DE3689777T2

DE3689777T2 - Mehrzweck-Kupferlegierungen mittelhoher Leitfähigkeit und hoher Festigkeit und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Info

Publication number: DE3689777T2
Application number: DE3689777T
Authority: DE
Inventors: John F Breedis; Ronald N Caron
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1985-04-26
Filing date: 1986-04-25
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2006-04-26
Also published as: BR8601873A; JPS61250134A; JP2617703B2; CA1266388A; AU586674B2; DE3650726D1; CN1007909B; AU5598986A; DE3689777D1; US4594221A; EP0579278B1; EP0203389A1; HK145394A; EP0203389B1; KR910006017B1; CN86102885A; JPH08325681A; KR860008295A; DE3650726T2; EP0579278A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Legierungen auf Kupferbasis mit besonderer Anwendung in der Elektroindustrie als Leiterrahmen- oder Verbindermaterial. Die Elektroindustrie fordert verstärkt Leiterrahmenlegierungen höherer Festigkeit mit guter Formbarkeit und guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Verbinderanwendungen würden ebenso von solchen Legierungen profitieren, wenn sie mit guter Spannungs-Relaxations-Widerstandsfähigkeit versehen werden können. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung liefern einerseits eine Kombination von hohen Festigkeits- und mittleren bis hohen Leitfähigkeitseigenschaften die verglichen mit kommerziell erhältlichen Legierungen verbessert sind.
Ein Vergleich verschiedener Kupferlegierungen, die in der Elektroindustrie Anwendung finden, ist in einer Broschüre mit dem Titel "High Strength, High Conductivity Copper Alloys For IC Lead Frame angegeben, die von Sumitomo Metal Mining Copper & Brass Sales Co., Ltd. veröffentlicht wurde. Aus der folgenden Beschreibung wird klar werden, daß die Legierungen der vorliegenden Erfindung, verglichen mit vielen kommerziell erhältlich Legierungen, eine deutlich verbesserte Kombination aus Festigkeit und Leitfähigkeit liefern.
Es ist äußerst wünschenswert, eine Kupferlegierung für die oben angegebenen Anwendungen zu schaffen, mit einer Zugfestigkeit von etwa 100 ksi oder mehr, wobei eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 40% IACS oder mehr für ein Leiterrahmenmaterial beibehalten wird. Von den in der Broschüre aufgeführten Materialien erreicht nur 42 Alloy ein derartiges Festigkeitsziel, aber die Leitfähigkeit der Legierung ist äußerst gering. Von den Legierungen mit mittlerer Leitfähigkeit kommt Alloy C19500 den gewünschten Eigenschaften am nächsten, schafft es jedoch nicht, das Festigkeitsziel zu erreichen.
Bestimmte Berrylium-Kupferlegierungen, wie Alloy C17400, liefern eine gute Leitfähigkeit und Festigkeit bei einer Einbuße bei den Biegeeigenschaften und bei einem Kostennachteil.
Für Verbinderanwendungen ist zusätzlich zur Festigkeit und zur Leitfähigkeit die Spannungs-Relaxations-Widerstandsfähigkeit eine wichtige Eigenschaft. Die erfindungsgemäßen Legierungen liefern verbesserte Kombinationen der Biegeeigenschaften, der Leitfähigkeit und der Spannungs-Ralaxations-Widerstandsfähigkeit, verglichen mit einer typischen kommerziellen Legierung, wie Alloy C51000, einer Phosphor- Bronze.
Die Legierungen der vorliegenden Erfindung sind ausscheidungshärtbare Nickel-Silicium-Bronzen, denen Magnesium beigefügt wurde, um die einzigartig verbesserte Kombination von Eigenschaften zu liefern. Zahlreiche Legierungen und/oder Verfahren wurden in Patenten und in der Literatur beschrieben, die die durch die Zugabe von Nickel und Silicium geschaffenen Ausscheidungshärtungseigenschaften benutzen, wie beispielsweise die in den U.S.-Patenten Nr. 1,658,186 von Corson, 1,778,668 von Fuller und 2,185,958 von Strang et al aufgeführten. Zahlreiche Zusätze anderer Elemente zu Nickel-Silicium-Bronzen sind in den U.S.-Patenten Nr. 2,137,282 von Hensel et al, 3,072,508 von Klement et al, 4,191,601 von Edens et al, 4,260,435 von Edens et al, 4,466,939 von Kim et al und in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 213,847/83 von Miyafuji et al beschrieben. Penn Precision Products, Inc. stellt eine Nickel-Silicium-Bronze unter dem Warenzeichen DICKALLOY her. Wie in deren Produktbroschüre aufgeführt, weist diese Legierung Kupfer-Nickel-Silicium mit Zusätzen von Aluminium und Chrom auf.
Die Patentinhaberin ist auch die Inhaberin von Patenten, die sich auf Legierungen auf Kupferbasis mit Magnesiumzusätzen beziehen, die die Spannungs-Relaxations-Widerstandsfähigkeit verbessern. Diese Patente umfassen die U.S.-Patente Nr. 4,233,068 und 4,233,069 von Smith et al, die sich auf Messinglegierungen beziehen, und das U.S.-Patent Nr. 4,434,016 von Saleh et al, das sich auf Kupfer-Nickel-Aluminium- Legierungen bezieht. Die U.S.-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 645,957 von Knorr et al offenbart Legierungen auf Kupferbasis für Leiterrahmen- oder Verbinderanwendungen, die Eisen, Magnesium, Phosphor und wahlweise Zinn aufweisen.
Nickel-Silicium-Bronzen mit Zusätzen von Magnesium sind in den U.S.- Patenten Nr. 2,851,353 von Roach et al und 4,366,117 von Tsuji beschrieben. Die von diesen Patenten in Erwägung gezogenen Legierungen liegen mindestens hinsichtlich eines Bereichs außerhalb der Bereiche der vorliegenden Legierungen.
Das U.S.-Patent Nr. 2,157,934 von Hensel und Larsen beschreibt eine Legierung auf Kupferbasis, die alterungshärtbar ist und 0,1 bis 3% Magnesium, 0,1 bis 5% eines Materials aus der Gruppe Nickel, Kobalt oder Eisen, 0,1 bis 3% Silicium und den Rest Kupfer aufweist. Die Legierung wird verarbeitet, indem sie auf eine Temperatur über 700ºC aufgeheizt wird, woran sich ein Abschrecken und ein Altern unter 700ºC anschließt. Wenn gewünscht, kann das Material zwischen dem Abschrecken und dem Altern kaltverformt werden, um seine Härte zu erhöhen.
Die Wirkungen von kleinen legierenden Zusätzen aus Aluminium, Magnesium, Mangan und Chrom auf das Alterungsverhalten einer Cu- Ni-Si-Legierung, die 1,8% Nickel und 0,8% Silicium und den Rest Kupfer enthält, wurde in der Veröffentlichung "Effects Of Small Alloying Additions On The Ageing Behaviour Of A Copper-Nickel- Silicon Alloy" von Tewari et al beschrieben, die in "Transactions of The Indian Institute of Metals", Dezember 1964, Seiten 211 bis 216, erschienen ist. Die untersuchten Magnesiumgehalte variierten von 0,2% bis 1%. Kupfer-Nickel-Silicium-Magnesium-Legierungen, die insbesondere 1,8% Nickel, 0,8% Silicium mit 0,3% Magnesium oder Chrom aufweisen, sind in der Veröffentlichung "Studies on Age Hardening Cu-Ni-Si-Mg and Cu-Ni-Si-Cr Alloys" von Bhargava et al, erschienen in Z. Metallkde., Bd. 63 (1972) H.3, Seiten 155 bis 157, beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt das Alterungshärtverhalten einer derartigen Legierung. Es wird darauf hingewiesen, daß der Nickelgehalt der in diesen Veröffentlichungen untersuchten Legierungen außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine Legierung auf Kupferbasis mit einer verbesserten Kombination von Zugfestigkeit und elektrischer Leitfähigkeit, die hinsichtlich Rißbildung unempfindlich gegenüber Warmverformungstemperatur ist, und die besteht aus:
(a) 2 bis 4,8 Gew.- % Nickel,
