DE3416825C2

DE3416825C2 - Elektrisch leitendes Verbundmaterial

Info

Publication number: DE3416825C2
Application number: DE3416825A
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: 1986-11-27
Also published as: DE3416825A1; JPS59205105A; JPH0336241B2; US4537808A

Abstract

Ein elektrisch leitendes Verbundmaterial bestehend aus einem Kupferkern und einer äußeren Hülle aus einer Eisenlegierung oder einer Nickellegierung, wobei das Querschnittsverhältnis der äußeren Hülle zum Kern der Beziehung 0,1 < Se/(Se + Scu) ≦ 0,8 genügt und dessen Zugfestigkeit P (kg/mm2) der folgenden Beziehung genügt: 230-1,9 · (100 Scu + 2,3 Se)/(Se + Scu) ≥ P ≥ 80-0,4 · (100 Scu + 2,3 Se)/ (Se + Scu). In der vorstehenden Gleichung bezeichnet Se die Querschnittsfläche der äußeren Hülle und Scu die Querschnittsfläche des Kupferkerns. Die äußere Hülle kann aus Eisen, Stahl, legiertem Stahl, nicht rostendem Stahl oder einer inneren Stahlschicht und einer äußeren Schicht aus einem nicht rostenden Stahl bestehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch leitendes Verbundmaterial, welches als Stützglied oder Federmaterial verwendbar ist und eine gute elektrische Leitfähigkeit und hohe mechanische Festigkeit aufweist. Herkömmliche Bauteile bestehen üblicherweise aus hochfesten Eisen- oder 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 für bestimmte Federwerkstoffe benutzt, welche hohe elektrische Leitfähigkeit erfordern, wohingegen Beryllium-Kupferlegierungen sowie Titan-Kupferlegierungen verwendet werden, wenn 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, wie Federn aus Stahlwerkstoffen.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit (wie in Fig. 1 durch den Bereich G bezeichnet) zu schaffen.

Bevorzugterweise wird der Werkstoff als kostengünstiges Federmaterial und/oder als hochleitfähigcs Stützmaterial verwendet.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkamle gelöst.

Die äußere Hülle kann aus einer Eisenlegierung, 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 A.usführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser so zeigt

F i g. 1 ein graphisches Schaubild in welchem die Zugfestigkeit gegen die elektrische Leitfähigkeit verschiedener Kupferlegierungen aufgetragen ist,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch das Verbundmaterial,

F i g. 3 bis 5 graphische Schaubilder der Ergebnisse von drei Ermüdungsversuchen, welche an Federn aus dem Verbundmaterial durchgeführt wurden, und

F i g. 6 und 7 graphische Schaubilder der Bruchfestigkeit von aus einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verbundmaterials hergestellten Federn.

Das Verbundmaterial ist in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und umfaßt einen Kupferkern 2 und eine äußere Hülle 3 aus einer hochfesten Eisen- und Nickellegierung. Das Material der Hülle besteht 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 nicht nur eine hohe mechanische Festigkeil, sondern auch eine gute Korrosionsbeständigkeit.

Es wurde gefunden, daß der in F i g. 2 dargestellte Aufbau eine gewerbliche Verwertbarkeit z. B. als Federmaterial lediglich dann aufweist, wenn das Verhältnis aus dem Querschnitt der Umhüllung zu dem Querschnitt des Kernes der Beziehung 0,1 ^SeZ(Se + 5cm) S0,8 genügt, worin Scu die Querschnittsflächen des Kupferkernes und Se die Querschnittsfläche der Hülle bezeichnet. Ist das Verhältnis des Hüllenquerschnittes zum Kcmqucrschnitt kleiner als 0,1, so ist die für eine Verwendung als Feder erforderliche Biegefestigkeit 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 F i g. 2 dargestellte Gebilde hat vorzugsweise eine Zugfestigkeit R angegeben in (N/mm²), von weniger als

2260 - 18,6 X(981 Sea +22,6 Se)Z(Se + Scu)

und mehr als ' ■

785 - 3,92 X(981 Scu +22,6 Se)Z(Se + Scu).

