DE4201065C2 - Anwendung des Sprühkompaktier-Verfahrens zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit von Halbzeug aus Kupferlegierungen - Google Patents

Anwendung des Sprühkompaktier-Verfahrens zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit von Halbzeug aus Kupferlegierungen

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    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123—Spraying molten metal

Description

Bei auf Biegung beanspruchten Federelementen ist für den Ge­ brauchswert die Biegewechselfestigkeit des Materials ein ent­ scheidendes Kriterium für die Werkstoffauswahl und die Kon­ struktion des Elements. Die Biegewechselfestigkeit σBW wird üblicherweise nach DIN 50 100 (Dauerschwingversuch) bestimmt.
Für einige der wichtigsten Federwerkstoffe werden Werte der Biegewechselfestigkeit gemäß Fig. 1 erreicht (vgl. beispielsweise WIELAND-Buch "Kupferwerkstoffe", 5. Auflage (1986), S. 235).
Beispielsweise aus der US-PS 4.961.457 ist es zwar bekannt, insbesondere bei Cu-Fe-Legierungen durch Einsatz des Sprüh­ kompaktier-Verfahrens gute mechanische Eigenschaften zu erzielen. Diese Druckschrift enthält jedoch keinen Anhaltspunkt dafür, daß auch die Biegewechselfestigkeit günstig beeinflußt würde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Halbzeug aus einer gewissen Klasse von Kupferlegierungen ein Verfahren zur Verbes­ serung der Biegewechselfestigkeit zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in Anspruch 1 genannten Verfahrensschritte auf Kupferlegierungen der in Anspruch 1-7 genannten Zusammensetzungen angewendet. (Die Konzentrations­ angaben beziehen sich dabei auf das Gewicht.)
  • 1. Kupfer-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
    0,3 bis 1,2% nitridbildendes Chrom; wahlweiser Zusatz der nitridbildenden Elemente Zirkonium und/oder Titan sowie wahl­ weiser Zusatz von Eisen und/oder Silizium bis insges. maximal 0,5%;
    Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
  • 2. Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung der folgenden Zusam­ mensetzung:
    0,1 bis 0,5% nitridbildendes Chrom; 0,01 bis 0,5% nitrid­ bildendes Titan; 0,01 bis 0,25% Silizium; wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Zink, Eisen, Nickel bis maximal 0,4%;
    Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
  • 3. Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
    5,0 bis 15,5% Nickel; 2 bis 8,5% Zinn; Zusatz nitridbildenden Mangans sowie wahlweiser Zusatz von Eisen und/oder Zink bis insges. 1,5% und/oder Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus der Gruppe Zirkonium, Titan, Magnesium, Chrom bis insges. 0,5%; wahlweiser Zusatz von Phosphor bis 0,3%;
    Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
  • 4. Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
    0,2 bis 3,0% Nickel; 0,2 bis 3,0% Zinn; 0,1 bis 1,5% nitrid­ bildendes Titan; 0,5 bis 1% nitridbildendes Chrom; wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Zink bis 1%;
    Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
  • 5. Kupfer-Nickel-Zinn-Aluminium-Legierung der folgenden Zusam­ mensetzung:
    4 bis 10% Nickel; 1 bis 3% Zinn; 1 bis 3% nitridbildendes Aluminium; wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen A, B und C mit
    Gruppe A: Eisen, Zink, Silizium und nitridbildendes Mangan bis 1%;
    Gruppe B: nitridbildende Elemente Zirkonium, Titan, Chrom bis 0,5%;
    Gruppe C: nitridbildendes Magnesium und Phosphor bis 0,3%;
    Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
  • 6. Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung der folgenden Zusammen­ setzung:
    1 bis 4% Nickel; 0,2 bis 0,8% Silizium; Zusatz nitridbildenden Mangans sowie wahlweiser Zusatz von Eisen, Zink, Zinn bis insges. 1,5% und/oder Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus der Gruppe Titan, Magnesium, Chrom bis insges. 0,8% und/oder Zusatz nitridbildenden Zirkoniums sowie wahlweiser Zusatz von Phosphor bis 0,3%;
    Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
  • 7. Kupfer-Zink-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
    2 bis 51% Zink; Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus den Gruppen: Titan, Magnesium, Chrom bis 0,5%; Zirkonium bis 0,3%; sowie wahlweiser Zusatz von Blei bis 4%; Eisen, Zinn bis 2%; Nickel bis 3%; Silizium bis 2%; Phosphor bis 0,2%;
    Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
