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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Erfindungsgebiet
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Die Erfindung betrifft eine silberhaltige
Kupferlegierung. Durch Zugabe einer dosierten Silbermenge zu einer
Kupferlegierung, die außerdem
Chrom, Titan und Silicium enthält,
werden die Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation und die isotropen Biegeeigenschaften ohne
nachteilige Auswirkungen auf die Streckgrenze oder die elektrische
Leitfähigkeit
verbessert.
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2. Würdigung
des Standes der Technik
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Aus Kupferlegierungen werden zahlreiche
Produkte geformt, bei denen die hohe elektrische Leitfähigkeit
und/oder hohe Wärmeleitfähigkeit
der Legierungen vorteilhaft zum Tragen kommen. Dazu gehören u. a. elektrische
Stecker, Leiterplatten, Drähte,
Rohre, Folien und Pulver, aus denen durch Pressen Produkte hergestellt
werden können.
Ein elektrischer Stecker kann u. a. als kastenartige Konstruktion
durch Prägen
einer vorgegebenen Form aus einem Kupferlegierungsband und Umformen
des geprägten
Teils zu einem Stecker durch Biegen hergestellt werden. Der Stecker
muss über
eine hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit verfügen. Außerdem sollte
sich der Stecker durch eine, üblicherweise
als Spannungsrelaxation bezeichnete minimale zeit- und temperaturabhängige Verringerung
der Normalkraft auszeichnen.
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Wichtige Eigenschaften für einen
elektrischen Stecker sind u. a. Streckgrenze, Biegeverformbarkeit, Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation, Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit und
elektrische Leitfähigkeit.
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Zielwerte für diese Eigenschaften und deren
relative Bedeutung hängen
davon ab, für
welchen Anwendungszweck die aus den Kupferlegierungen hergestellten
Produkte bestimmt sind. Die im Folgenden beschriebenen Eigenschaften
gelten pauschal für
zahlreiche Anwendungszwecke, wohingegen die Zielwerte ausschließlich Anwendungen
im Motorraum von Kraftfahrzeugen betreffen.
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Die Streckgrenze ist die Kraft, bei
der ein Material eine bestimmte Abweichung, in der Regel 0,2%, von der
Proportionalität
zwischen Kraft und Längenänderung
aufweist. Sie kennzeichnet die Spannung, ab der die bleibende Verformung
die elastische Verformung verdrängt.
Für Stecker
verwendete Kupferlegierungen sollten eine Streckgrenze in der Größenordnung
von 80 ksi, d. h. ca. 550 MPa, aufweisen.
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Spannungsrelaxation tritt auf, wenn
ein Metallband im Einsatz mit einer äußeren Last beaufschlagt wird,
wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn durch Biegen zu einem
Stecker umgeformtes Bandmaterial belastet wird. Das Metall reagiert,
indem es eine gleichgroße
und entgegengesetzte innere Spannung entwickelt. Bei anhaltender
Beanspruchung nimmt die innere Spannung zeit- und temperaturabhängig ab.
Erklären
lässt sich
diese Erscheinung durch die Umwandlung der Spannung im Metall unterhalb
der Elastizitätsgrenze
in eine Spannung, bei der eine plastische oder bleibende Verformung
auftritt, durch mikroplastisches Fließen.
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Zur Herstellung einer guten elektrischen
Verbindung müssen
elektrische Stecker auf Kupferbasis die auf einen Gegenstecker ausgeübte Kontaktkraft
längere
Zeit über
einem Schwellenwert halten. Spannungsrelaxation lässt die
Kontaktkraft unter den Schwellenwert sinken, sodass der Kontakt
unterbrochen wird. Eine für Stecker
bestimmte Kupferlegierung sollte mindestens 90% der Anfangsspannung
beibehalten, wenn sie 1000 Stunden lang mit einer Temperatur von
150°C beaufschlagt
wird, und 85% der Anfangsspannung, wenn sie 1000 Stunden lang einer
Temperatur von 200°C
ausgesetzt ist.
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Der Elastizitätsmodul, ku2 E-Modul,
ist ein Maß für die Steifigkeit
eines Metalls und gibt das Verhältnis von
Spannung zu Verformung im elastischen Bereich an. Als Maß für die Steifigkeit
eines Materials ist ein hoher Modul in der Größenordnung von 150 GPa wünschenswert.
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Die Biegefähigkeit bestimmt den kleinsten
Biegungshalbmesser, der angibt, wie stark ein Metallband gebogen
werden kann, ohne dass entlang eines Außenhalbmessers der Biegung
ein Bruch auftritt. Der kleinste Biegungshalbmesser ist eine wichtige
Eigenschaft für
Stecker, bei denen unterschiedliche Formen mit unterschiedlichen
Biegewinkeln hergestellt werden müssen.
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Die Biegbarkeit kann in MBR/t angegeben
werden, wobei MBR den kleinsten Biegehalbmesser (Minimum Bend Radius)
und t die Dicke (thickness) des Metallbandes angibt. Das Verhältnis MBR/t
gibt den kleinsten Krümmungshalbmesser
eines Dorns an, um den ein Metallband ohne Bruch gebogen werden
kann. Der „Dorn"-Versuch ist in ASTM
(American Society for Testing and Materials) Designation E290-92
mit dem Titel Standard Test Method for Semi-Guided Bend Test for
Ductility of Metallic Materials genormt.
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MBR/t sollte im Wesentlichen isotrop
sein und in der „guten
Richtung" (Biegeachse
rechtwinklig zur Walzrichtung des Metallbandes) einen ähnlichen
Wert ergeben wie in der „schlechten
Richtung" (Biegeachse parallel
zur Walzrichtung des Metallbandes). Der MBR/t-Wert sollte für eine Biegung
um 90° etwa
0,5 oder weniger und für
eine Biegung um 180° etwa
1 oder weniger betragen.
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Stattdessen kann die Biegbarkeit
um 90° auch
mit einem Prismaauflegebock und einem Stempel mit einer Arbeitsfläche mit
einem gewünschten
Radius bewertet werden. Bei der „Prisma"-Methode wird ein Band der Kupferlegierung
in dem zu prüfenden
Vergütungszustand
zwischen dem Auflegebock und dem Stempel angeordnet. Beim Eindringen
des Stempels in die prismatische Aussparung entsteht in dem Band
die gewünschte
Biegung.
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Der Prisma-Methode verwandt ist die
180°-„Formstempel"-Methode, bei der
ein Kupferlegierungsband mit einem Stempel mit einer zylindrischen
Arbeitsfläche
um 180° gebogen
wird.
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Beide Methoden, Prismaauflegebock
und Formstempel, sind in ASTM Designation B820-98 mit dem Titel Standard Test Method
for Bend Test for Formability of Copper Allov Spring Material genormt.
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Für
eine gegebene Metallprobe liefern beide Methoden quantifizierbare
Biegbarkeiten, und mit beiden Methoden kann auch die relative Biegbarkeit
bestimmt werden.
