DE3523047A1

DE3523047A1 - Verfahren zur herstellung von kupfer-beryllium-legierungen

Info

Publication number: DE3523047A1
Application number: DE19853523047
Authority: DE
Inventors: Nathan L. Chagrin Falls Ohio Church; W. Raymond Mentor Ohio Cribb; John C. Ladewood Ohio Harkness
Original assignee: Materion Brush Inc
Current assignee: Materion Brush Inc
Priority date: 1985-02-25
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1986-08-28
Anticipated expiration: 2005-06-28
Also published as: SE8502749L; FR2577942B1; AU4366985A; GB2171416A; SE8502749D0; BE902621A; FI852254A0; CA1241897A; IT8509534A0; DE3523047C2; JPS61195957A; GB8514786D0; US4599120A; AU577594B2; FI87804C; CH663799A5; FI87804B; JPH0542501B2; NL8502394A; FI852254L

Description

Telefon: (0 89) 4 70 60 55/56 Telex: 5 23016 Teiegramm ' cable: Zetapatent® München

Postfach 80 13 69 Lucile-Grahn-Straße 38 D-8000 München 80

Hans-Jürgen Müller Gerhard D. Schupfner Hans-Peter Gauger Patentanwälte European Patent Attorneys Mandataires en brevets europeens

27. Juni 3112. PT-

1985 ■DE HJM/Sm

Brush Wellman

17876 St. Clair Avenue

Cleveland, Ohio 44110

USA

"Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Beryllium-Legierungen"

Telefon: (0 89) 4 70 60 55/56 Telex: 5 23016
Telegramm / cable: Zetapatent® München

Postfach 8013 69
Lucile-Grahn-Straße 38
D-8000 München 80

Hans-Jürgen Müller Gerhard D. Schupfner Hans-Peter Gauger Patentanwälte European Patent Attorneys Mandataires en brevets europeens

Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Beryllium-Legierungen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein metallurgisches Verfahren für Kupferknetlegierungen, insbesondere mit geringen, eine innere Abhängigkeit aufweisenden Mengen Beryllium und Nickel oder Nickel plus Cobalt in Kombination zur Herstellung von Gebrauchsartikeln mit einer verbesserten Kombination der Eigenschaften Entspannungswiderstand, Formbarkeit, Leitfähigkeit und Festigkeit.

Kupfer-Beryllium-Legierungen werden seit etwa 50 Jahren auf vielen Anwendungsgebieten technisch eingesetzt, auf denen hohe Festigkeit, gute Formbarkeit, hoher Entspannungswiderstand und hohe Leitfähigkeit verlangt werden. Die historische Entwicklung von Kupfer-Beryllium-Legierungen und der Verfahren zu ihrer Herstellung ist allgemein in die Richtung der Bereitstellung von bestem Betriebsverhalten, also höchsten Festigkeiten, besten Bildsamkeiten und anderen hocherwünschten Eigenschaften, gegangen, wobei die Ausscheidungshärtungs-Eigenschaften dieser Legierungen genutzt wurden. 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. Technische Kupfer-

Beryllium-Legierungen umfassen auch die Legierungen, die von der Copper Development Association gekennzeichnet sind, nämlich C17500, C17510, C17000, C17200 und C17300.

In den etwa 50 Jahren seit der Erteilung der vorgenannten Patentschriften sind vollständige neue Industrien entstanden, und die Hersteller von Legierungen wurden mit neuen Anforderungen konfrontiert. So waren in den dreißiger Jahren die Bedürfnisse der Elektronik- und Computerindustrie unbekannt. Auch der Trend zur Miniaturisierung auf dem Gebiet der Elektronik und in der Computertechnik 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 Wärmeableitung sowie lange Lebensdauer von Teilen bei hohen Temperaturen ohne entspannungsbedingten Ausfall immer höher geschraubt worden. Außerdem sind die Käufer zunehmend preisbewußt geworden, und es wurden Verbinderlegierungen wie die Phosphorbronzen C51000 und C52100 aus Kostengründen eingesetzt, obwohl das schlechtere Betriebsverhalten solcher Legierungen, etwa die schlechtere Leitfähigkeit und Formbarkeit sowie der geringere Entspannungswiderstand gegenüber Beryllium-Kupfer-Legierungen bekannt war. Außerdem wurden durch die bei der Herstellung komplexer Teile aus Band oder Draht unter Einsatz von Folgeschnitt- oder anderen Formverfahren sich ergebenden Anforderungen an die Formbarkeit sowie durch das Erfordernis eines höheren Entspannungswiderstands für die heutigen Anwendungen als hochzuverlässige elektrische und elektronische Verbinder, Schalter und Relais die Schwierigkeiten für die Hersteller von Legierungen noch gesteigert gegenüber den einfacheren Zeiten der US-PS'en 1 893 984 und 2 289 593, bei denen die Zusammensetzungen und die Behandlung von Kupfer-Beryllium-Legierungen nur dem Zweck dienten, ein maximales Verhältnis zwischen Festigkeit und Leitfähigkeit zu erzielen, und Überlegungen hinsichtlich Formbarkeit oder Entspannungsverhalten nicht angestellt wurden.

