DE2720461A1

DE2720461A1 - Verfahren zur herstellung von bandmaterial aus kupfer-nickel-zinn-legierungen

Info

Publication number: DE2720461A1
Application number: DE19772720461
Authority: DE
Inventors: John Travis Plewes
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-10-10
Filing date: 1977-05-06
Publication date: 1977-12-01
Also published as: BE854400R; US4090890A; BE805780A; JPS5621065B2; SE448471B; NL181937B; JPS4973326A; FR2351186B2; GB1579667A; SE402604B; NL7705006A; GB1452283A; IT1116753B; NL181937C; JPS52136829A; DE2350389C2; DE2350389A1; CA1092955A; JPS5618665B2; FR2351186A2

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER . HIRSCH . BREHM _._ /

Palentconsull Radedeestraße 43 8000 München 60 Telelon (089) 883403/883604 Telex 05-21231J Telegramme Patentconsull Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Paienlconsult

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft die Herstellung von metallischem Bandmaterial.

Solche Gegenstände wie Federn, Membranen, Faltenbälge, Klemmen_f elektrische Kontakte und vergleichbare kleine Teile werden typischerweise durch Ausstanzen aus einem gewalzten Bandmaterial hergestellt, welches seinerseits aus einem gegossenen Block erhalten wurde. Neben anderen angestrebten mechanischen Eigenschaften soll derartiges Material hohe Zugfestigkeit und hohe Dehnung bzw. Duktilität aufweisen; andere angestrebte Eigenschaften sind Korrosionsbeständigkeit, hohes elektrisches Leitvermögen und leichte Lötbarkeit.

Als geeignete Legierungen für diese Anwendungszwecke sind Phosphor-Bronze und Beryllium-Kupfer-Legierungen angesehen worden; vgl. etwa G.R. Gohn et al, in "The Mechanical Properties of Wrought Phosphor Bronze Alloys", American Society for Testing Materials, (1956) und G. R. Gohn et al, in " The Me-

München: R. Kramer Oipl.-lng. · W. Weser Dipl -Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H. P. Brehm Dipl.-dem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.lng. . P. Bergen Dipl.-Ing Dr jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W -Ing.

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chanical Properties of Copper-Beryllium Alloy Strip", American Society for Testing and Materials (1964). Bis in die jüngste Zeit sind Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen nicht als brauchbarer Ersatz für Phosphor-Bronze oder Kupfer-Beryllium-Legierungen angesehen worden, was hauptsächlich auf der nicht ausreichenden Verformbarkeit der zugänglichen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen beruhte. Über Untersuchungen der Eigenschaften solcher Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen existieren verschiedene Berichte; vgl. beispielsweise E.M. Wise et al, in "Strength and Aging Characteristics of the Nickel Bronzes", Metal Technology, 523. 218-244 (Januar 1964); E. Petz "Über Aushärtbare Bronzen Auf Kupfer-Nickel-Zinn-Basis", Zeitschrift für Metallkunde 28, 350-353 (1936); und A.M. Patton, "The Effect of Section Thickness on the Mechanical Properties of a Cast Age-Hardenable Copper-Nickel-Tin Alloy; The British Foundryman, April 1962, 129-135; weiterhin wird die beispielhafte metallurgische Behandlung solcher Legierungen in der US-Patentschrift 1 816 509 mit dem Titel "Method of Treatment of Nonferrous Alloys", (E.M. Wise), aus 1931 beschrieben.

