DE2429754A1

DE2429754A1 - Verfahren zur verbesserung der kriechfestigkeit und der bestaendigkeit gegen spannungsabbau von kupferlegierungen

Info

Publication number: DE2429754A1
Application number: DE2429754A
Authority: DE
Inventors: Jacob Crane; Eugene Shapiro
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1974-06-21
Filing date: 1974-06-21
Publication date: 1976-01-02
Also published as: DE2429754C3; DE2429754B2

Description

Verfahren zur Verbesserung der Kriechfestigkeit und der Beständigkeit yegen Spannungsabbau von Kupferlegierungen Die Erfindung betrifft den in den Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.
Es besteht ein Bedarf nach einem Verfahren, nach dem Kupferlegierungen Federeigenschaften zur Verwendung bei elektrischen Steckverbindungen und ähnlichen Anwendungen verliehen werden. Neben einer Beständigkeit gegen Spannungskorrosion und der elektrischen Leitfähigkeit müssen diese Materialien in.der Lage sein, bei ihrem Einsatz einen guten elektrischen Kontakt aufrechtzuerhalten, oder bei bestimmter Durchbiegung eine gewisse Spannunq zu behalten. Die meisten dieser Vorrichtungen unterliegen einer wiederholten Beanspruchung, so daß die vorgenannten Eigenschaften von großer Bedeutung sind.
Es ist bekannt, daß bestimmte Werkstoffe eine zeitabhängige Verformungsspannung aufweisen. Im ersten Fall spricht man-von "Kriechverhalten" im zweiten Fall von ''Spannungsabbau" des Materials.
Bei als Federn beanspruchten Teilen aus einer Legierung ist es erwünscht, daß die Legierung unter möglichst großer Belastung eine hohe Kriechfestigkeit und eine hohe Beständigkeitgegen Spannungsabbau besitzt.
Da Legierungen im allgemeinen zu bestimmten Werkstücken verarbeitet werden, wird meist nach der Verformung eine Niedertemperaturbehandlung durchgeführt. Hierzu werden die Verfahrensschritte Kalt -bearbeiten, verformen, Niedertemperaturbehandlung und Kühlen durchlaufen. Da die Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten im erfindungsgemäßen Verfahren nicht kritisch sind, kann die Niedertemperaturbehandlung in an sich bekannter Weise erfolgen. In diesem Verfahrensschritt wird die Legierung vorzugsweise wenigstens 1 Minute, insbesondere wenigstens 15 Minuten, auf der entsprechenden Temperatur gehalten.
Als zweites Element kann der Legierung Aluminium, Silicium, Zinn oder Zink zugeschlagen werden, um die Stapelfehlorenergie der Legierung zu vermindern. Zusätze von Nickel, Eisen, Kobalt, Zirkon und Mangan führen zu einer Verringerung der Korngröße der Legierung.
Nickel und Mangan erhöhen auch die Härte der Mischkristalle, ohne die StapelfehlerenerT-eder Legierung wesentlich zu beeinträchtigen.
Phosphor, gegebenenfalls in Kombination mit anderen Elementen, wirkt als Desoxidationsmittel und führt zur Kornverfeinerung.
Außer dem Kupfer enthält die Legierung als erstes Element vorzugsweise 2 bis 10 Prozent Aluminium oder -3 bis 5 Prozent Germanium oder 3 bis 8 Prozent Gallium oder 4 bis 10 Prozent Indium oder 1,5 bis 4 Prozent Silicium oder 4 bis 10 Prozent Zinn oder 15 bis 37 Prozent Zink.
LAls zweites Element der Legierung werden vorzugsweise 0,01 bis 4 j Prozent Aluminium oder 0,01 bis 3 Prozent Germanium oder 0,01 bis 7 Prozent Gallium oder 0,01 bis 9 Prozent Indium oder 0,01 bis 3,5 Prozent Silicium oder 0,01 bis 8 Prozent Zinn oder 0,01 bis 35 ProzentZink oder 0,01 bis 20Prozent Nickel oder 0,01 bis 0,35 Prozent Phosphor oder 0,01 bis 3,5 Prozent Eisen oder 0,01 bis 2 Prozent Kobalt oder 0,01 bis 3,5 Prozent Zirkon oder 0,01 bis 8,5 Prozent Mangan oder Gemische davon verwendet.
Die nach dem erfindungsgemaßen Verfahren bearbeiteten Legierungen haben eine Stapelfehlerenergie von vorzugsweise weniger als 30 erg/cm2 .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wenden ein oder mehrere Verfahrensschritte des Kaltbearbeitens und Zwischenglühens vor dem vorgenannten Kaltbearbeiten und der Niedertemperaturbehandlung durchgeführt. In dieser Ausführungsform wird die Legierung von etwa 10 bis 97 Prozent, vorzugsweise 15 bis 95 Prozent, kaltbearbeitet und nachfolgend wenigstens 1 Minute bei einer Temperatur von etwa 300 bis etwa 750 C, vorzugsweise bei etwa 350 bis etwa 7000C, zwischengeglüht, um die Legierung zu rekristallisieren. Diese Verfahrensschritte des Kaltbearbeitens und Zwischenglühens können so oft wiederholt werden, bis das am Ende vorliegende Material das gewünschte Maß und die gewünschte Härte angenommen hat.
