C3
Application number: DE19732309077
Authority: DE
Inventors: Rem M. Fridljanskij; Kapitolina A. Gorjatschewa; Nina S. Jablonskaja Geb. Flenowa; Wiktor F. Kuznecow; Oleg D. Moldawskij; Wladlen L. Orschechowskij; Wladimir M. Rozenberg; Jurij F. Schewakin; Alla W. Tschernikowa; Lew B. Zlotin
Original assignee: GOSUDARSTWENNY NAUTSCHNO-ISSLEDOWATELSKIJ I PROJEKTNY INSTITUT SPLAWOW I OBRABOTKI ZWETNYCH METALLOW MOSKAU
Current assignee: GOSUDARSTWENNY NAUTSCHNO-ISSLEDOWATELSKIJ I PROJEKTNY INSTITUT SPLAWOW I OBRABOTKI ZWETNYCH METALLOW MOSKAU
Priority date: 1973-02-23
Filing date: 1973-02-23
Publication date: 1980-08-21
Also published as: DE2309077A1; DE2309077B2

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Legierung auf Kupferbasis als Werkstoff für die Herstellung stromführender federnder Teile, die bei Temperaturen bis 250⁰C in der Feinmechanik sowie in der Elektronik einschließlich der Radioindustrie eingesetzt werden.

In der US-PS 28 51 353 ist eine Legierung beschrieben, die folgende Zusammensetzung besitzt:

Nickel 5 bis 15%, Silizium 0,1 bis 2%. Aluminium 0,1 bis 6% und Kupfer als Rest. Diese Legierung kann neben Aluminium der anstelle des Aluminiums Magnesium in einer Menge von 0,1 bis 2% enthalten, während Chrom in Mengen von z. B. 0,25% als Verunreinigung zugelassen ist.

Die mechanischen und Elastizitätseigenschaften sowie die elektrische Leitfähigkeit der bekannten Legierung lassen zwar die Verwendung als stromführendes Federmaterial zu, jedoch sind diese Eigenschaften für die gesteigerten Anforderungen nicht ausreichend. Außerdem ist die Hitzbeständigkeit der bekannten Legierung derart, daß bei erhöhten Temperaturen die Elastizitätseigenschaften verlorengehen, so daß die bekannte Legierung den modernen technischen Anforderungen nicht genügt.

In der DE-OS 15 58471 ist die Verwendung von Kupferlegierungen mit 0,03 bis 6% Aluminium, 0,4 bis 2,5% Silizium, 0,8 bis 15% Nickel und Rest Kupfer für Ventilführungen von Verbrennungsmotoren, die einen hohen Abnutzungswiderstand gegen eine trompetenförmige Aufweitung des Innendurchmessers aufweisen müssen. Das Kupfer in dieser Legierung kann neben Chrom an weiteren Beimengungen auch Eisen, Mangan, Schwefel, Phosphor, Blei, Zink, Zinn, Kadmium und Arsen einzeln oder gemeinsam bis zu 1 % enthalten.

Dennoch sind auch durch diese Legierungen auf Kupferbasis solche Legierungen nicht bekanntgeworden, die eine gute elektrische Leitfähigkeit, hohe mechanische und Elastizitätseigenschaften, eine große zyklische Beständigkeit (Temperaturwechselbeständigkeit) aufweisen und die die Elastizitätseigenschaften bei Temperaturen bis 250° C beibehalten.

In der DE-OS 16 08 150 ist eine Legierung auf Kupfergrundlage beschrieben, die aus 18 bis 25% Nickel, 4,1 bis 4,9% Aluminium, 4,1 bis 4,9% Mangan, 2,2 bis 3,2% Chrom und Kupfer als Rest besteht. Diese Legierung wird für die Herstellung elastischer empfindlicher Elemente, wie z. B. Membranen, Faltenbeläge, manometrische Federn und anderer im Gerätebau verwendeter Teile vorgeschlagen und soll als F.rsatz für Berylliumbronze dienen. Die Legierung weist /war eine I lärte von mehr als 350 kp/mm² auf, es ist jedoch — wie noch erläutert wird — festgestellt worden, daß bei Legierungen mit mehr als 12% Nickel und einem Aluminiumanteil im Bereich von 1 bis 6% der Wert des spezifischen elektrischen Widerstandes auf 0,2 Ohm · η:m²/m ansteigt Dies entspricht einer elektrischen Leitfähigkeit von 5 S m/mm² und damit weniger als 10% der Leitfähigkeit des Kupfers.

