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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kupfer und auf Kupferlegierungen
mit feinen Kristallkörnern,
und bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren hierfür, und insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Technik zur Verbesserung
der Eigenschaften beim Biegen oder bei anderer Bearbeitung bei Verwendung
für elektronische
Vorrichtungen, wie z. B. Klemmen, Verbinder und Leiterrahmen für integrierte Halbleiterschaltkreise.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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In
neuerer Zeit wurden elektronische Vorrichtungen wie Klemmen und
Verbinder und deren Bestandteile in Größe und Stärke verkleinert, wobei Kupfer
und Kupferlegierungen, die als Materialien hierfür verwendetet werden, eine
hohe Festigkeit aufweisen müssen.
Im Material für
Klemmen und Verbinder muss der Kontaktdruck erhöht werden, um elektrische Verbindungen
zu erhalten, wobei ein Material mit hoher Festigkeit zu diesem Zweck
unabdingbar ist. In einem Leiterrahmen, besteht aufgrund der hohen
Integration des Halbleiterschaltkreises ein wachsender Bedarf an
Mehrfach-Stift-Strukturen
und dünneren
Wandstärken.
Dementsprechend nimmt zur Vermeidung von Verformung während des
Transports oder der Handhabung des Leiterrahmens der erforderliche
Festigkeitsgrad progressiv zu.
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Außerdem besteht
zusammen mit dem Trend zur Größenreduktion
elektronischer Vorrichtungen und Bauteile der Bedarf an einem höheren Freiheitsgrad
der Verformungsleistung, wobei die Verarbeitbarkeit von Verbindermaterialien
wichtig wird, und wobei insbesondere hervorragende Biegeeigenschaften erforderlich sind.
Im äußeren Leiter
des Halbleiter-Leiterrahmens sind hervorragende Biegeeigenschaften
ebenso im Fall von Knickflügel-Formbiegeprozessen
notwendig.
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Um
hervorragende Biegeeigenschaften zu erzielen, die keine Risse im
gebogenen Teil verursachen, wenn ein Material gebogen und verformt
wird, ist es notwendig, die Duktilität des Materials zu erhöhen oder die
Korngröße zu verringern.
Ferner ist für
die in elektronischen Vorrichtungen verwendete Kupferlegierung eine
Funktion erforderlich, die das Entweichen der während des Stromflusses erzeugten
Wärme nach
außen ermöglicht,
neben einer Funktion zur Übertragung
eines elektrischen Signals, wobei ein hohes Wärmeleitvermögen zusätzlich zum elektrischen Leitvermögen erforderlich
ist. Um insbesondere dem neuen Trend zu höherfrequenten elektrischen
Signalen gerecht zu werden, wächst
der Bedarf an höherem
elektrischem Leitvermögen
an.
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Elektrisches
Leitvermögen
von Kupferlegierungen verhält
sich gegensätzlich
zur Festigkeit, wobei dann, wenn ein Legierungselement zur Steigerung
der Festigkeit hinzugefügt
wird, das elektrische Leitvermögen
sinkt, weshalb Legierungen verwendet wurden, die einen Kompromiss
zwischen Festigkeit und elektrischem Leitvermögen oder Preis bildeten, abhängig von
der Anwendungsform. Bisher wurden Legierungen zur Steigerung von
Festigkeit und elektrischem Leitvermögen intensiv entwickelt, wobei
im Allgemeinen Kupferlegierungen des Typs mit verstärkter Fällung, die
Zweitphasenpartikel wie z. B. Cu-Ni-Si-Legierung oder Cu-Cr-Zr-Legierung
enthalten, als hochfunktionelle Materialien verwendet worden sind,
die eine höhere
Ausgewogenheit zwischen beiden Punkten bieten.
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Deshalb
sind als mechanische Eigenschaften von Kupfer und Kupferlegierungen
für elektronische
Vorrichtungen eine hohe Festigkeit und eine hervorragende Verarbeitbarkeit
erwünscht.