(!) 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 verschweißt, 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 Walzungen oder Ziehvorgängen und Wärmebehandlungen unterworfen, woran sich eine Schluß-Kaltverformung, ein Abschrecken oder ein Altern anschließen. Eine verbesserte Planung zwischen dem Kern und der Außenhülle kann dadurch erreicht werden, daß das Gebilde wenigstens einmal einer Temperatur ausgesetzt wird, welche oberhalb von 800⁰C liegt. Es 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 Ausführungsbeispielen 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

Chemische Zusammensetzung der Versuchsproben

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Ein Verbundmaterial mit einer Zugfestigkeit P oberhalb der angegebenen Obergrenze kann nicht kaliverformt bzw. wärmebehandelt werden, ohne brüchig zu werden. Umgekehrt besitzt ein Gebilde mit einer Zugfestigkeit P unterhalb der angegebenen Untergrenze keinen Vorteil gegenüber Kupferlegierungen:

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

Si

Mn

Cr

Sn

20

30

35

40

FeCL	Stahlblech	0,23	0,23	0,58	0,022	-■	-
	Reinkupfer	-	-	-	-	>99,9
304CL	304-Rohr	0,041	0,47	1,02	0,032	-
	Reinkupfer	-	-	-	-	>99,9
PB	Phosphorbronze	-	-	-	0,20	93,2
304	AISI-304	0,070	0,72	1,37	0,032

8,76 18,16

8,41 18,51

6,58

45

50

Die Probe FeCL wurde auf folgende Weipe 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 Kupferdfaht wurde in ein Stahlrohr aus einem Stahl werkstoff gemäß AISI 304 eingeführt und das Gebilde wurde durch eine Matritze gezogen urid anschließend wiederholten Lösungsglühungen und Ziehvorgängen unterworfen bis zum Erreichen eines QuerschnittsverhäUriisses des Materials von 5414. Die Diflusions-Qrcnzschicht zwischen dem 3Q4-.StahlwerkstnfTder Hülle und dem Kupferkern besaß eine Dicke von etwa 5 μηι.

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

Die vier Proben zeigten das folgende Verhalten.

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Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur

Die Proben FeCL, 304 CL, PB und 304 wurden bei 300⁰C für 20 Minuten, bei 200⁰C für20 Minuten, bei 250⁰C für 60 Minuten bzw. bei 380°C für 20 Minuten geglüht. Die Zugfestigkeit P, die Dehnung, die Querschnittsverminderung, der Elastizitätsmodul und die Biegefestigkeit der bei niedrigen Temperaturen geglühten Proben sind in Tafel 2 zusammen mit entsprechenden Werten für ungeglühte Proben zusammengestellt.

Tafel 2

Zug- und Torsionseigenschaften der Probekörper

Probe

Niedrigtemperatur Glühbehandlung

Zugfestigkeit (N/mm²)

Querschnitts- Dehnung verminderung (%)

Elastizitätsmodul (N/mm²)

Biegefestigkeit (N/mm²)

FeCL	nicht geglüht geglüht
304CL 20	nicht geglüht geglüht
PB	nicht geglüht geglüht
²⁵ 304	nicht geglüht geglüht

