DE3520407A1 - Kupfer-beryllium-legierung - Google Patents

Kupfer-beryllium-legierung

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Description

ι. ' Hans-Jürgen Müller
T- » Gerhard D. Schupfner Hans-Peter Gauger
Telefon: (O 89) 4 70 60 55/56 Patentanwälte
Telex: 5 23016 Postfach so 13 69 Patentanwälte
Telegramm/cable: Luclle-Grahn-Straße 38 European Patent Attorneys
Zetapatent® München D-eooo München 80 Mandataires en brevets europeens
7. Juni 1985 3105. PT-DE HJM/Sm
Brush Wellman Inc.
17876 St. Clair Avenue,
Cleveland
Ohio 44110
USA
"Kupfer-Beryllium-Legierung"
Kupfer-Beryllium-Legierung Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine neue Kupferlegierung, die geringe, eine innere Abhängigkeit aufweisende Mengen Beryllium und Cobalt enthält, sowie ein Verfahren zur Bearbeitung der Legierung zur Erzeugung von Gebrauchsartikeln mit einer verbesserten Kombination von Entspannungswiderstand, Formbarkeit, Leitfähigkeit und Festigkeit.
Kupfer-Beryllium-Legierungen werden seit etwa 50 Jahren technisch eingesetzt und haben einen verdient guten Ruf hinsichtlich Brauchbarkeit auf vielen Anwendungsgebieten, wo hohe Werte für Festigkeit, Formbarkeit, Entspannungswiderstand und Leitfähigkeit verlangt werden. Es ist eine Anzahl von technischen Legierungen bekannt, wie sie etwa durch die Copper Development Association gekennzeichnet sind, z. B. Cl7500, C17510, C17000, C17200, C17300 sowie C81300, C82100, C82200 und C82400. Diese Legierungen enthalten unterschiedliche Mengen Beryllium und andere Legierungselemente wie Cobalt, Nickel, Silber usw. Im allgemeinen ist die Entwicklung von Beryllium-Kupfer-Legierungen in die Richtung von bestem Betriebsverhalten, d. h. höchster Festigkeiten, bester BiIdsamkeit sowie der übrigen hocherwünschten Eigenschaften dieser auslagerungsfähigen Legierungen gegangen. So zeigen die US-PS'en 1 893 984, 1 957 214, 1 959 154, 1 974 839, 2 131 475, 2 166 794, 2 167 684, 2 172 639, 2 289 593 und
3 376 171 verschiedene Legierungen, die unterschiedliche Mengen Beryllium und weiterer Elemente aufweisen. Der Stand der Technik nennt die verschiedensten Anwendungsgebiete für solche Legierungen. So beschreiben etwa die US-PS'en 1 957 214, 1 959 154 und 2 131 475 Punktschweißelektroden. Die letztgenannte US-PS befaßt sich mit der Bereitstellung einer befriedigenden Elektrode mit verringerten Cobalt- und Berylliummengen.
In den etwa 50 Jahren seit Erteilung der vorgenannten Patentschriften sind vollständige neue Industriezweige entstanden, und an die Hersteller von Legierungen werden neue Anforderungen gestellt. So waren in den dreißiger Jahren die Anforderungen der Elektronik- und ComputerIndustrie unbekannt. Selbst der Trend zur Miniaturisierung auf den Gebieten der Elektronik und der Computer ist erst vor einigen Jahren entstanden und seither immer schneller fortgeschritten. In bezug auf die Bereitstellung von federnden Steckverbindern und Kontakten sind die Komplexität der erforderlichen Vorrichtungen sowie die Anforderungen an Wärmeabfuhr sowie lange Lebensdauer von Teilen bei hohen Temperaturen ohne entspannungsbedingtes Versagen immer höher geschraubt worden. Ferner sind die Käufer zunehmend preisbewußt geworden, und es wurden Verbinderlegierungen wie etwa die Phosphorbronzewerkstoffe aus Kostengründen eingesetzt, obwohl das schlechtere Betriebsverhalten solcher Legierungen, etwa schlechtere Leitfähigkeit, schlechtere Formbarkeit und geringerer Entspannungswiderstand, gegenüber Beryllium-Kupfer-Legierungen bekannt war. Ferner wurden durch die Anforderungen an die Formbarkeit, die bei der Herstellung komplexer Teile aus Band oder Draht unter Einsatz von Folgeschnitt- oder anderen Formverfahren wichtig sind, die Schwierigkeiten für die Hersteller von Legierungen noch gesteigert im Vergleich mit den einfacheren Zeiten der US-PS 2 131 475, bei der die beschriebene Schweißelektrode einfach ein Barren Knet- oder Gußmetall ist, der gegen Pilzkopfbildung unter Belastung beständig sein mußte, an den jedoch keine Anforderungen hinsichtlich Formbarkeit gestellt wurden.
