DE3311344C2 - Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Streifen einer Kupfer-Beryllium-Legierung.
Kupfer-Beryllium-Legierungen können zu schwierig herstellbaren Teilen für die Anwendung in elektrischen Verbindungen umgeformt werden. Die größtmögliche Verformbarkeit ist für eine gegebene Temperung in einem nichtausgelagerten Zustand gegeben. Die besten mechanischen und elektrischen Eigenschaften treten auf, wenn man das Material bei Raumtemperatur auslagern läßt (age-hardened).
Das Stanzen der Verbindungsteile aus Kupfer-Beryllium-Streifen in nichtausgelagerten Zustand, dem eine bei Raumtemperatur auslagernde Wärmebehandlung folgt, könnte ein wünschenswertes Mittel zur Nutzbarmachung der Formbarkeit des nichtausgelagerten Streifens sein, da man bei Raumtemperatur ausgelagerte Eigenschaften für die Formkörper erreicht. Dies ist nicht immer der Fall. Ein Problem stellt die Körperverformung durch Verspannung (distortion) dar. Körper verspannungsverformen sich während der Auslagerung in einer ungleichförmigen nicht vorhersehbaren Art und Weise.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, durch das die Verspannungsverformung vermindert und einheitlicher und vorhersehbarer gemacht wird, und schließlich ein Verfahren, das die Hersteller von Kupfer-Beryllium-Teilen mit Material versorgt, das eine gute Formbarkeit besitzt und letztendlich ein Verfahren, welches das Material in bezug auf die Eigenschaften der Formkörper nicht beeinträchtigt. Dieses wünschenswerte Ergebnis ist durch die Verwendung einer kontrollierten Vorauslagerungsbehandlung (preaging-treatment) vor der Formgebung zu erreichen. Eine Anzahl von Veröffentlichungen offenbaren Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Beryllium-Legierungen. Diese Veröffentlichungen betreffen die US-Patente Nr. 1 974 839, 2 257 708, 2 412 447, 3 138 493, 3 196 006, 3 536 540, 3 753 696, 3 841 922, 3 985 587 und 4 179 314. Keine dieser Veröffentlichungen offenbart die vorliegende Erfindung.
In der US-PS 2 257 708 wird beispielsweise ein Verfahren zur Verarbeitung und Wärmebehandlung von Kupfer-Beryllium-Legierungen beschrieben, in welchem die Legierungen zunächst lösungsgeglüht werden, sodann zu Draht mit einer Abmessung kaltverformt werden, welche größer ist als die gewünschte Endabmessung; anschließend wird bei 482 bis 538°C ausgelagert, überaltert und dann nochmals auf die gewünschte Endabmessung kaltverformt.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Streifen einer Kupfer-Beryllium-Legierung zu schaffen, bei dem der Werkstoff am besten verformbar ist, das Teil nach dem Verformen beste mechanische und elektrische Eigenschaften aufweist und während der Herstellung keine Verzerrungen auftreten.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt durch: Herstellen einer Kupfer-Beryllium-Schmelze; Vergießen der Schmelze zu einem Gußstück; Warmverformen des Gußstücks zu einem Streifen; Lösungsglühen des Streifens, wahlweise Kaltverformen des lösungsgeglühten Streifens; Biegeverformung des Streifens und Auslagern des danach erhaltenen Formkörpers, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der in seiner endgültigen Dicke vorliegende Streifen vor der Biegeverformung im Temperaturbereich von 204 bis 537°C über einen Zeitraum von bis zu 3 Minuten einer Vorauslagerung unterzogen und nach der Biegeverformung in einem Zeitraum von wenigstens 4 Minuten im Temperaturbereich von 204 bis 648°C der endgültigen Auslagerung unterzogen wird.
Warm- bzw. Kaltwalzen sind die üblichen Verfahren der Warm- und Kaltverformung. Kupfer-Beryllium kann zu beliebigen Teilen, einschließlich Kontakten, Klemmen, Klammern und Verbindungen für die Elektronikindustrie verformt werden.
