DE2720461C2

DE2720461C2 - Herstellungsverfahren für Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen

Info

Publication number: DE2720461C2
Application number: DE2720461A
Authority: DE
Inventors: John Travis Berkeley Heights N.J. Plewes
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-10-10
Filing date: 1977-05-06
Publication date: 1987-04-16
Also published as: NL181937C; FR2351186A2; SE448471B; BE805780A; JPS4973326A; JPS52136829A; CA1092955A; FR2202165B1; SE7705054L; CA980223A; GB1579667A; NL181937B; GB1452283A; FR2202165A1; IT1116753B; IT999625B; JPS5621065B2; NL7313862A; JPS5618665B2; US4090890A

Description

Die Erfindung betrifft wie das Hauptpatent 23 50 389 ein Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen mit optimaler Kombination von Festigkeit und Duktilität.
Bauteile wie Federn, Membranen, Faltenbälge, Klemmen, 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 Verwendungszwecke sind Phosphor-Bronze und Beryllium-Kupfer-Legierungen angesehen worden; vgl. etwa G. R. Gohn st al, in "The Mechanical Properties of Wrought Phosphor Bronze Alloys", American Society for Testing Materials, (1956) und G. R. Gohn et al, in "The Mechanical 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. Fetz "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 18 16 509 mit dem Titel "Method of Treatment of Nonferrous Alloys" (E. M. Wise) aus 1931 beschrieben.
In der US-PS 39 41 620 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Legierungen mit 7 bis 14% Nickel und 1,5 bis 3,3% Zinn, Rest Kupfer, die gegebenenfalls auch 0,1 bis 3% Eisen und/oder 0,1 bis 3% Kobalt, bis zu 0,5% Mangan, bis zu 0,1% Magnesium, sowie geringe Gehalte an Chrom und Zirkonium enthalten können, zur Erzielung hoher Festigkeit und hoher Biegefähigkeit behandelt werden sollen. Das Verfahren besteht in der Herstellung des rekristallisierten Zustandes, Kaltwalzen mit 20 bis 50% Verformung, Anlassen bei 300 bis 550°C bei Zeiten von 15 min bis 24 Stunden und erneutem Kaltwalzen mit 20 bis 55%.
Das Hauptpatent bezieht sich nun im einzelnen auf ein Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen mit optimaler Kombination von Festigkeit und Duktilität, mit, in Gewichtsprozent,

- 2 bis 98, insbesondere 4 bis 40% Nickel,
- 2 bis 20% Zinn, wobei bei 2% Nickel ein maximaler Zinngehalt von 11% vorgesehen ist, und
- Rest Kupfer mit oder ohne kleine(n) Anteile(n) an anderen Zusätzen wie bis zu 0,25% Mangan und bis zu 2% Zink und/oder Verunreinigungen, wie
- Silicium, Phosphor, Blei und Chrom mit je weniger als 0,05%,
- wobei diese Legierungen bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes innerhalb des einphasigen α-Bereichs des ternären Kupfer-Nickel-Zinn-Phasendiagrammes und bei Raumtemperatur innerhalb des zweiphasigen (α+R) -Bereichs liegen,

- eine Homogenisierungsvorbehandlung mit Lösungsglühen und Abschrecken zum Erhalt der α-Phase in Form einer übersättigten festen Lösung,
- Kaltverformung der vorbehandelten Legierung entsprechend einem Verformungsgrad von wenigstens 75%, und
- Auslagerung der kaltverformten Legierung.

