DE3323429A1

DE3323429A1 - Hochfeste, hochleitende kupferlegierungen

Info

Publication number: DE3323429A1
Application number: DE19833323429
Authority: DE
Inventors: John Travis 07928 Chatham N.J. Plewes; Robert William 08551 Ringoes N.J. Tomb
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1984-01-05
Also published as: GB2122222B; NL8302315A; GB8317768D0; GB2122222A; US4428779A; CA1207167A; JPS5920441A

Description

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Beschreibung

Hochfeste, hochleitende Kupferlegierungen

Die Erfindung betrifft Legierungen auf Kupferbasis.

Hochfeste Legierungen auf Kupferbasis stellen interessante Werkstoffe dar, beispielsweise bei der Herstellung von Federn, Relaiselementen und Drahtverbindungen, bei denen zusätzlich eine hohe elektrische Leitfähigkeit erwünscht ist. Beträchtliche Fortschritte in dieser Hinsicht wurden durch die Entwicklung von spinodalen Cu-Ni-Sn-Legierungen erzielt; vgl. J.T. Plewes, "Spinodal Cu-Ni-Sn-Alloys are Strong and Superductile", Metal Progress, Juli 1974, S. 46 bis 50 und J.T. Plewes "High-Strength Cu-Ni-Sn-Alloys by Thermomechanical Processing", Metallurgical Transactions A, Bd. 6A, März 1975, S. 537 bis 544. Diese Legierungen können in vielen Fällen mit Erfolg herkömmliche Cu-Be oder Phosphorbronze-Legierungen ersetzen, die im Hinblick auf Festigkeit und Formbarkeit durch in geeigneter Weise verarbeitete Cu-Ni-Sn-Legierungen übertroffen werden. (Zum Beispiel lässt sich eine

2 Zugfestigkeit von mehr als 1050 N/mm in Kombination mit einer Brucheinschnürung von mehr als 50 Prozent bei einer Sn-Legierung mit 9 Gewichtsprozent Cu und 6 Gewichtsprozent

Ni erzielen). Obgleich die Verwendung von Cu-Ni-Sn-Legierungen beträchtliche Einsparungen, beispielsweise bei der Herstellung von Drahtverbindungen, mit sich gebracht hat, hat in der jüngsten Zeit der Zinnpreisanstieg das Interesse an der Entwicklung von weiteren geeigneten Alternativen verstärkt.

Weitere Druckschriften, die sich mit Kupfer-Antimon-Legierungen befassen und die im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Interesse sind, sind nachstehend aufgeführt: M. Hansen, "Constitution of Binary Alloys", McGraw-Hill Book Company, 1958, S. 622 bis 628; "Precipitation from Solid Solution", American Society for Metals, 1959, S. 367; und Mechanical Properties, Bd. 6, 1977, Trans-Tech Publications, S. 62, Ferner wurden folgende Artikel berücksichtigt: Nisaku Shibata, "The Equilibrium Diagram of the Complete Ternary System, Copper-Antimony-Nickel", Nippon Kinzoku Gakkai-Si, Bd. 4, 1940, S. 269 bis 289 und Bd. 5, 1941, S. 12 bis 25.

Erfindungsgemäss wird ein Metallkörper aus einer Kupfer-Nickel-Antimon-Legierung bereitgestellt, wobei die Legierung folgende Bestandteile enthält:

- Nickel in einer hier mit η bezeichneten Menge von 0,1 bis 30 Gewichtsprozent der Legierung,

- Antimon in einer Menge, die dem 1,1-fachen oder weniger des Nickelgehalts entspricht, die grönr.er odor F₁I^i oh 0,1 Gewichtsprozent ist, die kleiner oder gleich 6 Ge-

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Wichtsprozent der Legierung ist, wenn η 6 Gewichtsprozent beträgt, die kleiner oder gleich 4,5 Gewichtsprozent der Legierung ist, wenn η 30 Gewichtsprozent beträgt und die kleiner oder gleich der Menge ist, die sich durch lineare Interpolation oder Extrapolation, bezogen auf 6 Gewichtsprozent Antimon bei 6 Gewichtsprozent Nickel und 4,5 Gewichtsprozent Antimon bei 30 Gewichtsprozent Nickel ergibt,

- und Rest Kupfer, gegebenenfalls mit zufällig vorhandenen Zusätzen und/oder Verunreinigungen,

wobei der Metallkörper eine zweiphasige oder mehrphasige Struktur aufweist.

