DE69814657T2

DE69814657T2 - COPPER BASED ALLOY, CHARACTERIZED BY DECAY CURING AND CURING IN SOLID CONDITION

Info

Publication number: DE69814657T2
Application number: DE69814657T
Authority: DE
Inventors: H. David MANDLE; D. Daniel FARQUHARSON
Original assignee: Miller Co
Current assignee: Miller Co
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: WO1999013117A1; AR017044A1; KR20010023699A; TW364019B; ATE240413T1; AU9108398A; DE69814657D1; BR9811448A; CN1097095C; JP2001515960A; CN1275171A; EP1021575B1; CA2303164A1; EP1021575A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Kupferlegierung und insbesondere eine Kupferlegierung, die besonders gut für elektrische und elektronische Zwischenverbindungskomponenten und für Schaltzwecke mit Einschluss eines Hochtemperaturschaltens geeignet ist. Diese Legierung zeigt eine spezielle Eignung für Anwendungszwecke vom „Federtyp".This invention relates to a copper alloy and in particular a copper alloy, which is particularly good for electrical and electronic interconnect components and for switching purposes is suitable with the inclusion of a high temperature switching. This Alloy shows a special suitability for "spring type" applications.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION

Auf verschiedenen Gebieten sind bereits mehrere Familien von Kupferlegierungen bekannt. So beschreibt zum Beispiel Mikawa et al., US-PS 5 041 176 , eine Kupferlegierung, einschließend 0,1–10% Nickel (Ni), 0,1–10% Zinn (Sn), 0,05–5% Silicium (Si), 0,1–5% Eisen (Fe) und 0,0001–1% Bor (B), auf das Gewicht bezogen. Gemäß dieser Druckschrift ist die Bildung einer intermetallischen Ni-Si-Verbindung, die in der Legierung homogen dispergiert ist, erforderlich. Fe ist für die Alterungshärtung erforderlich. Jedoch müssen bei größeren Fe-Konzentrationen als 5% Kompromisse hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit in Kauf genommen werden, und die Korrosion wird zu einem schwerwiegenden Problem. B wird in die Legierung eingearbeitet, um die Korrosionsbeständigkeit, die Härte und die Festigkeit zu verbessern. Eine hohe Härte wird durch Ausscheidungshärtung bei einer Tempertemperatur von 400°C bis 450°C erreicht. Si wirkt auch als Desoxidationsmittel.Several families of copper alloys are already known in various fields. For example, Mikawa et al. U.S. Patent No. 5,041,176 , a copper alloy including 0.1-10% nickel (Ni), 0.1-10% tin (Sn), 0.05-5% silicon (Si), 0.1-5% iron (Fe), and 0 , 0001-1% boron (B), by weight. According to this document, formation of a Ni-Si intermetallic compound homogeneously dispersed in the alloy is required. Fe is required for aging hardening. However, with Fe concentrations greater than 5%, electrical conductivity compromises must be accepted, and corrosion becomes a serious problem. B is incorporated into the alloy to improve corrosion resistance, hardness and strength. High hardness is achieved by precipitation hardening at a tempering temperature of 400 ° C to 450 ° C. Si also acts as a deoxidizer.

Obgleich die Legierung von Mikawa zur Verwendung in elektronischen Teilen geeignet ist, wo eine gute elektrische Leitfähigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine feste Festigkeit, eine gute Härte, eine gute Plattierungsfähigkeit, eine gute Lötfähigkeit, eine gute Elastizität und eine gute Korrosionsbeständigkeit mit Einschluss einer guten Beständigkeit gegenüber Säuren erforderlich ist, geeignet ist, hat diese Legierung doch eine unterschiedliche Zusammensetzung als diejenige, die gemäß der vorliegenden Erfindung erhältlich ist, und sie zeigt auch unterschiedliche Eigenschaften.Although the alloy of Mikawa suitable for use in electronic parts where a good electric conductivity, a good thermal conductivity, a firm strength, a good hardness, a good plating ability, a good solderability, a good elasticity and a good corrosion resistance including good durability across from acids is required, this alloy has a different one Composition than the one according to the present invention available is, and it also shows different characteristics.

Eine weitere vergleichbare Legierung wird von Kubosono et al., US-PS 5 516 484 , beschrieben. Kubosono et al. beschreiben Legierungen auf Kupfer-Nickel-Basis, die unter Verwendung eines horizontalen, kontinuierlichen Gießens mit einer Form aus Graphit bearbeitet werden. Das Ni-Cu-Legierungssystem unterscheidet sich in erheblicher Weise von der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Legierung ist Kupfer (Cu) eine unerwünschte Verunreinigung, deren Gehalt unterhalb 0,02% gehalten werden muss. Kubosono et al. lehren, dass die Effekte, die durch die Zugabe von Si erhältlich sind, dann nicht festgestellt werden können, wenn kein B vorhanden ist.Another comparable alloy is described by Kubosono et al., U.S. Patent 5,516,484 , described. Kubosono et al. describe copper-nickel based alloys that are machined using horizontal continuous casting with a graphite mold. The Ni-Cu alloy system differs significantly from the alloy according to the present invention. In this alloy, copper (Cu) is an undesirable impurity whose content must be kept below 0.02%. Kubosono et al. teach that the effects obtainable by the addition of Si can not be determined if no B is present.