Im Anschluß an das Zwischenqlühen wird die Legierung gemäß der erstgenannten Ausführungsform von etwa 10 bis 97 Prozent, vorzugsweise etwa 15 bis 95 Prozent kaltgewalzt, dann im allgemeinen zum gewünschten Werkstück verformtund auf eine Temperatur von etwa 200 bis etwa 360, vorzugsweise etwa 220 bis etwa 350°C erhitzt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Um die gewünschte Kriechfestigkeit und die Beständigkeit gegen Spannungsabbau der Legierung zu erhalten, kann es nötig sein, die Niedertemperaturbehandlung nach dem Verformen zu wiederholen.
Bandmaterial, das zur Herstellung des Werkstücks besonders stark verformt werden muß, kann die normalerweise am Ende vorgenommene Wärmebehandlung noch zusätzlich vor der Verformung erforderlich machen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf Legierungen mit sehr verschiedener Zusammensetzung anwendbar, vorzugsweise -auf die CDA-Legierungen 638 und 688.
Die Niedertemperaturbehandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert die Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungs abb au von Kupferlegierungen sehr unterschiedlicher Zusammensetzung und niederer Stapelfehlerenergie. Im gleichen Sinn wirkt die Vergrößerung der Korngröße der genannten Legierungen.
Die Vergrößerung der Korngröße auf wenigstens 0,006 mm bei Legierungen mit ähnlicher Zusammensetzung wie die der CDA-Legierung 638 kann beispielsweise durch Kaltverformung und Glühen in bestimmten Verformungsbereichen und bei bestimmten Temperaturen oder durch übliche Methoden erreicht werden.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel 1 CDA-In Tabelle I ist das Dehnung-Zeit-Verhalten der/Legierung 638 erläutert, die aus 2,5 Prozent Aluminium, 1,9 Prozent Silicium, 0,27 bis 0,42 Prozent Kobalt, Rest Kupfer besteht, auf eine Korngröße von 0,003 mm eingestellt-und um 50 ProzenVkaltgewalzt wurde, wobei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit bzw. ohne abschließende Niedertemperaturbehandlung gearbeitet wurde.
Bei der Bestimmung der Kriechfestigkeit betragen die Zugbelastung 50 Prozent der Streckspannung (0,2 Prozent) und die Temperatur 1250C. Für die Bestimmung des Spannungsabbaus beträgt die Zugbelastung 90 Prozent der Streckspannung (0,2 Prozent).
Tabelle I Wärme- Kriechfestigkeit, % Dehnung Spannungsabbau, % Entbehand- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ spannung lung Zug, nach Zeit von Zug, nach Zeit von kg/cm2 100 h 1000 h kg/cm2 24 h 1000 h keine 8,7 0,175 0,245 13,8 7,24 12,3 310°C/1 h 8,4 0,06 o 0,125 15,1 1,72 3,2 Aus Tabelle I ist ersichtlich, daß die Niedertemperaturbehandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Kriechfestigkeit und das Verhalten beim Spannungsabbau der Legierung verbessert. Niedertemperaturbehandlungen bei etwa 225 bis etwa 350-C ergeben ähnliche Verbesserungen der Kriechfestigkeit und des Verhaltens beim Spannungsabbau, ohne die Festigkeitseigenschaften der Legierung wesentlich zu beeinträchtigen.
Beispiel 2 Tabelle II erläutert die Kriechfestigkeit und den Spannungsab-CDA-bau der in verschiedenen Korngrößen vorliegenden/Legierung 638, die bis zu 50 bis 60 Prozentkaltgewalzt wurde, wobei nach dem er£indungsgemäßen Verfahren mit bzw. ohne abschließende Niedertemperaturbehandlung gearbeitet wurde. Die Versuchsbedingungen entsprechen im wesentlichen denen des Beispiels 1.
Tabelle II Korn- Wärme- Kriechfestigkeit, Spannungsabbau, °% Entgröße, behand- 5' Dehnung spannung mm g Zug, nach Zeit von Zug, nach Zeit von ~ kglem2 100 h 1000 h kg/cm2 24 h 1000 h 0,003 keine 8,7 0,175 0,245 13,8 7,24 12,3 0,003 310 8,6 0,06 0,125 15,1 1,72 3,2 0,007 keine 8,6 0,150 0,23 - - -0,007 310 8,2 0,038 0,080 14,8 1,04 2,3 Aus Tabelle II ist ersichtlich, daß die Kombination der Erhöhung der Korngröße durch Tempern mit einer Niedertemperaturbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die größte Verbesserung der genannten Eigenschaften bewirkt.
Beispiel 3 In Tabelle III ist erläutert, daß die Vergröberung der Korngröße und die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte Wärmebehandlung gemäß Beispiel 2 die wesentlichen Festigkeitseigenschaften der CDA-Legierung 638 nicht beeinträchtigen.
