DE3930903A1

DE3930903A1 - Kupferlegierung mit ausreichender verpressbarkeit und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3930903A1
Application number: DE3930903A
Authority: DE
Inventors: Shuichi Yamasaki; Hiroshi Yamaguchi
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1988-09-20
Filing date: 1989-09-15
Publication date: 1990-03-22
Anticipated expiration: 2009-09-16
Also published as: DE3930903C2; JPH0285330A; JPH0469217B2; US5002732A

Description

Hintergrund der Erfindung a) Erfindungsbereich

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupferlegierung, die für elektrische und elektronische Teile geeignet ist, deren physikalische Eigenschaften benötigt werden, um einem ausgedehnten Bereich von Anforderungen zu genügen, hervorragend zu sein in Wärmebeständigkeit, elektrischer und Wärmeleitfähigkeit, mechanischer (Zug-)Festigkeit, Verpreßbarkeit usw., wie auch auf ein Verfahren, diese Legierung herzustellen.

b) Beschreibung des Standes der Technik

Herkömmlicherweise wurde Phosphorbronze für solche elektrischen und elektronischen Teile verwandt. Dieses Material kann jedoch wegen seiner niedrigen elektrischen Leitfähigkeit mehr Wärmeerzeugung nach sich ziehen, als es wünschenswert ist. Überdies ist es ziemlich teuer. Auch Messing kann wie Phosphorbronze infolge seiner niedrigen elektrischen Leitfähigkeit Anlaß für mehr Wärmeerzeugung sein, als es wünschenswert ist. Davon abgesehen sind hart vergütete Materialien für elektrische und elektronische Teile der obigen Kategorie nicht geeignet, da sie keine ausreichende Verpreßbarkeit haben.

Deshalb wurden neuerdings verschiedene Kupferlegierungen vorgeschlagen, die sich sowohl in elektrischer Leitfähigkeit als auch in mechanischer (Zug-)Festigkeit auszeichnen. Diese Legierungen sind jedoch durch Ausscheidungshärtung versteift, so daß sie häufig Risse bekommen, wenn sie unter strengen Bedingungen gepreßt werden. Beispielsweise zeichnet sich die Legierung, die der Erfinder der vorliegenden Erfindung in der japanischen Patent-Veröffentlichung Nr. 62-39 213 vorgeschlagen hat, sowohl in der elektrischen Leitfähigkeit als auch in der mechanischen (Zug-)Festigkeit aus, aber sie kann Risse bekommen, wenn sie durch Preßbearbeitung zu kleinen Anschlußklemmen oder dergleichen geformt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, ein elektrisches Kupfer-Legierungsteil vorzusehen, das sich sowohl in elektrischer Leitfähigkeit als auch in mechanischer (Zug-)Festigkeit auszeichnet und das eine ausreichende Verpreßbarkeit aufweist.

Ein anderes Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein Herstellungs- Verfahren für dieses elektrische Kupferlegierungsteil vorzusehen, das sich in den verschiedenen oben erwähnten Eigenschaften auszeichnet.

Gemäß dieser Erfindung wird eine Kupferlegierung vorgesehen, die (in Gewichtsprozenten) im wesentlichen enthält: 0,1 bis 0,4% Fe, 0,05 bis 0,20% Ti, 0,003 bis 0,10% Mg, 0,5 bis 1,5% Sn und 0,01 bis 1,0% von einem, zwei oder allen der Elemente Zn, Ni und Co, der Rest besteht aus Cu mit Ausnahme von Verunreinigungen.

Diese Erfindung sieht auch ein Herstellungsverfahren für diese Legierung vor, das aus folgenden Schritten besteht:

Schmelzen und in Formen gießen von einer Zusammensetzung der vorstehend erwähnten Legierung;
Warmverformung dieser Legierung;
ein- oder mehrmaliges Vergüten der warmverformten Legierung;
schließlich einmaliges Haubenvergüten (batch-annealing) bei 400 bis 600°C und einer Haltezeit von 30 bis 600 Minuten und
Einhalten des abschließenden Kaltverformungs-Verhältnisses bei 60% oder weniger und Vergüten der Legierung bei einer Niedertemperatur von 250 bis 400°C.

