DE3522118A1

DE3522118A1 - Verfahren zur herstellung von kupfer-beryllium-legierungsmaterial sowie danach hergestellte teile

Info

Publication number: DE3522118A1
Application number: DE19853522118
Authority: DE
Inventors: Nathan L. Chagrin Falls Ohio Church; W. Raymond Mentor Ohio Cribb; John C. Lakewood Ohio Harkness
Original assignee: Materion Brush Inc
Current assignee: Materion Brush Inc
Priority date: 1984-06-22
Filing date: 1985-06-20
Publication date: 1986-01-02
Also published as: SE465371B; AU585862B2; FI84627C; AU4329785A; FR2566431B1; BE902620A; CH664376A5; GB2162539B; IT1201310B; CA1249736A; FI84627B; JPS619563A; NL8501609A; FI852110A0; DE3522118C2; US4565586A; FR2566431A1; SE8502660D0; FI852110L; GB2162539A

Description

- £' Hans-Jürgen Müller

Gerhard D. Schupfner

Telex: 5 23016 _Postfach 8013 69

Telegramm / eable: Lucile-Grahn-Straße 38 European Patent Attorneys

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Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Beryllium-Legierungsmaterial sowie danach hergestellte

Teile

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein metallurgisches Verfahren für Kupferknetlegierungen, insbesondere Legierungen mit eine innere Abhängigkeit aufweisenden geringen Mengen Beryllium und Cobalt, zur Erzeugung von Gebrauchsgegenständen, die eine verbesserte Eigenschaftskombination von Entspannungswiderstand, Formbarkeit, Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit aufweisen.

Kupfer-Beryllium-Legierungen werden seit etwa 50 Jahren auf vielen Anwendungsgebieten eingesetzt, wo hohe Werte für Festigkeit, Formbarkeit, Entspannungswiderstand und Leitfähigkeit verlangt werden. Technische Kupfer-Beryllium-Legierungen umfassen die Knetlegierungen, die von der Copper Development Association mit C17500, C17510, C17000, C17200 und C17300 gekennzeichnet sind. Die allgemeine Entwicklung von Kupfer-Beryllium-Legierungen und von Herstellungsverfahren dafür geht in Richtung der Bereitstellung von sehr gutem Betriebsverhalten, d. h., höchster Festigkeiten, bester Bildsamkeit und weiterer sehr vorteilhafter Eigenschaften, indem die Eigenschaften der Ausscheidungshärtbarkeit dieser Legierungen genutzt werden. 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 und 2 289 593 verschiedene Knetlegierungen, die unterschiedliche Mengen Beryllium und weiterer Elemente enthalten.

In den etwa 50 Jahren seit der Erteilung der vorgenannten Patentschriften sind vollständig neue Industriezweige entstanden, und an die Hersteilere von Legierungen werden neue Anforderungen gestellt. So waren in den dreißiger Jahren die Bedürfnisse der Elektronik- und Computerindustrie unbekannt. Selbst der Trend zur Miniaturisierung bei Elektronik und Computern hat sich erst vor einigen Jahren herausgebildet und ist seither immer schneller fortgeschritten. Bezüglich der Herstellung von federnden Steckverbindern und Kontakten werden die Komplexität der erforderlichen Vorrichtungen sowie die Anforderungen an Wärmeableitung sowie lange Lebensdauer von Teilen bei hohen Temperaturen ohne entspannungsbedingtes Versagen immer höher geschraubt. Außerdem sind die Käufer zunehmend preisbewußt geworden, und es wurden Verbinder-Legierungen wie die Phosphorbronzen C51000 und C52100 aus Kostengründen eingesetzt, obwohl das schlechtere Betriebsverhalten solcher Legierungen wie etwa die schlechtere Leitfähigkeit, schlechtere Formbarkeit und niedrigerer 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 Formungsverfahren wichtig sind, die Schwierigkeiten für die Hersteller von Legierungen noch gesteigert gegenüber 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 in bezug auf Formbarkeit gestellt wurden.

