DE4215576A1

DE4215576A1 - METHOD FOR PRODUCING COPPER ALLOYS

Info

Publication number: DE4215576A1
Application number: DE4215576A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hornig
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1991-06-01
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1992-12-03
Also published as: EP0517087A1; ATE134715T1; DE59205433D1; EP0517087B1

Abstract

The invention relates to a method for manufacturing copper alloys of very high strength and very good formability, having a content of 2 to 10% of Ni, 2 to 12% of Sn, the remainder being Cu and usual impurities. Strengths of up to 1,500 N/mm<2> are achieved by solution-annealing after casting at 650 DEG C to 800 DEG C for a period of from 24 hours to 3 hours and - after preceding quenching, cold-forming being omitted - ageing for a period of from 14 days to 15 minutes at a temperature in the range from 260 DEG C to 380 DEG C.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kupferlegie rungen sehr hoher Festigkeit und sehr guter Umformbarkeit, mit einem Gehalt von 2 bis 10% Nickel und 2 bis 12% Zinn, Rest Kupfer und üb lichen Verunreinigungen.The invention relates to a process for the production of copper alloy very high strength and very good formability, with a Content of 2 to 10% nickel and 2 to 12% tin, remainder copper and about impurities.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet ausscheidungshär tender Legierungen, insbesondere sogenannter spinodaler Legierungen. Das Gebiet spinodaler Legierungen ist noch wenig erforscht und man weiß bisher, daß es nicht viele spinodale Legierungssysteme gibt, daß jedoch über die Eigenschaften noch wenig Klarheit besteht, aufgrund derer man vorherbestimmen kann, ob eine spinodale Legierung entsteht oder nicht. Spinodale Legierungen zeichnen sich gegenüber den normalen ausscheidungshärtenden Legierungen durch eine wesentlich gesteigerte Festigkeit aus aufgrund eines um Größenordnungen besseren, nämlich feineren Gefüges. Dieses entsteht, weil in der Metallmatrix keine Ausscheidungsteilchen, sondern nur noch Diffusionszonen im Bereich von Nanometern angeordnet sind. Bei dem Legierungssystem Kupfer-Nickel-Zinn sind Festigkeitssteigerungen auf das zwei- bis dreifache der normalen Legierung möglich. Während beispielsweise eine handelsübliche Legie rung CuNi9Sn2, hergestellt nach dem üblichen Verfahren, Festigkeiten von etwa 600 N/mm² erwarten läßt, sind bei der erfindungsgemäß herge stellten spinodalen Legierungen Festigkeiten bis zu 1500 N/mm² möglich.The invention relates generally to the field ausscheidungshär tender alloys, in particular so-called spinodal alloys. The field of spinodal alloys is still poorly understood and it is known that there are not many spinodal alloying systems, but there is still little clarity about the properties that make it possible to predict whether or not a spinodal alloy will be formed. Spinodal alloys are characterized by a substantially increased strength compared to the normal precipitation-hardening alloys due to an order of magnitude better, namely finer microstructure. This arises because in the metal matrix no precipitation particles, but only diffusion zones in the range of nanometers are arranged. In the copper-nickel-tin alloy system, increases in strength of two to three times the normal alloy are possible. While, for example, a commercial alloy alloy CuNi9Sn2, prepared by the usual method, can expect strengths of about 600 N / mm ² , strengths of up to 1500 N / mm ^{2 are} possible in the present invention set forth spinodal alloys.

Der Erfindung war daher die Aufgabe gestellt, ausgehend von einer üb lichen Legierungszusammensetzung ein Verfahren anzugeben, welches ge genüber bisher verwendeten Verfahren entscheidend höhere Festigkeit und bessere Umformbarkeit bei der entstehenden Legierung ergibt.The invention therefore had the task of starting from a üb union alloy composition specify a method which ge compared to previously used methods decisively higher strength and gives better formability in the resulting alloy.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die nachfolgenden Ver fahrensschritte vor:To solve this problem, the invention proposes the following Ver steps:

a) casting the alloy in blocks,
b) solution annealing at 650 ° C to 800 ° C for 24 to 3 hours,
c) cooling,
d) aging at 260 ° C to 380 ° C for 14 days to 15 min.
e) cool in air.