Die Kupferlegierungenmit einem Gehalt an Ni und Sb zeigen hohe Festigkeit, Duktilität und Leitfähigkeit. Die Legierungen haben eine zweiphasige oder mehrphasige Struktur und enthalten vorzugsweise Ni in einer Menge von 0,1 bis 30 Gewichtsprozent. Der Antimongehalt ist vorzugsweise kleiner oder gleich dem 1,1-fachen des Ni-Gehalts und ist vorzugsweise folgendermassen weiter beschränkt: Sb ist vorzugsweise in einer Menge vorhanden, die mindestens 0,1 Gewichtsprozent ausmacht und die kleiner oder gleich einer oberen Grenze, die vom Ni-Gehalt abhängt, ist; insbesondere ist bei einem Ni-Gehalt von 6 Gewichtsprozent der Sb-Gehalt kleiner oder gleich 6 Gewichtsprozent, während bei einem Ni-Gehalt von 30 Gewichtsprozent der Sb-Gehalt vorzugsweise

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kleiner oder gleich 4,5 Gewichtsprozent ist. Diese beiden Beschränkungen können dazu verwendet werden, die Obergrenze für Sb durch lineare Interpolation und Extrapolation, bezogen auf die Ni- und Sb-Anteile in Gewichtsprozent von 6/6 und 30/4,5, aufzufinden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.,Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung eines Bereichs des ternären Cu-Ni-Sb-Diagramms von bevorzugten Legierungszusammensetzungen ; und

Fig. 2 Phasendiagramme von Cu-Ni-Sb-Legierungen mit einem Gehalt an 3, 5 bzw. 10 Prozent Ni. Zu Vergleichszwecken sind in Fig. 2 auch die Phasengrenzen für binäre Cu-Sb-Legierungen (0 Prozent Ni) angegeben.

Fig. 1 zeigt einen schraffierten Bereich 1 entsprechend den bevorzugten Ausführungsformen der Legierungszusammensetzungen Der Bereich 1 ist durch die Linienabschnitte 2, 3, 4 und 5, die folgende bevorzugte. Grenzwerte angeben, begrenzt: Der Abschnitt 2 entspricht einem Antimongehalt von 0,1 Gewichtsprozent, der Abschnitt 3 einem Nickelgehalt von 30 Gewichtsprozent, der Abschnitt 4 Ni/Sb-Kombinationen in Gewichtsprozent, die linear auf der Grundlage der Kombinationen (6, 6) und (30, 4,5) interpoliert und exi.rapo.1 i c-r t sind, und Ab:;ohti i i.t, ^C3 evinom AnI. i innngoha I t, dor gleich dem

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1,1-fachen des Nickelgehalts ist. Die gestrichelte Linie 6 gibt die Auffassung des Stands der Technik wieder, wonach Cu-Ni-Sb-Legierungen zur Erzielung einer zweiphasigen oder mehrphasigen Struktur mindestens etwa 8 Gewichtsprozent Antimon aufweisen müssen und wonach Legierungen mit geringem Antimongehalt eine unzureichende Festigkeit aufweisen. Demgegenüber werden erfindungsgemäss Cu-Ni-Sb-Legierungen mit geringem Antimongehalt bereitgestellt, die eine hohe Festigkeit, Duktilität und elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

Erwünschte Kombinationen in bezug auf Festigkeit, Duktilität und elektrische Leitfähigkeit werden bei im wesentlichen ternären Cu-Ni-Sb-Legierungen erreicht, die vorzugsweise 85 Gewichtsprozent einer Kombination aus Cu, Ni und Sb enthalten. Die Legierungen können ferner Verunreinigungen, wie Fe, Co, Zn, Al, Mn, Ti, Mg, Cr, Nb, In, Si oder Sn enthalten, deren Vorhandensein in handelsüblichen Materialien zu erwarten ist. Ferner können absichtlich oder zufällig vorhandene Zusätze enthalten sein, z.B. Zusätze zur Verbesserung der maschinellen Zerspanung , wie Te, Se oder Pb. Der Sauerstoffgehalt wird vorzugsweise unter 100 ppm gehalten, um die Bildung von schwer schmelzenden Metalloxiden möglichst gering zu halten.

Die erfindungsgemässen Legierungen werden zur Erzielung einer hohen Festigkeit und Duktilität vorzugsweise durch Homogeni-

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sierungsglühen, Kaltverformen und Altern verarbeitet. Diese Verarbeitung kann auf Gussblöcke angewandt werden, die durch herkömmliche Schmelzverfahren erhältlich sind, wobei z.B. eine intermetallische Ni-Sb-Verbindung zu einer Cu-Ni-Schmelze bei einer Temperatur von etwa 100 C über dem Schmelzpunkt zugesetzt wird.

