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Material, das für federnde Verbinder oder federnde Verbindungs-
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einrichtungen verwendet wird, muß die Fähigkeit besitzen, einen angemessenen
Kontaktdruck für die Auslegungslebensdauer der Teile, die aus diesem Material hergestellt
werden beizubehalten. Die Fähigkeit zur Beibehaltung eines adäquaten Kontaktdrucks
bedeutet die Fähigkeit, einer Spannungsrelaxation bzw. einem Nachlassen der Spannung
für Zeitdauer zu widerstehen, insbesondere bei über normale Raumtemperatur erhöhten
Temperaturen. Die gegenwärtige Tendenz beim Entwurf von Verbindern bzw. Kontakten
geht dahin, höheren Wert auf die Beibehaltung hohen Kontaktdrucks bei Verbinderteilen
bei mäßig erhöhten Temperaturen zu legen, um die Schwierigkeiten zu vermindern,
die bei steigenden Einsatztemperaturen der Teile auftreten können. Gegenwärtig wird
die Legierung 260 in weitem Umfang für elektrische Verbinder bzw. Anschlußteile
verwendet; diese Legierung tendiert jedoch dazu, bei Temperaturen von 750 C oder
höher eine recht schlechte Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrelaxation zu
besitzen.
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Dementsprechend liegt eine wichtige Aufgabe darin, diese weithin benutzte
Legierung derart zu modifizieren, daß ihre Spannungsrelaxationswerte bei erhöhter
Temperatur verbessert sind.
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Es ist wesentlich bei allen Modifikationen der Legierung 260, daß
man bei der Verbesserung des Spannungsrelaxationsverhaltens nach wie vor eine Legierung
mit hoher Leitfähigkeit behält. Darüber hinaus sollte Biege-Formbarkeit beibehalten
werden, während jegliche Kostensteigerung bei der Legierung so niedrig wie möglich
gehalten werden sollte, um die Legierung wettbewerbsfähig am Markt anbieten zu können.
Andere Leistungskennwerte, wie Spannungskorrosion, Lötbarkeit, Widerstand gegen
Erweichen und andere, sollten nicht wesentlich unter die Eigenschaften der kommerziellen
Legierung 260 abgesenkt sein. Bei der Erfindung wird angestrebt, daß die Werte der
erfindungsgemäßen Legierung etwa eine 10%ige bis 30%ige Steigerung über die projektierte
verbleibende Spannung nach 100.000 h bei 750 C oder mehr relativ zur Legierung 260
haben. Es ist ferner wünschenswert bei der Erfindung, daß eine derartige Legierung
eine Leitfähigkeit von 20% IACS beibehält.
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Ein Legierungssystem, das entwickelt worden ist, ist eine verbesserte
Betaphase-Messinglegierung, wie sie in der US-PS 4 055 445 angegeben ist. Diese
Patentschrift lehrt eine Messing legierung, die einen Gestalterinnerungseffekt zeigt
und die 25 bis 40% Zink und 0,25 bis 3,0 % Silicium enthalten kann. Es sei angemerkt,
daß das einzige brauchbare Legierungssystem innerhalb dieses breiten Bereiches durch
den kreuzweise schraffierten Bereich in der dortigen Fig. 3 gezeigt wird,
in
dem die Legierung 25 bis 75% Beta-Phase haben soll. Offenbar kommt es bei dieser
Legierung nicht nur auf die spezielle Legierungszusammensetzung per se an, sondern
auch auf besondere Verfahrensschritte bei der Herstellung bzw. Verarbeitung der
Legierung. Es ist nämlich bei der Lehre des genannten Patents wichtig, daß eine
Glühung durchgeführt wird, um die vorstehend genannte Minimalmenge an Beta-Phase
in der Legierung zu schaffen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Legierungssystem zu
schaffen, das im Vergleich zur kommerziellen Legierung 260 verbesserten Widerstand
gegenüber Spannungsrelaxation besitzt, insbesondere bei erhöhten Temperaturen.