(b) wobei ein Teil des Nickelgehalts wahlweise ersetzt ist durch Chrom, Kobalt, Eisen, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Mischmetall oder Mischungen davon, in einer Menge von 1 Gew.-% der Legierung oder weniger, aber wirksam zur Bildung eines Silicids;
(c) 0,2 bis 1,4 Gew.-% Silicium;
(d) wahlweise Lithium, Calcium, Mangan, Mischmetall oder Mischungen davon, in einer Menge von 0,25 Gew.-% der Legierung oder weniger, aber wirksam zum Deoxidieren oder Desulfurieren;
(e) 0,05 bis 0,45 Gew.-% Magnesium;
(f) Rest Kupfer, abgesehen von Verunreinigungen.
Bevorzugte Ausführungsformen der beanspruchten Legierung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben. Ein Leiterrahmen und ein elektrischer Verbinder auf der Basis der beanspruchten Legierungen sind in den Ansprüchen 6 und 7 definiert. Ein Verfahren zum Herstellen der beanspruchten Legierung ist in dem unabhängigen Anspruch 8 und seinen abhängigen Ansprüchen 9 bis 15 definiert.
Das Dokument GB-A-522 482 lehrt eine Kupferlegierung, die aus 0,1-5%, vorzugsweise 2,25%, Nickel, 0,1-3%, vorzugsweise 0,5%, Silicium, 0,1-3%, vorzugsweise 0,5%, Magnesium und dem Rest Kupfer besteht. Eine derartige bekannte Legierung zeigt eine gute Kombination aus Leitfähigkeit und Härte.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Legierungen auf Kupferbasis geschaffen, die einerseits mittlere bis hohe Leitfähigkeit mit außergewöhnlich guten Festigkeitseigenschaften besitzen. Die Legierungen können auf verschiedene Arten verarbeitet werden, damit sie die besten Kombinationen aus Festigkeit, Biegeformbarkeit und Leitfähigkeit für die jeweilige Anwendung liefern. Für Leiterrahmenanwendungen werden die Legierungen allgemein so verarbeitet, daß sie die besten Kombinationen aus Festigkeit und Leitfähigkeit sowie guten Biegeeigenschaften liefern, wohingegen für Verbinderanwendungen Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Spannungs-Relaxation von höchster Wichtigkeit sind. Für einige Verbinderanwendungen ist eine reduzierte Festigkeit mit verbesserter Leitfähigkeit und Biegeleistung nötig.
Man hat überraschenderweise festgestellt, daß andererseits die Warmverformbarkeit der Legierung durch kritisches Steuern des Magnesiumgehalts in den Grenzen dieser Erfindung verbessert werden kann. Wenn hohe Magnesiumanteile benutzt werden, entwickeln die Legierungen eine Anfälligkeit für Rißbildung, was von der Warmverformungstemperatur abhängig ist. Hält man jedoch das Magnesium innerhalb der Grenzen dieser Erfindung, ist die Anfälligkeit für Rißbildung unabhängig von der Warmverformungstemperatur vermieden.
Die erfindungsgemäße Legierung enthält vorzugsweise 2,4 bis 4,0 Gew.-% Nickel, 0,3 bis 1,1 Gew.-% Silicium und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Magnesium. Besonders bevorzugt ist 0,1 bis 0,2 Gew.-% Magnesium. Für Leiterrahmenanwendungen sind die Legierungen vorzugsweise im überalterten Zustand. Fuhr Verbinderanwendungen sind die Legierungen vorzugsweise im stabilisierten Zustand.
Verschiedene andere Elemente können auf Verunreinigungsniveau in geringeren Mengen vorhanden sein, die die Eigenschaften der Legierungen nicht negativ beeinflussen.
Das Verarbeiten der Legierungen bestimmt zum Teil ihre Kombination aus Festigkeit, Leitfähigkeit, Biegeformbarkeit und Spannungs- Relaxations-Eigenschaften und ihre Eignung zur Anwendung als Leiterrahmen- oder Verbindermaterial.
Gewöhnlich werden die Legierungen gegossen unter Verwendung des direkten Kokillengießens. Danach werden die Legierungen bei einer Temperatur von 750 bis 950ºC und vorzugsweise von 850 bis 900ºC vorzugsweise warmgewalzt.
Wenn gewünscht, können die Legierungen nach der vorgenannten Verarbeitung bei einer Temperatur von 550 bis 700ºC wahlweise homogenisierungs-wärmebehandelt werden. Wenn eine Homogenisierungs-Wärmebehandlung in dem Verfahren angewendet wird, sollte die Legierung bei einer Temperatur über 750ºC lösungsgeglüht werden, gefolgt von einem Abschrecken vor jeglichen Alterungsbehandlungen. Die Homogenisierungs-Wärmebehandlung kann nach dem Warmverformen oder nach einem ersten Kaltverformen ausgeführt werden, wie gewünscht.
Bei einer ersten Alternative des Verfahrens wird die Legierung dann einer oder mehreren Aufeinanderfolge(n) von Kaltwalzen und Altern unterworfen. Das Kaltwalzen in der ersten derartigen Aufeinanderfolge sollte mindestens 30% Reduktion in der Dicke und vorzugsweise mindestens 50% aufweisen. Für Verbinderanwendungen, die die höchsten Festigkeitseigenschaften bei einem gewissen Verzicht bei der Biegeverformbarkeit benötigen, werden die Legierungen dann bei einer Temperatur von 350 bis 500ºC und vorzugsweise von 425 bis 480ºC gealtert. Wenn eine zweite Aufeinanderfolge von Kaltwalzen und Altern nötig ist, sollte das Kaltwalzen eine Reduktion von mindestens 10% in der Dicke und vorzugsweise mindestens 30% Reduktion in der Dicke aufweisen, und daran sollte sich eine Alterungsbehandlung bei einer Temperatur unter der des Alterns in der ersten Behandlung allgemein im Bereich von 350 bis 490ºC anschließen. Die Legierung wird dann abschließend kaltreduziert um 10 bis 90% Reduktion in der Dicke und vorzugsweise um 30 bis 60%. Danach wird die Legierung für Verbinderanwendungen wahlweise durch Wärmebehandeln bei einer Temperatur von 200 bis 345ºC und vorzugsweise von 225 bis 330ºC stabilisiert.
Bei einer zweiten Alternative des Verfahrens, für Leiterrahmenanwendungen, weist das Bearbeiten, das dem Warmverformen oder der Homogenisierungs-Wärmebehandlung folgt, ein Kaltverformen der Legierung um mindesten 30% und vorzugsweise um mindestens 50% Reduktion in der Dicke auf, gefolgt von Wärmebehandeln bei einer Temperatur von 750 bis 900ºC und vorzugsweise von 800 bis 850ºC und Abschrecken, gefolgt von Kaltverformen um mindestens 10% und vorzugsweise um 30%, gefolgt von Überaltern bei einer Temperatur von 500 bis 700ºC und vorzugsweise von 510 bis 575ºC, gefolgt von Kaltwalzen um 10 bis 90% und vorzugsweise um 30 bis 60% Reduktion in der Dicke. Obwohl dieses Verfahren für Leiterrahmenanwendungen entworfen wurde, kann die Legierung, sollte sie für die Verwendung in Verbinderanwendungen gewünscht werden, wahlweise stabilisiert werden, wie in der vorhergehenden ersten Alternative des Verfahrens.
Schließlich kann die Legierung nach einer dritten Alternative des Verfahrens mit einem Verfahren behandelt werden, das sie für die Verwendung alternativ als Leiterrahmen- oder Verbindermaterial geeignet macht, mit relativ hoher Festigkeit, mittlerer Leitfähigkeit und etwas schlechteren Biegeeigenschaften als die zweite Alternative des Verfahrens, aber wesentlich besseren Biegeeigenschaften als die erste Alternative des Verfahrens. Dieses Verfahren ist das gleiche wie die zweite Alternative des Verfahrens mit der Substitution einer Nicht- Überalterungs-Wärmebehandlung an Stelle der Überalterungs- Wärmebehandlung. Gemäß diesem Verfahren wird die Wärmebehandlung vor der abschließenden Reduktion bei einer Temperatur von 350 bis weniger als 500ºC ausgeführt und vorzugsweise von 425 bis 480ºC. Die abschließende Kaltreduktion wäre die gleiche wie in den vorhergehenden Verfahren, und für Verbinderanwendungen ist eine wahlweise Stabilisierungs-Wärmebehandlung, wie vorhergehend beschrieben, bevorzugt.