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Zugfestigkeit ist die im Zugversuch
ermittelte Höchstlast,
die ein Band bis zum Bruch aushält.
Sie wird als Verhältnis
der Höchstlast
zur Querschnittsfläche
des Bandes ausgedrückt.
Die Zugfestigkeit sollte etwa 85–90 ksi, d. h. ca. 585–620 MPa,
betragen.
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Die elektrische Leitfähigkeit
wird in % IACS (International Annealed Copper Standard) angegeben. Nach
dieser Norm hat reines Kupfer definitionsgemäß eine elektrische Leitfähigkeit
von 100% IACS bei 20°C. Kupferlegierungen
für Hochleistungsstecker
sollten eine elektrische Leitfähigkeit
von mindestens 75% IACS, vorzugsweise jedoch mindestens 80% IACS,
aufweisen.
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Eine Kupferlegierung, die den gewünschten
Eigenschaften nahe kommt, wird von der Copper Development Association
(CDA), New York NY, als C18600 bezeichnet. C18600 ist eine eisenhaltige
Kupfer-Chrom-Zirkonlegierung und wird in US Patent No. 5,370,840
offenbart. C18600 besteht in der Nenn-Zusammensetzung aus folgenden
Massenanteilen: 0,3% Chrom, 0,2% Zirkon, 0,5% Eisen, 0,2% Titan
und der Rest Kupfer und nicht vermeidbare Verunreinigungen.
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Wenn nicht anders angegeben, verstehen
sich alle in dieser Patentanmeldung angegebenen Prozentsätze als
Massenanteile.
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Die mechanischen und elektrischen
Eigenschaften von Kupferlegierungen hängen weitgehend von deren Verarbeitung
ab. Durch eine Aushärtungsbehandlung,
33% Kaltwalzen und Spannungsfreiglühen erreicht die Legierung
C1860 folgende Nenneigenschaften: eine elektrische Leitfähigkeit
von 73% IACS; eine Streckgrenze von 620 MPa (90 ksi); einen 90°-MBR/t-Wert
von 1,2 in der „guten
Richtung" und 3,5
in der „schlechten
Richtung" bei Prüfung nach
dem Dornverfahren („Biegerollen"-Methode) und 20%
Spannungsverlust nach 1000-stündiger
Lagerung bei 200°C.
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US Patent No. 4,678,637 offenbart
eine Kupferlegierung mit Chrom-, Titan- und Silicium-Zusätzen. Diese
Legierung mit der CDA-Bezeichnung C18070 hat eine Nenn-Zusammensetzung
von 0,28% Chrom, 0,06% Titan, 0,04% Silicium und der Rest Kupfer
und nicht vermeidbare Verunreinigungen. Durch Warmwalzen, Abschrecken
und Kaltwalzen mit zwischenzeitlichem ein- oder zweimaligem Haubenglühen erreicht
die Legierung folgende Nenneigenschaften: eine elektrische Leitfähigkeit
von 86% IACS; eine Streckgrenze von 72 ksi (496 MPa), einen 90°-MBR/t-Wert
von 1,6 in der „guten
Richtung" und 2,6
in der „schlechten
Richtung" und 32%
Spannungsverlust nach 1000-stündiger
Lagerung bei 200°C.
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DE
196 00 864 C2 offenbart eine Legierung, die 0,1%–0,5% Chrom,
0,01%–0,25%
Titan, 0,01%–0,1% Silicium
und 0,02%–0,8%
Magnesium enthält,
wobei der Rest aus Kupfer und nicht vermeidbaren Verunreinigungen
besteht. Der Magnesiumzusatz soll die Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation
verbessern.
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Bei Zusatz einer geringen Silbermenge
in der Größenordnung
von bis zu 25 Troy Ounces per Ton Avoirdupois (0,085% Massenanteil)
behält
kaltverformtes Kupfer seine Festigkeit bei Temperaturen bis zu etwa
400°C bei,
wie in Silver Bearing Kogper, Finlay, 1968 offenbart. Eine silberhaltige
Kupferlegierung hat die CDA-Bezeichnung C15500. C15500 ent hält 0,027–0,10% Silber,
0,04–0,08%
Phosphor und 0,08–0,13%
Magnesium, wobei der Rest aus Kupfer und nicht vermeidbaren Verunreinigungen
besteht. Nach einem Bericht im ASM Handbook hat die Legierung eine
elektrische Leitfähigkeit
von 90% IACS im geglühten
Zustand und eine Streckgrenze von 72 ksi (496 MPa) in der Federhärte. Über die
Biegbarkeit und die Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation werden keine Aussagen gemacht.
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Obwohl mit den oben beschriebenen
Kupferlegierungen einige der für
Stecker wünschenswerten
Eigenschaften erzielt werden, gab es bisher keine Kupferlegierung,
die den Zielvorstellungen näher
kommt, und kein Verfahren zur Kennzeichnung einer Kupferlegierung
mit einem holistischen Ansatz, der eine Vielzahl von Kundenwünschen in
einem einzigen Leistungsindikator zusammenfasst.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Kupferlegierung zu schaffen, die für elektrische Stecker
besonders geeignet ist. Nach einem Merkmal der Erfindung enthält diese
Kupferlegierung Chrom, Titan und Silber. Nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung können
zur Kornverfeinerung und zur Erhöhung der
Festigkeit Eisen und Zinn zugesetzt werden. Die Erfindung ist ferner
dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschten elektrischen und mechanischen
Eigenschaften durch Verarbeitung der Legierung mit den Schritten
Lösungsglühen, Abschrecken,
Kaltwalzen und Aushärten
maximiert werden. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist ein holistischer
Ansatz, bei dem eine Vielzahl von Legierungseigenschaften mit Faktoren
integriert wird, die aufgrund von Kundenbewertungen für spezifische
Steckeranwendungen gewichtet worden sind.
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Die Erfindung bietet den Vorteil,
dass die erfindungsgemäße Legierung
so verarbeitet werden kann, dass sie eine Streckgrenze von mehr
als 80 ksi (550 MPa) und eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 80% IACS
aufweist und somit zum Umformen zu elektrischen Steckern für Anwendungen
in der Automobil- und Multimediaindustrie besonders geeignet ist.
Zu den vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung
gehört
eine erhöhte
Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation bei hohen Temperaturen bis zu 200°C. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, dass aus der Legierung geformtes Metallband
eine im Wesentlichen isotrope Biegbarkeit und ausgezeichnete Prägefähigkeit
aufweist und daher zum Umformen zu kastenförmigen Steckern besonders geeignet
ist.
