DE2333820A1 - Kupferlegierung, ihre verwendung sowie verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Kupferlegierung, ihre verwendung sowie verfahren zu ihrer herstellung

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DE2333820A1 DE19732333820 DE2333820A DE2333820A1 DE 2333820 A1 DE2333820 A1 DE 2333820A1 DE 19732333820 DE19732333820 DE 19732333820 DE 2333820 A DE2333820 A DE 2333820A DE 2333820 A1 DE2333820 A1 DE 2333820A1
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Description

Kupferlegierung, ihre Verwendung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung
Priorität: 3. Juli 1972; V.St.A. AnsäeIde-Nr. 268 *}85
Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung, Verwendungen derselben sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. ■[
Bekannte zinnhaltige Messinglegierungen, nämlich Kupfer-Zink- ! Zinn-Legierungen, wie die C.D.A.-Legierungen (Copper Development Association) der Serie 400-, werden herkömmlicherweise für Anwendungsfälle eingesetzt, bei denen es auf Duktilität zur Herstellung komplizierter Teile, beispielsweise elektrischer Bauteile, ankommt. Im allgemeinen liegt die elektrische Leitfähigkeit dieser Legierungen der Serie 400 im Bereich von 28 % IACS für die C.D.A.Legierung i»25 (1,5 bis 3,0 % Zinn, 7 - 11,5 % Zink, Rest im wesentlichen Kupfer), welche die höchste Festigkeit der Serie aufweist, bis zu Hl % IACS für die C.D.A.-Legierung 405 (0,7 bis 1,3 % Zinn, 2,7 bis 5,3 % Zink, Rest im wesentlichen Kupfer), welche die
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niedrigste Festigkeit der Serie aufweist. Einige dieser Legierungen, insbesondere diejenigen mit höherem Zinngehalt, sind schwierig zu verarbeiten, insbesondere zu gießen und warmzuwalzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung mit verbesserter Kombination von Pestigkeits- und elektrischen Leitfähigkeit3eigensehaften zu schaffen.
Die Erfindung schafft eine Kupferlegierung, die etwa 0,5 bis etwa 2,8 % Eisen, vorzugsweise etwa 1,0 bis etwa 2,0 % Eisen, etwa 0,2 bis etwa 2,0 % Kobalt, vorzugsweise 0,3 bis etwa 1,0 % Kobalt, etwa 5 bis etwa 15 % Zink, vorzugsweise etwa 7 bis etwa 13 % Zink, aufweist, wobei der gemeinsame Gehalt von Eisen und Kobalt etwa 0,8 bis etwa 3,0 % , vorzugsweise etwa 1,5 bis etwa 2,5 Jf, beträgt.
Die erfindun-gsgemäßen Legierungen sind besonders für elektrische Bauteile geeignet; sie besitzen ausreichende Duktilität bzw. Verformbarkeit, um eine Herstellung komplizierter Teile, beispielsweise elektrischer Hohlkörper, zu ermöglichen. Davderartige Teile unter verschiedensten Umgebungsbedingungen und bei hoher mechanischer Spannung verwendet werden, ist Spannungskorrosionsbeständigkeit sehr wichtig.
Die Legierungen gemäß der Erfindung besitzen eine elektrische Leitfähigkeit, die der der zinnhaltigen Messinglegierungen der
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CD.A.-Legierungen der Serie ^OO bei vergleichbarem Festigkeifc-Grenzbiegeradius-Verhältnis überlegen ist. Bei vergleichbarer Leitfähigkeit weisen die erfindungsgemäßen Legierungen ein überlegenes Festigkeit-Grenzbiegeradius-Verhältnis auf.
Die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen besitzen eine erhöhte Abrieb- bzw. Verschleißbeständigkeit, verglichen mit den bekannten zinnhaltigen Messinglegierungen, und eine vergleichbare oder bessere Spannungskorrosionsbeständigkeit.