Im Gegensatz zu den relativ spröden Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen, welche mit den oben genannten Beiträgen behandelt werden, werden mit der US-Patentschrift 3 937 (J.T. Plewes) aus 1976 Legierungen beschrieben, welche sowohl fest wie duktil sind. Diese Kombination von Eigenschaften wird durch eine thermomecnanische Behandlung erreicht, zu

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welcher die Kaltverformung bis zu einer Flächenverringerung von wenigstens 75% gehört; daran schließt sich eine Alterungsbehandlung an, bei einer Temperatur die von der Legierungszusammensetzung und dem Ausmaß der Kaltverformung abhängt. Die Zusammensetzung dieser Legierungen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen bei Temperaturen in der Nähe ihres Schmelzpunktes in einem einphasigen Zustand vorliegen, bei Raumtemperatur dagegen in einem zweiphasigen Zustand. Es wird angenommen, daß die ungewöhnliche Kombination von hoher Festigkeit und hoher Dehnung ( bzw. Duktilität) durch die Verhinderung einer Ausscheidung der zweiten Phase an den Korngrenzen erreicht wird; daß im Gegenteil ein sog.spinodaler Übergang erreicht wird, zu deseen charakteristischen Eigenschaften die feine Dispersion der zweiten Phase innerhalb der ersten Phase gehört. Erst in jüngster Zeit ist festgestellt worden, daß bestimmte quartäre Legierungen ebenfalls eben solchen spinodalen Übergang zeigen. Diese quartären Legierungen werden dadurch erhalten, daß in den ternären Legierungen, die aus der US-Patentschrift 3 937 638 bekannt sind, bestimmte Kupferanteile, durch entsprechende Gehalte eines vierten Elementes ersetzt werden.

Wegen ihrer hohen Festigkeit, ihrer hohen Dehnung und den geringen Herstellungskosten sind spinodale Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen interessant als möglicher Ersatz für Phosphor-Bronze und Kupfer-Beryllium-Legierungen zur Herstellung von Bandmaterial. Obwohl die in der US-Patentschrift 3 937 638 beschriebenen ternären Legierungen und die daraus weiter ent-

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wickelten quartären Legierungen für die Herstellung von Bandmaterial geeignet sind, wird das daraus erhaltene Bandmaterial besonders vorteilhaft dort eingesetzt , wo eine scharfe Abbiegung des gewalzten Bandes nicht erforderlich ist; unter einem scharfen Abbiegen wird beispielsweise ein Abbiegen verstanden, das zu einem Kniff oder zu einer Faltung des Bandes in einer Richtung führt, welche einen beträchtlichen Anteil an einer Komponente parallel zur Walzrichtung aufweist. Als Folge der Anisotropie, d.h., einer richtungsabhängigen uneinheitlichen Verformbarkeit, können die Versuche, einem gewalzten Band derartige Kniffe oder Faltungen zu erteilen, zu einem Bruch des Bandes führen.

Im Rahmen dieser Erfindung ist festgestellt worden, daß Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen, deren Zusammensetzung in den schraffierten Bereich des mit Fig. 1 dargestellten Drei-Komponenten-Diagrammes fällt, dann eine hohe Festigkeit erhalten haben und hohe sowie im wesentlichen isotrope Verformbarkeit aufweisen, wenn an diesen Legierungen eine bestimmte thermomechanische Bearbeitung durchgeführt worden ist, zu welcher eine Homogenisierung gehört, weiterhin eine Kaltverformung in einem Ausmaß, welches einer Flächenverringerung von 25 bis 45% entspricht, und schließlich eine Alterung bei Temperaturen in der Nähe von 35O°C. Das erhaltene Bandmaterial ist geeignet für die Herstellung von gestanzten Gegenständen, zu deren Form scharfe Abbiegungen gehören, welche Kniffe oder

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Faltungen in jeder beliebigen Richtung bilden.

Zu den Anmeldungsunterlagen gehört auch ein Blatt Abbildungen mit den Fig. 1 und 2; im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Abschnitt eines Drei-Komponenten-Diagrammes für Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen; und

Fig. 2 ein Band aus einer Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung, das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt und teilweise gestanzt und abgebogen worden ist.