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Die Erfindung schafft eine Kupferlegierung,
die im Wesentlichen aus folgenden Massenanteilen besteht: 0,15%
bis 0,7% Chrom, 0,005% bis 0,3% Silber, 0,01% bis 0,15% Titan, 0,01%
bis 0,10% Silicium, bis zu 0,2% Eisen, bis zu 0,5% Zinn und der
Rest Kupfer und nicht vermeidbare Verunreinigungen.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren
zum Umformen einer Kupferlegierung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit,
guter Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation und isotropen Biegeeigenschaften. Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann mit den hier offenbarten erfindungsgemäßen Legierungen verwirklicht
werden. Vorzugsweise wird dabei eine Kupferlegierung gegossen, die
einen Massenanteil von 0,15% bis 0,7% Chrom und weitere wünschenswerte
Legierungszusätze
enthält,
wobei der Rest aus Kupfer und nicht vermeidbaren Verunreinigungen
besteht. Diese Kupferlegierung wird zu einem Band umgeformt, das
fünf Sekunden
bis 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 850°C bis 1030°C lösungsgeglüht wird. Bevorzugt wird eine
Glühdauer von
10 Sekunden bis 5 Minuten. Das Band wird anschließend in
höchstens
10 Sekunden von einer Temperatur von mindestens 850°C auf eine
Temperatur von weniger als 500°C
abgeschreckt. Durch Kaltwalzen wird die Dicke des abgeschreckten
Bandes um 40% bis 99% verringert. Anschließend wird das Band 1 bis 10
Stünden lang
bei einer Temperatur zwischen 350°C
und 550°C
geglüht.
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Die oben genannten Aufgaben, Merkmale
und Vorteile werden im Folgenden anhand der Zeichnung ausführlicher
beschrieben.
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IN DER ZEICHNUNG
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zeigen:
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1 ein
Ablaufdiagramm der Verarbeitungsschritte für die Herstellung von Bändern aus
der eriindungsgemäßen Kupferlegierung.
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2 ein
Ablaufdiagramm der Verarbeitungsschritte für die Herstellung von Drähten oder
Stäben
aus der erfindungsgemäßen Kupferlegierung.
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3 und 4 Diagramme der rekristallisierten
Korngröße zweier
verwandter erfindungsgemäßer Legierungen
als Funktion der Lösungsglühtemperatur
und der Lösungsglühzeit.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Die erfindungsgemäße Legierung eignet sich besonders
für Anwendungen
im Motorraum von Kraftfahrzeugen, wo sie hohen Umgebungstemperaturen
und relativ hohe Verlustwärme
erzeugenden elektrischen Strömen
ausgesetzt sein kann. Die Legierung eignet sich ferner auch für Multimediaanwendungen,
wie zum Beispiel Computer oder Telefone, bei denen die Betriebstemperatur
geringer ist, in der Regel max. 100°C, und Signale mit relativ niedrigen
elektrischen Stromstärken übertragen
werden.
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Die erfindungsgemäße Legierung besteht im Wesentlichen
aus:
0,15% bis 0,7% Chrom,
0,005% bis 0,3% Silber,
0,01%
bis 0,15% Titan,
0,01 % bis 0,10% Silicium,
bis zu 0,2%
Eisen,
bis zu 0,5% Zinn und
der Rest Kupfer und nicht
vermeidbare Verunreinigungen.
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Bevorzugt wird eine Legierung mit:
0,25%–0,60% Chrom,
0,015–0,2% Silber,
0,01%–0,10% Titan,
0,01%–0,10% Silicium,
weniger
als 0,1% Eisen,
bis zu 0,25% Zinn und
der Rest Kupfer
und nicht vermeidbare Verunreinigungen.
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Besonders bevorzugt wird eine Legierung,
die folgende Zusammensetzung aufweist:
0,3%–0,55% Chrom,
0,08%–0,13% Silber,
0,02%–0,065%
Titan,
0,02%–0,08%
Silicium,
0,03%–0,09%
Eisen,
weniger als 0,05% Zinn und
der Rest Kupfer und
nicht vermeidbare Verunreinigungen.
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Wenn einer hohen Festigkeit eine
besonders hohe relative Bedeutung zukommt, sollte der Titangehalt mindestens
0,05% betragen. Wenn einer hohen elektrischen Leitfähigkeit
eine besonders hohe relative Bedeutung zukommt, sollte der Titangehalt
nicht mehr als 0,065% betragen.
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Chrom – Chromteilchen scheiden sich
bei Aushärtungsbehandlungen
ab und bewirken dadurch eine Vergütung und entsprechende Erhöhung der
Leitfähigkeit.
Es wird ferner vermutet, dass der Chromniederschlag das Mikrogefüge der Legierung
stabilisiert, indem er durch Zweitphasenfesselung der Komgrenzen
das Kornwachstum verzögert.
Um diese vorteilhaften Ergebnisse zu erzielen, muss der Massenanteil
des Chromgehalts mindestens 0,15% betragen.
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Wenn der Chromgehalt 0,7% überschreitet,
nähert
sich die Löslichkeit
des Chroms in der Kupferlegierung im festen Zustand der Höchstgrenze.
Es bildet sich dann ein grober Zweitphasenniederschlag, der sich nachteilig
auf die Oberflächequalität und die
galvanotechnischen Eigenschaften der Kupferlegierung auswirkt, ohne
die Festigkeit der Legierung weiter zu erhöhen. Es wird ferner vermutet,
dass zuviel Chrom sich nachteilig auf die Rekristallisierung auswirkt.
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Silber – Silber begünstigt isotrope
Biegeeigenschaften und verbessert dadurch die Eignung der Legierung
für elektrische
Stecker. Außerdem
erhöht
Silber die Festigkeit, besonders wenn der Chromgehalt am unteren
Ende der spezifizierten Bereiche liegt und nicht mehr als 0,3% beträgt. Im ausgehärteten Zustand
der Legierung verbessern Silberzusätze die Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation bei hohen Temperaturen.
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Bei einem Silbergehalt von weniger
als 0,005% werden die vorteilhaften Wirkungen nicht voll realisiert. Wenn
der Silbergehalt mehr als 0,3% beträgt, überwiegen die Mehrkosten die
dadurch erzielbaren Vorteile.
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Titan – Titan verbessert die Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation und erhöht die Festigkeit der Legierung.
Bei einem Titangehalt von weniger als 0,01% werden diese vorteilhaften
Wirkungen nicht erzielt. Zuviel Titan wirkt sich, wahrscheinlich
mehr als jeder andere Legierungszusatz, nachteilig auf die elektrische Leitfähigkeit
der Legierung aus. Um eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 80%
IACS zu erzielen, sollte der Titangehalt auf maximal 0,065% begrenzt
werden. Zur Erzielung einer hohen Festigkeit sollte der Titangehalt
mindestens 0,05% betragen.
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Silicium – Silicium erhöht die Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation und die Festigkeit der Legierung. Bei
einem Siliciumgehalt von weniger als 0,01% werden die vorteilhaften
Wirkungen nicht erzielt. Wenn der Siliciumgehalt 0,1% überschreitet,
wiegt der Verlust an elektrischer Leitfähigkeit schwerer als eine mögliche Verbesserung
der Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation.
