DE2366062A1

DE2366062A1 - Verfahren zur behandlung einer kupferlegierung

Info

Publication number: DE2366062A1
Application number: DE19732366062
Authority: DE
Inventors: Jacob Crane; Sam Friedman; Michael J Pryor
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-07-03
Publication date: 1977-07-28
Also published as: DE2333820B2; US3816109A; DE2333820A1; DE2366062B2; JPS4956819A; CA985069A; JPS5314489B2; GB1399195A; AU473155B2; BR7304845D0; FR2236954B1; AU5517873A; IT985043B; FR2236954A1; BE801845A; DE2333820C3; SE397369B

Description

¹¹ Verfahren zur Behandlung einer Kupferlegierung "

Priorität: 3. Juli 1972; V.St.A.; Anmelde-Nr. 268 485 Ausscheidung aus: P 23 33 820.7

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Legierungen so zu verarbeiten, daß sich allgemein verbesserte Eigenschaften, insbesondere Festigkeitseigenschaften> Biegeeigenschaften und elektrische Eigenschaften ergeben.

Zur Lösung dieser=Aufgabe werden die in Anspruch 1 angegebenen Bearbeitungsschritte eingesetzt.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den unteransprüchen.

Bevorzugte Zusammensetzungen der erfindungsgemäß zu behandelnden Legierungen sowie weitere vorteilhafte Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Bekannte zinnhaltige Messinglegierungen, nämlich Kupfer-Zink-Zinn-Legierungen, wig 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 425 U«5 bis 3,0 % Zinn, 7 - 11,5 % Zink, Rest im wesentlichen Kupfer), welche die höchste Festigkeit der Serie

709830/0381

aufweist, bis zu 41 % IACS für die C.D.Α..-Legierung 405 (O_f7 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.

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 S 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 Sy beträgt. . .." . —. ■

Die erfindungsgemäßen Legierungen sind besonders für elektrische Bauteile geeignet; sie besitzen ausreichende Duktilität bzw. Verformbarkeit, um eine Herstellung komplizierter Teile, beispielsweise elektrischer Hohlkörper, zu ermöglichen. Da derartige Teile unter verschiedensten Umgebungsbedingungen und bei hoher _ι mechanischer Spannung verwendet werden, ist Spannungskorrosionsbeständigkeit sehr wichtig. ' " · ■

Die Legierungen gemäß der Erfindung besitzen eine elektrische Leitfähigkeit, die der der zinnhaltigen Messinglegierungen der

709830/Ö381

.C.D.A.-Legierungen der Serie ¹IOO bei vergleichbarem Festigkeit-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 Kupferlegierungen enthalten etwa 0,5 bis etwa 2,8 % 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, welche-die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen nicht nachteilig beeinflussen.

Verunreinigungen in den folgenden Mengen, einzeln oder in Kombination, haben keine schädlichen Auswirkungen auf die Gieß-, V/armwalz- oder Kaltwalzeigenschaften der erfindungsgemäßen Le-

7G983Ö/Ö381

gierungen: Phosphor unter etwa 0,03 %_s Blei unter etwa 0,03 *, Zinn unter etwa 0,05 %₃ Nickel unter etwa 0,05 %_a Mangan unter etwa 0,10 %₃ Aluminium unter etwa 0,10 %, Silber unter etwa 0,05 % und Silicium unter etwa 0,10 %. Bevorzugt ist allerdings, daß der Gesamtgehalt an Verunreinigungen auf weniger als 0,2 % begrenzt 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 wesentlichen 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.

709830/0381

Der maximale Zinkgehalt wurde nach Maßgabe der Spannungskorrosionsbeständigkeit festgestellt. Der minimale Zinkgehalt richtet sich nach der Notwendigkeit, die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.

Es wurde 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.

709830/0381

Die Legierungen gemäß der Erfindung können folgendermaßen hergestellt werden:

Schmelzen und Gießen: Das Kupfer wird geschmolzen, Eisen und Kobalt werden zugegeben, es wird auf 13OO°C 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, Wärmzeit und Stichplan je nach Wunsch bzw. Anforderung, der letzte Stich wird vor-

zugsweise bei einer Tempteratur oberhalb von 500 C durchgeführt-.

Kalzwalzen: Die erfindungsgemäßen Legierungen lassen sich nach Warmwalzen oberhalb 500⁰C 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 köntinuier- "_ lieh) 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. -.. . ·

Um die verbesserte Festigkeit in geglühten und kaltverformten Zuständen zu behalten, werden im Rahmen der Erfindung Zwischenr glühungen und die Endglühung im Rahmen der Kaltverformung vorzugs-

709830/0381

weise im Bereich von UOO - 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, Nickel, Chrom oder zinnhaltiger Messinglegierung verbunden bzw. auf diese Metalle plattiert werden. Die Legierung zeigt im Vergleich zur C.D.A.Legierung IJll und zur C.D.A.-Legierung 425 ungewöhnlich hohen Verschleißwiderstand. Dadurch kann sie als geeigneter Lagerwerkstoff angesehen werden, wofür bisher die C.D.A.-Legierung 4ll 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 % Pe; 0,6^.¹Qo; 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.

- 70*8307 0 381 . ,-

- Sr-

Zum Vergleich werden bekannte Daten der C.D.A.-Legierungen 405, 411, 422 und 425 angegeben, die als Legierungen D, E, P und G bezeichnet werden.

Legierung C.D.A.-Legierung Sn^ Zn Cu

D 405 0,7 - 1,3 2,7 - 5,3 Rest

-E 422 . 0,8 - 1,4 0,6 - 13,2 Rest

P 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 wie folgt behandelt: Schmelzen bei 1300⁰C und Gießen nach dem Durville-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 (0,5") bei einer Anfangstemperatur von 95O°C und einer 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 Stundenlang im Fall der Legierung C; dann Kaltwalzen in unterschiedlichen Verformungsgraden.

Zugfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Grenz-Biegeradius sind in den Tabellen I und H aufgeführt. Die Eigenschaften sind mit den Legierungen D, E , F und G, die handelsübliche zinn-, haltige Messinglegierungen darstellen, verglichen. Die Angaben für die'Legierungen D, E, F und G sind aus Angabenblättern für

709830/0381

typische Legierungen innerhalb der Bereiche der C.D.A.-Liegierungen entnommen.

	mm	Tabelle I	Zugfestigkeit	(psi χ 1000)
	1,02		kp/mm^	(88)
Legierung	1,02	MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN	61,87	(82)
	1,02	Stärke	57,65	(86)
A	0,76	(inch)	60,46	(91)
ρ	0,76	(0,040)	63,98	(81)
E	0,76	(0,040)	56,95	(86)
A	1,02	(0,040)	60,46	(93)
■ ■■■ D	1,02	(0,030)	65,39	(92)
E	1,02	(0,030)	64,68	(94)
B	0,64	(0,030)	66,09	(82)
E	0,64	(0,040)	57,65	(81)
P	(0,040)	56,95
C	(0,040)
D	(0,025)
	(0,025)

709830/0381

Fortsetzung Tabelle I:

	Minimaler I	(inch)	3iegeradius	Walzrichtung	LEITFÄHIGKEIT IN GEGLÜHTEM ZUSTAND	% IACS (Internat.	40	Standard
	Biegeachse senkrecht	(3/64)	Biegeachse parallel	(inch)		for	37	Annealed Copper)
	zur Walzrichtung	(3/64)	zur	(7/64)		45
Legierung	mm	(3/64)	mm	(6/64)		41
A	1,19	(2/64)	2,78	(16/64)		31
D	1,19	(4/64)	2,38	(5/64)	*	28
E	1,19	(3/64)	6,35	(7/64)		32
A	0,79	(4/64)	1,9»	(12/64)
D	1,59	(4/64)	2,78	(10/64)
E	1,19	(3/64)	4,76	• i>l6/64)
B	1,59	(0,5/64)	3,97	(12/64)
Έ	1,59	(4/64)	>6,35	(2/64)
P	1,19	Tabelle n	4,76	(6/64)
C	0,20	0,79
D	1,59	2,38

ELEKTRISCHE
Legierung

A
B
C
D
E
F
G

709630/0381

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 erfindungsgemäße Legierung C besitzt jedoch eine Festigkeit vergleichbar der C.D.A.-Legierung 405 (Legierung D)₃ während sie eine höhere !elektrische Leitfähigkeit 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 erfindungsgemäßen Legierungen im Vergleich zu den C.D.A.-Legierungen 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 C.D.A.-Legierungen der Serie 400 durch die erfindungsgemäßen Legierungen bei Anwendungen zu ersetzen, bei denen die Biegung um eine Biegeachse parallel zur Walzrichtung das entscheidende Konstruktionskriterium ist.

