DE2809561C2 - Verwendung einer Kupferlegierung für Halbzeug mit guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften - Google Patents
Verwendung einer Kupferlegierung für Halbzeug mit guten elektrischen und mechanischen EigenschaftenInfo
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Description
für Halbzeug mit einer Leitfähigkeit von 75 bis 95% IACS bei gleichzeitig hoher Zugfestigkeit und Warmfestigkeit
2. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 mit
0,15 bis 0,35 Gew.-% Kobalt,
0,05 bis 0,12 Gew.-% Phosphor
für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, die zusätzlich
bis zu 0,15 Gew.-% Nickel und/oder Eisen enthält,
wobei der Nickelgehalt nicht oberhalb 0,05 Gew.-% liegt und der Eisengehalt nicht oberhalb 0,1 Gew.-%
liegt und der Kobaltgehalt 0,4 Gew.-% nicht übersteigt,
für den Zweck nach Anspruch 1.
für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung der Kupferlegierung nach Anspruch 3 mit
0,12 bis 0,30 Gew.-o/o Kobalt und
0,05 bis 0,12 Gew.-% Phosphor
0,05 bis 0,12 Gew.-% Phosphor
für den Zweck nach Anspruch 1.
5. Verwendung der Kupferlegierung nach Anspruch 3 oder 4, deren Gehalte an Nickel, Kobalt, Eisen und
Phosphor so gewählt werden, daß das Gewichtsverhältnis der Summe von Nickel, Kobalt und Eisen zu
Phosphor zwischen 2,5 und 5 liegt, für dan Zweck nach Anspruch 1.
6. Verwendung der Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die zusätzlich mindestens ein
Element enthält, das ausgewählt wird aus der Gruppe
0,01 bis 0,35 Gew.-% Magnesium,
0,01 bis 0,7 Gew.-% Cadmium,
0,01 bis 0,35 Gew.-% Silber,
0,01 bis 0,7 Gew.-% Cadmium,
0,01 bis 0,35 Gew.-% Silber,
0,01 bis 0,7 Gew.-% Zink und
0,01 bis 0,25 Gew.-% Zinn,
0,01 bis 0,25 Gew.-% Zinn,
wobei der Gesamtgehalt dieser Elemente 1 Gew.-% nicht übersteigt, für den Zweck nach Anspruch 1.
7. Verwendung der Kupferlegierung nach Anspruch 6, die mindestens ein Element enthält, das ausgewählt
wird aus der Gruppe
0,01 bis 0,15 Gew.-% Magnesium,
0,01 bis 0,25 Gew.-% Cadmium,
0,01 bis 0,25 Gew.-% Cadmium,
0,01 bis 0,15 Gew.-% Silber,
0,01 bis 0,2 Gew.-% Zink und
0,01 bis 0,1 Gew.-% Zinn,
0,01 bis 0,2 Gew.-% Zink und
0,01 bis 0,1 Gew.-% Zinn,
wobei der Gesamtgehalt dieser Elemente zwischen 0,02 und 0,5 Gew.-% liegt,
für den Zweck nach Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupferlegierung mit 0,10 bis 0,50 Gew.-°/o Kobalt, 0,04 bis 0,25
Gew.-°/o Phosphor und Restkupfer, in der das Gewichtsverhältnis von Kobalt zu Phosphor zwischen 2,5 und 5
liegt und die einer mehrstufigen spezifischen Behandlung unterzogen worden ist, für Halbzeug, das gleichzeitig
eine gute elektrische Leitfähigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit, gute mechanische Eigenschaften und eine hohe
Erholungstemperatur aufweist, insbesondere mit einer Leitfähigkeit von 75 bis 95% IACS bei gleichzeitig hoher
Zugfestigkeit und Warmfestigkeit
Bisher wurde angenommen, daß die vorgenannten Eigenschaften einer Kupferlegierung gegensätzlicher
Natur sind, da eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Kupfer im allgemeinen stets durch
Zugabe von Legierungslementen erzielt wurde, welche die elektrische Leitfähigkeit herabsetzen. Bisher waren
die Verarbeiter und Verbraucher von Kupferlegierungen auch gezwungen, einen mehr oder minder vorteilhaften
Kompromiß der Eigenschaften zu akzeptieren, da es unter den bis heute bekannten Kupferlegierungen
keine Legierung gibt, die allen Anforderungen in bezug auf die erwünschten Eigenschaften gleichzeitig gerecht
wird:
— sei es, daß die Kupferlegierungen keine Kombination von völlig befriedigenden Eigenschaften aufweisen,
— sei es, daß sie zwar einen guten Kompromiß zwischen mechanischen und elektrischen Eigenschaften
besitzen, daß sie jedoch andere Nachteile haben, die allgemein Schwierigkeiten bei der Be- bzw. Verarbeitung,
Herstellung oder Behandlung mit sich bringen.