Tabelle III Korngröße, Kaltnach- Wärmebe- BS/SS (0 / % mm walzen, handlung, 0,003 50 0,003 50 keine 125,9/111/5 0,003 50 310 127/109/-0,007 60 keine 117/105/3 0,007 60 310 117/106/3 BS = Bruchfestigkeit SS = Streckfestigkeit D = Dehnung B e i s p i -e 1 4 CD.A-Aus kaltgewalzter Degierung 638 mit ähnlicher Zusammensetzung gemäß Beispiel 1 und einer Streckfestigkeit von etwa 12,6 bis 14,7 kg/cm2, wird eine elektrische Steckdose hergestellt. Zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der so hergestellten Steckdose wurde folgender Versuch durchgeführt: Ein elektrischer Stecker mit Übermaß wird in die Steckdose eingeführt, und dann wieder herausgezogen. Anschließend wird ein Stecker mit Untermaß, der mit einem entsprechenden Gewicht beschwert ist, in die Steckdose eingeführt. Dabei muß zwischen der Steckdose und den Kontaktstiften des Steckers ein genügend hoher Kontaktdruck aufrechterhalten werden, damit der Stecker mit Untermaß nicht durch das Gewicht wieder aus der Steckdose herausgezogen wird. Diese Forderung wurde von der Steckdose aus nicht erfüllt, die durch übliches Kaltwalzen und Verformen/der CDA-Legierung 638 hergestellt wurde.
Wenn die elektrische Steckdose einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 280 bis 345°C und anschließend den vorgenannten Versuchdinc,ungen unterworfen wird, erfüllt die Steckdose in 18 von 20 Versuchen die Forderungen.
Daraus ergibt sich, daß die Niedertemperaturbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren den Rest-Kontaktdruck zwischen Steckdose und Kontaktstiften des Steckers erhöht und damit ein Herausfallen des Steckers mit Untermaß verhindert, obwohl die Steckdose vorher mit einem Stecker mit Übermaß aufgeweitet wurde. Die optimale Funktionstüchtigkeit der Steckdose hängt auch von der bei der Wärmebehandlung verwendeten Temperatur ab.
Beispiel 5 In Tabelle IV ist die Wirkung einer nach der Wärmebehandlung stattfindenden Verformung- der CDA-Legierung 638 mit ähnlicher Zusammensetzung wie in Beispiel 1 auf den Spannungsabbau erläutert. Durch Zugbeanspruchung wird eine Verformung um 2 bis 1/2 Prozent und durch Kaltwalzen um 10 Prozent erreicht. Diese Art des Verformens wird bei Bandmaterial durchgeführt, das vorher kaltgewalzt und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Wärme behandelt wurde.
Tabelle IV Korngröße, Bedingungen % Entspannung mm -nach 5 Minuten 0,003 W 30% + 3100C/1 h 1,4 0,003 W 30% + 3100C/1 h + 2-1/2% Recken 1,8 0,003 W 30% + 3100C/1 h+ 10% Recken 2,7 0,003 W 30% + 3100C/lh + 10% Recken + 3100C/ 1h 1,5 0,007 W 40% + 3100C/ 1 h 1,6 0,007 W 40% + 3100C/1 h + 2-1/2% Recken 2,0 0,007 W 40% + 3100C/1 h + 10% Recken 3,1 0,007 W 40%0+ 310°C/1 h + 10% Recken 1,3 + 310 C/ 1 h 1,3 +)- Anfangsbelastung G3t28 kgjmm2 W = Kaltnachwalzen Aus Tabelle IV ist ersichtlich, daß das Verformen von Bandmaterial, das vorher einer Wärmebehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgesetzt wurde, die Wirkung dieser Wärmebehandlung herabsetzt, jedoch nach dem Verformen das Bandmaterial einer erneuten Wärmebehandlung unterworfen werden kann, um seine optimale Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsabbau wieder zu erhalten.
Damit bietet die Erfindung auch die Möglichkeit, ein der Wärmebe handlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfenes Bandmaterial zum gewünschten Werkstück zu verformen und durch nachfolgende Wiederholung der Wärmebehandlung dem Material die Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsabbau wiederzugeben, die es vor dem Verformen hatte.
B e i s p i e 1 6 Es wird eine technisch hergestellte CDA-Legierung 510 geprüft, die einerseits auf 54 Prozent kaltgewalzt, andererseits kaltgewalzt und nachfolgender Wärmebehandlung bei 220 0C nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen wurde. Die Untersuchungen werden bei einer Temperatur von 1250C und einer Zugbelastung-von 1/2 der Dehngrenze (0,2 Prozent) bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Ergebnisse erläutert Tabelle V.
Tabelle V Wärmebehandlung Zug, kg/cm2 Kriechfestigkeit, % Dehnung nach Zeit von 100 h 1000 h ohne 7,9 0,080 0,155 mit 7,3 0,021 0,063 Aus der Tabelle V ist ersichtlich, daß die Niedertemperaturbehandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Kriechfestigkeit von Legierungen sehr verschiedener Zusammensetzung verbessert, wie es bei der Legierung 510 der Fall ist, die eine Zinnbronze darstellt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h.e (Hilfsantrag)