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Vorteilhafterweise besitzt das erfindungsgemäße Legierungssystem einen
verbesserten Widerstand gegenüber Spannungsrelaxation und behält dennoch etwa die
gleichen Leitfähigkeitswerte wie die Legierung 260 bei. Es ist ein Vorteil, daß
das erfindungsgemäße Legierungssystem eine im wesentlichen Insgesamt-Alphaphase-Legierung
mit (nur) bis zu 10% Beta-Phase in der Legierung ist. Es ist günstig, daß das erfindungsgemäße
Legierungssystem die genannten Vorteile ohne wesentliche Kostensteigerung bietet.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Alle in der vorliegenden Anmeldung angegebenen Prozentangaben bei
Zusammensetzungsprozenten, insbesondere Legierungszusammensetzungsprozenten
und
Gefügezusammensetzungsprozenten, stellen Angaben in Gewichtsprozent dar.
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Beim erfindungsgemäßen Legierungssystem sind ganz spezielle Zugaben
von Zinn oder Silicium oder Kombinationen von Zinn und Silicium zu einem Alpha-Messing,
das 8 bis 34 % Zink enthält, vorgesehen, um das Spannungsrelaxationsverhalten einer
derartigen Legierung zu verbessern, insbesondere bei hohen Kaltverformungsgraden.
Das erfindungsgemäße Legierungssystem verwirklicht dies, ohne die elektrische Leitfähigkeit
des zugrundeliegenden Kupfer-Zink-Legierungssystems merklich nachteilig zu beeinflussen.
Die Elementzugaben zur Basislegierung schaffen ferner diese Leistungssteigerung,
ohne die Verarbeitbarkeit des Legierungssystems wesentlich zu beeinträchtigen, was
dazu beiträgt, die Kosten der Legierung niedrig zu halten.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst und die genannten
Vorteile werden erreicht durch Hinzufügen von 0,05 bis 2,0 % Zinn und 0,05 bis 3,0
% Silicium zu einer Alpha-Messinglegierung, die 20 bis 34% Zink enthält. Die bevorzugten
Zusammensetzungsbereiche für diese besonderen Zugaben sind 0,1 bis 2,0 % Zinn und
0,1 bis 2,0 % Silicium.
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Es sei angemerkt, daß diese Zugaben in einem umgekehrten Verhältnis
zum Zinkgehalt im Alpha-Messing-Basismaterial stehen. Mit anderen Worten, je höher
der Zinkgehalt in der Basislegierung ist, desto niedriger ist im allgemeinen der
Zinngehalt
oder der Siliciumgehalt oder der gemeinsame Gehalt an Silicium und Zinn. Ein besonders
günstiger Zusammensetzungsbereich des Legierungssystems ist 20 bis 32% Zink, 0,1
bis 1,5 % Silicium, 0,1 bis 1,0 % Zinn und Rest Kupfer.
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Der speziellste Zusammensetzungsbereich der Legierung ist 26 bis 31%
Zink, 0,1 bis 1,0 % Silicium, 0,1 bis 1,0 z Zinn, wobei der gemeinsame Gehalt an
Silicium und Zinn mindestens 0,3 * beträgt, Rest Kupfer.
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Auch mit den vorstehend erläuterten Elementzugaben bleibt die Legierung
eine im wesentlichen einphasige Alpha-Legierung.
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Es wird betont, daß die Ausbildung von Beta-Phase soweit wie möglich
vermieden werden soll. Obwohl unmittelbar nach dem Gießen und der Erstarrung Nichtgleichgewichts-Betaphase
im Legierungssystem vorhanden sein kann, sollte bei der Weiterverarbeitung der Legierung
versucht werden, die Menge an Beta-Phase auf ein Maximum von 10% zu begrenzen. Insbesondere
sollten die erfindungsgemäßen Legierungen nicht in einem Alpha + Beta - Gebiet oder
in einem Betaphase-Gebiet geglüht werden. Die Anwesenheit von Beta-Phase beeinflußt
sowohl die Kaltverformbarkeit der Legierung als auch ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber
Spannungskorrosion nachteilig. Diverse weitere Elemente können der erfindungsgemäßen
Legierung zugesetzt werden, um die verschiedensten Zwecke zu erfüllen.
