DE659207C - Verfahren zur Erhoehung der elektrischen Leitfaehigkeit von Zinnbronzen - Google Patents

Description

Die Zinn-Kupfer-Legierungen mit oder ohne Zusatz weiterer Legierungsbestandteile werden bekanntlich vielfach in der Technik wegen ihrer hohen Festigkeit bei guter Korrosionsbeständigkeit als hochwertige Werkstoffe verwendet. In manchen Verwendungsbereichen, insbesondere der Elektrotechnik, muß dabei allerdings als unangenehme Folge des Zinazusatzes zum Kupfer in Kauf genommen werden, daß die Leitfähigkeit der Legierung stark herabgesetzt ist. Abb. 1 gibt den spezifischen elektrischen Widerstand in

der binaren Legierungen m Abhan-

gigkeit vom Zinngehalt wieder, wie er auf Grund der bisherigen Bestimmungen in der Literatur und Praxis bekannt ist.

Umfangreiche Versuche, die sich mit der Beeinflussung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften durch Kaltverformung und- der Erholung der Werkstoffe von' den eingetretenen Änderungen durch nachfolgendes Glühen befassen, haben nun ein Verfahren ergeben, durch das eine beträchtliche Erhöhung der Leitfähigkeit z. T. bis auf den doppelten Wert und mehr erzielt werden kann. Das Verfahren besteht darin, daß die Legierungen nach beliebiger Wärmebehandlung zunächst durch Schmieden, Walzen oder Ziehen kalt verformt und sodaifn bei Temperaturen zwischen etwa 150⁰C und 350⁰C geglüht werden.

Die Wirkung der Kaltreckung auf Metalle und Legierungen besteht bekanntlich in einer Erhöhung der Festigkeit und Erniedrigung der elektrischen Leitfähigkeit. Bei mischkristallbildenden Legierungen, z. B. auch Zinnbronzen, sind beide Effekte besonders stark. Durch Glühen nach der Kaltreckung sinken je nach der Glühtemperatur Festigkeit und elektrischer Widerstand wieder ab bis auf den Wert des weichgeglühten Werkstoffes.

Grundlegend anders ist nun überraschenderweise das Verhalten der Zinnbronzen des a-Mischkristallgebietes, d. h. bis etwa 15% Sn. Die Auswirkung des Kaltreckens und Glühens auf einige Legierungen ist in Abb. 2 und 3 beschrieben.

Abb. 2 zeigt im linken Teilbild die Ein- 5" wirkung der Verformung auf den elektrischen Widerstand; das rechte Teilbild zeigt die Erholung der einzelnen Legierungen von der bewirkten Widerstandserhöhung durch nachfolgendes Glühen. Wie man sieht, wird durch die Erholung nicht nur die vorher bewirkte Widerstandserhöhung aufgehoben, sondern der Widerstand sinkt durch das einstündige Glühen bei 300 bis 350⁰ C unter den Wert der nicht vorgereckten Proben. Dieser Abfallkann nun noch bedeutend verstärkt und insbesondere auch auf die niedriger prozentigen Legierungen dadurch ausgedehnt werden, daß die Glühdauer erhöht wird. Dies geht aus

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben morden:

Dr. Otto DaM in Berlin-Wilmersdorf und Dr. Carl Haase in B erlin-Mahls dor f.

Abb-. 3 hervor. Hier ist für 250⁰ C und 300⁰ C die Veränderung des elektrischen Widerstandes für die Legierungen mit 10,5 und 13,5% Sn in Abhängigkeit von der GKihdauer aufgetragen, Ebenso wie in Abb. 2 waren auch hier die Legierungen vor dem Glühen um 90% Dickenverminderung kalt-

verformt worden. Wie man sieht, tritt ein - sehr starker Rückgang des elektrischen Widerstandes ein. Dieser erfolgt bei 250⁰ C, wie die miteingezeichneten Kurven der Brinellhärte zeigen, bekanntlich ohne jeden Rückgang der Festigkeit. Dieses Verhalten ist von besonderer Bedeutung, weil in dieser Weise hohe Leitfähigkeit bei hoher Festigkeit erzielt werden kann, also die. Eigenschaf ten herbeigeführt werden, wie siö für stromführende Federn oder auch stromführende Elektroden oder Kontakte der Elektrotechnik gefordert werden. Bei 300° C tritt ein geringer Abfall der Härte ein; immerhin bleibt aber auch hier noch der größte Teil der Kaltverfestigung •erhalten.

Umgekehrt zeigt Abb. 4, daß der kaltverfestigte Zustand eine unbedingte Voraussetzung für diese Herabsetzung des elektrischen Widerstandes ist. Es ist hier für die bereits in Abb. 3 gezeigten Legierungen der Einfluß des Glühens bei 300° C für steigende Verformungsgrade wiedergegeben. Bei den nichtverfesfigten Legierungen wird in der angewendeten Glühzeit überhaupt keine Veränderung bewirkt; der Abfall wird erst merklich bei einem Reckgrad von mehr als 10% Dickenverminderung und nimmt dann mit steigender Kaltverfestigung immer mehr zu. Eine weitere Beschleunigung des Abfalls kann man nach den durchgeführten Untersuchungen dadurch erreichen, daß man intermediär, also nach einer gewissen Zeit des Glühens nochmals eine Kaltverfestigung durchführt. Dies gilt insbesondere bei den hohen Glühtemperaturen oberhalb etwa 300 ° C, bei denen durch das Glühen bereits eine Entfestigung eintritt. Schließlich läßt sich die Herabsetzung des elektrischen Widerstandes noch beschleunigen und vergrößern durch geringe Zusätze weiterer 'Metalle bzw. Metalloide. Phosphor, Magnesium, Silicium, Nickel, Eisen, Aluminium und Zink in Mengen von 0,1 bis 2°/o allein oder zusammen erweisen sich als besonders wirksam.