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Eisen – Eisen kann der Legierung
wahlweise zur Erhöhung
der Festigkeit und auch der Kornverfeinerung im gegossenen ebenso
wie im bearbeiteten Zustand zugesetzt werden. Die Komverfeinerung
verbessert die Biegbarkeit. Zuviel Eisen hat jedoch eine zu starke
Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit
zur Folge. Da eine elektrische Leitfähigkeit von 80% IACS erstrebenswert
ist, sollte der Eisengehalt entsprechend der besonders bevorzugten
Zusammensetzung der Legierung auf weniger als 0,1% begrenzt werden.
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Wenn Eisen zugesetzt wird, beträgt das Gewichtsverhältnis von
Eisen zu Titan vorzugsweise 0,7 : 1 bis 2,5 : 1, besser 0,9 : 1
bis 1,7 : 1 und am besten etwa 1,3 : 1. Das Gewichtsverhältnis von
Eisen zu Zinn beträgt
für einige
Ausführungsformen
vorzugsweise 0,9 : 1 bis 1,1 : 1 und am besten etwa 1 : 1.
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Zinn – Zinn kann der Legierung wahlweise
zur Erhöhung
der Festigkeit zugesetzt werden. Zuviel Zinn verringert jedoch die
elektrische Leitfähigkeit
und scheint auch die Spannungsrelaxation zu begünstigen. Der Massenanteil von
Zinn in der Legierung sollte daher weniger als 0,5% und vorzugsweise
weniger als 0,05% betragen, wenn eine elektrische Leitfähigkeit
von 80% IACS erforderlich ist.
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Andere Zusätze – Andere Elemente können der
Legierung zugesetzt werden, um wünschenswerte
Eigenschaften zu verbessern, ohne andere wünschenswerte Eigenschaften,
wie zum Beispiel Biegbarkeit, Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation
oder elektrische Leitfähigkeit,
signifikant zu mindern. Der Gesamtgehalt dieser anderen Zusätze beträgt meistens
weniger als 1% und vorzugsweise weniger als 0,5%. Ausnahmen von
dieser allgemeinen Regel werden nachfolgend genannt.
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Kobalt kann im Gewichtsverhältnis 1
: 1 als Ersatz für
Eisen zugesetzt werden.
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Magnesium kann zur Verbesserung der
Lötfähigkeit
und Lothaftung zugesetzt werden. Magnesium erleichtert auch das
Reinigen der Oberflächen
der Legierung während
der Verarbeitung. Der Magnesiumgehalt beträgt vorzugsweise etwa 0,05%
bis etwa 0,2%.
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Magnesium kann auch die Beständigkeit
der Legierung gegen Spannungsrelaxation verbessern.
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Die Zerspanbarkeit kann ohne signifikante
Minderung der elektrischen Leitfähigkeit
durch Zugabe von Schwefel, Selen, Tellur, Blei oder Wismut verbessert
werden. Diese Zusätze
zur Verbesserung der Zerspanbarkeit bilden eine eigene Phase in
der Legierung und verringern nicht die elektrische Leitfähigkeit.
Der Bleigehalt beträgt
vorzugsweise bis zu 3%, der Schwefelgehalt etwa 0,2% bis etwa 0,5%
und der Tellurgehalt etwa 0,4% bis 0,7%.
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Desoxidatoren können in bevorzugten Mengen
von etwa 0,001% bis etwa 0,1% zugesetzt werden. Geeignete Desoxidatoren
sind u. a. Bor, Lithium, Berryllium, Calcium und Seltenerdmetalle,
einzeln oder als Auermetall. Das Boride bildende Bor hat den Vorteil,
dass es auch die Festigkeit der Legierung erhöht. Das oben erwähnte Magnesium
kann auch als Desoxidator dienen.
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Zusätze die zwar die Festigkeit
erhöhen,
aber auch die elektrische Leitfähigkeit
verringern, u. a. Aluminium und Nickel, sollten in Mengen von weniger
als 0,1% vorhanden sein.
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Zirkon neigt dazu, sich mit Silicium
zu verbinden und grobe Zirkonsilicidpartikel zu bilden. Die Legierung
sollte daher im Wesentlichen zirkonfrei sein, d. h. Zirkon nur in
Mengen enthalten, die als Verunreinigung einzustufen sind.
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Die Verarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung
hat einen signifikanten Einfluss auf die Fertigdicke der Legierung. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm
der zur Erzielung der gewünschten
Streckgrenze, Biegbarkeit, Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation, des gewünschten Elastizitätsmoduls,
der gewünschten Zugfestigkeit
und der gewünschten
elektrischen Leitfähigkeit
der Kupferlegierung erforderlichen Verarbeitungsschritte. Es ist
anzunehmen, dass diese Verarbeitungsschritte für alle chromhaltigen Kupferlegierungen vorteilhaft
sind.
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In Schritt 10 wird die Legierung
zunächst
nach einem beliebigen geeigneten Verfahren gegossen. Kathodenkupfer
kann beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 1200°C in einem
Tiegel oder einem Schmelzofen mit Holzkohleabdeckung geschmolzen
werden. Chrom und gegebenenfalls die übrigen Legierungszusätze Titan,
Silicium, Silber und Eisen werden der Schmelze dann in Form geeigneter
Vorlegierungen zugesetzt, um ein Gussstück mit der gewünschten
Zusammensetzung zu erhalten. Das Gießen kann in einem kontinuierlichen
Prozess erfolgen, beispielsweise als Bandguss, bei dem das Gussstück die Bandmaschine
mit einer zum Kaltwalzen 12 vordem Lösungsglühen 14 geeigneten
Dicke verlässt.
Die Dicke des Gussstücks
beträgt vorzugsweise
etwa 10,2 mm bis 25,4 mm (0.4 Inch bis 1 Inch) und wird anschließend durch
Kaltwalzen auf eine Nenndicke von etwa 1,14 mm (0.045 Inch) verringert.
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Stattdessen kann die Legierung in
einem Schritt 10' auch
als Rechteckbarren gegossen und dann durch Warmwalzen 16 zu
Bandmaterial verarbeitet werden. Das Warmwalzen erfolgt in der Regel
bei einer Temperatur zwischen 750°C
und 1030°C
und dient zur Verringerung der Dicke des Barrens auf eine Dicke,
die etwas über
der Lösungsglühdicke liegt.
Das Warmwalzen kann in mehreren Durchgängen erfolgen und wird im Allgemeinen
zum Formen eines Bandes angewandt, dessen Dicke größer ist
als die zum Lösungsglühen gewünschte Dicke.
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Die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen können jedoch
nicht nur durch Warm- und Kaltwalzen zu Bandmaterial verarbeitet,
sondern auch zu Stäben,
Drähten
oder Rohren umgeformt werden, wobei als Verarbeitungsverfahren dann
wohl eher Ziehen oder Strangpressen in Frage käme.