Demgemäß wurde gemäß dieser Erfindung eine Vielzweck-Legierung auf Kupferbasis mit einer einzigartigen Kombination aus Festigkeit, Leitfähigkeit, Biegeformbarkeit und wahlweise Spannungs-Relaxation- Widerstandsfähigkeit geschaffen, was die Legierung zur Verwendung als Verbinder- oder Leiterrahmenmaterial anpaßt.
Man hat festgestellt, daß die Legierungen dieser Erfindung mit einem kritischen Magnesiumzusatz leicht auf eine dieser Anwendungen zugeschnitten werden können durch geeignetes Einstellen ihrer Verarbeitung.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß die Legierungen dieser Erfindung in dem überalterten Zustand wesentliche Verbesserungen bei der Biegeformbarkeit liefern, während eine relativ hohe Festigkeit und gute Leitfähigkeitseigenschaften beibehalten werden.
Man hat ebenfalls überraschenderweise festgestellt, daß die Spannungs- Relaxations-Widerstandsfähigkeit der Legierung deutlich durch die Verwendung einer Stabilisierungs-Wärmebehandlung beeinflußt ist.
Demgemäß ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Vielzweck-Legierung auf Kupferbasis für elektronische Anwendungen, wie Leiterrahmen oder Verbinder, und Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
Es ist ein weiterer Vorteil dieser Erfindung, derartige Legierungen mit einer verbesserten Kombination aus Festigkeit, Leitfähigkeit, Biegeformbarkeit und wahlweise Spannungs-Relaxations- Widerstandsfähigkeit bereitzustellen.
Es ist außerdem ein weiterer Vorteil dieser Erfindung, derartige Legierungen bereitzustellen, die einfach warmverformbar sind und keine temperaturempfindliche Rißbildungsanfälligkeit während dem Warmverformen entwickeln.
Diese und andere Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen deutlicher werden.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen Magnesiumgehalt und der temperaturempfindlichen Rißbildungsanfälligkeit der Legierung während dem Warmverformen zeigt; und
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen Alterungstemperatur und Härte, Biegeformbarkeit und elektrischer Leitfähigkeit der Legierung zu unterschiedlichen Alterungszeiten zeigt.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Vielzweck-Legierung auf Kupferbasis geschaffen, die abhängig von ihrer Verarbeitung wirksam als Leiterrahmen- oder Verbindermaterial von der Elektroindustrie benutzt werden kann. Die Legierung ist darin einzigartig, daß sie eine Gesamtkombination aus Eigenschaften liefert, die man bei Legierungen erhält, die jetzt allgemein kommerziell erhältlich sind, überlegen ist. In der Vergangenheit wäre, um ähnliche Eigenschaften zu erhalten, die Verwendung teurer Legierungen des Berrylium-Kupfer-Typs nötig gewesen.
Die Legierungen dieser Erfindung liefern deshalb einerseits sehr hohe Festigkeiten bei mittleren Leitfähigkeiten. Beispielsweise können sie Festigkeiten vergleichbar mit Alloy 42 bei deutlich besserer Leitfähigkeit erreichen. Sie können auch Leitfähigkeiten erreichen, die mit kommerziell erhältlichen Legierungen mittlerer Leitfähigkeit vergleichbar sind, bei einer deutlichen Verbesserung in der Zugfestigkeit.
Durch geeignetes Einstellen der Verarbeitung können die Legierungen für Verbinderanwendungen konfiguriert werden. Beispielsweise bei Anwendungen wie Flachfederverbindern können die Legierungen so verarbeitet werden, daß sie Zugfestigkeiten über 89,6 kN/cm² (130 ksi) liefern, während sie eine Leitfähigkeit über 35% IACS beibehalten. Für Verbinder- oder Leiterrahmenanwendungen, die hohe Festigkeit und gute Biegeformbarkeit benötigen, können die Legierungen verarbeitet werden, daß sie Zugfestigkeiten über 79,2 kN/cm² (115 ksi) liefern bei einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 40% IACS oder mehr. Schließlich können die Legierungen für Leiterrahmen und andere Anwendungen, die eine noch bessere Biegeformbarkeit benötigen, derart verarbeitet werden, daß sie Zugfestigkeiten über 68,9 kN/cm² (100 ksi) und elektrische Leitfähigkeit über 45% IACS liefern.
Dementsprechend ist es klar, daß gemäß dieser Erfindung eine Legierung, die in vorgegebene Zusammensetzungsbereiche fällt, einzigartig verarbeitet werden kann, um eine Reihe mechanischer Eigenschaften zu erfüllen, so daß sie auf eine Anzahl verschiedener Anwendungen zugeschnitten werden kann. Die Zugfestigkeit der Legierung kann mit einer gewissen Verminderung der Biegeeigenschaft und der Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit verbessert werden. Alternativ können die Biegeeigenschaften verbessert werden, während eine gute Leitfähigkeit vorgesehen ist, bei einer gewissen Einbuße der Zugfestigkeit.
Für Verbinder oder andere Anwendungen können die Legierungen verarbeitet werden, daß sie exzellente Spannungs-Relaxations- Widerstandsfähigkeitseigenschaften liefern.
Die Vielzweck-Legierungen auf Kupferbasis dieser Erfindung weisen Legierungen innerhalb der folgenden kritischen Zusammensetzungsbereiche auf. Nämlich Legierungen auf Kupferbasis, die aus 2 bis 4,8 Gew.-% Nickel, 0,2 bis 1,4 Gew.-% Silicium, 0,05 bis 0,45 Gew.-% Magnesium und, abgesehen von Verunreinigungen, dem Rest aus Kupfer bestehen.
Vorzugsweise besteht die Legierung auf Kupferbasis aus 2,4 bis 4,0 Gew.-% Nickel, 0,3 bis 1,1 Gew.-% Silicium, 0,05 bis 0,3 Gew.-% Magnesium und, abgesehen von Verunreinigungen, dem Rest aus Kupfer. Ganz besonders bevorzugt ist 0, 1 bis 0,2 Gew.-% Magnesium.
Vorzugsweise ist das Verhältnis von Nickel zu Silicium in der Legierung im Bereich von 3,5 : 1 bis 4,5 : 1, und besonders bevorzugt ist das Verhältnis von Nickel zu Silicium im Bereich von 3,8 : 1 bis 4,3 : 1.
Für Leiterrahmenanwendungen sind die Legierungen vorzugsweise in einem überalterten Zustand. Für Verbinderanwendungen sind die Legierungen vorzugsweise in einem stabilisierten Zustand.
Silicid bildende Elemente, wie Chrom, Kobalt, Eisen, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Mischmetall (Lanthanide) und Mischungen davon können in einer Menge wirksam zum Bilden eines Silicids bis zu 1 Gew.-% vorhanden sein. Wo derartige Elemente vorhanden sind, sollten sie Ersatz für eine vergleichbare Menge des Nickelgehalts sein. Vorzugsweise sollte Chrom auf eine Menge nicht über 0, 1 Gew.-% begrenzt sein.
Die Legierungen dieser Erfindung können auch ein oder mehrere deoxidierende und/oder desulfurierende Element(e), ausgewählt aus Silicium, Calcium, Mangan, Mischmetall und Mischungen davon in einer Menge wirksam zum Deoxidieren oder Desulfurieren bis zu 0,25 Gew.-% enthalten.
Die unteren Grenzen für Nickel und Silicium in der erfindungsgemaßen Legierung sind nötig zum Erreichen der gewünschten Festigkeit der Legierung. Wenn Nickel oder Silicium über den angeführten Mengen vorhanden sind, wird es schwierig, sie in der Legierung zu lösen. Der Magnesiumbereich ist kritisch für die Warmverformbarkeit der Legierung und für ihre Kaltwalzbarkeit.
In Fig. 1 ist eine graphische Darstellung gezeigt, die den Magnesiumgehalt der Legierung zu der Warmwalztemperatur in Beziehung setzt. Die Zone unter und nach links von der gestrichelten Linie AB ist für Warmwalzzwecke akzeptabel. Die Zone über und nach rechts von der Linie AB ist unakzeptabel wegen Rißbildung der Gußteile beim Warmwalzen. Aus einer Betrachtung der Fig. 1 erkennt man eine Warmwalztemperaturempfindlichkeit der Legierungen der Erfindung, wenn der Magnesiumgehalt 0,45 Gew.-% überschreitet. In den Grenzen der Erfindung, unter 0,45 Gew.-% Magnesium, ist die Legierung für die Warmwalztemperatur unempfindlich und einfach über einen großen Warmverformungs-Temperaturbereich warmverformbar.
