DE3416825A1

DE3416825A1 - Elektrisch leitendes verbundmaterial

Info

Publication number: DE3416825A1
Application number: DE19843416825
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Itami Hyogo Sato; Susumu Yamamoto
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1983-05-07
Filing date: 1984-05-07
Publication date: 1984-11-08
Also published as: JPS59205105A; JPH0336241B2; DE3416825C2; US4537808A

Description

Die Erfindung betrifft ein Stützglied oder Federmaterial , welches gute elektrische Leitfähigkeit und hohe mechanische Festigkeit erfordert. Herkömmliche Bauteile bestehen üblicherweise aus hochfesten Eisenoder Stahlwerkstoffen, wobei für Korrosionsbeständigkeit fordernde Anwendungszwecke üblicherweise nicht rostende Stähle benutzt werden. Diejenigen Komponenten elektrischer Maschinen, welche eine gute elektrische Leitfähigkeit erfordern, bestehen aus Werkstoffen auf Kupferbasis. Phosphorbronze wird Tür bestimmte Federwerkstoffe benutzt, welche hohe elektrische Leitfähigkeit erfordern, wohingegen Beryllium-Kupferlegierungen· sowie Titan-Kupferlegierungen verwendet werden, wettn eine höhere mechanische Festigkeit gefordert wird. Die mechanische Festigkeit der Phosphorbronze ist jedoch gering, wohingegen Beryllium-Kupfer- und Titan-Kupferlegierungen sehr teuer sind und eine niedrige Festigkeit (rigidity) aufweisen. Aus diesen Gründen führen diese Kupferlegierungen nicht zu Federn, welche so gut sind,

1 wie Federn aus Stahlwerkstoffen.

In Figur 1 ist für sechs herkömmliche Kupferlegierungen die Festigkeit gegen die Leitfähigkeit aufgetragen. Dabei betrifft in Figur 1 (A) Cu-Ni,(B) Cu-Ti,(C) Bi-Cu,(D) Cu-Fe, (E) Cu-Cd, und (F) reines Kupfer.

Die Erfindung verfolgt in erster Linie das Ziel, einen Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit, wie in Fig. 1 durch den Bereich G bezeichnet, anzugeben. In diesem Bereich werden die besten Ergebnisse erzielt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein kosten- !5 günstiges Federmaterial und ein hochleitfähiges Stützglied zu schaffen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst, durch ein elektrisch leitfähiges Verbundmaterial mit einem Kupferkern und einer Außenhülle aus einer Eisen- oder Nickellegierung. Das Querschnittsverhältnis von Außenhülle zu Kern beträgt 0,1 =■ Se/Se + Scu = 0,8, worin Se die Querschnittsfläche der Außenhülle und Scu die Querschnittsfläche des Kupferkerns bezeichnet. Außerdem ist die Zugfestigkeit P, angegeben in (kg/mm²) 230 - 1,9 (100 Scu +2,3 Se)/(Se + Scu) = P = 80 - 0,4 (100 Scu + 2,3 Se)/(Se + Scu). Die äußere Hülle kann aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl, nicht rostendem Stahl oder einer inneren Stahlschicht und einer Außenschicht aus einem nicht rostenden Stahl bestehen. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben.

In dieser zeigt: 35

Figur 1 ein graphisches Schaubild in welchem die Zugfestigkeit gegen die elektrische Leitfähigkeit

verschiedener Kupferlegierungen aufgetragen ist,

Figur 2 einen schematischen Querschnitt durch das Verbundmaterial nach der Erfindung,

Figuren 3 bis 5 graphische Schaubilder der Ergebnisse von drei Ermüdungsversuchen, welche an Federn aus dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial durchgeführt wurden, und

Figuren 6 und 7 graphische Schaubilder der Bruchfestigkeit von aus einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kompositmaterials hergestellten Federn.