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Nach dem Warmwalzen 16 wird
das Band in Wasser abgeschreckt und anschließend besäumt und geputzt, um etwaige
Oxidschichten zu entfernen. Darauf wird das Band in Schritt 12 durch
Kaltwalzen auf die zum Lösungsglühen 14 erforderliche
Dicke gebracht. Das Kaltwalzen 12 kann in einem Durchgang
oder auch in mehreren Durchgängen,
erforderlichenfalls mit Zwischenglühen, erfolgen. Durch Zwischenglühen bei
einer Temperatur von etwa 400°C
bis 550°C
mit einer Dauer von etwa vier Stunden bis acht Stunden ergab sich
am Ende des Prozesses eine Legierung mit höherer Festigkeit mit feinen
Körnern
in der Größenordnung
von 10 μm
und einem homogenen Gefüge.
Wenn die Zwischenglühtemperatur
sich der vollen Homogenisierung nähert, weist die Legierung am
Ende des Prozesses eine geringere Festigkeit und grobkörnige Schilfer
auf. Ohne Zwischenglühen
erhält
man am Ende des Prozesses eine Legierung mit einer Korngröße im Bereich
von 25 bis 30 μm.
Zur Verbesserung des rekristallisierten Korngefüges sollte der Kaltwalzschritt
in dem Band eine Kaltverformung, beispielsweise eine Verringerung
der Dicke um 25% bis 90%, bewirken.
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In Schritt 14 wird die Legierung
mit einer zur Erzielung einer vollen Rekristallisierung ohne zu
starkes Kornwachstum ausreichenden Dauer und Temperatur lösungsgeglüht. Die
größte Korngröße wird
dabei vorzugsweise auf 20 μm
oder weniger gehalten. Noch besser ist eine größte Korngröße von 15 μm oder weniger. Glühdauer und
Glühtempera tur
sollten ferner so gewählt
werden, dass sich ein homogenes Mikrogefüge ergibt. Ist die Glühdauer oder
Glühtemperatur
zu gering, unterscheiden sich Härte
und Mikrogefüge
von einem Bandabschnitt zum anderen, was zu nicht-isotropen Biegeeigenschaften
führt.
Eine zu lange Glühdauer
oder zu hohe Glühtemperatur
führt zu
einem zu starken Kornwachstum und einer schlechten Biegbarkeit.
In weiten Grenzen sollte Bandmaterial in Schritt 14 bei einer Temperatur
von 850°C
bis 1030°C
mit einer Dauer von zehn Sekunden bis fünfzehn Minuten lösungsgelüht werden.
Vorzugsweise erfolgt das Lösungsglühen 14 bei
einer Temperatur von 900°C
bis 1000°C
mit einer Dauer von fünfzehn
Sekunden bis zehn Minuten und am besten mit einer Temperatur von
930°C bis
980°C mit
einer Dauer von 20 Sekunden bis 5 Minuten.
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Das Diagramm in 3 veranschaulicht die Wirkung der Lösungsglühdauer und
Lösungsglühtemperatur
auf die Rekristallisierung und das Kornwachstum einer Kupferlegierung
mit einem Chromgehalt von 0,40%. Die Messwerte, wie zum Beispiel
10–15 μm, geben
die Krongröße an. Bei
einer Temperatur von 950°C wird
eine Rekristallisierung ohne zu starkes Kornwachstum mit einer Glühdauer von
etwa 17 Sekunden bis etwa 35 Sekunden erzielt. Bei weniger als 17
Sekunden erfolgt eine begrenzte Rekristallisierung. Nach mehr als
35 Sekunden ist die Legierung voll rekristallisiert. Dabei bilden
sich jedoch Korngrößen im Bereich
von 20 bis 25 μm.
Nach mehr als etwa 40 Sekunden ist ein rasches Kornwachstum mit
Korngrößen im Bereich
von 30 μm
bis zu 100 μm
zu verzeichnen.
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Das Diagramm in 4 veranschaulicht die Wirkung der Lösungsglühdauer und
Lösungsglühtemperatur
auf eine Legierung mit einem Chromgehalt von 0,54% und zeigt, wie
eine Erhöhung
des Chromgehalts den zulässigen
Bereich der Glühdauer
und Glühtemperatur
erweitert. Rekristallisierung mit einer Korngröße von 10 bis 15 μm lässt sich
in diesem Fall durch Glühen
bei 950°C
mit einer Dauer von etwa 7 Sekunden bis zu etwa 45 Sekunden erzielen.
Während
die Korngröße hier
sehr gut beherrscht wird, nimmt die Größe nicht gelöster Chromteilchen
jedoch zu, was die Eigenschaften der Legierung verschlechtert.
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Bei dem in 1 dargestellten Ablauf wird die Legierung
nach dem Lösungsglühen 14 in
Schritt 18 abgeschreckt, damit die Gleichmäßigkeit des Mikrogefüges nicht
verloren geht. Durch das Abschrecken sollte die Temperatur der Legierung
in 20 Sekunden oder weniger von der Lösungsglühtemperatur, mindestens 850°C und vorzugsweise
mehr als 900°C,
auf weniger als 500°C
gesenkt werden. Noch besser ist es, wenn in höchstens 10 Sekunden von 900°C auf weniger
als 500°C
abgeschreckt wird.
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Zum Rekristallisieren kann das Lösungsglühen 14 grundsätzlich zwar
auch in mehreren Schritten erfolgen, eine Rekristallisierung durch
einmaliges Lösungsglühen wird
jedoch bevorzugt.
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Nach dem Abschrecken 18 wird
die Legierung in Schritt 20 durch Kaltwalzen mit einer Verringerung der
Dicke um 40% bis 80% zu Band oder Blech verarbeitet. Für Folien
beträgt
die durch Kaltwalzen erzielte Verringerung der Dicke mehr als 90%,
vorzugsweise bis zu 99%. Vorzugsweise beträgt die durch Kaltwalzen erzielte
Verringerung der Dicke von Bandmaterial oder Blech 50% bis 70%.
Dabei durchläuft
das Material das Walzwerk einmal oder öfter, um ein Band mit einer
starken Kaltverformung zu erhalten.
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Anschließend wird die Legierung einer
Aushärtungsbehandlung 22 unterzogen.
Die Aushärtungsbehandlung 22 kann
in einem Schritt durchgeführt
werden, erfolgt aber vorzugsweise in zwei Schritten. Es hat sich
gezeigt, dass eine Aushärtung
in mehreren Schritten eine höhere
Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit ergibt,
und es ist anzunehmen, dass auch die Biegbarkeit durch eine Aushärtung in
mehreren Schritten verbessert werden kann. Im ersten, und bei einer
Aushärtung
in nur einem Schritt einzigen Schritt, wird die Legierung bei einer
Temperatur von etwa 350°C
bis etwa 550°C
mit einer Dauer von 1 bis 10 Stunden ausgehärtet. Vorzugsweise erfolgt
diese erste Aushärtung 22 bei
einer Temperatur von 400°C
bis 500°C
mit einer Dauer von 1 bis 3 Stunden.