So stehen jedoch zuerst Festigkeit und Duktilität in entgegengesetzter Beziehung
zueinander, wobei in jedem Legierungssystem, wenn das Walzen zur
Festigkeitserhöhung
durch Bearbeitungshärtung
durchgeführt
wird, die Duktilität
abnimmt und die bevorzugte Verarbeitbarkeit durch das Walzen allein
nicht erreicht wird. Andererseits wird durch Verringerung der Korngröße eine
Steigerung der Festigkeit erwartet, wie durch die Hall-Petch-Beziehung
angegeben wird, wobei dies auch zur Verbesserung der Biegeeigenschaften
führt und
folglich im Allgemeinen kontrolliert wurde, um die Korngröße während des
Anlassens und der Rekristallisation zu reduzieren.
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Bei
diesem Verfahren jedoch, wenn die Anlasstemperatur gesenkt wird,
um die Korngröße zu verringern,
bleiben zum Teil nicht kristallisierte Körner zurück, und es gibt im Wesentlichen
eine Beschränkung
für den
Erhalt rekristallisierter Körner
von etwa 2 bis 3 μm,
wobei ein Verfahren zur weiteren Verringerung der Korngrößen gefordert
war. Ferner ist durch die Rekristallisation allein der Festigkeitsgrad
gewöhnlich
niedrig und nicht zweckmäßig, weshalb
ein bestimmtes Walzverfahren in einem späteren Schritt notwendig war,
der zur Verringerung der Duktilität geführt hat. Dementsprechend wurde
im Allgemeinen nach dem Walzverfahren ein spannungsabbauendes Anlassverfahren
zur Wiederherstellung der Duktilität benötigt. Allerdings verursachte
dieses Verfahren eine geringere Festigkeit als ursprünglich im
Walzprozess erzielt, und es konnte nach spannungsabbauendem Anlassen
keine ausreichende Duktilität
erzielt werden, wobei es schwierig war, die neuere äußerst starke
Forderung nach Biege-Verformungsleistung
zu befriedigen.
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Vor
kurzem wurden anstelle eines Anlassprozesses Verfahren zur Gewinnung
feiner Kristallkörner
und hoher Duktilität
bei der Materialbearbeitung durch starke Scherung erprobt und berichtet,
z. B. von Ito u. a. (ARB (Accumulative Roll-Bonding), J. of Japan
Society of Metallurgy, 54 (2000), 429) und von Hotta u. a. (ECAP
(Equal-Channel Angular Press), Metallurgieseminartext: Approach
to fine crystal grains (2000), Japan Society of Metallurgy, 39).
In diesen Verarbeitungsverfahren kann jedoch keine ausreichend große Menge
hergestellt werden, um als Materialien für elektronische Vorrichtungen
verwendet zu werden, wobei diese sind für die industrielle Fertigung
geeignet nicht.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
Erfinder haben umfangreiche Untersuchungen zur Lösung dieser Probleme gesammelt,
und sie haben entdeckt, dass feine Kristallkörner in bis dahin nicht bekanntem
Maße erhalten
werden können
durch Kontrollieren der Bedingungen des Walzverfahrens anstelle
der Bedingungen des Anlassverfahrens. Das heißt, in der Struktur eines kaltgewalzten
Materials mit einer gewöhnlichen
Kaltwalzreduktion, rekristallisiert durch anschließendes Anlassen,
tritt die Verringerung der Verschiebungsdichte unstet auf, wenn
die rekristallisierten Korngrenzen eine Zelle passieren, wobei große Kristallkörner ungleicher
Größe intermittierend
erzeugt werden. Dies nennt man statische Rekristallisation. Gemäß den Untersuchungen
der Erfinder wurde bei extremer Erhöhung der Reduktion des Kaltwalzens
eine dynamische Rekristallisation, die gewöhnlich in Hochtemperaturgebieten
auftritt, ebenso beim Kaltwalzen festgestellt, wobei sich eine dynamische
kontinuierliche Rekristallisation zeigt, da die Unterkörner, die
während
des Verfahrens gebildet wurden, in Korngrenzen mit hohem Winkel
umgewandelt werden. Bei Nutzung dieses Vorgangs werden runde und
gleichförmige
Kristallkörner
mit einer Korngröße von 1 μm oder weniger
erzielt. Entsprechend diesem Verfahren können feine Kristallkörner erzielt
werden, ohne auf die Festigkeit zu verzichten, die der Vermeidung
einer Reduzierung der Duktilität
dient, wobei ferner festgestellt wurde, dass eine Dehnung von 2%
oder mehr sogar unmittelbar nach dem abschließenden Kaltwalzen erzielt werden
kann und zulässige
Biegeeigenschaften allein durch das Kaltwalzen erreicht werden.