Die US-PS 5 334 346 von Kim et al. beschreibt eine Hochleistungskupferlegierung für elektrische und elektronische Teile. Die Legierung von Kim besteht im Wesentlichen aus Kupfer und 0,5 bis 2,4 Gew.-% Ni, 0,1–0,5% Si, 0,02 bis 0,16% P und 0,02 bis 0,2% Magnesium (Mg). Kim et al. diskutieren die Ausscheidungshärtung, wobei Ni₂Si und Ni₃P in der Kupfermatrix zur Ausfällung kommen. Es heißt dort, dass irgendwelche Überschüsse von freiem Si und P die Bildung von brüchigen zwischenmetallischen Verbindungen bewirken, die zu einem Abblättern und zu einer Rissbildung führen. Mg wird als Abfangelement vorgeschlagen, um freies Si und P zu entfernen. Jedoch ist es so, dass, wenn der Gehalt von Mg zunimmt, Kompromisse hinsichtlich der Leitfähigkeit und der Verwendungsfähigkeit der Legierung in Kauf genommen werden müssen. Zink (Zn) und Fe werden gleichfalls als mögliche Abfangmittel beschrieben. Diese Legierung enthält kein Sn.U.S. Patent 5,334,346 to Kim et al. describes a high performance copper alloy for electrical and electronic parts. The alloy of Kim consists essentially of copper and 0.5 to 2.4 wt% Ni, 0.1 to 0.5% Si, 0.02 to 0.16% P, and 0.02 to 0.2 % Magnesium (Mg). Kim et al. discuss precipitation hardening, with Ni ₂ Si and Ni ₃ P precipitating in the copper matrix. It states there that any excesses of free Si and P cause the formation of brittle intermetallic compounds which lead to delamination and cracking. Mg is proposed as a scavenger element to remove free Si and P. However, as the content of Mg increases, compromises in the conductivity and usefulness of the alloy must be accepted. Zinc (Zn) and Fe are also described as possible scavengers. This alloy does not contain Sn.

Hashizume et al., US-PS 5 064 611 , beschreiben ein Verfahren zur Herstellung einer Kupferlegierung, enthaltend 1–8% Ni, 0,1–0,8% P, 0,6–1,0% Si, gegebenenfalls 0,03 bis 0,5% Zn und Cu. Ni₅P₂ und Ni2Si werden als zwischenmetallische Verbindungen für die Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Legierung unter minimaler Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit beschrieben. Sn ist in dieser Legierung nicht vorhanden.Hashizume et al. U.S. Patent No. 5,064,611 , describe a method for producing a copper alloy containing 1-8% Ni, 0.1-0.8% P, 0.6-1.0% Si, optionally 0.03 to 0.5% Zn and Cu. Ni ₅ P ₂ and Ni ₂ Si are described as intermetallic compounds for increasing the mechanical strength of the alloy with minimal reduction in electrical conductivity. Sn is not present in this alloy.

Als ein Beispiel für eine Kupfer-Zinn-Legierung, d. h. Bronze, beschreibt Asai et al., US-PS 5 021 105, eine Legierung, umfassend 2,0–7,0% Sn, 1,0–6,0% Ni, Cobalt (Co) oder Chrom (Cr), 0,1–2,0% Si und Cu. Diese Legierung kann so bearbeitet werden, dass sie eine Dehnung von 3–20%, eine Festigkeit von 70–100 kg/mm² und eine elektrische Leitfähigkeit von 10–30% IACS zeigt. Es heißt, dass Ni für die Verfestigung wichtig ist. Es heißt, dass Cr die Heißwalzeigenschaften und die Hitzebeständigkeit verbessert, und es heißt, dass Co zu einer wirksamen Hitzebeständigkeit beiträgt. Gemäß Asai et al. ist der Sn-Gehalt auf 7% durch das Heißwalzverfahren begrenzt, das zur Bearbeitung der Legierung angewendet wird. Asai et al. beschreiben keinen Phosphor (P) als Bestandteil. Demgemäß leidet diese Legierung an ähnlichen Einschränkungen wie diejenige von Mikawa et al., wie oben beschrieben wurde.As an example of a copper-tin alloy, ie bronze, Asai et al., U.S. Patent No. 5,021,105 discloses an alloy comprising 2.0-7.0% Sn, 1.0-6.0% Ni , Cobalt (Co) or chromium (Cr), 0.1-2.0% Si and Cu. This alloy can be processed to exhibit an elongation of 3-20%, a strength of 70-100 kg / mm ² and an electrical conductivity of 10-30% IACS. It is said that Ni is important for solidification. It is said that Cr improves hot rolling properties and heat resistance, and it is said that Co contributes to effective heat resistance. According to Asai et al. For example, the Sn content is limited to 7% by the hot rolling method used to process the alloy. Asai et al. do not describe phosphorus (P) as a constituent. Accordingly, this alloy suffers from similar limitations as that of Mikawa et al., As described above.

Gleichermaßen beschreibt Arita et al., US-PS 4 337 089, eine Cu-Ni-Sn-Legierung, enthaltend 0,5–3,0% Ni, 0,3–0,9% Sn, 0,01–0,05% P, 0,0–0,35% Mangan (Mn) oder Si und Cu. Diese Legierung hat merkmalsmäßig eine Zugfestigkeit von 60 kg/mm² und eine Dehnung von mehr als 6% (d. h. sie liefert die erforderlichen mechanischen Eigenschaften für eine Biegungsbe arbeitung), indem bei ihrer Bearbeitung eine Hitzebehandlung mit einem Kaltwalzen kombiniert wird. Gemäß Arita et al. werden Si oder Mn eingearbeitet, um die Festigkeit zu erhöhen. Der niedrige Gehalt an Sn, der von Arita et al. beschrieben wird, liefert jedoch nicht die kombinierten Formbarkeits-Festigkeits-Eigenschaften der vorliegenden Erfindung.Similarly, Arita et al., U.S. Patent 4,337,089, describes a Cu-Ni-Sn alloy containing 0.5-3.0% Ni, 0.3-0.9% Sn, 0.01-0, 05% P, 0.0-0.35% manganese (Mn) or Si and Cu. This alloy has a tensile strength of 60 kg / mm ² and an elongation of more than 6% (ie, it provides the required mechanical properties for a bending work) by combining a heat treatment with a cold rolling in its processing. According to Arita et al. Si or Mn are incorporated to increase the strength. The low content of Sn reported by Arita et al. but does not provide the combined malleability strength properties of the present invention.