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Beispielsweise kann ein kornfeinendes Element aus der Gruppe 0,001
bis 5,0 % Eisen, 0,001 bis 5,0 % Kobalt, 0,001 bis 1,0% Chrom, 0,001 bis 1,0 % Zirkonium,
0,001 bis 1,0% Nickel,
0,001 bis 1,0 % Titan, oder irgendeine Kombination
hiervon der Legierung hinzugefügt werden. Diverse andere Elemente, zum Beispiel
Blei, können zur Verbesserung der spangebenden Bearbeitbarkeit der Legierung zugesetzt
sein. Elemente wie Arsen können zugesetzt werden, um das Spannungskorrosionsverhalten
der Legierung zu verbessern. Die erfindungsgemäße Legierung kann ferner Verunreinigungen
enthalten, die für Legierungen dieses Typs üblich sind. Ferner können weitere Zusätze
je nach Wunsch Verwendung finden, um bestimmte Kennzeichen bzw. Eigenschaften zu
betonen oder um besonders wünschenswerte Ergebnisse zu erzielen.
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Üblicherweise ist bisher auf dem vorliegenden Gebiet erwartet worden,
daß eine Steigerung in der Streckgrenze einer derartigen Legierung eine Verbesserung
im Spannungsrelaxationsverhalten nach sich zieht. Die mit dem erfindungsgemäßen
Legierungssystem erzielten Verbesserungen sind beträchtlich größer, als sie durch
die Steigerung der Streckgrenze allein hätten verwirklicht werden können. Die erfindungsgemäßen
Modifikationen heben in der Tat die Streckgrenze der Messinglegierung 260 um 13%
an, wohingegen die Steigerung in den Spannungsbeibehaltungswerten der Legierung
30% beträgt. Diese unerwartete Zunahme des Spannungsbeibehaltungswerts beim Legierungssystem
schafft die überraschenden günstigen Auswirkungen der Erfindung.
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Bei der Herstellung bzw. Verarbeitung der erfindungsgemäßen
Legierungen
können verschiedene Schritte der Warmverformung und der Kaltverformung mit verschiedenen
Glühschritten eingesetzt werden. Die Warmverformung sollte beim erfindungsgemäßen
Legierungssystem bei einer Minimaltemperatur stattfinden, die oberhalb der Rekristallisationstemperatur
der entsprechenden, zu verformenden Legierung und unterhalb der Solidustemperatur
dieser Legierung liegt. Diese Temperatur wird im Bereich zwischen 500 und 10000
C oder vorzugsweise zwischen 600 und 9000 C liegen. Ein wahlweise einzuschiebender
Schritt nach der Warmverformung kann ein Diffusionsglühschritt sein. Hierbei kann
man einen Temperaturbereich von 200 bis 8000 C für 1 bis 24 h, vorzugsweise einen
Temperaturbereich von 400 bis 7000 C für 1 bis 12 h, wählen. Danach kann von der
Legierung eine Okerflsehzuxhicht entfernt werden, beispielsweise durch Abfräsen,
und zwar unabhängig davon, ob der Glühschritt vorgesehen ist oder nicht, um die
Oberfläche der (warm) verformten Legierung zu reinigen und für weitere Verformung
vorzubereiten. Die Legierung kann dann mit einer Querschnittsflächenverminderung
von bis zu 100%, aber ohne Einschluß des 100%-Werts, vorzugsweise unter Querschnittsflächenverminderung
von 10 bis 98%, kaltverformt werden. Danach kann das kaltverformte Material einem
Glühschritt unterworfen werden bei 150 bis 9000 C, und zwar lang genug, um die Legierung
zu einer Korngröße von 5 bis 50 ßm zu rekrlstallisieren. riese Glühung kann in Zyklen
bzw. abwechselnd mit Kaltverformungsschritten durchgeführt werden, vorausgesetzt,
daß eine Kaltverformung
den Abschluß des Zyklus bildet. Reinigung
des verformten Materials kann nach irgendeiner der Glühungen stattfinden und muß
nicht notwendigerweise nach jeder Glühung stattfinden.
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Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung: Beispiel t Erfindungsgemäße
Legierungen wurden sämtlich durch Zugabe der Elementzugaben zu geschmolzenem Kupfer
bei etwa 11000 C hergestellt. Das Zink wurde bei etwa 10500 C zugegeben, und alle
Gußstücke wurden bei 950 bis 10500 C gegossen. Die Gußstücke wurden dann für 2 h
bei 8000 C geglüht, dann auf eine Dicke von 12,2 mm warm abgewalzt. Dann wurden
beide gewalzten Oberflächen durch Walzen oder Abfräsen so bearbeitet, daß sich eine
endgültige Dicke von 10,2 mm ergab. Die nachfolgende Verarbeitung bestand aus einer
Kaltverformung bis hinauf zu 90% Querschnittsflächenverringerung mit Zwischenglühungen
für jeweils 1 h bei 5500 C an Luft zwischen jedem Kaltverformungsdurchgang. Das
bei dieser Verarbeitung verwendete Material erhielt eine Endglühung, so daß die
Korngröße der Legierung etwa 10 ßm betrug.
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Diverse Legierungen wurden an Luft zu Gußstücken mit einem Gewicht
von 4,54 kg vergossen. Die Zusammensetzungen sind in Tabelle I angegeben. Vier Kontroll-Legierungen
aus Kupfer mit 30% Zink wurden vergossen, und bei den nachfolgenden
Messungen
wurden Durchschnittseigenschaften der vier Kontroll-Legierungen benutzt. Eine weitere
Legierung aus einem Kupfer-30% Zink-Messing, die nach der kommerziellen Art verarbeitet
worden war, wurde ebenfalls benutzt. Die geeigneten Mengen der erforderlichen Elemente
wurden zum geschmolzenen Kupfer zugegeben, und die Schmelzen wurden über einen Zwischenbehälter
in eine Kokille bzw. Hartgußkokille vergossen EDie Verarbeitung aller Legierungen
bestand in einem Glühen für 2 h bei 8000 C, gefolgt von einem Warmwalzen auf eine
Dicke von 12,2 mm und einem Oberflächenbearbeiten durch Abfräsen herab auf eine
Dicke von 10,2 mm. Danach wurden alle Legierungen kaltgewalzt mit Zwischenglühung
Diese Zwischenglühung wurde dazu benutzt, eine Korngröße von 10 ßm vor einer End-Kaltverformung
einzustellen. Bei der End-Kaltwalzung wurden Querschnittsflächenverringerungen um
35% und um 60% angewandt, wobei diese Werte zur Eigenschaftsmessung an jedem Punkt
ausgewählt wurden.
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Mxien wurden ausgehend vam Material mit einer Enddicke von 0,76 mn
nach der Kaltverformung spanend bearbeitet und hinsichtlich ihres Spannungsrelaxationsverhaltens
in der Längsrichtung bei 750 C untersucht. Die Anfangsbelastung wurde auf 80% der
0,2%-Elastizitätsgrenze bzw. Dehngrenze für jede Legierung eingestellt. Die Daten
für die prozentuale Spannung,verbleibend bei 1000 oder mehr Untersuchungsstunden
wurden auf 100.000 h extrapoliert. Die Auftragung des Logarithmus der verbleibenden
Spannung gegenüber dem Logarithmus der Zeit und der Stunden wurde als linearer Zusammenhang
angenommen.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt.
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Tabelle I Nominale Legierungszusammensetzungen Legierung Zusammensetzung
% Zn % Si % Sn % Cu Kontroll-Legierung 30 -- -- Rest Komerziellle Legierung 260
30 -- -- Rest C 247 27 0,4 -- Rest A 948 30 -- 0,5 Rest C 248 27 0,4 0,5 Rest C
311 27 0,3 0,4 Rest C 312 27 0,4 0,3 Rest C 313 27 0,5 0,2 Rest C 314 27 0,6 0,1
Rest
TABELLE II legierungseigenschaften Spannungsrelaxationsverhalten
extrapolierte, verbleibende Spannung nach 100 000 h in kp/mm2 extrapolierte, verbleibende
Spannung nach 100 000 h in % tatsächliche, verbleibende Spannung nach 1000 h in
% Anfangsspannung in kp/mrr2 minimaler Biegeradius in Querrichtung in mm (Bruch-)Dehnung
in % Zugfestigkeit in kp/mm2 0,2% Streckgrenze in kp/mm2 Kaltverformung in z Legierung
Kontroll- 35 50,20 56,04 7,7 1,59 40,15 76,8 66,9 26,86 legierung 60 60,54 70,03
2,8 6,35 48,44 70,4 59,4 28,76 Kommer- 60 60,32 71,71 2,5 * 48,23 68,1 56,9 27,42
zielle Legierung 260 C311 35 57,58 63,49 6,1 1,98 46,05 82,0 75,1 34,59 60 67,07
76,00 2,9 6,35 53,65 75,2 65,0 34,87 C312 35 57,51 64,12 6,8 1,59 45,98 82,7 76,6
65,22 60 65,46 75,23 2,4 6,35 52,38 77,0 66,9 35,01 C313 35 58,50 65,25 7,5 1,59
46,83 85,2 79,6 37,26 60 69,53 76,00 2,8 6,35 55,61 75,9 65,9 36,63 C314 35 58,57
65,74 6,7 1,59 46,83 83,4 77,0 36,07 60 67,57 76,35 2,8 6,35 54,07 76,3 66,7 36,07
C248 35 56,88 64,33 6,0 1,59 45,49 84,4 79,0 35,93 60 65,53 76,99 1,0** 7,94 52,45
77,3 69,3 36,35 * nicht verfügbat ** außerhalb der Marken gebrochen
Aus
Tabelle II ergibt sich, daß die erfindungsgemäßen Legierungen ein überraschendes
Verhalten des Widerstands gegenüber Spannungsrelaxation besitzen, wenn man sie mit
der kommerziellen Legierung 260 oder einem ähnlichen, im Labor hergestellten Material
vergleicht. Der Teil der Tabelle II, der sich auf die verbleibende, auf 100.000
h extrapolierte Spannung bezieht, zeigt, daß die sich aufgrund der Erfindung ergebenden
Vorteile größer sind, als sie von einer einfachen Steigerung der Streckgrenze im
Vergleich zu den Basislegierungen erwartet werden konnten.
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Während zum Beispiel die Streckgrenze der Legierung C 313, die zusammensetzungsmäßig
in den Bereich der Erfindung fällt, lediglich 6,89 kp/mm2 und 7,17 kp/mm2 im 35%-kaltverformten
bzw. im 60%-kaltverformten Zustand größer als bei der Kontroll-Legierung ist, ist
die verbleibende Spannung bei 100.000 h 10,41 kp/mm2 und 7,81 kp/mm2 größer bei
diesen Kaltverformungsgraden als bei der Kontroll-Legierung. Dies veranschaulicht
deutlich die unerwartete und überraschende Verbesserung bei der Widerstandsfähigkeit
gegenüber Spannungsrelaxation,wie sie durch die erfindungsgemäßen Legierungen erreicht
worden ist.
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Beispiel 2 Die in Tabelle I aufgelisteten Legierungen wurden wie
in Beispiel 1 beschrieben verarbeitet, und die nach 100.000 h verbleibende Spannung
wurde festgestellt, wobei von anfänglichen Spannungsniveaus von 42,18 kp/mm2 und
49,22 kp/mm2, entsprechend Messing im harten Gefügezustand bzw. Messing im federharten
Gefügezustand, ausgegangen wurde. Die prozentuale Differenz zur durchschnittlichen
Kupfer-30% Zink-Basislegierung wurde ebenfalls gemessen. Die Ergebnisse sind in
Tabelle III dargestellt.
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Ferner wurden elektrische Leitfähigkeiten für jede dieser Legierungen
gemessen bei verschiedenen Graden von verformten und geglühten Zuständen. Die Ergebnisse
sind in Tabelle IV aufgetragen.
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Aus Tabelle III läßt sich leicht ersehen, daß die Zugabe von Silicium
und Zinn zur Kupfer-Zink-Basis wesentliche Verbesserungen in den Werten der verbleibenden
Spannung gegenüber dem Durchschnitt der Kupfer-30% Zink-Kontroll-Legierungen mit
sich bringt. Tabelle III zeigt, daß die auf der Zugabe von Silicium und Zinn basierenden
Verbesserungen anscheinend konzentrationsabhängig sind insofern, als die Differenz
zu den durchschnittlichen Kontrollwerten mit zunehmendem Gehalt an Silicium und
Zinn in der Basislegierung zunimmt. Die Verbesserung, die durch die kombinierte
Zugabe von Silicium und Zinn erreicht wird, ist anscheinend das Ergebnis
eines
synergistischen Zusammenwirkens dieser beiden Elemente, da von den Legierungen mit
Siliciumzugabe allein oder mit Zinnzugabe allein erwartet werden konnte, daß sich
auch bei einer Kombination der beiden Elemente ein geringeres Ausmaß an Verbesserung
ergeben würde. So zeigt beispielsweise die Legierung C 247 bei 42,18 kp/mm2 anfänglicher
Spannung eine 18%ige Verbesserung relativ zu den Werten der Kontroll-Legierung.