Bekannte Verfahren zur Erzeugung von Knetwerkstoffen (d. h. Band-, Platten-, Draht-, Stangen-, Stab-, Rohrgut etc.) aus Kupfer-Beryllium-Legierungen richten sich im allgemeinen auf Legierungen mit dem besten Betriebsverhalten, die Beryllium- und größere Drittelementgehalte aufweisen, die an die Zusammensetzung der technischen Legierungen C17500, C17510 und C17200 erinnern. Diese Verfahren umfassen im allgemeinen die Schritte: Herstellen der Legierungsschmelze, Gießen eines Blocks, Umformen des Blocks zu einer Knetform durch Warm- und/oder Kaltverformen, ggf. unter Zwischenglühen zur Erhaltung der ümformbarkeit der Legierung, Lösungsglühen der Knetform durch Erwärmen auf eine ausreichend hohe Temperatur, um eine Rekristallisation der Legierung und die Festlösung des Berylliums in der Kupfermatrix zu bewirken, und anschließendes rasches Abschrecken der Legierung, um das Beryllium in der übersättigten Festlösung zu halten, ggf. Kaltverformen der lösungsgeglühten Knetform um einen vorbestimmten Betrag zur Steigerung der späteren Festigkeit nach Auslagerung, anschließendes Auslagern der ggf. kaltverformten Knetform bei Temperaturen, die unterhalb der Lösungsglühtemperatur liegen, um erwünschte Kombinationen von Festigkeit und Bildsamkeit zu erhalten. Diese 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 außerdem lehren, daß optimale Lösungsglüh- und Auslagerungstemperaturbereiche von der Legierungszusammensetzung abhängen und daß die Auslagerung entweder vor, während oder nach der Fabrikation der lösungsgglühten und ggf. kaltverformten Knetform zu einem Produkt (z. B. einer elektrisch leitenden Feder, einer Druckschweißelektrode od. dgl.) mittels bekannter Metallformungsverfahren durchgeführt werden kann.

Bekannte Legierungen auf Kupferbasis, die nicht auslagerungsfähig sind (wie die Phosphorbronzen C51000 und C52100) und ihre Festigkeit ausschließlich durch Kaltverformung erhalten, werden häufig über eine Querschnittsabnahme von wesentlich

mehr als 50 % hinaus kaltverfonnt, um technisch akzeptable Festigkeitswerte zu erhalten. Im Fall bekannter Kupfer-Beryllium-Legierungen beschränkt sich die letzte Kaltverformung, die zwischen dem Lösungsglühen und dem Auslagern stattfindet - abgesehen von der Kaltverformung, die mit den Metallformungsschritten zur Teliefert igung einhergeht -, im wesentlichen auf Werte, die unterhalb einer Querschnittsabnahme von ca. 50 % liegen. So beschreiben die US-PS'en 3 138 493, 3 196 006, 4 179 314 und 4 425 168 Verfahren, bei denen die Kaltreduktion vor der Auslagerung zwischen einem Minimalwert von 3 % und einem Maximalwert von 42 % liegt. Eine Erklärung für diese Einschränkung der Kaltverformung bei den bekannten technischen Kupfer-Beryllium-Legierungen findet sich in der Veröffentlichung "Wrought Beryllium Copper", 1982, von Brush Wellman Incorporated, die aufzeigt, daß die Bildsamkeit im Walzzustand (und damit die Formbarkeit - also der kleinste Biegeradius ohne Bruch bei Biegen um 9 0 oder 180 in einem Formungsschritt) auf technisch unannehmbare Werte abnimmt, wenn die Kaltreduktion über mehr als 40 % hinausgeht, und daß die Festigkeit bei Kaltverformung nach der Auslagerung bei einer Kaltreduktion von ca. 30-40 % einen relativen Höchstwert hat, jedoch bei stärkerer Kaltverformung abnimmt, wenn die Legierungen innerhalb technisch empfohlener Perioden und Temperaturbereiche ausgelagert werden.

In der eigenen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 550 631 ist ein verbessertes Verfahren für eine technische Kupfer-Beryllium-Nickel-Legierung C17510 angegeben, wobei eine Kaltverformung von bis zu ca. 90 % zwischen einer speziellen Hochtemperatur-Lösungsglühbehandlung zur Bildung einer nickelreichen Ausscheidung und einem Niedrigtemperatur-Auslagerungsschritt stattfindet zu dem Zweck, Kombinationen an Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit zu erzielen, die bisher bei C17500 und C17510 nicht erzielbar waren, wobei nur geringe oder überhaupt keine Verluste an Formbarkeit und Entspannungswiderstand auftreten. Die US-PS 2 289 593 zeigt ebenfalls Kupfer-Beryllium-Nickel-Legierungen, die in einem Fall bis zu 80 %

vor der Auslagerung kaltverformt wurden, aber dieser Fall bezieht sich auf eine Legierung, die wenigstens 1,47 % Ni enthält, und es ist nur die elektrische Leitfähigkeit angegeben.

Die Eigenschaft der Entspannung ist ein wesentlicher KonstruK-tionsparameter, der dem Konstrukteur die Gewähr geben kann, daß ein bestimmter Kontakt, Steckverbinder od. dgl. den erforderlichen Kontaktdruck beibehält, um eine lange Lebensdauer einer damit bestückten Einheit sicherzustellen. 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 bestimmen, um wieviel die Federkraft bei Raumtemperatur erhöht werden muß, um eine bestimmte Mindestkraft bei Betriebstemperatur zu gewährleisten, so daß der elektrische Kontakt zwischen zusammengefügten Teilen über einen langen Zeitraum aufrechterhalten wird.