Takeda et al., US-PS 5 132 083 , lehrt ein Laserpaddingmaterial, nämlich ein Pulver, enthaltend 1–5% Ni, 0,2–5% Si, weniger als 1% B, weniger als 2% P, weniger als 3% Mn und Cu. Sn und Blei (Pb) sind fakultative Bestandteile mit jeweils 8–15%. Dieses Pulver kann laserbearbeitet werden, um ein Kupfer-Laser-Paddingmaterial zu erhalten, das eine ausgezeichnete Gleit-Abrieb-Beständigkeit hat. Die beim Laserpadding beteiligte Chemie ist nicht die gleiche wie im Fall der Legierung der vorliegenden Erfindung. So wird beispielsweise kein Walzen, weder ein Kalt- noch ein Heißwalzen, dazu verwendet, um das Paddingmaterial zu bearbeiten.Takeda et al. U.S. Patent 5,132,083 teaches a laser padding material, namely a powder containing 1-5% Ni, 0.2-5% Si, less than 1% B, less than 2% P, less than 3% Mn and Cu. Sn and lead (Pb) are optional ingredients with 8-15% each. This powder can be laser machined to obtain a copper laser padding material which has excellent sliding abrasion resistance. The chemistry involved in laser padding is not the same as in the case of the alloy of the present invention. For example, no rolling, either cold or hot rolling, is used to machine the padding material.

Ein Bezeichnungssystem, um Mittel zur Definition und Identifizierung von Kupfer und Kupferlegierungen zur Verfügung zu stellen, ist als UNS (Unified Numbering System) bekannt. Dieses System ist in Nordamerika im üblichen Gebrauch und es verwendet eine fünfstellige (neuerdings von einer dreistelligen erweitert) Nummerierung, folgend einem C-Präfix. Das Nummerierungssystem ist keine Spezifikation, sondern eher ein nützlicher Zahlenkode zur Identifizierung von Walzwerk- und Schmiedeprodukten. Die C-Bezeichnungen, die untenstehend auftreten, sind auf die UNS-Zahlen bezogen. Der allgemeine Stand der Technik, der Legierungen einschließt, schließt daher viele patentfähige Legierungen ein, die in einiger Hinsicht bezüglich der Zusammensetzung ähnlich sind, die aber je nach dem speziellen Gehalt und der Bearbeitung der Legierung unterschiedliche gewünschte Eigenschaften zeigen.A naming system to means for the definition and identification of copper and copper alloys to disposal It is known as the UNS (Unified Numbering System). This System is standard in North America Use and it uses a five-digit (recently extended by a three-digit numbering), following a C prefix. The numbering system is not a specification, but rather a useful one Number code for identification of rolling mill and forged products. The C designations appearing below are on the US numbers based. The general state of the art including alloys, therefore, concludes many patentable Alloys that are somewhat similar in composition, but depending on the special content and processing of the alloy different desired Show properties.

Die UNS-Legierung C85800 ist eine verbleite, gelbe Bronze enthaltend 1,5% Sn, 1,5% Pb, 31–41% Zn, 0,5% Fe, 0,05%Sb, 0,5% Ni (einschließlich Co), 0,25 Mn, 0,05 As, 0,05% S, 0,01% P, 0,55% Al, 0,25% Si und minimal 57,0% Cu.The UNS alloy C85800 is one leaded, yellow bronze containing 1.5% Sn, 1.5% Pb, 31-41% Zn, 0.5% Fe, 0.05% Sb, 0.5% Ni (including Co), 0.25 Mn, 0.05 As, 0.05% S, 0.01% P, 0.55% Al, 0.25% Si and a minimum of 57.0% Cu.

Das Dokument JP-A-02-197 543 beschreibt eine Kupferlegierung für eine Verbindungsvorrichtung, umfassend: Ni: 1,5–6,0 Gew.-%; Si: 0,1–3,0 Gew.-%; P: 0,12–1,0 Gew.-%; Sn: 1,2–4,2 Gew.-%; O₂: 20 ppm oder weniger; S: 10 ppm oder weniger, Rest Cu und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.Document JP-A-02-197 543 describes a copper alloy for a connecting device comprising: Ni: 1.5-6.0 wt%; Si: 0.1-3.0 wt%; P: 0.12-1.0 wt%; Sn: 1.2-4.2 wt.%; O ₂ : 20 ppm or less; S: 10 ppm or less, remainder Cu and impurities caused by melting.

In der Elektroindustrie sind Phosphorbronzen, die eine Festigkeit und Formbarkeit benötigen, bekannt, die bis zu 100°C verwendet werden können. Jedoch besteht ein Bedarf an Legierungen, die gegenüber höheren Temperaturen, zum Beispiel von 120°, 140°C und Temperaturen von bis 150°C oder darüber, beständig sind. Anwendungen höherer Temperaturen gestatten eine schnellere Geschwindigkeit bei der elektronischen Bearbeitung und gestatten es, dass die Legierung in Umgebungen von höherer Temperatur verwendet werden können.In the electrical industry are phosphorus bronzes, which require strength and moldability, known up to 100 ° C used can be. However, there is a need for alloys that are resistant to higher temperatures, for example, of 120 °, 140 ° C and Temperatures of up to 150 ° C or above, are stable. Applications higher Temperatures allow a faster speed in electronic processing and allow the alloy to be in higher temperature environments can be used.

Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine Phosphor-Bronze-Legierung mit charakteristischen Eigenschaften zur Verfügung, die gegenüber dem im Stand der Technik bekannten Legierungen erheblich verbessert sind. Die Erfindung stellt eine Legierung zur Verfügung, die nach der Bearbeitung gewünschte Feder- und Festigkeitseigenschaften sowie eine überlegene Dauerhaftigkeit, insbesondere bei höheren Temperaturen und bei wirtschaftlich annehmbaren Kosten, zeigt.Accordingly, the present invention provides a phosphor bronze alloy with characteristic properties to disposal, the opposite the alloys known in the prior art significantly improved are. The invention provides an alloy which desired after processing Spring and strength properties as well as a superior durability, especially at higher levels Temperatures and at economically acceptable costs, shows.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS

Die 1 zeigt die Kurven der Daten des Erweichungsverhaltens für die Legierung MHP101 des Beispiels und für vergleichbare Legierungen.The 1 shows the curves of the softening behavior data for the alloy MHP101 of the example and for comparable alloys.