Bekannte Verfahren zur Herstellung von Knetformen (d. h. , Band-, Platten-, Draht-, Stab-, Stangen-, Rohrmaterial etc.) von Kupfer-Beryllium-Legierungen richten sich im allgemeinen auf die Legierungen mit dem besten Betriebsverhalten, die Beryllium und größere Gehalte eines dritten Elements enthalten

und etwa der Zusammensetzung der technischen Legierungen C17500, C17510 und C17200 entsprechen. Diese Verfahren umfassen im allgemeinen die Bereitstellung einer Legierungsschmelze, das Gießen eines Barrens, das Umformen des Barrens zu Knetform durch Warm-und/oder Kaltverformen, gegebenenfalls mit Zwischenglühschritten, um die ümformbarkeit der Legierung zu erhalten, Lösungsglühen der Knetform durch Erwärmen auf eine Temperatur, die ausreicht, um eine Rekristallisation der Legierung und eine feste Lösung des Berylliums in der Kupfermatrix zu bewirken, sowie schnelles Abschrecken der Legierung, um das Beryllium in übersättigter Festlösung zu halten, gegebenenfalls Kaltverformen der lösungsgelühten Knetform um einen vorbestimmten Betrag zur Steigerung der späteren Festigkeit nach Auslagerung, und anschließendes Auslagern der gegebenenfalls kaltverformten Knetform bei Temperaturen unterhalb der Lösungsglühtemperatur, um erwünschte Kombinationen von Festigkeit und Bildsamkeit zu erzielen. Dieser Stand der Technik ist in den US-PS'en 1 893 984, 1 959 154, 1 974 839, 1 975 113, 2 027 750, 2 527 983, 3 196 006, 3 138 493, 3 240 635, 4 179 314 und 4 425 168 angegeben, die ferner lehren, daß optimale Lösungsglüh- und Auslagerungstemperaturbereiche von der Legierungszusammensetzung abhängig sind und die Auslagerung entweder vor oder nach der Fabrikation der lösungsgeglühten und gegebenenfalls kaltverformten Knetform zu einem Produkt (z. B. einer elektrisch leitfähigen Feder, einer Druckschweißelektrode od. dgl) mittels bekannter Metallformungsverfahren erfolgen kann.

Bekannte Legierungen auf Kupferbasis, die nicht auslagerungsfähig sind (z. B. die Phosphorbronzen C51000 und C52100) und die ihre Festigkeit ausschließlich durch Kaltverformung erhalten, werden häufig auf eine Querschnittsabnahme von erheblich mehr als 50 % kaltverformt, um technisch verwertbare Festigkeitswerte zu erzielen. Im Fall von bekannten Kupfer-Beryllium-Legierungen beschränkt sich die zwischen dem Lösungsglühen und der Auslagerung durchgeführte Endkaltverformung - im Gegensatz zu der Kaltverformung in der Teilefertigung dienenden Metallformungsschrxtten - auf eine Querschnittsab-

nähme von weniger als ca. 50 %. So beschreiben die US-PS'en 3 138 493, 3 196 006, 4 179 314 und 4 425 168 Verfahren, bei denen vor der Auslagerung eine Kaltreduktion zwischen mindestens 3 % und höchstens 42 % stattfindet. Eine Erklärung für diese Einschränkung bei der Kaltverformung der bekannten technischen Kupfer-Beryllium-Legierungen findet sich in der Veröffentlichung "Wrought Beryllium Copper", 1982, von Brush Wellman Incorporated; diese Veröffentlichung zeigt, daß die Bildsamkeit im Walzzustand (und damit die Formbarkeit, d. h. der kleinste Biegeradius ohne Bruch bei Biegen um 90 oder 180 in einem Formvorgang) auf technisch unannehmbare Werte abnimmt, wenn die Kaltverformung vor der Auslagerung auf eine Querschnittsabnahme von mehr als ca. 40 % gesteigert wird, und daß die Festigkeit nach dem Kaltverformen und Auslagern einen relativen Höchstwert bei einer Kaltreduktion von ca. 30-40 % hat, jedoch bei stärkerer Kaltverformung abnimmt, wenn die Legierungen bei technisch empfohlenen Temperaturen ausgelagert werden.

In der eigenen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 550 631 ist ein verbessertes Verfahren für eine technische Kupfer-Beryllium-Nickel-Legierung C17510 beschrieben, wobei eine Kaltverformung bis zu ca. 90 % zwischen einer Hochtemperatur-Lösungsglühbehandlung, bei der eine spezielle nickelreiche Ausscheidung erfolgt, und einem Niedrigtemperatur-Auslagerungsschritt durchgeführt wird; das Verfahren soll die Kombination von mechanischer Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit, die bisher bei der Legierung C17510 nicht erzielbar war, unter nur geringem bzw. ohne Verlust an Formbarkeit und Entspannungswiderstand verbessern.