Von den höhere Festigkeit aufweisenden berylliurnhaltigen auslagerungsfähigen Legierungen wie C17200, die ca. 2 % Beryllium enthält, ist bekannt, daß sie einen hohen Entspannungswiderstand haben. Dagegen weisen die erheblich billigeren Phosphorbronzen wie C51000 und C52100, die nichtauslagerungsfähig sind und zur Erzielung hoher Festigkeit stark kaltverformt werden müssen, einen schlechten Entspannungswiderstand auf.

Im vorliegenden Zusammenhang wird der Entspannungswiderstand durch die in der Veröffentlichung "Stress Relaxation of Beryllium Copper Strip in Bending" von Harkness und Lorenz, 30th Annual Relay Conference, Stillwater, Oklahoma, 27./28. April 1982, angegebene Prüfung bestimmt. Gemäß dieser Prüfung werden Flachfederproben mit konischer Meßlänge in einer Einspannvorrichtung auf eine gleichbleibende Anfangsspannung gespannt und mit der Einspannvorrichtung im gespannten Zustand erhöhten Temperaturen wie etwa 150 ⁰C 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 wird bestimmt durch Biegen einer Flachfederprobe um einen Biegestempel, der eine Nase mit veränderlichem bekanntem Radius aufweist, wobei als Ausfall der Punkt angenommen wird, bei dem ein Riß des äußeren Fasergefüges der Biegestelle auftritt. Eine Bewertung der Probe erfolgt auf der Basis der Größe R/t, wobei R der Radius der kleinsten Stempelnase, bei der kein Riß auftritt, und t die Dicke des Bandmaterials 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.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren angegeben zur Erzeugung von auslagerungsfähigen Kupfer-Beryllium-Legierungen mit geringen Mengen Nickel, wobei ein Teil des Nickelgehalts durch Cobalt ersetzt werden kann; die Legierungen haben einen Entspannungswiderstand, der dem der technischen Kupfer-Beryllium-Legierungen mit der höchsten Festigkeit angenähert ist, sowie hohe Formbarkeit und Bildsamkeit, hohe Leitfähigkeit und nutzbare Festigkeit. Die eigene US-Patentanmeldung Serial-Nr. 623 463 bezieht sich auf ein Verarbeitungsverfahren für Kupfer-Beryllium-Legierungen, die geringe Mengen Cobalt enthalten.

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

Fig. 1 den Einfluß der Kaltverformung bei einer Querschnittsabnahme zwischen 0 und 93 % auf die Festigkeit und Bildsamkeit von Bandmaterial aus zwei Legierungen innerhalb des Bereichs der Erfindung, deren eine 0,26 % Beryllium, 0,47 %

Nickel, Rest im wesentlichen Kupfer und deren andere 0,27 % Beryllium, 0,71 % Nickel, Rest Kupfer enthält, die beide bei 925 ⁰C lösungsgeglüht sind; dabei sind die Eigenschaften einmal für den Walzzustand und einmal nach Kaltwalzen plus Auslagern für 7 h bei 370 °C angegeben;

Fig. 2 zeigt die 0,2-Dehngrenze und das Zugdehnungsverhalten nach Auslagerung von zwei Legierungen innerhalb des Bereichs der Erfindung, deren eine 0,29 % Beryllium, 0,49 % Nickel, Rest Kupfer und deren andere 0,29 % Beryllium, 0,30 % Nickel, 0,16 % Cobalt, Rest Kupfer enthält, und zwar nach Lösungsglühen bei 900 C, Kaltwalzen auf 72 % Querschnittsabnahme und Auslagerung bei 400 °C für 0-7 h;

Fig. 3 zeigt die 0,2-Dehngrenze und das Zugdehnungsverhalten nach Auslagerung einer Legierung innerhalb des Bereichs der Erfindung, die 0,27 % Beryllium, 0,54 % Nickel, Rest Kupfer enthält, nach Lösungsglühen bei 925 °C, Kaltverformen um 72 % bzw. 90 % und Auslagerung bei 400 ⁰C für 0-7 h; und

Fig. 4 zeigt den Entspannungsverlauf bei einer Temperatur von 150 °C und einer Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze für Bandmaterial aus zwei Legierungen nach der Erfindung, deren eine 0,29 % Beryllium, 0,49 % Nickel, Rest Kupfer und deren andere 0,29 % Beryllium, 0,30 % Nickel, 0,16 % Cobalt, Rest Kupfer enthält, beide Legierungen bei 900 C lösungsgeglüht, auf eine Querschnittsabnahme von 90 % kaltgewalzt und für 5 h bei 400 °C ausgelagert; zum Vergleich sind bekannte Legierungen auf Kupferbasis, z. B. die ausgelagerten Legierungen C17500, C17510 und C17200 und die kaltverformte Legierung C52100, angegeben.