Die Eigenschaft des Entspannungswiderstands ist ein wesentlicher Konstruktionsparameter, der dem Konstrukteur die Sicherheit geben kann, daß ein bestimmter Kontakt, Steckverbinder od. dgl. den erforderlichen Kontaktdruck bei höheren Temperaturen aufrechterhält, um so eine lange Lebensdauer einer die Vorrichtung enthaltenden Einheit zu gewährleisten. Die Entspannung ist definiert als die Abnahme der Spannung unter konstanter Belastung über die Zeit bei einer bestimmten Temperatur. Aufgrund des bekannten Entspannungsverhaltens eines Werkstoffs kann der Konstrukteur festlegen, um wieviel die Federkraft bei Raumtemperatur erhöht werden muß, um eine bestimmte Mindestkraft bei der Betriebstemperatur zu gewährleisten, so daß der elektrische Kontakt zwischen zusammengefügten Teilen über einen langen Zeitraum aufrechterhalten wird.
Von den festeren, Beryllium enthaltenden auslagerungsfähigen Legierungen wie etwa C17200, die ca. 2 % Beryllium enthalten, ist bekannt, daß sie einen hohen Entspannungswiderstand aufweisen. Dagegen weisen die erheblich billigeren Phosphorbronzen wie C51000 und C52100, die nicht auslagerungsfähig sind und zur Erzielung einer hohen Festigkeit stark kaltverformt werden müssen, einen schlechten Entspannungswiderstand auf.
Im vorliegenden Zusammenhang wird der Entspannungswiderstand bestimmt durch die in der Veröffentlichung "Stress Relaxation of Beryllium Copper Strip In Bending" von Harkness und Lorenz, 30. Annual Relay Conference, Stillwater, Oklahoma, 27./28. April 1982, angegebene Prüfung. Gemäß dieser Prüfung werden Flachfederproben mit einer Profilmeßlänge in einer Einspannvorrichtung mit einem konstanten Anfangsspannungswert belastet und mit der Einspannvorrichtung in gespanntem Zustand erhöhten Temperaturen wie 150 C über einen längeren Zeitraum ausgesetzt. Periodisch wird eine Probe entnommen und gemessen, um die bleibende Formänderung zu bestimmten, die der Werkstoff
erfahren hat, woraus der Prozentsatz des Restspannungswert errechnet werden kann.
Die Formbarkeit ist bestimmt durch Biegen einer Flachfederprobe, z. B. um 90 , um einen Biegestempel, der eine Nase mit veränderlichem bekanntem Radius aufweist, wobei ein Ausfall als der Punkt angenommen wird, bei dem ein Riß des äußeren Fasergefüges der Biegestelle eintritt. Eine Bewertung der Probe erfolgt auf der Basis der Größe R/t, wobei R der Radius der Stempelnase und t die Dicke des Bands ist. Die Bewertung kann von Konstrukteuren genutzt werden, um zu bestimmen, ob ein gegebener Werkstoff zu der für ein bestimmtes Teil erwünschten Geometrie formbar ist.
