DE2748056C3

DE2748056C3 - Legierung auf Kupferbasis

Info

Publication number: DE2748056C3
Application number: DE19772748056
Authority: DE
Inventors: Jurij F. Ševakin; Ilja S. Berin; Maks A. Moskva Entin; Vladimir M. Rozenberg
Original assignee: GOSUDARSTVENNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ I PROEKTNYJ INSTITUT SPLAVOV I OBRABOTKI CVETNYCH METALLOV GIPROCVET-METOBRABOTKA MOSKVA SU
Current assignee: GOSUDARSTVENNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ I PROEKTNYJ INSTITUT SPLAVOV I OBRABOTKI CVETNYCH METALLOV GIPROCVET-METOBRABOTKA MOSKVA SU
Priority date: 1977-10-26
Filing date: 1977-10-26
Publication date: 1981-05-21
Also published as: DE2748056A1; DE2748056B2

Description

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enthält

Z Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie

0,01 bis 0,1% Aluminium,
0,005 bis 0,01 % Hafnium,
Rest Kupfer

enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie

0,1 bis 0,5% Aluminium,

0,01 bis 0,5% Hafnium,
Rest Kupfer

enthält

4. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie

0,5 bis 1 % Aluminium,
0,5 bis 1% Hafnium,
Rest Kupfer

enthält.

5. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,01-1 % Titan enthält

6. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,01 bis 0,05% Titan enthält

7. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,05 bis 0,5% Titan enthält

8. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,5 bis 1 % Titan enthält.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich eine Legierung auf Kupferbasis.

Diese Legierung kann in der Elektrotechnik, Elektronik und dem Gerätebau sowie für wärmebeständige Leiter, Werkzeuge für Elektrofunkenbearbeitung, Schweißelektroden, Kollektorlamellen, Krafttransformatorwicklungen oder Bauteile elektronischer Geräte eingesetzt werden.

Zur Zeit verwendet man als Leiterwerkstoffe weitgehend Kupfer und niedriglegierte Kupferlegierungen, die durch Kaltverformung oder Abschrecken unter anschließendem Ausscheidungshärten^Alterung) verfestigt werden. Unter diesen Kupferlegierungen, die eine ausreichend hohe Leitfähigkeit, von über 70 bis 80% IACS, aufweisen, sind insbesondere durch Verformung zu verfestigende Silber-, Kadmium- und Magnesiumbronzen sowie Chrom-, Zirkonium- und Chrom-Zirkoniumbronzen verbreitet, die sich durch Ausscheidungshärten verfestigen lassen. Bei einer ausreichend hohen Leitfähigkeit, von über 70 bis 80% IACS haben die genannten Legierungen genau so wie das Reinkupfer niedrige Festigkeitswerte besonders bei erhöhten Temperaturen.

Die Festigkeit des Kupfers und der erwähnten Legierungen bei Raumtemperatur nimmt ebenfalls stark ab, wenn sie einem Vorglühen zu unterwerfen sind, welches manchmal eine unumgängliche Arbeitsstufe bei der Herstellung von Erzeugnissen darstellt.

Im verfestigten Zustand schwankt zum Beispiel die durch die Zugfestigkeit (ob) ausgedrückte Festigkeit des Kupfers und der aufgezählten Legierungen zwischen 40 und 50 kp/mm². Nach dem Glühen bei einer zwischen 600 und 1000⁰C liegenden Temperatur wird die Zugfestigkeit Ob auf 20 bis 30 kp/mm² herabgesetzt. Erhöht sich die Prüftemperatur beispielsweise auf 600 und 1000⁰C, so fällt a_B auf 5 bis 25 bzw. 1 bis 2 kp/mm² ab.

Die Entfestigung des Kupfers und der genannten Legierungen beim Erhitzen ist mit der geringen Wärmebständigkeit ihres Gefüges zu erklären. Das Erhitzen von verformten! Kupfer oder verformten Kupferlegierungen führt dazu, daß die Erholungs- und Rekristallisationsprozesse intensiv vor sich gehen und der verfestigte Zustand somit verlorengeht.

J5 Beim Erhitzen von kaltaushärtbaren Legierungen werden die fein verteilten Partikel, die Reinmetalle, Mischkristalle oder intermetallische Verbindungen sind, stark vergröbert oder lösen sich in der Kupfermatrix auf und verlieren somit ebenfalls ihre verfestigende Wirkung.