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. 1 % Nickel, wobei Cobalt bis zu etwa die Hälfte des Nickelgehalts ersetzen kann, und zwar in einem Substitutionsverhältnis von ca. 1 Gewichtsteil Cobalt auf 2 Gewichtsteile Nickel. Die Behandlung umfaßt das Lösungsglühen der Legierung im Temperaturbereich von ca. 870-1000 °C, bevorzugt von ca. 870-930 °C, das Kaltverformen der Legierung auf eine Querschnittsabnahme um wenigstens ca. 50 %, bevorzugt um wenigstens 70-95 %, und das Auslagern der kaitverformten Legierung im Temperaturbereich von ca. 315-540 C für Perioden zwischen weniger als 1 h bis ca. 8 h, um in der ausgelagerten Legierung eine hohe Kombination von Entspannungswiderstand, Formbarkeit, Bildsamkeit, Leitfähigkeit und Festigkeit zu erzielen.

Die Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß Beryllium-Kupfer-Legierungen mit geringen, bestimmten Beryllium- und Nickelgehalten, bei denen ein Teil des Nickelgehalts durch eine bestimmte Cobaltmenge ersetzt sein kann, sehr vorteilhafte Kombinationen von Entspannungswiderstand, Formbarkeit und Bildsamkeit, Leitfähigkeit und Festigkeit ergeben können, wenn sie lösungsgeglüht, stark kaltverformt und ausgelagert werden. Es wurde sogar gefunden, daß nach Auslagerung dieser Legierungen anschließend an eine Kaltverformung mit einer Querschnittsabnahme von mehr als ca. 50 % sowohl die Festigkeit, bestimmt durch die 0,2-Dehngrenze, als auch die Bildsamkeit, bestimmt durch die Zugdehndng, mit zunehmender Kaltverformung bis zu einer Querschnittsabnahme von ca. 95 % oder mehr erheblich ansteigen gegenüber ausgelagerten Werkstoffen, die auf eine Querschnittsabnahme von weniger als 50 % kaltverformt sind. Die Legierungen enthalten ca. 0,05 % bis ca. 0,5 % Beryllium und ca. 0,05 % bis ca. 1 % Nickel, wobei bis zur Hälfte des Nickelgehalts durch Cobalt ersetzt werden kann, und zwar in einem Substitutionsverhältnis von ca. 1 Gewichtsteil Cobalt auf 2 Gewichtsteile Nickel, und die nach dem Warm- oder Kaltverformen zur Umformung des Ursprung-

lichen Gußblocks in eine Zwischenform mit geeigneten Maßen angewandte Behandlung umfaßt Lösungsglühen im Temperaturbereich von ca. 870-1000 °C, bevorzugt von ca. 870-930 °C, gefolgt von Kaltverformen, z. B. durch Walzen, unter Querschnittsverringerung der Zwischenform um wenigstens ca. 50 % bis zu ca. 70-95 % oder mehr, gefolgt von Auslagern des resultierenden kaltverformten Profils im Temperaturbereich von ca. 315-540 °C für die Dauer von weniger als ca. 1 h bis zu ca. 8 h. Die Behandlung unterscheidet sich von der technischen Verarbeitung von Kupfer-Beryllium-Legierungen hinsichtlich des Grads der angewandten Kaltverformung vor der Auslagerung und unterscheidet sich von dem Verfahren gemäß der US-Patentanmeldung Nr. 550 631 hinsichtlich der angewandten Lösungsglühtemperaturen und dadurch, daß bei solchen Lösungsglühtemperaturen keine nickelreiche Ausscheidung gebildet wird.

Durch die Behandlung entsteht in den Legierungen, die gegenüber technischen Kupfer-Beryllium-Knetlegierungen nur wenige Legierungsbestandteile aufweisen, eine nützliche und völlig unerwartete Kombination von Eigenschaften. Insbesondere zeigen die Legierungen eine überlegene Kombination von Entspannungswiderstand, Formbarkeit und Bildsamkeit sowie Leitfähigkeit gegenüber bekannten Bronze- und Messinglegierungen, z. B. den Phosphorbronzen, und haben gleiche Festigkeit wie diese.

Die Legierungen werden zu Blockform unter Anwendung konventioneller statischer, halbkontinuierlicher oder kontinuierlicher Gießverfahren gegossen. Die Blöcke können ohne Schwierigkeiten etwa durch Warm- oder Kaltwalzen verformt werden. Es können Zwischenglühschritte bei Temperaturen zwischen ca. 540 °C und 955 ⁰C angewandt werden. Nachdem der Block auf das erwünschte Zwischenmaß reduziert ist, von dem aus die Kaltreduktion zu einem erwünschten Endmaß mit einem vorbestimmten Kaltverformungsgrad erfolgen kann, wird ein Lösungsglühschritt angewandt. Das Lösungsglühen erfolgt bei einer Temperatur von ca. 870-930-1000 °c. Unter diesem Bereich liegen-

- νσ - :

de Temperaturen bewirken in einigen Legierungen keine vollständige Rekristallisation. Mit Temperaturen am unteren Bereichsende werden eine feinere Korngröße und bessere Formbarkeit, jedoch geringere Festigkeit erhalten. Bei manchen Legierungen kann innerhalb des genannten Bereichs ein unerwünschtes Kornwachstum auftreten, das aus der Anwendung von 950 °C oder mehr beim Lösungsglühen resultiert. Der lösungsgeglühte Werkstoff wird dann im Wesentlichen auf Endmaß kaitverformt, etwa durch Walzen, Ziehen oder andere Metallformungsverfahren, wodurch der Werkstoffquerschnitt um wenigstens ca. 50 %, bevorzugt um wenigstens ca. 70-90 % oder mehr, reduziert wird. Der kaltverformte Werkstoff wird dann bei einer Temperatur im Bereich von ca. 315-540 C für die Dauer von weniger als 1 h bis ca. 8 h ausgelagert.