Ferner wurde durch Hinzunehmen eines spannungsabbauenden Anlassverfahrens
nach dem abschließenden
Kaltwalzen die Dehnung weiter erhöht, und ist damit auch im Fall
extrem hoher Biegebelastung anwendbar. Gemäß einem solchen Fertigungsverfahren
können
außerdem
Materialien für
elektronische Geräte
in industrieller Massenfertigung hergestellt werden. Die kontinuierliche
Rekristallisation wird im Folgenden genauer beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf diesen Erkenntnissen und schafft
Kupfer und Kupferlegierung, umfassend: eine Struktur mit feinen
Kristallkörnern
mit einer Korngröße von 1 μm oder weniger,
bestehend aus Kristallkorngrenzen, die nach einem abschließenden Kaltwalzen
hauptsächlich
von gekrümmten
Abschnitten gebildet werden, wobei die Struktur durch dynamische
kontinuierliche Rekristallisation erhalten wird, die durch das abschließende Kaltwalzen
hervorgerufen wird, und eine Dehnung von 2% oder mehr in einem Dehnungsversuch.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ebenso ein Herstellungsverfahren für Kupfer
und Kupferlegierung, wobei das Verfahren umfasst: abschließendes Kaltwalzen
mit einer Reduktion η,
wobei η in
der folgenden Formel ausgedrückt
ist und η ≥ 3 erfüllt, dadurch
Erhalten einer Struktur mit feinen Kristallkörnern mit einer Korngröße von 1 μm oder weniger
nach dem abschließenden
Kaltwalzen; und
einer Dehnung von 2% oder mehr in einem Dehnungsversuch; η =
In(T0/T1)
- T0: Plattendicke vor dem Walzen, T1: Plattendicke nach dem Walzen.
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Die
Gründe
für die
Festlegung dieser Zahlenwerte werden im Folgenden zusammen mit den
Wirkungsweisen der Erfindung beschrieben.
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A. Reduktion aus abschließendem Kaltwalzen,
Dehnung und Korngröße
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Um
günstige
Biegeeigenschaften eines Materials zu erreichen, das allein dem
abschließenden
Kaltwalzen unterzogen wurde, ist eine hohe Duktilität unentbehrlich.
Um die günstigen
Biegeeigenschaften zu erzielen, ohne Risse im Biegeabschnitt zu
verursachen, ist eine Bruchdehnung in einem Dehnungsversuch von 2%
oder mehr bei einer Prüflänge von
50 mm erforderlich. Um eine Bruchdehnung von 2% oder mehr im Zustand
nach dem abschließenden
Kaltwalzen zu erzielen, muss die Korngröße nach dem abschließenden Kaltwalzen
1 μm oder
weniger betragen. Folglich wird eine ausreichende Dehnung im kaltgewalzten
Zustand durch Verringerung der Korngröße erzielt, und dies, weil
Verschiebungen in den Korngrenzen angehäuft werden, wenn kontinuierlich
rekristallisierte Körner
gebildet werden, wobei eine Korngrenzenstruktur in einem unausgeglichenem
Zustand gebildet wird und eine Korngrenzenverschiebung ausgedrückt wird,
wodurch die Duktilität
gesteigert wird.
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Die
Korngröße und Dehnung
nach dem abschließenden
Kaltwalzen variieren abhängig
von der Kaltwalzreduktion. Die Kaltwalzreduktion (wahre Spannung) η durch das
abschließende
Kaltwalzverfahren bis zum Erreichen der Produktplattendicke ist
in der untenstehenden Formel ausgedrückt. η = 1n(T0/T1)
- T0: Plattendicke vor dem Walzen, T1: Plattendicke nach dem Walzen.