Technische Veröffentlichungen, die Kupfer-Beryllium-Legierungen behandeln, sind: Acta Metallurgica,, Bd. 28, 1980, Rioja und Laughlin; Bulletin of Alloy Phase Diagrams,, Bd. 2, Nr. 1, 1981, Laughlin und Tanner; "Metastable Precipitation in Ternary Cu-Ni-Be und Cu-Co-Be Alloys" Guha, Alexander und Laughlin, TMS-AIME Fall Meeting, St. Louis, MO, 25. Okt. 1982; und INCRA Monograph Series IV, 1979, von Chang, Neumann, Mikula und Goldberg.
Durch die Erfindung wird eine auslagerfähige Kupfer-Beryllium-Legierung angegeben, deren Entspannungswiderstand nahe bei demjenigen der technischen Kupfer-Beryllium-Legierungen mit der höchsten Festigkeit liegt, und die eine hohe Formbarkeit und Bildsamkeit, hohe Leitfähigkeit und Festigkeit im Betrieb in Verbindung mit einem bisher unbekannten metallurgischen Gefüge aufweist.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Entspannungsverlauf bei einer Temperatur von
-^ C und einer Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze einer Legierung nach der Erfin-
dung, die 0,3 % Be und 0,25 % Co, Rest Cu, enthält; zum Vergleich sind Daten weiterer bekannter Werkstoffe, nämlich der Kupferlegierungen C17200, C521090, C68800 und C72500, angegeben;
Fig. 2 eine Grafik, die die Auswirkung steigender Berylliumgehalte innerhalb des beanspruchten Bereichs bei einem Cobaltgehalt von 0,25 % auf die elektrische Leitfähigkeit und die 0,2-Dehngrenze ze igt;
Fig. 3 eine 20.00Ofach vergrößerte Durchstrahlungsaufnahme einer Legierung nach der Erfindung, die 0,3 % Be und 0,5 % Co enthält, bei 898 °C lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt und für 5 h bei 510 0C ausgelagert wurde; die Aufnahme zeigt die Hauptaushärtungsphase als eine Unzahl von scheibenförmigen Partikeln, die durch Elektronenbeugungsanalyse als " ^"-Ausscheidungspartikel identifiziert wurden; und
Fig. 4 eine 100Ofach vergrößerte optische Mikrogefüge-
aufnähme einer Legierung nach der Erfindung, die 0,3 % Be und 0,25 % Co enthält, wobei nur einige wenige kleine intermetallische Cobalt-Beryllid-Partikel in der Matrix zu sehen sind.
Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Beryllium-Legierung, die ca. 0,2 % bis ca. 0,5 % Beryllium, ca. 0,2 % bis ca. 0,4 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, enthält. Die Legierung wird gemäß einem Umformungsplan bearbeitet, wobei der letzte Umformungsschritt kalt erfolgt, um eine Reduktion von wenigstens ca. 50 %, bevorzugt von ca. 70 % bis ca. 90 %, zu erzielen, gefolgt von einer Auslagerungsbehandlung unterhalb ca. °C, z. B. bei ca. 370 0C bis ca. 425 0C.