Die Fig. 1 zeigt einen schraffierten Bereich aus dem Zusamraensetzungs-Diagramm für Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen, wobei diener schraffierte Bereich den Nickel- und Zinngehalt der im Rahmen dieser Erfindung eingesetzten Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen wiedergibt. Die Punkte "A", ^MB^M und ¹¹C" geben die Zusammensetzung von drei beispielhaften Legierungen wieder, nämlich einer Legierung mit 4% Nickel, 8% Zinn, Rest Kupfer (Punkt ¹¹A"); 4% Nickel, 4% Zinn, Rest Kupfer (Punkt "B") und 12% Nickel, 4% Zinn, Rest Kupfer (Punkt "C").

Die Fig. 2 zeigt ein Band mit einer Breite von 12,7 mm und einer Dicke von 0,63 mm, aus einer Legierung, deren Zusammensetzung dem Punkt "B" aus Fig. 1 entspricht. Das Band wurde

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entsprechend dem nachfolgend beschriebenen Verfahren bearbeitet, ein Teil des Bandes ist in einer Verarbeitungsstufe dargestellt, wie sie für die Herstellung von Klemmen für elektrische Leitungen vorgesehen ist. Im einzelnen ist der Abschnitt 21 des Bandes durch Ausstanzen perforiert und eingekerbt, während der Abschnitt 22 scharf abgebogen ist, was zu einer lt-Abbiegung in einer Richtung quer zur Walzrichtung führt, wie das mit dem Pfeil angedeutet ist.

In einer vorangegangenen Stufe des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zur Behandlung wird ein Block aus Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung, deren Zusammensetzung einem Punkt aus der schraffierten Fläche der Fig. 1 entspricht, einer Behandlung zur Homogenisierung, etwa einer Glühung, ausgesetzt. Daran schließt sich eine rasche Abkühlung an, die ausreicht, ein einheitlich feines Korngefüge einer übersättigten festen Lösung des einphasigen Materials zu erhalten. Die mittlere Korngröße des homogenisierten Blockes soll vorzugsweise 100 ^im nicht übersteigen; noch weiter bevorzugt soll diese Korngröße in der Gröesenordnung von ungefähr 10 pin liegen. Der Block kann in gegossener Form eingesetzt werden, oder der Block kann durch vorangegangene Maßnahmen, wie etwa Heißverformung, Kaltverformung oder Warmbehandlung (wie sie beispielsr weise in der US-Patent anmeld. 620,644 beschrieben sind) in eine bestimmte Form gebracht worden sein.

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Im Anschluß an die Homogenisierung wird der Block mittels Kaltverformung bis zu einer Flächenverringerung von 25 bis 45% bearbeitet; eine Kaltverformung über 45% gewährleistet im wesentlichen keine hauptsächlich isotrope Verformbarkeit; eine Kaltverformung unter 25% bringt nicht die volle mögliche Festigkeit dieser Legierungen. Nach dem Walzen wird das Band bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 45O⁰C gealtert, um die angestrebte Kombination von Festigkeit und Dehnung zu erreichen. Die Alterungsdauer wird vorzugsweise dahingehend ausgewählt, daß die Alterung einheitlich in dem gesamten gewalzten Band erfolgen kann und wird deshalb vorzugsweise in Abhängigkeit von der Dicke des Bandes ausgewählt. Für sehr dünne Bänder kann bereits eine Alterung von lediglich 20 see wirksam sein, was als kontinuierliche Strangalterung durchgeführt werden kann; für dickere Bänder können vorzugsweise Alterungsbehandlungen bis zu 30 Stunden vorgesehen werden, um eine im wesentlichen homogene Alterung zu gewährleisten. Die Alterungsdauer und die Alterungstemperatur sind voneinander entsprechend der Arrhenius¹sehen Gleichung abhängig, so daß eine kürzere Alterungsdauer durch eine höhere Alterungstemperatur (oder umgekehrt) kompensiert werden kann; insbesondere ist festgestellt worden, daß eine Erhöhung der Alterungstemperatur um 5O⁰C eine zehnfache Verringerung der Alterungsdauer erlaubt. Zum Beispiel wird die angestrebte Kombination von hoher Dehnung und hoher Zugfestigkeit für eine Legierung mit 4% Nickel, 4% Zinn, Rest Kupfer, erreicht, wenn