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In
diesem Fall, wenn der Wert von η klein
ist, bleibt eine gewalzte Struktur zurück, und es werden keine klaren
feinen Kristallkörner
erhalten, oder aber, wenn sie erhalten werden, ist die Korngröße groß und die
Korngrenzenverschiebung findet nicht statt, wobei die günstige Duktilität nicht
erreicht wird. Gemäß den Untersuchungen
der Erfinder ist bekannt, dass der Wert von η gleich 3 oder mehr sein sollte,
um eine feine Korngröße von 1 μm oder weniger
zu erhalten.
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Die
Struktur eines Materials, das durch eine konventionelle gewöhnliche
Kaltwalzreduktion kaltgewalzt worden ist, weist manchmal eine Zellstruktur
auf, begründet
durch gegenseitiges Verwickeln der in die Körner eingebrachten Verschiebungen.
Da jedoch in diesem Fall die Fehlorientierung unter benachbarten
Zellen gering ist, d. h. 15° oder
weniger, werden Eigenschaften wie Kristallkorngrenzen nicht realisiert.
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Entsprechend
findet, wie in 1 gezeigt, eine statische Rekristallisation
statt, wenn durch Anlassen rekristallisiert wird, wie oben beschrieben
worden ist, d. h. es werden große
Kristallkörner
ungleicher Größe intermittierend
gebildet.
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Im
Gegensatz hierzu werden durch Festlegungen einer extrem hoher Kaltwalzreduktion
feine Kristallkörner
erhalten. Dies bedeutet, bei sehr hoher Kaltwalzreduktion treten
zahlreiche Bereiche, die lokal scherungsdeformiert sind, in der
Grundmasse des gesamten Materials auf, wodurch die Unterkornstrukturen
beträchtlich
wachsen. Als ein Ergebnis, wie in 1 gezeigt
ist, werden Verschiebungen eingebracht, um die große Fehlorientierung
zwischen Grundmasse und Unterkorn zu kompensieren, wobei sich diese
sich an der Korngrenze anhäufen.
In diesem Fall werden Kristallkorngrenzen mit einer hohen Fehlorientierung
von 15° oder
mehr (Korngrenzen mit hohem Winkel) erzeugt. Das heißt, die
Unterkornstruktur, die ursprünglich
eine Unterstruktur von Kristallkörnern
war, wird direkt in Form von Kristallkörnern gebildet. In diesem Fall
unterscheidet sich die Kristallkornstruktur stark von dem Fall der
statischen Rekristallisation, wobei keine Linearität in der
Korngrenze vorhanden ist, und wobei es ein Merkmal ist, dass eine
hauptsächlich
aus gekrümmten
Abschnitten bestehende Kristallkorngrenze gebildet wird. Diese dynamische
kontinuierliche Rekristallisation wird vornehmlich beim Kaltwalzen
erzeugt. Es ist ebenso erkannt, dass eine deutlichere Korngrenze
mit hohem Winkel anwächst
durch Anlassen mit gezielt niedrigen Temperaturen und durch Einbringen
in eine gewöhnliches
Erholungsordnung. In diesem Fall wird festgestellt, dass die Duktilität weiter
ansteigt, wie im Folgenden beschrieben wird.
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Wenn
bei diesem Mechanismus Partikel der zweiten Phase, wie z. B. Fällprodukte
und disperse Systeme in der Cu-Grundmasse vorliegen, werden durch
plastische Beanspruchung beim Walzen eingebrachte Verschiebungen
um die Zweitphasenpartikel angehäuft,
indem sie Verschiebungsschleifen oder dergleichen bilden, wobei
die Verschiebungsdichte beträchtlich
erhöht
wird. Unter dieser Bedingung wird die Partikelgröße der Unterkörner viel
feiner und die Festigkeit nimmt zu. Sofern beim abschließenden Kaltwalzen
nicht durch Anlassen in einem Zwischenverfahren erholt oder rekristallisiert,
kann das Kaltwalzen mit Mehrfachwalzmaschinen durch wechselnde Walzmaschinen
durchgeführt
werden, abhängig
vom Bereich der Plattendicke, oder es kann ein Beizen oder Polieren
durchgeführt
werden, um die Oberflächeneigenschaften
zu kontrollieren.