Die Besonderheit des Verfahrens nach dem Hauptpatent liegt darin, daß

- die Homogenisierungsvorbehandlung durch sich an das Lösungsglühen anschließendes Warm- oder Kaltverformen erfolgt, das mit einer Kaltverformung von wenigstens 30% verbunden ist, gefolgt von Rekristallisierungsglühen und Abschrecken mit wenigstens 40°C/sec, um eine mittlere Korngröße von höchstens 100 µm bei einem Zinnanteil von weniger als 5% und von höchstens 25 µm bei einem Zinnanteil von 5% oder mehr, vorzugsweise von höchstens 12 µm unabhängig vom Zinngehalt, zu erhalten, und
- die kaltverformte Legierung unmittelbar im Anschluß an die Kaltverformung bei einer Temperatur von wenigstens 225°C und unterhalb einer metastabilen Grenze T _m der Legierung so lange ausgelagert wird, daß die 0,01 Grenze vor Einsetzen einer Versprödung einen optimalen Wert erreicht, wobei T _m definiert ist als diejenige Temperatur, bei welcher die, die isotherme Widerstandsänderung als Funktion der Zeit wiedergebenden Kurven von einem S-förmigen in einen exponentiellen Verlauf übergehen.

Jene Legierungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie bei Temperaturen in der Nähe ihres Schmelzpunktes in einem einphasigen Zutand (α-Phase) vorliegen, bei Raumtemperatur dagegen in einem zweiphasigen Zustand ((α+R)-Phase). Es wird angenommen, daß die ungewöhnliche Kombination von hoher Festigkeit und hoher Duktilität durch Unterdrücken einer Ausscheidung der zweiten Phase an den Korngrenzen zugunsten eines sogenannten spinodalen Überganges erreicht wird. Bekanntlich ist für ein spinodales Gefüge eine feine Dispersion der zweiten Phase innerhalb der ganzen ersten Phase charakteristisch. Erst in jüngster Zeit ist festgestellt worden, daß bestimmte quarternäre Legierungen ebenfalls einen solchen spinodalen Übergang zeigen. Diese quarternären Legierungen werden dadurch erhalten, daß in den ternären Legierungen nach dem Hauptpatent bestimmte Kupferanteile durch entsprechende Gehalte eines vierten Elementes ersetzt werden.
Wegen ihrer hohen Festigkeit, ihrer hohen Duktilität 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-PS-Patentschrift 39 37 638 beschriebenen ternären Legierungen und die daraus weiter entwickelten quarternären Legierungen für die Herstellung von Bandmaterial geeignet sind, kann das daraus erhaltene Bandmaterial im wesentlichen nur dort eingesetzt werden, wo das gewalzte Band keine scharfen Abbiegungen, z. B. Kniffe oder Faltungen, in einer Richtung mit wesentlicher Komponente parallel zur Walzrichtung erfährt. Wegen 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.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren nach dem Hauptpatent so weiterzubilden, daß damit ein Bandmaterial mit hoher isotroper Verformbarkeit erhältlich ist.
Hierzu wird ausgegangen von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Verfahren; und die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.
Das solcherart erhaltene Bandmaterial ist geeignet für die Herstellung von gestanzten Gegenständen, zu deren Form scharfe Abbiegungen gehören, welche Kniffe oder Faltungen in jeder beliebigen Richtung bilden,
Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen beschrieben; es zeigt
Fig. 1 den hier interessierenden Ausschnitt aus dem ternären Diagramm-Kupfer-Nickel-Zinn, 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 schraffiert den Bereich aus dem ternären Diagramm-Kupfer-Nickel-Zinn, der den Nickel- und Zinngehalt der im Rahmen dieser Erfindung eingesetzten Kupfer-Nickel- Zinn-Legierung wiedergibt. Diese Legierungen liegen bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes innerhalb des einphasigen α-Bereichs des ternären Kupfer-Nickel-Zinn- Phasendiagramms und bei Raumtemperatur innerhalb des zweiphasigen (α+R)-Bereichs. Die Punkte "A", "B" und "C" geben die Zusammensetzung von drei erfindungsgemäß herzustellenden Legierungen wieder, nämlich einer Legierung mit 4% Nickel, 8% Zinn, Rest Kupfer (Punkt "A"); 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 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 Abbiegung führt, deren Biegekante parallel zur durch den Pfeil angedeuteten Walzrichtung verläuft.
