DE2743470A1

DE2743470A1 - Kupferlegierung

Info

Publication number: DE2743470A1
Application number: DE19772743470
Authority: DE
Inventors: John F Breedis; W Gary Watson
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1976-10-04
Filing date: 1977-09-27
Publication date: 1978-04-06
Also published as: US4049426A; IT1091143B; GB1549107A; JPS5344422A; FR2366369A1; CA1099132A

Description

u.Z. : M W (DY/H)
Case: 728977-B
OLIN CORPORATION
East Alton, Illinois, V.St.A,

"Kupferlegierung"

Technisch brauchbare Kupferlegierungen sollen gleichzeitig eine hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Bisherige Versuche, eine dieser Eigenschaften zu verbessern, hatten jedoch immer eine Verschlechterung der anderen Eigenschaft zur Folge. So wurden beispielsweise Elemente, wie Zirkonium und Chrom, als Zusatz zu Kupferlegierungen verwendet, um die gewünschte Kombination von hoher Festigkeit und guter elektrischer Leitfähigkeit zu erzielen. Es ist bekannt, daß die Ausscheidung von Chrom in Kupfer einen starken Anstieg der Festigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit gegenüber einer festen Lösung von Kupfer und Chrom ergibt. Ausscheidungsgehärtete, Chrom enthaltende Kupferlegierungen haben eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit, jedoch eine höhere Festigkeit als reines Kupfer. Es ist bekannt, daß die Ausscheidung von Zirkonium in Kupfer gegenüber den Werten für die feste Lösung von Zirkonium im Kupfer eine starke Zunahme der elektri-

^L 8098U/0698 ^J

" ⁵ ~ 274347Ü

sehen Leitfähigkeit, jedoch eine nur geringe Zunahme in den Festigkeitseigenschaften bewirkt. Auch erhöht Zirkonium die Rekristallisationstemperatur von Kupfer beträchtlich. Diese Legierungen besitzen eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit, jedoch eine weit bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Erweichung bei hohen Temperaturen als reines Kupfer.

Um hohe Festigkeit mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zu kombinieren, wurde Vanadium als Zusatz zu Kupferlegierungen verwendet. In der SU-PS 185 068 ist eine Kupferlegierung beschrieben, die Chrom, Zirkonium und Vanadium enthält. Die Patentschrift offenbart keine Verfahrensschritte zur Herstellung dieser Legierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Festigkeit zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Die Erfindung betrifft somit den in den Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.

Die gewünschte Kombination von hohen Festigkeitseigenschaften und guter elektrischer Leitfähigkeit v/erden erfindungsgemäß erzielt durch eine Kombination eines neuen Legierungssystems mit folgenden Verfahrensschritten:

Die Legierung wird vergossen und so warmbearbeitet, daß alle Legierungselemente maximal in fester Lösung vorliegen.

^L 80981 4/0693 -¹

έ2743Α70 Anschließend wird die warmbearbeitete Legierung lösungsgeglüht, wenn die Warmbearbeitung bei 850 bis 95O°C erfolgte. Danach wird die Legierung rasch abgekühlt, um alle Legierungselemente maximal in fester Lösung zu halten. Sodann wird die Legierung zu einem Verformungsgrad von mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 75%» kaltgewalzt und während 1 bis 24 Stunden bei 400 bis 500⁰C, vorzugsweise während 2 bis 10 Stunden bei 43Ο bis 47O⁰C vergütet.

Der Effekt des Lösungsglühens kann bereits im Verfahrensschritt der Warinbearbeitung auftreten. Im allgemeinen stellt sich dieser Effekt bei einer Warmbearbeitungstemperatur ein, die so hoch ist, daß alle Legierungselemente sich maximal in fester Lösung befinden. Diese Temperatur soll mindestens 95O°C, vorzugsweise 975 bis 1000⁰C betragen, um eine maximal feste Lösung sicherzustellen.

Vorzugsweise werden die erfindungsgemäß eingesetzten Legierungen bei einer Temperatur von 25°C über dem Schmelzpunkt der Legierung bis zu etwa 13OQ⁰C vergossen. Das Vergießen erfolgt nach bekannten Methoden.

