DE2948916C2 - Kupfer-Zinn-Legierung, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung - Google Patents
Kupfer-Zinn-Legierung, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre VerwendungInfo
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Description
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß der Verfahrensschritt (b) bei Temperaturen von 650 bis 7500C durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (c) mit
einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 50°C/min und 1000°C/min durchgeführt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verfahrensschritt (c)
eine Kaltverformung (d) bis zu 95% in einem oder mehreren Stichen durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kaltwalzstichen nach
Verfahrensschritt (d) jeweils eine Glühung (e) für weniger als 10 h durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer-Zinn-Legierung als
Bund im Haubenofen bei Temperaturen von 300 bis 450° C geglüht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer-Zinn-Legierung
kontinuierlich im Durchlaufofen bei Temperaturen von 400 bis 550° C geglüht wird.
13. Verwendung der Kupfer-Zinn-Legierung gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 als Federwerkstoff,
insbesondere für stromführende Teile, Steckverbinder, Verbindungselemente, Klemmen, Kontaktfedern.
Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Zinn-Legierung, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre
Es besteht ein großer Bedarf an Kupfer-Legjerungen
für elektrische Anwendungszwecke, wo außer einer hohen elektrischen Leitfähigkeit eine höchstmögliche
Festigkeit erforderlich ist Diese Legierungen werden benötigt für stromdurchflossene Teile, wie elektrische
Kontakte, Federn oder Steckverbinder, Die starke Tendenz zur Miniaturisierung zwingt in zunehmendem
Maße dazu, immer höhere Anforderungen an die Festigkeit und besonders auch an die elektrische
Leitfähigkeit der verwendeten Werkstoffe zu stellen.
Als weitere wichtige Forderung kommt hinzu, daß die verwendeten Legierungen bzw. das aus ihnen hergestellte Halbzeug eine möglichst hohe Duktüität
aufweisen müssen, damit die in der Regel recht komplizierten Teile durch Biege- oder andere Umformoperationen ihne Schwierigkeiten herzustellen sind.
Für die obengenannten AnwendungsfäLe werden in
großem Umfang harte Kupfer-Zinn-Legierungen (Zinnbronzen) mit 4 bis 8% Zinn eingesetzt Diese
Werkstoffe zeigen eine gute Kombination von Festigkeit und Duktüität Die elektrische Leitfähigkeit
dagegen beträgt mit ca. 15 bis 20% IACS nur einen Bruchteil derjenigen des reinen Kupfers (100% IACS).
100% IACS entsprechen dabei 58,00 m/Ohm · mm2.
Weiterhin werden handelsübliche berylliumhaltige Legierungen für den genannten Zweck eingesetzt,
beispielsweise eine Kupferlegierung, die 0,4 bis 0,7% Be und 23 bis 2,7% Co, Rest Cu enthält Diese Legierung
erreicht Festigkeiten bis zu 700 N/mm* bei einer elektrischen Leitfähigkeit von 48% IACS. Derartige
Legierungen haben jedoch den großen Nachteil, daß sie schwer herstellbar und deshalb relativ teuer sind. Auch
bei der Verarbeitung muß im allgemeinen ein erhöhter Aufwand getrieben werden. Neben den hohen Kosten
wirkt sich die toxische Wirkung des Berylliums oft nachteilig aus, da für gewisse Verarbeitungsschritte,
beispielsweise Glühen, Schleifen o. ä. besondere Schutzmaßnahmen getroffen werden müssen. Dieselben
Einschränkungen gelten in noch größerem Maße für eine binäre (Kupfer-Beryllium-Legierung mit ca. 2% Be.
Mit diesen Legierungen lassen sich zwar Festigkeiten bis zu 1500 N/mm2 erreichen, der Fertigungs- und
Verarbeitungsaufwand ist jedoch sehr hoch, so daß diese Legierungen nur in Sonderfällen eingesetzt
werden. Die Leitfähigkeit liegt auch bei diesen Werkstoffen in der Größenordnung von 20% IACS.