Es ist ferner eine Legierung auf Kupferbasis bekannt, die 0,1 bis 1 Gew.-% Aluminium enthält und durch innere Oxydation verfestigt wird. Diese Legierung ist ein hitzebeständiger Leiterwerkstoff (s. GB-PS 11 52 481).

Nach den Härtemessungen weist die genannte Legierung bei guter Leitfähigkeit (über 85% IACS) einen bedeutend höheren Entfestigungswiderstand beim Glühen gegenüber Kupfer und den genannten

w niedriglegierten Kupferlegierungen auf, d. h. die Festigkeitseigenschaften dieser Legierung verändern sich in geringem Maße, wenn man die Legierung bei Temperaturen bis 1000°C glüht. Nach dem Glühen im Temperaturbereich von 500 bis 1000° C übersteigt zum

» Beispiel die Härte der Legierung die des geglühten Kupfers um das dreifache.

Die Festigkeit der aluminiumhaltigen Legierung ist jedoch bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen verhältnismäßig gering und zwar beträgt die

W) Zugfestigkeit bei Raumtemperatur 45 bis 47 kp/mm², bei 600° C 15 bis 17 kp/mm², bei 950° C etwa 5 kp/mm².

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es die genannten Nachteile zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die

tr> Zugabe von Legierungszusätzen eine Legierung auf Kupferbasis zu entwickeln, die eine Leitfähigkeit, von 75% IACS mit einer erhöhten mechanischen Festigkeit bei Raumtemperatur und der Fähigkeit, die hohe

Festigkeit unter Bedingungen einer kurzzeitigen oder langzeitigen Temperatureinwirkung beizubehalten, vereinigt

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß einer Kupferlegierung mit 0,01 bis 1% Aluminium 0,005 bis 1 % Hafnium zulegiert werden.

Die Zugabe von Hafnium in die Legierung ermöglicht je nach der Halbzeugart die Erhöhung der Zugfestigkeit beispielsweise bei Raumtemperatur auf 48 bis 70 kp/ mm².

Diese Festigkeit erfüllt die Anforderungen, die an wärmebeständige Leiter, Bauteile elektronischer Geräte und an Schweißelektroden gestellt werden.

In den Fällen, in denen eine höhere Festigkeit gefordert wird, ist für die genannten Erzeugnisse zweckmäßigerweise eine Legierung zu verwenden, die noch Titan in einer Menge von 0,01 bis 1% enthält

Die Titanzugabe erhöht die Zugfestigkeit (bei Raumtemperatur) auf 48 bis 85 kp/mm².

Zur Herstellung von Feindrahtleitern, insbesondere von Drähten mit unter 0,2 mm Durchmesser und Bändern mit unter 0,1 mm Dicke sind Legierungen zu empfehlen, die in Gewichtsprozent enthalten:

Aluminium:	0,01 bis 0,1,
Hafnium:	0,005 bis 0,01,
Kupfer:	Rest
oder
Aluminium:	0,01 bis 0,1,
Hafnium:	0,005 bis 0,01,
Titan:	0,01 bis 0,05,
Kupfer:	Rest

Die genannten Legierungen zeichnen sich durch eine leichtere Herstellung und Verformung bei einer guten Festigkeit (o_B beträgt 48 bis 55 kp/mm² und Leitfähigkeit über 90% IACS) aus.

Zur Herstellung von Drähten mit mindestens 0,2 mm Durchmesser, Bändern mit mindestens 0,1 mm Dicke sowie Stäben, Rohre und anderen Halbzeugen ist es zweckmäßig, die Legierungen zu verwenden, die in Gewichtsprozent enthalten:

Aluminium:	0,1 bis 0,5,
Hafnium:	0,01 bis 0,5,
Kupfer:	Rest,
oder
Aluminium:	0,1 bis 0,5,
Hafnium:	0,01 bis 0,5,
Titan:	0,05 bis 0,5,
Kupfer:	Rest

Aluminium:	0,5 bis	1,
Hafnium:	0,5 bis	1,
Kupfer:	Rest,
oder
Aluminium:	0,5 bis	1,
Hafnium:	0,5 bis	1,
Titan:	0,5 bis	1,
KuDfer:	Rest

Diese Legierungen zeichnen sich durch größte Festigkeit (ob liegt zwischen 60 und 85 kp/mm²) und Härte aus und sind für die Herstellung von Schweißelektroden, Kollektorlamellen und Werkzeuge für die Elektrofunkenbearbeitung bestimmt

Das Verfahren zur Herstellung der vorgeschlagenen Kupferlegierung besteht in folgendem.