Kupfedegierungen, die befriedigende mechanische Eigenschaften aufweisen, die im wesentlichen auf die
Zulegierung von Be, Zr und Cr zurückzuführen sind, sind schwierig zu be- bzw. verarbeiten und kostspielig, und
solche, deren Eigenschaften im wesentlichen auf die Anwesenheit von Fe, Cd und Ag zurückzuführen sind, sind
wenig leistungsfähig.
Die aus der US-PS 21 30 738 bekannten Kupferlegierungen bestehen aus 0,1 bis 10% Cadmium, 0,1 bis 10%
Kobalt, 0,01 bis 5% Phosphor und kleinen Mengen an Silber, Zink, Zinn, Eisen und/oder Nickel sowie Kupfer als
Rest.
Aus der US-PS 21 57 934 sind Kupferlegierungen bekannt, die bestehen aus 0,1 bis 3% Magnesium, 0,1 bis 3%
Silicium, das vollständig durch Phosphor ersetzt werden kann, 0,1 bis 5% Eisen, Nickel und/oder Kobalt sowie
Kupfer als Rest und kleinen Mengen an Cadmium, Silber, Zink und/oder Zinn.
Aus der DE-AS 10 97 691 sind Kupferlegierungen bekannt, die 0,05 bis 2% Phosphor, 0,2 bis 18% Mangan
und/oder Eisen, Kobalt, Nickel, ggf. 0,1 bis 3% Blei, und als Rest Kupfer enthalten.
Die zuletzt genannten Legierungen werden bei 700 bis 9500C entweder beim Warmverformen durch Schmieden
oder Pressen oder bei 700° C lösungsgeglüht, abgeschreckt, bei 300 bis 600° C ausgehärtet und kaltverformt. ·
Die zuerst genannten Legierungen werden zur gleichzeitigen Verbesserung der Härte und der elektrischen
Leitfähigkeit bei 800 bis 1000° C geglüht, abgeschreckt und unterhalb 700° C ausgehärtet und ggf. kaltverformt.
Mit den bekannten Legierungszusammensetzungen und Behandlungsmaßnahmen ist es jedoch nicht möglich,
eine elektrische Leitfähigkeit von über 65% IACS bei gleichzeitig hoher Zugfestigkeit und Warmfestigkeit zu
erzielen.
Aufgabe der Erfindung war es daher, Mittel und Wege zu finden, mit deren Hilfe es möglich ist, die bekannten
Kupferlegierungen so zu modifizieren, daß sie nicht nur eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die
bisher bekannten Kupferlegierungen, sondern gleichzeitig auch eine hohe Zugfestigkeit und Warmfestigkeit
besitzen.
Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst werden kann durch Verwendung einer
Kupferlegierung mit
0,10 bis 0,50, vorzugsweise 0,15 bis 0,35 Gew.-% Kobalt,
0,04 bis 0,25, vorzugsweise 0,05 bis 0,12 Gew.-% Phosphor und
Rest Kupfer,
in der das Gewichtsverhältnis von Kobalt zu Phosphor zwischen 2,5 und 5 liegt, die
a) bei einer Temperatur zwischen 700 und 930° C lösungsgeglüht,
b) abgeschreckt,
c) bei etwa 500° C einer Vergütungs- bzw. Entspannungsbehandlung unterzogen und
d) kaltverfestigt worden ist,
für Halbzeug mit einer Leitfähigkeit von 75 bis 95% IACS bei gleichzeitig hoher Zugfestigkeit und Warmfestigkeit.