1. Verfahren zur Bearbeitung von Kupferlegierungen aus 2 bis 12 Prozent Aluminiu8oder 2 bis 6 Prozent GermaniumJoder 2 bis 10 Prozent Gallium oder 3 bis 12 Prozent Indium oder 1 bis 5 Prozent Silicium oder 4 bis 12 Prozent Zinn oder 8 bis 37 Prozent Zink, Rest Kupfer, zur Verbesserung ihrer Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsabbau ohne wesentliche Beeinträchtigung der Festigkteitseigenschaften, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß man die Legierung (A) von etwa 10 bis 97 Prozent kaltbearbeitet, (B) verformt, (C) wenigstens 1 Minute auf etwa 200 bis 3600C erhitzt und (D) auf Raumtemperatur abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Leaierung zusätzlich vor dem Verformen (B) und nach dem Kaltbearbeiten wenigstens 1 Minute auf etwa 200 bis 3600C erhitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung verwendet, die wenigstens ein weitetes Element enthält, nämlich 0,001 bis 10 Prozent Aluminium oder 0,001 bis 4 Prozent Germanium oder 0,001 bis 8 Prozent Gallium oder 0,001 bis 10 Prozent Indium oder 0,001 bis 4 Prozent Silicium oder 0,001 bis 10 Prozent Zinn oder 0,001 bis 37 Prozenit Zink oder 0,001 bis 25 Prozent Nickel oder 0,001 bis 0,4 Prozent Phosphor oder 0,001 bis 5 Prozent Eisen oder 0,00) folgt S. ffi bis 5 Prozent Kobalt oder 0,001 bis 5 Prozent Zirkon oder 0,001 bis 10 Prozent Mangan oder ein Gemisch davon.