Die 2 zeigt die Daten der Kurven der Spannungsrelaxation für die Legierung MHP101 des Beispiels und für vergleichbare Legierungen.The 2 shows the data of stress relaxation curves for the alloy MHP101 of the example and for comparable alloys.

DIE ERFINDUNGTHE INVENTION

Eine durch Teilchendispergierung verstärkte Phosphorbronze gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen Nickelgehalt von 0,4 bis 3,0 Gew.-%, einen Si-Gehalt von 0,1–1,0 Gew.-%, einen P-Gehalt von 0,01–0,06 Gew.-%, einen Sn-Gehalt von 0,0–11,0 Gew.-%, Rest Kupfer mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Das Sn erhöht die Formbarkeit bei einer gegebenen Festigkeit. Der P trägt dazu bei, optimale Feder- und Festigkeitseigenschaften zu verleihen sowie eine Fließfähigkeit beim Gießen von Legierungen auf Kupferbasis zur Verfügung zu stellen. Der P trägt auch zu der Desoxidation der Schmelze bei. Der P ist das primäre Desoxidationsmittel der Schmelze. Das Si wird nicht in unkontrollierten Mengen beim Schmelzprozess verloren, was die Aufrechterhaltung einer stöchiometrischen Beziehung zwischen dem Si und dem Ni in der Legierung gestattet.One by particle dispersion increased Phosphor bronze according to the present Invention has a nickel content of 0.4 to 3.0 wt .-%, a Si content from 0.1-1.0 Wt .-%, a P content of 0.01-0.06 wt .-%, an Sn content of 0.0-11.0 Wt .-%, balance of copper with melting impurities. The Sn increased moldability at a given strength. The P contributes to it to give optimum spring and strength properties as well a fluidity when casting of copper-based alloys. The P wears too to the deoxidation of the melt. The P is the primary deoxidizer the melt. The Si is not used in uncontrolled quantities Melting process, resulting in the maintenance of a stoichiometric Relationship between the Si and the Ni allowed in the alloy.

Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein Sn-Gehalt von unterhalb 8 Gew.-% und ein P-Gehalt von 0,01–0,2 Gew.-% besonders bevorzugt.According to some embodiments is an Sn content of below 8 wt .-% and a P content of 0.01-0.2 wt .-% particularly preferred.

Zur Härtung der festen Lösung trägt das Zinn, der Phosphor und das Kupfer bei, während das Ausscheidungshärten auf das Nickelsilizid und Nickelphosphid zurückzuführen ist, die in der Matrix ausgefällt worden sind.To harden the solid solution carries the tin, the phosphorus and the copper during precipitation hardening attributable to the nickel silicide and nickel phosphide present in the matrix precipitated have been.

Eine feste Lösung einer Kupferbasis tritt auf, wenn das legierende Element aufgelöst wird, um eine homogene flüssige Lösung zu bilden. Wenn die Lösung eingefroren wird und danach gewalzt/vergütet wird, dann geht das legierende Metall in Lösung, wodurch eine feste Lösung gebildet wird. Das legierende Element wird hierdurch ein integraler Teil des Matrixkristalls.A solid solution of a copper base occurs when the alloying element dissolves to give a homogeneous liquid solution form. If the solution is frozen and then rolled / tempered, then goes the alloying Metal in solution, making a solid solution is formed. The alloying element thereby becomes an integral one Part of the matrix crystal.

Ein Ersatz der Elemente in der festen Lösung neigt dazu, die Festigkeit des Metalls zu erhöhen und er verringert die elektrische Leitfähigkeit. Die erhöhte Festigkeit steht mit einer größeren Gleitbeständigkeit in Bezug. Die Atome des gelösten Materials unterscheiden sich hinsichtlich der Größe von den Kupferatomen, was eine Verzerrung der Gitterstruktur bewirkt, die eine Gleitbeständigkeit verleiht. Das heißt, es ist eine größere Energie erforderlich, um das Gitter zu verzerren.A replacement of the elements in the solid solution tends to increase the strength of the metal and it reduces the electrical Conductivity. The raised Strength stands with a greater sliding resistance in relation. The atoms of the dissolved Materials differ in size from the copper atoms, which is a Distortion of the lattice structure causes a sliding resistance gives. This means, it is a greater energy required to distort the grid.

Eine vorläufige Analyse hat gezeigt, dass diese Legierung gegenüber einer Spannungsrelaxation beständig ist, d. h. dass sich die Spannung zeitabhängig in einem Feststoff bei gegebenen konstanten Beschränkungen, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, die bei manchen Anwendungen auftreten, verringert. Die erfindungsgemäße Phosphorbronze hat konsistente mechanische Eigenschaften, eine optimale Streckgrenze und eine ausgezeichnete Formbarkeit. Die Legierung ist besonders für Anwendungszwecke bei hoher Temperatur geeignet, z. B. dort, wo die Betriebstemperaturen 140°C, 150°C oder höher, z. B. bis zu 200°C, bei speziellen Anwendungen erreichen können. Die Legierung ist als hochfeste Legierung mit mäßiger Leitfähigkeit gestaltet. Für solche Anwendungszwecke ist bislang noch keine vergleichbare Legierung zur Verfügung gestanden.A preliminary analysis has shown that this alloy faces a stress relaxation resistant is, d. H. that the voltage is dependent on time in a solid given constant restrictions, especially at elevated Temperatures that occur in some applications, reduced. The phosphor bronze according to the invention has consistent mechanical properties, optimum yield strength and an excellent formability. The alloy is especially for applications suitable at high temperature, for. B. where the operating temperatures 140 ° C, 150 ° C or higher, z. Up to 200 ° C, in special applications. The alloy is called High-strength alloy designed with moderate conductivity. For such Applications is not yet a comparable alloy to disposal confessed.

Die Legierungsfamilie hat die Festigkeit und die Formbarkeit der bekannten Phosphorbronzen, zeigt aber überlegene Beständigkeit gegenüber einer Spannungsrelaxation, insbesondere bei erhöhten Temperaturen.The alloy family has the strength and the moldability of the known phosphor bronzes, but shows superior resistance across from a stress relaxation, especially at elevated temperatures.