Die Eigenschaft der Entspannung ist ein wesentlicher Konstruktionsparameter, der dem Konstrukteur die Sicherheit geben kann, daß ein bestimmter Kontakt oder Steckverbinder od. dgl. den erforderlichen Kontaktdruck bei höheren Temperaturen aufrechterhält, so daß eine lange Lebensdauer einer die Vorrichtung enthaltenden Einheit gewährleistet ist. Die Entspannung ist definiert als die Abnahme der Spannung unter konstanter

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Belastung über die Zeit bei einer bestimmten Temperatur. Aufgrund des bekannten Entspannungsverhaltens eines Werkstoffs kann der Konstrukteur festlegen, um wieviel die Federkraft bei Raumtemperatur zu erhöhen ist, um eine bestimmte Mindestkraft bei der Betriebstemperatur zu gewährleisten, so daß der elektrische Kontakt zwischen zusammengebauten Teilen über lange Zeit aufrechterhalten wird.

Von den festeren, Beryllium enthaltenden auslagerungsfähigen Legierungen wie etwa C17200, das ca. 2 % Beryllium enthält, ist bekannt, daß sie einen hohen Entspannungswiderstand haben. 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. Bei 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 vermessen, um die bleibende Formänderung zu bestimmen, die der Werkstoff erfahren hat, woraus der Prozentsatz des Restspannungswerts errechenbar ist.

Die Formbarkeit ist bestimmt durch Biegen einer Flachfederprobe um einen Biegestempel, der eine Nase mit bekanntem veränderlichem 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

dazu genutzt werden zu bestimmen, ob ein gegebener Werkstoff zu der für ein bestimmtes Teil erwünschten Geometrie formbar ist.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von auslagerungsfähigen Kupfer-Beryllium-Legierungen angegeben, deren Entspannungswiderstand weitgehend dem der festesten bekannten Kupfer-Beryllium-Legierungen angenähert ist und die einen hohen Grad an Formbarkeit und Bildsamkeit, hohe Leitfähigkeit und hohe Festigkeit im Betrieb aufweist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Einfluß der Kaltverformung bei einer Querschnittsabnahme zwischen 0 und 72 % auf die mechanische Festigkeit und Bildsamkeit von Bandmaterial aus einer Legierung innerhalb des Bereichs der Erfindung, enthaltend 0,35 % Beryllium, 0,25 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, die bei 1000 °C lösungsgeglüht wurde, und zwar einmal im Walzzustand und einmal nach dem Kaltwalzen plus Auslagerung für 3 h bei 400 C;

Fig. 2 die Festigkeit und Bildsamkeit in Längs- und in Querrichtung des aus der Legierung nach Fig. 1 hergestellten Bandmaterials nach Lösungsglühen bei 930 ⁰C, Kaltwalzen auf verschiedene Querschnittsabnahmen zwischen 50 % und 96 % und Auslagern für 5,5 h bei 400 °C;

Fig. 3 den Einfluß verschiedener Auslagerungstempera-

turen zwischen 315 und 450 C bei einer unveränderten Auslagerungsdauer von 3 h auf die Härte von Bandmaterial aus verschiedenen Kupfer-Cobalt-BerylIium-Legierungen innerhalb des Bereichs der Erfindung nach dem Lösungsglühen bei einer Viel-

zahl von Temperaturen im Bereich von 870-1000 ⁰C

und einer Querschnittsabnahme von 72 % durch Kaltwalzen;

Fig. 4 den Einfluß der Auslagerungszeit bei einer unveränderten Auslagerungstemperatur von 400 ⁰C auf die Härte von Bandmaterial aus verschiedenen Legierungen innerhalb des Bereichs der Erfindung nach dem Lösungsglühen bei 900 ⁰C und einer Querschnittsabnahme von 90 % durch Kaltwalzen;

Fig. 5 die Beziehungen zwischen Formbarkeit und mechanischer Festigkeit in Längs- und Querorientierung von Bandmaterial aus einer Legierung innerhalb des Bereichs der Erfindung, enthaltend 0,3 % Beryllium, 0,25 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, das bei 900 °C lösungsgeglüht und auf eine Querschnittsabnahme von 72 % und von 90 % kaltgewalzt wurde, und zwar im Walzzustand und im Zustand nach Kaltwalzen plus Auslagerung für die Dauer von 5 h bei 400 ° , verglichen mit einer nichtausscheidungshärtbaren Legierung nach dem Stand der Technik, z. B. der Phosphorbronze C51000; und

Fig. 6 den Entspannungsverlauf bei 150 C und einer

Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze für Bandmaterial aus Legierungen nach der Erfindung mit 0,3-0,5 % Beryllium, 0,25 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, lösungsgeglüht und kaltgewalzt entsprechend der Erfindung und sowohl mit als auch ohne Endauslagerung geprüft; zum Vergleich wurden bekannte Legierungen auf Kupferbasis, z. B. C17200 und C52100, vorgesehen.