Die Erfindung schafft also Kupferlegierungen mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die über der der bekannten zinnhaltigen Messinglegierungen bei vergleichbarer Festigkeit liegt, oder schafft Legierungen mit vergleichbarer Leitfähigkeit, jedoch erhöhter Festigkeit.
Die erfindungsgemäßen Kupfer legierungen enthalten etvfa 0,5 bis etwa 2,3 % Eisen, etwa 0,2 bis etwa 2,0 ^ Kobalt, etwa 5 bis etwa 15 % Zink und Rest im wesentlichen Kupfer, wobei der gemeinsame Gehalt von Eisen und Kobalt vorzugsweise etwa 1,5 bis etwa 2,5 % beträgt. Verunreinigungen werden in Mengen zugelassen, v/elche die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen nicht nachteilig beeinflussen.
Verunreinigungen in den folgenden Mengen, einzeln oder in Kombination, haben keine schädlichen Auswirkungen auf die Gieß-, Warmwalz- oder Kaltwalzeigenschaften der erfindungsgemäßen Le-
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gierungen: Phosphor unter etwa 0,03 %, Blei unter etwa 0,03 Zinn unter etwa 0,05 %, Nickel unter etwa 0,05 %> Mangan unter etwa 0,10 %} Aluminium unter etwa 0,10 %t Silber unter etwa 0,05 % und Silicium unter etwa 0,10 %. Bevorzugt ist allerdings, daß der Gesamtgehalt an Verunreinigungen auf weniger als 0,2 %■ begre-nzt ist, um nachteilige Beeinflussungen der Eigenschaften der Legierungen möglichst klein zu halten.
Es wurde im Zusammenhang mit der Erfindung festgestellt, daß eine Kobaltzugabe zu einer Kupfer-Eisen-Zink-Legierung damit zusammenhängend eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften ergibt. Insbesondere wurde festgestellt, daß eine Kupfer-Eisen-Zink-Kobalt-Legierung mit Legierungsgehalten innerhalb der erfindungsgemäß angegebenen Grenzen eine deutlich erhöhte Zugfestigkeit im Vergleich zu einer kobaltfreien Kupfer-Eisen-Zink-Legierung aufweist, die einen Eisengehalt besitzt, der im vresentlichen gleich der Summe des Eisen- und Kobaltgehaltes der erfindungsgemäßen Legierung ist.
Wenn die Obergrenze für den Gesamtgehalt an Eisen und Kobalt überschritten wird, vermindert eine Segregation der eisen- und kobaltreichen Phasen die mechanischen Eigenschaften und die Leichtigkeit der Verarbeitung. Die bevorzugte Obergrenze für den Gesamtgehalt an Eisen und Kobalt wurde mit 2,5 % festgestellt. Die Untergrenze für den Gesamtgehalt an Eisen und Kobalt ergibt sich aus der Menge, die notwendig ist, die angestrebten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.
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Der maximale Zinkgehalt wurde nach Maßgabe der Spannungskorrosionsbeständigkeit festgestellt. Der minimale Zinkgehalt richtet sich nach der Notwendigkeit, die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.
Es wur-de ferner festgestellt, daß Phosphor nachteilige Auswirkungen auf die Spannungskorrosions-Lebensdauer der erfindungsgemäßen Legierungen und auf die Biegeeigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen hat. Deshalb sollte der Phosphorgehalt möglichst klein gehalten werden und vorzugsweise 0,02 % nicht übersteigen.
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Die Legierungen gemäß der Erfindung können folgendermaßen hergestellt v/erden:
Schmelzen und Gießen: Das Kupfer wird geschmolzen, Eisen und Kobalt werden zugegeben, es wird auf 13000C erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten, bis Eisen und Kobalt vollständig gelös.t sind, dann wird die Temperatur auf 12000C reduziert und das Zink zugegeben. Dann wird bei einer Temperatur gegossen, die hoch genug ist, eine Mindesttemperatur der Form von 1175 C sicherzustellen. Weitere Gießparameter sind herkömmlich gewählt.