Bei einem beispielhaften Verfahren wird das Material für die Legierung entsprechend den gewünschten Konzentrationen zusammengemischt und in einem Kanal- oder kernlosen elektrischen Induktionsofen geschmolzen. Die erhaltene Schmelze wird horizontal kontinuierlich durch ein Graphitpresswerkzeug gegossen. Dieser Prozess wird manchmal auch als kontinuierliches, horizontales Dünnstreifengießen bezeichnet. Ein speziell verstärktes Abkühlen kann angewendet werden, um eine geeignete Abschreckung des verfestigten Materials zu gewährleisten, damit alle löslichen Stoffe in Lösung gehalten werden.In an exemplary method will the material for the alloy is mixed together according to the desired concentrations and melted in a duct or coreless induction electric furnace. The melt obtained is continuously through a horizontal Cast graphite press tool. This process is sometimes too referred to as continuous, horizontal thin strip casting. A specially reinforced cooling down can be applied to a suitable quenching of the solidified material to ensure, so that all soluble Substances in solution being held.

Die bevorzugte Gießpraxis verwendet ein speziell gesteigertes Abkühlen innerhalb der Zusammenstellung des Graphitpresswerkzeugs, um ein genügend rasches Abschrecken des gerade verfestigten Materials von seiner Solidustemperatur zu einer Temperatur von unterhalb 450°C zu gewährleisten. Dies gewährleistet, dass die löslichen Stoffe bis zu einem hohen Grad (schätzungsweise annähernd 90%) in der Lösung verbleiben und dass sie keine Zeit haben, während der Abkühlungsphase signifikant zur Ausfällung zu kommen.The preferred casting practice uses a specially enhanced cooling within the assortment of the graphite press tool to quench the rapid quenching of the just solidified material from its solidus temperature to one Temperature of below 450 ° C to ensure. This ensures that the soluble Substances to a high degree (estimated at approximately 90%) in the solution remain and that they have no time during the cooling phase significant to precipitation get.

Dieses gesteigerte Abkühlen beinhaltet die Verwendung von Kupferplatten mit hoher thermischer Leitfähigkeit (Minimum 0,77 cal/cm/s), an die ein Graphitpresswerkzeug mit hoher thermischer Leitfähigkeit (Minimum 0,29 cal/cm/s) durch Anbolzen daran befestigt worden ist, wie es der derzeitige Stand der Technik ist. Ein Gas mit hoher Leitfähigkeit wie Helium oder Wasserstoff oder Gemische davon oder Trägergase mit signifikanten Konzentrationen von Helium und/oder Wasserstoff werden zwischen die Kupferplatten und die Graphitplatten der Zusammenstellung eingeführt. Das Gas mit hoher Leitfähigkeit ersetzt atmosphärisches O₂/N₂ an der Kupfer/Graphit-Grenzfläche, wodurch die Kühlwirkung verbessert wird.This enhanced cooling involves the use of high thermal conductivity copper plates (minimum 0.77 cal / cm / s) to which a high thermal conductivity graphite press tool (minimum 0.29 cal / cm / s) has been attached by bolting thereto, as is the current state of the art. A high conductivity gas such as helium or hydrogen or mixtures thereof or carrier gases having significant concentrations of helium and / or hydrogen are introduced between the copper plates and the graphite plates of the assembly. The high conductivity gas replaces atmospheric O ₂ / N ₂ at the copper / graphite interface, thereby improving the cooling effect.

Das gegossene Material wird einem Flächenfräsungsverfahren unterworfen und dann zu dünneren Abmessungen gewalzt. Hitzebehandlungen werden im Verlauf des Walzens angewendet, um 1) eine maximale Auflösung der legierenden Elemente und 2) eine Ausfällung der gelösten legierenden Elemente zu gewährleisten. Der Niederschlag verleiht eine Festigkeit und eine Beständigkeit gegenüber einer Spannungsrelaxation.The cast material becomes one Flächenfräsungsverfahren subjected and then to thinner dimensions rolled. Heat treatments are applied in the course of rolling, around 1) a maximum resolution the alloying elements and 2) a precipitation of the dissolved alloying To ensure elements. The precipitate gives strength and durability across from a stress relaxation.

Es ist weniger Kaltwalzen erforderlich, um die gleiche Zugfestigkeit zu erhalten, wenn die Konzentration von Sn (Gehalt der festen Lösung) der Legierung zunimmt. Ein geringeres Kaltwalzen gestattet mehrere danach folgende Formoperationen.Less cold rolling is required to get the same tensile strength when the concentration of Sn (solid solution content) the alloy increases. A smaller amount of cold rolling allows several afterwards following form operations.

Nach der Hitzebehandlung wird das Material für einige Anwendungszwecke weiter gewalzt, um eine erhöhte Festigkeit zu erhalten und es kann einer thermischen Spannungsminderungsbehandlung und/oder einer mechanischen Behandlung am Ende unterworfen werden oder nicht.After the heat treatment that will Material for Some applications continue to roll to increased strength and it can be a thermal stress reduction treatment and / or subjected to a mechanical treatment at the end or not.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine verbesserte Auflösung des gelösten Stoffes dadurch erhalten, dass in der Gießstufe oder in Zwischenstufen eine Hitzebehandlung bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird.According to another embodiment The invention provides improved dissolution of the solute obtained by the fact that in the casting stage or in intermediate stages a heat treatment at elevated temperatures carried out becomes.