Das Kompositmaterial nach der Erfindung ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und umfaßt einen Kupferkern 2 und eine äußere Hülle 3 aus einer hochfesten

Eisen- oder Nickellegierung. Das Material der Hülle be-

steht aus einer Eisenlegierung oder Nickellegierung um

eine ausreichende Festigkeit gegenüber den Torsionsbeanspruchungen oder Druckbeanspruchungen zu gewährleisten, welchen Federn und Stützglieder unterworfen sind. Ein

Umhüllungsmaterial aus einem nichtrostenden Stahl hat 25

nicht nur eine hohe mechanische Festigkeit, sondern auch

eine gute Korrosionsbeständigkeit.

Es wurde gefunden, daß der in Figur 2 dargestellte Aufbau eine gewerbliche Verwertbarkeit lediglich dann auf-

weist, wenn das Verhältnis aus dem Querschnitt der Umhüllung zu dem Querschnitt des Kernes der Beziehung 0,1 = Se/(Se + Scu) = 0,8 genügt, worin Scu die Querschnittsflächen des Kupferkernes und Se die Querschnittsfläche der Hülle bezeichnet. Ist das Verhältnis des

Hüllenquerschnittes zum Kernquerschnitt kleiner als 0,1,

so ist die für eine Verwendung als Feder erforderliche Euegefestigkeit (rigidity) nicht gewährleistet.

·*■ Ist das Querschnittsverhältnis größer als 0,8, so wird keine entsprechende Zunahme der Biegefestigkeit erzielt und beläuft sich die elektrische Leitfähigkeit auf weniger als 20 % IACS, was für die Zwecke der vorliegenden

° Erfindung unzureichend ist.

Das in Figur 2 dargestellte Gebilde hat vorzugsweise eine Zugfestigkeit P, angegeben in (kg/mm²), von weniger als 230 - 1,9 x (100 Scu + 2,3 Se)Z(Se + Scu) und mehr

¹⁰ als 80 - 0,4 χ (100 Scu + 2,3 Se)Z(Se + Scu).

Ein Verbundmaterial mit einer Zugfestigkeit P oberhalb der angegebenen Obergrenze kann nicht kaltverformt bzw. warmebehande.lt werden, ohne brüchig zu werden. Umgekehrt besitzt ein Gebilde mit einer Zugfestigkeit P unterhalb

*5 der angegebenen Untergrenze keinen Vorteil gegenüber Kupferlegierungen.

Das Verbundmaterial nach der Erfindung kann mit Hilfe eines der folgenden Verfahren hergestellt werden: 20

(1) ein Kupferdraht wird in ein Stahlrohr eingeführt,

(2) ein Blech eines Stahlwerkstoffes wird um einen Kupferdraht herum gewickelt und die einander gegenüberliegenden Seiten des Bleches werden miteinander ver-

25 schweißt, oder

(3) schmelzflüssiges Kupfer wird in ein Stahlrohr hineingegossen. Um das geforderte Querschnittsverhältnis

von Außenhülle und Kern sowie die angestrebte Zugfestigkeit zu erzielen, wird der Verbundwerkstoff wiederholten

SO Walzungen oder Ziehvorgängen und Wärmebehandlungen unterworfen, woran sich eine Schluß-Kaltverformung, ein Abschrecken oder ein Altern anschließen. Eine verbesserte Haftung zwischen dem Kern und der Außenhülle kann dadurch erreicht werden, daß das Gebilde wenigstens einmal einer Temperatur ausgesetzt wird, welche oberhalb von 8OQ⁰C liegt. Im Rahmen dieser Erfindung kann auch eine zweischichtige oder mehrschichtige Außenhülle aus Stahl' oder

nicht rostendem Stahl oder einer Eisen- und Nickellegierung verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs 5

beispielen näher erläutert.

Beispiele

Zwei erfindungsgemäße Verbundmaterialien sowie zwei Vergleichsproben wurden hergestellt. Ihre Zusammensetzungen und ihr Aufbau geht aus der folgenden Tafel 1 hervor.