Man schmilzt Kupfer mit Aluminium, Hafnium bzw. Aluminium Hafnium und Titan, entweder einzeln oder in ίο Form von Zusatzlegierungen derselben, in einem Vakuumofen oder offenen Ofen nach üblicher Technologie zusammen. Beim Zusammenschmelzen im Ofen mit offenem Schmelzkanal wird unter Holzkohlenschicht gearbeitet Man erhitzt zuerst das Reinkupfer auf eine Temperatur von 1150 bis 1200⁰C Die Schmelze wird während 5 bis 10 min bei dieser Temperatur gehalten, und dann werden der Schmelze die Legierungsbestandteile in folgenden Mengen in Gewichtsprozent zugesetzt:

Die genannten Legierungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine höhere Festigkeit (ob liegt zwischen 50 und 80 kp/mm²) und befriedigende Herstellbarkeit vereinigen.

Zur Herstellung von Erzeugnissen in Form von Rundstäben oder Profilen mit ausreichend großem Querschnitt empfehlen sich Legierungen, die in Gewichtsprozent enthalten:

Aluminium:

Hafnium:

Titan:

0,01 bis 1
0,005 bis 1
0,01 bis 1

Nach der Durchmischung mit einem Graphitstab wird die Schmelze in Eisen- oder Graphitkokillen vergossen. Zur Herstellung von Halbzeugen können die Legierungen wärmebehandelt und verformt werden. Die Eigenschaften der bekannten Legierungen auf Kupferbasis und der erfindungsgemäßen Legierung auf Kupferbasis, enthaltend 0,2 Gew.-% Aluminium, 0,05 Gew.-% Titan und 0,01 Gew.-% Hafnium, sind in Tabelle 1 zusammengestellt Die Werte in dem in der Tabelle angegebenen Bereich umfassen verschiedene Halbzeuge und ihre Fertigung für jede der Zusammensetzungen. Die Angaben zeigen, daß die erfindungsgemäße Legierung den bekannten Legierungen an elektrischer Leitfähigkeit nicht nachsteht, aber an Festigkeit in einem weiten Temperaturbereich überlegen ist.

Typisch für diese Legierung ist auch der hohe Entfestigungswiderstand bei kurzzeitigen und langzeitigen Erhitzungen auf Temperaturen bis 1050⁰C. Dadurch, daß man die chemische Zusammensetzung im vorgesehenen Bereich und die Bedingungen für die Verformung und das Glühen variiert, kann man auf verschiedene Weise Festigkeit Plastizität und elektrische Leitfähigkeit kombinieren, was den an diese oder jene Erzeugnisse gestellten Forderungen gerecht zu

5» werden vermag. So liegt zum Beispiel die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur zwischen 48 und 85 kp/mm², und die elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen 75 und 97% von der Kupferleitfähigkeit

Nach dem Glühen bei Temperaturen von 600 bis 1050° C behält die Legierung ihre Zugfestigkeit ob von 35 bis 65 kp/mm² bei. Die relative Dehnung der Legierung, die ihre Plastizität charakterisiert, beträgt nach der Warmverformung oder dem Glühen 3 bis 40%, je nach der chemischen Zusammensetzung.

W) Enthält die Legierung die Bestandteile in einer nachstehend angegebenen Menge in Gewichtsprozent:

Aluminium:

Hafnium:

Titan:

0,01 bis 0,1
0,005 bis 0,01
0,01 bis 0,05,

s· ist sie
elektrische
übersteigt.

leicht herstellbar. Sie besitzt dann eine Leitfähigkeit, die 90 bis 95% IACS

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Tabelle 1

Lfd. Chemische Zusammensetzung der Legierung, Elektrische Zugfestigkeit, a_B kp/mm², bei einer Temperatur von