Warmwalzen: Durchwärmen bei etwa 915 - 975°C, Wärmzeit und Stichplan je nach Wunsch bzw. Anforderung, der letzte Stich wird vor-
o zugsweise bei einer Tempteratur oberhalb von 500 C durchgeführt.
Kalzwalzen: Die erfindungsgemäßen Legierungen lassen sich nach Warmwalzen oberhalb 500°C oder nach Zwischenglühung um mehr als 75 % kaltwalzen. Eine Mindest-Kaltwalzverformung um 50 % vor der ölühung ist bevorzugt.
QXÜhen: Da3 Weichglühen kann entweder diskontinuierlich im
Haubenofen, beispielsweise als Bund, oder kontinuierlieh) als Band durchgeführt werden. Welche der beiden Möglichkeiten gewählt wird, wird von der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit bestimmt. Für maximale Leitfähigkeit wird Glühen im Haubenofen bevorzugt.
die verbesserte Festigkeit in geglühten und kaXtverformten Zuständen au behalten, werden im Rahmen der Erfindung Zwischenglühungen und die Endglühuns im Rahmender Kaltverformung Vorzugs
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weise im Bereich von 1JOO - 600°C ausgeführt. ·
Die Legierung kann nach herkömmlichen Verfahren gereinigt werden; eine Reinigung mittels Standard-Schwefelsäure hat sich als verwendbar herausgestellt.
Man sieht also, daß die erfindungsgemäße Legierung auf einfache Weise ohne die bei zinnhaltigen Messinglegierungen auftretenden Schwierigkeiten herstellbar ist. Die Legierung ist ferner leicht durch Löten verbindbar und kann mit Zinn, -Jickel, Chrom oder zinnhaltiger Messinglegierung verbunden bzw. auf diese Metalle plattiert werden. Die Legierung zeigt im Vergleich zur C.D.A.Legierung 1Ul und zur C.D.A.-Legierung '425 ungewöhnlich hohen Verschleißwiderstand. Dadurch kann sie als geeigneter Lagerwerkstoff angesehen werden, wofür bisher die CD,A.-Legierung 1HX verwendet wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen noch näher erläutert. Angaben der Zusammensetzung erfolgen, wie in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen, in Gewichtsprozent.
Beispiel 1
Erfindungsgemäß wird eine Reihe von Legierungen wie folgt hergestellt:
Zusammensetzung
Legierung A 1,7 ί Fe; 0,6g .1Co; 10 % Zn;
Rest im' wesentlichen Kupfer
Legierung B 1,7 % -Fe; 0,6^ Co; 12 % Zn;
Rest im wesentlichen Kupfer
Legierung C 1,6 £ Fe; 0,6$ Co; 6,5$ Zn;
Rest im wesentlichen Kupfer.
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Zum Vergleich werden bekannte Daten der C.D.A.-Legierungen 405, 411, -122 und 425 angegeben, die als Legierungen D, E3 P und G bezeichnet werden.
Legierung C.D.A.-Legierung Sn Zn Cu
D. 405 0,7 - 1,3 2,7 - 5,3 Rest
Ε' 422 0,8 - 1,4 0,6 - 13,2 Rest
F 425 1,5-3 7 - 11,5 Rest
G 411 0,3 - 0,7 7,3 - 10,7 Rest
Die Legierungen A, B und C gemäß der Erfindung werden vfie folgt behandelt: Schmel'zen bei 13000C und Gießen nach dem Durvillc.-Verfahren bei einer Temperatur von 1175 C; Warmwalzen von einer Dicke von 44,45 mm (7/4") auf etwa eine Dicke von 12,7 mm (0,3") bei einer Anfangstemperatur von 950 C und e5.ner Endtemperatur von etwa 600°C; Oberflächenbearbeiten bzw. Fräsen zur Erzeugung einer sauberen Oberfläche; Kaltwalzen auf eine Stärke von 2,03 mm (0,08") im Fall der Legierungen A und B und auf eine Stärke von 1,52 mm (0,06") im Fall der Legierung C; Glühen bei 5000C 5 Stunden lang im Fall der Legierungen A und B und bei 5000C 16 Stunden lang im Fall der Legierung C; dann Kaltwalzen in unterschiedlichen Verformungsgraden.
Zugfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Grenz-Biegeradius sind in den Tabellen I und n aufgeführt. Die Eigenschaften sind mit den Legierungen D, E , F und G, die handelsübliche zinnhaltige Messinglegierungen darstellen, verglichen. Die Angaben für die Legierungen D, E, F und G sind aus Angabenblättern für
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typische Legierungen innerhalb der Bereiche der C.D.A.-Liegierungen entnommen.
mm Tabelle I (psi χ 1000)
1,02 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN (88)
Legierung 1,02 Stärke (82)
1,02 (inch) (86)
A 0,76 (0,040) Zugfestigkeit (91)
D 0,76 (ο.040) kp/mm^ (81)
E 0,76 (0,040) 61,87 (86)
A 1,02 (0,030) 57,65 (93)
D 1,02 (0,030) 60,46 (92)
E 1,02 (0,030) 63,98 (9*0
B 0,64 (0,040) 56,95 (82)
E 0,64 (0,040) 60,46 (81)
F (0,040) 65,39
C (0,025) 64,68
D (0,025) 66,09
57,65
56,95
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Fortsetzung Tabelle I:
Minimaler Biegeradius
Biegeachse senkrecht zur Walzrichtunp;
Biegeachse parallel zur Walzrichtung
Legierung mm (inch) mm (inch)
A 1,19 (3/64) 2,78 (7/64)
D 1,19 (3/64) 2,38 (6/64)
E 1,19 (3/64) 6,35 (16/64)
Λ .0,79 (2/64) 1,98 (5/64)
D 1,59 (4/64) 2,78 (7/64)
E 1,19 (3/64) 4,76 (12/64)
B 1,59 (4/64) 3,97 (10/64)
E 1,59 (4/64) >6,35 &L6/64)
F 1,19 (3/64) 4,76 (12/64)
C 0,20 (0,5/64) 0,79 (2/64)
D 1,59 (4/64) 2,38 (6/64)
Tabelle
ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKETT IM GEGLÜHTEM ZUSTAND
Legierung
% IACS (Internat. Standard
for Annealed Copper)
A B C D E P G
40 37 45 41
31 28 32
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Die oben aufgeführten Werte bestätigen deutlich, daß die neuen Legierungen gemäß der Erfindung im Vergleich mit den zinnhalti-
der
gen Messinglegierungen der CD.A.-Legierungen/Serie 400 gesteigerte elektrische Leitfähigkeit bei vergleichbarem Festigkeit-Grenzbiegeradius-Verhältnis aufweisen; bei vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeit weisen sie ein erhöhtes Festigkeit-Grenzbiegeradius-Verhältnis auf.
Die Werte für die Legierungen A, B und C veranschaulichen die Wechselbeziehung zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit bei verringertem Zinkgehalt. Die erfindungsgemäSe Legierung C besitzt jedoch eine Festigkeit vergleichbar der C.D.A.-Legierung 4O5 (Legierung D), während sie eine höhere 'elektrische Leitfähigkeit erreicht. Die Vierte zeigen weiter, daß die erfindungsgemäße Legierung C eine bessere elektrische Leitfähigkeit und ein besseres Festigkeit-Grenzbiegeradius-Verhältnis als die Legierung D aufweist.
Ferner zeigen die Werte, daß die erfindungsgemäßen Legierungen im Vergleich zu den C.J.A.-Legnerungen der. Serie 400 überlegene Biegeeigenschaften bei Biegung um eine Biegeachse parallel zur WalzrichtungC'bad way"bend properties) besitzen. Diese verbesserten Biegeeigenschaften geben die Möglichkeit, die CD.A.-Legierungen der Serie ^00 durch die erfindungsgemäßen Legierungen bei Anwendungen zu ersetzen, bei denen die Biegung um eine Biegeachse parallel zur Walzrichtung das entscheidende Konstruktionskriterium ist.
