-
Ausscheidungshärtbare Legierung auf Eupferbasis
-
und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft eine ausscheidungshärtbare
Legierung auf Kupferbasis, ein Verfahren zur Herstellung einer ausscheidungshärtbaren
niob- und titanhaltigen Eupferbasislegierung sowie ihre Verwendung.
-
Es besteht nach wie vor ein erheblicher Bedarf an aushärtbaren Kupferbasislegierungen,
die neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften
aufweisen. Es ist bekannt, Kupferlegierungen zur Erzielung einer hohen Festigkeit
bestimmte Fremdatome hinzuzulegieren, so z. B. Beryllium, Silizium oder Titan. Die
Aushärtung wird in der Regel durch Übersättigung der zulegierten Fremdatome im Mischkristallgitter
bewirkt. Der durch Glühbehandlung bei hoher Temperatur erreichte Zustand einer statistisch
regellosen Mischung der Fremdatome im Kupfer wird durch eine Abschreckung eingefroren.
Anschließendes Anlassen bei mittleren Temperaturen führt zu Entmischungsvorgängen
und zur Ausscheidung der überschüssigen Fremdatome in Form von mindestens einer
weiteren Mischkristallphase.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Rupferbasislegierung
mit ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften zur Verfügung zu
stellen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Eupferlegierung gelöst,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie 0,5 bis 10 Gew.-% Niob und 0,5 bis 10 Gew.-%
Titan, Rest Kupfer einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen enthält.
Bevorzugte Begierungszusammensetzungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.
-
Die Herstellung der ausscheidungshärtbaren niob- und titanhaltigen
Kupferlegierungen weist folgende erfindungsgemäßen Merkmale auf: a) eine niob- und
titanhaltige Kupfervorlegierung mit maximal 30 Gew. - Niob und Titan wird gemeinsam
mit Kupf ermetall geschmolzen und bei Temperaturen von 1100 bis 15000C abgegossen,
wobei b) der Schmelze Kupfermetall in einer Menge zugegeben wird, die ausreicht,
den Niob- und Ditangehalt insgesamt auf 1 bis 15 Gew.- einzustellen; c) der Gußblock
wird im Temperaturbereich von 800 bis 100000 lösungsgeglüht und dann rasch abgekßhlt.
-
Der Gußblock kann hiernach einer querschnittsverringernden Bearbeitung
unterzogen werden, wobei entweder bei einer Temperatur zwischen 600 und 800 0 warmverformt
oder stranggepreßt wird und sich dann eine rasche Abkuhlung auf Raumtemperatur anschließt.
Es ist ferner vorteilhaft, den GuB-block entweder alternativ oder zusätzlich zur
Warmverformung mindestens in zwei Schritten kaltzuverformen. Der Gesamtverformungsgrad
kann je nach gewünschtem Festigkeitszustand des Werkstoffs bis zu 90 % betragen.
-
Da jede Kaltverformung zu einem Bestigkeitsanstieg führt, ist es grundsätzlich
erforderlich, vor einer weiteren querschnittsvermindernden Verformung eine Zwischenglühung
oberhalb der Rekristallisationstemperatur einzuschieben.
-
Diese Zwischenglühung kann bei etwa 8000C durchgeführt werden.
-
Zur Erzielung hoher Festigkeitswerte schließt sich vorzugsweise an
den letzten Kaltverformungsschritt bzw. nach Abschluß aller Formgebungsarbeiten
eine Anlaßbehandlung im Temperaturbereich von 250 bis 5000C an, deren Dauer mindestens
30 min betragen sollte.
-
Erfindungsgemäß eignet sich die niob- und titanhaltige Kupferlegierung
im ausscheidungsgehärteten Zustand insbesondere für Gegenstände, die neben einer
noch hohen elektrischen Beitfähigkeit ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften aufweisen
müssen. Solche Gegenstände sind unter anderem unmagnetische Distanzfolien, Membranen
sowie Federn aller Art, insbesondere Kontakt- und Schnappfedern.
-
Anhand von drei Figuren und einigen Ausführungsbeispielen wird die
Erfindung im folgenden noch näher erläutert: Figur 1 zeigt den Verlauf der ffärte,
der Zugfestigkeit Rm und der elektrischen Leitfahigkeit dt in Abhängigkeit einer
im Temperaturbereich von 200 bis 51500 liegenden Anlaßtemperatur TA für eine Kupferlegierung
mit jeweils 5 Gew.-% Niob und Titan.
