DE2333820B2 - Verwendung einer kupfer-zink-eisen- kobalt-legierung - Google Patents

Verwendung einer kupfer-zink-eisen- kobalt-legierung

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DE2333820B2 DE19732333820 DE2333820A DE2333820B2 DE 2333820 B2 DE2333820 B2 DE 2333820B2 DE 19732333820 DE19732333820 DE 19732333820 DE 2333820 A DE2333820 A DE 2333820A DE 2333820 B2 DE2333820 B2 DE 2333820B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Kupferlegierung wie in Anspruch 1 angegeben.
Kupferlegierungen mit 0,5 bis 0,5% Eisen, 0,5 bis
ίο 2,0% Kobalt und bis zu 30% Zink sind aus der DT-OS 19 39 036 als Werkstoff zum Aufi-lattieren auf Eisenlegierungen bekannt. In dieser Druckschrift ist die gute Leitfähigkeit derartiger Kupferlegierungen betont, auf ihre hohe Festigkeit findet sich jedoch
is kein Hinweis. Der Fachmann muß vielmehr den Eindruck gewinnen, daß erst im auf eine Eisenlegierung aufplattierten Zustand eine für viele Einsatzzwecke ausreichende mechanische Festigkeit vorhanden ist. Bekannt sind ferner zinnhaltige Messinglegierungen, nämlich Kupfer-Zink-Zinn-Legierungen, wie die C.D.A.-Legierungen (Copper Development Association) der Serie 400, die üblicherweise für Anwendungsfälle eingesetzt werden, 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 425 (1,5 bis 3,0% Zinn, 7 bis 11,5% Zink, Rest im wesentlichen Kupfer), weiche die höchste Festigkeit der Serie aufweist, bis zu 41 % IACS fur die C.D.A.-Legierung 405 (0,7 bis 1,3 % Zinn, 2,7 bis 5,3 % Zink, Rest im wesentlichen Kupfer), welche die niedrigste Festigkeit der Serie aufweist. Einige dieser Legierungen, insbesondere diejenigen mit höherem Zinngehalt, sind schwierig zu verarbeiten, insbesondere zu gießen und warmzuwalzen.
Gegenüber diesen Legierungen weisen die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen bei vergleichbarer Festigkeit eine höhere elektrische Leitfähigkeit oder bei vergleichbarer Leitfähigkeit eine höhere Festigkeit auf.
Die erfindungsgemäß verwendeten Kupferlegierungen zeigen überdies gute Biegeeigenschaften. So ergibt sich gegenüber den C.D.A.-Legierungen der Serie 400 bei vergleichbarem Festigkeit-Grenzbiegeradius-Verhältnis eine höhere elektrische Leitfähigkeit und bei vergleichbarer Leitfähigkeit ein besseres Festigkeit-Grenzbiegeradius-Verhältnis.
Die erfindungsgemäß verwendeten Kupferlegierungen eignen sich insbesondere für elektrische Bauteile, wie Hohlkörper, Kontakte, Verbindungsstücke, Buchsen u. dgl..
Überdies zeigen die erfindungsgemäß verwendeten Kupferlegierungen ausreichende Duktilität bzw. Verformbarkeit sowie gute Spannungskorrosionsbeständigkeit. Verglichen mit den obenerwähnten zinnhaltigen Messinglegierungen beobachtet man eine erhöhte Abrieb- bzw. Verschleißbeständigkeit und eine vergleichbare oder bessere Spannungskorrosionsbeständigkeit.
Insbesondere im Vergleich zu den C.D.A.-Legierungen 411 und 425 zeigt sich ein ungewöhnlich hoher Verschleißwiderstand, so daß die erfindungsgemäß verwendeten Kupferlegierungen auch als Lagerwerkstoff einsetzbar sind. Außerdem sind die erfindungsgemäß verwendeten Kupfcrlcgicrungcn gut lötbar und können beispielsweise mit Zinn, Nickel, Chrom oder zinnhaltigen Messinglegierungen verbunden bzw. aufplattiert werden.
23
Es hat sich im Zusammenhang mit den erfindungsgemäß verwendeten Legierungen herausgestellt, daß eine Kobaltzugabe zu Kupfer-Zink-Eisen-Legierungen eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften ergibt. Insbesondere zeigen Kupfer-Zink-Eisen-Kobalt-Legierungen der in Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung eine deutlich erhöhte Zugfestigkeit im Vergleich zu einer kobaltfreien Kupfer-Zink-Eisen-Legierung, die einen Eisengehalt besitzt, der im wesentlichen gleich der Summe des Eisen- und Kobaltgehaltes bei den erfindungsgemäö verwendeten Legierungen ist.