Das Vorauslagern vermindert den Grad der Verspannungsverformung, der während des Auslagerns auftritt und macht es gleichförmiger und vorhersehbarer. Dieses gewünschte Ergebnis vollzieht sich ohne materielle Beeinträchtigung der Legierungsformbarkeit und ohne materielle Beeinträchtigung der Eigenschaften des Formkörpers. Obwohl der Mechanismus, durch den das gewünschte Ergebnis erzielt wird, nicht sicher bekannt ist, nimmt man an, daß es Restspannungen in der Legierung abbaut.
Das Vorauslagern ist ein zeit- und temperaturabhängiger Vorgang, der bei einer Temperatur von 204°C bis 537°C in einer Zeitspanne von 3 Minuten oder weniger durchgeführt wird. Es ist üblich, es bei einer Temperatur von 287°C bis 482°C und vorzugsweise bei einer Temperatur von 343°C bis 454°C durchzuführen. Üblicherweise wird es in einer Zeitspanne von 110 sec oder weniger und vorzugsweise in einer Zeitspanne von 90 oder sogar 70 sec oder weniger durchgeführt. Die Dauer der Temperatur (time at temperature) beträgt üblicherweise wenigstens 5 sec. Niedrige Temperaturen innerhalb der vorgeschriebenen Bereiche erfordern längere Zeiten. Die Dauer der Temperatur sollte ausreichen, damit das gewünschte Ergebnis, von dem angenommen wird, daß es eine Verminderung der Restspannung bewirkt, vollzogen werden kann. Höhere Temperaturen innerhalb der vorgeschriebenen Bereiche machen kürzere Zeiten notwendig. Das Vorauslagern kann bei höheren Temperaturen schwierig zu kontrollieren sein.
Die Stufen zur Vorbereitung von Kupfer-Beryllium-Schmelze, zum Gießen der Schmelze, zum Warmverformen der gegossenen Legierung, zum Lösungsglühen der Legierung, zum Kaltverformen der Legierung, Biegeverformen der Legierung und Auslagern der durch Biegen verformten Legierung werden nicht in allen Einzelheiten beschrieben, da sie dem Fachmann bekannt sind und in vielen Veröffentlichungen, einschließlich der oben zitierten, beschrieben sind. Lösungsglühen erfolgt im allgemeinen bei einer Temperatur von wenigstens 107°C in einem Zeitraum von wenigstens 5 min. Das lösungsgeglühte Material wird schnell abgekühlt. Die Auslagerung verläuft im allgemeinen bei einer Temperatur von 204°C bis 648°C in einem Zeitraum von wenigstens 4 min. Die gewünschte Eigenschaft bestimmt die Auslagerungszeiten und die Temperatur.
Die vorliegende Erfindung deckt einen breiten Bereich von Kupfer-Beryllium-Legierungen ab. Diese Legierungen enthalten im allgemeinen 0,2 bis 3% Beryllium, bis zu 3,5% Material aus der Gruppe Kobalt und Nickel und wenigstens 90% Kupfer. Weitere Elemente können aus verschiedenen Gründen, wie z. B. wegen der Gießfähigkeit, Verformbarkeit und Biegeverformbarkeit oder als unwesentliche Verunreinigungen vorhanden sein.
Die folgenden Beispiele stellen Erläuterungen verschiedener Aspekte der Erfindung dar.
Beispiel 1
Proben von Kupfer-Beryllium-Legierung wurden geschmolzen, gegossen, warmgewalzt, lösungsgeglüht, kaltgewalzt, vorausgelagert und ausgelagert. Die Proben befanden sich entweder in einer 1/2 H- oder H-Temperung. Die Proben der 1/2 H-Temperung wiesen 1,82% Beryllium und 0,25% Kobalt auf. Ihre genaue Dicke betrug 381 µm (0,015 inch). Die der H-Temperung enthielten 1,18% Beryllium und 0,25% Kobalt. Ihre genaue Dicke betrug 203,2 µm (0,008 inch). Die Proben wurden für jede Temperung bei 426°C vorausgelagert und bei 371°C in Zeiträumen, wie sie nachfolgend in Tabelle I aufgezeichnet sind, ausgelagert.