Die Auslagerung stellt sowohl eine Ausscheidungshärtungs- als auch eine Stabilisierungs-Wärmebehandlung dar. Sie bewirkt, daß die Festigkeit erhöht und gleichzeitig die Bildsamkeit und der Entspannungswiderstand der Legierung erheblich gesteigert werden. Auch die Formbarkeit wird merklich gesteigert. Bei Auslagerungstemperaturen unter ca. 400 C kommen Auslagerungszeiten von wenigstens ca. 1 h bis ca. 7 h zur Anwendung, während höhere Auslagerungstemperaturen eine Auslagerungszeit von ca. 1 h oder weniger erfordern. Geringere Berylliumgehalte verlangen ebenfalls längere Auslagerungszeiten als höhere Berylliumgehalte, um die erwünschten Eigenschaftswerte zu erhalten.

Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.

Eine Serie von Legierungen mit den in der Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen wurde in Blockform erzeugt. Die Blöcke wurden durch Warm- und Kaltwalzen, ggf. unter Zwischenglühen, zu Bandform mit Zwischenmaß umgeformt. Das bearbeitete Band wurde dann bei den in der Tabelle I angegebenen Temperaturen während ca. 5 min oder kürzer bei der genannten Temperatur lösungsgeglüht, gefolgt von sehr schnellem Ab-

schrecken auf Raumtemperatur. Das lösungsgeglühte Bandmaterial wurde dann auf eine Querschnittsabnahme von 72 % kaltgewalzt und während der Zeiten und bei den Temperaturen gemäß der Tabelle ausgelagert. Die Zugeigenschaften, die Härte und die Leitfähigkeit wurden bestimmt und sind in der Tabelle angegeben. Zum Vergleich: Bandproben der Schmelzen 4 und 5, die in der vorgenannten Weise bis zur Kaltreduktion um 72 % bearbeitet, jedoch nicht ausgelagert wurden, zeigten im Walzzustand Zugeigenschaften von 450-460 MPa (65,5-67,3 ksi) Zugfestigkeit, 440-455 MPa (63,8-66,1 ksi) 0,2-Dehngrenze, 5,2-5,6 % Dehnung, eine Rockwellhärte HR B 78 und eine elektrische Leitfähigkeit von 43,9-44,1 % IACS.

Die Tabelle II enthält die Ergebnisse, die mit Bandmaterial aus bestimmten Legierungen der Tabelle I und einer weiteren Zusammensetzung gemäß der Erfindung erhalten wurden, wobei die letztgenannte Zusammensetzung ebenso wie die Legierungen von Tabelle I behandelt, jedoch vor der Auslagerung auf eine Querschnittsabnahme von 82 % kaltgewalzt wurde.

Die Tabelle III zeigt Resultate für bestimmte Legierungen der Tabellen I und II, die in der angegebenen Weise vor dem Auslagern auf Querschnittsabnahmen von 90-93 % kaltgewalzt wurden, und umfaßt Resultate von 90 -Biegeformbarkeitsprüfungen und Entspannungsprüfungen bei 150 ⁰C und einer Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze. In diesem Fall zeigt die Bandprobe der Schmelze 3, die auf eine Querschnittsabnahme von 90 % durch Kaltwalzen bearbeitet, jedoch nicht ausgelagert wurde, Zugeigenschaften im Walzzustand von 545 MPa (79,0 ksi) Zugfestigkeit, 525 MPa (75,9 ksi) 0,2-Dehngrenze, 2,5 % Dehnung, Rockwellhärte HR B 82 und 42,4 % elektrische Leitfähigkeit nach IACS. Die 90°-Biegeformbarkeit im Walzzustand in Längsrichtung (Mindestwert R/t ohne Riß) war Null.

Bei einem anderen Beispiel erzielte eine Legierung mit 0,29 % Be, 0,26 % Co, Rest Kupfer, lösungsgeglüht bei 900 °C, auf eine Querschnittsabnahme von 90 % kaltgewalzt und während 5 h

bei 400 ausgelagert, folgende Eigenschaften: 757 MPa (107 ksi) Zugfestigkeit, 676 MPa (98 ksi) 0,2-Dehngrenze, 9 % Dehnung, Rockwellhärte HR B 98, elektrische Leitfähigkeit 55 % IACS, Mindestbiegeformbarkeit um 90° in Längsrichtung (R/t) 1_r5 und "Restspannungs"-Wert 88 % nach 1000 h bei 150 ⁰C und einer Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze.