In einer vorangegangenen Stufe des zu beschreibenden Verfahrens wird ein Block aus einer Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung, deren Zusammensetzung einem Punkt aus der schraffierten Fläche der Fig. 1 entspricht, einer Homogenisierungsvorbehandlung mit Lösungsglühen und Abschrecken ausgesetzt, um ein einheitlich feines Korngefüge einer übersättigten festen Lösung der α-Phase zu erhalten. Die mittlere Korngröße des homogenisierten Blockes soll wie beim Verfahren nach dem Hauptpatent 100 µm bei einem Zinnanteil < 5% und 25 µm bei einem Zinnanteil ≤5% nicht übersteigen. Bevorzugt beträgt die Korngröße ungefähr 10 µm. Der Block kann in gegossener Form eingesetzt werden, oder der Block kann durch vorangegangene Verformungs-Maßnahmen in eine bestimmte Form gebracht worden sein.
Im Anschluß an die Homogenisierungsvorbehandlung wird der Block mit einem Verformungsgrad von 25 bis 45% kaltverformt. Ein höherer Kaltverformungsgrad gewährleistet keine hauptsächliche isotrope Verformbarkeit mehr, und ein kleinerer Kaltverformungsgrad bringt nicht mehr die volle mögliche Festigkeit dieser Legierungen. Daran anschließend wird das Band bei 250 bis 450°C ausgelagert, um die angestrebte Kombination von Festigkeit und Duktilität zu erreichen. Die Dauer der Auslagerung wird dahingehend ausgewählt, daß diese einheitlich im gesamten gewalzten Band erfolgt und wird deshalb in Abhängigkeit von der Dicke des Bandes gewählt. Für sehr dünne Bänder ist eine Auslagerung von bereits 20 sec wirksam, was als kontinuierliche Strang- Auslagerung durchgeführt werden kann, für dickere Bänder werden Auslagerungsbehandlungen bis zu 30 Stunden vorgesehen, um eine im wesentlichen homogene Auslagerung zu gewährleisten. Dauer und Temperatur der Auslagerung sind voneinander entsprechend der Arrhenius'schen Gleichung abhängig. Eine kürzere Dauer kann durch eine höhere Temperatur (oder umgekehrt) kompensiert werden; insbesondere ist festgestellt worden, daß eine Erhöhung der Temperatur um 50°C eine zehnfache Verringerung der Dauer erlaubt. Zum Beispiel wird die angestrebte Kombination von hoher Duktilität und hoher Zugfestigkeit für eine Legierung mit 4% Nickel, 4% Zinn, Rest Kupfer, erreicht, wenn diese um 37% kaltverformt worden und anschließend entweder 8 h lang bei 350°C oder 50 min lang bei 400°C ausgelagert worden ist. Bevorzugte Zeitspannen für eine Auslagerung bei 350°C sind in Tabelle I für die drei Legierungen angegeben, welche den Punkten "A", "B" und "C" aus Fig. 1 entsprechen. Im Anschluß an die Homogenisierung wurden diese Legierungen um 37% kaltverformt und danach bei 350°C ausgelagert. In der nachfolgenden Tabelle sind die Zugfestigkeit entsprechend der 0,01 Grenze der behandelten Bänder und der kleinste Biegeradius in Vielfachen der Banddicke t angegeben, was eine größenmäßige Angabe für die Verformbarkeit darstellt. Für andere Zusammensetzungen der erfindungsgemäß herzustellenden Legierung können entsprechende Zeitspannen für die Auslagerung bei 350°C durch Interpolation oder Extrapolation ausgehend von der Auslagerungsdauer für die beispielhafte Legierungen ermittelt werden. Im allgemeinen steigt bei festgehaltenem Zinngehalt die Auslagerungsdauer mit dem Nickelgehalt an; für festgehaltenen Nickelgehalt nimmt die Auslagerungsdauer mit einem Anstieg des Zinngehaltes ab.
Obwohl die oben angegebenen Behandlungsmaßnahmen auf ternäre Legierungen aus Kupfer, Nickel und Zinn angewandt worden sind, können gewisse Anteile an vierten Elementen, entweder als Zusatz eines einzigen Elementes oder als Zusatz einer Kombination mehrerer Elemente hingenommen werden, ohne daß in merklichem Ausmaß nachteilige Auswirkungen auftreten.
Im einzelnen können entsprechende Anteile an Kupfer durch bis zu 10% Eisen, bis zu 7% Zink oder bis zu 10% Mangan ersetzt werden, ohne daß dadurch die Legierungseigenschaften in merklichem Ausmaß nachteilig beeinflußt werden. Sofern mehrere dieser Elemente eingesetzt werden, soll deren Gesamtanteil vorzugsweise 10% nicht übersteigen. Zur Beeinflussung anderer Eigenschaften, wie etwa der Erleichterung der Warmverformung vor der Homogenisierungsvorbehandlung, einer Verstärkung der Duktilität, oder einer Verstärkung der Festigkeit der verformten Legierung, können weiterhin geringe Anteile an den nachfolgenden Elementen vorgesehen sein, nämlich bis zu 0,15% Zirkonium, 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 eingesetzt werden, soll deren Gesamtanteil 1,5% nicht übersteigen, um den spinodalen Übergang nicht zu beeinträchtigen. °=c:120&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz11&udf54;