Nr. Gew.-% Leitfähigkeit,

%/IACS 20 C 600 C 800 C 950 C nach 1 h

Glühen bei 1050 C

1. Kupfer 100

2. Silberbronze, bestehend aus Kupfer und 98
0,ü3 bis 0,12 Ag

3. Kadmiumbronze, bestehend aus Kupfer 80
und 0,9 bis 1,2 Cd

4. Chrombronze, bestehend aus Kupfer 80-85 und 0,8 Cr

5. Legierung, bestehend aus Kupfer und 88
0,27 Al

6. Legierung, bestehend aus Kupfer und 87-91 0,2 AI, 0,05 Ti, 0,01 Hf

40	5	1-2	1-1,5	20
45	6	<4	-	-20
50-60	6-8	<4	-	20-22
45-55	15-20	<5	-	23-25
47,6	15,1	9,8	4,5	-
50-80	21-35	10-26	6-20	48-53

Gleichzeitig übersteigt die Festigkeit der Legierung insbesondere bei Temperaturen von über 300 bis 500⁰C sowie bei Raumtemperatur, jedoch nach vorherigem Glühen, die Festigkeit der bekannten Legierungen, die die gleiche hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

Die Erhöhung der Konzentration von Legierungsbestandteilen ruft eine Steigerung der Festigkeit unter to gleichzeitigem Vermindern der Plastizität und elektrischen Leitfähigkeit in gewissem Maße hervor. Bei beliebiger Vereinigung der genannten Eigenschaften ist jedoch die erfindungsgemäße Legierung den bekannten Legierungen, die die gleiche elektrische Leitfähigkeit haben, an Festigkeit überlegen.

Die Herabsetzung der Konzentration an Legierungsbestandteilen unter dem angemeldeten Bereich sichert nicht ausreichende Festigkeit sowohl im Anfangszustand als auch nach dem Glühen.

Bei erhöhtem Gehalt an jedem der Legierungsbestandteile, der über 1 Gew.-% beträgt, kommt es zu einem unzulässigen Abfall der elektrischen Leitfähigkeit und Technologiegerechtheit.

Zum besseren Verstehen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend konkrete Beispiele angegeben.

Beispiel

Eine Legierung auf Kupferbasis, enthaltend 0,2 Gew.-% Aluminium, 0,05 Gew.-% Titan und 0,01 Gew.-% Hafnium, wird in einem Vakuumofen durch das Zusammenschmelzen von Kupfer und Zusatzlegierungen, bestehend aus Kupfer und 50 Gew.-°/o Aluminium, Kupfer und 20 Gew.-% Titan, Kupfer und 20 Gew.-% Hafnium, hergestellt Dazu erhitzt man das Kupfer auf eine Temperatur von 1150⁰C Die Schmelze hält man bei dieser Temperatur während 10 min und gibt dann der Schmelze die genannten Zusatzlegierungen zu.

45 Nach der Durchmischung der Schmelze mit einem Graphitstab während 1 min wird sie in eine Eisenkokille vergossen. Aus dem erhaltenen Block fertigt man dann Halbzeuge in Form von Stäben von 15 mm Durchmesser, Drähten von 2 bis 0,2 mm Durchmesser und Bändern von 0,15 mm Dicke. Die Eigenschaften der gefertigten Halbzeuge sind in Tabellen 2 bis 5 angegeben. Die Werte in dem in Tabelle 2 angeführten Bereich entsprechen einem Draht von 2 bis 0,2 mm Durchmesser.

Tabelle 2

Eigenschaften eines Drahtes bei Raumtemperatur

Zustand	Zugfestigkeit ag kp/mm²	Streckgrenze σο,2 kp/mm²	Dehnung δ %	Spezifischer elektrischer Widerstand p, Ohm · mm²	Elektrische Leitfähigkeit %/IACS
	67-80	68-77	1-5	mm
Nach Kaltverfonfiung durch Ziehen	65-70	60-63	3-9	0,0199	87
Glühen 500' C 1 h	60-66	58-62	4-10	0,0197	87,5
Glühen 700C 1 h	55-61	52-59	6-12	0,0197	87,5
Glühen 900' C 1 h	53-57	48-53	7-12	0,0197	87,5
Glühen 1050 C 1 h	0,0196	88

Tabelle 3

Eigenschaften von 0,15 mm dickem Band bei Raumtemperatur

Zustand	Zugfestigkeit ag kp/mm²	Streckgrenze σο kp/mm²	,2 Dehnung δ	Spezifischer elektrischer Widerstand p, Ohm · mm²	Elektrische Leitfähigkeit %/IACS
	65 55 50	64 54 47	5 9 13	mm
Nach Kaltwalzen Glühen 50OCIh Glühen 1050 C 1 h	0,0202 0,0200 0,0200	87 87 88