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diese bis zu einer Flächenverringerung von 3796 kaltverformt worden und anschließend entweder für 8 Std. bei 35O⁰C oder für 50 min bei 400⁰C gealtert worden ist. Bevorzugte Zeitspannen für die Alterung entsprechend einer Alterungstemperatur von 35O⁰C sind in Tabelle I für die drei Legierungen angegeben, welche den Punkten "A", "B" und ⁿCⁿ aus Fig. 1 entsprechen. Im Anschluß an die Homogenisierung sind diese Legierungen in einem Ausmaß kaltverformt worden, das einer Flächenverringerung von 3796 entspricht; danach wurden diese Legierungen bei 35O⁰C gealtert. Mit Tabelle I sind die Zugfestigkeiten der behandelten. Bänder und der kleinste Biegeradius relativ zu der Banddicke angegeben, was eine größenmäßige Angabe für die Verformbarkeit darstellt. Für andere Legierungen aus dem beanspruchten Zusammensetzungsbereich können entsprechende Zeitspannen für die Alterung bei einer Alterungstemperatur von 35O⁰C mittels Interpolation oder Extrapolation ausgehend von der Alterungsdauer für die beispielhaften Legierungen ermittelt werden. Im allgemeinen steigt bei festgehaltenem Zinngehalt die Alterungsdauer mit dem Nickelgehalt an; für festgehaltenen Nickelgehalt nimmt die Alterungsdauer mit einem Anstieg des Zinngehaltes ab.

Obwohl die oben angegebenen Behandlungemaßnahmen auf Drei-Komponenten-Legierungen aus Kupfer, Nickel und Zinn angewandt worden sind, können gewisse Anteile an vierten Elementen, entweder als Zusatz eines einzigen ELeeentes oder als Zusatz

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einer Kombination mehrerer Elemente hingenommen werden, ohne daß in merklichem Ausmaß nachteilige Auswirkungen auftreten. Im Hinblick auf die Isotropie der Verformbarkeit liegt die obere Grenze für den Anteil an Eisen geringfügig unter 1596, die obere Grenze für den Anteil an Zink geringfügig unter IO96 und die obere Grenze für den Anteil an Mangan geringfügig unter 15%.

Im einzelnen können entsprechende Anteile an Kupfer durch bis zu 10% Eisen, bis zu 796 Zink oder bis zu 10% Mangan ersetzt werden, ohne daß dadurch die Legierungseigenschaften in merklichem Ausmaß nachteilig beeinflußt werden. Sofern mehrere Elemente aus der Gruppe Eisen, Zink und Mangan eingesetzt werden, soll deren Geaamtanteil vorzugsweise IO96 nicht übersteigen. Zur Beeinflussung anderer Eigenschaften, wie etwa der Erleichterung der Heißverformung vor der Homogenisierung, einer Verstärkung der Dehnung, oder einer Verstärkung der Festigkeit der verformten Legierung, können weiterhin geringe Anteile an den nachfolgenden Elementen vorgesehen sein, nämlich bis zu 0,15% Zirkon, bis zu 0,3% Niob, bis zu 1,0% Chrom, bis zu 1,5% Aluminium oder bis zu 1,0% Magnesium. Sofern mehrere dieser Elemente aus der Gruppe Zirkon, Niob, Chrom, Aluminium oder Magnesium vorgesehen sind, soll deren Gesamtanteil 1,5% nicht übersteigen, um den spinodalen Übergang nicht zu beeinträchtigen.