Bekannt ist des weiteren eine quarternäre Cu-Legierung mit 0,5 bis 5,0% Sn, 03 bis 0,4% Ti und 0,05 bis 2,0%
Cr (vgl. US-PS 30 17 268). Diese Legierung zeigt zwar eine relativ günstige Kombination von Festigkeit und
elektrischer Leitfähigkeit (600 bis 700 N/mm2, 40 bis 50% IACS), bereitet aber bei der Herstellung von
Halbzeug dadurch besondere Schwierigkeiten, daß das Schmelzen und Gießen in inerter Schutzgasatmosphäre
erfolgen muß, um unerwünschte Reaktion des Titans mit Luftsauerstoff oder mit Wasserstoff auszuschließen.
Bei den letztgenannten Legierungen (CuCoBe, CuBe, CuSnTiCr) handelt es sich um sogenannte aushärtbare
Werkstoffe, die ihre günstigen Eigenschaften durch eine Ausscheidungshärtung erlangen. Dieser Prozeß erfordert unter anderem eine Glühbehandlung bei hoher
Temperatur (Homogenisierung) mit anschließender schneller Abschreckung. Insbesondere die Realisierung
hoher Abschreckgeschwindigkeiten bei der Halbzeugherstellung in technischem Maßstab erfordert einen
relativ hohen Aufwand, der sich in den Fertigungskosten niederschlägt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine
Kupferlegierung anzugeben, die neben einer hinreichend hohen Festigkeit eine möglichst hohe elektrische
Leitfähigkeit und ein günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Duktüität aufweist Die Aufgabe besteht
weiterhin darin, eine Zusammensetzung zu finden, die
eine möglichst einfache Fertigung von Halbzeug gestattet, d. h. insbesondere keine hohen Abschreckgeschwindigkeiten zur Erreichung der geforderten Eigenschaften erforderlich macht
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kupfer-Zmn-Legierung gelöst bestehend aus
0,2 bis 3,0% Zinn,
0,1 bis 1,5% Titan,
0£ bis 1,0% Chrom,
0,2 bis 3,0% Nickel,
Die Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht Die Summe der üblichen Verunreinigungen soll dabei
0,! % nicht überscfireiten.
Der erfindungsgemäße Nickel-Zusatz zu einer CuSnTiCr-Legierung ergibt überraschenderweise eine
deutliche Erhöhung sowohl der Festigkeit als auch der elektrischen Leitfähigkeit im Vergleich zu nickelfreien
CuSnTiCr-Legierungen; denn üblicherweise führt ein Ni-Zusatz zu einer Erniedrigung der elektrischen
Leitfähigkeit Beispielsweise ist bei einer Legierung auf der Basis CuNiSn (9% Ni, 2% Sn, Rest Cu) zwar bei
mittlerer Festigkeit eine gute Duktüität gegeben, die elektrische Leitfähigkeit liegt dagegen bei dieser
Legierung sehr niedrig (ca 10% IACS).
Bei der erfindungsgemäßjn Leg^rung konnte überraschenderweise die Existenz einer NiSnTi-haltigen
Phase nachgewiesen werden, die ^ rfensichtlich eine
geringere Löslichkeit in der Matrix besitzt und somit zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit und Härte
beiträgt
Die NiSnTi-haltige Phase scheidet sich in einer Weise aus, die auf ein bei normalen ausscheidungshärtbaren
Legierungen notwendiges Abschrecken verzichten läßt d. h. auch ohne Abschrecken ist es möglich, die Für hohe
Festigkeiten notwendige fein verteilte »Dispersion« der Ausscheidungsphase zu erzielen. Die Eigenschaften der
erfindungsgemäßen Legierungen können also erhalten werden ohne die Anwendung hoher Abschreckgeschwindigkeiten.
Die Kombination von Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit ist ebenfalls besser als bei den üblichen
Sn-Bronzen. Die erfindungsgemäße Legierung besitzt eine elektrische Leitfähigkeit, die um den Faktor 2 bis 3
über denjenigen der bekannten Zinnbronzen bei vergleichbarer Festigkeit liegt Bei vergleichbarer
Leitfähigkeit lassen sich jedoch erhöhte Festigkeiten erzielen.