Die Erfindung bezieht sich auf die Behandlung von Kupfer-Beryllium-Legierungen mit ca. 0,05 % bis ca. 0,5 % Beryllium und ca. 0,05 % bis ca. 2 % Cobalt durch Lösungsglühen der

Legierung im Temperaturbereich von ca. 790 ⁰C bis ca. 1000 °C, bevorzugt ca. bei 870 °C bis ca. 930 °C, Kaltwalzen der Legierung zur Querschnittsabnahme derselben um wenigstens ca. 50 %_f bevorzugt um wenigstens ca. 70 % bis ca. 95 %, und Auslagern der kaitverformten Legierung im Temperaturbereich von ca. 315 °C bis ca. 540 °C, so daß in der ausgelagerten Legierung eine hohe Kombination von Entspannungswiderstand, Formbarkeit, Bildsamkeit, Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit erhalten wird.

Die Erfindung gründet sich auf die Entdeckung, daß Beryllium-Kupfer-Legierungen mit geringen, genau bestimmten Gehalten an Beryllium und Cobalt äußerst nützliche Kombinationen von Entspannungswiderstand, Formbarkeit und Bildsamkeit, Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit liefern können, wenn sie durch Lösungsglühen, starkes Kaltverformen und Auslagern behandelt werden. Tatsächlich wurde gefunden, daß bei der Auslagerung dieser Legierungen nach dem Kaltverformen um mehr als ca. 50 % Querschnittsabnahme sowohl die mechanische Festigkeit, bestimmt durch die 0,2-Dehngrenze, als auch die Bildsamkeit, bestimmt durch Zugdehnung, mit zunehmender Kaltverformung bis zu ca. 95 % Querschnittsabnahme oder mehr erheblich zunehmen im Vergleich mit ausgelagertem Material, das um weniger als 50 % kaltverformt ist. Die Legierungen enthalten ca. 0,05 % bis ca. 0,5 % Beryllium und ca. 0,05 % bis ca. 2 % Cobalt, und die Behandlung, die nach jedem Warmoder Kaltverformen, das zum Umformen des ursprünglichen Gußblocks zu einer Zwischenform geeigneter Abmessung erforderlich ist, umfaßt eine Lösungsglühbehandlung im Temperaturbereich von ca. 790 ⁰C bis ca. 1000 °C, bevorzugt von ca. 870 °C bis ca. 930 °C, gefolgt von Kaltverformen, etwa Kaltwalzen, zur Querschnittsverminderung der Zwischenform um wenigstens ca. 50 % bis zu ca. 70 % bis ca. 95 % oder mehr, gefolgt von Auslagern des resultierenden Profils im Temperaturbereich von ca.

^{315 c bis ca}* ^{540 0}C für weniger als ca. 1 h bis ca. 8 h. Die Behandlung unterscheidet sich von der technischen Verarbeitung von Kupfer-Beryllium-Legierungen im Ausmaß der Kaltverformung, der die Legierungen vor dem Auslagern unterworfen werden.

Die Behandlung führt in den Legierungen, die im Vergleich mit üblichen technischen Kupfer-Beryllium-Knetlegierungen wenige Legierungsbestandteile aufweisen, zu einer vorteilhaften und vollständig unerwarteten Kombination von Eigenschaften. Insbesondere weisen die Legierungen eine überlegene Kombination von Entspannungswiderstand, Formbarkeit und Bildsamkeit sowie Leitfähigkeit gegenüber bekannten Bronze-und Messinglegierungen, z. B. den Phosphorbronzelegierungen, auf und haben gleiche mechanische Festigkeit.