Die erfindungsgemäß verwendete Kupferlegierung weist die folgende Kombination von vorteilhaften Eigenschaften
auf, die mit keiner der bisher bekannten Kupferlegierungen erzielt werden konnte:
— eine hohe elektrische Leitfähigkeit von 75 bis 95% IACS,
— eine gleichfalls gute Wärmeleitfähigkeit von mehr als 90% der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer,
— gute mechanische Eigenschaften, wobei eine Zugfestigkeit bei gewalzten Produkten, von 500 bis 550 N/mm2
erreicht wird und die diese Werte bei ausgezogenen oder gezogenen Produkten noch übersteigen kann,
— eine hohe Temperatur der beginnenden Erholung, die 500°C erreichen kann und in bestimmten Fällen
diesen Wert sogar noch übersteigen kann.
Besonders vorteilhaft ist der Umstand, daß die erfindungsgemäß verwendete Kupferlegierung ihre ungewöhnliche
Kombination von vorteilhaften Eigenschaften keinem Legierungslement verdankt, dessen Preis
übermäßig hoch ist oder dessen Anwesenheit zu Schwierigkeiten bei der Be- bzw. Verarbeitung, Herstellung
oder Verwendung führen kann.
Erfindungsgemäß verwendete Kupferlegierungen, deren Verhältnis Co : P zwischen etwa 2,5 und etwa 3,5
liegt, weisen eine besonders hohe Erholungstemperatur auf.
In den erfindungsgemäß verwendeten Kupferlegierungen kann ein Teil des Kobalts durch Nickel und/oder
Eisen ersetzt werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß allgemein durch die Anwesenheit von Nickel und/oder
Eisen die Eigenschaften der Legierung sich kaum ändern, wenn ihr Gehalt an Ni+ Fe 0,15 Gew.-% nicht
übersteigt, vorausgesetzt, daß der Gehalt an Ni 0,05 Gew.-% nicht übersteigt und der Gehalt an Fe 0,1 Gew.-%
nicht übersteigt.
ίο Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird somit eine Kupferlegierung zu dem oben
angegebenen Zweck verwendet, die zusätzlich bis zu 0,15 Gew.-% Nickel und/oder Eisen enthält, wobei der
Nickelgehalt nicht oberhalb 0,05 Gew.-% liegt und der Eisengehalt nicht oberhalb 0,1 Gew.-% liegt und der
Kobaltgehalt 0,4 Gew.-% nicht übersteigt Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer Kupferlegierung der
genannten Zusammensetzung, die 0,12 bis 030 Gew.-% Kobalt und 0,05 bis 0,12 Gew.-% Phosphor enthält.