700830/0381

"/ ⁴\ , 2386062

Beispiel 2

Eine Reihe von erfindungsgemäßen Legierungen wird ähnlich wie in Beispiel 1 hergestellt. Die Legierungszusammensetzung ist jeweils folgendermaßen:

Legierung Zusammensetzung

H 1,5 % Pe; 0,3 % Co; 12 % Zn;

Rest im wesentlichen Kupfer

1,5 % Fe; 0,6 % Co; 12 % Zn;

Rest im wesentlichen Kupfer

J '. 1,5 % Pe; 0,9 % Co; 12 £ Zn; Rest im wesentlichen Kupfer

K 1,2 % Fe; 1,0 Jf-Co; 12 %^Zn;

Rest im wesentlichen Kupfer.

Zugfestigkeit, Streckgrenze und elektrische Leitfähigkeit im geglühten Zustand sind in Taballe Iilangegeben. In Tabelle III sind ferner diese Festigkeitswerte der Legierungen nach Kaltwalzen um 30 % und um 50 %> ausgehend von 2,03 mm (o,08")
Stärke angegeben.

709830/0381

	GEGLÜHT BEI	500⁰C	Tabelle III	χ 1000)	χ 1000)	χ 1000)	0,2 ^-Streckgrenze	(psi χ 1000)	(psi χ 1000)	(psi χ 1000)	% IACS
	Legierung	Zugfestigkeit		(62)	(86)	(90)	kp/mm	(43)	(81)	(87)
		p kp/mm (psi		(66)	(88)	(95)	30,23	(51)	(83)	(88)	34
	H	43", 59	(65)	(88)	(94)	35,86	(49)	(83)	(88)	34
	I	46,40	(64)	(88)	(94)	34,45	(48)	(82)	(87)	33
	J	45,70 ■		50O⁰C UND 50 % KALTGEWALZT		33,75				33
	K	45,00	50O⁰C UND 30 % KALTGEWALZT	Zugfestigkeit				.0,2 ^-Streckgrenze
-a, · ο				2 kp/mm (psi				p kp/mm
φ	GEGLÜHT BEI	Zugfestigkeit	63,28		OjJ! ^-Streckgrenze	61,17
ο» ; .		kp/mm (psi	66,79.	ρ kp/mm	61,87
ο '.	Legierung	60,*Ιβ	66,09	56,95	61,87".
N. O		61,87	66,09	58,36	61,17
σο	. H	61,87		58,36
	ι ·	61,87	57,65
	"J '
	K
	GEGLÜHT BEI
	Legierung

	H
	I
	•J
	·'.· κ.

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

p ·

Zugfestigkeit von mehr als 42,18 kp/mm (60 ksi), vorzugsweise mehr als 43,59 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 60,46 kp/mm (86 ksi) sowie im geglühten und 50 % kaltgewalzten Zustand eine Zugfestig-

keit von mehr als 65j39 kp/mm· (93 ksi) erreichen.

Beispiel 3

Proben der Legierungen A und B aus Beispiel 1 und der Legierungen E und P werden beschleunigten Korrosionsversuchen unter mechanischer Spannung in einer Umgebung aus feuchtem Ammoniak bzw.

wäßriger Ammoniaklösung
und einer Umgebung aus Mattson^!s-Lösung mit einem pH-Wert von 7,2 (Mattson's-Lösung: 0,05 mol CuSOj₁, (NH^)₂SO₁₁, NH^OH. Der pH-Wert ergibt sich aus dem Verhältnis von (NH₁₁ ^SO₁₁ zu NH₁₁OH. ausgesetzt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle IV zusammengestellt.

709830/0381

Tabelle IV Zeit bis zum Ausfall in Stunden

Legierung Mattson's-Lösung Feuchtes (pH-Wert 7,2) Ammoniak

A (1) 90

B-(I) 13

C (1) 10-1/2

D (1) 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 war,/zu 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.

709830/0381

Claims

P a t e n ta nsprüche

1. Verfahren zur Behandlung 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,

dadurch gekennzeichnet ,

daß die Legierung bei mehr als 500 C warmgewalzt wird und daß die Legierung dann mit mehr als 50 % Verformung in mehreren Stichen und mit mindestens einer Zwischenglühung kaltgewalzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei 400 bis 600°C zwischengeglüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsbestandteile bei 1200 - 1300°C zusammengebracht werden und daß die Legierung mit einer derartigen Temperatur vergossen wird, daß die Form: eine Mindesttemperatur von 1175°C hat.

4. Verfahren>nach einem· der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei 400 bis 600°C endgeglüht wird.

709830/0381