Die Legierungen können unter Einsatz konventioneller statischer, halbkontinuierlicher oder kontinuierlicher Gießverfahren zu Blöcken gegossen werden. Die Blöcke sind ohne weiteres und ohne Schwierigkeiten etwa durch Warm- oder Kaltwalzen verformbar. Zwischenglühschritte bei Temperaturen zwischen ca. 540 C und 9 55 C können angewandt werden. Wenn der Block auf das erwünschte Zwischenmaß reduziert ist, von dem an eine Kaltreduktion auf ein erwünschtes Endmaß mit einer vorbestimmten Kaltverformung erfolgen kann, wird ein Lösungsglühschritt angewandt. Das Lösungsglühen erfolgt bei Temperaturen von ca. 790 °C oder 815 ⁰C bis ca. 930 ⁰C oder 1000 °C. Die niedrigsten Temperaturen bewirken in manchen Legierungen keine vollständige Rekristallisation, wogegen Zwischentemperaturen in einer feineren Korngröße und besseren Formbarkeit, jedoch geringerer Festigkeit resultieren. Bei einigen Legierungen innerhalb des angegebenen Bereichs kann es zu unerwünschtem Kornwachstum kommen, das aus der Lösungsglühbehandlung bei 900 °C oder höher resultiert, aber die Festigkeit wird unter nur geringer Änderung der Leitfähigkeit verbessert. Das lösungsgeglühte Material wird dann im wesentlichen auf Endmaß kaltverformt, etwa durch Walzen, Ziehen oder ein anderes Metallumformverfahren, um eine Querschnittsabnahme um wenigstens ca. 50 %, bevorzugt um wenigstens ca. 70 % bis ca. 90 % oder mehr, zu erzielen. Das kaltverformte Material wird dann bei ca. 315 o_c

_{Dauer von ca#} -, _{h bis} ca. 8 h ausgelagert.

Die Auslagerung dient sowohl der Ausscheidungshärtung wie auch dem Spannungsarmglühen. Die Auslagerung hat den Effekt, die Festigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die Bildsamkeit und den Entspannungswiderstand der Legierung erheblich zu steigern. Die Formbarkeit wird ebenfalls merklich gesteigert. Bei Auslagerungstemperaturen von weniger als ca. 480 °C werden Auslagerungszeiten von wenigstens ca. 1 h bis ca. 7 h angewandt, während höhere Auslagerungstemperaturen eine Auslagerungsdauer von ca. 1 h oder weniger erfordern. Geringere Berylliumgehalte verlangen ebenfalls längere Auslagerungszeiten als höhere Berylliumgehalte zur Erzielung erwünschter Eigenschaftswerte.

Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.

Es wurde eine Serie von Legierungen mit den in der Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen in Blockform hergestellt. Die Blöcke wurden zu Band mit Zwischenmaß durch Warm- und Kaltwalzen, ggf. unter Zwischenglühen, umgeformt. Das bearbeitete Band wurde dann bei 900 °C oder 930 °C für die Dauer von ca. 15 min oder weniger bei dieser Temperatur lösungsgeglüht, gefolgt von schnellem Abschrecken auf Raumtemperatur. Das lösungsgeglühte Band wurde dann auf eine Querschnittsabnahme von 90 % kaltgewalzt und während der angegebenen Zeiten bei 400 °C ausgelagert. Die mechanischen Eigenschaften des Zugversuchs, Härte und Leitfähigkeit wurden bestimmt und sind in der Tabelle I angegeben, die auch die Ergebnisse der Formbarkeitsprüfung durch Biegen um 90 sowie der Entspannungsprüfung bei einer Temperatur von 150 ⁰C und einer Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze angibt.

Die Tabelle II enthält die Ergebnisse, die mit Bandmaterial aus bestimmten Legierungen der Tabelle I und zusätzlichen Zusammensetzungen im Rahmen der Erfindung erhalten wurden, wobei die letztgenannten Zusammensetzungen wie diejenigen von Tabelle I behandelt wurden mit der Ausnahme, daß sie auf 72 % kaltgewalzt und bei 400 °c ausgelagert wurden. Die Tabelle III zeigt Ergebnisse von bestimmten dieser Legierungen, die vor dem Auslagern bei 400 °c auf 50 % kaltgewalzt wurden.

Bei einem weiteren Beispiel, bei dem eine höhere Endauslagerungstemperatur während einer kürzeren Auslagerungszeit als die obengenannten Zeiten angewandt wurde, zeigte eine Legierung mit 0,34 % Beryllium und 0,25 % Cobalt, Rest Kupfer, nach dem Lösungsglühen bei 900 ⁰C, dem Kaltwalzen auf 90 % Querschnittsabnahme und der Auslagerung für 1 min bei 540 °C eine Zugfestigkeit von 662 MPa (96 ksi), eine 0,2-Dehngrenze von 607 MPa (88 ksi), eine Dehnung von 11 %, eine Rockwell-Härte von B90, eine elektrische Leitfähigkeit von 43 % IACS und eine Längsformbarkeit R/t von Null.