Das Homogenisierungsglühen wird durchgeführt, wenn eine Legierung in einem im wesentlichen einphasigen Zustand vorliegt. Typische Temperaturen für das Homogenisierungsglühen betragen 700⁰C oder mehr. Die Behandlungszeit beim Homogenisierungsglühen wird so gewählt, dass sie unter Berücksichtigung der Masse des Körpers ausreicht. Speziellere Informationen bezüglich der Temperaturen beim Homogenisierungsglühen können dem Diagramm von Fig. 2 entnommen werden, wobei diese Temperaturen den einer einzigen, als Alpha zu bezeichnenden Phase entsprechenden Punkten zugeordnet werden. Im Anschluss an das Homogenisierungsglühen folgt eine rasche Abkühlung, beispielsweise durch Abschrecken mit Wasser. (Eine derartige Abschreckung ergibt im allgemeinen eine Kühlungsgeschwindigkeit von mindestens 500 C pro Sekunde).

Die Kaltverformung führt vorzugsweise zu einer Verformung, die einer Flächenreduktion von 40 % oder mehr entspricht. Bevorzugte Alterungsternperaturen entsprechen einem zwoi-

phasigen oder mehrphasigen Zustand, der als o( + ir bezeichnet werden kann. Bevorzugte Alterungstemperaturen liegen in einem allgemeinen Bereich von etwa 200 bis 350 C und sind in Fig. 2 durch o(.+ /·*·* erläutert. Insbesondere zeigt Fig. 2 die Phasengleichgewichtsgrenzlinien zwischen einem einphasigen d. -Bereich und einem zweiphasigen oder mehrphasigen OC - + V~ -Bereich von pseudobinären (Cu, Ni)-Sb-Legierungen. Der Nickelgehalt der Cu-Ni-Komponente ist als Parameter mit Werten von 0, 3, 5 bzw. 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der gesamten Legierung, angegeben. Aus Fig. 2 lässt sich entnehmen, dass die Anwesneheit von Ni in den erfindungsgemässen Legierungen im Vergleich zu entsprechenden binären Cu-Sb-Legierungen die Phasengrenze beträchtlich anhebt. Somit wurde erfindungsgemäss im Gegensatz zur Lehre des Stands der Technik festgestellt, dass die Löslichkeit von Sb in (Cu, Ni) mit zunehmendem Ni-Gehalt abnimmt. Dieser Befund eines zweiphasigen oder mehrphasigen Bereichs bei Temperaturen, bei denen eine Legierung auf eine Alterungswärmebehandlung reagiert, wird erfindungsgemäss zur Bildung von hochfesten Legierungen, die im Gegensatz zu binären Cu-Sb-Legierungen ihre signifikante Duktilität behalten, ausgenutzt. Bevorzugte Legierungen

2 weisen eine Zugfestigkeit von mindestens 560 N/mm auf.

Bei der vorstehend beschriebenen Verarbeitung von Legierungen mit dem gleichen Nickelgehalt aber mit unterschiedlichen

Sb-Anteilen tendieren die Legierungen mit hohem Antimongehalt zu höherer Festigkeit. Demgemäss werden für höchste Festigkeitswerte, die sich durch eine entsprechende Elastizitätsgrenze ausdrücken, Legierungen mit hohem Antimongehalt bevorzugt.

Für eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit und Zugfestigkeit werden Legierungen bevorzugt, in denen die Anteile an Ni und Sb gleich oder nahezu gleich in dem Sinn sind, dass das Verhältnis des Ni-Anteils in Gewichtsprozent zum Sb-Anteil in Gewichtsprozent 0,9 bis 1,1 und insbesondere 0,95 bis 1,05 beträgt. Im Interesse einer möglichst hohen elektrischen Leitfähigkeit wird die vorbeschriebene Verarbeitung durch Kaltverformungs- und Alterungsstufen ergänzt, die nach dem Homogenisierungsglühen und vor den vorstehend erläuterten Stufen der endgültigen Kaltverformung und Alterung durchgeführt werden. Eine derartige vorherige Kaltverformung wird vorzugsweise so durchgeführt, dass sie einer Flächenreduktion von 40 % entspricht . Die vorherige Alterung wird vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 350 bis 450 C durchgeführt.