So hilft diese Erfindung, eine Kupferlegierung zu realisieren, welche sich in den verschiedenen Eigenschaften auszeichnet, die von elektrischen und elektronischen Teilen benötigt werden, nämlich solchen wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmebeständigkeit, (Zug-) Festigkeit, Schweißbarkeit und Verpreßbarkeit, ebenso wie ein Verfahren, diese Legierung herzustellen. Diese Legierung wird ein weites Anwendungsgebiet finden; sie kann für solche elektrischen und elektronischen Teile wie Stecker, Anschlußklemmen, Leitungsmaterial, Anschlußgehäuse (lead frames), Schalter und verstellbare Federn (movable springs) verwendet werden. Sie wird sehr dazu beitragen, die Ausführung von solchen Teilen zu verbessern, ebenso wie sie zu verkleinern und dünner zu machen.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Zeichnung zeigt einen Preßstempel, der für den Zweck verwendet wird, die Verpreßbarkeit von Legierungen gemäß dieser Erfindung und üblichen Legierungen zu beurteilen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Ausführungen dieser Erfindung werden nun im einzelnen beschrieben.

Zuerst wird der Grund dafür erläutert, einige Elemente als Bestandteile dieser Legierung zu verwenden, ebenso wie der Grund, eine Begrenzung für den (Legierungs-)Bereich dieser Bestandteile zu setzen.

Fe und Ti helfen durch einen synergetischen Effekt, Vortrefflichkeit sowohl in mechanischer (Zug-)Festigkeit als auch in elektrischer Leitfähigkeit zu erreichen, was ein Ziel dieser Erfindung ausmacht. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß Fe und Ti die Verbindung Fe₂Ti erzeugen, die sich schließlich in der Matrix zu einem nachweisbaren Betrag niederschlägt. Um eine hervorragende Eigenschaft durch den Niederschlag von Fe und Ti zu erzielen, ist es wünschenswert, daß die Elemente in einem passenden Verhältnis zueinander stehen. Fe/Ti sollten (im Gewichtsverhältnis) 1,4 bis 2,8 stehen, besser vorzugsweise 1,7 bis 2,4. Eine übermäßige Anzahl sich niedeschlagender Teilchen wird in der Legierung ergeben, daß sie zu Rissen während des Pressens neigt.

So hilft ein Zufügen von Fe zusammen mit einem vorbestimmten Betrag an Ti, die (Zug-)Festigkeit der Legierung nach dieser Erfindung zu vergrößern und deren hohe elektrische Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Jedoch sollte vermerkt werden, daß ein Fe- Gehalt von weniger als 0,1% eine ungenügende mechanische (Zug-) Festigkeit ergeben wird. Umgekehrt wird ein Fe-Gehalt im Übermaß von 0,4% auf eine Verschlechterung der Verpreßbarkeit der Legierung hinauslaufen. Der bevorzugte Fe-Gehalt liegt zwischen 0,15 und 0,30%.

Der Grund, den Ti-Gehalt 0,05% oder mehr und 0,20% oder weniger zu machen, liegt darin, daß ein Ti-Gehalt von weniger als 0,05% auf eine ungenügende (Zug-)Festigkeit sogar dann hinausläuft, wenn Fe zusammen mit ihm zugefügt wird, und daß ein Ti-Gehalt von mehr als 0,20% auf eine Verschlechterung in der Druckfähigkeit hinausläuft. Der bevorzugte Ti-Gehalt liegt zwischen 0,08 und 0,15%.

