-
Verwendung von Kupferlegierungen zur Herstellung von Gegenständen
mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, mechanischer Festigkeit und hoher Warmfestigkeit
Für viele Zwecke der Elektrotechnik, z. B. Freileitungen, stromführende Federn usw.,
werden Materialien von hoher elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit
erlangt. Vorwiegend handelt es sich dabei um Kupfer und Kupferlegierungen.
-
Für ihre Herstellung ergeben sich aus den Lehren der Metallkunde zunächst
folgende Regeln und Wege. Das reine Kupfer besitzt die höchste Leitfähigkeit. Eine
merkliche Steigerung derselben ist auf keine Weise, weder durch Walz- und Glühbehandlung
noch durch Legierungsbildung, möglich. Es handelt sich also darum, bei möglichst
unveränderter Leitfähigkeit des Kupfers eine Steigerung der Festigkeit zu erreichen.
Für eine Festigkeitssteigerung des Kupfers ergeben sich zwei Wege: i. Kaltbearbeitung,
a. Legierungsbildung.
-
Im ersten Falle erfolgt die Festigkeitssteigerung ohne wesentliche
Änderung der Leitfähigkeit, die erreichbare Festigkeitssteigerung ist aber auf eine
bestimmte Höhe, die den Anforderungen in sehr vielen Fällen nicht entspricht, beschränkt.
Außerdem besitzt das reine Kupfer die unangenehme Eigenschaft, die ihm durch Kaltbearbeiten
(Walzen, Ziehen usw.) zuerteilte Festigkeitssteigerung schon durch Erhitzen auf
mäßige Temperaturen von ioo° bis Zoo' C, also Temperaturen, die in stromdurchflossenen
Teilen auftreten können, zu verlieren.
-
Der zweite Weg, die Legierungsbildung, führt zu _ einer Festigkeitssteigerung
des Kupfers an sich.- Durch genügenden Zusatz oder durch Zusatz verbunden mit Kaltbearbeitung
der Legierung läßt sich somit ohne weiteres der gewünschte Festigkeitsgrad erreichen.
Außerdem wird der obenerwähnte Übelstand der geringen Temperaturbeständigkeit der
Kaltbearbeitungsfestigkeit vermindert. Bei Zusatz nur außerordentlich geringer Mengen
zweiter Metalle steigt die Temperaturschwelle des Festigkeitsrückganges, Rekristallisationsschwelle,
um etwa ioo° bis i5o° C, also auf .5o° bis 350° C. Andererseits schließt die Legierungsbildung
jedoch die gleichzeitige Forderung nach hoher elektrischer Leitfähigkeit weitgehend
aus. .Jede Legierungsbildung setzt die Leitfähigkeit des Kupfers herab, und zwar
wirken die ersten Zusätze am stärksten. Man ist daher im praktischen Betriebe stets
gezwungen, bei einer vorliegenden Forderung auf bestimmte Leitfähigkeit und Festigkeit,
den Einfl.uß der Legierungszusätze und der` Kaltverformung auf die Festigkeitssteigerung
genau abzuwägen gegen den Einfiuß der Zusätze auf die
Leitfähigkeit.
Der kleinste überschuß über den für die-Festigkeitssteigerung erforderlichen Prozentgehalt
an Legierungszusätzen hinaus macht die Verwendung des Materials wegen zu'großer
Leitfähigkeitsverminderüng unbrauchbar.
-
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Kupferlegierungen mit insgesamt
0,5 bis 6,o °i, Chrom und Beryllium zur Herstellung von solchen Gegenständen,
die zugleich hohe elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit bei hoher
Warmfestigkeit aufweisen müssen und bei denen das Verhältnis zwischen Chrom und
Beryllium so gewählt ist, wie es den stöchiometrischen Formeln CrBe oder Cr=Be entspricht.
Dabei kann auch das Chrom ganz oder teilweise durch Kobalt. im Verhältnis der Atomgewichte
ersetzt werden. Bei den nachstehend geschilderten Beispielen sind Legierungen mit
Zusätzen von Chrom und Beryllium und solche mit Zusätzen von Kobalt und Beryllium
gewählt. Die Ergebnisse bei teilweisem Ersatz des Chroms durch Kobalt liegen zwischen
den dort angegebenen Werten.