Beispiel 1

Ein gegossener Metallkörper, der im wesentlichen aus 5 Gewichtsprozent Ni, 4 Gewichtsprozent Sb und Rest Cu bestand, wurde zum Homogenisierungsglühnn auf eine Temperatur von etwa 775°C erwärmt, durch Ziehen kalt vorforrnt, wobf--i :;\r\\

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eine Flächenreduktion von etwa 88 % ergab und durch 30-minütige Erwärmung auf eine Temperatur von etwa 350 C gealtert. Die Festigkeit und Leitfähigkeit des verarbeiteten Körpers wurden gemessen. Es ergab sich eine 0,05 %-Streckgrenze (d.h. diejenige Zugspannung, die im Zugversuch zu einer bleibenden Dehnung von 0,05 Prozent führt) von 889

2 2

N/mm , eine Zugfestigkeit von 1015 N/mm und eine Brucheinschnürung von 37 Prozent.

Beispiel 2

Ein gegossener Metallkörper, der im wesentlichen aus 5 Gewichtsprozent Ni, 4 Gewichtsprozent Sb und Rest Cu bestand, wurde zum Homogenisierungsgkühen auf eine Temperatur von etwa 775 C erwärmt, durch Ziehen kaltverformt, wobei sich eine Flächenreduktion von etwa 96 % ergab, und durch 25-minütiges Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 300 C gealtert. Die Festigkeit und Leitfähigkeit des verarbeiteten Körpers wurden gemessen. Es ergab sich eine 0,05 %-Streck-

2 2

grenze von 931 N/mm , eine Zugfestigkeit von 1141 N/mm und eine Brucheinschnürung von 38 Prozent.

Beispiel 3

Ein gegossener Metallkörper, der im wesentlichen aus 5 Gewichtsprozent Ni, 5 Gewichtsprozent Sb und Rest Kupfer bestand, wurde zum Homogenisierungsglühen auf eine Temperatur von etwa 775°C erwärmt, durch Ziehen kaltverformt, wobei sich

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eine Flächenreduktion von etwa 56 % ergab, und durch 70-minütige Erwärmung auf eine Temperatur von etwa 250⁰C gealtert. Die Festigkeit und Leitfähigkeit des verarbeiteten Körpers wurden bestimmt. Es ergab sich eine 0,05 %-Streck-

2 2

grenze von 980 N/mm , eine Zugfestigkeit von 1036 N/mm und eine Brucheinschnürung von 40 Prozent.

Beispiel 4

Ein gegossener Metallkörper, der im wesentlichen aus 2 Gewichtsprozent Ni, 2 Gewichtsprozent Sb und Rest Cu bestand, wurde zum Homogenisierungsglühen auf eine Temperatur von etwa 775 C erwärmt. Die elektrische Leitfähigkeit der dem Homogenisierungsglühen unterworfenen Legierung betrug etwa 19 Prozent der Leitfähigkeit von reinem Kupfer. Die Zugfestigkeit betrug etwa 280 N/mm . Die Legierung wurde ferner durch Kaltziehen mit 90-prozentiger Einschnürung, durch 4-stündige Alterung unter Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 400 C, durch Kaltziehen bei einer Flächenreduktion von 75 Prozent und durch 5-stündige Alterung unter Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 300⁰C verarbeitet. Nach dieser Verarbeitung wies der Metallkörper eine Leitfähigkeit von 62 Prozent im Vergleich zu reinem Kupfer und eine Zugfestig-

2
keit von 735 N/mm auf.

Beispiel 5

Ein gegossener Metallkörper, der im wesentlichen aus 2,5 Ge-

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wichtsprozent Ni, 2,5 Gewichtsprozent Sb und Rest Kupfer bestand, wurde zum Homogenisierungsglühen auf eine Temperatur von etwa 775°C erwärmt. Die elektrische Leitfähigkeit der dem Homogenisierungsglühen unterworfenen Legierung betrug etwa 17 Prozent der Leitfähigkeit von reinem Kupfer. Die dem Homogenisierungsglühen unterworfene Legierung wurde weiter durch Kaltziehen bei einer Flächenreduktion von 90 %, durch 4-stündige Alterung unter Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 400⁰C, durch Kaltziehen bei einer Einschnürung von 75 Prozent und durch 5-stündige Alterung unter Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 300 C verarbeitet. Nach dieser Verarbeitung wies der metallische Körper eine Leitfähigkeit von 55 Prozent im Vergleich zum entsprechenden Wert von reinem Kupfer und eine Zugfestigkeit von 812