In einem weiteren Beispiel wies eine Legierung mit 0,30 % Be, 0,49 % Co., Rest Kupfer, lösungsgeglüht bei 930 ⁰C, auf eine Querschnittsabnahme von 90 % kaltgewalzt und für 5 h bei 400 ⁰C ausgelagert, folgende Eigenschaften auf: 869 MPa (126 ksi) Zugfestigkeit, 827 MPa (120 ksi) 0,2-Dehngrenze, 7 % Dehnung, Rockwellhärte HR B 101, 55 % elektrische Leitfähigkeit nach IACS und Mindestbiegeformbarkeit um 90° in Längsrichtung (R/t) 0,6.

Die Wichtigkeit der Endauslagerung hinsichtlich der Verbesserung der Eigenschaften dieser lösungsgeglühten und stark kaltverformten Legierungen ist außerdem aus Fig. 1 ersichtlich, wo eine Festigkeitszunahme um 11 % und eine sechsfache Steigerung der Bildsamkeit für Bandmaterial erhalten wurde, das aus 0,26 % Be, 0,47 % Ni, Rest Kupfer bestand, auf eine Querschnittsabnahme von 90 % kaltgewalzt war und bei 370 C ausgelagert wurde. Ebenso wurde eine Festigkeitssteigerung um 23 % und eine fünffache Steigerung der Bildsamkeit für Bandmaterial aus 0,27 % Be, 0,71 % Ni, Rest Kupfer, das auf eine Querschnittsabnahme von 90 % oder mehr kaltgewalzt war, nach Auslagerung bei der gleichen Temperatur beobachtet.

Wie Fig. 4 zeigt, ist der Entspannungswiderstand der geglühten, stark kaltverformten und ausgelagerten Legierungen nach der Erfindung ähnlich demjenigen des technischen Bandmaterials C17500 und C17510, er ist demjenigen der höhere Festigkeit aufweisenden ausscheidungsgehärteten bekannten Legierungen, z. B. C17200, angenähert, und zeigt eine erhebliche Ver-

besserung gegenüber den nichtausscheidungshärtbaren kaltverformten bekannten Legierungen wie C51000 und C52100, die vergleichbare Festigkeit aufweisen.

Die Analyse dieser Beispiele ergibt, daß wenigstens ca. 0,15 % bis ca. 0,2 % Beryllium und ca. 0,2 % Nickel, Rest Kupfer, notwendig sind, um erwünschte Kombinationen einer elektrischen Leitfähigkeit von mehr als 40 % IACS und einer Festigkeit von mehr als ca. 480 MPa (70 ksi) der 0,2-Dehngrenze bei Behandlung nach der Erfindung zu erzielen, und daß bei einem Berylliumgehalt von mehr als ca. 0,5 % und einem Nickelgehalt von mehr als ca. 0,9-1 %, Rest Kupfer, bei Behandlung nach der Erfindung keine merkliche Verbesserung der Festigkeit über 825 MPA (120 ksi) hinaus, jedoch eine erhebliche Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit eintritt. Andererseits kann eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit von mehr als ca. 60 % IACS bei mittleren Festigkeiten von wenigstens ca. 345 MPa (50 ksi) mit Legierungen erhalten werden, die nur 0,15 % Beryllium und 0,1 % Nickel, Rest Kupfer, enthalten, wenn sie nach der Erfindung behandelt werden. Ferner zeigt die Untersuchung dieser Beispiele, daß jeder Teil des Nickelgehalts dieser Legierungen nach der Erfindung durch Cobalt in einem ungefähren Substitutionsverhältnis von ca. 1 Gewichtsteil Cobalt auf ca. 2 Gewichtsteile Nickel ersetzt werden kann und etwa vergleichbare mechanische und physikalische Eigenschaften bei einem bestimmten Berylliumgehalt erzielt werden können.

Knetlegierungen, die gemäß der Erfindung behandelt wurden, eignen sich für stromführende Federn, mechanische Federn, Membranen, Messerkontakte für Schalter, Kontakte, Steckverbinder, Anschlußklemmen, Sicherungsklemmen, Balgen, Druckguß-Stempelenden, Lagerhülsen, Formungs- und Bearbeitungswerkzeuge für Kunststoffe, Bauteile für Öl-VKohle-Bohreinrichtungen, Widerstandsschweißelektroden und deren Bauteile, Leiterplatten etc.

Außer den Gebrauchsartikeln, 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 zur Herstellung solcher Artikel 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 dieser Legierungen mit einem Substrat eines zweiten metallischen Werkstoffs metallurgisch verbunden, der eine Kupfer-Beryllium-Legierung innerhalb des Bereichs der Erfindung ist; die Lage bzw. Lagen des ersten metallischen Werkstoffs bzw. der Werkstoffe werden mit der zweckmäßig gereinigten Oberfläche des lösungsgeglühten zweiten metallischen Werkstoffs kontaktiert, die aufeinandergelegten metallischen Werkstoffe werden kaltgewalzt (oder im Fall von Draht kaltgezogen) unter starker Querschnittsabnahme innerhalb des Bereichs der Erfindung, z. B. auf 50 % bis 70 % oder auch 90 % oder mehr, unter Bildung einer Kaltschweißverbindung, dann wird das resultierende Mehrlagenband bzw. der Mehrlagendraht innerhalb des Bereichs der Erfindung ausgelagert, z. B. bei 315-540 C für die Dauer von weniger als 1 h bis ca. 8 h unter Erzielung einer erwünschten Kombination der Eigenschaften Festigkeit, Bildsamkeit, Formbarkeit, Leitfähigkeit und Entspannungswiderstand in dem das Substrat bildenden Kupfer-Beryllium-Werkstoff.