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Wenn die Aushärtung in mehreren Schritten
durchgeführt
wird, erfolgt die zweite Aushärtung 24 bei einer
Temperatur von etwa 300°C
bis etwa 450°C
mit einer Dauer von 1 bis 20 Stunden und führt ohne Festigkeitseinbußen zu einer
erhöhten
elektrischen Leitfähigkeit.
Vorzugsweise wird die zweite Aushärtung 24 bei einer
Temperatur von etwa 350°C
bis etwa 420°C
mit einer Dauer von 5 bis 7 Stunden durchgeführt.
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Für
Anwendungen, die eine erhöhte
Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation erfordern, wie dies zum Beispiel in der
Automobilindustrie der Fall ist, kann die Legierung im ausgehärteten Zustand
verwendet werden. Nach dem Aushärten
weist die Legierung eine Streckgrenze von etwa 68 ksi (470 MPa)
und eine elektrische Leitfähigkeit
von etwa 80% IACS auf. Wenn noch höhere Festigkeiten erforderlich
sind, können
dem Aushärtungsschritt 22 oder 24 weitere
Verarbeitungsschritte folgen.
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Das ausgehärtete Kupferlegierungsband
wird durch Kaltwalzen 26 auf eine Enddicke gebracht, die
in der Regel bei etwa 0,25 mm bis 0,35 mm liegt, obwohl für künftige Stecker
eine Dicke in der Größenordnung von
0,15 mm (0.006 Inch) oder weniger ange strebt wird. Das dünne Bandmaterial
mit einer Dicke von weniger als 0,15 mm (0.006 Inch) eignet sich
auch für
Kupferlegierungsfolien. Generell erfährt das Material beim Kaltwalzen 26 in
ein oder mehreren Walzwerksdurchgängen eine Verringerung der
Dicke um 10% bis 50%.
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Auf das Kaltwalzen 26 kann
ein Spannungsfreiglühen 28 bei
einer Temperatur von 200°C
bis 500°C mit
einer Dauer von 10 Sekunden bis 10 Stunden folgen. Vorzugsweise
erfolgt das Spannungsfreiglühen 28 bei
einer Temperatur zwischen 250°C
und 350°C
mit einer Dauer von 1 Stunde bis 3 Stunden.
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2 zeigt
das Ablaufdiagramm eines für
die Herstellung von Drähten
und Stäben
besonders geeigneten Prozesses. Die erfindungsgemäße Kupferlegierung
wird in Schritt 30 nach einem beliebigen geeigneten Verfahren gegossen
und in Schritt 32 durch Strangpressen zu einem Stab mit einer gewünschten,
vorzugsweise kreisrunden Querschnittsform umgeformt. Das Strangpressen
wird als Warmstrangpressen bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1030°C und vorzugsweise
bei einer Temperatur zwischen 930°C
und 1020°C durchgeführt.
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Der stranggepresste Stab wird in
Schritt 34 abgeschreckt und erfährt
dann durch Kaltziehen (oder Kaltstrangpressen) 36 eine
Durchmesserreduzierung von bis zu 98%. Der gezogene Stab wird anschließend in
Schritt 38 bei einer Temperatur von 350°C bis 900°C mit einer Dauer von 1 Minute
bis zu 6 Stunden geglüht. Der
Ablauf Kaltziehen 36 und Glühen 38 kann ein oder
mehrere weitere Male wiederholt werden, bevor der Stab in Schritt
40 durch Kaltziehen (oder Kaltstrangpressen) auf seine Enddicke
gebracht wird.
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Während
individuelle Eigenschaften, wie zum Beispiel Streckgrenze, Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation und elektrische Leitfähigkeit, je für sich für die Kennzeichnung
einer für
die Verwendung als elektrischer Stecker geeigneten Kupferlegierung
wichtig sind, ist ein holistischer Wert, der eine Vielzahl relevanter
Eigenschaften in sich vereinigt, nützlicher. Dieser holistische
Ansatz kann sich der Qualitätsfunktionen-Darstellung
(Quality Function Deployment, QFD) bedienen, einer Methodologie
zur Entwicklung einer Konstruktionsqualität, die darauf abzielt, den
Wünschen
des Kunden zu entsprechen und die Kundenforderungen in Konstruktionszielsetzungen
umzusetzen, die während
der gesamten Fertigungsphase anzuwenden sind. Durch Kundenbefragung
werden die Eigenschaften bestimmt, die für die vom Kunden vorgesehene
Anwendung am wichtigsten sind, und nach ihrer relativen Bedeutung
gewichtet. Die gewünschten
Eigenschaften werden auch vom Kunden auf einer Skala von „enttäuschend" für einen
gerade noch akzeptablen Wert über „wünschenswert" bis „übertrieben" gewichtet. QFD wird
in zwei Artikeln von Edwin B. Dean, Quality Function Deployment
from the Perspective of Competitive Advantage, 1994 und Comprehensive
QFD from the Perspective of Competitive Advantage, 1995 ausführlicher
beschrieben. Beide Artikel können
unter http://miuno.larc.nasa.gov/dfc/gfd/cgfd.html heruntergeladen
werden.
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Tabelle 1 enthält eine Auflistung der Eigenschaften,
Bewertungen und Bereiche für
eine Kupferlegierung, die für
Anwendungen in der Automobilindustrie bestimmt ist, Tabelle 2 eine
Auflistung entsprechender Eigenschaften, Bewertungen und Bereiche
für eine
Kupferlegierung für
Anwendungen in der Multimediaindustrie. Die „Bewertung" erfolgt auf einer Skala von 1 bis 10,
wobei 10 die Eigenschaft mit dem größten und 1 die Eigenschaft
mit dem kleinsten Wert bezeichnet.
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Mit den erfindungsgemäßen Kupferlegierungen
können
für Anwendungen
in der Automobilindustrie und für
Multimediaanwendungen QFD-Werte von mehr als 50 (wünschenswert)
erzielt werden. Das zeigt, dass ein Kunde die Kupferlegierung als
für beide
Anwendungen geeignet bewerten würde.
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Die erfindungsgemäße Legierung und die erfindungsgemäße Verarbeitung
eignen sich jedoch nicht nur für
die Herstellung elektrischer Stecker durch Umformen von Bandmaterial,
wie oben beschrieben, sondern auch für die Herstellung von Leiterplatten.
Leiterplatten erfordern gute Biegeeigenschaften, weil die äußeren Anschlussdrähte zum
Bestücken
einer Leiterplatte um 90° gebogen
werden müssen.
Aufgrund ihrer Feinkörnigkeit
und des Fehlens grober Teilchen eignet sich die Legierung für eine gleichmäßige chemische Ätzung, ein
Verfahren, das bei der Herstellung von Leiterplatten Anwendung findet.