2
N/mm auf.

Beispiel 6

Ein gegossener Metallkörper, der im wesentlichen aus 5 Gewichtsprozent Ni, 5 Gewichtsprozent Sb und Rest Cu bestand, wurde zum Homogenisierungsglühen auf eine Temperatur von etwa 775°C erwärmt. Die elektrische Leitfähigkeit der dem Homogenisierungsglühen unterworfenen Legierung betrug etwa 9 Prozent der Leitfähigkeit von reinem Kupfer. Die dem Homogenisierungsglühen unterworfene Legierung wurde weiter durch Kaltziehen bei einer Flächenreduktion von 90 % , durch 40-minütige Alterung unter Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 35O⁰C, durch Kaltziehen bei einer Flächenverringerung von

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75 Prozent und durch 5-stündige Alterung unter Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 300⁰C verarbeitet. Nach dieser Verarbeitung wies der Metallkörper eine Leitfähigkeit von 33 Prozent im Vergleich zur Leitfähigkeit von reinem Kupfer

2 und eine Zugfestigkeit von 938 N/mm auf.

Alle in N/mm² angegebenen Werte sind durch Umrechnung von in Pfund pro Quadratzoll (psi) angebenen Werten erhalten worden ( 1 psi & 0,007 N/mm²).

JG:

Leerseite

Claims

B LU M BACH '.yV^g g $ . S S RBEN .KRAMER ZWJHNSK .'* EUROPEAN PATENT ATTORNEYS IN MÖNCHEN R. KRAMER DIPL-ING, PATENTANWALT W. WESER DIPL-PHYS. DR. RER. NAT. PATENTANWALT E. HOFFMANN OIPL-ING. PATENTANWALT IN WIESBADEN P.O. BLUMBACH DIPL-ING. PATENTANWALT P. BERGEN PROFESSOR DR. 3UR. DIPL-ING. G. ZWIRNER DIPL.-ING. DIPL.-W.-ING. PATENTANWALT WESTERN ELECTRIC COMPANY, INCORPORATED New York, N.Y. IOO38, USA PLEWES 20 Patentansprüche

1. Metallkörper einer Kupfer-Nickel-Antimon-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung folgende Bestandteile enthält:

- Nickel in einer Menge η von 0,1 bis 30 Gewichtsprozent der Legierung,

- Antimon in einer Menge, die dem 1,1-fachen oder weniger des Nickelgehalts entspricht, die grosser oder gleich 0,1 Gewichtsprozent ist, die kleiner oder gleich 6 Gewichtsprozent ist, wenn η 6 Gewichtsprozent beträgt, die kleiner oder gleich 4,5 Gewichtsprozent der Legierung ist, wenn η 30 Gewichtsprozent beträgt, und die kleiner oder gleich der Menge ist, die sich durch lineare Interpolation oder Extrapolation, bezogen auf 6 Gewichtsprozent Antimon bei 6 Gewichtsprozent Nickel und 4,5 Gewichtsprozent Antimon bei 30 Gewichtsprozent Nickel

RededtestraBe 4S 8000 München 60 Tololori (OB?) B83603/8B3604 Telex 5?1?313 Telograrnmo Patonlconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (061?l) 56??45/Γιδ199Β Telex 11H6237 Telegramme Patentconsult

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ergibt,

- und Rest Kupfer, gegebenenfalls mit zufällig vorhandenen Zusätzen oder Verunreinigungen,

wobei der Metallkörper eine zweiphasige oder mehrphasige Struktur aufweist.

2. Metallkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Kupfer, Nickel und Antimon in einer Menge von 85 Gewichtsprozent der Legierung oder darüber enthält.

3. Metallkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Zugfestigkeit von 560 N/mm oder mehr aufweist.

4. Metallkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Nickelanteils in Gewichtsprozent zum Antimonanteil in Gewichtsprozent 0,9 bis 1,1 beträgt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Metallkörpers nach Anspruch 1,2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die entsprechende Legierung durch Homogenisierungsglühen, rasches Abkühlen, Kaltverformen und Altern bei einer Temperatur entsprechend einem

. zweiphasigen oder mehrphasigen Zustand der Legierung verarbeitet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man bei einer Alterungstemperatur im· Bereich von 200 bis 350°C arbeitet.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kaltverformung in einem solchen Umfang durchführt, dass sich eine Flächenreduzierung von 40 Prozent oder mehr ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η -. zeichnet, dass die Verarbeitung im Anschluss an die rasche Abkühlung in einer ersten Kaltverformung, einem ersten Altern, einer zweiten Kaltverformung und einem zweiten Altern besteht, wobei das erste Altern bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 450 C und das zweite Altern bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 35O⁰C durchgeführt wird.

9. Metallkörper, hergestellt nach einem der Ansprüche 5, 6, 7 oder 8.