Tabelle I
Die Proben wurden in bezug auf Reißfestigkeit, Formveränderungsfestigkeit und Dehnung getestet. Die Ergebnisse sind nachfolgend in den Tabellen II und III aufgeführt. Tabelle II stellt die Proben für die 1/2 H-Temperung dar. Tabelle III zeigt die H-Temperungsproben auf. Alle Werte geben den Durchschnitt zweier Tests wieder.
Tabelle II
Tabelle III
Ein Vergleich der Daten der Tabellen II und III mit denen der erstellten Auslagerungskurven zeigt, daß die Eigenschaften der vorausgelagerten und ausgelagerten Proben ziemlich gut mit denen der erstellten, nicht vorausgelagerten Proben, ohne Berücksichtigung, ob die Proben für 10, 15 oder 30 sec vorausgelagert wurden, übereinstimmen. Die kurze Vorauslagerungsdauer des Gegenstandes der Erfindung beeinträchtigt die Auslagerungseigenschaften von Kupfer-Beryllium nicht wesentlich.
Beispiel 2
Proben von Kupfer-Beryllium-Legierung wurden geschmolzen, vergossen, warmgewalzt, lösungsgeglüht, vorausgelagert und ausgelagert. Einige Proben wurden kaltgewalzt. Die Proben befanden sich entweder in der 1/4 H-, 1/2 H- oder H-Temperung. Die anderen Proben waren in der lösungsgeglühten (A)-Temperung. Einige der Proben umfaßten einen Beryllium-Gehalt von 1,81 bis 1,89% und einen Kobaltgehalt von 0,21 bis 0,24%. Ihre genaue Dicke betrug 124,5 µm (0,0049 inch) bis 383,5 µm (0,0151 inch). Die anderen Proben hatten einen Beryllium-Gehalt von 1,73 bis 1,79% und einen Kobaltgehalt von 0,19 bis 0,23%. Ihre genaue Dicke betrug 127 µm (0,005 inch) bis 266,7 µm (0,0105 inch). Die Proben für jede Temperung wurden für 15 sec vorausgelagert und ausgelagert, wie nachfolgend in den Tabellen IV und V gezeigt. Die Tabellen IV und V geben ebenfalls die Vorauslagerungstemperatur wieder. Tabelle IV gilt für die Proben mit 181 bis 189% Beryllium. Tabelle V gilt für die Proben, die 1,73 bis 1,79% Beryllium aufweisen.
Tabelle IV
Tabelle V
Die Proben wurden in bezug auf Reißfestigkeit, Formänderungsfestigkeit und Dehnung geprüft. Die Ergebnisse sind nachfolgend in den Tabellen VI, VII, VIII und IX beschrieben.
Tabelle VI ist für die lösungsgeglühten Proben. Die Tabellen VII, VIII und IX sind entsprechend für die Proben der 1/4 H-, 1/2 H- und H-Temperung. Alle Werte geben den Durchschnitt zweier Tests für jede der Schmelzen (heats) innerhalb der vorgeschriebenen chemischen Zusammensetzungen wieder.
Tabelle VI
Tabelle VII
Tabelle VIII
Tabelle IX
Ein Vergleich der Daten der Tabellen VI, VII, VIII und IX mit denen derselben Auslagerungskurven zeigt, daß die Eigenschaften der vorausgelagerten und ausgelagerten Proben ziemlich gut mit denen der nicht-vorausgelagerten Proben ohne Berücksichtigung, ob die Proben bei 371 oder bei 426 vorausgelagert wurden, übereinstimmen. Die kurze Voranlagerungsdauer des Gegenstandes der Erfindung beeinträchtigt die Auslagerungseigenschaften von Kupfer-Beryllium nicht wesentlich.