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Beispiel 2
Eine Reihe von erfindungsgernäßen Legierungen viird ähnlich wie in Beispiel 1 hergestellt. Die Legierungszusammensetzung ist jeweils folgendermaßen:
Legierung Zusammensetzung
H 1,5 % Fe; 0,3 % Co; 12 % Zn;
"Rest im wesentlichen Kupfer
I r 1,5 % Pe; 0,6 % Co; 12 % Zn; Rest im wesentlichen Kupfer
J 1,5 Ji Pe; 0,9 % Co; 12 JJ Zn;
Rest im wesentlichen Kupfer
K 1,2 % Pe; 1,0 % Co; 12 % Zn;
. Rest im v/esentliehen Kupfer.
Zugfestigkeit, Streckgrenze und elektrische Leitfähigkeit im geglühten Zustand sind in Taballe Hlangegeben. In Tabelle III sind ferner diese Festigkeitswerte der Legierungen nach Kaltwalzen um 30 % und um 50 %3 ausgehend von 2,03 mm (ο,Οδ") Stärke angegeben.
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O GEGLÜHT BEI H 5000C Tabelle III ' χ 1000) 'x 1000) χ 1000) 0?2 ^-Streckgrenze (psi χ 1000) (psi χ 1000) (psi χ 1000) % IACS -
co
cx>
Legierung I Zugfestigkeit (62) . (86) (90) ρ
kp/mm
(43) (81) (87)
00 J ρ
. kp/mm (psi'
,66) (88). (95) 30,23 (51) ' (83) . (88) 34
U) H K 43',59 (65) (88) (94) 35,86 (49) (83) (88) 34
I GEGLÜHT BEI 46,40 (64) (88) (94) 34,45 (48) (32) (87) 33
-4
σ>
J Legierung 45,70 5000C UND 50 % KALTGEWALZT 33,75 33
K 45,00 5000C UND 30 % KALTGEWALZT Zugfestigkeit 0,2 %-Streckgrenze -
H 2
kp/mm (psi
2
kn/mm
GEGLÜHT BEI I Zugfestigkeit 63,28 0?2 ^-Streckgrenze 61,17
J 2
kp/mm (psi
66,79 2
kp/mm
61,87
Legierung K 60,46 ■ 66,09 56,95 61,87
61,87 66,09 58,36 61,17
61,87 . 58,36
61,87 57,65
CO CO 00
Die oben aufgeführten Daten bestätigen deutlich, daß die verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen über einen weiten Bereich des Kobaltgehaltes und des Gehaltes an Eisen + Kobalt erhalten werden. Die Daten bestätigen ferner, daß die erfindungsgemäßen Legierungen im geglühten Zustand eine Zugfestigkeit von mehr als JJ2,18 kp/mm (60 ksi), vorzugsweise ·
mehr als 43,!39 kp/mm (62 ksi), und eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 33 % IACS erreichen können. Ferner können die erfindungsgemäßen Legierungen im geglühten und 30 % kaltgewalzten Zustand eine Zugfestigkeit von mehr als 60,Ί6 kp/mm (86 ksi) sowie im geglühten und rjü % kaltgewalzten Zustand eine Zugfestig-
keit von mehr als 65,39 kp/mm- (93 ksi) erreichen.
Beispiel 3
,Proben der Legierungen A und B aus Beispiel 1 und der Legierungen E und F werden beschleunigten Korrosionsversuchen unter mechanischer Spannung in einer Umgebung aus feuchtem Ammoniak bzw.
wäßriger Ammoniaklösung
und einer Umgebung aus Mattson1s-Lösung mit einem pH-Wert von 7,2 (Mattson!s-Lösung: 0,05 mol CuSo^, (MH1J)2SO11, MH11OH. Der pH-Wert ergibt sich aus dem Verhältnis von (NHuJpSOj, zu NIKOH.) ausgesetzt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle zusammengestellt.