Wenn die angegebene Obergrenze für den Gesamtgehalt an Eisen und Kobalt überschritten wird, reduziert eine Segregation der eisen- und kobaltreichen Phasen die mechanischen Eigenschaften und die Leich- ,5 tigkeit der Verarbeitung. Die Untergrenze für den Gesamtgehalt an Eisen und Kobalt ergibt sich aus der Menge, die notwendig ist, die angestrebten mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Dermaximale Zinkgehalt wurde nach Maßgabe der Spannungskorrosionsbcständigkeit festgestellt. Der minimale Zinkgehalt richtet sich nach der Notwendigkeit, die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.
Im Anspruch 7 sind Verunreinigungen angegeben, die einzeln oder in Kombination keine schädlichen Auswirkungen auf die Gieß-, Warmwalz- oder Kaltwalzeigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen haben. Bevorzugt ist allerdings, daß der Gesamtgehalt an Verunreinigungen weniger als 0,2% beträgt, um nachteilige Beeinflussungen der Eigen- ^0 schäften der Legierungen möglichst klein zu halten. Es wurde ferner festgestellt, daß Phosphor nachteilige Auswirkungen aaf die SpannungskorrosionsLebensdauer und die Biegeeigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen hat. Deshalb sollte der Phosphorgehalt möglichst klein gehalten werden und vorzugsweise 0,02% nicht übersteigen.
Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen können folgendermaßen hergestellt werden:
Schmelzen und Gießen: Das Kupfer v/ird geschmolzen, Eisen und Kobalt werden zugegeben, es wird auf 13000C erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten, bis Eisen und Kobalt vollständig gelöst 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, Wärmezeit und Stichplan je nach Wunsch bzw. Anförderung, der letzte Stich wird vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb von 500"C durchgeführt.
Kaltwalzen: Die Legierungen lassen sich nach Warmwalzen oberhalb 500 "C oder nach Zwischenglühung um mehr als 75% kaltwalzen. Eine Mindest-Kaltwalzverformung um 50% vor der Glühung ist bevorzugt.
Glühen: Das Weichglühen kann entweder diskontinuierlich im Haubenofen, beispielsweise als Bund, oder (kontinuierlich) als Band durchgeführt werden. Welche der beiden Möglichkeiten gewählt wird, wird von der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit, bestimmt. Für maxi.nalc Leitfähigkeit wird Glühen im Haubenofen bevorzugt.
Die Legierungen können im weichgci»lühlen oder im weichgeglühten und kaltverformten Zustand verwendet werden.
Um die verbesserte Festigkeit in geglühten und kalt-820
verformten Zuständen zu behalten, werden Zwischenglühungen und die Endglühung im Rahmen der Kaltverformung vorzugsweise im Dereich von 400 bis 600"C durchgeführt
Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen können auf einfache Weise und ohne die bei zinnhaltigen Messinglegierungen auftretenden Schwierigkeiten hergestellt werden.
Sie können nach herkömmlichen Verfahren gereinigt werden; eine Reinigung mittels Standard-Schwefelsäure hat sich als verwendbar herausgestellt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen noch näher erläutert. Angaben der Zusammensetzung erfolgen, wie in der gesamten Beschreibung und Ansprüchen, in Gewichtsprozent.
Beispiel 1
Eine Reihe von Legierungen, die unter die in Anspruch 1 angegebene Zusammensetzung fallen, wird wie folgt hergestellt:
Legierung
Zusammensetzung
1,7% Fe; 0,6% Co; 10% Zn;
Rest im wesentlichen Kupfer
1,7% Fe; 0,6% Co; 12% Zn;
Rest im wesentlichen Kupfer
1,6% Fe; 0,6% Co; 6,5% Zn;
Rest im wesentlichen Kupfer
Zum Vergleich werden bekannte Daten der C.D.A .-Legierungen 405, 411, 422 und 425 angegeben, die als Legierungen D, E, F und G bezeichnet werden.
Legierung C.D.A.- Sn Zn Cu
Legierung
D 405 0,7-1,3 2,7- 5,3 Rest
E 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 werden wie folgt behandelt: Schmelzen bei 1300"C und Gießen nach dem Durville-Verfahren bei einer Temperatur von 1175°C; Warmwalzen von einer Dicke von 44,45 mm auf etwa eine Dicke von 12,7 mm bei einer Anfangstemperatur von 950"C und einer Endtemperatur von etwa 600'C; Oberflächenbearbeiten bzw. Fräsen zur Erzeugung einer sauberen Oberfläche; Kaltwalzen auf eine Stärke von 2,03 mm im Fall der Legierungen A und B und auf eine Stärke von 1,52 mm im Fall der Legierung C; Glühen bei 500' C 5 Stunden lang im Fall der Legierungen A und B und bei 500"C 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 II 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 r> sind aus Angabenblättern für typische Legierungen innerhalb der Bereiche der C.D.A.-Legierungen entnommen.