Beispiel 3
Proben von Kupfer-Beryllium-Legierungen wurden geschmolzen, vergossen, warmgewalzt, lösungsgeglüht, vorausgelagert und ausgelagert. Sie befanden sich entweder in einer 1/4 H-, 1/2 H- oder H-Temperung. Die anderen Proben befanden sich in einer lösungsgeglühten (A) Temperung. Die Proben in der A-Temperung hatten einen Beryllium-Gehalt von 1,88% und einen Kobaltgehalt von 0,22%. Ihre genaue Dicke betrug 147,3 µm (0,0058 inch). Die Proben der 1/4 H-Temperung wiesen einen Beryllium-Gehalt von 1,86% und einen Kobalt-Gehalt von 0,28% auf. Ihre genaue Dicke betrug 274,3 µm (0,0108 inch). Die Proben der 1/2 H-Temperung hatten einen Beryllium-Gehalt von 1,81% und einen Kobalt-Gehalt von 0,22%. Ihre genaue Dicke betrug 210,8 µm (0,0083 inch). Die Proben der H-Temperung wiesen 1,89% Beryllium und 0,21% Kobalt auf. Ihre genaue Dicke betrug 142,2 µm (0,0056 inch). Die Proben für jede Temperung wurden vorausgelagert und ausgelagert wie in der nachfolgenden Tabelle X aufgezeigt.
Tabelle X
Die Proben wurden hinsichtlich der Reißfestigkeit, Formänderungsfestigkeit und Dehnung in Längs- (Walzrichtung) und Querrichtung geprüft. Die Ergebnisse sind in den Tabellen XI, XII, XIII und XIV nachfolgend dargestellt. Tabelle XI zeigt die lösungsgeglühten Proben. Die Tabellen XII, XIII und XIV sind entsprechend für die Proben der 1/4 H-, 1/2 H- und H-Temperung. Alle Werte stellen den Durchschnitt von zwei Tests dar.
Tabelle XI
Tabelle XII
Tabelle XIII
Tabelle XIV
Ein Vergleich der Daten der Tabellen XI, XII, XIII und XIV mit denen der erstellten Auslagerungskurven zeigt, daß die Eigenschaften für die vorausgelagerten und ausgelagerten Proben ziemlich genau mit denen der erstellten Proben, die nicht vorausgelagert wurden, ohne Berücksichtigung, ob die Proben bei 315°C, 371°C oder 426°C oder für 30 oder 60 sec vorausgelagert wurden, übereinstimmen. Die kurze Vorauslagerungsdauer gemäß der Erfindung beeinträchtigt die Auslagerungseigenschaften des Kupfer-Berylliums nicht wesentlich. Die bei 315°C und 371°C stattgefundene Vorauslagerung hat keinen bedeutenden Einfluß auf die Eigenschaften des Materials. Die bei 426°C stattfindende Vorauslagerung beeinflußte das Material, das bei 371°C ausgelagert wurde nicht, aber verursachte eine Verschlechterung der Eigenschaften im Anschluß an eine zweistündige Auslagerung bei 315°C. Die Verschlechterung der Eigenschaften war jedoch von geringer Bedeutung.
Beispiel IV
Proben aus Kupfer-Beryllium-Legierungen wurden geschmolzen, vergossen, warmgewalzt, lösungsgeglüht, kaltgewalzt, über einen 508 µm (0,02 inch) gekrümmten Radius gebogen und ausgelagert. Die Proben befanden sich entweder in der 1/2 H- oder H- Temperung. Die Proben der 1/2 H-Temperung wiesen 1,82% Beryllium und 0,25% Kobalt auf. Ihre genaue Dicke betrug 381 µm (0,015 inch). Die der H-Temperung hatten einen Beryllium-Gehalt von 1,81% und einen Kobalt-Gehalt von 0,25%. Ihre genaue Dicke betrug 203,2 µm (0,008 inch). Ein Winkel von 45° wurde an der einen Seite und ein Winkel von 120° an der anderen Seite der Proben gebogen. Die gekrümmten Achsen verliefen quer zur Walzrichtung. Die Proben wurden bei 315°C, 371°C oder 426°C über eine Zeit von 10, 60 und 240 sec ausgelagert.
Die Winkel wurden nach der Auslagerung gemessen, um die Verformung, die während der Auslagerung auftrat, zu untersuchen. Die Ergebnisse waren unbefriedigend. Die Größenordnung und Richtung der Winkelveränderungen (+ oder -) war bei Wiederholungsproben, die unter gleichen Bedingungen geprüft wurden, verschieden. Die Abweichungen der Winkelveränderungen zwischen den Duplikatproben, die unter den gleichen Bedingungen getestet wurden, schwankten im Bereich von 0° bis 11°. Eine derartige Abweichung ist hinsichtlich der Herstellung der Teile unannehmbar.
Beispiel V
Proben von Kupfer-Beryllium-Legierungen wurden geschmolzen, vergossen, warmgewalzt, lösungsgeglüht, vorausgelagert, über einen 508 µm (0,02 inch) gekrümmten Radius gebogen und ausgelagert. Einige der Proben wurden kaltgewalzt. Die Proben befanden sich in der 1/4 H-, 1/2 H- oder H-Temperung. Die anderen Proben wiesen einen Beryllium-Gehalt von 1,73 bis 1,89% und einen Kobalt-Gehalt von 0,19 bis 0,24% auf. Ihre genaue Dicke betrug 124,5 µm (0,0049 inch) bis 383,5 µm (0,0151 inch). Es gab für jede Probe ein Zweitexemplar. Ein Winkel von 45° wurde auf der einen Seite und ein Winkel von 120° auf der anderen Seite der Proben gebogen. Die gekrümmten Achsen waren quer zur Walzrichtung. Drei Abschnitte, die Vorauslagerung- Krümmung-Auslagerung, folgten aufeinander. Sie stellten sich wie folgt dar:
  • 1. Vorauslagern bei 371°C für 15 sec, Krümmen und Auslagern bei 371°C für 4, 6 oder 8 min;
  • 2. Vorauslagern bei 426°C für 15 sec, Krümmen und Auslagern bei 371°C für 4, 6 oder 8 min; und
  • 3. Vorauslagern bei 426°C für 15 sec, Krümmen und Auslagern bei 426°C für 5 oder 7 min.
Die Alterungszeiten wurden festgelegt, um Reißfestigkeitswerte von etwa 956,3 MPa bis 1275,6 MPa herzustellen.
Die Winkel wurden nach Auslagerung gemessen, um die Verformung, die während der Auslagerung auftritt, zu untersuchen. Die Verformung der vorausgelagerten Proben war bedeutend geringer und konsistenter als die der Proben im Beispiel IV, die nicht vorausgelagert wurden.
Die durchschnittlichen Veränderungen waren in den großen Winkeln der 371°C/371°C-Folge relativ gering und im allgemeinen unter Berücksichtigung der Richtung konsistent. Die durchschnittliche Veränderung war für den kleinen Winkel unter Benutzung dieser Folge geringer als die des großen Winkels, aber weniger konsistent hinsichtlich der Richtung. Die größte einzelne Winkelveränderung lag bei 3° (eine Probe von 178). Elf Proben wiesen eine Veränderung von 2° auf.
Änlich gute Ergebnisse wie für die 371°C/371°C-Folge wurden für die 426°C/426°C- Folge, erzielt. Kein einziger Winkel veränderte sich in diesem Abschnitt um mehr als 2°, wobei sich nur 20 von 178 Proben gemäß dieser Größenordnung veränderten.