Die nach dem vorstehend erläuterten Verfahren hergestellte Legierung zeichnet sich nicht nur durch eine ungewöhnliche Festigkeit aus, son dern auch durch exzellente Umformeigenschaften, d. h. sehr gute Tief ziehbarkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die neue Legierung nicht nur in der Elektronikindustrie, dort insbesondere bei Modulen oder in der Aufbautechnik gut brauchbar, es bieten sich Anwendungen in der Automobiltechnik dort an, wo neben der hohen Festigkeit eine gute Korrosionsbeständigkeit verlangt wird, es besteht aber auch die Mög lichkeit der Anwendung in der Flugzeugtechnik bei hochfesten Gußteilen oder in der Getriebetechnik. Aufgrund der guten Werkstoffeigenschaften ist auch eine Anwendung dort denkbar, wo es auf Reibung und Verschleiß ankommt.The alloy prepared by the method explained above is not only characterized by an unusual strength, son These are also characterized by excellent forming properties, d. H. very good low drawability. Because of these properties is the new alloy not only in the electronics industry, especially in modules or in the construction technique well usable, there are applications in Automotive technology where, in addition to the high strength, a good Corrosion resistance is required, but there is also the possibility applicability in aircraft technology in high-strength castings or in gearbox technology. Due to the good material properties An application is also conceivable where there is friction and wear arrives.

Wenngleich der Bereich der Gehalte an Nickel und Zinn recht groß ist, haben sich doch die höheren Gehalte für Nickel und Zinn als besonders vorteilhaft erwiesen. Im Sinne der Erfindung sind daher Gehalte von 6 bis 9% Nickel und 6 bis 10% Zinn sowie vorzugsweise 0,05 bis 0,6% Mangan, Rest Kupfer, besonders bevorzugt.Although the range of nickel and tin contents is quite large, but have the higher levels of nickel and tin as special proved advantageous. For the purposes of the invention, therefore contents of 6 to 9% nickel and 6 to 10% tin and preferably 0.05 to 0.6% Manganese, balance copper, especially preferred.

Es wurde nämlich gefunden, daß bereits bei der Bearbeitung der han delsüblichen Legierung CuNi9Sn2 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr gute Festigkeitswerte erzielt werden können. Erhöht man jedoch den Zinngehalt bei gleichbleibendem Nickelgehalt auf Werte von 8 bis 10% Zinn, so steigt die Festigkeit ganz ungewöhnlich an. Gleichzeitig bietet sich duroh die Erhöhung des Zinngehaltes die hervorragende Mög lichkeit, die Auslagerungszeit entscheidend zu verkürzen.It was found that already in the processing of han customary alloy CuNi9Sn2 according to the inventive method very good strength values can be achieved. However, one raises the tin content at constant nickel content to values of 8 to 10% tin, so the strength increases quite unusually. simultaneously By increasing the tin content, the excellent possibility is offered ability to significantly reduce outsourcing time.

Als wesentlicher Grundgedanke der Erfindung ist aufgrund des Vorgesag ten festzuhalten, daß nach dem Lösungsglühen der Legierung keine Kalt verformung vorgenommen werden darf, sondern nach entsprechender Abküh lung ein Auslagern erfolgen muß. Die Auslagerzeit wird kürzer, je hö her die Temperatur innerhalb des angegebenen Temperaturbereiches liegt und sie wird, wie bereits gesagt, kürzer, je höher der Zinngehalt ist. Andererseits steigen Festigkeit und Leitfähigkeit mit zunehmender Aus lagerungszeit.As an essential principle of the invention is due to the Vorgesag note that after the solution heat treatment of the alloy no cold deformation may be made, but after appropriate Abküh an outsourcing must take place. The outsourcing time is shorter, the higher each The temperature is within the specified temperature range and, as already said, it becomes shorter, the higher the tin content is. On the other hand, strength and conductivity increase with increasing out storage time.