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Tabelle

Beispiel Zusammensetzung Alterungsdauer 0,01% Streckgrenze kleinste Abbiegung
(Cu-Ni-Sn) (Std.) (kg/cm²)

2 t

0,5 t

2 t

098	A	88-4-8	0,2	7.000
*»· OO	B	92-4-4	8	5.390
/0828	C	84-12-4	20	7.350

Claims

BLUMBACH · WESER · 3ERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2 7 2 Π :\ β Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsull Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Western Electric Company, Incorporated Plewes,J.T.5 Broadway, New York, N.Y. 100007 Verfahren zur Herstellung von Bandmaterial aus Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen Patentansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung von Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen zur Herstellung von Bandmaterial mit relativ hoher Dehnung, Zugfestigkeit und isotroper Verformbarkeit, das bei Weiterverarbeitung scharf abgebogen werden kann,

wobei an Legierungen aus

München: R. Kramer Oipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H.P. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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2 bis 98 Gew.-% Nickel,

2 bis 20 Gew.-% Zinn mit einem maximalen Zinngehalt von 11 Gew.-% bei 2% Nickel, Rest Kupfer mit oder ohne Anteile an weiteren Zusätzen wie Mangan und Zink, und/oder Verunreinigungen wie Silicium, Phosphor, Blei und Chrom

eine Vorbehandlung zur Homogenisierung durchgeführt wird, um Legierungen zu erhalten, deren Zusammensetzung in der Nähe des Schmelzpunktes im wesentlichen innerhalb der einphasigen ö<-Zone des Dreistoffsystems Kupfer-Nickel-Zinn liegt, deren Zusammensetzung bei Raumtemperatur jedoch in dem zweiphasigen Otfö-Bereich des Dreistoffsystems liegt, die in übersättigter fester Lösung der o<-Phase eine mittlere Korngröße von 100 pn oder weniger aufweisen, sofern die Legierungen weniger als 5 Gew.-# Zinn enthalten, und eine mittlere Korngröße von 25 Jim oder weniger aufweisen, sofern die Legierungen 5 Gew.-% oder mehr Zinn enthalten,

eine Kaltverformung der warmbehandelten Legierung mit oder ohne zwischengeschalteter Glühung durchgeführt wird, und

die Legierungen unmittelbar im Anschluß an die Kaltverformung bei einer Temperatur bei oder unterhalb einer der metastabilen Grenze entsprechenden Temperatur T gealtert werden,

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wobei unter T diejenige Temperatur verstanden wird, bei welcher die Kurven der zeitabhängigen Änderung des spezifischen Widerstandes von einem sigmodalen in einen exponentiellen Verlauf tibergehen,

(entsprechend der Stammanmeldung P 23 50 389.1), dadurch gekennzeichnet, daß

solche legierungen, deren Zusammensetzung durch die schraffierte Fläche des Diagrammes für die Anteile an Zinn Nickel u. Kupfer gem. Fig. 1 wiedergegeben wird, einer Kaltverformung unterzogen werden, welche zu einer Flächenverringerung von 25 bis 45% der homogenisierten Legierung führt; und

die Alterung für eine Zeitspanne von 20 see bis 30 Std. bei Temperaturen im Bereich von 250 bis 45O⁰C durchgeführt wird;

um diesen Legierungen eine relativ hohe isotrope Verformbarkeit zu erteilen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensstufe zur Homogenisierung unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, daß die Legierungen eine mittlere Korngröße in der Nähe von 10 um aufweisen.

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3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei diesen Legierungen ein Teil des Kupfers durch wenigstens eines der nachfolgenden Elemente ersetzt wird, nämlich

Eisen in einem Anteil von bis zu 10 Gew.-%; Zink in einem Anteil von bis zu 7 Gew.-%; Mangan in einem Anteil von bis zu 10 Gew.-%; Zirkon in einem Anteil von bis zu 0,15 Gew.-%; Niob in einem Anteil von bis zu 0,3 Gew.-%; Chrom in einem Anteil von bis zu 1 Gew.-%; Aluminium in einem Anteil von bis zu 1,5 Gew.-96; und Magnesium in einem Anteil von bis zu 1 Gew.-%.

4. Bandmaterial aus im wesentlichen Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Mated al nach einem Verfahren gem. den Ansprüchen 1, 2 oder 3 erhalten worden ist.

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