Diese Rißbildungsanfälligkeit bei höheren Warmverformungstemperaturen war von Hensel und Larson in dem U.S.-Patent 2,157,934 überhaupt nicht vorhergesehen. Der in dem Patent von Hensel und Larson angeführte Magnesiumbereich geht hinauf bis 3 Gew.-%. Eine Betrachtung von Fig. 1 zeigt deutlich, daß nur ein kleiner Teil dieses Bereichs erfindungsgemäß benutzt werden kann, um die Legierung vom Rißbildungsstandpunkt her unempfindlich gegen die Warmverformungstemperatur zu machen und sie deshalb einfach warmverformbar zu machen.
Die untere Magnesiumgrenze ist wichtig, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften der Legierungen der Erfindung zu erhalten, insbesondere, um die verbesserte Spannungs-Relaxations- Widerstandsfähigkeit dieser Legierungen zu erhalten. Man glaubt auch, daß das Magnesium die Reinigbarkeit der Legierungen verbessert.
Der Magnesiumgehalt sollte auch innerhalb der Grenzen der vorliegenden Erfindung gesteuert werden, um so das Auftreten von Randrißbildung während dem Kaltverformen zu reduzieren. Die Wirkung des Magnesiumgehalts auf die Randrißbildung während dem Kaltwalzen von Legierungen, die nach verschiedenen Verfahren hergestellt wurden, und für einen Bereich von Magnesiumgehalten ist in Tabelle I angegeben. TABELLE I Ausmaß (inch) der Randrißbildung während dem Kaltwalzen von Cu-3,6Ni-0,9Si-Mg-Legierungen als eine Funktion des Magenesium-Gehalts (Ergebnis nach erstem Walzen/Randrißtiefe bei 0,76 mm)** Verarbeitung* Verfahren I Rißbildung bei 10,2 mm/O Gießen + 850ºC-1h + WQ Kaltwalzen auf 0,76 mm CR = Altwalzen HR = Warmwalzen WQ = Abschrecken mit Wasser * Kaltgewalzt von 14 mm ** Randtrimmen durch Schneiden bei 2,5 mm; d. h. "/" trennt das Verhalten vor und nach dem Schneiden.
Aus einer Betrachtung von Tabelle I wird klar, daß das Beibehalten des Magnesiumgehalts in dem erfindungsgemäßen Bereich und insbesondere in dem bevorzugten Bereich eine merklich verbesserte Verringerung bei der Randrißbildung während dem Kaltverformen liefert, insbesondere nach dem Trimmen des Randes.
In Tabelle I geben die vor dem Schrägstrich unter jedem Magnesiumgehalt gezeigten Ergebnisse das Ausmaß der Rißbildung bei einer bestimmten Streifendicke an, wobei die Startdicke 14 mm (0,55'') ist. Die nach dem Schrägstrich gezeigten Ergebnisse sind das Ausmaß von irgendwelchen Rißbildungen bei dem Endmaß, wie in der Bearbeitungsspalte angegeben.
Die erfindungsgemaßen Legierungen werden abhängig von den gewünschten mechanischen Eigenschaften, die ihrerseits durch die endgültige Anwendung, für die die Legierungen benutzt werden, bestimmt werden, unterschiedlich bearbeitet. Verbinderlegierungen benötigen normalerweise eine hohe Festigkeit für Federeigenschaften und gute Spannungs-Relaxations-Widerstandsfähigkeit unter Beibehaltung von ausreichender elektrischer Leitfähigkeit, thermischer Leitfähigkeit und Formbarkeit. Für die Verbinderanwendungen, die auch exzellente Formbarkeitseigenschaften benötigen, kann die Verarbeitung angepaßt werden, mit einer mäßigen Einwirkung auf die Festigkeitseigenschaften. Schließlich kann für Leiterrahmenanwendungen, bei denen hohe Biegeformbarkeit und elektrische Leitfähigkeit benötigt werden, die Verarbeitung weiter angepaßt werden bei einem gewissen Verzicht bei den Festigkeitseigenschaften. Die Spannungs-Relaxations-Eigenschaften der Legierung, die für Anwendungen der Verbinderart wichtig sind, sind sehr stark durch die Verarbeitung der Legierung beeinflußt, und überraschenderweise wurde festgestellt, daß die Verwendung einer Stabilisierungs-Wärmebehandlung die Spannungs-Relaxations- Eigenschaften dieser Legierungen sehr günstig beeinflußt.
Die Legierungen dieser Erfindung können auf jede gewünschte Art mit konventionellen Mitteln gegossen werden, wie beispielsweise im direkten Kokillenguß. Die Gießtemperatur beträgt vorzugsweise mindestens etwa 1.100 bis etwa 1.250ºC. Wenn die Legierung zu einer Tafel oder einem Gußblock gegossen ist, was der bevorzugte Anfang ist, wird sie homogenisiert oder bei einer Temperatur von etwa 850 bis etwa 980ºC für 1/2 bis etwa 4 Stunden durchwärmt, gefolgt von Warmverformen, wie Warmwalzen in einer Mehrzahl von Durchgängen auf ein gewünschtes Maß allgemein geringer als etwa 19 mm (3/4'') und vorzugsweise 13 mm (1/2'') oder weniger. Die Legierungen werden nach dem Warmverformen vorzugsweise schnell abgekühlt, z. B. durch Abschrecken mit Wasser. Vorzugsweise kann das Warmverformen die Zulegierungselemente lösen.
Wenn auch der direkte Kokillenguß, gefolgt von Warmverformen, ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung ist, kann es jedoch möglich sein, die Legierung in eine Streifenform mit einer Dicke von etwa 25 mm (1'') oder weniger zu gießen. Offensichtlich ist es, wenn die Legierungen in Streifenform gegossen sind, nicht nötig, sie warmzuwalzen. Der Arbeitsschritt des Warmverformens sollte insbesondere, wenn sich daran ein Abschrecken mit Wasser anschließt, die Zulegierungselemente lösen können und dadurch die Notwendigkeit für eine Lösungswärmebehandlung eliminieren. Jedoch können die Legierungen, wenn es gewünscht ist und insbesondere wenn die Legierung streifengegossen ist, wahlweise bei einer Temperatur von etwa 750 bis etwa 950ºC für eine Zeitdauer von etwa 30 Sekunden bis etwa 8 Stunden, und vorzugsweise etwa 1 Minute bis etwa 4 Stunden, lösungswärmebehandelt werden, gefolgt von einem schnellen Kühlen, das vorzugsweise ein Abschrecken mit Wasser ist.
Nach dem Warmverformen oder dem Streifengießen werden die Legierungen vorzugsweise bearbeitet, um Oxide und Ablagerungen vor dem weiteren Bearbeiten zu entfernen.
Wenn gewünscht, können die Legierungen wahlweise homogenisierungswärmebehandelt werden bei einer Temperatur von 550 bis 700ºC für einen Zeitraum von 1 bis 8 Stunden. Die Homogenisierungs- Wärmebehandlung kann nach dem Warmverformen oder nach einem ersten Kaltverformen wie Kaltwalzen um bis zu 80% Reduktion in der Dicke, und vorzugsweise um 50 bis 70% Reduktion, ausgeführt werden. Wenn die Legierung homogenisierungs-wärmebehandelt ist, ist es nötig, danach den Streifen lösungswärmezubehandeln. Deshalb werden die Legierungen als Teil der Behandlung des Homogehisierungs- Wärmebehandelns vorzugsweise lösungswärmebehandelt bei einer Temperatur von 750 bis 950ºC für einen Zeitraum von 30 Sekunden bis 8 Stunden, und vorzugsweise von 1 Minute bis 4 Stunden. Direkt im Anschluß an das Wärmebehandeln werden die Legierungen schnell abgekühlt, vorzugsweise durch Abschrecken mit Wasser. Das Streifenwärmebehandeln ist die bevorzugte Methode zum Lösungswärmebehandeln, wegen der Einfachheit des Abschreckens mit Wasser.
Je nachdem, entweder nach dem Warmwalzen oder nach dem Homogenisierungs-Wärmebehandeln, wird die Legierung einer oder mehreren Aufeinanderfolge(n) von Kaltreduktion und Altern unterworfen. Die Kaltreduktion wird vorzugsweise durch Kaltwalzen ausgeführt. Der erste Durchgang des Kaltwalzens weist mindestens eine Reduktion um 30% in der Dicke, und besonders vorzugsweise mindestens um 50% auf.