Die Legierung gemäß der Erfindung besitzt ein den Zinnbronzen vergleichbares Festigkeits/Dehnungs-Verhältnis bei 2- bis 3fach höherer elektrischer
Leitfähigkeit
Weitere bevorzugte Legierungszusammensetzungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.
Die erfindungsgemäßen Kupfer-Zinn-Legierungen können in üblicher Weise gegossen werden. Zur
Erzielung günstiger Eigenschaftskombinationen wird die Legierung nach dem Gießen vorzugsweise
(a) bei Temperaturen von 850 bis 9500C zwischen 1
und 24 h homogenisiert,
(b) bei Temperaturen von 600 bis 8000C in einem oder
mehreren Stichen warmgewalzt und
(c) mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 10°C/min und 2000°C/min auf Raumtemperatur
abgekühlt.
Es empfiehlt sich, den Verfahrensschritt (b) insbesondere bei 650 bis 7500C, den Verfahrensschritt (c)
insbesondere mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 50°C/min und *000°C/min durchzuführen. Nach
einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Verfahrensschritt (c) eine Kaltverformung (d) bis 95% in einem oder mehreren Stichen
durchgeführt Zwischen den Kaltwalzstichen kann die Kupfer-Zinn-Legierung vorzugsweise zur Erzielung
einer erfindungsgemäßen, gleichmäßigen Dispersion bis max. 10 h geglüht werden.
Für maximale elektrische Leitfähigkeit empfiehlt sich dabei eine Glühung als Band im Haubenofen bei
Temperaturen von 300 bis 4500C, für maximale Festigkeit ist kontinuierlich im Durchziehofen bei
Temperaturen von 400 bis 5500C zu glühen.
Erfindungsgemäß kann die Kupfer-Zinn-Legierung zu Federwerkstoffen, insbesondere zu stromführenden
Teilen, Steckverbindungen, Verbindungselementen, Klemmen, Kontaktfedern geformt werden.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele näher erläutert.
Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Legierung sowie zweier Vergleichslegierungen, ohne Ni-Zusatz (Legierung B) bzw. ohne
Cr-Zusatz (Legierung C)(Angaben in Gew.-%).
| Legierung | Sn | Ti | Cr | Ni |
Cu (und unver
meidliche Ver unreinigungen) |
| A | 1,09 | 0,42 | 0,73 | 0,93 | Rest |
| B | 1,08 | 0,41 | 0,73 | n.n.#) | Rest |
| C | 1,08 | 0,57 | n.n.#) | 0,98 | Rest |
| *) n.n. = | nicht nachweisbar. |
Die
hergestellt:
Zusammensetzung der Proben
Legierungen wurden auf folgende Weise
Das Elektrolytkupfer wurde zusammen mit Kathodennickel und Feinzinn in einem Induktionsofen bei
etwa 120O0C unter einer Holzkohlenschicht erschmolzen. Nach der vollständigen Auflösung derselben
wurden Cr und Ti in geeigneten Vorlegeierungen CuCr
bzw, CuTi zugegeben. Die Vorlegierungen enthielten
jeweils ca, 5 bis 10% Cr bzw. Ti in reiner Form. Nach der
Lösung derselben wurde die Schmelze in eine Eisenkokille der Abmessung 25 χ 50 χ 100 mm vergossen.