Außerdem können Gebrauchsartikel aus Legierungen nach der Erfindung hergestellt werden, wobei praktisch die Endform des Artikels durch starkes Kaltverformen, z. B. Kalthämmern, Kalteinsenken, Kaltnachschlagen oder Kaltstauchen, des lösungsgeglühten und ggf. teilweise kaltgewalzten oder -gezogenen Knetlegierungsband-, -platten-, -stab-, -stangen-, -drahtmaterials oder Schmiederohlings auf Endmaß erzeugt wird, um eine Gesamtkaltverformung in der Legierung innerhalb des

Bereichs der Erfindung, ζ. B. um 50 % bis ca. 70 % oder 90 %

oder mehr, zu bewirken, wonach das kaitverformte Endprodukt

innerhalb des Bereichs der Erfindung ausgelagert wird, z. B.

bei 315-540 C für die Dauer von weniger als 1 h bis ca. 8 h, so daß die Endprodukte erwünschte Eigenschaftskombinationen der Legierungen nach der Erfindung erhalten.

JLi

H (U i-l

OO I CTl I I ι IVOlOOl I« ICO I I

o*' o^K' ' ' Ό-'ο" ¹O-¹O*¹ '

iincMOcooococMO'aT-HOrvOocoin

) vo ■ ro

lOööototoioor^crtOtocboiotoöoScTi

t-4 r-H

O Ul CM «»· CO VO *J- VO CMtO VO CM Ot CM *H CO VO CO Ul «Ή I CM ^* I CM I O I I HHtiHHrIH V-HrH t—I «-H SU)OOOU)OO iOU) IU) IU) ι ι NVICNHIOCn INCfI 1Ol I O I I

^^ I^ ^D VQI ^O Γ*^ *CT "tf OQ f*^ Wl f¹^·

f*OO<n<0«CftAlOr-l Cn ir> OO CM

i-t^nviorotDH ivin i«o in ι ι

O O O) Ol Ol O *O Γ**· I v—l ·—* I OQ I CD ι I

tr» in o o* to u*)ou)ioo ίο ίο ι t

Γ*» OO O ^tT f"^ O Ul OQ I O O) I O I f**· I I

fN* f^« Γ^* I*** f^· OO t/> Ul O) OO !**■· f*s

<tr tA Ot <o η ο co u) oo co <n

INWNOI^ I HOt lr-4 IC^J I I IOOHNCO ΙΓΟΙΝ 1 Ol H I I

οοοοοοοοοοροοοο

NNNKNNNNOSONOr

οοορο

NOSwO

mrrc«)»«i(

oooonooooo

-nooioiSSSP^

moooooo

.QQOQOOOQOQQOOOO iOOU)Ou)OOOU)OOOOUio ■ ~ ^ - ^Vorr^r^rr^r^rrVOr

O VO O CO llllllllllllli-Hf-Hr-tO

ood'o'oo'cs'oo'cs'oo cTcTcTo o

Tabelle II

¹¹ '* H] w "ΉΓIMtT⁸'

iSchm.
Nr.

Zusaittnens. (Rest Cu)

Glühen

Auslagern

Sugfestigceit

0,2-Dehn-

Dehnung Ii l 50 nut

el.Leitf.

% IACS

biegung k/t

ITST

X Co

0.19
0,29
0,50
0,49

0,10 0,49

ojio

0,96

1700 1700 1700 1700

930 930 930 930

700 700 700 700

370 370 370 370

70,0 107,4

80,7 132,1

400 740 5b5 910

63,3

96,4

66,9

121,4

435 665 460 835

6,7

9,9

13*,4

8,5

61,1
54,6
43,8
44,1

0,6 0,4 0,6 0,6

Tabelle III

behm	ausammens.	% Ni	% Co	Glühen	"C	Auslagern	"C	η	3	üugrestig-	M.'a	u_f 2-	uehn~.	MPa	jehnung in	ttodkw.	2l.Lei.tf.	₃iegung_o	% westsbah
Nr.	(Rest Cu)	0,10			950	"f	425	7	keit	410	grenze	320	>O mm	härte	% 1ACÜ ■'■'	HA
	% Be	0,96	..	1750	900	800	370	7	ksT	735	ksi	605	i	HR B	65,8	0
17	0,19	Oj54	..	1650	930	700	370	5	59,7	765	46,8	650	15,5	29	56,8	1,0
1	0,19	0,49	._	1700	900	700	400	7	107,0	■ -	99,4	645	96	81	55,'I	0	-_ ■
3	0,27	071	..	1650	930	750	370	5	111,2	810	94,2	740	13 1	96		-_-	-_
5	0,29	o!%		1700	9UO	700	425	7		615	93,3	530		__	56,0	0,4	•88,8
6	0,26	o;3o	0,16	16bO	9!/)	800	370	5	117,5	7'Ji)	107,1	73Γ)	10,5	97	50,6	0,5
10	0,49	0,30	0,16	IGfiO	900	700	400	69,4	--	77,4	715	16,3	69	53,'?	0,2	--
14	0,29			1650		7M)		115,1	106,3	10,«	94			--
14	0,29					10-1,2	--	--		«7,0

Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Beryllium-Legierungswerkstoff aus einer Legierung, die ca. 0,05 % bis ca. 0,5 % Beryllium, ca. 0,05 % bis ca. 1 % Nickel, Rest im wesentlichen Kupfer enthält, wobei bis zur Hälfte des Nickelgehalts durch Cobalt in einem Substitutionsverhältnis von ca. 1 Gewichtsteil Cobalt auf ca. 2 Gewichtsteile Nickel ersetzbar ist,

gekennzeichnet durch

Bereitstellen der Legierung in einer Zwischenprodukt-Knetform, Lösungsglühen der Legierung bei einer Temperatur zwischen ca. 8 70 °C und ca. 1000 ⁰C über einen Zeitraum, der zur Rekristallisation und Festlösung desjenigen 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 im Bereich von ca. 315 C bis ca. 540 ⁰C für die Dauer von weniger als 1 h bis zu ca. 8 h

unter Ausscheidungshärtung mit gleichzeitiger erheblicher Steigerung des Entspannungswiderstands, der Formbarkeit, Bildsamkeit, Leitfähigkeit und Festigkeit.

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

dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkaltreduktion durch Kaltformung einer lösungsgeglühten und ggf. teilweise kaltverformten Kupfer-Beryllium-Legierung zu im wesentlichen Endform und -maß erzielt wird und anschließend eine Auslagerung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Gesamtkaitverformung 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 des Kaitverformens unter Erzeugung eines plattierten, walzplattierten oder einlegeplattierten Knetprodukts erzielt wird, das anschließend ausgelagert wird.

4. Legierung, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bearbeitet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ca. 0,15 % bis ca. 0,5 % Beryllium und wenigstens ca. 0,2 % bis ca. 1 % Nickel enthält, wobei bis zu ca. die Hälfte des Nickelgehalts durch Cobalt in einem Substitutionsverhältnis von ca. 1 Gewichtsteil Cobalt auf ca. 2 Gewichtsteile Nickel ersetzbar ist.

5. Artikel und Teile aus einem Werkstoff nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Restspannungswert von wenigstens ca. 80 % in der Entspannungsprüfung über 500 h bei 150 °C bei einer Anfangsspannung von 75 % der 0,2-Dehngrenze, eine 0,.2-Dehngrenze von wenigstens ca. 480-900 MPa (70-120 ksi), einen Formbarkeitswert R/t von nicht mehr als 3,5 in Längs-und nicht mehr als ca. 9.0 in Querrichtung sowie eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens ca. 35 % IACS.

6. Im Betrieb unter mechanischer Spannung stehendes Kontaktelement aus einem gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bearbeiteten Werkstoff,

gekennzeichnet durch

hohen Entspannungswiderstand im Betrieb bei Beaufschlagung mit

Temperaturen bis zu ca. 150 ⁰C.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kaltverformung einer Querschnittsabnahme von wenigstens 70 % bis ca. 95 % oder mehr entspricht.

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 stattfindet.

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

dadurch gekennzeichnet,

daß sie im wesentlichen aus ca. 0,2 % bis ca. 0,5 % Beryllium, ca. 0,2 % bis ca. 0,5 % Nickel, Rest im wesentlichen Kupfer besteht, wobei bis zu etwa die Hälfte des Nickelgehalts durch Cobalt in einem Substitutionsverhältnis von ca. 1 Gewichtsteil Cobalt auf ca. 2 Gewichtsteile Nickel ersetzbar ist.

10. Legierung, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bearbeitet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß sie ca. 0,25 % bis ca. 0,5 % Beryllium und ca. 0,5 % Nickel enthält, wobei bis zu etwa die Hälfte des Nickelgehalts durch Cobalt in einem Substitutionsverhältnis von ca. 1 Gewichtsteil Cobalt auf ca. 2 Gewichtsteile Nickel ersetzbar ist.

11. Legierung, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bearbeitet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß sie ca. 0,25 % bis ca. 0,5 % Beryllium und ca. 0,7 % bis ca. 1 % Nickel enthält, wobei bis zu etwa die Hälfte des Nickelgehalts durch Cobalt in einem Substitutionsverhältnis von ca. 1 Gewichtsteil Cobalt auf ca. 2 Gewichtsteile Nickel ersetzbar ist.

12. Legierung, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 bearbeitet ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie ca. 0,05 % bis ca. 0,2 % Beryllium und ca. 0,05 % bis ca. 0,2 % Nickel enthält, wobei bis zu etwa die Hälfte des Nickelgehalts durch Cobalt in einem Substitutionsverhältnis von ca. 1 Gewichtsteil Cobalt auf ca. 2 Gewichtsteile Nickel ersetzbar ist.

13. Leiterplatte od. dgl. aus einem Werkstoff nach Anspruch 12,

gekennzeichnet durch

eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als ca. 60 % IACS und

eine 0,2-Dehngrenze von mindestens 345 MPa (50 ksi).

14. Nach dem Verfahren von Anspruch 1 hergestelltes Band-, Draht-, Stab-, Stangen- und Rohrgut.

15. Nach dem Verfahren nach Anspruch 3 hergestelltes Band-, Draht-, Stab-, Stangen- und Rohrgut.