Tafel 1 15

Chemische Zusammensetzung der Versuchsproben

Probe £ ^i Mn _P Cu Ni Cr

FeCL Stahlblech 0,23 0,23 0,58 0,022

Reinkupfer >99,9

3O4CL 304-Rohr 0,041 0,47 1,02 0,032 8,76 18,16

²⁵ Reinkupfer _r *99,9

PB Phosphorbronze 0,20 93,2 6,58

³⁰ 304 AISI-304 0,070 0,72 1,37 0,03? 8,41 18,51

Die Probe FeCL wurde auf folgende Weise hergestellt: Ein Stahlblech wurde ringsum einen Kupferdraht herumgewickelt und die einander gegenüberliegenden Blechseiten wurden in Längsrichtung miteinander verschweißt; das resultierende Gebilde wurde durch eine Walzenmatritze (roller die) in einem Stich hindurchgezogen und wiederholten Wärmebehandlungen und Ziehvorgängen unterworfen,

bis die Fertigabmessung von 2,0 mm Durchmesser erreicht war. Das Querschnittsverhältnis des fertigen Erzeugnisses betrug 20 %.

Die Probe 304 CL wurde auf folgende Weise hergestellt:
Ein Kupferdraht wurde in ein Stahlrohr aus einem Stahlwerkstoff gemäß AISI 304 eingeführt und das Gebilde wurde durch eine Matritze gezogen und anschließend wiederholten Lösungsglühungen und Ziehvorgängen unterworfen bis zum
•j^q Erreichen eines Querschnittsverhältnisses des Materials von 54 %. Die Diffusions-Grenzschicht zwischen dem
304-Stahlwerkstoff der Hülle und dem Kupferkern besaß
eine Dicke von etwa 5 μπι.

Die Probe PB '(Vergleichsbeispiel) bestand aus Phosphorbronzedraht und die Probe 304, ein weiteres Vergleichsbeispiel, bestand aus einem Draht aus einem Federwerkstoff entsprechend AISI 304.

2Q Die vier Proben zeigten das folgende Verhalten. Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur

Die Proben FeCL, 304 CL, PB und 304 wurden bei 300⁰C
für 20 Minuten, bei 200⁰C für 20 Minuten, bei 25O⁰C für 60 Minuten bzw. bei 380⁰C für 20 Minuten geglüht. Die
Zugfestigkeit P, die Dehnung, die Querschnittsverminderung, der Elastizitätsmodul und die Biegefestigkeit (rigidity) der bei niedrigen Temperaturen geglühten Proben sind in on Tafel 2 zusammen mit entsprechenden Werten für ungeglühte Proben zusammengestellt.

ω ο	Zug-	to CJl	to O	Querschnitts verminderung	1—■ CJi	O	der Probekörper	Elastizitäts modul (kg/mm²)	CJl l-¹
	Niedrigtem peratur Glühbehandlung		Tafel 2	50			Dehnung	12000
nicht geglüht	und Torsionseigenschaften	41	3,5	12400
geglüht	Zugfestig keit (kg/mm²)	43	2,0	15000	Biegefestig keit (kg/mm²)
nicht geglüht	62	19	2,5	15100	« C · C * X • * * » 4 t 5700 *"'.:
geglüht	45	63	1,4	10400	5900 ...*. ^ W
nicht geglüht	118	68	1,5	10700	6600 ^:«/' i
geglüht	126	53	2,4	17000	6800 t « ( C ti
nicht geglüht	98	47	1,1	17500	C < « 4500 .«i.
geglüht	86	0,5	4600
180	7100
199	7400

Wegen des höheren Querschnittsverhältnisses des Hüllenmaterials gemäß SUS 304 zeigte die Probe 304 CL eine höhere Zugfestigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul als die Probe FeCL. Die Biegefestigkeit der Probe 304 CL war halb so groß wie die Biegefestigkeit der Probe PB und lag dichter bei der Biegefestigkeit der Probe 304 als jegliche andere Probe. Trotz des geringen Querschnittsverhältnisses des Umhüllungsstahlmaterials gemäß SUS 304 zeigte die Probe FeCL eine befriedigende Biegefestigkeit und eine gute Eignung als Federmaterial.