In einem weiteren Beispiel zeigte eine Legierung mit 0,31 % Beryllium, 0,50 % Cobalt, Rest Kupfer, nach dem Lösungsglühen und Kaltverformen wie im vorhergehenden Beispiel und Auslagerung bei 455 C für 20 min eine Zugfestigkeit von 745 MPa (108 ksi), eine 0,2-Dehngrenze von 696 MPa (101 ksi), eine Dehnung von 13 %, eine Rockwell-Härte von B95, eine elektrische Leitfähigkeit von 51 % IACS sowie eine Längsformbarkeit R/t von Null.

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TABELLE

II

Schm
Nr.

Zus. »»

XCo

Slühen
³F (⁰C)

Ausl.-Zeit I
bei 400 ⁰C
(h)

lugfest.
ksi (MPa)

0,2-Dehn
jrenze
ksi (MPa)

- Dehnung
X

Härte
Rr

el.Leitf.
X IACS

Min. 90* R/t

3uer

% Restspann. _;
in 1000 h bei

3
• 4
6
7
'9
17
18
13

XBe

0,20
0 96
.0,24
0,32
0 25
0,25
1.01
0,25

1650 (900)
1650 (900)
1650 (900)
1650 (900)
1700 (930)
1650 (900)
1650 (900)
1650 (900)

7
5
5
' ' 5
5
5
3
3

65 (448)
89 (614)
97 (669)
104 (717)
103 (710)
101 (696)
128 (882)
105 (724)

57 (393)
80 (552)
86 (593)
94 (648)
96 (662)
93 (641)
120 (827)
94 (648)

11
14
12
12
5
10
9
8

76
89
94
97
94
100
100
98

68
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48
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88 ' ' "

0,14
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9 13

TABELLE

III

Zus.

XBe XCb

0,31 0,50

0,25. 0,25

51ühen ⁰

(⁰C)

1700 (930) 1650 (900)

Ausl.-Zeit bei 400 C

(h)

iugfest. ksi (MPa)

95 (655) 100 (689)

0,2-Dehn grenze ksi (MPa)

88 (607) 88 (607)

•Dehnung χ

4 11

Härte
Rr"

87
97

α. Leitf.
X IACS

46
41

Min. 90* R/t

Längs auer

0,5

% Restspaim. 1, in .1000 h peL 150 ⁰C ³

82

CO

cn ro

co

Die Rolle der Endauslagerung in bezug auf die Verbesserung der Eigenschaften dieser lösungsgeglühten und stark kaltgewalzten Legierungen ist aus Fig. 1 ersichtlich, wo eine nahezu 50 %ige Verbesserung der Festigkeit und eine zweifache Steigerung der Bildsamkeit für Bandmaterial beobachtet wird, das aus 0,35 % Beryllium, 0,25 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, besteht, auf eine Querschnittsabnahme von 72 % kaltgewalzt und bei 400 ⁰C ausgelagert wurde; diese Rolle ist ferner aus Fig. 6 ersichtlich, wo 90 % kaltgewalztes und nichtausgelagertes Bandmaterial aus 0,31 % Beryllium, 0,25 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, einen um das 2,5fache höheren Verlust der Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze nach 1000 h bei 150 °C als das gleiche Bandmaterial nach Auslagerung bei 400 ⁰C aufweist. Der Entspannungswiderstand der geglühten, kaitverformten und ausgelagerten Legierungen nach der Erfindung nähert sich demjenigen der höherfesten ausscheidungsgehärteten Legierungen nach dem Stand der Technik, z. B. C17200, wogegen sich die Legierungen nach der Erfindung vor dem Auslagern ähnlich wie die nichtausscheidungshärtbaren kaltverformten bekannten Legierungen, z. B. C51000 und C52100, verhalten.

Eine Untersuchung dieser Beispiele zeigt, daß wenigstens ca. 0,15 % bis ca. 0,2 % Beryllium und ca. 0,1 % Cobalt, Rest Kupfer, erforderlich sind, um erwünschte Kombinationen einer elektrischen Leitfähigkeit von mehr als ca. 40 % IACS und einer Festigkeit von mehr als ca. 480 MPa (70 ksi) der 0,2-Dehngrenze zu erzielen, wenn gemäß der Erfindung vorgegangen wird, und daß bei einem Berylliumgehalt von mehr als ca. 0,5 % und einem Cobaltgehalt von mehr als ca. 1,8 % bis ca. 2 %, Rest Kupfer, keine merkliche Verbesserung der Festigkeit über ca. 900 MPa (130 ksi) hinaus erzielbar ist, wenn gemäß der Erfindung vorgegangen wird. Andererseits kann für Legierungen mit einem Berylliumgehalt von nur 0,05 % und einem Cobaltgehalt von nur 0,05 %, Rest Kupfer, eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit von mehr als ca. 60 % IACS bei mäßigen Streckgrenzen von wenigstens ca. 345 MPa (50 ksi) erzielt werden, wenn gemäß der Erfindung vorgegangen wird.