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen mit optimaler Kombination von Festigkeit und Duktilität, deren Zusammensetzung durch die schraffierte Fläche innerhalb des ternären Diagramms Kupfer- Nickel-Zinn gemäß Fig. 1 wiedergegeben wird,

- wobei diese Legierungen bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes innerhalb des einphasigen α-Bereichs des ternären Kupfer-Nickel-Zinn-Phasendiagrammes und bei Raumtemperatur innerhalb des zweiphasigen (α+R)- Bereichs liegen,

durch

- eine Homogenisierungsvorbehandlung mit Lösungsglühen und Abschrecken zum Erhalt der α-Phase in Form einer übersättigten festen Lösung, wobei sich an das Lösungsglühen ein Warm- oder Kaltverformen anschließt, das mit einer Kaltverformung von wenigstens 30% verbunden ist, gefolgt von Rekristallisierungsglühen und Abschrecken mit wenigstens 40°C/sec, um eine mittlere Korngröße von höchstens 100 µm bei einem Zinnanteil von weniger als 5% und von höchstens 25 µm bei einem Zinnanteil von 5% oder mehr zu erhalten,

- Kaltverformung der vorbehandelten Legierung, und

- Auslagerung der kaltverformten Legierung, wobei

- die kaltverformte Legierung unmittelbar im Anschluß an die Kaltverformung bei einer Temperatur von wenigstens 225°C und unterhalb einer metastabilen Grenze T _m der Legierung so lange ausgelagert wird, daß die 0,01- Grenze vor Einsetzen einer Versprödung einen optimalen Wert erreicht, wobei T _m definiert ist als diejenige Temperatur, bei welcher die die isotherme Widerstandsänderung als Funktion der Zeit wiedergebenden Kurven von einem S-förmigen in einen exponentiellen Verlauf übergehen, mit der Maßgabe, daß bei Temperaturen von 250 bis 450°C 20 Sekunden bis 30 Stunden ausgelagert wird,

nach Patent 23 50 389, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Legierung zur Herstellung eines Bandes mit hoher isotroper Verformbarkeit nach der Homogenisierungsvorbehandlung mit einem Verformungsgrad von 25 bis 45% kaltverformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungsvorbehandlung unter solchen Bedingungen durchgeführt wird, daß die Legierung eine mittlere Korngröße in der Nähe von 10 µm aufweisen.

3. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, auf eine Legierung mit zusätzlich

bis zu 10% Eisen,
bis zu 7% Zink,
bis zu 10% Mangan,
bis zu 0,15% Zirkonium,
bis zu 0,3% Niob,
bis zu 1% Chrom,
bis zu 1,5% Aluminium, und bis zu 1% Magnesium.