Tabelle I
Mechanische Eigenschaften
Legierung
Stärke (mm)
Zugfestigkeit (kp/mm2)
A D E B
1,02 1,02 1,02
0,76 0,76 0,76
1,02 1,02 1,02
0,64 0,64
61,87 57,65 60,46
63,98 56,95 60,46
65,39 64,68 66,09
57,65 56,95
Minimaler Biegeradius (Fortsetzung Tabelle I)
Legierung
Biegeachse senkrecht Biegeachse
zur Walzrichtung parallel zur
Walzrichtung
(mm) (mm)
1,19 2,78
1,19 2,38
1,19 6,35
0,79 1,98
1,59 2,78
1,19 4,76
1,59 3,97
1,59 >6,35
1,19 4,76
0,20 0,79
1,59 2,38
Tabelle II
Elektrische Leitfähigkeit in geglühtem Zustand
Legierung
% IACS*)
A B C D E F G
40
37 45 41 31 28 32
*) Internat. Standard for Annealed Copper.
trischer Leitfähigkeit und Festigkeit bei verringertem Zinkgehalt. Die Legierung C besitzt jedoch eine Festigkeit vergleichbar der C.D.A.-Legierung405 (Legierung D), während sie eine höhere elektrische Leit-
fähigkeil erreicht. Die Werte 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 erfindungsgemäß
ίο verwendeten Legierungen im Vergleich zu den CD.A.Legierungen der Serie 400 überlegene Biegeeigenschaften bei Biegung um eine Biegeachse parallel zur Walzrichtung (»bad way« bend properties) besitzen. Diese verbesserten Biegeeigenschaften geben die Möglichkeit, die C.D.A.-Legierungen der Serie 400 durch Legierungen der in Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung bei Anwendungen zu ersetzen, bei denen die Biegung um eine Biegeachse parallel zur Walzrichtung das entscheidende Konstruktionskriterium ist.
Beispiel 2
Eine Reihe von Legierungen, die unter die in Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzungen fallen, wird ähnlich wie im Beispiel 1 hergestellt. Die Legierungszusammensetzung ist jeweils folgendermaßen:
Legierung
35
45
Die oben aufgeführten Werte bestätigen deutlich, daß die erfindungsgemäß verwendeten Legieiungen im Vergleich mit den zinnhaltigen Messinglegierungen der C.D.A .-Legierungen der Serie 400 gesteigerte elektrische Leitfähigkeit bei vergleichbarem Fcstigkeit-Grenzbiegeradius-Vcrhältnis aufweisen; bei vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeit weisen sie ein erhöhtes Fesligkcit-Grenzbiegeradius-Verhältnis auf.
Die Werte für die Legierungen A, B und C veranschaulichen die Wechselbeziehung zwischen clck-Zusammensetzung
H
I
J
K
1,5 % Fe; 0,3 % Co; 12
Rest im wesentlichen
1,5% Fe; 0,6% Co; 12
Rest im wesentlichen
1,5% Fe; 0,9% Co; 12
Rest im wesentlichen
1,2% Fe; 1,0% Co; 12
Rest im wesentlichen
% Zn;
Kupfer
% Zn;
Kupfer
% Zn;
Kupfer
% Zn;
Kupfer
Zugfestigkeit, Streckgrenze und elektrische Leitfähigkeit im geglühten Zustand sind in Tabelle III angegeben. In Tabelle III sind ferner diese Festigkeitswerte der Legierungen nach Kaltwalzen um 30% und um 50 %, ausgehend von 2,03 mm Stärke angegeben.