ALTERNATIVE 1 DES VERFAHRENS VERARBEITEN FÜR HOHE FESTIGKEIT

Im Anschluß an den ersten Durchgang der Kaltreduktion wird die Legierung bei einer Temperatur von 350 bis 500ºC, und vorzugsweise 425 bis 480ºC, gealtert. Wenn weitere Aufeinanderfolgen von Kaltreduktion und Alterung erwünscht sind, sollte das Kaltwalzen mindestens eine Reduktion um 10% in der Dicke, und vorzugsweise mindestens 30%, aufweisen, und daran sollte sich eine Alterungswärmebehandlung bei einer Temperatur geringer als bei der vorhergehenden Alterungswärmebehandlung anschließen, mit der Alterungstemperatur in dem Bereich von 350 bis 490ºC.
Die Alterungswärmebehandlungen sollten so sein, daß der Zeitraum bei der Temperatur 1/2 bis 8 Stunden beträgt, und vorzugsweise 2 bis 4 Stunden.
Im Anschluß an die entsprechenden Aufeinanderfolgen von Kaltwalzen und Altern wird die Legierung abschließend kaltreduziert, indem sie gewalzt wird, um eine Reduktion um 10 bis 90% in der Dicke zu schaffen, vorzugsweise um 30 bis 60%.
Die Spannungs-Relaxations-Widerstandsfähigkeitseigenschaften der Legierungen dieser Erfindung werden durch die Verwendung einer wahlweisen Stabilisierungs-Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 200 bis 345ºC, und vorzugsweise von 225 bis 330ºC, für einen Zeitraum von 1/2 bis 8 Stunden, und vorzugsweise von 1 bis 2 Stunden, merklich verbessert.

ALTERNATIVE 2 DES VERFAHRENS VERARBEITUNG FÜR DIE BESTE BIEGEFORMBARKEIT

Die Legierungen werden nach dem Warmverformen oder der Homogenisierungs-Wärmebehandlung einem ersten Durchgang des Kaltverformens vorzugsweise durch Kaltwalzen um mindestens 30%, und vorzugsweise mindestens 50% Reduktion in der Dicke, ausgesetzt. Die Legierungen werden dann durch Wärmebehandeln bei einer Temperatur von 750 bis 950ºC, und vorzugsweise von 800 bis 850ºC, für einen Zeitraum von 30 Sekunden bis 8 Stunden, und vorzugsweise von 1 Minute bis 1 Stunde, wieder in den Lösungszustand gebracht, woran sich ein schnelles Kühlen, vorzugsweise durch Abschrecken mit Wasser, anschließt. Diese Wärmebehandlung wird vorzugsweise als Streifenwärmebehandlung ausgeführt.
Wahlweise kann diese erste Aufeinanderfolge von Kaltverformen und Wärmebehandeln als eine zweite Aufeinanderfolge wiederholt werden, um das erwünschte Endmaß zu erreichen.
Danach werden die Legierungen durch Walzen um mindestens 10%, und vorzugsweise um mindestens 30% Reduktion in der Dicke, kaltverformt, gefolgt von Überaltern. Die Legierungen werden dann einer Überalterungsbehandlung unterzogen, die vorzugsweise ein Wärmebehandeln der Legierung bei einer Temperatur von 500 bis etwa 700ºC, und vorzugsweise von 510 bis 575ºC, für einen Zeitraum von 1/2 Stunde bis 8 Stunden, und vorzugsweise für einen Zeitraum 1 Stunde bis 4 Stunden, aufweist. Danach werden die Legierungen allgemein abschließend kaltreduziert durch Kaltwalzen um 10 bis 90%, und vorzugsweise um 30 bis 60%, Reduktion in der Dicke.
Obwohl diese Verfahrensalternative besonders geeignet ist, um Legierungen für Leiterrahmenanwendungen bereitzustellen, kann sie für Verbinderlegierungen verwendet werden. In diesem Fall wird die vorhergehend beschriebene wahlweise Stabilisierungsbehandlung vorzugsweise ausgeführt.