Federermüdungs-Eigenschaften

Federn mit den in der nachfolgenden Tafel 3 zusammengestellten Spezifikationen wurden aus den Proben '304 CL, 304 sowie PB hergestellt.

Tafel 3

20 Drahtdurchmesser: 2,0 mm

mittlerer Windungsdurchmesser: 18,5 mm

Effektive Windungszahl: 4,5

Gesamtwindungszahl: 6,5

Freie Länge: 47,0 mm

25 Windungsrichtung: Uhrzeigersinn

Die drei Federtypen wurden einem Ermüdungsversuch

unterworfen. Die Belastung betrug 70 kg/mm² für die Federn aus den Proben 304 CL sowie 304 und betrug 5.0 Kg/mm² für die aus der Probe PB hergestellte Probe. Die Versuchsergebnisse sind in Figur 3 dargestellt (Spannungsamplitude 20kg/mm²) und in Figur 4 dargestellt (Spannungsamplitude 13,5 kg/mm²). Die Ermüdungsgrenze für die Feder 304 CL (in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet) betrug 48 kg/mm², ausgedrückt als mittlere Spannung.

Spannungen von mehr als 50 kg/mm² konnten nicht untersucht werden, weil die Ausgangsspannung (initial stress setting)

erweitert worden war. Wenn die mittlere Spannung für die Feder PB (in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet) geringer war als 20 kg/mm², so war die Minimalspannung ρ- negativ und die Probe nicht länger im Ermüdungsversuch zu verwenden. Um die Ermüdungsgrenze für die PB-Feder zu bestimmen, wurde die Spannungsamplitude auf 13,5 kg/mm² herabgesetzt. Wie in Figur 4 dargestellt, hatte die Feder PB eine Ermüdungsgrenze von 28 kg/mm², ausgedrückt jQ als mittlere Spannung. Die Feder 304 CL versagte nicht über den gesamten Prüfbereich. Die S-N-Lurven der Federn aus 30-4 CL sowie SUS 304-WPB für eine mittlere Spannung von 40 kg/mm² sind in Figur 5 dargestellt, aus welchen hervorgeht, daß kein signifikanter Unterschied zwischen

, r- den beiden Proben zu beobachten war. ι ο

Ermüdungseigenschäften

(i) Bei Raumtemperatur

Die Federn 304 CL sowie PB, jeweils mit den in Tafel 3

angegebenen Spezifikationen, wurden einem 20-stündigen Klammerversuch (clamping test) bei Raumtemperatur unterworfen . Die Klammerspannung ist in Figur 6 für jede Probe gegen die restliche Scherspannung aufgetragen, woraus hervorgeht, daß die Probe 304 CL eine sehr kleine bleibende Scherspannung aufweist.

(ii) Bei erhöhten Temperaturen

Die Federn 304 CL und PB mit den in Tafel 3 zusammengestellten Spezifikationen wurden einem Ermüdungsversuch unterworfen, in dem die Proben bei einer Spannung von 35 kg/mm² 20 Stunden lang bei verschiedenen Temperaturen geklammert (clamping test) wurden. Die Ergebnisse sind in Figur 7 dargestellt, woraus sich ergibt, daß die Feder 304 CL fester ist air. die Feder PB und daß die Festigkeitsunterschiede zwischen ihnen mit steigender Temperatur

yn/H

zunahmen.

Elektrische Leitfähigkeit

Die elektrischen Leitfähigkeiten der Materialien FeCL, 304 CL, PB und 304 sind in Tafel 4 angegeben. Die Werte für die beiden Ausführungsformen der Erfindung (FeCL und 304 CL) waren nahezu gleich den Mitteln aus dem Hüllen-

,Q material und den Kernmaterialien.

