DE2823108C2

DE2823108C2 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Nichteisenmetall

Info

Publication number: DE2823108C2
Application number: DE2823108A
Authority: DE
Inventors: Sidney Samuel Levittown Pa. Charschan; Edward Stephen Mercerville N.J. Tice
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-05-31
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1984-03-08
Also published as: CA1099619A; CH636380A5; IT7823888A0; NL7805783A; FR2393075B1; US4151014A; BE867466A; SE7806156L; IT1096349B; GB1597066A; DE2823108A1; FR2393075A1; JPS53149107A; ES470283A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Werkstücks aus Nichteisenmetall, insbesondere Kontaktfedermetall mit Laserstrahlung.

Es ist häufig erforderlich, daß ein metallisches Werkstück aus Nichteisenmetall in verschiedenen Abschnitten des Werkstücks unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel müssen Kontaktfedern aus Phosphorbronze oder aus Beryllium und Kupfer bis zur Federhärte oder bis zur Sonderfederhärte gehaltet werden, damit sie ihre wesentliche Aufgabe erfüllen, nämlich gute e'-ktriscne Verbindungen herzustellen und beiznbrhalten. Derartige Kontaktfedern müssen häufig an Leitung bahnen auf einer spröden Unterlage angebracht werden, beispielsweise durch Thermokompressions-Bonden. Hierzu muß das Metall der Kontaktfeder an der Bondstelle (Verbindungsstelle) relativ weich sein, um ein sicheres Bonden ohne Bruchgefahr für die spröde Unterlage /u ermöglichen. Es ist jedoch nachteilig, einen vollständig weichgeglühten Abschnitt an der Kontaktfeder zu haben, da dies deren Handhabung beeinträchtig!, insbesondere unerwünschte Verbiegungen zur Folge hat.

Bislang werden deshalb zweischichtige Koniaktfedem (Bimetall) verwendet, um die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zu gewährleisten, die einerseits für den guten elektrischen Anschluß und andererseits für gutes Thermokompressions-Bonden erforderlich sind. Hierzu ist es bekannt, einen Streifen aus einer Beryllium/Kupfer-Legierung und einen Streifen aus Kupfer zu einem Bimetallstreifen zusammenzu· walzen. Dabei wird die Komponente aus der Beryllium/ Kupfer-Legierung so weit gehärtet, daß Federwirkung gewährleistet ist. während die Kupferkomponente für Thermokompressionsbonden ausreichend weich ist. Solche zusammengesetzten Federn weisen die gefor denen Eigenschaften auf. sind jedoch in der Herstellung recht teuer.

Es ist weiterhin bekannt, einen im Dauerstrichbetrieb betriebenen Läser zum Weichglühen metallischer Werkstücke zu benutzen. Um dabei e^;n Schmelzen zu vermeiden, muß die Energiedosierung entsprechend gering gehalten werden, was eine Energiezufuhr über eine relativ lange Zeitspanne erfordert. Da hierbei ein« gewisse Ableitung der Wärme innerhalb des Werkitücks erfolgt, ist es mit dieser Behandlung praktisch

nicht möglich, lediglich einen ausgewählten Abschnitt des Werkstücks örtlich zu erhitzen.

Es ist auch bekannt, durch eine Impulserwärmung mit Hilfe gepulster Elektronen- oder Laserstrahlung einen ausgewählten Oberflächenbereich eines metallischen Werkstücks etwa aus Nickel oder aus den hochschmelzenden Metallen, wie Wolfram oder Molybdän zu härten. Wesentlich für den Härtungsvorgang ist dabei, daß während der Impulserwärmung das Metall oberhalb seines Nichtduktilitätstemperatur-Punktes (NDT) gehalten wird mit der Maßgabe, daß die mittlere Warmbehandlungstemperatur kleiner als die Rekristallisationstemperatur bleibt. Durch die Impulserwärmungszyklen (typischerv.-eise einige Hundert) entsteht im behandelten Oberflächenbereich im Wege der sogenannten Polygonalisation ein feinkörniges Kristal-Iitgefüge, das ein größeres Volumen als das ursprünglich (typischerweise um eine Größenordnung) gröber körnige Kristallgefüge einnimmt und damit hohe innere Spannungen, die zu einer Oberflächenhärtung führen, gegenüber dem darunterliegenden Material aufbaut.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Werkstücks aus Nichteisenmetall, insbesondere Kontaktfedermetall, mit Laserstrahlung bereitzustellen, das eine gezielte, genau gesteuerte lokale Herabsetzung der Werkstückhärte in einem ausgewählten Bereich des Werkstücks gestattet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben.