Knetlegierungsformen, die gemäß der Erfindung behandelt sind, sind nützlich für stromführende Federn, mechanische Federn, Membranen, Messerkontakte für Schalter, Kontakte, Verbinder, Anschlußklemmen, Sicherungsklemmen, Balgen, Druckguß-Stempelenden, Lagerhülsen, Formungs- und Bearbeitungswerkzeuge für Kunststoffe, Bauteile für Öl-/Kohle-Bohreinrichtungen, Widerstandsschweißelektroden und deren Komponenten, Leiterplatten etc.

Außer den Nutzgegenständen, die aus Legierungsband-, -platten-, -stangen-, -stab- und -rohrmaterial gefertigt sind, das durch die Glüh-, Kaltverformungs- und Auslagerungsschritte gemäß der Erfindung zu Fertigform bearbeitet ist, gibt es weitere Möglichkeiten für die Herstellung solcher Gegenstände im Rahmen der Erfindung. So ist die Herstellung von plattiertem, walzplattiertem oder einlegeplattiertem Band oder Draht möglich; dabei wird eine Lage eines ersten Knetmetallmaterials, z. B. eine Legierung auf Kupfer-, Nickel-, Eisen-, Chrom-, Cobalt-, Aluminium-, Silber-, Gold-, Platin- oder Palladiumbasis oder irgendeine Kombination von zwei oder mehr der vorgenannten Legierungen mit einem Substrat eines zweiten metallischen Materials verbunden, das eine Kupfer-Beryllium-Legierung innerhalb des Bereichs der Erfindung ist; die Lage bzw. Lagen des ersten metallischen Materials bzw. der Materialien werden mit der geeignet gereinigten Oberfläche des lösungsgeglühten zweiten metallischen Materials kontaktiert, die aufeinandergelegten metallischen Materialien werden kaltgewalzt (bzw. im Fall von Draht kaltgezogen) unter starker Querschnittsabnahme innerhalb des Bereichs der Erfindung, z. B. 50-70 % oder auch 90 % oder mehr, unter Erzielung einer Kaltschweißverbindung, dann wird das resultierende Mehrlagenband bzw. der Mehrlagendraht innerhalb des Bereichs der Erfindung ausgelagert, z. B. bei 315-540 ⁰C für die Dauer von weniger als 1 h bis zu ca. 8 h unter Erzielung einer erwünschten Kombination der Eigenschaften Festigkeit, Bildsamkeit, Formbarkeit, Leitfähigkeit und Entspannungswiderstand in dem das Substrat bildenden Kupfer-Beryllium-Werkstoff.

Ferner können Nutzgegenstände aus Legierungen nach der Erfindung hergestellt werden, wobei praktisch die Endform des Gegenstands durch starkes Kaltverformen, z. B. Kalthämmern, Kalteinsenken, Kaltnachschlagen oder Kaltstauchen, des lösungsgeglühten und gegebenenfalls teilweise kaltgewalzten oder -gezogenen Knetlegierungsband-, -platten-, -stab-, -stangen-, -drahtmaterials oder Schmiederohlings zur Endabmessung erzeugt wird, um eine Kaltverformung in der Legierung innerhalb des Bereichs der Erfindung, also z. B. um 50 % bis ca. 70 % oder 90 % oder mehr zu bewirken, wonach das kaltgeformte Endprodukt innerhalb des Bereichs der Erfindung ausgelagert wird, z. B. bei 315-540 C für weniger als 1 h bis zu ca. 8 h, so daß die Endprodukte erwünschte Eigenschaftskombinationen der Legierungen nach der Erfindung erhalten.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Beryllium-Legierungsmaterial aus einer Legierung, die ca. 0,05 % bis ca. 0,5 % Beryllium, ca. 0,05 % bis ca. 2 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer, enthält,

g e k e η η ζ e ichnet durch Bereitstellen der Legierung als Knetzwischenlegierung, Lösungsglühen der Legierung bei einer Temperatur zwischen ca. 7 90 °C und ca. 1000 ⁰C während einer Zeitdauer, die zur Rekristallisation und Mischkristallbildung des Teils der Legierungselemente ausreicht, die zur Ausscheidungshärtung beitragen können,