Die Warmbearbeitung durch Walzen ist für die Weiterbearbeitung am zweckmäßigsten. Die im erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte V/arinbearbeitung unterliegt keinen besonderen dimensionalen Bedingungen. Sie wird wie in üblichen Walzbetrieben durchgerührt. Soll die Warmbearbeitung auch ein Lösungsglühen der Legierung bewirken, so muß sie ein Maximum an fester

L- 8098U/0698 -¹

Lösung aller Legxerungselemente herbeiführen. Damit wird während der Vergütung die spätere Ausscheidung eines sehr erwünschten, mengenmäßig hohen Anteils einer feinen gleichmäßigen Dispersion von festen Zwischenphasen möglich, die aus Chrom, Zirkonium und Niob bestehen, wobei die Phasen im Legierungsgefüge entweder als abhängige oder als durchmischte Phasen existieren. Das Lösungsglühen, sei es während dem Verfahrensschritt der Warmbearbeitung, sei es als gesonderter Verfahrensschritt nach der Warmbearbeitung, bewirkt auch ein Maximum an fester Lösung aller Legierungselemente. Dieses Lösungsglühen wird bei einer Temperatur von 950 bis 1000⁰C, vorzugsweise 975 bis 1000⁰C durchgeführt. Der Verfahrensschritt des Lösungsglühens kann zu jedem Zeitpunkt nach der Warmbearbeitung erfolgen, jedoch müssen die Verfahrensschritte des rasehen Abkühlens, des Kaltbearbeitens und der Vergütung nach dem Lösungsglühen erfolgen.

Nach der Warmbearbeitung, gegebenenfalls in Kombination mit einem anschließenden Lösungsglühen, wird die Legierung rasch abgekühlt, um das Maximum an fester Lösung aller Legierungselemente zu erhalten. Hierzu ist ein rasches Abkühlen auf mindestens 35O°C bevorzugt. Das Abkühlen erfolgt nach bekannten Methoden unter Verwendung von Luft oder Flüssigkeit als Kühlmedium .

Der nächste erfindungsgemäße Verfahrensschritt ist die Kaltbearbeitung der Legierung. Mit ihr wird die Festigkeit der Legierung erhöht und dem Material die gewünschte Abmessung

, 8098U/069Ö ι

274347Q gegeben. Im allgemeinen wird die Legierung auf einen anfänglichen Verformungsgrad von mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 75% kaltgewalzt. Mit diesem relativ hohen Kaltverformungsgrad wird sowohl eine höhere Kaltverfestigung der Legierung vor dem Vergüten als auch eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit der vergüteten Legierung erzielt. Die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit nach dem Vergüten wird wahrscheinlich durch eine Veränderung der Kinetik der Ausschei dung im Legierungsgefüge verursacht. Ist die Legierung bei der Kaltbearbeitung auf die gewünschte Dimension reduziert, so ist das Verfahren mit der anschließenden Vergütungsstufe beendet. Die Kaltbearbeitung kann jedoch auch mit der Vergütungsstufe wiederholt abwechseln und das Verfahren entweder mit der Vergütung oder mit dem Kaltbearbeiten beendet werden.

Auf das erste Kaltbearbeiten der Legierung folgt die Vergütung. Sie wird im allgemeinen 1 bis 24- Stunden bei Temperaturen von 400 bis 500⁰C, vorzugsweise 2 bis 10 Stunden bei Temperaturen von 43Ο bis 47O⁰C durchgeführt. Durch diese Vergütung werden sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die elektrische Leitfähigkeit der Legierung verbessert. Im erfindungsgemäßen Verfahren ist die Durchführung mindestens einer Vergütungsstufe notwendig.

Wie vorstehend beschrieben, kann die Behandlung der Legierung auch mit einer weiteren Kaltbearbeitungsstufe beendet werden, um Material mit der gewünschten Abmessung zu erhalten. Die Mindestanforderungen an die Dickenverminderung richten sich

«- 809814/0698 -J

nach dem gewünschten Vergütungszustand. Beispielsweise benötigt ein harter Vergütungszustand einen Verformungsgrad von etwa 37%, während eine elastische Zustandsform ("special spring") einen Verformungsgrad von etwa 75% der bearbeiteten Legierung erfordert. Die Verfahrensstufen des Vergütens und der Kaltbearbeitung können so oft miteinander abgewechselt werden, bis eine Legierung mit den gewünschten Eigenschaften erhalten wird.