Es hat sich überraschend gezeigt, daß bei dieser Klasse von Kupferlegierungen die Biegewechselfestigkeit im Endprodukt dadurch gesteigert werden kann, daß für die Urformgebung des Ausgangswerkstücks anstelle des üblichen halb- oder vollkontinu­ ierlichen Stranggießens das Verfahren des Sprühkompaktierens (Osprey-Verfahren etwa nach GB-PS 1.379.261 und GB-PS 1.472.939) eingesetzt werden kann.
Hierbei wird eine Schmelze zerstäubt, der Tröpfchenstrahl zu einem Bolzen oder einem Band oder einer Warmwalzplatte konsoli­ diert und diese verformt und in der üblichen Weise weiterverar­ beitet.
Bolzen lassen sich beispielsweise durch Strangpressen in Stangen, Drähte oder Rohre umformen, welche evtl. durch weitere Kaltum­ formschritte in die Endform gebracht werden können.
Platten lassen sich wie üblich warmwalzen und durch nachfolgende Kaltwalz- und Zwischenglühschritte bis zur Endabmessung umformen. Bei dünnen Bändern kann das Warmwalzen u. U. eingespart werden und, ähnlich wie bei dem heute bekannten Prozeß des Bandgusses, direkt mit der Kaltwalzstufe begonnen werden.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Kupferlegierung verwendet, die nitridbildende Elemente im Kon­ zentrationsbereich von 0,001 bis 0,5% enthält.
Bekannte Nitridbildner sind in der Reihenfolge ihrer Wirksamkeit: Zirkonium, Titan, Magnesium, Chrom, Aluminium und Mangan. Dabei ist Zirkonium, das beim Sprühkompaktieren wirksamste Element. Wird seine Wirksamkeit als Bezug gesetzt (Wirksamkeitsfaktor = 100%), so läßt sich der Wirksamkeitsfaktor eines anderen Nitridbildners durch einfache Versuchsreihen leicht feststellen:
Eine Legierung mit definiertem Zirkonium-Gehalt sowie die gleiche Legierung mit demselben Gewichtsanteil, allerdings des anderen Nitridbildners, werden versprüht. Von den Sprühproben wird die Dichte bestimmt. Der Wirksamkeitsfaktor des anderen Nitridbild­ ners ergibt sich aus dem Verhältnis der Dichte beider Sprüh­ proben. So ergeben sich für die anderen genannten Elemente folgende Wirksamkeitsfaktoren: Titan 95%, Magnesium 70%, Chrom 40%, Aluminium 30%, Mangan 10%.
Das Zirkoniumäquivalent wird als die Summe der Produkte aus den Nenngehalten der o. g. Nitridbildner und ihrer Wirksamkeits­ faktoren definiert. Es wird insbesondere empfohlen, ein Zirkonium­ äquivalent von 0,01 bis 0,1% einzuhalten (vgl. Fig. 2, welche den Einfluß an Zirkoniumäquivalent in der versprühten Legierung auf die Veränderung der Biegewechselfestigkeit zeigt).
Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Eine Legierung A mit 0,73% Chrom, 0,08% Zirkonium, Rest Kupfer mit üblichen Verunreinigungen wurde in der üblichen Weise in Form von Bolzen stranggegossen, bei 900°C zu Stangen verpreßt, diese in 0,3 mm dicke Bänder verwalzt. Durch geeignete Glüh- und Umform­ sequenz wurde das Material in Enddicke auf eine Zugfestigkeit von etwa 590 N/mm² bei einer Härte von etwa 170 HV und einer elek­ trischen Leitfähigkeit von 48,1 m/Ω mm² gebracht.
Eine Legierung B mit 0,80% Chrom, 0,09% Zikonium, Rest Kupfer mit üblichen Verunreinigungen wurde durch Sprühkompaktieren entspre­ chend Fig. 3 zu einem Bolzen geformt.
Auf die Oberseite einer Sprühkompaktierkammer 1 wird ein Tiegel 2 mit der Schmelze 3 aufgesetzt und die Schmelze 3 über ein Stopfenventil 2′ in eine Düse 4 eingeführt. In der Düse 4 trifft das Zerstäubungsgas 5 auf die Schmelze 3 und zerlegt den Schmelze­ strahl in einen kegelförmigen Tröpfchenstrahl 6. Der Tröpfchen­ strahl 6 trifft auf eine sich drehende Unterlage 7, welche beispielsweise der Teil eines gebildeten Bolzens sein kann.
Der entstandene Bolzen wurde ebenfalls bei 900°C in eine Stange verpreßt, die Stange, wie oben erwähnt, durch verschiedene analoge Kaltumformschritte mit Zwischenglühung in ein Band von 0,3 mm Dicke verwalzt. Es wurde eine Zugfestigkeit von 560 N/mm² bei 49,8 m/Ω mm² Leitfähigkeit und einer Härte von 150 HV einge­ stellt.
Aus den Bandproben beider Legierungen wurden Streifen von 10 mm Breite herausgeschnitten und an diesen die Biegewechselfestigkeit σBW durch einen Hin- und Herbiegeversuch ermittelt.
Für die Legierung A ergab sich eine Biegewechselfestigkeit σBW= 190 N/mm², bei Legierung B wurde σBW = 220 N/mm² bei jeweils 10⁷ ertragenen Lastwechseln gemessen.
Fig. 4 zeigt den vollständigen Verlauf für die Biegewechsel­ festigkeit σBW. Daraus geht hervor, daß die Biegelwechsel­ festigkeit der nach dem Sprühkompaktierverfahren hergestellten Proben deutlich über der Biegewechselfestigkeit der nach dem Stranggießverfahren hergestellten Proben liegt.