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B. Spannungsabbauendes
Anlassen
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Wenn
das Material nach dem abschließenden
Kaltwalzen zum Spannungsabbau weiter angelassen wird, steigt die
Duktilität
und es werden noch bessere Biegeeigenschaften erzielt. Als Anlassbedingung
ist es notwendig, angemessene Anlassbedingungen in dem Maße zu schaffen,
dass der Produktwert nicht aufgrund einer extremen Abnahme der Festigkeit
verloren geht. Die Anlassbedingung ändert sich mit dem Legierungssystem,
jedoch kann mit der Auswahl einer geeigneten Anlassbedingung in
einem Temperaturbereich von 80 bis 500°C und in einem Zeitrahmen von
5 bis 60 Minuten eine Dehnung von 6% oder mehr auf einfache Weise erzielt
werden, wobei diese bei einer starken Biegeformung anwendbar ist.
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Bevorzugte
Beispiele einer Kupferlegierung der Erfindung umfassen Cu-Ni-Si-Legierungen mit
Fällprodukten
von intermetallischen Verbindungen von Ni und Si, wie z. B. Ni2Si, wobei die Kupferlegierungen umfassen:
Ni: 1,0 bis 4,8 Gew.-%, Si: 0,2 bis 1,4 Gew.-%, und den Rest Cu.
Die Erfindung umfasst ferner Cu-Cr-Zr-Legierungen mit Fällprodukten
von reinen Cu-Körnern
und intermetallischen Verbindungen von Cu und Zr, wobei die Kupferlegierungen
umfassen: Cr: 0,02 bis 0,4 Gew.-%, Zr: 0,1 bis 0,25 Gew.-% und den
Rest Cu. Zu dieser Kupferlegierung können Hilfszusatzstoffe zugegeben
werden, wie z. B. Sn, Fe, Ti, P, Mn, Zn, In, Mg und/oder Ag in einer
Gesamtmenge von 0,0005 bis 2 Gew.-%. Ferner können Kupferlegierungen mit
Zweitphasenpartikeln, wie z. B. andere Arten von Fällprodukten
und dispergierten Partikeln, verwendet werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Rekristallisationsverfahrens.
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2 ist
eine Transmissionselektronenmikroskop-Photographie, die eine Struktur
einer Legierung in einem Beispiel der Erfindung zeigt.
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3 ist
eine Transmissionselektronenmikroskop-Photographie, die die Struktur
einer Legierung in einem Vergleichsbeispiel der Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Auswirkungen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf bevorzugte
Ausführungsformen genauer
beschrieben. Zuerst wurde unter Verwendung von elektrischem Kupfer
oder sauerstofffreiem Kupfer als Material eine spezifische Menge
des Materials in einen Vakuumschmelzofen eingebracht, falls erforderlich zusammen
mit anderen Zusatzstoffen, wobei Metallblöcke der in den Tabellen 1 bis
3 gezeigten chemischen Zusammensetzung erhalten wurden durch Gießen bei
der Schmelzmetalltemperatur von 1250 °C.
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Tabelle
1 zeigt die Zusammensetzungen von Cu-Ni-Si-Legierungen, Tabelle
2 zeigt Cu-Cr-Zr-Legierungen und Tabelle 3 zeigt andere Kupferlegierungen. Tabelle
1
Tabelle
2
Tabelle
3
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Diese
Metallblöcke
wurden bei einer Temperatur von 950 °C in Platten von 10 mm Dicke
heißgewalzt. Die
Oxidschicht der Oberflächenschicht
wurde durch mechanisches Abschälen
entfernt, wobei die Platten bis zu einer Dicke von 5 mm kaltgewalzt
wurden, und wobei im Fall einer Vergütungsfällungstyp-Kupferlegierung eine
Festlösungsbehandlung
durchgeführt
wurde und in anderen Fällen
einmalig ein Rekristallisationsanlassen angewendet wurde. Durch
weiteres Kaltwalzen wurden Platten mit einer mittleren Dicke von
1,1 mm bis 3,8 mm erhalten, wobei bei dieser Plattendicke ferner
eine Vergütungsbehandlung
oder ein zweites Rekristallisationsanlassen durchgeführt wurde.