ALTERNATIVE 3 DES VERFAHRENS VERARBEITEN FÜR FESTIGKEITS- UND BIEGEEIGENSCHAFTEN ZWISCHEN DEN ALTERNATIVEN 1 UND 2

Dieses Verfahren liefert Kupferlegierungen zur Verwendung alternativ als Leiterrahmen- oder Verbindermaterial mit relativ hoher Festigkeit, mittlerer Leitfähigkeit und etwas geringeren Biegeeigenschaften als die Alternative 2. Das Verfahren ist im wesentlichen das gleiche, wie das im Zusammenhang mit Alternative 2 beschriebene, außer daß eine Alternngs-Wärmebehandlung für die Überalterungs-Wärmebehandlung substituiert ist. Nach diesem Verfahren wird das abschließende Alterungswärmebehandeln vor der abschließenden Reduktion bei einer Temperatur von 350 bis weniger als 500ºC, und vorzugsweise von 425 bis 480ºC, für einen Zeitraum von 1/2 bis 8 Stunden, und vorzugsweise von 1 bis 4 Stunden, ausgeführt. Die Legierung wird dann abschließend um 10 bis 90%, und vorzugsweise um 30 bis 60%, kaltreduziert. Wenn die Legierung für Verbinderanwendungen gedacht ist, wird sie vorzugsweise stabilisierungswärmebehandelt gemäß dem oben angegebenen Stabilisierungsschritt, wie unter der Alternative 1 des Verfahrens aufgeführt.
Die wahlweise Stabilisierungs-Wärmebehandlung gemäß dieser Erfindung kann nach der abschließenden Reduktion oder nach dem Formen des endgültigen Teils durchgeführt werden, wie gewünscht. Zum Vorteil für die Herstellung wird sie am einfachsten nach der abschließenden Reduktion ausgeführt. Man glaubt jedoch, daß die besten Spannungs-Relaxations-Ergebnisse erhalten werden, wenn die Stabilisierungsbehandlung nach dem abschließenden Formen ausgeführt wird, da das Formen der Legierung, nachdem sie stabilisierungswärmebehandelt wurde, die Spannungs-Relaxations- Eigenschaften um eine Stufe reduzieren kann.
In der Fig. 2 ist eine graphische Darstellung gezeigt, die das Verhältnis zwischen Alterungstemperatur und Härte, Biegeformbarkeit und elektrischer Leitfähigkeit der Legierungen dieser Erfindung zu unterschiedlichen Alterungszeiten darstellt.
In Fig. 2 stellt die durchgezogene Kurve C die Härte einer Cu- 4,0%Ni-0,98%Si-0,18%Mg-Legierung dar, die für 2 Stunden bei den entsprechenden Alterungstemperaturen gealtert wurde. Die durchgezogene Kurve D zeigt die elektrische Leitfähigkeit dieser Legierungen in dem Bereich der Alterungstemperaturen. Die gestrichelte Kurve E zeigt den Einfluß des 4-stündigen Alterns derartiger Legierungen auf die Härte, und die gestrichelte Kurve F zeigt den Einfluß des 4-stündigen Alterns der Legierungen auf die elektrische Leitfähigkeit. Die entsprechenden Kurven G und H zeigen Biegeeigenschaften für die 4 Stunden gealterten Legierungen für "gute Biegerichtung" und "schlechte Biegerichtung". Die Ergebnisse, die in der Fig. 2 dargestellt sind, sind für die Legierungen in dem gealterten Zustand.
Aus einer Betrachtung von Fig. 2 wird klar, daß eine Alterungstemperatur von 450ºC ein Spitzenalterungsergebnis liefert, während Temperaturen über 480ºC, und besonders über 500ºC, einen überalterten Zustand liefern. Es ist bezeichnend und überraschend, daß es möglich ist, die Legierung zu überaltern und ein relativ hohes Festigkeitsniveau beizubehalten. Aus einer Betrachtung der Fig. 2 wird außerdem klar, daß die Biegeeigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit durch das Überaltern merklich verbessert sind, verglichen mit dem Altern für das Spitzenergebnis der Härtung.
Eine Betrachtung von Fig. 2 zeigt, daß die Alternative 1 des Verfahrens allgemein ein spitzengealtertes Erzeugnis hervorbringen wird, während die Alternative 2 des Verfahrens ein überaltertes Produkt hervorbringen wird. Die Alternative 3 des Verfahrens liegt irgendwo zwischen diesen beiden. In der Fig. 2 sind die Biegeeigenschaften als minimaler Biegeradius dividiert durch die Dicke des Streifens angeführt. Der Biegeformbarkeitstest mißt den minimalen Radius, bei dem ein Streifen ohne Rißbildung um 90º gebogen werden kann. Die Biegeeigenschaften mit "guter Biegerichtung" oder in Längsorientierung sind gemessen mit der Biegeachse rechtwinklig zu der Walzrichtung, und die Biegeeigenschaften mit "schlechter Biegerichtung" oder in Querorientierung sind gemessen mit der Biegeachse parallel zur Walzrichtung. Der minimale Biegeradius (MBR) ist der kleinste Formradius, um den der Streifen um 90º gebogen werden kann ohne Rißbildung, und "t" ist die Dicke des Streifens.
In der Fig. 2 ist die Kurve G für "gute" Biegungen oder für Biegungen in Längsorientierung, während die Kurve H für "schlechte" Biegungen oder Biegungen in Querorientierung ist.
Obwohl die bisherige Diskussion die elektrischen Leitfähigkeit betraf, sollte klar sein, daß die elektrischen Anwendungen, für die Legierungen der vorliegenden Erfindung gedacht sind, auch gute thermische Leitfähigkeit verlangen, die physikalisch mit der elektrischen Leitfähigkeit der Legierung in Verbindung steht.
Die Legierung kann wahlweise mit konventionellen Beizlösungen gereinigt werden, wenn gewünscht, z. B. nach dem Wärmebehandeln.
Die vorliegende Erfindung wird aus einer Betrachtung der folgenden illustrativen Beispielen leichter verständlich.

BEISPIEL I

Eine Legierung mit der Zusammensetzung 3,03% Nickel, 0,71% Silicium, 0, 17% Magnesium und dem Rest Kupfer wurde hergestellt, indem im Kokillenguß ein Gußblock mit 15 cm (6'') · 76 cm (30'') Querschnitt aus einer Schmelzetemperatur von etwa 1. 100ºC gegossen wurde. 2'' · 2'' · 4', Probestücke, die von dem Gußblock abgeschnitten waren, wurden für 2 Stunden bei 875ºC durchwärmt und in 6 Durchgängen auf eine Dicke von 14 mm (0,55'') warmgewalzt. Die Legierungen wurden dann auf das Maß 11 mm (0,45'') bearbeitet. Danach wurden die Gußstücke kaltgewalzt auf 2,5 mm (0, 10'') und durch Wärmebehandeln bei 475ºC für 2 Stunden gealtert. Danach wurden die Legierungen kaltgewalzt auf 1,3 mm (0,050'') und wieder bei 400ºC für 2 Stunden gealtert. Die Legierungen wurden dann kaltgewalzt auf 0,8 mm (0,030'') und stabilisierungswärmebehandelt bei 300ºC für 1 Stunde. Die mechanischen Eigenschaften der Legierungen wurden nach dem abschließenden Kaltwalzen und nach der Stabilisierungs-Wärmebehandlung gemessen. Die Eigenschaften, die gemessen wurden, sind in der Tabelle II angegeben. TABELLE II Eigenschaften von Cu-3,03Ni-0,71Si-0,1Mg bei einem Maß von 0,8 mm Zustand Elektrische Leitfähigkeit % IACS Dehnung "gut" "schlecht" Restspannung Verfahren ALT 1 abschließendes * Anfängliche Spannung bei 80% der Streckgrenze. 1000 h - Daten extrapoliert auf 100 000 h. CR = Kaltwalzen
Aus einer Betrachtung von Tabelle II wird deutlich, daß man, wenn die Legierungen dieser Erfindung gemäß Alternative 1 des Verfahrens verarbeitet werden, sehr hohe Zugfestigkeiten bei mittlerer elektrischer Leitfähigkeit erhält. Es gibt jedoch eine bemerkbare Einbuße bei den Biegeformbarkeitseigenschaften. Die Spannungs-Reiaxations- Eigenschaften der Legierungen sind durch die Stabilisierungs- Wärmebehandlung merklich verbessert, wie der Vergleich von 88,8% nach der Stabilisierung verbleibender Spannung mit 60,1% verbleibender Spannung für eine nicht-stabilisierte Legierung zeigt. Die exzellenten Festigkeits- und Leitfähigkeitseigenschaften dieser Legierung, kombiniert mit der signifikanten Spannungs-Relaxations- Widerstandsfähigkeit im stabilisierten Zustand, macht sie höchst nützlich bei Verbinderanwendungen, wie Vorrichtungen des Flachfedertyps. Demgemäß ist die Alternative 1 des Verfahrens deutlich daran angepaßt, erfindungsgemäße Legierungen mit sehr hoher Festigkeit bei mittlerer Leitfähigkeit mit exzellenter Spannungs-Relaxations-Widerstandsfähigkeit im stabilisierten Zustand zu liefern.