Tabelle III Zugfestigkeit !) 0,2%-Strcck- ) %IACS
Geglüht bei 500"C grenze
Legierung (kp/mm2 (kp/mm2)
43,59 30,23 34
46,40 35,86 34
H 45,70 und 30°/. 34,45 33
I 45,00 33,75 33
J Geglüht bei 500"C ι kaltgewalzt
K Legierung Zugfestigkeit 0,2 %-Streck-
grenze
(kp/mm2 (kp/mm2)
Il 60,46 56.95
I 61,87 58.36
J 61,87 58,36
K 61,87 57,65
Geglüht bei 500"C und 50% kaltgewalzt
ergibt sich aus dem Verhältnis von (NH4J2SO4 zu
Legierung Die oben Zugfestigkeit 0,2%-Streck- über einen weiten sind in Tabelle IV Legierung 10 A zusammengestellt. in Stunden
grcnzc c Tabelle IV B
(kp/mm2) (kp/mm2) 5 C I'cuchtcs
.5 D Zeit bis zum Ausfall Ammoniak
H 63,28 61,17
I 66,79 61,87 Mattsons-Lösung 90
J 66,09 61,87 (pH-Wcrl 7,2) 13
K 66,09 61,17 10-1/2
(D 61
aufgeführten Daten bestätigen deutlich, (D
daß die verbesserten Eigenschaften der Erfindungs (D
gemäß verwendeten Legierungen (D
Bereich des Kobaltgehaltes und des Gehaltes an Eisen + Kobalt erhalten werden. Die Daten bestätigen ferner, daß die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen im geglühten Zustand eine Zugfestigkeit von mehr als 42,18 kp/mm2, vorzugsweise mehr als 43,59 kp/mm2 und eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 33% IACS erreichen können. Ferner können die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen im geglühten und 30% kaltgewalzten Zustand eine Zugfestigkeit von mehr als 60,46 kp/mm2 sowie im geglühten und 50% kaltgewalzten Zustand eine Zugfestigkeit von mehr als 65,39 kp/mm2 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 Mattsons-Lösung mit einem pH-Wert von 7,2 [Mattsons-Lösung: 0,05 MoICuSO4, (NH4)2SO4, NH4OH. Der pH-Wert
(I) Kein Ausfall bis zum Ablauf von 502 Stunden; dann wurde der Versuch beendet.
Die Spannungskorrosions-Beständigkcit wurde auf Basis der Zeit bestimmt, bei der eine U-förmig gehaltene Probe, die den angegebenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt worden war, nach Loslassen zu 80% in die ursprüngliche Form zurückkehrt. Die Werte bestätigen deutlich, daß die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen eine Spannungskorrosions-Beständigkeit aufweisen, die mindestens mit der der zinnhaltigen Messinglegierungen der CD.A.-Legierungen der Serie 400 vergleichbar ist. Die erfindungsgemäß verwendeten 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.
709 536/272

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Verwendung einer Kupferlegierung, bestehend aus 0,5 bis 2,8 % Eisen, 0,2 % bis 2,0 % Kobalt, 5 bis 15% Zink, Rest Kupfer mit üblichen Verunreinigungen, wobei der gemeinsame Gehalt an Eisen und Kobalt 0,8 bis 3,0% beträgt, als Werkstoff für Bauteile, die zugleich hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen.
2. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach Anspruch 1, für Zwecke nach Anspruch 1, bei denen zusätzlich eine gute Biegefähigkeit des Werkstoffs erforderlich ist.
3. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach Anspruch 1, als Werkstoff für elektrische Kontakte.
4. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach Anspruch 1, als WerkstolT für elektrische Verbindungsstücke.
5. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach Anspruch 1, als Werkstoff für elektrische Buchsen.
6. Verwendung einer Kupferlegierung., bestehend aus 1,0 bis 2,0% Eisen, 0,3 bis~l % Kobalt, 7 bis 13% Zink, Rest Kupfer mit üblichen Verunreinigungen, wobei der gemeinsame Gehalt an Eisen und Kobalt 1,5 bis 2,5 % beträgt, für den Zweck nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach Anspruch 1 oder 6 mit der Maßgabe, daß 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 enthalten sind, für den Zweck nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
8. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach einem der Ansprüche 1, 6, 7 mit der Maßgabe, daß unter 0,?% Verunreinigungen enthalten sind, für den Zweck nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
9. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach einem der Ansprüche 1, 6, 7, 8, bei der dem geschmolzenen Kupfer die Legierungselemente bei 1200 bis 1 3000C zugegeben worden sind und die mit einer derartigen Temperatur vergossen worden ist, daß die Form eine Mindesttemperatur von 1175°C hat, für den Zweck nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
10. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach einem der Ansprüche 1, 6, 7, 8, die bei Temperaturen oberhalb von 50O11C warmgewalzt worden ist, für den Zweck nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
11. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach einem der Ansprüche I, 6, 7, 8, die um mindestens 50% kaltgewalzt ist, für den Zweck nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
12. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach einem der Ansprüche 1, 6, 7, 8 und vorzugsweise behandelt nach Anspruch 1!, die zwischen Kaltwalzstichen, vorzugsweise bei 400 bis 600'C, zwischengeglüht ist, für den Zweck nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
13. Verwendung einer Kupferlegierung, zusammengesetzt nach einem der Ansprüche 1,6,7,8 und vorzugsweise behandelt nach Anspruch 11 oder 12, die nach dem Kaltwalzen, vorzugsweise bei 400 bis 600 C, weichgeglüht ist, für den Zweck nach einem dar Ansprüche 1 bis 5.
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