-
Es sind zwar bereits Kobaltlegierungen mit Berylliumzusatz bekanntgeworden,
doch handelte es sich hier nicht um Legierungen, die mindestens 9o °% Kupfer enthalten,
sondern um Legierungen, deren Hauptbestandteil Kobalt war und die Kupfer nur in
geringen Mengen enthielten. Diese Legierungen sind daher insbesondere hinsichtlich
der abweichenden elektrischen Leitfähigkeit von den erfindungsgemäß zu verwendenden
wesentlich verschieden.
-
Bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind die Zusätze
so gewählt, daß sie bei höherer Temperatur, ebenso wie die bisher gebräuchlichen
Zusätze, wie z. B. Zinn; Kadmium, Phosphor, von Kupfer in fester Lösung aufgenommen
werden. Sie bewirken, wenn die Legierungen genügend schnell von höherer Temperatur
abgekühlt sind und dadurch der Mischkristallzustand für gewöhnliche Temperatur aufbewahrt
ist, daher wie jene eine Festigkeitssteigerung der geglühten Legierungen, und insbesondere
lassen sich durch Kaltverformung; verbunden mit genügend hohen-Zusätzen, die jeweils
erforderlichen Festigkeiten erzielen. In diesem Zustande ist aber auch ebenso wie
bei den bisher gebräuchlichen Zusätzen die Leitfähigkeit je nach Maßgabe des Zusatzes
stark herabgesetzt. Hier führt die zweite Eigenart der Zusätze, die- bei der Wahl
der Zusatzmetalle maßgebend ist, weiter. Die Löslichkeit der Zusätze muß mit sinkender
Temperatur abnehmen. Bekanntlich wirken nur die in fester Lösung aufgenommenen Prozentgehalte
der Zusätze auf die Leitfähigkeit stark erniedrigend ein. 'Die als Legierungsbestandteile
neben dem Kupfer vorliegenden Zusätze ändern die Leitfähigkeit nur in geringem Maße
entsprechend der Mischungsregel. Bei der im vorstehenden skizzierten Wahl und dem
Verhalten der Zusätze, die nur bei höheren Temperaturen im Kupfer löslich sind,
bei niedriger Temperatur dagegen als zweite Legierungsbestandteile aus dem Kupfer
ausgeschieden werden, kann man daher durch Anlassen bei niedriger Temperatur in
dem durch Legierungsbildung und Kaltverformung wunschgemäß verfestigten Kupfer die
Zusätze zur Ausscheidung bringen. Die Temperatur ist dabei so gewählt, daß zwar
diese Konstitutionsänderung infolge eintretender Diffusion erfolgt, jedoch ein Rückgang
der Festigkeit durch Rekristallisation noch nicht eintritt. Ein Rückgang der Legierungsverfestigung
tritt dabei erfahrungsgemäß durch die Ausscheidung nicht ein, da nach den bei vergütbaren
Legierungen gemachten Erfahrungen nicht die im Mischkristall gelösten Zusätze die
höchste Festigkeit verursachen, sondern die bei niedrigen Temperaturen fein ausgeschiedenen
Partikelchen. Durch diese Wärmebehandlung tritt also nur eine Erhöhung der Leitfähigkeit
ein. Dabei ist neben dem Vorteil, daß überhaupt die Erreichung dieser Leitfähigkeit
möglich ist, noch der von besonderer Bedeutung, daß ein über das nötige Maß erfolgter
Legierungszusatz nicht sehr -schädlich ist, da nur der im Mischkristall verbleibende
Rest an Zusätzen die Leitfähigkeit maßgebend becinfiußt.
-
Als Legierungszusätze dieser geschilderten Art haben sich auf Grund
der Untersuchungen Chrom und Beryllium sowie Kobalt und Beryllium erwiesen.