Die Verfahrensstufen können gemäß den folgenden Protokollen ablaufen:
Eine Ausführungsform (für solche Walzwerke, die so ausgerüstet sind)
Gießen
Fräsen
Homogenisieren (= rasches Aufheizen/Homogenisieren/Abschrecken). Die Homogenisierung gewährleistet eine maximale Auflösung der legierenden Elemente. Das Abschrecken gewährleistet, dass die maximale Auflösung beibehalten wird. Die erreichte Temperatur ist 800–950°C.
Walzen
Ausscheidungsglühen bei 375–550°C.
Walzen zum Finish
Ablösungs- bzw. Reliefglühen für verschiedene Zustände der Zugfestigkeit und der Streckgrenze.
Weitere Ausführungsform (für solche Walzwerke, die so ausgerüstet sind)
Gießen
Fräsen
Walzen zur Zwischendicke
Homogensierungsglühen
Walzen
Ausscheidungsglühen
Walzen zum Finish
Ablösungs- bzw. Reliefglühen
Weitere Ausführungsform (für eine maximale Festigkeit auf Kosten einer gewissen Leitfähigkeit)
Gießen
Fräsen
Homogenisieren
Walzen
Rasches Glühen mit Abschrecken (kann bei Prozessen, um geringe Dicken zu erreichen, mehrfache „Glühen mit Abschrecken"-Stufen erfordern)
Walzen
Fräshärtungsglühen
Weitere Ausführungsform
Gießen
Fräsen
Walzen zu einer Zwischendicke
Homogenisieren
Walzen
Rasches Glühen mit Abschrecken (kann bei Prozessen, um geringe Dicken zu erreichen, mehrfache „Glühen mit Abschrecken"-Stufen erfordern)
WalzenThe process steps may proceed according to the following protocols:
An embodiment (for such rolling mills that are so equipped)
to water
mill
Homogenize (= rapid heating / homogenizing / quenching). Homogenization ensures maximum resolution of the alloying elements. Quenching ensures that the maximum resolution is maintained. The temperature reached is 800-950 ° C.
roll
Precipitation annealing at 375-550 ° C.
Roll to the finish
Relief annealing for various states of tensile strength and yield strength.
Further embodiment (for such rolling mills that are so equipped)
to water
mill
Rolls to intermediate thickness
Homogensierungsglühen
roll
precipitation annealing
Roll to the finish
Detachment or relief annealing
Another embodiment (for maximum strength at the expense of some conductivity)
to water
mill
Homogenize
roll
Quench Fast Annealing (may require multiple "anneal quench" stages in processes to achieve low thicknesses)
roll
Fräshärtungsglühen
Further embodiment
to water
mill
Rolls to an intermediate thickness
Homogenize
roll
Quench Fast Annealing (may require multiple "anneal quench" stages in processes to achieve low thicknesses)
roll

Alternativ kann ein rasches Abkühlen das Abschrecken bei der oben beschriebenen Gießtechnik ersetzen.Alternatively, rapid cooling can Replace quenching with the casting technique described above.

Das Verfahren überwindet die Probleme, die derzeit den Stand der Technik belasten, demzufolge Heißwalztechnologien die Verwendung von P in Mengen wie hierin beansprucht nicht gestattete. Auch stellt die vorliegende Erfindung eine Legierung zur Verfügung, die, wenn es gewünscht wird, einen breiten Bereich des Sn-Gehalts aufweisen kann. Dieser kann z. B. größer als 7% Sn (mit Einschluss von 8–11% Sn bei einigen Ausführungsformen) mit ausgezeichneten Bearbeitungseigenschaften und Produkteigenschaften sein. Obgleich ein Sn-Gehalt von unterhalb 8% für eine größere elektrische Leitfähigkeit, die für manche Anwendungszwecke gewünscht wird, bevorzugt wird, ergeben doch höhere Gehalte an Sn eine größere Festigkeit, die für andere Anwendungszwecke gewünscht wird. Im Gegensatz hierzu wird bei vielen Anwendungszwecken gefordert, dass der Sn-Gehalt 8% oder weniger, z. B. 7%, 5%, beträgt und wenn möglich an 3% herangeht. Legierungen mit einem Gehalt an Sn unterhalb 3% haben niedrigere Potenzialfestigkeitsgehalte und sie erreichen die Kontaktkräfte nicht, die für einige stärker fordernde Federkontaktanwendungen erforderlich sind.The process overcomes the problems that currently burden the state of the art, consequently hot rolling technologies the use of P in amounts as claimed herein is prohibited. Also, the present invention provides an alloy which, if desired will have a wide range of Sn content. This can z. B. greater than 7% Sn (including 8-11% Sn in some embodiments) with excellent processing properties and product features his. Although a Sn content from below 8% for a larger electrical Conductivity, the for some applications desired is preferred, but higher contents of Sn give greater strength, for others Applications desired becomes. In contrast, many applications require that the Sn content is 8% or less, e.g. B. 7%, 5%, and if possible at 3%. Alloys with a content of Sn below 3% have lower potential strength contents and they achieve that contact forces not that for some stronger demanding spring contact applications are required.

P-Gehalte von 0,01–0,20 können sich bei vielen Anwendungszwecken als von besonderem Vorteil erweisen.P levels of 0.01-0.20 can occur prove to be of particular advantage in many applications.

Ni und Si in der Phosphorbronze gemäß der vorliegenden Erfindung gestatten verbesserte Festigkeiten und sie erhöhen die Beständigkeit der Legierung gegenüber einer Spannungsrelaxation bei erhöhten Temperaturen, wo die Legierung eingesetzt werden kann.Ni and Si in the phosphor bronze according to the present invention Invention allow improved strength and increase the resistance to the alloy a stress relaxation at elevated temperatures, where the alloy can be used.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Metalllegierung, die, auf das Gewicht bezogen, aus Folgendem besteht: Sn 3,0–11,0% Ni 0,4–3,0°s Si 1–1,0 % P 0,01–0,06% The present invention is a metal alloy, which, by weight, consists of: sn 3.0 to 11.0% Ni 0.4-3.0 ° s Si 1-1.0% P 0.01-0.06%

Cu stellt den Rest dar. Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung können auf bevorzugte Unterbereiche von verschiede nen Komponenten eingeschränkt sein, z. B. auf einen Sn-Gehalt von unterhalb 8%, 4,7–5,3%, 7–11%, 7–8% oder 7–9%, etc. Der Si-Gehalt kann 0,22–0,30% oder 0,4–0,5% betragen und der Ni-Gehalt kann 1,3–1,7%, 2,5–3,0% oder 1,0–3,0% etc. betragen.Cu represents the rest. Preferred embodiments of this invention restricted to preferred subregions of various components, z. B. to an Sn content of below 8%, 4.7-5.3%, 7-11%, 7-8% or 7-9%, etc. The Si content can 0.22 to 0.30% or 0,4-0,5% amount and the Ni content can be 1.3-1.7%, 2.5-3.0% or 1.0-3.0% etc. amount.