Dadurch, daß erfindungsgemäß der ausgewählte Werkstückabschniit durch Bestrahlung mit einem gepulsten Laserstrahlenbündel wenigstens teilweise weichgeglüht wird, erreicht man den überraschenden Vorteil, daß es ohne weiteres möglich ist. das Ausmaß, um das die Härte reduziert wird, mit einem ansonst nicht erreichbaren Genauigkeitsgrad in einem streng begrenzbaren lokalen Bereich zu steuern.

Das Werkstück kann vorher bis zur Federhärte oder bis zur Sonderfederhärte gehärtet worden sein, und die Bestrahlung erfolgt dann mit der ivljßgabe. daß der HärtciLTdii des ausgewählten Abschnitts bis zu einem Zustand vermindert wird, der zwischen kaum und vollständig weichgegluht liegt.

Die Bestrahlung kann aus einem einzigen Impuls des Lasersirahlenbündcls bestehen, wobei dieser Impuls eine Dauer von wenigstens 5 ms haben soll.

Vor der eigentlichen Bestrahlung kann das l.aserstrahlcnbündel wenigstens einmal gepulst werden, damit eine thermisch stabile Bestrahlung erhalten wird

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Bezugnahme auf ein Beispiel im einzelnen erläutert; zu dieser Erläuterung dienen auch die F ι g. 1 bis 5; im einzelnen zeigen:

F i g. I eine schematische Schrägansiehl einer Vor richtung zum gezielten Weichglühen eines ausgewählten Abschnitts eines Werkstücks.

F i g. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängig keil der Zugfestigkeit (entspr. dem Härtegrad) von der Laserenergie bzw. der I lcißflecktemperatur an einem typischen behandelten Werkstück und

Fig, J ein Diagramm zur Darstellung des Härtever= laüfs in einem entspr. Fig,2 behandelten Werkstück in Abhängigkeil vom Ort.

Eine Feder 11, die aus jedem geeigneten Nichleisenmetall, beispielsweise aus Phosphor-Bronze oder einer BerylliunvKupfer-Legierung bestehen kann, sollte auf dem Hauptteil 12 ihrer Länge relativ stark gehärtet, d, h. bis zur Federhärte oder bis zur Sonderfederhärte

gehärtet sein. Eine solche Härte ist erforderlich, damit die Feder ihre angestrebte Funktion erfüllen kann, nämlich guten elektrischen Kontakt herzustellen und aufrechtzuerhalten. Andererseits sollte die Feder 11 in einem ausgewählten kleinen örtlichen Abschnitt 13, ■ nämlich dort wo sie durch Thermokompression an die Leiterbahn eines spröden Substrats gebondet werden soll, weicher sein.

Man verwendet nun einen gepulsten Laser 14, beispielsweise einen Nd : YAG-Laser, um den Abschnitt n

13 der Feder 11 durch die Laserstrahlung zu erwärmen und dadurch gezielt weichzuglühen. Der gepulste Laser

14 emittiert für eine geregelte Zeitspanne von beispielsweise 10 oder 20 ms (Milli-Sekunden) ein Laserstrahlbündel von geregelter Energiedichte, bei- ι. spielsweise von 8 bis 16 Joule (]) bei konstanter Fleckgröße eines Durchmessers von beispielsweise 0,7 mm. Das Laserstrahlenbündel 15 wird durch eine Linse 16 auf den Abschnitt 13 der Feder 11 fokussiert.

Es wird angestrebt, daß Weichglühen ausreichend zu _··> lokalisieren, damit lediglich der ausgewählte Abschnitt 13 der Feder 11 behandelt wird, um hiPr einen gesteuerten Härtegrad zu erhalten. Durcn einen gepulsten Laser kann das Weichglühen in einem örtlich beschränkten Bereich gezielt durchgeführt werden. "· >

Die Steuerung des Härtegrades in dem ausgewählten Abschnitt 13 der Feder 11 wird durch geeignete Regelung eines Betriebsparameters des l.u'.erstrahlenbündeis 15 durchgeführt. Ein solcher Parameter ist beispielsweise die iniensität oder d^;e Impulsdauer des ■> Strahlenbündels 15. Alternativ kann auch die Anzahl der Impulse des Strahlenbündels 15. mit welchen der ausgewählte Abschnitt 13 bestrahlt wird, vorändert werden. Das Weichglühen mit einem ein/igen Impuls. der eine relativ hinge Impulsdauer von beispielsweise :. wenigstens 5 ms aufweist, ist für die meisten Anwendiingsfalle besonders geeignet.