In der DE-OS 20 39 945 sind Legierungen auf Kupferbasis beschrieben, die in Geräten für Magnettonaufnahme und -wiedergabe als unmagnetische Einlagen im Spalt der Magnetköpfe sowie als Federwerkstoff zur Anwendung gelangen. Diese Legierungen mit 12,2 bis 14,8% Nickel, 2,5 bis 3,5% Aluminium, 2,5 bis 3,5%

ίο Mangan, 1,0 bis 2,0% Chrom und Kupfer als Rest, die als Ersatz für Berylliumbronze geeignet sind und alle Anforderungen an Werkstoffe für unmagnetisehe Einlagen zwar erfüllen, sind jedoch silberfarben und dadurch weniger geeignet für den Einsatz bei Magnetköpfen sind. Als nicht silberfarbene Legierungen schlägt diese Entgegenhaltung Zusammensetzungen mit 4,5 bis 4,9% Nickel, 43 bis 4,9% Aluminium, 2,5 bis 3,0% Mangan, 0,7 bis 1,0% Chrom und Kupfer als Rest vor. Bei beiden Legierungstypen ist ein Gehalt an Mangan zwingend, ist Silizium nicht enthalten und die Nickelanteile liegen außerhalb des Bereichs von 10 bis 12%. Bei zu hohem Nickelgehalt sind Leitfähigkeit und gegebenenfalls auch Härte, bei zu geringem Nickelgehalt sind vor allen Dingen die Härte und die übrigen Festigkeitswerte sowie ebenfalls die elektrische Leitfähigkeit nicht ausreichend, so daß diese Legierungen als Werkstoffe für stromführende federnde Teile nicht geeignet sind.

In der DE-OS 15 58 474 sind Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen beschrieben, die aus 0,8 bis 10% Nickel, 0,2 bis 2% Silizium, 0,01 bis 0,5% Eisen, 0,05 bis 0,5% Chrom, gegebenenfalls bis 2% Zink, Zinn, Kadmium, Zirkonium und Titan und gegebenenfalls bis 6% Aluminium und Kupfer als Rest bestehen. Diese Legierungen unterscheiden sich von den Legierungen der vorliegenden Erfindung durch einen anderen Nickelanteil, der nur bis 10% reicht, durch den zwingenden Anteil von Eisen, durch einen Chromanteil, der nur bis 0,5% reicht, sowie durch wesentlich weiter gezogene Bereiche für Silizium und Aluminium. Diese bekannten Legierungen sind zwar auch für elektrisch beanspruchte Teile, wie Kontakte, vorgeschlagen, jedoch resultieren einerseits aus der Vielfalt und der raltiv großen Bereiche der Komponenten eine elektrische Leitfähigkeit, die unter 10% der Leitfähigkeit des Kupfers beträgt, und andererseits aus dem nur bis 10% reichenden Anteil an Nickel mechanische Eigenschaften, die die Verwendung dieser Legierungen für federnde Teile nicht geeignet machen.

In der DE-PS 8 52 453 sind Kupferlegierungen für den chemischen Apparatebau, z. B. Wärmeaustauscher, sowie für Turbinenschaufeln und Ventile beschrieben, die aus 15 bis 40% Nickel, 0,5 bis 4% Aluminium, 0,1 bis 2% Chrom und gegebenenfalls bis zu je 5% eines oder mehrere der Elemente Mangan, Magnesium, Eisen,

5^r> Silizium, Kobalt oder Zink und Kupfer als Rest bestehen. Durch den hohen Nickelanteil ist die elektrische Leitfähigkeit dieser Legierung geringer als 10% der Leitfähigkeit des Kupfers. Darüber hinaus ist die Verwendung solcher Legierungen für federnde

ho Teile, insbesondere stromführende federnde Teile nicht nahegelegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Verwendung als Werkstoff zur Herstellung stromführender federnder Teile, eine Legierung auf Kupferbasis

h^rj anzugeben, deren Komponenten bei bestimmten Mengenverhältnissen hohe mechanische und Elastizitätseigenschaften mit verhältnismäßig hoher elektrischer Leitfähigkeit gewährleisten und deren Elastizitätseigen-

schäften bei Temperaturen bis zu 250⁰C erhalten bleiben.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient erfindungsgemäß die im Patentanspruch angegebene Legierungszusammensetzung im gehärteten Zustand.

Die Legierung der genannten Zusammensetzung besitzt folgende physikalisch-mechanischen Eigenschaften: Elektrische Leitfähigkeit 20% der des Kupfers ( = etwa 11 S m/mm²). Härte 355 kp/mm². Festigkeit 130kp/mm², Elastizitätsmodul 13 500 kp/mm², Elastizitätsgrenze 90 kp/mm².

Die feinkörnige Struktur der Legierung in Verbindung mit der hohen Elastizitätsgrenze gewährleistet eine hohe zyklische Beständigkeit der Legierung.

