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Kupferlegierung und Verfahren zu ihrer Herstellung
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Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung mit einem Gehalt an Bor
sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kupferlegierung.
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Für viele technische Einsatzgebiete wird von Kupfer neben dessen
bekannten chemischen und elektrischen Eigenschaften auch eine hohe Festigkeit bei
gutem Formänderungsverhalten verlangt. Insbesondere in der Elektrotechnik ist es
wünschenswert, daß Bauelemente aus Kupfer neben einer guten Leitfähigkeit auch eine
ausreichende Festigkeit aufweisen.
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Die herkömmlichen Verfahren zur Steigerung der Festigkeit von Kupfer,
mittels Kaltverformung, mittels Zulegieren von anderen Elementen oder mittels Wärmebehandlung
von legiertem Kupfer, sind jedoch sämtlich mit einer Einbuße an Leitfähigkeit verbunden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen,
wie sich die mechanische Festigkeit von Kupfer ohne gleichzeitigen unerwünschten
Verlust an elektrischer Leitfähigkeit steigern läßt.
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Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von einer Legierung von Kupfer
mit Bor dadurch gelöst, daß diese Legierung gemäß der Erfindung zwischen 0,0 und
0,4 Gewichts-% Bor enthält.
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Dabei ist diese Kupferlegierung gemäß der Erfindung vorzugsweise
so ausgebildet, daß sie das Bor in Form einer Mikrolegierung mit homogener Verteilung
des Bore entlang der Korngrenzen undioder in der Matrix enthält.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Kupfer/Bor-Legierung weist mit Härtewerten
HV3 zwischen 70 und 140 eine Festigkeit auf, wie sie sich bisher zum Beispiel bei
einer Kupfer/Phosphor-Legierung mit 0,4 % Phosphor beobachten läßt, die jedoch bei
gleicher Behandlung mit zarten von 39 bis 45 mxn mm2 eine erheblich geringere elektrische
Leitfähigkeit zeigt als die erfindungsgemäß ausgebildete Kupfer/Bor-Legierung, deren
Leitfähigkeit mit Werten zwischen 55 und 56,5 mJY2mm2 in einem Bereich liegt, der
bisher nur mit Elektrolytkupfer erreichbar ist.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Kupfer/Bor-Legierung vereinigt damit
in sich die Vorteile einer optimalen elektrischen Leitfähigkeit - im Bereich des
Elektrolytkupfers - und einer hohen Festigkeit bzw. Härte mit Werten, die gleich
oder - bei entsprechender Behandlung - sogar noch deutlich besser sind als die Werte
für eine in dieser Hinsicht bisher optimale Kupfer/Phosphor-Legierung. In wirtschaftlicher
Hinsicht ist es weiter günstig, daß das erfindungsgemäß als festigkeitserhöhendes
Legierungselement zugesetzte Bor gleichzeitig als Desoxydationsmittel wirksam ist.
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Die Herstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Kupfer/Bor-Legierung
geschieht bevorzugt in der Weise, daß einer Kupferschmelze während und/ oder nach
ihrer Erschmelzung Bor in Form von Tabletten mit einer Kombination aus kohlenstoffarmem
und siliziumfreiem Kalziumhexaborid und Kupferspänen in einem Gewichtsverhältnis
von 1 : 2 bis 1 : 9 entsprechender Zusammensetzung zugesetzt wird.
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Die vorgepreßten oder gesinterten Tabletten, die pulverförmiges Kalziumhexaborid
und Kupferspäne in einem Verhältnis zwischen 1 : 2 und 1 : 9 bzw. 10 bis 50 % Kalziumhexaborid
bezogen auf die Kupferspäne enthalten, können entweder dem aufzuschmelzenden Material
beigegeben oder in die Schmelze eingebracht werden. Feinheit und Größenverteilung
der Kupferapäne entsprechen zweckmäßig etwa denen des Kalziushexaborids in den Tabletten.
Bei dieser Vrbeitsweise wird eine gute Umsetzung des Kalziumhexaborids mit der Kupferschmelze
erreicht. Die Temperatur der Schmelze liegt vorteilhaft bei etwa 1 00G °C. OOQ
Die
erfindungsgemäße Kombination von optimaler elektrischer Leitfähigkeit und hoher
mechanischer Festigkeit bzw. Härte bei einem bormikrolegierten Kupfer wird weiter
gefördert bzw. ausgeprägt durch eine an den Legiervorgang anschließende Behandlungsfolge
aus Löseglühen, Abschrecken, Kaltverformung und Wärmebehandlung. Dabei wird die
Kupferlegierung insbesondere in einem Bereich zwischen 5 und 95 ah kaltverformt,
wobei wiederum ein Bereich zwischen 25 und 80 ,' und vor allem ein Wert van 70 °%
für die Kaltverformung bevorzugt sind. Das so kaltverformte Kupfer wird anschließend
einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich zwischen 100 und 400 OC unterworfen,
deren Dauer zehn Minuten bis mehrere Tage betragen kann.
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Der Einfluß einerseits des Borgehalts in der Legierung und andererseits
der Wtrmebehaid1ung auf die Härte des vorverformten bormikrolegierten Kupfers gemäß
der Erfindung ist in der Zeichnung in Form eines Diagramms dargestellt, das die
Relation zwischen der erzielten Härte in kp/mm2 und der Auslagerungsdauer im rahmen
der Wärmebehandlung in Stunden für drei in verschiedenem Ausmaß mit Bor mikrolegierte
Kupfer gemäß der Erfindung zeigt. Aus diesem Diagramm wird gleichzeitig deutlich,
wie Borgehalt und Behandlungszeit den Härtewert bei vorgegebener Ausgangshärte im
lösegeglühten und kaltverformten Zustand beeinflussen.
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Anhand der dargestellten Zusammenhänge lassen sich Verformung, Temperatur
und Auslagerungsdauer zu maximaler Härte bei höchstmöglicher Leitfähigkeit optimieren.
Bei geeignetem Mikrolegierungsgehalt wird erreicht, daß der Einfluß von Temperatur
und Zeit auf die Festigkeit der erhaltenen Kupferlegierung vergleichsweise gering
ist. Wesentliche Einflußgrößen bleiben Mikrolegierungsgehalt und Vorverformung zusammen
bei einer geeigneten Wärmebehandlung, wobei diese Wärmebehandlung in einem vergleichsweise
weiten Maße variierbar ist.
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Die günstigen Eigenschaften, die sich durch die erfindungsgemäDe
Kombination von Verformung und Wårmebehandlung bei bormikrolegiertem Kupfer erreichen
lassen, sind auf eine homogene Verteilung von Bor an den Korngrenzen, aber auch
in der Matrix zurückzuführen. Bei einem Kupfer, das
lediglich aus
der Schmelze heraus abgekühlt und wärmebehandelt wird, stellt sich eine wesentlich
ungleichmäßigere Borverteilung ein, und ein solcher Werkstoff erreicht bei weitem
nicht die gleichen Festigkeitswerte, wie ein bormikrolegiertes Kupfer, das gemäß
der Erfindung mit Hilfe einer geeigneten Kombination von Löseglühen, Verformung
und Wärmebehandlung erhalten worden ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und der mit ihrer Hilfe erzielbaren
hohen Festigkeit werte bei gleichzeitiger guter elektrischer Leitfähigkeit wird
im folgenden noch ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Kupferlegierung im einzelnen beschrieben: 5 g pulverförmiges GaB6
wurden mit 10 g Kupferspänen vermischt und mit einem Druck von 1,5 t/cm2 zu Tabletten
gepreßt. Eine so erhaltene Tablette wurde in einem Graphit tiegel in einem Induktionsofen
unter Gasrußabdeckung ca. 4 Minuten lang auf ca. 1000 OC erhitzt. Sodann wurden
500 g sauerstoffhaltiges (0,01 bis 0,04 Gewichts-% °2) Kupfer zugegeben und bei
11400C geschmolzen. Nach Ablauf des Schmelzvorganges wurde sofort mit Gasruß (ca.
3 cm Schichthöhe) abgedeckt. Die Gesamtzeit bis zum Ausgießen der Legierung in eine
Graphitkokille, die auf 150 OC vorgewärmt worden war, betrug 17 Minuten.
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Aus der so gewonnenen Kupfer/Bor-Legierung mit 0,156 Gewichts-oh
Bor wurde eine Probe mit den Abmessungen 10 x 10 x 50 mm hergestellt. Diese Probe
wurde geringfügig verformt und sodann drei Stunden lang bei ca.
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880 OC lösegeglüht und anschließend in Eiswasser abgeschreckt. Damit
war für diese Probe die minimale Härte (47 HV3) erreicht. Anschließend wurde die
Probe bis zu ca. 70 % kaltverformt. Die durch diese Verformung erhaltene Härte-
bzw. Festigkeitssteigerung entsprach einem Wert von ca. 136 HV3.
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Aus diesem Material wurden 15 mm lange Proben hergestellt, die bei
einer Temperatur von 200 OC warmausgelagert wurden. Der Härtewert dieser Proben
lag bei 132 HV3. Die elektrische Leitfähigkeit eines aus einer solchen Probe gefertigten
Drahten von 0,5 mm Durchmesser betrug 55 m/# mm²
HV30 in kp/mm²
Auslagerungszeit in Stunden Abb. 1