/ur Durchführung des Verfahrens im einzelnen sind eine Reihe Untersuchungen durchgeführt worden, die den Laser 14, die ausgewählten Abschnitte des n. Werkstücks. /B den ausgewählten Abschnitt IJ der Feder II. den kontrollierten Härtegrad und dgl betreuen Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden mit dem nachfolgenden Beispiel erläutert:

Beispiel

Dir- verwendeten lodern 11 bestehen aus einem Streifen aus CDA-¹JIO Phosphor-Bronze, der bis /ur Sonderfcikrhärie warmausgehärlet ist. Diese C DA-SIO Phosphr·! Hron/e besteh* aus 94,8% Kupfer. 3.0¹Vn /inn vi und 0 ."I'd Phosphor Zu jeder einzelnen Feder 11 gehört cm ausgewählter Abschnitt 13, der für die Anbringung der Feder 11 durch Thermokompressionsbonden an einr I eiterbahn eines Substraten bestimmt ist; Abschnitt 15 hat eint· Breite von 0,7 mm und eine Länge Vi von 2'>Δ mm; die Feder selbst hat eine Dicke vr.n

Der verwendete I ,lscr 14 ist en gepulster, netzgespeister Nd YA(i Laser und wird bei einer Wellenlängc von I.Ofinm betrieben. Zur Bestrahlung der Federn w> werden 5 Impulse einer Impulsdauer von 10 ms und einer Wicderholungsfrequenjc von 4 Impulsen/s abgegeben. Die ersten vier Impulse werden abgelenkt und erreichen die Probe nicht; sie dienen lediglich dazu, die theniii .ehe Stabilität des Lasers zu sichern. Der letzte Impuls dient zur Bestrahlung der Probe. Obwohl in anderen Anwendungsfällen ein anfänglicher Energiestoß häufig Bohr- und Scnweißvorgänge fördert, ist es beim vorliegenden Warmbehandlungsverfahren nicht empfehlenswert, den anfänglichen Enetgiestoß zu benutzen, da ein einheitlicherer Temperaturanstieg bevorzugt wird.

Zur Durchführung dieser Untersuchungen sind keine besonderen Proben benutzt worden; es ist lediglich darauf geachtet worden, die Zuführung »neuer« Fremdstoffe, also von Stoffen, die über die üblichen herstellungsmäßig bedingten Verunreinigungen hinausgehen, zu der Oberfläche jeder Probe möglichst gering zu halten. Der wirksame Durchmesser des Laserlichtfleckes wird bei 0,7 mm gehalten; damit ist die Breite der Probe abgedeckt. Sämtliche Proben werden unter diesen Bedingungen bestrahlt

Mit einem konstanten 10 ms-Impuls werden vier Proben bei jeweils unterschiedlichem Energiewert bestrahlt. Die maximale Intensität ist dabei so gewählt, daß Schmelzen auftritt Dieses tritt bei einem Energiewert oberhalb 16 J auf. Bei anderen Proben sind Energiewer:e zwischen 16 ) bis zu einem minimalen Energiewert von 8 J in zweckr jßigem Abstand zueinander vorgesehen.

Bei der Bestrahlung anderer Proben wild die Impulsdauer verändert; hierzu wird ein netzgespeister Nd : YAG-Laser 14 verwendet, der dahin modifiziert worden ^;st. daß er Impulse mit einer Impulsdauer von 20 ms abgibt. Bei Bestrahlung mit diesem Laser erfolgt ein Schmelzen bei ungefähr 16 |.

Zur Bestimmung des nach der Bestrahlung zurückgebliebenen Härtegrades wird die Zugfescigkeit nach der US-Norm ASTM B 103 gemessen. Die Ergebnisse sind in graphischer Form mit F ι g. 2 wiedergegeben. Die Messung der Zugfestigkeit erfolgt mit einer Dehngeschwinüigkeit der Probe von 25 mm/min.

Längs einer Linie, die im Abstand von 0.2 mm zur Probenkante verläuft, wird an jeder Probe alle 0,2 mm die Vickers-Härte unter Verwendung e:nes Prüfge wiehts von "00g bestimmt Wegen der geringen Dicke des Mater;als (und da eine weitere Auswertung der Frohen eine Befestigung ausschließt) sind die in Fig. i angegebenen Werte relative Hartewerte. Aus den angegebenen relativen Härtewerten ergibt sich ohne \\eitjre> Jas Ausmaß der durch die Wärmeeinwirkung beeinflriiten /one.