Tabelle 4

Eigenschaften eines Stabes bei Raumtemperatur

Zustand	Zugfestigkeit a_H kp/mm²	Streckgrenze σ₀; kp/ninr	Dehnung δ	Spezifischer elektrischer Widerstand />, Ohm · mm²	Elektrische Leitfähigkeit %/IACS
	50 49	44 43	15 20	mm
Nach Warmpressen Glühen 1050 C 1 h	0,0192 0,0192	90 91

Tabelle 5

Zugfestigkeit a_H (kp/mnr) eines Drahtes von 2 mm Durchmesser und eines Stabs von 15 mm Durchmesser bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen

Prüftemperatur, C	Beispiel	20	200	400	600	800	900
Draht	67	56	44	35	26	21
Stab	50	42	32	20	10	7
	2		bis 50 kp/mm² erhalten.	Die Dehnung im anH rrpi/-"Vit 1 Π Ki**	warmverform-

Eine Legierung auf Kupferbasis, enthaltend 0.05 Gew.-% Aluminium. 0.01 Gew.-% Titan und 0,005 Gew.-% Hafnium, wird analog zu dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt.

Aus der Legierung fertigt man einen Draht von unter 0,2 mm Durchmesser und ein unter 0,1 mm dickes Band.

Die Zugfestigkeiten eines Drahtes von 0,12 mm und eines Bandes von 0.08 mm Dicke betragen bei Raumtemperatur 55 kp/mm-\ nach dem Glühen bei 1050°C bleiben sie auf 35 kp/mm- erhalten. Die elektrische Leitfähigkeit der Legierung liegt zwischen 94 und 97% IACS.

Die Dehnung im warmverformten oder geglühten (weichen) Zustand erreicht 20 bis 30%.

Beispiel 3

Eine Legierung auf Kupferbasis, enthaltend 0.2 Gew.-% Aluminium und 0.2 Gew.-% Hafnium, wird analog zu dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt Die hergestellte Legierung hat eine elektrische Leitfähigkeit, die 86 bis 88% IACS betrag!. Die Zugfestigkeit von aus der erhaltenen Legierung gefertigten Halbzeugen bei Raumtemperatur folgende Werte:

Stab von 15 mm Durchmesser 49 kp/mm^;

Draht von 0.5 mm Durchmesser 60 kp/mm-Band von 0.15 mm Dicke 57 kp/mm-

Nach dem Glühen bei einer Temperatur von 1050^rC bleibt die Zugfestigkeit der genannten Halbzeuge auf 49

Beispiel 4

Eine Legierung auf Kupferbasis, enthaltend 0,5 Gcw.-% Aluminium. 0.1 Gew.-% Titan und 0,1 Gew.-% Hafnium, wird analog zu dem im Beispiel beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Zugfestigkeit von aus der erhaltenen Legierung gefertigten Halbzeuge hat bei Raumtemperatur folgende Werte:

Stab von 15 mm Durchmesser
Draht von 0,5 mm Durchmesser
Band von 0,15 mm Dicke

55 kp/mm²
80 kp/mm²
67 kp/mm².

Nach dem Glühen der genannten Halbzeuge bei einer Temperatur von 1050° C bleibt die Zugfestigkeit auf 55 bis 60 kp/mm² erhalten. Die elektrische Leitfähigkeit der hergestellten Legierung beträgt 83 bis 85% IACS.

Beispiel 5

Eine Legierung auf Kupferbasis, enthaltend 1 Gew.-% Aluminium. 1 Gew.-% Titan, 1 Gew.-°/o Hafnium, wird analog zu dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt Ein aus der Legierung gefertigter Stab weist eine Zugfestigkeit von 80 kp/mm² bei Raumtemperatur und ein 2 mm dickes Band 85 kp/mm² auf. Nach dem Glühen der genannten Halbzeuge bei einer Temperatur von 1050°C bleibt die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur auf 60 bis 65 kp/mm² erhalten.

Die elektrische Leitfähigkeit der Legierung beträgt 75 bis 77% IACS.

Claims

Patentansprüche:

1. Legierung auf Kupferbasis, dadurch gekennzeichnet, daß sie

0,01 bis 1% Aluminium,
0,005 bis 1% Hafnium,
Rest Kupfer

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