Naturgemäß ziehen die Erfinder in Betracht, dass eine kleine Menge von Verunreinigungen, die nicht wirtschaftlich vermieden werden können, vorhanden sind.Naturally, the inventors consider that a small amount of impurities that are not economical can be avoided available.

Diese Legierung gemäß der Erfindung besteht, auf das Gewicht bezogen, aus Folgendem: Sn 3,0–11,0% Ni 0,4–3,0% Si 0,1–1,0% P 0,01–0,06%
oder kleineren bevorzugten Bereichen der einzelnen Elemente, wobei der Rest aus Cu besteht.This alloy according to the invention consists, by weight, of: sn 3.0 to 11.0% Ni 0.4-3.0% Si 0.1-1.0% P 0.01-0.06%
or smaller preferred regions of the individual elements, the remainder being Cu.

Gemäß einer mehr bevorzugten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Legierung im Wesentlichen aus: Sn 3,0–7,0% Ni 0, 4–3, 0 Si 0,1–1,0% P 0,01–0,06%
, wobei der Rest aus Cu besteht.According to a more preferred embodiment, the alloy according to the invention consists essentially of: sn 3.0-7.0% Ni 0, 4-3, 0 Si 0.1-1.0% P 0.01-0.06%
the remainder being Cu.

Wiederum werden kleinere spezielle Unterbereiche in Betracht gezogen, wie es die Anwendungen erfordern.Again, smaller ones become special ones Sub-areas are considered as the applications require.

Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht die Legierung, bezogen auf das Gewicht, aus: Sn 3,0–11,0% Ni 0,4–3,0% Si 0, 1–1, 0 P 0,01–0,06, oder insbesondere Sn 3,0–7,0% Ni 1, 0–3, 0% Si 0,2–1,0% P 0,02–0,06,
wobei in jedem Fall der Rest aus Cu besteht.According to further preferred embodiments of the invention, the alloy, by weight, consists of: sn 3.0 to 11.0% Ni 0.4-3.0% Si 0, 1-1, 0 P 0.01-0.06, or in particular sn 3.0-7.0% Ni 1, 0-3, 0% Si 0.2-1.0% P 0.02-0.06,
wherein in each case the remainder consists of Cu.

Auf der Basis dieser vorläufigen Analyse zeigen die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung verbesserte Eigenschaften, z. B. hinsichtlich der Leitfähigkeit und der Zugfestigkeit, gegenüber solchen Legierungen, die im Stand der Technik bekannt sind. Vorrichtungen, in die die Legierung eingearbeitet worden ist, sind wirtschaftlicher herzustellen und aufrecht zu erhalten, und sie zeigen eine verbesserte Dauerhaftigkeit. Die Tabelle 1 zeigt einen Vergleich von beispielhaften Legierungen gemäß der Erfindung mit mehreren Standard-Phosphor-bronzelegierungen.Based on this preliminary analysis show the alloys according to the present Invention improved properties, eg. B. in terms of conductivity and the tensile strength, opposite Such alloys are known in the art. devices, in which the alloy has been incorporated are more economical produce and maintain, and they show an improved Durability. Table 1 shows a comparison of exemplary Alloys according to the invention with several standard phosphor bronze alloys.

BEISPIELEXAMPLE

Das Beispiel fällt nicht unter den Rahmen der Erfindung, sondern es stellt einen Vergleich dar.The example does not fall under the frame of the invention, but it represents a comparison.

Gemäß einer Ausführungsform wurde die Legierung, die als MHP101 bezeichnet wird, mit folgender Zusammensetzung gegossen: Cu 95,67%, Sn 2,46, P 0,057%, Ni 1,50, Si 0,28 zusammen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.According to one embodiment became the alloy, which is called MHP101, with the following composition cast: Cu 95.67%, Sn 2.46, P 0.057%, Ni 1.50, Si 0.28 together with impurities caused by melting.

Das Material wurde zu einer Dicke von 0,0070" bearbeitet und es hatte, wenn nichts anderes angegeben ist, die folgenden mechanischen Eigenschaften: Zugfestigkeit 91,9 ksi (1 ksi = 6,895 MPa) Streckgrenze @.2 84,4 ksi Dehnung auf 2" 13,9 Korngröße 0,010 mm Leitfähigkeit 31,1% I.A.C.S. Biegung senkrecht zur Laufrichtung (180°) Flach bei einer Breite von 0,690", rein Biegung parallel zur Laufrichtung (180°) Radius 0,006" bei einer Breite von 0,690", rein Flach bei einer Breite von 0,690", verzinnt 40 Mikroinch pro Seite (1 inch = 1" = 25, 4 mm) Biegung parallel zur Laufrichtung (180°) Flach bei einer Breite von 0,020", rein Elastizitätsmodul 20 psi × 10⁶, Spannung (1 psi = 6895 Pa) Dichte 0,323 lbs/cu inch bei 68°F (1 lbs = 453,6 g) (1°F = 1,8°C + 32) The material was machined to a thickness of 0.0070 "and, unless otherwise indicated, had the following mechanical properties: tensile strenght 91.9 ksi (1 ksi = 6.895 MPa) Yield strength @ .2 84.4 ksi Stretching to 2 " 13.9 grain size 0.010 mm conductivity 31.1% IACS Bending perpendicular to the running direction (180 °) Flat at a width of 0.690 ", pure Bending parallel to the running direction (180 °) Radius 0.006 "at a width of 0.690", pure flat at a width of 0.690 ", tinned 40 microinches per side (1 inch = 1" = 25.4 mm) Bending parallel to the running direction (180 °) Flat at a width of 0.020 ", pure modulus of elasticity 20 psi × 10 ⁶ , voltage (1 psi = 6895 Pa) density 0.323 lbs / cu inch at 68 ° F (1 lbs = 453.6 g) (1 ° F = 1.8 ° C + 32)

Das Erweichungsverhalten ist in 1 im Vergleich mit den Werten einer C51100-Legierung (4% Sn Phosphorbronze) und C52100 (8% Sn Phosphorbronze) gezeigt. Die Zeit bei der Temperatur war eine Stunde.The softening behavior is in 1 compared with the values of a C51100 alloy (4% Sn phosphor bronze) and C52100 (8% Sn phosphor bronze). The time at the temperature was one hour.