Kaltverformen der lösungsgeglühten Legierung auf eine Querschnittsabnahme von wenigstens ca. 50 % und Auslagern der kaltverformten Legierung bei einer Temperatur von ca. 315 °C bis ca. 540 ⁰C für die Dauer von weniger als 1 h bis zu 8 h unter Ausscheidungshärtung mit gleichzeitiger erheblicher Steigerung des Entspannungswiderstands, der Formbarkeit, der Bildsamkeit, der Leitfähigkeit und der Festigkeit.

2. Gegenstände und Teile, die gemäß dem"Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß die gesamte Kaltreduktion erreicht wird durch Kaltumformen einer lösungsgeglühten und gegebenenfalls teilweise kaltverformten Kupfer-Beryllium-Legierung zu im wesentlichen Endform und -maß, gefolgt von Auslagerung.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die gesamte Kaltreduktion erreicht wird durch Kaltverschweißen der Kupfer-Beryllium-Legierung mit einem oder mehreren metallischen Werkstoffen, umfassend eine Legierung auf Kupfer-, Nickel-, Eisen-, Chrom-, Cobalt-, Aluminium-, Silber-, Gold-, Platin- oder Palladiumbasis, während der Kaltverformung unter Erzeugung eines plattierten, walzplattierten oder eingelegten Knetprodukts, das dann ausgelagert wird.

4. Legierung, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 behandelt wurde,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie wenigstens ca. 0,15 % bis ca. 0,5 % Beryllium und

wenigstens ca. 0,1 % bis ca. 2 % Cobalt enthält.

5. Gegenstände und Teile aus einem Material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen "Restspannungs"-Wert von wenigstens ca. 75 % im Entspannungsversuch über 1000 h bei 150 C und eine Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze, eine Streckgrenze (0,2 % bleibende Verformung) von wenigstens ca. 480 MPa (70 ksi) bis ca. 900 MPa (130 ksi), einen Formbarkeitswert R/t von höchstens 3,5 in Längsrichtung und höchstens ca. 9,0 in Querrichtung sowie eine Leitfähigkeit von wenigstens ca. 35 % IACS aufweisen.

6. Kontaktelement, das im Betrieb mechanischer Beanspruchung unterliegt und aus einem gemäß Anspruch 1 behandelten Material besteht,

gekennzeichnet durch

einen hohen Entspannungswiderstand im Betrieb, wenn es Temperaturen bis zu ca. 150 C ausgesetzt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kaltverformung eine Querschnittsverminderung von wenigstens ca. 70 % bis ca. 95 % oder mehr ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Auslagerung bei einer Temperatur von ca. 370 C bis ca. 425 C für die Dauer von ca. 1 h bis ca. 7 h erfolgt.

9. Kupfer-Beryllium-Legierung, die gemäß Anspruch 1 bearbeitet ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie im wesentlichen aus ca. 0,2 % bis ca. 0,5 % Beryllium, ca. 0,2 % bis ca. 0,4 % Cobalt, Rest im wesentlichen Kupfer,

besteht.

10. Legierung, die gemäß Anspruch 1 bearbeitet ist, dadurch gekennzeichnet,

daß sie ca. 0,25 % bis ca. 0,5 % Beryllium und ca. 0,25 % Cobalt enthält.

11. Legierung, die gemäß Anspruch 1 bearbeitet ist, dadurch gekennzeichnet,

daß sie ca. 0,25 % bis ca. 0,5 % Beryllium und ca. 0,5 % Cobalt enthält.

12. Legierung, die gemäß Anspruch 1 bearbeitet ist, dadurch gekennzeichnet,

daß sie ca. 0,05 % bis ca. 0,2 % Beryllium und ca. 0,05 % bis ca. 0,2 % Cobalt enthält.

13. Leiterplatte od. dgl. aus einem Material nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als ca. 60 % IACS und eine 0,2-Dehngrenze von wenigstens ca. 345 MPa (50 ksi).

14. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestelltes Band-, Draht-, Stab-, Stangen- oder Rohrmaterial.

15. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 3 hergestelltes Band-, Draht-, Stab-, Stangen- oder Rohrmaterial.