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Ferner eignen sich die erfindungsgemäße Legierung
und die erfindungsgemäße Verarbeitung
nicht nur zum Umformen zu Bandmaterial, wie oben beschrieben, sondern
auch zum Umformen zu Stäben,
Drähten und
Profilen für
elektrische Anwendungen. Der hohe Elastizitätsmodul, etwa 140 GPa, der
Legierung gewährleistet
die dafür
erforderliche hohe Steifigkeit. Höhere elektrische Leitfähigkeit
und höhere
Festigkeit können auf
Kosten der Biegefähigkeit
durch Ausweitung des Zwischenwalzens oder -ziehens auf eine Verringerung der
Dicke um 98% und ein- oder mehrmaliges zusätzliches Zwischenglühen bei
einer Temperatur von 350°C bis
900°C mit
einer Dauer von 1 Minute bis 6 Stunden erzielt werden.
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Die folgenden Beispiele verdeutlichen
die Vorteile der erfindungsgemäßen Kupferlegierung.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Eine Kupferlegierung mit einer Nenn-Zusammensetzung
von 0,55% Chrom, 0,10% Silber, 0,09% Eisen, 0,06% Titan, 0,03% Silicium,
0,03% Zinn und der Rest Kupfer und nicht vermeidbare Verunreinigungen wurde
geschmolzen und als Barren gegossen. Der Barren wurde maschinell
bearbeitet und bei einer Temperatur von 980°C warmgewalzt, abgeschreckt
und zu einem Band mit einer Dicke von 1,1 mm verarbeitet. Von dem
Band wurde ein Stück
mit einer Länge
von etwa 300 mm abgeschnitten, 20 Sekunden lang bei einer Temperatur
von 950°C
in ein geschmolzenes Salzbad getaucht und dann in Wasser auf Raumtemperatur
(nominell 20°C)
abgeschreckt. Die Oberflächen
des Bandstücks
wurden geputzt, um Oberflächenoxide
zu entfernen. Anschließend
wurde das Bandstück
auf eine Zwischendicke von 0,45 mm kaltgewalzt und dann 1 Stunde
lang bei 470°C
und weitere 6 Stunden lang bei 390°C wärmebehandelt. Darauf wurde
das Bandmaterial auf eine Enddicke von 0,3 mm gewalzt und 2 Stunden
lang bei 280°C
spannungsfrei geglüht.
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Das Endprodukt wies folgende Eigenschaften
auf:
Streckgrenze = 84 ksi (580 MPa),
Elastizitätsmodul
= 145 GPa,
90° Biegungshalbmesser
0 × t
(Prisma-Methode, bei der metallografischen Prüfung wurden keine Risse festgestellt),
180° Biegungshalbmesser
0,8 × t
(Formstempel-Methode, bei der metallografischen Prüfung wurden
keine Risse festgestellt),
Spannungsrelaxation –
6%
Spannungsverlust nach 1000-stündiger
Lagerung bei 100°C,
13%
Spannungsverlust nach 1000-stündiger
Lagerung bei 150°C
und
22% Spannungsverlust nach 1000-stündiger Lagerung bei 200°C
Zugfestigkeit
86 ksi (593 MPa) und
elektrische Leitfähigkeit 79% IACS.
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Diese Legierung erzielte eine QFD-Bewertung
von 54 für
Anwendungen in der Automobilindustrie, siehe Tabelle 12, und eine
QFD-Bewertung von 64 für
Multimedia-Anwendungen, siehe Tabelle 11.
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Beispiel 2
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Sieben Kupferlegierungen mit den
in Tabelle 3 angegebenen Zusammensetzungen wurden geschmolzen und
als 4,5 kg (10 Pounds) schwere Barren in Stahlkokillen gegossen.
Nach dem Anschnitt hatten die Barren eine Größe von 102 mm × 102 mm × 44,5 mm
(4'' × 4'' × 1.75''). Die gegossenen Barren wurden 2 Stunden lang
bei 950°C
wärmegelagert
und dann in 6 Durchgängen
auf eine Dicke von 12,7 mm (0.50'') warmgewalzt und
in Wasser abgeschreckt. Nach dem Besäumen und Putzen zum Entfernen
der Oxidschicht wurden die Legierungen auf eine Nenn-Dicke von 1,14
mm (0.045'') kaltgewalzt, 20
Sekunden in einem Wirbelschichtofen bei einer Temperatur von 950°C lösungsgelüht und anschließend in
Wasser abgeschreckt.
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Darauf wurde die Dicke durch Kaltwalzen
der Legierungen in mehreren Durchgängen um 60% auf 0,46 mm (0.018'') verringert. Anschließend wurden
die Legierungen einer doppelten Aushärtungsbehandlung mit einem
einstündigen
ersten statischen Glühen
bei 470°C
und darauf folgendem sechsstündigem
zweiten statischen Glühen
bei 390°C
unterzogen. Diese Wärmebehandlung
bewirkte eine Härtung
der Legierungen und eine Erhöhung
der Leitfähigkeit über die
durch Kaltwalzen erzielten Werte ohne Rekristallisierung des Mikrogefüges. Anschließend wurde
die Dicke durch Kaltwalzen der Legierungen um 33% auf 0,30 mm (0.012'') verringert. Abschließend wurden
die Legierungen 2 Stunden lang bei 280°C spannungsfrei geglüht. Wie
aus Tabelle 4 ersichtlich, wurde mit den erfindungsgemäßen Legierungen
eine Annäherung
an die für
gewerbliche Zwecke günstige
Nenn-Kombination
einer Streckgrenze von 552 MPa (80 ksi) mit einer elektrischen Leitfähigkeit
von 80% IACS erzielt.
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Die Verarbeitung der Legierungen
O und E unterschied sich von der Verarbeitung der Legierungen J308
und J310 nur dadurch, dass dem Warmwalzen eine 12-stündige Homogenisierung
(Diffusionsglühen)
bei 1000°C
vorausging, das Lösungsglühen bei
900°C mit
einer Dauer von 90 Sekunden in einem Salzbad mit anschließendem Abschrecken
in Wasser und die Aushärtungsbehandlung
bei 500°C
mit einer Dauer von 1 Stunde stattfand. Zugfestigkeit und Leitfähigkeit
wurden im ausgehärteten
Zustand bei Dicken von 0,2 mm (Prozess A) und 0,3 mm (Prozess B)
gemessen und zeigen (Tabelle 5) die durch den Silberzusatz bei einem
Chromgehalt von 0,3% bewirkte Zunahme der Festigkeit.
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Die Verarbeitung der Legierungen
BT und BU unterschied sich von der Verarbeitung der Legierungen O
und E nur dadurch, dass die Aushärtungsbehandlung
aus einer zweistufigen Glühbehandlung
mit einer einstündigen
ersten Stufe bei 470° und
einer sechsstündigen
zweiten Stufe bei 390°C
bestand. Zugfestigkeit und Leitfähigkeit
wurden im ausgehärteten
Zustand gemessen und zeigten, wie aus Tabelle 6 ersichtlich, eine
Abnahme der Spannungsrelaxation (Zunahme der Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation) durch die Zugabe von Silber bei einem
Chromgehalt von 0,5%.