-
Figuren 2 und 3 zeigen Schliffbilder einer stark kaltverformten Kupferlegierung
mit 5 Gew.-% Niob und 5 Gew.-% Titan in 400-facher Vergrößerung; und zwar vor der
Anlaßbehandlung (Figur 2) und nach einer 4]stündigen zur Aushärtung führenden AnlaBbehandlung
bei 4000C (Figur 3).
-
Der Einfluß verschiedener Verfahrensschritte auf die mechanischen
Eigenschaften sowie auf die elektrische beitfähigkeit wurde an insgesamt fünf Beispielslegierungen
untersucht. Die Zusammensetzung und die Abgußtemperatur dieser Legierungen sind
in Tabelle 1 angegeben.
-
Tabelle 1 Legierung Niob Titan SuDfer* Abgtißtemeratur(0C) A 1 1 Rest
1100 B 3,75 3,75 Rest 1300 C 5 5 Rest 1320 D 5 5 Rest 1350 E 7,5 7,5 Rest 1450 *
einschließlich herstellungsbedingter Verunreinigungen und üblicher Verarbeitungszusätze.
-
Die Legierungen wurden in üblicher Weise in einem Vakuum-Induktionsofen
geschmolzen, in den zur Vermeidung von Oxidations- und Verdampfungsverlusten zusätzlich
Inertgas, z.B. Argon, eingeleitet wurde. Fär die Schmelze wurden niob- und titanhaltige
Kupfervorlegierungen mit einem Gesamtgehalt an Niob und Titan bis zu maximal 30
Gew.-% verwendet, denen entsprechend der geforderten Sollwerte fur den Niob- und
Titangehalt Kupfermetall, z.B. Elektrolytkupfer, zur Erhöhung des Kupferanteils
zugegeben wurden.
-
Niob- und titanhaltige Kupferlegierungen fallen beispielsweise in
erheblichen Mengen in der Supraleiterfertigung als Materialabfall an. Rierbei sind
NbT egierungen mit einem Anteil von etwa 47 bis 50 Gew.-% Titan in Form von Kernen
oder Filamenten in eine Kupfermatrix eIngebettet.
-
Es ist bisher nicht möglich, den Kupferanteil mit vertretbarem wirtschaftlichem
Aufwand von der wertvollen NbUi-Legierung zu trennen.
-
Zur Einstellung bestimmter Niob- und Titangehalte in der ternären
CuNbTi-'legierung oder zum Ausgleich etwaiger Verdampfungsverluste, können der Schmelze
separat Zusätze an Niob und/oder Titan hinzulegiert werden.
-
Zur Vorbereitung auf die weiteren Verarbeitungsschritte wurden sämtliche
Beispielslegierungen zur Romogenisierung der Legierungsbestandteile bei einer Temperatur
oberhalb der Löslichkeitsgrenze unter Schutzgasatmosphäre geglüht.
-
Obwohl das genaue Lösungsverhalten der Legierungszusätze Niob und
Titan in Kupfer aus einem entsprechenden CuNbTi-Phasendiagramm nicht bekannt war,
erwiesen sich für die EIomo geni sierungsglühung Temperaturen von 800 bis 100000
als völlig ausreichend. Nach der Glühbehandlung wurden die Schmelzen in Wasser abgeschreckt.
An Proben einer Kupferlegierung mit einer Niob- und Titankonzentration von jeweils
5 Gew.-% wurde festgestellt, daß sich die Vickershärte (HV 10) von etwa 240 auf
170 erniedrigt hatte.
-
Dieser Rärteabfall der niob- und titanhaltigen Eupferlegierungen nach
der Glühbehandlung kann als erhebliche Verbesserung der Homogenität und damit des
Verformungsverhaltens gedeutet werden.
-
Be ergänzenden Untersuchungen des Verformungsverhaltens zeigte sich,
daß sämtliche Beispielslegierungen auf einen Enddurchmesser kleiner als 1 mm verformt
werden konnten.
-
Verschiedene Proben mit einer Niob- und Titankonzentration von jeweils
größer als 5 Gew.-% neigten bis zu einem kritischen Durchmesser von 15 mm gelegentlich
zur Bildung von Rissen; diese konnten jedoch nach Ausschleifen eine weitere Verformung
nicht behindern. Zur Zerstörung der GuBstruktur hat es sich als besonders günstig
erwiesen, die Gußblöcke zunächst warm zu verarbeiten. Nach einem gegebenenfalls
durchzuführenden weiteren Walzschritt auf einen Probendurchmesser von 3,8 mm konnte
der Rohling unter Einschaltung mindestens einer 1-stündigen Zwischenglühung bei
8000C bis auf einen Enddurchmesser von 0,8 mm gezogen werden.