Als im Sinne der Erfindung besonders günstig hat sich ein Verhältnis der Bestandteile Nickel zu Zinn zwischen 0,3 : 1 und 1 : 1 erwiesen.As in the context of the invention has a particularly favorable ratio of the components nickel to tin between 0.3: 1 and 1: 1 proved.

Der Abkühlvorgang zwischen dem Lösungsglühen und dem Auslagern ist hinsichtlich der Abkühlgeschwindigkeit nicht kritisch. Das Abkühlen kann sowohl durch Abschrecken als auch bei mittlerer Abkühlgeschwin digkeit, beispielsweise bei Anblasen mit Luft, erfolgen.The cooling process between the solution annealing and the aging is not critical in terms of cooling rate. Cooling can be used both by quenching and at medium Abkühlgeschwin be done, for example, when blowing with air.

Der Guß der Legierung kann nicht nur in Blöcken, sondern auch im Band erfolgen, wobei im letzteren Fall sich ein Kaltwalzvorgang vor dem Lö sungsglühen anschließen muß. The casting of the alloy can not only in blocks, but also in the band take place, in the latter case, a cold rolling before the Lö must be connected.

Der erwähnte geringe Gehalt an Mangan ist im Sinne der Erfindung nicht zwingend, jedoch vorteilhaft, um einen porenfreien Guß zu erzielen. Die Menge des zugesetzten Mangans muß dabei so gering bleiben, daß das Mangan nicht Legierungsbestandteil wird. Aufgrund der hohen Affinität des Mangans zu Sauerstoff wird die in der Schmelze vorhandene Luft ge bunden, so daß sich die Porenfreiheit des Gußteils ergibt.The mentioned low content of manganese is not within the meaning of the invention mandatory, but advantageous to achieve a non-porous casting. The amount of added manganese must remain so low that the Manganese does not become alloy component. Because of the high affinity of manganese to oxygen, the air present in the melt ge tied, so that the absence of pores of the casting results.

Weitere Verarbeitungsvorgänge an der fertigen Legierung, dies bedeutet in aller Regel ein Aufbringen von Kaltverformung, erhöhen die Festig keit der Legierung noch mehr, wobei jedoch die Duktilität tendenziell zurückgeht, ebenso die Leitfähigkeit, bei welcher aufgrund des erfin dungsgemäßen Verfahrens mittlere Werte bis etwa 35% IACS erzielbar sind.Further processing operations on the finished alloy, this means usually an application of cold deformation, increase the strength Alloy even more, but the ductility tends to goes back, as well as the conductivity at which due to the invent average values up to about 35% IACS can be achieved according to the invention are.

Nachfolgend soll noch ein Beispiel zur Herstellung der erfindungsge mäßen Legierung erläutert werden. Die Legierung wird zunächst in Blöcken gegossen. Anschließend erfolgt eine Lösungsglühung bei einer Tem peratur von 750°C während vier Stunden. Nach Abschrecken der Blöcke in kaltem Wasser werden diese bei einer Temperatur von 320°C während einer Zeit von 19,5 Stunden ausgelagert und schließlich im Luftstrom abgekühlt.Below is an example of the preparation of erfindungsge alloy. The alloy is initially in blocks cast. Subsequently, a solution annealing takes place at a temperature temperature of 750 ° C for four hours. After quenching the blocks in cold water these are heated at a temperature of 320 ° C outsourced at a time of 19.5 hours and finally in the air stream cooled.