BEISPIEL II

Eine Reihe von Legierungen wurde hergestellt mit den Zusammensetzung, wie in Tabelle III angegeben. Die Legierungen wurden, wie in Tabelle III angegeben, verarbeitet. TABELLE III 105ºC-Spannungs-Relaxations-Daten als eine Funktion des Magnesium-Gehalts Verfahren abschließend kaltgewalzt Restspannung Stabilisiert * Anfängliche Spannung bei 80% der Streckgrenze. 1000 h - Daten extrapoliert auf 100 000 h. Verfahren: A = CR auf 4,0 mm + A bei 475ºC - 2h + CR auf 2,0 mm + A bei 400ºC - 2h + CR auf 0,5 mm B = CR auf 2,5 mm + A bei 525ºC - 4h + CR auf 1,3 mm + A bei 425ºC - 4h + CR auf 0,8 mm C = CR auf 4,6 mm + A bei 550ºC - 4h + CR auf 2,0 mm + A bei 425ºC - 2h + CR auf 1,0 mm CR = Kaltwalzen A = Wärmebehandeln
Die in Tabelle in angegebenen Legierungen haben einen unterschiedlichen Magnesiumgehalt. Die Spannungs-Relaxations- Widerstandsfähigkeit der Legierungen wurde nach dem abschließenden Kaltwalzen und nach weiterem Stabilisierungswärmebehandeln gemessen. Die in Tabelle in angeführten Daten untermauern deutlich die vorteilhafte Wirkung des Magnesiums auf die Spannungs-Relaxations- Widerstandsfähigkeit dieser Legierungen über einen weiten Bereich des Magnesiumgehalts. Die Daten untermauern außerdem deutlich die signifikante Verbesserung bei der Spannungs-Relaxations- Widerstandsfähigkeit, die durch Stabilisierungswärmebehandeln der Legierungen erhalten wird. Deshalb ist es erfindungsgemäß bevorzugt, für Verbinder oder für andere Anwendungen, bei denen eine hohe Spannungs-Relaxations-Widerstandsfähigkeit gewünscht ist, die Legierungen in dem stabilisierten Zustand zu benutzen.

BEISPIEL III

Proben aus dem Beispiel I wurden nach dem Warmwalzen der folgenden Verarbeitungsabfolge unterworfen. Im Anschluß an das Warmwalzen wurden die Legierungen auf 3,8 mm (0, 15'') kaltgewalzt. Die Legierungen wurden dann einer Homogenisierungs-Behandlung unterzogen, die Wärmebehandeln bei 600ºC für 6 Stunden, Kaltwalzen auf 2,5 mm (0,10''), Wärmebehandeln bei 830ºC für 4 1/2 Minuten, gefolgt von Abschrecken durch Wasser, aufwies. Im Anschluß an die Homogenisierungs-Behandlung wurden die Legierungen auf 0,76 mm (0,030'') kaltgewalzt und dann bei 830ºC 4 1/2 Minuten wärmebehandelt, gefolgt von Abschrecken durch Wasser, und dann kaltgewalzt auf 0,38 mm (0,015''). Ein Teil der auf 0,38 mm (0,015'') kaltgewalzten Legierungen wurde einer Überalterungs- Wärmebehandlung bei 525ºC für 4 Stunden ausgesetzt, gefolgt von Kaltzwalzen auf 0,25 mm (0,010''). Diese Bearbeitung ist in Übereinstimmung mit der Alternative 2 des Verfahrens. Ein weiterer Teil dieser Legierungen wurde dann Alterungs-Wärmebehandlungs bei 475ºC für 2 Stunden ausgesetzt, gefolgt von Kaltwalzen auf 0,25 mm (0,010''). Diese Legierungen wurden gemäß Alternative 3 des Verfahrens verarbeitet. Die Eigenschaften der Legierungen bei einem Maß von 0,25 mm (0,010'') sind in Tabelle IV angeführt. TABELLE IV Eigenschaften von Cu-3,03Ni-0,71Si-0,17Mg bei einem Maß von 0,25 mm Verfahren Wärmebehandeln Leitfähigkeit Dehnung "gut" "schlecht"
Wie in der Tabelle IV gezeigt, liefert die Alternative 2 des Verfahrens die höchste elektrische Leitfähigkeit, während sie eine exzellente Zugfestigkeit über 68,9 kN/cm² (100 ksi) beibehält und während sie exzellente Biegeformbarkeitseigenschaften liefert. Dieses Verfahren ist besonders geeignet zum Herstellen von Materialien für Anwendungen als Leiterrahmen, wo exzellente Biegeformbarkeits- und Festigkeits- und Leitfähigkeitseigenschaften erwünscht sind. Obwohl man glaubt, daß die Legierungen, die durch die Alternative 2 des Verfahrens verarbeitet wurden, ihre Hauptanwendung als Leiterrahmen finden werden, könnten sie ebenso für Verbinder oder für andere Anwendungen benutzt werden, die exzellente Biegeformbarkeitseigenschaften benötigen. Für Verbinderanwendungen sind die Legierungen vorzugsweise stabilisierungswärmebehandelt, um eine verbesserte Spannungs- Relaxations-Widerstandsfähigkeit zu schaffen. Die Ergebnisse der Alternative 3 des Verfahrens, verglichen mit den Ergebnissen der Alternative 2 des Verfahrens und den vorher in der Tabelle II angeführten, fallen zwischen die Eigenschaften der anderen Verfahren.
Alternative 3 des Verfahrens liefert sehr gute Festigkeitseigenschaften über 82,7 kN/cm² (120 ksi) Zugfestigkeit und gute Leitfähigkeit über 40% IACS bei einem Nachteil beim "schlechten" Biegen.

BEISPIEL IV

Eine Reihe von Legierungen mit den in Tabelle V angeführten Zusammensetzungen wurde wie folgt hergestellt: Die Legierungen wurden bei einer Temperatur von 1.225ºC geschmolzen. Diese Schmelze wurde in eine auf einer wassergekühlten Kupferplatte liegende Stahlform gegossen. Die sich daraus ergebenden 5 cm · 5 cm · 10 cm (2'' · 2'' · 4'') kokillengegossenen Gußblöcke wurden für 2 Stunden bei 900ºC durchwärmt und in 6 Durchgängen von dieser Temperatur aus auf eine Dicke von 14 mm (0,55'') warmgewalzt. Die Legierungen wurden dann wie folgt verarbeitet. Sie wurden auf ein Maß von 10 mm (0,40'') bearbeitet und dann kalt auf ein Maß von 4,6 mm (0,18'') gewalzt. Ein Teil der Legierungen wurde 4 Stunden bei 500ºC wärmebehandelt, gefolgt von Kaltwalzen auf ein Maß von 2,0 mm (0,080'') und dann 2 Stunden bei 425ºC wärmebehandelt, gefolgt von Kaltwalzen um 75% auf ein Maß von 0,5 mm (0,020''). Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Legierungen wurden dann gemessen und sind in Tabelle V angegeben. TABELLE V Eigenschaften bei einem Maß von 0,5 mm Legierung (Bal.Cu) 0,2% Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung Leitfähigkeit
Tabelle V zeigt deutlich die merkliche Verbesserung bei der Festigkeit, die bei den Legierungen der vorliegenden Erfindung erreichbar ist ohne einen unakzeptablen Verlust von elektrischer Leitfähigkeit. Die Daten in Tabelle V zeigen auch, daß die Legierungen andere Elemente, wie Chrom und Mangan, innerhalb der Bereiche dieser Erfindung enthalten können, ohne die Festigkeitseigenschaften einzubüßen.