Die Blöcke wurden 1 h bei 9000C homogenisiert
und anschließend bei 7500C an 1,87 mm warmgewalzt
Die Abkühlung der Bandstreifen erfolgte kontinuierlich an Luft, Anschließend wurden daraus durch Kaltwalzen
und Zwischenglühungen bei I h/470°C Bandstreifen von 03 mm Dicke hergestellt. Die Schlußabwalzung betrug
für alle Proben einheitlich 60%. Nach dem Anlassen wurden die Proben auf ihre mechanischen und
physikalischen Eigenschaften untersucht Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt
Rρ 02
(N/mm2)
(N/mm2)
Vickershärte
HV 1
(N/mm2)
Federbiegegrenze
ObE
(N/mm2)
(m/Ohm · mm2) % IACS
600
502
507
629
546
538
10
12
8,2
12
8,2
205
194
179
194
179
551
515
490
515
490
293
28,7
30,4
28,7
30,4
51,4
49,4
523
49,4
523
Festigkeit Federbiegegrenze und ekktriscne
Leitfähigkeit von 03 mm Bandproben im
angelassenen Zustand
Die aufgeführten Werte zeigen die überraschend verbesserten Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Kupferlegierung. Die Legierung A besitzt zum Beispiel gegenüber den Vergleichslegierungen B und C eine um
etwa 20% höhere Festigkeit bei ähnlicher Duktilität und erhöhter oder zumindest gleich hoher elektrischer
Leitfähigkeit
Ebenso verhält es sich mit der sogenannten Federbiegegrenze Danach DIN 50151 im angelassenen
Zustand, die häufig zur Charakterisierung von Werkstoffen
für Federteile herangezogen wird. Zur Ermittlung dieser Kenngröße werden 10 mm breite Probestreifen
zwischen zwei festen Auflagen durch stufenweise steigende Belastungen ausgelenkt und aus dem
Zusammenhang zwischen Belastung und elastischer bzw. plastischer Verformung der Kennwert Oöe
errechnet
Die erfindungsgemäße Legierung A weist eine Steigerung von 8 bis 10% auf gegenüber den
Legierungen B oder C.
Dieses Beispiel erläutert die relative Unempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Legierung gegenüber der
bei ihrer Verarbeitung anzuwendenden Abkühlungsgeschwindigkeiten und zeigt, daß der Aufwand, die
Legierung abzuschrecken, zu keinem besseren Ergebnis führt.
Legierung A von Beispiel 1 wurde bei 1 h/900°C homogenisiert und unter veiüriiiedenen im Labor
simulierten Bedingungen abgekühlt Der Abkühlmodus 3 entspricht in etwa der Abkühlgeschwindigkeit wie sie
beim Abkühlen von 127 mm dicken Warmwalzplatten im Betrieb auftritt
Die Proben wurden nach der kontrollierten Abkühlung um 60% verformt und bei 1 h/425°C angelassen.
Proben aus so gefertigten Bandstreifen zeigten die in Tabelle 3 aufgeführten Härte- und Leitfähigkeitswerte.
|
Brinell-
härte |
Elektrische | Leitfähigkeit | 33,0 | |
| (HB) | (m/Ohm - mm2) % IACS | 383 | ||
| Modus 1·) | 191 | 19,2 | 46,1 | |
| Modus 2*·) | 212 | 22,6 | ||
| Modus 3"*) | 191 | 26,8 |
Abschrecken in Wasser.
Langsames Abkühlen <500°C/min.
Langsames Abkühlen <100°C/min.
Härte und elektrische Leitfähigkeit nach
unterschiedlichen Abkühlungsbedingungen
unterschiedlichen Abkühlungsbedingungen
Danach erweist sich, daß die erfindungsgemäße Legierung zur Erreichung hoher Härte und elektrischer
Leitfähigkeit auf ein Abschrecken nicht angewiesen ist Im Gegenteil wird überraschenderweise bei langsamer,
betrieblich realisierbarer Abkühlgeschwindigkeit ein insgesamt höheres Verhältnis von elektrischer Leitfähigkeit
zu Härte erzielt als bei hohen Abschreckgcschwindigkeiten.
Claims (6)
1. Kupfer-Zinn-Legierung, bestehend aus
0,2 bis 3,0% Zinn, D
0,1 bis 1,5% Titan,
0,5 bis 1,0% Chrom,
O^ bis 3,0% Nickel,
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen. (0
2. Kupfer-Zinn-Legierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,6 bis U% Nickel enthält
3. Kupfer-Zinn-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 04 bis 1,0% Zinn
enthält
4. Kupfer-Zinn-Legierung nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,3 bis 0,6% Titan enthält
5. Kupfer-Zinn-Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß sie 0,6 bis 0,8% Chrom enthält
6. Verfahren zur Herstellung einer Kupfer-Zinn-Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß man die Kupfer-Zinn-Legierung
(a) bei Temperaturen von 850 bis 9500C zwischen 1
und 24 h homogenisiert
(b) bei Temperaturen von 600 bis 8000C in einem
oder mehreren Stichen warmwalzt und
(c) mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 10cC/min und 2000°C/min auf Raumtemperaturabkühlt
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