4. Verfahren nach Anspruch i bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung verwendet, die aus 2 bis 10 Prozent Aluminium, 3 bis 5 Prozent Germanium, 3 bis 8 Prozent Gallium, 4 bis 10 Prozent Indium, 1,5 bis 4 Prozent Silicium, 4 bis 10 Prozent Zinn oder 15 bis 37 Prozent Zink, Rest jeweils Kupfer, besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung verwendet, die wenigstens ein weiteres Element enthält, nämlich 0,01 bis 4 Prozent Aluminium, 0,01 bis 3 Prozent Germanium, 0,01 bis 7 Prozent Gallium, 0,01 bis 9 Prozent Indium, 0,01 bis 3,5 Prozent Silicium, 0,01 bis 8 Prozent Zinn, 0,01 bis 35 Prozent Zink, 0,01 bis 20 Prozent Nickel, 0,01 bis 0,35 Prozent Phosphor, 0,01 bis 3,5 Prozent Eisen, 0,01 bis 2 Prozent Kobalt, 0,01 bis 3,5 Prozent Zirkon oder 0,01 bis 8,5-Prozent Mangan oder ein Gemisch davon.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung- verwendet, -die eine Stapelfehlerenergie von weniger als 30 erg/cm2 aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung von etwa 15 bis 95 Prozent kaltbearbeitet.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung auf eine Temperatur von etwa 220 bis 3500C erhitzt.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung wenigstens 15 Minuten erhitzt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung verwendet, deren Korngröße vor der Verfahrensstufe A wenigstens 0,006 mm beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung zwischen dem Kaltbearbeiten (A) und dem Verformen (B) (E) wenigstens 1 Minute bei einer Tempnratllr von etwa 300 bis -7500C glüht und (F) von etwa 10 bis 97 Prozent kaltnachwalzt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung zwischen dem Kaltnachwalzen (F) und dem Verformen (B) wenigstens 1 Minute auf etwa 200 bis 3600C erhitzt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung gemäß Anspruch 3 einsetzt.

14. Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung gemäß Anspruch 5 einsetzt.

15. Verfahren nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung mit einer Stapelfehlerenergie von 30 erg/cm2 verwendet.

16. Verfahren nach Anspruch 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung verwendet, deren Korngröße vor dem Kaltnachwalzen wenigstens 0,006 mm beträgt.

17. Verfahren nach Anspruch 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verfahrensschritte (A) und (E) wenigstens einmal wiederholt.