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Beispiel 3
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Die Tabellen 7A und 7B zeigen, wie
die erfindungsgemäße Zusammensetzung
und die erfindungsgemäße Verarbeitung
zu verbesserten Biegeeigenschaften führen. Wie aus Tabelle 7A ersichtlich,
wies die erfindungsgemäße Legierung
J310 bei einer Verarbeitung mit Lösungsglühen isotrope Biegeeigenschaften
auf, während
die silberfreie Kontrolllegierung J306 eher zu anisotropen Biegeeigenschaften
tendierte. Nach einer Verarbeitung durch mehrmaliges Haubenglühen mit
zwischenzeitlichen Verringerungen der Dicke durch Kaltwalzen wies
die Kontrolllegierung K005 anisotropische und schlechtere Biegeeigenschaften
auf. Die Bewertung der Biegefähigkeit
der Legierungen J306, J310 und K005 in Tabelle 7A erfolgte nach
der Dorn-Methode, die erfahrungsgemäß 0,5 höhere Biegewerte liefert als
die Prisma-Methode.
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Die Legierungen K007 und K005 wurden
1 bis 24 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 850°C und 1030°C homogenisiert
(diffusionsgeglüht),
bei einer Temperatur zwischen 600°C
und 1000°C
warmgewalzt und dann mit einer Kühlgeschwindigkeit
zwischen 50°C
und 1000°C
pro Minute abgeschreckt. Durch Kaltwalzen, unterbrochen durch ein
oder zwei Haubenglühvorgänge bei
einer Temperatur von 350°C
bis 500°C mit
einer Dauer von bis zu 10 Stunden (konventionelles Haubenglühen), wurde
die Dicke dann um bis zu 99% verringert. Tabelle 7B zeigt, dass
die silberhaltige Legierung K007 nach dem konventionellen Haubenglühen bessere
Biegeeigenschaften aufwies. Die in Tabelle 7B angegebenen Werte
für die
Biegbarkeit wurden nach der Prisma-Methode ermittelt.
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Tabelle 7B zeigt, dass für die erfindungsgemäßen Legierungen
K007 und K008 im Vergleich zur Handelslegierung K005 durch konventionelles
Haubenglühen
oder durch Lösungsglühen bessere
Biegeeigenschaften erzielt werden. Im Vergleich zum herkömmlichen
Haubenglühen
liefert das neue Verfahren (Lösungsglühen) eine
bessere Biegbarkeit und isotropische Werte.
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Berechnungen zur Erhärtung der
Bewertung als Funktion des gemessenen Wertes zeigen, dass die Erfüllung der
Anforderungen durch unterschiedliche Legierungen oder Vergütungszustände messbar
sein sollte.
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Dazu können s-förmige mathematische Funktionen
verwendet werden. Die Bewertung des Erfüllungsgrades sollte mit einem
niedrigen Wert beginnen, z. B. 5% für „enttäuschend". In der Nähe der wünschenswerten Eigenschaft sollte
die Bewertung etwa 50% erreichen und für geringfügige Veränderungen der gemessenen Eigenschaft
einen steilen Anstieg oder Abfall anzeigen. Bei „übertrieben" sind die Anforderungen übererfüllt. Die
Bewertung sollte 95% erreichen. Weitere Verbesserungen können die
Kundenzufriedenheit nicht allzu sehr steigern. Veränderungen
der Eigenschaft sollten nur geringe Veränderungen der Bewertung zur
Folge haben.
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Für
diesen Zweck verwenden wir eine skalierte arc-tan-Funktion w(f(x)).
Die Funktion ist an einen kleinsten (xmin)
und größten (xmax) Wert der untersuchten Eigenschaft gebunden.
Die Bewertungen w(f(x)) werden hier auf 0 bzw. 100% eingestellt.
Zwischen diesen Werten für
die Bewertung f(x) bestimmen zwei gegebene Punkte die Form der s-Funktion. f(x) = 50 + (100/B)·arc tan (c1·(x + c2))
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Die Konstanten c1 und c2 werden aus
den beiden durch (x1,f(x1))
und (x2,f(x2)) festgelegten
Bewertungen berechnet. Die Festlegungen ergeben sich aus der Entscheidung über den
geeigneten Kennwert der Bewertung. W(f(x)) =
w(f(xmin)) + (w(f(xmax)) – w(f(xmin)))·(f(x) – f(xmin))/(f(xmax) – f(xmin))
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In dieser Formel bezeichnet x den
Ist-Wert der untersuchten Eigenschaft. w(f(x)) gibt die Bewertung für diese
Eigenschaft an.
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Holistische Bewertungen für die Gesamtheit
der Eigenschaften erhält
man durch Multiplikation der Bewertung einer jeden zu untersuchenden
Eigenschaft mit dem QFD-Wert
ihrer relativen Bedeutung. Die Ergebnisse werden addiert und durch
die Summe aller Werte der relativen Bedeutung dividiert.
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Dadurch ergibt sich die Gesamtbewertung
der Leistung als Prozentsatz einer völlig übertriebenen 100%-Lösung. Die
ideale Lösung
(Zielwert) wird bei etwa 50% liegen. Die Gesamtbewertung ist ein
nützliches Werkzeug
für einen äußerst objektiven
Vergleich von Legierungen und Vergütungszuständen. Werte für Multimedia-Anwendungen
sind in Tabelle 8, Werte für
Anwendungen in der Automobilindustrie in Tabelle 9 aufgeführt.
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Tabelle 10 zeigt, dass eine Kupferlegierung
mit den in Tabelle 2 aufgeführten
wünschenswerten
Nenneigenschaften eine QFD-Bewertung von 51 erzielt. Tabelle 11
zeigt, dass die Kupferlegierung aus Beispiel 1 für Multimedia-Anwendungen den
QFD-Wert 64 hat. Nach Tabelle 12 hat dieselbe Legierung
für Anwendungen in
der Automobilindustrie den QFD-Wert
54.
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Die Erfindung schafft somit eine
Kupferlegierung, die sich durch hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit
auszeichnet, für
elektrische Stecker besonders geeignet ist und den eingangs beschriebenen
Aufgaben, Mitteln und Vorteilen voll entspricht. Die Erfindung wurde
hier anhand bestimmter Ausführungsformen und
Beispiele beschrieben, lässt
aber natürlich
zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Variationen zu, die dem
Fachmann durch die vorangehende Beschreibung nahegelegt werden.
Alle Alternativen, Modifikationen und Variationen, die im weitesten
Sinne unter die Wesensart der Erfindung und den Umfang der folgenden
Ansprüche
fallen, sollen daher ebenfalls enthalten sein.
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