BEISPIEL V

Ein Teil der Legierungen des vorherigen Beispiels mit einem Maß von 4,6 mm (0,18'') wurde bei einer Temperatur von 475ºC 2 Stunden wärmebehandelt, dann kaltgewalzt auf ein Maß von 2,0 mm (0,080'') und bei 400ºC für 2 Stunden wärmebehandelt, gefolgt von Kaltwalzen um 75% auf ein Maß von 0,5 mm (0,020''). Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Legierungen wurden gemessen und sind in der Tabelle VI aufgeführt. TABELLE VI Eigenschaften bei einem Maß von 0,5 mm Legierung (Rest Cu) 0,2% Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung Leitfähigkeit
Eine Betrachtung der Tabelle VI zeigt, daß die Legierungen dieser Erfindung außergewöhnliche Zugfestigkeitsniveaus erreichen können, während sie eine mittlere elektrische Leitfähigkeit beibehalten. Tabelle VI zeigt außerdem, daß geringere Zusätze von Chrom und/oder Mangan für die Festigkeitseigenschaften der Legierung vorteilhaft sind, während sie die elektrische Leitfähigkeit um eine Stufe reduzieren.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet "Streckgrenze" die Streckgrenze gemessen bei 0,2% Versatz. "UTS" bedeutet Zugfestigkeit. Die "Dehnung" wird gemäß dieser Erfindung bei einem Längenmaß von 5,1 cm (2'') gemessen. Der Ausdruck "ksi" ist eine Abkürzung für tausend Pfund pro Quadratinch. Alle Prozentangaben bei Zusammensetzungen sind Gewichtsprozent. Alle Wärmebehandlungszeiten sind Zeiten bei der Temperatur und beinhalten nicht die Ofenzeit, um auf die Temperatur zu kommen und abzukühlen. Streifen-Wärmebehandlungen sind gemäß dieser Erfindung für das Lösungswärmebehandeln oder zum Lösen der Legierung bevorzugt. Wärmebehandlungen, die in Zeiträumen von weniger als 10 Minuten ausgeführt werden können, werden vorzugsweise mit Streifen-Wärmebehandlungstechniken ausgeführt. Wärmebehandlungen, die über diesen Zeitraum hinausgehen, werden vorzugsweise durch Bell-Wärmebehandeln (Haubenofen) ausgeführt.
Die kommerziellen Bezeichnungen für Kupferlegierung, die in dieser Anmeldung angeführt sind, sind Standardbezeichnungen der Copper Development Association Incorporated, 405 Lexington Avenue, New York, New York 10017.
Man erkennt, daß hier gemäß dieser Erfindung Vielzweck- Kupferlegierungen und Verfahren zu deren Bearbeitung geschaffen wurden mit mittlerer Leitfähigkeit und hoher Festigkeit, die die vorhergehend angeführten Ziele, Mittel und Vorteile vollständig erfüllen.

Claims

1. Legierung auf Kupferbasis mit einer verbesserten Kombination von Zugfestigkeit und elektrischer Leitfähigkeit, die hinsichtlich Rißbildung unempfindlich gegenüber Warmverformungstemperatur ist, und die besteht aus:

(a) 2 bis 4,8 Gew.-% Nickel,

(b) wobei ein Teil des Nickelgehalts wahlweise ersetzt ist durch Chrom, Kobalt, Eisen, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob, Tantal, Mischmetall oder Mischungen davon, in einer Menge von 1 Gew.-% der Legierung oder weniger, aber wirksam zur Bildung eines Silicids;

(c) 0,2 bis 1,4 Gew.-% Silicium;

(d) wahlweise Lithium, Calcium, Mangan, Mischmetall oder Mischungen davon, in einer Menge von 0,25 Gew.-% der Legierung oder weniger, aber wirksam zum Deoxidieren oder Desulfurieren;

(e) 0,05 bis 0,45 Gew.-% Magnesium;

(f) Rest Kupfer, abgesehen von Verunreinigungen.

2. Legierung auf Kupferbasis nach Anspruch 1, bei der der Nickelgehalt 2,4 bis 4,0 Gew.-% beträgt, der Siliciumgehalt 0,3 bis 1,1 Gew.-% beträgt und der Magnesiumgehalt 0,05 bis 0,3 Gew.-% beträgt.

3. Legierung auf Kupferbasis nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Magnesiumgehalt 0,1 bis 0,2 Gew.-% beträgt.

4. Legierung auf Kupferbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Chromgehalt 0,1 Gew.-% oder weniger beträgt.

5. Legierung auf Kupferbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Verhältnis von Nickel zu Silicium im Bereich von 3,5 : 1 bis 4,5 : 1, bevorzugt von 3,8 : 1 bis 4,3 : 1, liegt.

6. Leiterrahmen mit guter Biegeformbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Legierung auf Kupferbasis wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 angegeben, die in einem überalterten Zustand ist, hergestellt ist.

7. Elektrischer Verbinder mit guten Spannungs-Relaxations-Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Legierung auf Kupferbasis wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 angegeben, die sich in einem stabilisierten Zustand befindet, hergestellt ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Legierung auf Kupferbasis wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 angegeben, die eine verbesserte Kombination von Zugfestigkeit und elektrischer Leitfähigkeit besitzt und hinsichtlich Rißbildung unempfindlich gegenüber Warmverformungstemperatur ist, folgende Schritte aufweisend:

(a) Gießen der Legierung zu einer gewünschten Gestalt;

(b) Lösungsbehandeln der Legierung bei einer Temperatur von 750º bis 950ºC für einen Zeitraum von 30 Sekunden bis 8 Stunden, gefolgt von Abschrecken;

(c) Kaltreduzieren der Legierung um mindestens 30%;

(d) Aushärten der Legierung bei einer Temperatur von 350 bis 500ºC für einen Zeitraum von 1/2 bis 8 Stunden; und

(e) abschließend Kaltreduzieren der Legierung um 10 bis 90% Reduktion.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt (f) des Stabilisierungs-Wärmebehandelns der Legierung bei einer Temperatur von 200 bis 345ºC für einen Zeitraum von 1/2 bis 8 Stunden enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (b) des Lösungsbehandelns ein Warmverformen der Legierung von der Lösungsbehandlungstemperatur in einer Mehrzahl von Durchgängen auf ein gewünschtes Maß aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte (c) und (d) wiederholt werden, mit der Maßgabe, daß die Aushärtungstemperatur niedriger ist als die Aushärtungstemperatur in der ersten Folge von Schritten (c) und (d) und innerhalb eines Bereichs von 350 bis 490ºC ist während eines Zeitraums von 1/2 bis 8 Stunden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von Schritt (d) die Legierung:

(g) wärmebehandelt wird bei einer Temperatur von 750 bis 950ºC für einen Zeitraum von 30 Sekunden bis 8 Stunden, gefolgt von Abschrecken;

(h) mindestens 10% kaltverformt wird; und

(i) überaltert wird durch Wärmebehandeln bei einer Temperatur von 500 bis 700º für einen Zeitraum von 1/2 bis 8 Stunden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von Schritt (i) die Legierung

(j) bei einer Temperatur von 350 bis weniger als 500ºC für einen Zeitraum von 1/2 bis 8 Stunden ausgehärtet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Schritte (g) und (h) wiederholt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß vor Schritt (b) oder vor Schritt (c) oder vor Schritt (d) die Legierung bei einer Temperatur von 550 bis 700ºC für einen Zeitraum von 1 bis 8 Stunden einer Homogenisierungs-Wärmebehandlung unterworfen wird.