-
An den drei Begierungsvarianten A, B und C (Legierungszusammensetzung
entsprechend Tabelle 1) wurden anschließend die mechanischen Eigenschaften sowie
die elektrische beitfähigkeit bei verschiedenen Anlaßtemperaturen untersucht. Die
Dauer der Aushärtungsbehandlung betrug jeweils 4 Stunden, der Gesamtverformungsgrad
etwa 90 % (Zustand hart). Eine Auswahl der Meßergebnisse ist in der Figur 1 dargestellt
und in den Tabellen 2 bis 5 aufgeführt.
-
T a b e 1 1 e 2: Härtewerte HV 10 Anlaßtemperatur (°C) A B C 200 170
270 290 315 185 330 380 375 190 340 360 400 210 330 360 450 175 250 270 515 120
200 220 T a b e 1 1 e 3: Zugfestigkeit Rm (N/mm2) Anlaßtemperatur (°C) A B C 200
485 880 1060 315 550 1060 1200 375 555 1090 1270 400 600 1070 1150 450 510 800 890
515 390 650 730 T a b e 1 1 e 4: Streckgrenze Rp (N/mm2) Anlaßtemperatur (°C) A
B C 200 460 860 1030 315 490 970 1120 375 520 1060 1210 400 550 960 1000 450 440
660 740 515 260 490 560 T a b e l l e 5: Elektrische Leitfähigkeit(m/Ohm mm²)mm2)
Anlaßtemperatur (°C) A B C 200 9,5 2,7 2,1 315 11,4 4,3 3,2 375 13,3 5,1 4,3 400
17,9 8,4 8,9 450 17,5 12,8 11,9 515 15,6 13,3 13,2
Für die Beispielslegierung
C sind in Abhängigkeit von der Anlaßtemperatur der Verlauf der Härte, der Zugfestigkeit
Rm und elektrischen Leitfähigkeit y in Figur 1 dargestellt.
-
Sowohl die Härtewerte HV 10 als auch die Zugfestigkeit Rm weisen im
Temperaturbereich von 350 bis 42000 maximale Werte auf. Nach Überschreiten dieses
Maximums nimmt dann die Härte und die Zugfestigkeit wieder ab. Ein etwas anderes
Verhalten zeigt der Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit K , die bis zu einer
Temperatur von etwa 5000C kontinuierlich zunimmt. Ergänzende Messungen bei noch
höheren Anlaßtemperaturen haben gezeigt, daß die elektrische Deitfähigkeit oberhalb
von 5000C wieder abnimmt.
-
Als besonders überraschend ist festzustellen, daß der stark kaltverformte
Zustand einer Beispielslegierung mit niedrigem Gesamtgehalt von Niob und Titan deutlich
niedrigere Maximalwerte für die Vickershärte und die Zugfestigkeit aufweist als
die höherlegierte Beispielslegierung im weichen Zustand. Diese Eigenschaft ist insbesondere
für solche technischen Anwendungsgebiete von Interesse, für die eine hohe Verformbarkeit
in Verbindung mit ausgezeichneter Festigkeit gefordert werden. Ein Vergleich der
elektrischen Beitfähigkeit für Kupferlegierungen mit unterschiedlichen NbUi-Eonzentrationen
zeigt, daß sich mit ansteigendem Verformungsgrad die elektrische Beitfszigkeit erhöht,
während sie mit steigender NbUi-Konzentration etwas niedrigere Maximalwerte aufweist.
-
In zwei Schliffbildern ist der Gefüge zustand der Degierung C in 400-facher
Vergrößerung dargestellt, und zwar in Fig. 2 vor der Aushärtungsbehandlung und in
Fig. 3 nach einer 4-stündigen Wärmebehandlung bei 40000.
-
Da die Löslichkeit von Niob im Gegensatz zu der von Titan in Kupfer
nur äußerst gering ist, ist zu vermuten, daß neben CuT eilchen NbCu- und Nb-Teilchen
auftreten. Wie die Schliffbilder deutlich erkennen lassen, wurden die Niob-Teilchen
durch die hohe Kaltverformung zu langen Zeilen gestreckt. Aufgrund der geringen
Größe sind die OuTi-Teilchen im ausgehärteten Zustand (Schliffbild 3) kaum zu sehen.
Da Nb- (und NbOu2)-Teilchen bei einer Anlaßtemperatur von 40000 nicht in Lösung
gehen, weist die erfindungsgemäße niob- und titanhaltige Eupferlegierung gegenüber
vergleichbaren Kupferlegierungen auch eine erhöhte.Anlaßbeständigkeit auf.
-
- Leerseite -