Die Leitfähigkeiten der Proben FeCL und 304 CL wurden mit einem Galvanometer gemessen, dessen Anschlüsse an das 304-Material oder stahlbeschichtete Material angeschlossen wurden. Es wird angenommen, daß wegen der geringen Dicke

2g eines jeden Umhüllungsmaterials ( =0,3 mm) die Gesamtleitfähigkeit nahezu gleich ist dem Mittel der Komponenten einer jeden Probe. Natürlich würden die Proben 304 CL und FeCL niedrigere Leitfähigkeiten aufweisen, wenn sie kürzer sind und ein dickeres Beschichtungsmaterial aufweisen.

2Q Dieses ist jedoch ein seltener Fall, weil das Verhältnis aus der Dicke des Umhüllungsmaterials und der Gesamtlänge der in Drahtform verwendeten Proben 304 CL und FeCL in den meisten Fällen geringer ist als 1/100.

25 Tafel 4

Elektrische Leitfähigkeit der Probekörper Probe Leitfähigkeit (% IACS)

FeCL 81,02

304 CL 46,64

PB 12,24

304 2,23

Korrosionsbeständigkeit

Ein Umhüllungsmaterial aus nicht rostendem Stahl kann

yi/tz

für Anwendungszwecke verwendet werden, welche hohe Korrosionsbeständigkeit verlangen. Die Ergebnisse eines Versuches, bei welchem Probekörper mit einer Salzlösung besprüht und einem HpSCU-Nebel ausgesetzt wurden

(Proben 304 CL, PB sowie 304) sind in Tafel 5 zusammengestellt. Die Probe 304 CL erwies sich als nicht so korrosionsbeständig wie die Probe 304 (Kontaktkorrosion wurde hervorgerufen), aber erwies sich als beständiger als die Probe PB.

Tafel 5

Korrosionsbeständigkeit polierter Federquerschnitte

¹⁵ Probe

304 CL'

PB

304

304 Cu

Salzlösungsversuch

Tag des Korrosions- %satz der beginns nach 25 Tg.

korrodierten Fläche

HgSO^-Nebe!versuch

Tag des %satz der

Korrosions- nach 25 Tg. beginns korrodierten

Fläche

4.	Tag	5	bis 60	%	16.Tag	40	bis 70%
2.	Tag	10	bis 30	%	12.Tag	20	bis 80%
1.	Tag		20 %		8.Tag		90 %
keine	Korrosion		0		16.Tag		20 %

Im Vorstehenden wurde das Verbundmaterial nach der Erfindung im Hinblick auf seine Verwendung als Federwerkstoff beschrieben. Ec versteht sich jedoch, daß die Vorteile des erfindungsgemäßen Verbundmaterials auch dann erhalten werden, wenn es als tragendes Konstruktionsmaterial verwendet wird. Modifikationen der Erfindung sind innerhalb des Erfindungsgedankens möglich.

Claims

Patentansprüche

1. Elektrisch leitendes Verbundmaterial, g e k e η η 5

zeichnet durch

einen Kern aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, eine äußere Hülle aus einer Eisenlegierung oder einer Nickellegierung, wobei das Querschnittsverhältnis der äußeren Hülle zum Kern in einem Bereich liegt, welcher ' c <

gegeben ist durch 0,1 = SeZ(Se + Scu) = 0,8, worin

Se die Querschnittsfläche der Hülle und

Scu die Querschnittsfläche des Kupferkerns bezeichnet, und durch eine Zugfestigkeit P (kg/mm²) innerhalb des

durch die folgende Gleichung gegebenen Bereiches

230 - 1,9 (100 Scu + 2,3 Se)Z(Se + Scu) = P = 80 - 0,4

(100 Scu + 2,3 Se)/(Se + Scu).

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß die äußere Hülle aus Eisen besteht.

3. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Hülle aus Stahl besteht.

4. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η 25

zeichnet , daß die äußere Hülle aus einem legierten Stahl besteht.

5. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η

zeichnet , daß die äußere Hülle aus nicht rostendem

Stahl besteht.

6. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Hülle eine innere Schicht aus Stahl und eine äußere Schicht aus einem nicht rostenden

Stahl umfaßt.