Im Fall der Vergütungsbehandlung
wurde die Vergütungstemperatur
so eingestellt, dass die Produktfestigkeit in jeder Legierungszusammensetzung
am höchsten
war, oder im Falle der Rekristallisation wurde die Temperaturbedingung
so eingestellt, dass die Korngröße 5 bis
15 μm betrug. Beim
abschließenden
Kaltwalzen wurden Platte mit einer Dicke von 0,15 mm gefertigt und
als Versuchsproben zur Auswertung erhalten. Die Bedingungen für das abschließende Kaltwalzen
sind ebenso in den Tabellen 1 bis 3 gezeigt.
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Von
den erhaltenen Platten wurden Teststücke als Proben genommen, wobei
die Materialien getestet wurden, um "Korngröße", "Festigkeit", "Dehnung", "Biegung" und "elektrisches Leitvermögen" auszuwerten. Zur
Auswertung der "Korngröße" wurden die hellen
Bereiche mit einem Transmissionselektronenmikroskop beobachtet,
wobei sie durch das Abschneidverfahren nach JIS H 0501 auf dem erhaltenen
Photo bestimmt wurden. Bei "Festigkeit" und "Dehnung" wurden unter Verwendung
der Nr. 5 Prüflinge
entsprechend dem in JIS Z 2241 spezifizierten Dehnungstest, die
Dehnungsfestigkeit und die Bruchdehnung gemessen. Für "Biegung" wurde bei Biegeverformung
unter Verwendung einer W-Biegetestmaschine der gebogene Teil mit
einem optischen Mikroskop bei 50-facher Vergrößerung betrachtet und das Auftreten
oder Fehlen von Rissen beobachtet. Das Zeichen "O" zeigt
an, dass Risse fehlen, und das Zeichen "X" zeigt
an, dass Risse aufgetreten sind. Das "elektrische Leitvermögen" wurde bestimmt durch Messen des elektrischen
Leitvermögens
gemäß einem
Vier-Punkte-Verfahren.
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Die
Auswertungsergebnisse sind in den Tabellen 1, 2 und 4 gezeigt. Bei
den Legierungen der Erfindung wurden hervorragende Festigkeits-,
Dehnungs- und Biegeeigenschaften
festgestellt. Im Gegensatz hierzu wurde bei den Vergleichsbeispielen
6 bis 8, 14 bis 16, 33 und 34 trotz niedriger Reduktion des abschließenden Kaltwalzens
die gewünschte
Struktur nicht erhalten, wobei die Duktilität sank und keine günstigen
Biegeeigenschaften erreicht wurden. 2 ist eine
Transmissionselektronenmikroskop-Photographie von Probe Nr. 12 der
Erfindung, bei der die mittlere Korngröße der gebildeten kontinuierlichen
Rekristallisation 1 μm
oder weniger beträgt
und deren Kristallkorngrenze vorwiegend aus gekrümmten Abschnitten besteht und
rund ist. Im Vergleich hierzu ist eine Transmissionselektronenmikroskop-Photographie des
Vergleichsbeispiels Nr. 6 in 3 gezeigt,
bei dem die Korngröße beinahe
linear ist.
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Die
Materialien, die aus den Ausführungsformen
9, 22, 26 und 30 der Erfindung und aus den Vergleichsbeispielen
33 und 34 hergestellten worden sind, wurden ferner einem spannungsabbauenden
Anlassen unterzogen und es Dehnungsversuche wurden durchgeführt. Die
Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Bei den Legierungen der Erfindungen
ist im Vergleich zu den Legierungen der Vergleichsbeispiele nach
dem spannungsabbauenden Anlassen die Dehnung weiter angestiegen.
Daher wird erwartet, dass sie einer noch stärkeren Bearbeitung standhalten. Tabelle
4
Tabelle
5
Tabelle 3