Legierungen gemäß der Erfindung sind sowohl warm als auch kalt leicht umformbar. Die Legierungen sind durch eine Kombination von Eigenschaften charakterisiert, umfassend hohen Entspannungswiderstand, hohe Formbarkeit und Bildsamkeit, hohe Leit-
fähigkeit und hohe Festigkeit im Gebrauch. So wurde gefunden, daß eine beispielhafte Legierung mit ca. 0,3 % Beryllium, ca. 0,25 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, die eine Anfangsspannung von 75 % ihrer 0,2-Dehngrenze aufwies, nach 1000 h Entspannung bei 150 C einen Restspannungswert von 88 % aufwies. Ferner erwies sich die Legierung als beständig gegen Erweichen, nachdem sie für 1 h Temperaturen bis zu 400 °C ausgesetzt wurde. Die Legierung wurde als stark kaitverformtes Band (72-96 % Reduktion durch Walzen) geprüft, das vor der Kaltverformung bei 900 °C lösungsgeglüht und nach der Kaltverformung für 3 h bei 400 C ausgelagert worden war. Als 72 % kaltverformtes und ausgelagertes Band wurden Formbarkeitswerte (R/t) von 0,5 in Längsrichtung und 1,6 in Querrichtung bei einer Zugdehnung von 9,6 % in einem Abschnitt mit 50 mm Meßlänge ermittelt. Die Leitfähigkeit betrug 51,3 % IACS. Die Streckgrenze lag bei ca. 615 MPa (89,1 ksi) und die spezifische Festigkeit bei ca. 690 MPa (99,9 ksi). Diese Kombination von Eigenschaften ist für Legierungen nach der Erfindung charakteristisch, die bei Behandlung gemäß der Erfindung normalerweise 0,2-Dehngrenzen in der Größenordnung von ca. 580 MPa (85 ksi) bis ca. 825 MPa (120 ksi), Zugfestigkeiten von ca. 655 Mpa (95 ksi) bis ca. 860 MPa (125 ksi), eine Dehnung von ca. 5 bis ca. 15 %, Leitfähigkeiten von ca. 40 % bis ca. 65 % IACS und nach 1000 h bei 150 °C im Entspannungstest eine "Restspannung" von wenigstens ca. 85 % einer Anfangsspannung entsprechend 75 % der 0,2-Dehngrenze aufweisen. Im Vergleich dazu zeigt nichtauslagerfähiges Band (z. B. Phosphorbronzelegierung C51000) mit etwa dem gleichen Festigkeitswert einen "Restspannungs"-Wert von nicht mehr als 37 % im Entspannungstest für 1000 h bei 150 °C, eine Dehnung von nicht mehr als 5 %, Formbarkeitswerte (R/t) von ca. 2,5 in Längsrichtung und ca. 9 in Querrichtung sowie eine Leitfähigkeit von nur ca. 15 % IACS.
Die Legierung nach der Erfindung wird hergestellt durch Gießen unter Einsatz konventioneller statischer, halbkontinuierlicher oder kontinuierlicher Einrichtungen zu geeigneter Block- oder
Brammenform, Warm- und/oder Kaltverformen des Gußstücks mit oder ohne Glühschritte während der Bearbeitung, unter Bildung einer Knetlegierungs-Produktform, die größenmäßig so bemessen ist, daß eine Endkaltreduktion um einen vorbestimmten Betrag zum Erhalt der erwünschten Endabmessung möglich ist, Lösungsglühen der Knetproduktform bei einer Temperatur von ca. 760 0C bis ca. 955 0C während eines Zeitraums, der ausreichend ist zur Rekristallisation und Festlösung des Teils der Legierungselemente, der zu der anschließenden Ausscheidungshärtung beiträgt; Kaltverformen der lösungsgeglühten Legierung um wenigstens ca. 50 % oder bevorzugt ca. 70 % bis ca. 95 % Querschnittsabnahme; und Warmbehandeln der kaitverformten Legierung bei einer Temperatur im Bereich von ca. 315 C bis ca. 540 0C, bevorzugt ca. 370 0C bis ca. 425 0C, z. B. 400 °C während einer Zeit von weniger als ca. 1 h bis ca. 5 h zur Ausscheidungshärtung unter gleichzeitiger wesentlicher Steigerung des Entspannungswiderstands, der Formbarkeit und Bildsamkeit in Verbindung mit erhöhter Festigkeit und Leitfähigkeit. Es ist zu beachten, daß Lösungsglühtemperaturen von mehr als ca. 870 °C zu unerwünschtem Kornwachstum in einigen Legierungen innerhalb des beanspruchten Bereichs führen können.
In der nachstehenden Tabelle sind Legierungen gemäß der Erfindung und ihre Eigenschaften bei der Materialprüfung angegeben, wobei es sich um Band handelt, das bei 900 °C geglüht, 72 % kaltgewalzt und bei 400 °C für 3-5 h ausgelagert wurde.