608	50
441	41
1160	43
1240	19
961	63
844	68
1770	53
1950	47

3,5
2,0

2,5
1,4

1,5
2,4

1,1
0,5

118 000 122 000

147 000

148 000

102 000 105 000

167 000 172 000

55 900 57 900

64 700 66 700

44 100

45 100

68 700 72 600

30 35 40 45 50 55 60

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

Drahtdurchmesser: 2,0 mm

Mittlerer Windungsdurchmesser: 18,5 mm

Effektive Windungszahl: 4,5

Gesamtwindungszahl: 6,5

Freie Länge: 47,0 mm

Windungsrichtung: Uhrzeigersinn

Die drei Federtypen wurden einem Ermüdungsversuch unterworfen. Die Belastung betrug 687 N/mm² für die Federn aus den Proben 304 CL sowie 304 und betrug 490 N/mm² für die aus der Probe PB hergestellte Probe. Die Versuchsergebnisse sind in F i g. 3 dargestellt (Spannungsamplitude 196 N/mm²) und in F i g. 4 dargestellt (Spannungsamplitude 132 N/mnr). Die Ermüdungsgrenze für die Feder 304 CL (in F i g. 3 mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet) betrug 471 N/mm², ausgedrückt als mittlere Spannung. Spannungen von mehr als 490 N/mm² konnten nicht untersucht werden, weil die Ausgangsspannung (initial stress setting) erweitert worden war. Wenn die mittlere Spannung für die Feder PB (in F i g. 3 mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet) geringer war als 196 N/mm², so war die Minimalspannung negativ und die Probe nicht langer im Ermüdungsversuch zu verwenden. Um die Ermüdungsgrenze für die PB-Feder zu bestimmen, wurde die Spannungsamplitude auf 132 N/mm² herabgesetzt Wie in F i g. 4 dargestellt, hatte die Feder PB eine Ermüdungsgrenze von 275 N/mm², ausgedrückt als mittlere Spannung. Die Feder 304 CL versagte nicht über den gesamten Prüfbereich. Die S-N-Lurven der Federn aus 304 CL sowie SUS 304-WPB für eine mittlere Spannung von 792 N/mm² sind in Fig. 5 dargestellt, aus welchen hervorgeht, daß kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Proben zu beobachten war.

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Ermüdungseigenschaften (i) Bei Raumtemperatur

Die Federn 304 CL sowie PB, jeweils mit den in Tafel 3 angegebenen Spezifikationen, wurden einem 20stündigen Klammerversuch (clamping test) bei Raumtemperatur unterworfen. Die Klammerspannung ist in Fi g. 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 343 N/mm² 20 Stunden lang bei verschiedenen Temperaturen geklammert (clamping test) wurden. Die Ergebnisse sind in Fi g. 7 dargestellt, woraus sich ergibt, daß die Feder 304 CL fester ist als die Feder PB und daß die Festigkeitsunterschiede zwischen ihnen mit steigender Temperatur 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 Hüllenmaterial 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 eines jeden Umhüllungsmaterials (S0,3 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 BeschichtungsmateriaJ aufweisen. Dieses ist jedoch ein seltener Fall, weil das Verhältnis aus der Dicke des Umhüilungsmaterials und der Gesamtlänge der in Drahtform verwendeten Proben 304 CL und FeCL in den meisten Fällen geringer ist als 1/100._;

30 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 für Anwendungszwecke verwendet werden; welche hohe Korrosionsbeständigkeit verlangen. Die Ergebnisse eines Versuches, bei welchem Probekörper mit einer Salzlösung besprüht und einem U₁ SOj -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

Probe	Salzlösungsversuch	Prozentsatz der nach 25 Tg. korrodierten Räche	H₂SO₃-Nebelversuch	ProzentsaU der nach 25 Tg. korrodierten Fläche
	Tag des Korrosionsbeginns		Tag des Körrosiohs- beginns
304CL		5 bis 60%		40 bis 7Q%
304	4. Tag	10 bis 30%	16. Tag	20 bis 80%
Cu	2. Tag	20%	12. Tag	90%
PB	l.Tag	0	8. Tag	20%
304	keine Korrosion	Hierzu 3 Blatt Zeichnungen	16. Tag

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch leitendes Verbundmaterial, gekennzeichnet durch einen Kern aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, eine äußere Hülle aus einer Eisenlegierung oder einer Nickellegierung, wobei das Quer-Schnittsverhältnis der äußeren Hülle zum Kern in einem Bereich liegt, welcher gegeben ist durch

0,1 < SeZ(Se+ Scu) S 0,8,
worin

Se die Querschnittsfläche der Hülle und

Scu die Querschndttsfläche des Kupferkerns bezeichnet,

und durch eine Zugfestigkeit i^N/mm²) innerhalb des durch die folgende Gleichung gegebenen Bereiches

2260 -18,6 (981 5cm + 22,6 Se)Z(Se + Scu) S P > 785 - 3,92 (981 Scu + 22,6 Se)I(Se + Scu).

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äuitere Hülle aus Stahl besteht.

3. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnt, daß die äußere Hülle aus einem legierten Stahl besteht.

4. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle aus nicht rostendem Stahl besteht.

5. 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.