Mg dient dazu, die (Zug-)Festigkeit der Legierung zu verbessern. Ferner wirkt es als ein starker Desoxidator, indem es die Sauerstoffkonzentration in der Legierung verringert und dabei solche Probleme wie Plattierungs-Blasen (plating blisters) ausschließt. mit einem Mg-Gehalt von weniger als 0,003% wird diese Wirkung ungenügend; ein Mg-Gehalt von mehr als 0,10% wird auf eine Verschlechterung in der Schmelzverarbeitbarkeit für ein Formgießen hinauslaufen. Der bevorzugte Mg-Gehalt liegt zwischen 0,02 und 0,08%.

Sn vergrößert die (Zug-)Festigkeit der Legierung. Jedoch wird diese Wirkung ungenügend, wenn der Sn-Gehalt weniger als 0,5% beträgt. Wenn er im Übermaß von 1,5% vorhanden ist, wird die Verpreßbarkeit der Legierung verschlechtert, während deren elektrische Leitfähigkeit sich ebenso übermäßig verschlechtert. Der bevorzugte Sn-Gehalt liegt zwischen 0,8 und 1,4%.

Von den Elementen Zn, Ni und Co ist jeder fähig, die (Zug-)Festigkeit der Legierung zu verbessern. Es ist jedoch zu vermerken, daß diese Wirkung ungenügend ist, wenn der Gesamtbetrag von einem oder mehr Elementen, die unter Zn, Ni und Co ausgewählt wurden, geringer als 0,01%ig ist. Wenn er umgekehrt größer als 1,0% ist, wird die elektrische Leitfähigkeit und die Verpreßbarkeit der Legierung übermäßig verschlechtert. Andererseits arbeitet Zn als Desoxidator; wenn es zuvor zu Mg während des Schmelzvorgangs zugefügt wird, hilft es, die Erzeugung von Warmformgebungs-Rissen während des Heißwalzens zu unterdrücken. Diese Wirkungen können nicht bis zu einem genügenden Grad erreicht werden, wenn der vorstehend erwähnte Gesamtbetrag geringer als 0,01% ist.

Ferner ist es auch möglich, der Legierung gemäß dieser Erfindung 0,05 bis 0,5% an Cr, Al, Zr, Sb, Mn, P, Ca, B usw. zuzusetzen. Dies ist wirkungsvoll beim Verbessern der (Zug-)Festigkeit der Legierung wie auch beim Desoxidieren derselben.

Als nächstes wird das Verfahren zum Herstellen dieser Legierung gemäß dieser Erfindung beschrieben. Dieses Verfahren beinhaltet folgende Schritte:

Schmelzen, in Formen gießen und Heizwalzen der vorstehend erwähnten Legierung obiger Zusammensetzung in einer herkömmlichen Weise;
ein- oder mehrmaliges Vergüten und Kaltverformen, zum Schluß einmaliges Haubenvergüten bei 400 bis 600°C bei einer Haltezeit von 30 bis 60 Minuten und Einhalten des abschließenden Kaltverformungs-Verhältnisses auf 60% oder weniger und
Vergüten der Legierung bei einer Niedertemperatur von 250 bis 400°C.

Der Grund für ein abschließendes einmaliges Haubenvergüten der Legierung, anstatt ein ununterbrochenes Vergüten durchzuführen, besteht darin, daß dieses Haubenvergüten die intermetallische Verbindung aus Fe₂Ti veranlaßt, sich niederzuschlagen, indem es dabei den Wärmewiderstand, die (Zug-)Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Legierung vergrößert. Der Grund, die Vergütungstemperatur auf 400°C bis 600°C festzusetzen, besteht darin, daß eine Vergütungstemperatur von weniger als 400°C auf einen ungenügenden Niederschlag und eine Vergütungstemperatur von mehr als 600°C darauf hinauslaufen wird, daß die sich niederschlagenden Partikel übermäßig groß werden, was deren Beitrag dafür ungenügend macht, die (Zug-)Festigkeit und den Wärmewiderstand der Legierung zu verbessern. Der Grund dafür, die Vergütungszeit auf die Haltezeit von 30 bis 600 Minuten zu begrenzen, besteht in folgendem: Wenn die Vergütungszeit weniger als 30 Minuten dauert, ist der Fe₂-Ti-Niederschlag ungenügend; andererseits ist ein Vergüten der Legierung über einen längeren Zeitraum als 600 Minuten ohne Nutzen, da der Niederschlag innerhalb dieser Periode gesättigt sein wird. Der Grund, ein abschließendes Kaltverformungs- Verhältnis auf 60% oder weniger einzuhalten, besteht darin, daß dann, wenn das Verhältnis mehr als 60% beträgt, die Verpreßbarkeit der Legierung ungenügend sein wird. Das Niedertemperatur- Vergüten wird im Hinblick darauf durchgeführt, die Elastizität und die Verpreßbarkeit der Legierung zu verbessern; wenn die Temperatur unter 250°C ist, wird die Verpreßbarkeit der Legierung ungenügend, und wenn sie oberhalb 400°C ist, wird deren Elastizität und (Zug-)Festigkeit sich verschlechtern.

Die bevorzugten Konditionen sind wie folgt:

Vergütungstemperatur von 480 bis 580°C,
Vergütungs-Haltezeit von 300 bis 500 Minuten,
abschließendes Kaltverformungs-Verhältnis 55% oder weniger,
Niedertemperatur-Vergüten bei 250 bis 350°C.

Beispiele der Legierung nach dieser Erfindung werden nun anhand des Verfahrens zu deren Herstellung beschrieben.

Beispiel 1

Barren mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in Übereinstimmung mit den Beispielen der erfindungsgemäßen Legierung wie auch mit Vergleichsbeispielen, die in Tabelle 1 gezeigt werden, wurden unter Holzkohlen-Abdeckung in einem Hochfrequenz-Schmelzofen geschmolzen und in Metallkokillen gegossen. Jeder dieser Barren erhielt eine Dicke von 35 mm, eine Breite von 90 mm und eine Länge von 150 mm. Sie wurden jeder auf beiden Flachseiten spanabhebend bearbeitet, bis ihre Dicke 28 mm betrug. Danach wurden sie mit einer Anfangstemperatur von 900°C heißgewalzt, bis ihre Dicke 12 mm betrug. Dann wurden sie spanabhebend bearbeitet, bis ihre Dicke 10 mm war, und wurden kaltgewalzt, um eine Dicke von 2,5 mm zu erzielen. Ferner wurden sie während einer Haltezeit von 3 Stunden bei 500°C vergütet und danach kaltgewalzt, um eine Dicke von 0,8 mm zu erzielen. Nachfolgend wurden sie während einer Haltezeit von 3 Stunden einer Vergütung bei 550°C unterzogen und machten dann eine 50%-Kaltverformung durch, bis ihre Dicke 0,4 mm betrug. Schließlich wurden sie für eine Stunde einer Niedertemperatur-Vergütung bei 275°C unterworfen. Die erhaltenen Proben wurden auf Zugfestigkeit, Dehnung, elektrische Leitfähigkeit wie auch auf Verpreßbarkeit vermessen. Die Messung auf Verpreßbarkeit wurde durchgeführt, indem ein Preßstempel verwendet wird, wie er in der Zeichnung dargestellt ist. Die Proben wurden einer L-Biegung um 90° unterworfen, während der Biegeradius R geändert und das Erscheinungsbild der Biegeabschnitte mit einer Vergrößerungslinse geprüft wurde. In dem Maße, wie der innere Biegeradius R verringert wird, vertiefen sich die engen Falten, wobei sie eventuell Risse werden. Der Wert von R/t (R stellt hier den Mindestbiegeradius R dar, der keine Falten verursacht, die sich vertiefen; t stellt die Plattendicke dar) wurde als Index für Verpreßbarkeit verwendet. Die erzielten Ergebnisse werden in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 1

Tabelle 2

Wie aus Tabelle 2 erkannt wird, ist Probe 8, welchem keines der Elemente Zn, Ni und Co zugefügt wird, mangelhaft in der (Zug-) Festigkeit; wenn der Betrag von Sn (Probe 5) oder der von Fe und Ti (Probe 6) übermäßig ist, kann eine ausreichende Verpreßbarkeit nicht erzielt werden; und wenn weder Sn noch Zn zugefügt wird, ist die (Zug-)Festigkeit der Legierung sehr niedrig (Probe 7).

Beispiel 2

Die Legierung von Probe 3 in Beispiel 1 wurde durch verschiedene Verfahren zubereitet, um die Eigenschaften in den entsprechenden Fällen zu prüfen. Probe 9 in Tabelle 3 wurde so zubereitet, daß ihre Dicke vor dem abschließenden Kaltwalzen 1,2 mm betrug, während das Kaltverformungs-Verhältnis auf 67% gehalten wurde. Die Niedertemperatur-Vergütung von Probe 10 wurde eine Stunde lang bei 180°C durchgeführt und die von Probe 11 eine Stunde lang bei 450°C. Die anderen Herstellungsbedingungen für Proben 9 bis 11 waren dieselben wie jene für Probe 3. Die erhaltenen Ergebnisse werden in Tabelle 3 aufgeführt.

Tabelle 3

Wie aus Tabelle 3 erkannt wird, weisen Vergleichs-Beispiele 9 und 10, die nicht gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Erfindung zubereitet wurden, eine schlechte Verpreßbarkeit auf, während Probe 11 eine geringe Zugfestigkeit hat.

Unter Verpreßbarkeit wird vorstehend auch Biegbarkeit oder ganz allgemein Be- oder Verarbeitbarkeit verstanden.

Claims

1. Kupfer-Legierung mit ausreichender Verpreßbarkeit, die (in Gewichtsprozenten) im wesentlichen enthält: 0,1 bis 0,4% Fe, 0,05 bis 0,20% Ti, 0,003 bis 0,10% Mg, 0,5 bis 1,5% Sn und 0,01 bis 1,0% von einem, zwei oder allen der Elemente Zn, Ni und Co, wobei der Rest mit Ausnahme von Verunreinigungen aus Cu besteht.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von Fe/Ti (Gewichtsverhältnis) zwischen 1,4 und 2,8 liegt.

3. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von Fe/Ti (Gewichtsverhältnis) zwischen 1,7 und 2,4 liegt.

4. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fe-Gehalt zwischen 0,15 und 0,30% liegt.

5. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ti-Gehalt zwischen 0,08 und 0,15% liegt.

6. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mg-Gehalt zwischen 0,02 und 0,08% liegt.

7. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sn-Gehalt zwischen 0,8 und 1,4% liegt.

8. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner 0,05 bis 0,5% schließlich von einem der Elemente Cr, Al, Zr, Sb, Mn, B, P und Ca enthält.

9. Verfahren zum Herstellen einer Kupferlegierung mit ausreichender Verpreßbarkeit, die (in Gewichtsprozenten) im wesentlichen enthält: 0,1 bis 0,4% Fe, 0,05 bis 0,20% Ti, 0,003 bis 0,10% Mg, 0,5 bis 1,5% Sn und 0,01 bis 1,0% von einem, zwei oder allen der Elemente Zn, Ni und Co, wobei der Rest aus Cu mit Ausnahme von Verunreinigungen besteht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Schmelzen, in Formen gießen und Warmverformung dieser Legierung,
Kaltverformung und ein- oder mehrmaliges Vergüten der warmverformten Legierung, zum Schluß einmal Haubenvergüten bei 400 bis 600°C bei einer Haltezeit von 30 bis 600 Minuten und Einhalten des abschließenden Kaltverformungs-Verhältnisses auf 60% oder weniger und
Durchführen einer Niedertemperatur-Vergütung der Legierung bei einer Temperatur von 250 bis 400°C.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergütungstemperatur zwischen 480 und 580°C liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergütungszeit zwischen 300 und 500 Minuten liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformungs-Verhältnis der abschließenden Kaltverformung 55% oder weniger beträgt.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedertemperatur-Vergütung bei 250 bis 350°C durchgeführt wird.