0,2-Dehn- .. spez. e1· 90"Biegen Bestgrenze Festigk. Dehng. Leitf. (R/t) spannung
Leg. %Be %Co ksi (MPa) .ksi (MPa) ■ (%) (%IACS) L-T {%)
0,14 0,20 67,5 (465) 79,7 (550) 14,2 61,0 - . -
0,50 0 25 94,2 (650) 105,4 (72S) 8,4 39,7 1,0 -9,0 . 88
0,41 0 25 '93,0(640)101,4(695) 10,0 41,7
0 31 0 25 90 0 (620) 98 3 (675) 8,0 47,3 1,25-4,4
0,29 0,26 89 1 (615) 99',9 (690) 9,6 51,3 0,5 -1,6 88
0,30-0,49 111 6 (770) 118,5 (815) 7,7 50,2 0,4-2,6
"L" und "T" in der Spalte "90°-Biegeversuch" bezeichnen die Formbarkeit in Längs- und Transversal- bzw. Querwalzrichtung. Die Restspannung ist derjenige Teil einer Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenzef der nach 1000 h bei 150 0C verbleibt.
Legierungen innerhalb der Erfindung sind durch das Transmissionselektronen- bzw. das optische Mikrogefüge der Fig. 3 bzw. 4 charakterisiert. Diese Legierungen unterscheiden sich insofern deutlich von bekannten Kupfer-Cobalt-Beryllium-Legierungen, als sie nach der Auslagerung eine wesentlich höhere Dichte von Haupthärtungs-Ausscheidungspartikeln sowie weniger und kleinere intermetallische Cobalt-Beryllid-Partikel als Legierungen mit höherem Cobaltanteil aufweisen. Eine 0,3 % Beryllium und 0,5 % Cobalt enthaltende Legierung, die bei 900 °C geglüht und bei 5TO 0C ausgelagert wurde, um die Haupthärtungs-Ausscheidungspartikel gewollt zum Nachweis derselben zu vergrößern, zeigt eine Teilchendichte in der Größenordnung
9 2
von 2,3 χ 10 Ausscheidungspartikeln je mm in einem Dünnschliff unter dem Transmissionselektronenmikroskop und nur ca. 240 intermetallische Cobalt-Beryllium-Teilchen mit einem
2 Durchmesser von wenigstens 2,5 /am je mm in einer optischen Schliffprobe, wogegen die handelsübliche Legierung C17500, die nominell 0,5 % Beryllium und 2,5 % Cobalt enthält und in gleicher Weise wärmebehandelt ist, eine um etwa das 2Ofache geringere Dichte der Härtungsausscheidungen sowie eine ca. 8fache Steigerung der Dichte der intermetallischen Partikel aufwies.
Der Berylliumgehalt wird innerhalb der Grenzen der Erfindung gehalten, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu erzielen und die Herstellungskosten zu minimieren. Der Cobaltbereich ist durch eine Mindestmenge, die erforderlich ist, um in Lösung zu bleiben, so daß die Auslagerung durch Verschiebung metastabiler Löslichkeitskurven zu höheren Temperaturen erfolgt, sowie durch eine Höchstgrenze bestimmt, oberhalb welcher Beryllium, das sonst für die Auslagerung verfügbar ist, zunehmend aus der Matrix abgereichert wird unter Bildung von
intermetallischen Cobalt-Beryllid-Partikeln, die nicht zur Festigkeitssteigerung beitragen. Legierungen gemäß der Erfindung können somit eine Festigkeit innerhalb der für bekannte kaltverformte und ausgelagerte Kupfer-Cobalt-Beryllium-Legierungen, z. B. C17500 in der wärmebehandelten Härtestufe, 37 % kaltgewalzt und für 2 h bei 480 °C ausgelagert, mit einer spezifischen Festigkeit von 690-825 MPa (100-120 ksi), angegebenen Grenzen, jedoch mit weniger als ca. 1/5 des Cobaltgehalts erreichen.