Claims (9)

1. Anwendung eines Verfahrens, bei dem eine Kupferlegierung geschmolzen wird, die nitridbildende Elemente aus der Gruppe Zirkonium, Titan, Magnesium, Chrom, Aluminium, Mangan, Bor, Niob, Tantal, Vanadium einzeln oder in Kombination im Konzentrations­ bereich von insgesamt 0,001 bis 3,0% enthält, bei dem eine Vorform durch Sprühkompaktieren hergestellt wird und bei dem sich die Endform des Halbzeugs aus der Vorform durch übliche Schritte der Warm- und Kaltumformung ergibt, auf eine Kupfer-Chrom-Legierung der folgenden Zusammenset­ zung:
0,3 bis 1,2% nitridbildendes Chrom; wahlweiser Zusatz der nitridbildenden Elemente Zirkonium und/oder Titan sowie wahl­ weiser Zusatz von Eisen und/oder Silizium bis insges. maximal 0,5%;
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen,
zum Zweck der Verbesserung der Biegewechselfestigkeit des Halbzeugs.
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1 auf eine Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
0,1 bis 0,5% nitridbildendes Chrom; 0,01 bis 0,5% nitrid­ bildendes Titan; 0,01 bis 0,25% Silizium; wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Zink, Eisen, Nickel bis maximal 0,4%;
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1 auf eine Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung der folgenden Zusam­ mensetzung:
5,0 bis 15,5% Nickel; 2 bis 8,5% Zinn; Zusatz nitridbildenden Mangans sowie wahlweiser Zusatz von Eisen und/oder Zink bis insges. 1,5% und/oder Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus der Gruppe Zirkonium, Titan, Magnesium, Chrom bis insges. 0,5%; wahlweiser Zusatz von Phosphor bis 0,3%;
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1 auf eine Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
0,2 bis 3,0% Nickel; 0,2 bis 3,0% Zinn; 0,1 bis 1,5% nitrid­ bildendes Titan; 0,5 bis 1% nitridbildendes Chrom; wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Zink bis 1%;
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1 auf eine Kupfer-Nickel-Zinn-Aluminium-Legierung der folgen­ den Zusammensetzung:
4 bis 10% Nickel; 1 bis 3% Zinn; 1 bis 3% nitridbildendes Aluminium; wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen A, B und C mit
Gruppe A: Eisen, Zink, Silizium und nitridbildendes Mangan bis 1%;
Gruppe B: nitridbildende Elemente Zirkonium, Titan, Chrom bis 0,5%;
Gruppe C: nitridbildendes Magnesium und Phosphor bis 0,3%;
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1 auf eine Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
1 bis 4% Nickel; 0,2 bis 0,8% Silizium; Zusatz nitridbildenden Mangans sowie wahlweiser Zusatz von Eisen, Zink, Zinn bis insges. 1,5% und/oder Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus der Gruppe Titan, Magnesium, Chrom bis insges. 0,8% und/oder Zusatz nitridbildenden Zirkoniums sowie wahlweiser Zusatz von Phosphor bis 0,3%;
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1 auf eine Kupfer-Zink-Legierung der folgenden Zusammenset­ zung:
2 bis 51% Zink; Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus den Gruppen: Titan, Magnesium, Chrom bis 0,5%; Zirkonium 0,3%; sowie wahlweiser Zusatz von Blei bis 4%; Eisen, Zinn bis 2%; Nickel bis 3%; Silizium bis 2%; Phosphor bis 0,2%;
Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem die Kupferlegierung nitridbildende Elemente im Konzentra­ tionsbereich von 0,001 bis 0,5% enthält, für den Zweck nach Anspruch 1 auf eine Kupferlegierung der Zusammensetzung nach den Ansprüchen 1 bis 7.
9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem die Kupferlegierung nitridbildende Elemente als Zirkonium äquivalent im Konzentrationsbereich von 0,01 bis 0,1% enthält, für den Zweck nach Anspruch 1 auf eine Kupfer­ legierung der Zusammensetzung nach den Ansprüchen 1 bis 7.
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