Die Gehaite an Nickel, Kobalt, Eisen und Phosphor werden vorzugsweise so gewählt, daß das Gewichtsverhältnis
der Summe von Nickel, Kobalt und Eisen zu Phosphor zwischen 2,5 und 5 liegt
Es wurde ferner festgestellt, daß durch Zugabe von Magnesium, Cadmium, Silber, Zink und Zinn entweder
einzeln oder in Form einer Kombination die mechanischen Eigenschaften und das Erholungsverhalten der
erfindungsgemäß verwendeten Legierungen deutlich verbessert werden kann, ohne daß dies auf Kosten ihrer
physikalischen Eigenschaften, insbesondere ihrer elektrischen Leitfähigkeit geht
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung betrifft die vorliegende Erfindung daher die Verwendung
einer Kupferlegierung des vorstehend beschriebenen Typs, die zusätzlich mindestens ein Element enthält, das
ausgewählt wird aus der Gruppe
0,01 bis 0,35, vorzugsweise 0,01 bis 0,15 Gew.-% Magnesium,
0,01 bis 0,7, voarzugsweise 0,01 bis 0,25 Gew.-% Cadmium,
0,01 bis 0,35, vorzugsweise 0,01 bis 0,15 Gew.-% Silber,
0,01 bis 0,7, vorzugsweise 0,01 bis 0,2 Gew.-% Zink und
0,01 bis 0,25, vorzugsweise 0,01 bis 0,1 Gew.-%Zinn,
0,01 bis 0,35, vorzugsweise 0,01 bis 0,15 Gew.-% Silber,
0,01 bis 0,7, vorzugsweise 0,01 bis 0,2 Gew.-% Zink und
0,01 bis 0,25, vorzugsweise 0,01 bis 0,1 Gew.-%Zinn,
wobei der Gesamtgehalt dieser Elemente 1 Gew.-% nicht übersteigen darf, vorzugsweise zwischen 0,02 und
0,5 Gew.-°/o liegt, für den weiter oben angegebenen Zweck.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß dann, wenn Kupferlegierungen verwendet werden, deren Co- und P-Gehalte
unterhalb der oben angegebenen Bereiche liegen, die Eigenschaften der Legierungen nicht zufriedenstellend
sind aufgrund unzureichender mechanischer Eigenschaften und einer zu niedrigen Erholungstemperatur. Dagegen
tritt bei der Verwendung von Kupferlegierungen mit Gehalten an Co- und/oder P, die oberhalb der
obengenannten Bereiche liegen, eine deutliche Verschlechterung ihrer elektrischen Eigenschaften auf. Es wurde
auch festgestellt, daß die Eigenschaften der Kupferlegierungen nicht mehr zufriedenstellend sind, wenn das
Gewichtsverhältnis Co : P nicht mehr zwischen 2,5 und 5 liegt, wobei diese Effekte etwas weniger ausgeprägt
sind, wenn die Kupferlegierungen Mg, Cd, Ag, Zn und Sn und unter diesen vor allem Cd, Mg und Ag enthalten.
Andererseits wurde festgestellt, daß durch Zugabe der Elemente Mg, Cd, Ag, Zn und Sn entweder einzeln oder
in Form einer Kombination innerhalb der obengenannten Bereiche die mechanischen Eigenschaften verbessert
und die Erholungstemperatur erhöht werden, ohne daß dadurch die übrigen Eigenschaften der Kupferlegierungen
beeinträchtigt werden. Wenn die festgelegten Gehaltsgrenzen der erfindungsgemäß zu verwendenden
Legierung jedoch überschritten werden, führt dies zu einer Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit.
Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei Zn, Sn und Mg. Es wurde ferner festgestellt, daß dann, wenn die
Elemente Mg, Cd, Ag, Zn und Sn in Gehalten von weniger als 0,01% vorliegen, die erzielten Verbesserungen der
Eigenschaften der Kupferlegierungen unzureichend sind.
Selbstverständlich können die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen auch Verunreinigungen in Spurenmengen
enthalten.
Die Behandlung der erfindungsgemäß verwendeten Kupferlegierungen umfaßt ein Lösungsglühen bei einer
Temperatur zwischen 700 und 93O0C, ein Abschrecken der lösungsgeglühten Legierung, das anschließende
Vergüten bzw. Entspannen zwischen 450 und 5500C sowie die sich daran anschließende Kaltverfestigung.
Die Behandlung der erfindungsgemäß verwendeten Kupferlegierung stellt in Kombination mit ihrer spezifisehen
qualitativen und quantitativen Zusammensetzung sicher, daß diese die vorstehend angegebene einzigartige
Kombination von ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften aufweist. Man nimmt an,
daß dies darauf zurückzuführen ist, daß die Legierungsbestandteile Kobalt und Phosphor mit den Mengenbereichen
bei Anwendung der Verfahrensmaßnahmen gemäß den Patentansprüchen beide in festem Zustand in der
Kupfermatrix löslich sind, wodurch eine extrem feine Dispersion von C02P in Cu erzielt wird, welche die
eigentliche Ursache für die hervorragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften der erfindungsgemäß
verwendeten Legierung ist. Durch die Behandlung der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung wird die
entstandene Co2P-Ausscheidung wieder in Lösung gebracht und das dabei erhaltene Legierungsgefüge wird
anschließend durch Abschrecken fixiert, so daß eine extrem feine Dispersion von ausgeschiedenem C02P
erhalten wird, die für die bemerkenswerten Eigenschaften ^er erfindungsgemäß verwendeten Legierung verantwortlich
ist.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert. Die darin angegebenen Prozentsätze beziehen
sich auf das Gewicht und die angegebenen Werte für die Härte wurden nach dem Vickers-Verfahren
ermittelt bei einer Last von 5N.