Legierungen nach der Erfindung können als Knetlegierungen für stromführende Federn, mechanische Federn, Membranen, Messerkontakte für Schalter, Steckverbinder, Anschlußklemmen, Siche rungsklemmen, Balgen, Druckguß-Stempelenden, Lagerhülsen, Formungs- und Bearbeitungswerkzeuge für Kunststoffe, Bauteile für Öl-/Kohle-Bohreinrichtungen, Widerstandsschweißelektroden und deren Bauteile verwendet werden. Die Legierungen können auch für Leiterplatten eingesetzt werden. Sie sind ohne weiteres beschichtbar und für Einlagen geeignet.
AH
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Claims (10)

Kupfer-Beryllium-Legierung Patentansprüche
1. Kupfer-Beryllium-Legierung mit verbesserter Kombination von Eigenschaf ten^ wie Entspannungswiderstand, Formbarkeit, Leitfähigkeit und Festigkeit,
bestehend im wesentlichen aus ca. 0,2 % bis ca. 0,5 % Beryllium, ca. 0,2 % bis ca. 0,4 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer.
2. Legierung nach Anspruch 1,
enthaltend ca. 0,25 % bis ca. 0,5 % Beryllium und ca. 0,25 % Cobalt.
3. Elektrisch leitfähige Kontaktfeder, die im Einsatz einer zur Verformung der Feder ausreichenden Spannung unterliegt, hergestellt aus einer Legierung, die ca. 0,2 % bis ca. 0,5 % Beryllium, ca. 0,2 % bis ca. 0,4 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, enthält.
4. Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Beryllium-Legierungswerkstoffs, hergestellt aus einer Legierung, die ca. 0,2 % bis ca. 0,5 % Beryllium, ca. 0,2 % bis ca. 0,4 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, enthält, gekennzeichnet durch
Lösungsglühen von gegossenem und verfestigtem Legierungswerkstoff bei einer Temperatur von höchstens ca. 955 0C, Kaltverformen des lösungsgeglühten Werkstoffs um wenigstens ca. 50 % und
Auslagern des kaltverformten Werkstoffs bei einer Temperatur von ca. 315 C bis ca. 540 C für die Dauer von weniger als 1 h bis zu ca. 5 h
unter Erzielung einer hohen Kombination von Entspannungswiderstand, Formbarkeit, Leitfähigkeit und Festigkeit in der ausgelagerten Legierung.
5. Mit dem Verfahren nach Anspruch 4 hergestellte stromführende Kontaktfeder mit hohem Entspannungswiderstand.
6. Mit dem Verfahren nach Anspruch 4 hergestelltes Band-, Draht-, Stab-, Barren- und Rohrmaterial.
7. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Kaltreduktion von wenigstens 70 % mittels Kaltwalzen durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auslagerung bei einer Temperatur zwischen ca. 370 C und ca. 425 °C durchgeführt wird.
9. Elektrisch leitfähiger Kontakt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Band- oder Drahtmaterial besteht, das um wenigstens ca. 70 % kaltreduziert und nach der Kaltreduktion bei ca. 4 00 0C ausgelagert wurde und bei einer Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze eine Restspannung von wenigstens ca. 85 % nach 1000 h Entspannungsprüfung bei 150 °C hat.
10. Knetlegierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sie im lösungsgeglühten und ausgelagerten Zustand ein Mikrogefüge aufweist, das im wesentlichen aus Haupthärtungsausscheidungen und intermetallischen Cobalt-Berylliumteilchen in einer 0<-Kupfermatrix besteht,
wobei gemäß Transmissionselektronenmikroskopie die Haupthärtungsausscheidungen mit einer sehr hohen Dichte in der Größenordnung der 20fachen Dichte solcher Ausscheidungen bei einer gleichermaßen vergüteten handelsüblichen Legierung Cl7500 vorliegen und
wobei gemäß optischer Metallografie die intermetallischen Teilchen mit einem Durchmesser von wenigstens 2,5 Jim mit sehr geringer Dichte in der Größenordnung von 1/8 der Dichte solcher Teilchen bei der Legierung C17500 vorliegen.
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