Zur Steuerung der Ausscheidungshärte der erfindungsgemäßen Legierung können weitere Elemente, wie Arsen, Magnesium, Kobalt, Bor, Calcium, Cadmium oder Mischmetall, zugesetzt werden. Der bevorzugte Gehalt der drei wesentlichen Legierungselemente liegt bei 0,5 bis 1,0 Gewichtsprozent Chrom, 0,1 bis 0,4 Ge-Wichtsprozent Zirkonium und 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Niob, bezogen auf die Kupferlegierung.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispieli

Eine Kupferlegierung mit einem Gehalt von 0,55 Gewichtsprozent Chrom, 0,15 Gewichtsprozent Zirkonium und 0,25 Gewichtsprozent Niob, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen, wird warmbearbeitet, bei einer Temperatur oberhalb 95O⁰C lösungsgeglüht, um eine übersättigte feste Lösung zu erhalten, und sowohl vor als auch nach einer Ausscheidungswarmbehandlung kaltgewalzt. Die erhaltenen Eigenschaften sind in Tabelle I zusammengefaßt. Diese Eigenschaften werden in Tabelle I ver-

^L 80981 A/0698 ^J

glichen mit denen einer Legierung, die gemäß der in der Tabelle zitierten Veröffentlichung behandelt worden ist. Die bekannte Kupferlegierung enthält 0,40 Gewichtsprozent Chrom,
0,15 Gewichtsprozent Zirkonium und 0,05 Gewichtsprozent Magnesium, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.

Tabelle I

Festigkeit und elektrische	Leitfähigkeit	Zugspan nung bei bleiben der Ver formung von 0*2%, kg/cm^	Leitfähig keit, % (Internatio nal Annealed Copper Stan dard )
Bearbeitungsverfahren	Zugfestig keit^ kg/cm	5413	77
LG + 75% KG + 450⁰C/ 2 Std. (A)	5835	5131	83
LG + 75% KG + 450⁰C/ 8 Std. (B)	5624	5659	77
LG + 90% KG + 450⁰C/ 2 Std. (C)	6081	6678	71
(A) + 73% KG	717O	6468	77,5
(B) + 75% KG	6925
Bearbeitungsverfahren der Vergleichslegierung (1)

LG + 60% QV + 450⁰C/ 1/2 Std. + 75% QV

6819

LG = Lösungsglühen
KG = Kaltverformung
QV = Querschnittsverminderung

(1) P.W. Taubenblatt u.Mitarb., Metals Engineering Quarterly,
November 1972, Bd. 12, S. 41.

L 8098U/0698 -J

Die in Tabelle I wiedergegebenen Werte zeigen, daß die optimale Kombination von Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit bei der erfindungsgemäßen Legierung erreicht wird, die durch Vergüten der lösungsgeglühten Legierung erhalten wird, die 2 bis 8 Stunden bei einer Temperatur von 4-50⁰C zu einem Verformungsgrad von mindestens 75% kaltgewalzt worden ist. Ein höherer anfänglicher Kaltverformungsgrad ergibt höhere Festigkeitswerte nach der Vergütung, während bei längeren Vergütungszeiten eine höhere elektrische Leitfähigkeit sowohl bei dem vergüteten Material als auch nach der endgültigen Kaltverformung erzielt wird. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung sind denen der bekannten Legierung, die nach ähnlichen Verfahren bearbeitet worden ist, überlegen.

Beispiel2

Die Legierung von Beispiel 1 wird 8 Stunden bei 450⁰C vergütet. Unter ähnlichen Bedingungen werden Kupferlegierungen vergütet, die Chrom, Zirkonium und Vanadium enthalten. Diese Vanadium enthaltenden Legierungen sind bekannt als A126 (neben Kupfer 0,50% Chrom, 0,16% Zirkonium, 0,36% Vanadium), A293 (neben Kupfer 0,50% Chrom, 0,29% Zirkonium, 0,38% Vanadium) und A318 (neben Kupfer .0,4-2% Chrom, 0,23% Zirkonium, 0,37% Vanadium). Die Vickers-Härte und die Leitfähigkeitswerte nach dem International Annealed Copper Standard wurden für jede Legierung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengefaßt.

8098U/0698

Tabelle II
Härte und elektrische Leitfähigkeit

Legierung

Vickers-Härte-

ρ *

kg/mm

Leitfähigkeit, % (International Annealed Copper Standard)

Beispiel 1 A126

A293 ₁₀ A318

179 178 182 180

83 81

79,5 80

Die durchschnittlichen Werte für die Vanadium enthaltenden Legierungen betragen für die Vickers-Härte 180 und für die Leitfähigkeit 80-/0. Demgegenüber zeigt die erfindungsgemäße Kupferlegierung eine Vickers-Härte von 179 und eine Leitfähigkeit von 83%. Somit zeigt die erfindungsgemäße Kupferlegierung gegenüber den Vergleichslegierungen gleiche Härtewerte und einen durchschnittlichen Anstieg der Leitfähigkeit um 3%. Daraus folgt, daß die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit in der erfindungsgemäßen Legierung nicht zu Lasten der Festigkeit s- oder Härteeigenschaften der Legierung geht.

Beispiel 3

Eine Kupferlegierung mit einem Gehalt von 0,5% Chrom und 0,14% Zirkonium, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen, wird den Verfahrensschritten von (B) in Tabelle I unterworfen und zusätzlich zu einem Verformungsgrad von 60% kaltgewalzt. Die Festigkeits- und Leitfähigkeitswerte dieser Legie-

L 8098U/0698

rung sind in Tabelle III zusammengefaßt.

Tabelle III

Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit

Bearbeitungsverfahren

Zugfestigkeit , ρ kg/cm

Zugspannung Leitfähigbei bleiben- keit, %
der Verfor- (Internatiomung von nal Annealed 0,2%,2 Copper Stankg/cm dard)

10 LG + 75% KG + 450°C/
8 Std. + 75%

68,19

6362

72,5

LG = Lösungsglühen
KG = Kaltverformung

Die in Tabelle III wiedergegebenen Ergebnisse zeigen, daß ein Legierungssystem ähnlich dem in Beispiel 1 beschriebenen, das jedoch kein Niob enthält, nicht die gewünschte Kombination von hoher Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit ergibt, wie sie die Legierung gemäß Beispiel 1 aufweist. Die Legierung gemäß Beispiel 3 hat Eigenschaften, die den Eigenschaften der bekannten Legierung ( Tabelle I) nahekommen. Daraus folgt, daß die Kombination des neuen Legierungssystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens ursächlich ist für die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften, die dabei nicht auf Kosten der Festigkeitseigenschaften der Legierung gehen.

8098U/0698

Claims

VOSSILIo- /OSS'US · HILTL SIEBERTSTRASSE 4 βΟΟΟ MÜNCHEN 86 PHONE: (ΟΘ9) 47 4O7S CABLE: BENZOLPATENT MÜNCHEN TELEX 5-2Θ453 VOPAT D 27. September 1977 u.Z.: M 3^7 (DV/H) Case: 726977-B OLIN CORPORATION East Alton, Illinois, V.St.A. "Kupferlegierung" Priorität: 4. Oktober 1976, V.St.A., Nr. 728 977 Patentansprüche

1. Kupferlegierung oder Kupferknetlegierung, bestehend aus 0,05 bis 1,25 Gewichtsprozent Chrom, 0,05 bis 1,0 Gewichtsprozent Zirkonium und 0,05 bis 1,5 Gewichtsprozent Niob und gegebenenfalls geringen Mengen Arsen, Magnesium, Kobalt, Bor, Calcium, Cadmium und/oder Mischmetal]., Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,5 bis 1,0 Gev/ichtsprozent Chrom, 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Zirkonium und 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Niob.

L- 8098U/0698

3· Verfahren zur Herstellung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man entweder A a) eine Legierung aus 0,05 bis 1,25 Gewichtsprozent Chrom, 0,05 bis 1»0 Gewichtsprozent Zirkonium und 0,05 bis 1,5 Gewichtsprozent Niob und gegebenenfalls geringen Mengen Arsen, Magnesium, Kobalt, Bor, Calcium, Cadmium und/oder Mischmetall, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen, vergießt,

b) die Legierung bei einer Anfangstemperatur von 950 bis 1000⁰C warmbearbeitet, um die Legierungselemente maximal in feste Lösung zu bringen,

c) rasch abkühlt,

d) zu einem Verformungsgrad von mindestens 60% kaltwalzt und schließlich

e) 1 bis 24 Stunden bei 400 bis 500⁰C vergütet,

oder
B a) die Legierung vergießt,

b) bei einer Anfangstemperatur von 850 bis 95O°C v/armbearbeitet,

c) bei einer Temperatur von 950 bis 1000⁰C solange lösungsglüht, bis die Legierungselemente maximal in fester Lösung vorliegen,

d) rasch abkühlt,

e) zu einem Verformungsgrad von mindestens 60% kaltwalzt und schließlich

f) 1 bis 24 Stunden bei 400 bis 500⁰C vergütet.

8098U/0698

4. Verfahren nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung abwechselnd vergütet und kaltwalzt, wobei man das Verfahren entweder mit der Vergütung oder dem Kaltwalzen beendet.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung bei einer Temperatur von 25°C über dem Schmelzpunkt der Legierung bis zu 13OO°C vergießt.

6. Verfahren nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung beim raschen Abkühlen auf mindestens 35O°C abkühlt.

7. Verfahren nach Anspruch 3 A, dadurch gekennzeichnet, daß man die Warmbearbeitung bei 975 bis 1000⁰C durchführt.

8. Verfahren nach Anspruch 3 B» dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung bei 975 bis 1000⁰C lösungsglüht.

8098 U/0698