Im Rahmen einer großtechnischen Herstellung wird in einer schwach oxidierenden Atmosphäre in einem
Tiegel aus gestampftem Silicat eine Legierung mit der folgenden Zusammensetzung erschmolzen:
| Co | 0,27% |
| P | 0,085% |
| Cu | Rest |
Nach der Desoxidation mit einem anderen Element als Phosphor werden durch halbkontinuierliches Gießen io
Blöcke hergestellt.
Nach dem Vorwärmen auf 850°C werden die Blöcke bis auf eine Dicke von 11,5 mm warm ausgewalzt.
Anschließend wird die Legierung abkühlen gelassen und dann von 10 mm auf 0,6 mm kalt ausgewalzt (Härtung
von 1500%).
Das ausgewalzte Band wird anschließend bei einer Temperatur von 920° C in einem Durchlaufofen lösungsge- 15
glüht und am Ausgang des Ofens mit Wasser abgeschreckt (Abkühlungsgeschwindigkeit
> 20° C/s). Dann wird das Band in einem statischen Ofen bei einer Temperatur von 545°C 2V2 Stunden lang einer Vergütungsbehandlung
unterzogen.
Nach Abschluß der vorstehend beschriebenen thermischen Behandlungen wird das Band bis auf eine Dicke
von 0,254 mm kalt ausgewalzt. 20
Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der so behandelten Legierung sind folgende:
| elektrische Leitfähigkeit | 80% IACS |
| Zugfestigkeit | 515 N/mm2 |
| 0,2-Grenze | 510 N/mm2 |
| Dehnung | 1% |
| Vickers-Härte HV (Last: 5N) | 1495 N/mm2 |
Das Temperatur-Verhalten der auf diese Weise behandelten Legierung ist in den folgenden Tabellen A und B 30
angegeben. Aus der Tabelle A ist die Entwicklung der Härte als Funktion der Haltezeit bei der Temperatur
350° C bzw. 500° C zu ersehen, während aus der Tabelle B die Entwicklung der Härte als Funktion der Temperatur
bei 1 stündiger Behandlung zu ersehen ist
Härte HV (N/mm2)
Härte HV 1495 1490 1480 1430 1370 1010 870 830 800 50
| Temperatur | Zeit Anfangs zustand |
10s | 30 s | 1 mn | 3 mn | 10 mn | 30 mn | 1 h |
| 35O0C 500° C Tabelle B |
1495 1495 |
1495 1410 |
1400 1370 |
1400 1380 |
1390 1390 |
1400 1280 |
1400 1060 |
1400 960 |
| Temperatur | Umgebungs- temp. |
300° C | 350° C | 400° C | 450°C 500°C | 550° C | 600° C | 65O0C |
Claims (1)
1. Verwendung einer Kupferlegierung mit
0,10 bis 0,50 Gew.-% Kobalt,
0,04 bis G.25 Gew.-% Phosphor und
Rest Kupfer,
Rest Kupfer,
wobei das Gewichtsverhältnis von Kobalt zu Phosphor zwischen 2,5 und 5 liegt, die
a) bei einer Temperatur zwischen 700 und 930° C lösungsgeglüht,
b) abgeschreckt,
c) zwischen 450 und 550° C einer Vergütungs- bzw. Entspannungsbehandlung unterzogen und
d) kaltverfestigt worden ist,
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