Mn Fig. 3 sind die Hartewerte im Bereich der bestrahlten /one sowohl auf der bestrahlten Seite als auch auf der unbestraften Rückseite für eine tvpische Probe angegeben. Bemerkenswert ist die Beobachtung, daß bei einer tatsächlichen Ausdehnung des Laserlichtfleckes von 0.7 mm auf der bestrahlten Vorderseite die von der Wärmeeinwirkung beeinflußte Zone lediglich 1,4 mm breit ist

Bei solchen Proben bei denen die in F i g. 3 angebet enen Hartewerte ermittelt worden sind, ist auch die inehillographische Struktur analysiert worden Hierbei ist festges eilt worden, daß in der durjh d.e Wärmeeinwirkung beeinflußten Zone Auswirkungen auf die Reknsiaüisanon oder das Kornwachstum (die beim Weichglühen üblicherweise auftreten) nicht zu beobachten waren Dies ist ein unerwartetes Ergebnis und wird l. Zt. noch nicht vollständig verstanden. Es wird angenommen, daß die Erweichung aui einer Ausheilung von Spannungen beruht, wobei die inneren Spannungen vom ursprünglichen Walzen der Feder 11 herrühren.

In dem Beitrag »Estimation of Temperature Rise in Electron Beam Heating of Thin Films«, von T. P. Lin (IBM Journal, Sept. 1967) wird eine Gleichung für einen

Energiestrahl mit Gausscher Inlensitätsverteilung zur Aufheizung einer Platte von gegebener Dicke angegeben. Lin zeigt dort, daB die Temperatur im Mittelpunkt des Lichtflecks wie folgt ermittelt werden kann:

v(o, t) = HoS²IAKL ln(\ +4HItIa-) (I)

wobei bedeuten:

v(o, t) = Temperaturanstieg (⁰C);

H₀ — Spitzenenergiefluß

a = Radius des Lichtfleckes;

K = Wärmeleitfähigkeit;

L = Dicke der Platte;

in ** thermisches Diffusionsvermögen; und

i — Impulsdauer.

Die aus diesem Modell abgeleiteten Vorhersagen werden durch die experimentellen Ergebnisse bei 17 J und 10 ms bestätigt, da die Probe entsprechend der Vorhersage schmilzt. Bei geringeren Energieflüssen konnte die vorhergesagte Temperatur nicht gemessen werden; im Hinblick auf die Betätigung des Schmelzpunktes scheinen die entsprechenden Temperaturwerte jedoch recht genau der Vorhersage zu folgen.

Mit Fig.2 sind die aus der Gleichung M) ermittelten Temperaluren für verschiedene Laserenergiewerte jeweils bei einer Impulsdauer von 10 ms angegeben. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß ein gewisses Weichglühen in einer sehr kurzen Zeitspanne bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgt; weiterhin ist ersichtlich, daß die CDA-510 Phosphor-Bronze in ungefähr IO ms vollständig weichgeglüht werden kann.

Aus diesem Beispiel wird deutlich, daß der Härtegrad (Fig.2) eines örtlich begrenzten, ausgewählten Abschnitts (Fig. 3) der Feder 11 durch Regelung eines geeigneten Parameters (beispielsweise der Intensität und/oder der Impulsdauer) eines gepulsten Lasers relativ genau geregelt werden kann. Sofern beispielsweise die Energieabgabc des Lasers auf einen Wert zwischen 8 und 16 J eingestellt wird, kann der ausgewählte Abschnitt 13 auf jeden gewünschten Härtegrad im Bereich von weich bis zur ursprünglichen Sonderfederhüfte eingestellt werden,

Die in diesem Beispiel von der Wärmeeinwirkung beeinflüötfr Zone 1st fecht klein, d. h„ diese Zone hat eine Ausdehnung von etwa 1,4 mm. Sofern größere Zonen beeinflußt werden sollen, kann z. B. das Weichglühen durch Verändern der Form des Lichtfleckes erfolgen Und/oder dadurch, daß mit mehreren gebietsweise überlappenden Impulsen gearbeitet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Werkstücks aus Nichteisenmetall, insbesondere Kontaktfedermetall, mit Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein ausgewählter Abschnitt (13) des Werkstücks durch Bestrahlen mit einem gepulsten Laserstrahlenbündel (15) wenigstens teilweise weichgeglüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück vorher bis zur Federhärte oder bis zur Sonderfederhärte gehärtet worden ist und die Bestrahlung mit der Maßgabe durchgeführt wird, daß der Härtungsgrad des ausgewählten Abschnitts bis zu einem Zustand (1/2 H) zwischen geringer und vollständiger Weichglühung vermindert wird.