Das Spannungsrelaxationsverhalten ist in 2 im Vergleich zu der Legierung C51100 gezeigt. Die Testspannung betrug 80% der Anfangsspannung und die Anfangsspannung bei der Testprobe betrug 88 ksi. Die Testtemperatur war 150°C.The stress relaxation behavior is in 2 compared to the alloy C51100. The test voltage was 80% of the initial voltage and the initial voltage of the test sample was 88 ksi. The test temperature was 150 ° C.

Erwartete elektronische Anwendungsrichtwerte für MHP101 und andere Legierungen im Vergleich zu ähnlichen UNS-benannten Legierungen sind in Tabelle 1 angegeben.Expected electronic application benchmarks for MHP101 and other alloys compared to similar UN designated alloys are given in Table 1.

TABELLE 1 RICHTLINIEN FÜR ELEKTRONISCHE ANWENDUNGEN DER LEGIERUNG

TABLE 1 GUIDELINES FOR ELECTRONIC APPLICATIONS OF ALLOY

„MHP" ist ein Warenzeichen von The Miller Company, der Inhaberin der vorliegenden Patentanmeldung "MHP" is a trademark of The Miller Company, the proprietor of the present patent application

Die für MHP101 gesammelten Werte bestätigen, dass Legierungsformulierungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Beständigkeit gegenüber einer Spannungsrelaxation bei höheren Temperaturen ergeben, als die derzeit angebotenen Standard-Phosphorbronzelegierungen wie C51100, die im Vergleich verwendet wurden. Weiterhin können bei erhöhter elektrischer Leitfähigkeit Festigkeiten erhalten werden, die denjenigen von Phosphorbronzen mit höherem Zinngehalt gleich sind.The values collected for MHP101 to confirm, that alloy formulations according to the present invention a consistency across from a stress relaxation at higher Temperatures than the currently offered standard phosphor bronze alloys like C51100, which were used in comparison. Furthermore, at increased electrical conductivity Strengths are obtained which are those of phosphorus bronzes with higher Tin content are the same.

Die Legierung MHP101, die ein Beispiel für die erfindungsgemäßen Legierungen ist, zeigt daher ausgezeichnete Formbarkeitseigenschaften. Sie hat auch einen höheren Elastizitätsmodul, was dem Gestalter von Verbindungselementen ein Material zur Verfügung stellt, das erhöhte Kontaktkräfte für eine gegebene Ablenkung zeigt.The alloy MHP101, which is an example of the alloys according to the invention, therefore shows drawn formability properties. It also has a higher modulus of elasticity, which provides the fastener designer with material exhibiting increased contact forces for a given deflection.

Die Erfindung stellt auch die oben beschriebene Legierung zur Verwendung als Gussmaterial zur Verfügung.The invention also provides the above described alloy for use as a casting material available.

Sn in Mengen von über 7%, zum Beispiel einem nominalen Sn-Gehalt von 8%, 9% oder 10%, verleiht der Legierung eine zusätzliche Festigkeit. Die Legierung hat dann auch eine bessere Verformbarkeit bei einer gegebenen Zugfestigkeit.Sn in amounts of over 7%, for example one nominal Sn content of 8%, 9% or 10%, gives the alloy an extra Strength. The alloy then also has better deformability at a given tensile strength.

Die Erfindung schließt insbesondere Ausführungsformen ein, wo die Legierung Eigenschaften der Festlösungshärtung und der Ausscheidungshärtung und der Dispersionshärtung zeigt.The invention includes in particular embodiments one where the alloy properties of solid solution hardening and precipitation hardening and dispersion hardening shows.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Phosphorbronzegusskörper. Das Produkt, das von der Verarbeitung des Gusskörpers resultiert, ist als Material für elektrische Leiterverbindungsanwendungszwecke geeignet. Solche Anwendungszwecke schließen solche, die integrierte Schaltkreise betreffen, und solche, die in der Automobilindustrie vorkommen, z. B. Schaltkreise im Motorenraum, ein.Another object of the invention is a phosphor bronze cast body. The product that results from the processing of the cast body is as a material for electrical Conductor connection applications suitable. Such applications include those which concern integrated circuits, and those used in the automotive industry occur, z. B. circuits in the engine compartment, a.

Claims

Phosphor bronze alloy, consisting of 0.4-3.0% by weight Ni, 0.1-1.0 Wt% Si, 0.01-0.06 Weight% P, 3.0-11.0 Wt .-% Sn and the rest Cu and melting impurities.

Alloy according to claim 1, characterized in that the Ni content is 1.0-3.0 Wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Sn content is less than 8 wt .-%.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Si content is 0.22-0.30 Wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Si content is 0.4-0.5 Wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Sn content is 4.7-5.3 Wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Sn content is 7-11 Wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Sn content is 7-8 Wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the P content is 0.05-0.06 Wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Ni content is 1.3-1.7 Wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Ni content is 2.5-3.0 Wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Ni content is 1.3-1.7 Wt .-% is that the Si content 0.22-0.30 % By weight and that the P content is 0.01-0.06 Wt .-% is.

Alloy according to claim 12, characterized in that that the Sn content is 4.7-5.3 Wt .-% or 7.0-8.0 wt .-% is.

Alloy according to claim 1, characterized in that that the Ni content is 2.5-3.0 Wt .-% is that the Si content 0.4-0.5 Wt .-%, that the P content 0.01-0.06 Wt .-% is and that the Sn content is 7.0-8.0 Wt .-% is.

Phosphor bronze casting of the alloy according to claim 1.