Legierung A 948 zeigt eine 15%ige Verbesserung beim gleichen Anfangsspannungswert.
Legierung C 248 hingegen, die eine Mischung der gleichen Mengen Silicium und Zinn,
wie sie in den Legierungen C 247 bzw. A 948 vorhanden waren, enthält, zeigt eine
28%ige Verbesserung relativ zu den Werten der Kontroll-Legierung bei der gleichen
Anfangsspannung. Es konnte nicht erwartet werden, daß die einfache Zugabe dieser
beiden Elemente zusammen zu einer Kupfer-Zink-Basislegierung eine derart große Verbesserung
ergeben würde.
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In Tabelle IV zeigt sich, daß in den meisten Fällen die Zugabe eines
Gemischs von Silicium und Zinn zu einer Kupfer-Zink-Basislegierung die elektrische
Leitfähigkeit im Vergleich zum Kontrollmaterial etwas reduziert. Es scheint einen
Punkt optimalen Kompromisses zwischen der erwünschten Leitfähigkeit und der erwünschten
Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsrelaxation zu geben. Die hohen prozentualen
Verbesserungen die sich durch die kombinierten Zugaben von Silicium und Zinn zur
Basislegierung in Tabelle III manifestieren, verschieben etwas die relativ kleine
Abnahme an Leitfähigkeit, die man für dieselben Legierungen in Tabelle IV erkennt.
TABELLE
III Verbleibende Spannung nach 100 000 h und Verbesserung gegenüber Messing-Kontrollegierungen,
ausgehend von anfänglichen Spannungsniveaus von 42,18 kp/mm² oder 49,22 kp/mm².
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Unterschied zum Durchschnitt der Cu-30%Zn-Legie--ungen in % erbleibende
Spannung nach 100 000 h in kp/mm² Verbleibende Spannung in % Unterschied zum Durchschnitt
der Cu-30%Zn-Legierungen in % Verbleibende Spannung nach 100 000 h in kp/mm² Verbleibende
Spannung in % Nominelle Zusammensetzung in % Legierung Durchschnitt der Cu-30%Zn
65,4 27,56 -- 60,0 29,53-Cu-30%Zn Kontrolllegierungen C247 Cu-27%Zn-0,4%Si 77,3
32,62 +18 67,0 32,97 +12 A948 Cu-30%Zn-0,5%Si 75,1 31,64 +15 66,7 32,83 +11 C248
Cu-27%Zn- 0,4%Si-0,5%Sn 83,6 35,29 +28 73,8 36,35 +23 C311 Cu-27%Zn- 0,3%Si-0,4%Sn
80,2 33,81 +23 70,9 34,87 +18 C312 Cu-27%Zn- 0,4%Si-0,3%Sn 82,4 34,73 +26 71,7 35,29
+20 C313 Cu-27%Zn- 0,5%Si-0,2%Sn 86,8 36,63 +33 75,9 37,33 +27 C314 Cu-27%Zn- 0,6%Si-0,1%Sn
83,6 35,29 +28 73,6 36,21 +23
TABELLE IV Leitfähigkeitseigenschaften*
Legierung Zustand Leitfähigkeit (%IACS) Kontrolllegierung 35 % kaltverformt 26,0
C248 geglüht 21,1 C311 60 % kaltverformt 20,5 C312 geglüht 21,7 C313 60 % kaltverformt
18,5 C314 geglüht 19,4 * Die Leitfähigkeitswerte im kaltverformten Zustand sind
typischerweise 1,5 bis 2,5 % IACS niedriger als die Werte im geglühten Zustand.