-
Die besten Ergebnisse wurden bei der Verwendung von Legierungen erzielt,
bei denen die Metallpaare jeweils im Verhältnis der angenommenen Verbindungsformeln
MeBe oder Me2Be zugesetzt wurden. Das Beryllium besitzt zwar auch die Eigenschaft,
daß es bei höherer Temperatur eine größere Löslichkeit im Kupfer besitzt als bei
niederer Temperatur. Hierauf beruht die Vergütbarkeit der Beryllium-Kupfer-Legierungen.
Der Konzentrationsbereich dieser Löslichkeitsänderung liegt aber so, daß auch bei
niederer -Temperatur noch etwa o,5 bis o,80/, in fester Lösung zurückbehalten werden.
Dieser Gehalt genügt schon, um die Leitfähigkeit auf etwa ao m2 herabzusetzen. -Durch
die gleichzeitige Chrom- und Kobaltzugabe, zweckmäßig in den oben gewählten Verhältnissen
zum, Beryllium, wird diese Grenze bei Chrom auf etwa
0,05 %, bei Kobalt auf
etwa o, z
0/0. herabgesetzt.
Man erhält auf diese Weise bei
entsprechend richtig gewählter Behandlungsweise folgende Eigenschaftswerte der Legierungen.
Als Bezugsmaß für die Festigkeit ist dabei die Brinellhärte angegeben. Für Kupfer
beträgt die Härte,, im -ausgeglühten Zustande etwa 45 kg/mm2, bei 8o oro Walzgrad
etwa 85 kg/mrn2.
| Härte H und Leitfähigkeit A, bei den einzelnen Behandlungszuständen |
| Gehalt an Zusätzen in " i a 3 |
| /o schnell von hoher |
| schnell von hoher wie i und ih Temperatur wie 3 und ill |
| Temperatur 5oo° C angelassen abgekühlt und 5oo° C angelassen |
| abgekühlt (o % ausgewalzt |
| Be Cr CrBe R H A H A H A H |
| 0,075 . 2,425 0,5 32,2 54 47,1 84 31,5 92 47,5 io8 |
| o,15 o,85 1,0 27,8 6o 43,o 88 27,o 1o3 43,5 12o |
| wie i und ill |
| Be Co CoBe 55o°C angelassen |
| 0.i3 0,87 1,0 17,8 53 36,1 112 17,3 98 36,5 145 |
| 0,4 2,6 _ 3,o 16,5 81 36,o i72 15,1 13o 36,2 188 |
Aus der Tabelle sind die Vorzüge der Erfindung ersichtlich. Gegenüber dem reinen
Kupfer ergibt sich als Vorteil die bedeutend höhere Festigkeit, gegenüber bisher
bekannten Legierungen gleicher Festigkeit die erhöhte Leitfähigkeit. Da Festigkeitssteigerung
durch Legierungsbildung und Widerstandserhöhung durch Legierungsbildung weitgehend
parallel gehen, kann der zwischen den in den Spalten i und 2 bzw. 3 und 4 sich ergebende
Leitfähigkeitsanstieg als Maß dieser Verbesserung angegeben werden.
-
Aus der Tabelle ergibt» .sich ferner eine bedeutende Verbesserung
der Temperaturbeständigkeit der Verfestigungshärte. Während die Temperaturschwelle
für den Rückgang der Verfestigung bei Kupfer bei ioo° bis 2oo° C, bei bekannten
Kupferlegierungen, z. B. Silizium-Kupfer-Legierungen, Aluminiumbronzen und Messingen
bei 25o° bis 40ö° C liegt, beträgt sie für diese Legierungen über doo° C. Bei 5oo°
C wird, wie die Tabelle zeigt, sogar noch eine Erhöhung der Festigkeit erreicht.
-
Die hier angegebenen Behandlungen: ausgeglüht, schnell abgekühlt und
angelassen, sowie abgekühlt, bearbeitet, angelassen, stellen natürlich nur bestimmte
Grenzbehandlungen dar. Je nach dem Verwendungszweck können abgeänderte Behandlungen
dieser Art gewählt werden, z. B. kann die Abkühlung langsamer erfolgen, wenn weniger
Wert auf Legierungshärtung gelegt wird. Bei höchster Festigkeit kann außerdem auf
die Anlaßbehandlung noch eine Verformung erfolgen.