Noch bessere Ergebnisse als für die 426°C/426°C-Folge oder die 371°C/371°C-Folge wurden für die 426°C/ 371°C-Folgen erbracht. Nur sieben von 176 Proben zeigten eine Veränderung um 2°. Alle Proben veränderten sich um 0 bis 1°. Zwei von der Norm abweichende Proben wurden nicht berücksichtigt.
Ein Vergleich der doppelten Auslagerung (Beispiel V) mit der einfachen Auslagerung (Beispiel IV) zeigt klar, daß das Zweifach- Auslagerungsverfahren weniger Gesamtverformung und im allgemeinen eine einheitlichere Verformung als das Einzel- Auslagerungsverfahren erzeugt. Die Verformung der vorausgelagerten Proben dieses Beispiels war bedeutend geringer und einheitlicher als die der nicht vorausgelagerten Proben des Beispiels IV.
Beispiel VI
Proben aus Kupfer-Beryllium-Legierung wurden geschmolzen, vergossen, warmgewalzt, lösungsgeglüht, biegeverformt und ausgelagert. Einige der Proben wurden kaltgewalzt. Sie befanden sich entweder in der 1/4 H- oder 1/2 H- oder H-Temperung. Die anderen Proben befanden sich in einer lösungsgeglühten (A)-Temperung. Die Proben wiesen einen Berylliumgehalt von 1,73 bis 1,88% und einen Kobaltgehalt von 0,19 bis 0,23% auf. Ihre genaue Dicke betrug 152,4 µm (0,006 inch) bis 325,1 µm (0,0128 inch). Ein Winkel von 90° wurde an jeder Probe durch Krümmung der Proben mit einer Abkantpresse geformt, die einen Stanzradius von 0,031 besaß. Die gekrümmten Achsen verliefen quer zur Walzrichtung. Die Hälfte der Proben wurde in 15 sec bei 426°C vorausgelagert und abschließend nach 8minütiger Krümmung bei 371°C ausgelagert. Die andere Hälfte der Proben wurde ohne Vorauslagerung gebogen und abschließend bei 371°C in acht Minuten ausgelagert.
Der Winkel jeder Probe wurde nach der Auslagerung gemessen, um die Verformung während der Auslagerung zu untersuchen. Die vorausgelagerten Proben wiesen bedeutend geringere Verformung als die nicht-vorausgelagerten Proben auf.
Es ist für den Fachmann naheliegend, daß die offenbarten neuen Grundsätze der Erfindung in Verbindung mit speziellen Beispielen zu vielen anderen Abänderungen und Anwendungen anregen. Es ist demgemäß erwünscht, daß der Schutzumfang der anhängenden Ansprüche nicht auf die speziellen beschriebenen Beispiele der Erfindungs beschränkt ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Streifen einer Kupfer-Beryllium- Legierung durch
  • - Herstellen einer Kupfer-Beryllium-Schmelze,
  • - Vergießen der Schmelze zu einem Gußstück,
  • - Warmverformen des Gußstückes zu einem Streifen,
  • - Lösungsglühen des Streifens,
    wahlweise Kaltverformen des lösungsgeglühten Streifens,
  • - Biegeverformen des Streifens und
  • - Auslagern des danach erhaltenen Formkörpers,
dadurch gekennzeichnet, daß der in seiner endgültigen Dicke vorliegende Streifen im Temperaturbereich von 204 bis 537°C über einen Zeitraum von bis zu 3 Minuten einer Vorauslagerung und nach der Biegeverformung in einem Zeitraum von wenigstens 4 Minuten im Temperaturbereich von 204 bis 648°C der endgültigen Auslagerung unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorauslagerung im Temperaturbereich von 287 bis 482°C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorauslagerung im Temperaturbereich von 343 bis 454°C erfolgt.
4. Verfahren nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorauslagerung in einem Zeitraum von bis zu 110 Sekunden erfolgt.
5. Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorauslagerung in einem Zeitraum von bis zu 90 Sekunden erfolgt.
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