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Tabelle IV .
Zeit bis zum Ausfall in Stunden
Legierung Mattson's
(pH-Wert
-Lösung
7,2)
Feuchtes
Ammoniak
A
Β'
C
D
(D ·
(D
(D
- (D
90
13
10-1/2
61
(1) Kein Ausfall bis zum Ablauf von 502 Stunden; dann wurde der Versuch beendet.
Die Spannungskorrosions-Beständigkeit wurde auf Basis der Zeit bestimmt ,bei der eine U-förmig gehaltene Probe, die den angege-
nach Loslassen
benen Umgebungsbedingungen ausgesetzt worden v;ar,/3u 80 % in die ursprüngliche Form zurückkehrt. Die Werte bestätigen deutlich, daß die erfindungsgemäßen Legierungen eine Spannungskorrosions-Beständigkeit aufweisen, die mindestens mit der der zinnhaltigen Messinglegierungen der C.D.A.-Legierungen der Serie 400 vergleichbar ist. Die erfindungsgemäßen Legierungen dürften also unempfindlich gegenüber· Spannungskorrosion unter normalen Umgebungsbedingungen sein.
Die erfindungsgemäßen Legierungen finden vorzugsweise Anwendung für elektrische Bauteile, beispielsweise elektrische Kontakte, elektrische Hohlkörper und. Buchsen, elektrische Verbindungsstücke bzw. -teile oder dergleichen.
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Claims (11)

Ansprüche
1. Kupferlegierung, dadurch gekennzeichnet ,, daß sie etwa 0,5 bis etwa 2,8 % Eisen, etwa 0,2 bis etwa 2,0 % Kobalt, etwa 5 bis etwa 15 % Zink und als Rest im wesentlichen Kupfer enthält, wobei der gemeinsame Gehalt von Eisen und Kobalt etwa 0,8 bis etwa 3>0 % beträgt.
2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie etwa 1,0 bis etwa 2,0 % Eisen, etwa 0,3 bis etwa 1,0 % Kobalt, etwa 7 bis etwa 13 % Zink und als Rest im wesentlichen Kupfer enthält, wobei der gemeinsame Gehalt von Eisen und Kobalt etwa 1,5 bis etwa 2,5 % beträgt.
3. Kupferlegierung'nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie unter 0,03 % Phosphor, unter 0,03 % Blei, unter 0,05 % Zinn, unter 0,05 % Nickel, unter 0,10 % Mangan, unter 0,10 % Aluminium, unter 0,05 % Silber und unter 0,10 % Silicium enthält.
h. Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c _h gekennzeichnet , daß sie im weichgeglühten Zustand vorliegt.
5. Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß sie im weichgeglühten und kaltverformten Zustand vorliegt.
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6. Kupferlegierung nach Anspruch 1J, gekennzeichnet durch gute Abrieb- und Spanhungskorrosions-Beständigkeit sowie" durch eine Zugfestigkeit von über 42,18*kp/mm (60 ksi) und eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 33 # IACS.
7· Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet , daß die Gesamtmenge an Verunreinigungen unter 0,2 % liegt.
8. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1-7 als elektrischer Kontakt.
9. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1-7 als elektrisches Verbindungsstück.
10. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1-7 als elektrische Buchse.
11. Verfahren zur Verbesserung der Pestigkeitseigenschaften von Kupferlegierungen nach Anspruch I4 dadurch gekennzeichnet , daß eina?Legierung aus etwa 0,5 bis etwa 2,8 % Eisen, etwa 5 bis etwa 15 % Zink und Rest im wesentlichen Kupfer , Kobalt in einer Menge von etwa 0,2 bis etwa 2,0 % zugegeben wird, wobei der gemeinsame Gehalt von Eisen und Kobalt in einem Bereich von etwa 0,8 bis etwa 3,0. % gehalten wird.
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