Wenn besonders hohe Festigkeitswerte von mehr als 1300 N/mm² erreicht werden sollen, so ist es zweckmäßig, als Ausgangsprodukt gegossenes Band zu verwenden, das anschließend kaltgewalzt wurde. Anschließend erfolgt dann ein Lösungsglühen bei einer Temperatur von 750°C während einer Zeit von einer Stunde. Nach dem Abschrecken in kaltem Wasser wird bei 320°C ebenfalls wieder 19,5 Stunden ausgelagert. Die Zusam mensetzung der Legierung bei den beiden Beispielen war 9% Ni, 11% Sn, 0,14% Mn, Rest Cu und Verunreinigungen. If particularly high strength values of more than 1300 N / mm ² are to be achieved, then it is expedient to use cast strip as the starting material, which was subsequently cold-rolled. Subsequently, a solution annealing is then carried out at a temperature of 750 ° C for a period of one hour. After quenching in cold water is also outsourced at 320 ° C again 19.5 hours. The composition of the alloy in the two examples was 9% Ni, 11% Sn, 0.14% Mn, balance Cu and impurities.

Zur Verkürzung der Auslagerungszeit durch Verwendung höherer Zinnge halte wurden in Versuchen folgende Ergebnisse erzielt. Um einen mittleren Festigkeitswert von 600 N/mm² zu erzielen, wurde nach einem vorangegangenen Lösungsglühen von 30 min. bei 750°C am Ausgangspro dukt kaltgewalztes Band bei einer Auslagerungstemperatur von 320°C folgende Zeiten erforderlich:To shorten the removal time by using higher tin contents, the following results were obtained in tests. In order to achieve an average strength value of 600 N / mm ² , after a previous solution annealing of 30 min. cold-rolled strip at 750 ° C. on the starting product at an aging temperature of 320 ° C. the following times are required:

CuNi₉Sn₂CuNi₉Sn₂ 6 Tage6 days CuNi₉Sn₅CuNi₉Sn₅ 4 Stunden4 hours CuNi₉Sn₇CuNi₉Sn₇ 30 Minuten30 minutes

Daraus ist erkennbar, daß die Erhöhung der Zinngehalte eine wesentli che Verkürzung der Auslagerungszeit erbringt und damit eine wesentli che Reduzierung der Kosten der Produktion. Werden höhere Festigkeits werte und/oder Leitfähigkeiten verlangt, so muß die Auslagerungszeit entsprechend verlängert werden. Siehe das vorstehend erläuterte Bei spiel.It can be seen that the increase in tin contents a wesentli reduction of outsourcing time and therefore an essential reduce the cost of production. Be higher strength values and / or conductivities required, the removal time must be extended accordingly. See the example explained above game.

Als Ergebnis des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man also eine Legierung von ungewöhnlicher Festigkeit, hoher Umformbarkeit und mittlerer Leitfähigkeit, die zu günstigen Kosten hergestellt wer den kann.As a result of the described process according to the invention is obtained So an alloy of unusual strength, high formability and medium conductivity, which are manufactured at low cost who that can.

Claims

1. A process for the preparation of copper alloys very high Festig speed and very good formability, with a content of 2 to 10% Ni and 2 to 12% Sn, balance Cu and conventional impurities, characterized by the following process steps:

a) casting the alloy in blocks,
b) solution annealing at 650 ° C to 800 ° C for 24 to 3 hours,
c) cooling,
d) aging at 260 ° C to 380 ° C for 14 days to 15 min.,
e) cool in air.

2. The method according to claim 1, characterized by an application of the method steps to Le alloys containing 2-9% Ni and 6-10% Sn as well 0.05-0.6% Mn, balance Cu and usual impurities.

3. The method according to claim 1, characterized, that the ratio of the components nickel to tin between 0.3: 1 and 1: 1.

4. The method according to claim 1, characterized, that the process step b) at a temperature of 750 ° C currency four hours.

5. The method according to claim 1, characterized, that the cooling in process step c) by quenching it follows.

6. The method according to claim 1, characterized, that the process step a) by strip casting followed by cold rolling is replaced.

7. The method according to one or more of the preceding claims in an alloy with a content of 9% Ni, 11% Sn, 0.14% Mn, balance Cu and conventional impurities, characterized by the following process steps:

a) casting in blocks,
b) solution annealing at 750 ° C for 4 hours,
c) cooling,
d) aging at 320 ° C for 19.5 hours,
e) cool in air.

8. Process according to claims 6 and 7, with the peculiarity that in process step b) the Lösungsglü at 750 ° C for one hour.