Die Relaxationsbeständigkeit ist ebenfalls gut.

Die Legierung besitzt eine Reihe von positiven Eigenschaften: so sind beispielsweise die mechanischen Eigenschaften denjenigen der Berylliumbronze nahestehend.

Die Legierung enthält keine giftigen Elemente und ist billiger als Berylliumbronze.

Durch den verhältnismäßig niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand (0,1 Ohm - mm²/m) ist es möglich, die Legierung für die Herstellung stromführender Federn zu verwenden.

Die Legierung besitzt eine hohe Korrosions- und Hitzebeständigkeit

Die Relaxationsbeständigkeit der Legierung bleibt bei Temperaturen bis zu 250⁰C erhalten, wodurch sie sich von der Berylliumbronze vorteilhaft unterscheidet.

Obwohl die Komponenten der für die erfindungsgemäße Verwendung vorgeschlagenen Legierung den Komponenten der bekannten Legierung (DE-OS 15 58471) im wesentlichen entsprechen und die mengenmäßigen Anteile der einzelnen Komponenten innerhalb der für die bekannte Legierung weiter gezogenen Grenzen liegen, werden die beschriebenen Eigenschaften nur in einem sehr engen Intervall der mengenmäßigen Antenne der einzelnen Komponenten erreicht. *o

Wird beispielsweise der Nickelanteil unter die angegebene Grenze von 10% gesenkt, wie es bei der bekannten Legierung möglich ist, so werden die mechanischen Eigenschaften nicht erreicht. Legierungen, die weniger als 10% Nickel und Aluminium in einem Bereich von 1 bis 6% enthalten, weisen eine Härte von weniger als 250 kp/mm² bei einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 Ohm · mm²/m auf. Ist der Nickelanteil wiederum größer als 12% und der Aluminiumanteil im Bereich von 1 bis 6%, wie es ebenfalls bei der bekannten Legierung möglich ist, so haben diese Legierungen eine Härte von mehr als 350 kp/mm², jedoch steigt der Wert des spezifischen elektrischen Widerstandes auf 0,2 Ohm · mnvVm an. Eine Legierung, die 15% Nickel, 3,5% Aluminium, 0,8 bis 1,1% Si und 0,5 bis 0,8% Chrom und Kupfer als Rest enthält, hat nach dem Anlassen eine Härte von 370 kp/mm², jedoch ist der spezifische elektrische Widerstand auf 0,22 Ohm ■ mm²/m angestiegen.

Für einen Nickelbereich von 10 bis 12% muß der Aluminiumbereich zwischen 2,2 und 2,6% liegen, wenn die angestrebten Eigenschaften vorliegen sollen. Geringere Anteile an Aluminium, wie sie bei der bekannten Legierung möglich sind, verschlechtern die mechanischen Eigenschaften. Ebenfalls mögliche größere Anteile an Aluminium führen zu einer Verschlechterung der Herstellung und zu einer Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstandes. Eine Legierung, die 12% Nickel und 2,7% Aluminium enthält, weist bereits einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,17 Ohm · mm²/m auf.

Die Legierungsfähigkeit von Aluminium mit Silizium wird ebenfalls durch den Anteil des Nickels in der Schmelze bestimmt. Niedrige Aluminiumgehalte gewährleisten nicht die erwünschten mechanischen Eigenschaften, während zu hohe Aluminiumanteile zu einer Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstandes führen.

Bei der bekannten Legierung kann Chrom enthalten oder auch nicht enthalten sein.

Aus alledem folgt, daß die aus der DE-OS 15 58471 bekannten möglichen Legierungen nur unter besonderen Voraussetzungen für die erfindungsgemäße Verwendung geeignet sind, für deren Auffindung Überlegungen erfinderischer Qualität erforderlich waren.

Schließlich führt der Chromanteil in der für die erfindungsgemäße Verwendung vorgeschlagenen Legierung zu einer bestimmten Struktur, und zwar zum Vorhandensein einer überschüssigen Dispersionsphase, die das Anwachsen der Körner beim Erwärmen verhindert und zu einer für federnde Teile erforderliche Verschleißfestigkeit führt.

Claims

Patentanspruch:

Verwendung einer Legierung, die aus 10 bis 12% Nickel, 22 bis 2,6% Alumimium, 0,8 bis 1,1 % Silizium, 0,5 bis 0,8% Chrom und Kupfer als Rest besteht, als Werkstoff für die Herstellung stromführender federnder Teile, die in gehärtetem Zustand bei Temperaturen bis 250⁰C in der Feinmechanik und in der Elektronik eingesetzt werden.