Nun sind zwar Zusätze der genannten Metalle in Leitungsbronzen an sich bekannt. Für normale Leitungsbronzen werden Art und Menge der Zusätze so gewählt, daß einemöglichst geringe Herabsetzung der Leitfähigkeit des Kupfers eintritt. Um diesen Zweck

'. zu erreichen, wählt man häufig statt eines Zusatzes geringe Mengen mehrerer Zusätze. Im "Falle der Erfindung handelt es sich nicht darum, die durch Zinnzusatz bedingte Leitfähigkeitserniedrigung durch weitere Zusätze zu verringern, sondern darum, die beschleu-5'lügende und verstärkende Wirkung der Zu-¹ sätze auf die Leitfähigkeitserhöhung durch Glühen der kaltgereckten Zinnbronzen, das bisher nicht bekannt war, zu bewirken. Die erzielte Leitfähigkeit ist um so größer, je höher der Zinngehalt ist. Bei den nur Zinn und Kupfer enthaltenden binären Bronzen erstreckt sich die Verbesserungsmöglichkeit auf Grund der bisherigen Feststellungen bis hinunter zu etwa 3 % Sn. Bei Zufügung von Zusätzen, wie sie vorstehend genannt sind, verschiebt sich diese Grenze bis unter 1 %. Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht also darin, daß dieBronzen mit bis zu etwa i5°/o Sn nach voraüfgegangener Kaltreckung geglüht werden bei Temperaturen zwischen 150° C und 350°' C. Bei diesen Temperaturen tritt nicht der nach den Erfahrungen bei anderen mischkristallbildenden Legierungen zu erwartende Effekt durch Erholung, d. h. teilweise Erweichung und geringe Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit ein, sondern die Festigkeit bleibt weitgehend erhalten, während. die elektrische Leitfähigkeit in starkem Maße bis weit über den Wert des bei höheren Temperaturen weichgeglühten Werkstoffes steigt. Was die metallurgische Grundlage des beschriebenen Verfahrens anbetrifft, so ist auf Grund der Erkenntnisse bei anderen Legierungssystemen zu vermuten, daß es sich um Ausscheidungserscheinungen, also um ein Abnehmen des Lösungsvermögens des Kupfers für Zinn bei niedriger Temperatur handelt. Diese Ausscheidung kommt wegen der niedrigen Temperatur und des dadurch bedingten geringen Diffusions-Vermögens bei den nichtverfestigten Legierungen offensichtlich nicht zustande und ist daher in seiner Auswirkung auf die Eigenschaften bisher nie beobachtet worden. Erst die Kaltverformung setzt das Ausscheidungs- 105" vermögen soweit herauf, daß in technisch erträglichen Anlaßzeiten die Ausscheidung bewirkt wird. Wie die gezeigten Kurven beweisen, sind allerdings auch in diesem Falle noch größere Zeiten erforderlich als sie für das normale Anlassen auf Spannungssicherheit bzw. für die Rekristallisation zur Verwendung kommen.

Die technische Bedeutung wurde bereits oben kurz gestreift. Jede Erhöhung der elekfrischen Leitfähigkeit ist gerade bei Sn-Bronzen, die in gfoßem Maße als Federn in der Elektrotechnik zur Verwendung kommen, erwünscht. Das gleiche gilt, wie bereits oben gesagt, überall dort, wo die Bronzen gleichzeitig als Konstruktionswerkstoff und als stromführender Teil dienen, z. B. Elektroden

für Schweißmaschinen, Lötkolben, Stromabnehmerrollen usw. Für diesen Zweck empfiehlt sich besonders die Verfestigung mit Glühen unterhalb des _Rekristailisationsintervalles, d. h. Glühen ohne Rückgang der Kaltverfestigung. . In diesen Fällen empfiehlt sich außerdem meist die Zufügung eines oder mehrerer der obengenannten dritten und vierten Bestandteile, weil dadurch die Leitfähigkeit, insbesondere bei den Legierungen mit niedrigem Zinngehalt bis. herab zu etwa ι °/o» noch weiter erhöht wird.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Zinnbronzen des a-Mischkristallgebietes, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen nach beliebiger Wärmevorbehandlung durch ■ Schmieden, Walzen oder Ziehen kaltverfestigt und dann .bei Temperaturen zwischen 150 und 400⁰ C geglüht werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung mehr als io°/o Dickenverminderung beträgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühdauer mehr als die zur Entspannung bzw. Rekristallisation übliche Zeit von etwa ι Stunde beträgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet» daß zur Erzielung hoher Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit die Glühtemperatur weniger als 300⁰ C beträgt. "
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschleunigung und Vergrößerung der Leitfähigkeitsverbesserung der binären Zinn-Kupfer-Legierung durch Glühen Zusätze von Silicium, Aluminium, Eisen, Phosphor, Nickel, Zink und Magnesium einzeln oder zu mehreren gleichzeitig in

   ' der Höhe bis zu 2°/o zulegiert werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen