DE69819104T2

DE69819104T2 - Kupferlegierung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69819104T2
Application number: DE69819104T
Authority: DE
Inventors: Ashok K. Bhargava
Original assignee: Waterbury Rolling Mills Inc
Current assignee: Waterbury Rolling Mills Inc
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: EP0908526A1; CA2270627A1; KR100344782B1; HUP9801474A3; TW474998B; HUP9801474A2; EP0908526B1; CN1237212A; CA2270627C; JPH11106851A; US5893953A; PL189342B1; HK1024028A1; DE69819104D1; PL327272A1; HU9801474D0; WO1999014388A1; KR20000068598A; US6099663A; CN1080768C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kupferbasislegierungen mit Brauchbarkeit in elektrischen Anwendungen.
Es gibt eine Anzahl von Kupferbasislegierungen, die in einem Verbinder bzw. Stecker, einem Leitungsrahmen bzw. einer Leitererdung und anderen elektrischen Anwendungen verwendet werden, weil ihre speziellen Eigenschaften für diese Anwendungen gut geeignet sind. Trotz des Vorhandenseins dieser Legierungen, bleibt ein Bedarf an Kupferbasislegierungen bestehen, die in Anwendungen verwendet werden, die eine hohe Streckgrenze, die größer als 56,25 kg/mm² (80 ksi) ist, zusammen mit guten Formeigenschaften erfordern, die einem erlauben, 180° bad-way Biegungen mit einem R/T Verhältnis von 1 oder weniger und geringe Spannungsrelaxation bei erhöhten Temperaturen und Spannungskorrosionsrissfreiheit herzustellen. Gegenwärtig erhältliche Legierungen erfüllen nicht alle diese Anforderungen oder weisen hohe Kosten auf, die sie wenig ökonomisch auf dem Markt machen, oder weisen andere beträchtliche Nachteile auf. Es bleibt sehr wünschenswert, eine Kupferbasislegierung zu entwickeln, die den vorangehenden Zielen genügt.
Berylliumkupfer weist im allgemeinen eine sehr hohe Festigkeit und Leitfähigkeit zusammen mit guten Spannungsrelaxationscharakteristiken auf; diese Materialien sind jedoch in ihrer Formbarkeit eingeschränkt. Eine derartige Einschränkung ist die Schwierigkeit mit 180° bad-way Biegungen. Zudem sind sie sehr kostspielig und erfordern oft eine extra Wärmebehandlung nach Herstellung eines gewünschten Teils. Natürlich trägt dies zudem weiterhin zu den Kosten bei.
Phosphorbronzematerialien sind billige Legierungen mit guter Festigkeit und hervonagenden Formeigenschaften. Sie werden in hohem Maße in den elektronischen und Telekommunikationsindustrien verwendet. Sie neigen jedoch dazu, nicht wünschenswert zu sein, wenn sie gefordert werden, sehr hohen Strom unter sehr hohen Temperaturbedingungen, zum Beispiel unter Bedingungen zu leiten, die bei Automobilanwendungen zur Verwendung unter der Haube gefunden werden. Dies, kombiniert mit ihrer hohen Wärmespannungsrelaxationsrate, macht diese Materialien für viele Anwendungen weniger geeignet.
Kupferreiche, hochleitende Legierungen weisen ebenfalls viele gewünschte Eigenschaften auf, aber weisen im allgemeinen nicht die mechanische Festigkeit auf, die für viele Anwendungen gewünscht wird. Typische dieser Legierungen umfassen Kupferlegierungen 110, 122, 192 und 194, sind aber nicht darauf beschränkt.
Repräsentative Patente vom Stand der Technik umfassen U.S. Patente 4,666,667, 4,627,960, 2,062,427, 4,605,532, 4,586,967, 4,822,562 und 4,935,076.
JP 6299275 , JP 6184679 und JP 62116745 offenbaren verschiedene Typen derartiger Legierungen.
Dementsprechend ist es sehr wünschenswert, Kupferbasislegierungen mit einer Kombination aus gewünschten Eigenschaften zu entwickeln, die sie für viele Anwendungen in hohem Maße geeignet machen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass die vorangehende Aufgabe erreicht wird.
Kupferbasislegierungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, wie in Anspruch 1 definiert, umfassen Zinn in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 1,5%, vorzugsweise von etwa 0,4 bis 0,9%, Phosphor in einer Menge von 0,01 bis 0,35%, vorzugsweise von etwa 0,01% bis etwa 0,1%, Eisen in einer Menge von etwa 0,01% bis etwa 0,8%, vorzugsweise von etwa 0,05% bis etwa 0,25%, Zink in einer Menge von etwa 1,0 bis etwa 15%, vorzugsweise von etwa 6,0 bis etwa 12,0% und als Ausgleich Kupfer und unvermeidbare Unreinheiten, wobei die Legierung Phosphidpartikel umfasst, die innerhalb der Matrix einheitlich verteilt sind, wobei die Phosphidpartikel eine feinere Komponente, die aus Phosphidpartikeln mit einer Größe in dem Bereich von 50 bis 250 Ångstrom hergestellt ist, und eine gröbere Komponente umfassen, die aus Phosphidpartikeln mit einer Größe in dem Bereich von 0,075 bis 0,5 Mikrometer hergestellt ist, wobei die feinen und groben Partikel in einer Menge und Verteilung vorhanden sind, die ausreichend sind, um die Legierung zu veranlassen, eine 180° bad-way Biegung mit einem R/T Verhältnis von 1 oder weniger aufzuweisen. Es ist besonders vorteilhaft, Nickel und/oder Cobalt in einer Menge von bis zu jeweils etwa 0,5%, vorzugsweise in einer Menge von jeweils etwa 0,001% bis etwa bis 0,5% zu umfassen. Legierungen können ebenfalls bis zu jeweils 0,1% Aluminium, Silber, Bor, Beryllium, Calcium, Chrom, Indium, Lithium, Magnesium, Mangan, Blei, Silizium, Antimon, Titan und Zirkonium umfassen. Wie hier verwendet, sind die Prozente Gewichtsprozente.
Es ist wünschenswert und vorteilhaft in den Legierungen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, Eisen- und/oder Nickel- und/oder Magnesium-Phosphidpartikel oder eine Kombination davon bereitzustellen, die innerhalb der Matrix einheitlich verteilt sind, weil diese Partikel dazu dienen, die Festigkeit, Leitfähigkeit und Spannungsrelaxationcharakteristiken der Legierungen zu erhöhen. Die Phosphidpartikel weisen eine Partikelgröße von 50 Ångstrom bis etwa 0,5 Mikrometer auf und umfassen eine feinere Komponente und eine gröbere Komponente. Die feinere Komponente weist eine Partikelgröße auf, die im Bereich von etwa 50 bis 250 Ångstrom, vorzugsweise von etwa 50 bis 200 Ångstrom, liegt. Die gröbere Komponente weist eine Partikelgröße im allgemeinen von 0,075 bis 0,5 Mikrometer, vorzugsweise von 0,075 bis 0,125 Mikrometer, auf.
Die Legierungen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, erfreuen sich einer Vielfalt an hervorragenden Eigenschaften, die sie zur Verwendung als Verbinder bzw. Stecker, Leitungsrahmen bzw. Leitererdung, Federn und anderen elektrischen Anwendungen in hohem Maße geeignet machen. Die Legierungen sollten eine hervorragende und unübliche Kombination aus mechanischer Festigkeit, Formbarkeit, thermischer und elektrischer leitfähigkeit und Spannungsrelaxationseigenschaften aufweisen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst: Gießen einer Kupferbasislegierung mit einer Zusammensetzung, wie vorstehend erwähnt; Homogenisieren wenigstens ein Mal für wenigstens eine Stunde bei einer Temperatur von etwa 537,8 bis 787,8°C (1000 bis 1450°F); Walzen bis zu einer Endstärke, umfassend wenigstens ein Prozessglühen für wenigstens eine Stunde bei einer Temperatur von 343,3 bis 648,9°C (650 bis 1200°F); und spannungsfrei bzw. spannungsarm Glühen für wenigstens eine Stunde bei einer Temperatur in dem Bereich von 148,9 bis 315,6°C (300 bis 600°F), wobei dadurch eine Kupferlegierung erhalten wird, die Phosphidpartikel umfasst, die innerhalb der Matrix einheitlich verteilt sind. Nickel und/oder Cobalt können in der Legierung, wie vorstehend, enthalten sein.
Die Legierungen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind modifizierte Kupfer-Zinn-Zink-Legierungen. Sie sind charakterisiert durch höhere Festigkeiten, bessere Formeigenschaften, höhere Leitfähigkeit und Spannungsrelaxationseigenschaften, die eine beträchtliche Verbesserung gegenüber den gleichen Eigenschaften der unmodifizierten Legierungen darstellen.
Die Legierungen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, umfassen jene Kupferbasislegierungen, die Zinn in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 1,5%, vorzugsweise von etwa 0,4 bis etwa 0,9%, Phosphor in einer Menge von etwa 0,01 bis etwa 0,35 %, vorzugsweise von etwa 0,01% bis etwa 0,1%, Eisen in einer Menge von etwa 0,01% bis etwa 0,8%, vorzugsweise von etwa 0,05% bis etwa 0,25%, Zink in einer Menge von etwa 1,0 bis etwa 15%, vorzugsweise von etwa 6,0 bis etwa 12,0% und als Ausgleich Kupfer und unvermeidbare Unreinheiten umfassen. Diese Legierungen umfassen typischerweise Phosphidpartikel, die einheitlich innerhalb der Matrix verteilt sind, wobei die Phosphidpartikel eine feinere Komponente, die aus Phosphidpartikeln mit einer Größe in dem Bereich von 50 bis 250 Ångstrom hergestellt ist, und eine gröbere Komponente umfassen, die aus Phosphidpartikeln mit einer Größe in dem Bereich von 0,075 bis 0,5 Mikrometer hergestellt ist, und wobei die feinen und groben Partikel in einer Menge und Verteilung vorhanden sind, die ausreichend sind, um die Legierung zu veranlassen, eine 180° bad-way Biegung mit einem R/T Verhältnis von 1 oder weniger aufzuweisen. Die Legierungen können ebenfalls Nickel und/oder Cobalt in einer Menge von bis zu jeweils etwa 0,5%, vorzugsweise von in einer Menge von etwa 0,001 bis etwa 0,5% eines oder Kombinationen von beiden umfassen.
Man kann eines oder mehrere der folgenden Elemente in der Legierungskombination einschließen: Aluminium, Silber, Bor, Beryllium, Calcium, Chrom, Indium, Lithium, Magnesium, Mangan, Blei, Silizium, Antimon, Titan und Zirkonium. Diese Materialien können in Mengen weniger als 0,1% und im allgemeinen jeweils mehr als 0,001 enthalten sein. Die Verwendung eines oder mehrer dieser Materialien verbessert die mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Spannungsrelaxationseigenschaften; größere Mengen können jedoch die Leitfähigkeit und Formeigenschaften beeinflussen.
Die vorstehend erwähnte Phosphorzugabe erlaubt dem Metall, deoxidiert zu bleiben, was ermöglicht, fehlerfreies Metall innerhalb der für Phosphor gesetzten Grenzen zu gießen, und mit der Wärmebehandlung der Legierungen bildet Phosphor ein Phosphid mit Eisen und/oder Eisen und Nickel und/oder Eisen und Magnesium und/oder einer Kombination dieser Elemente, wenn vorhanden, die den Leitfähigkeitsverlust beträchtlich reduzieren, der resultieren würde, wenn diese Materialien ganz in fester Lösung in der Matrix sein würden. Es ist besonders wünschenswert, Eisen-Phosphid-Partikel bereitzustellen, die innerhalb der Matrix einheitlich verteilt sind, weil diese helfen, die Spannungsrelaxationseigenschaften durch Blockieren einer Versetzungsbewegung zu verbessern.
Eisen in dem Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,8% und insbesondere etwa 0,05 bis etwa 0,25% erhöht die Festigkeit der Legierungen, fördert eine feine Körnerstruktur durch Wirken als kornfeinender Zusatz und hilft in Kombination mit Phosphor in diesem Bereich, die Spannungsrelaxationseigenschaften ohne negativen Effekt auf elektrische und thermische Leitfähigkeiten zu verbessern.
Nickel und/oder Cobalt in einer Menge von jeweils etwa 0,001 bis 0,5% sind wünschenswerte Zusätze, weil sie Spannungsrelaxationseigenschaften und Festigkeit durch Verfeinern des Korns und durch Verteilung davon innerhalb der Matrix mit einem positiven Effekt auf die Leitfähigkeit verbessern.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, umfasst Gießen einer Legierung mit einer Zusammensetzung, wie vorstehend erwähnt. Irgendeine geeignete, in dem Fachgebiet bekannte Gießtechnik, wie beispielsweise horizontales Stranggießen kann verwendet werden, um einen Streifen mit einer Dicke in dem Bereich von etwa 12,79 bis 19,05 mm (0,500 bis 0,750 Inch) zu bilden bzw. formen. Die Verarbeitung umfasst wenigstens eine Homogenisierung für wenigstens eine Stunde, und vorzugsweise für eine Zeitdauer in dem Bereich von etwa 1 bis etwa 24 Stunden, bei Temperaturen in dem Bereich von etwa 537,8 bis 787,8°C (1000 bis 1450°F). Wenigstens ein Homogenisierungsschritt kann nach einem Walzschritt durchgeführt werden. Nach Homogenisierung kann der Streifen einmal oder zweimal abgefräst werden, um etwa 0,508 bis 2,54 mm (0,020 bis 0,100 Inch) an Material von jeder Seite zu entfernen.
Das Material wird dann zur Endstärke gewalzt, einschließend wenigstens einer Prozessglühung bei 343,3 bis 648,9°C (650 bis 1200°F) für wenigstens eine Stunde und vorzugsweise für etwa 1 bis 24 Stunden, gefolgt von langsamer Kühlung auf Umgebungstemperatur bei 11,1 bis 111,1 °C (20 bis 200°F) pro Stunde. Das Material wird dann bei einer Temperatur in dem Bereich von 148,9 bis 315,6°C (300 bis 600°F) für wenigstens eine Stunde und vorzugsweise für eine Zeitdauer in dem Bereich von etwa 1 bis 20 Stunden bei der Endstärke spannungsfrei geglüht. Dies verbessert vorteilhaft die Formbarkeit und Spannungsrelaxationseigenschaften.
Die thermischen Behandlungen stellen die Legierungen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, mit Eisen- und/oder Nickel- und/oder Magnesium-Phosphidpartikeln oder einer Kombination davon bereit, die innerhalb der Matrix einheitlich verteilt sind. Die Phosphidpartikel erhöhen die Festigkeit, Leitfähigkeit und Spannungsrelaxationscharakteristiken der Legierungen. Die Phosphidpartikel weisen eine Partikelgröße von etwa 50 Ångstrom bis etwa 0,5 Mikrometer auf und umfassen eine feinere Komponente und eine gröbere Komponente. Die feinere Komponente weist eine Partikelgröße von etwa 50 bis 250 Ångstrom, vorzugsweise von etwa 50 bis 200 Ångstrom, auf. Die gröbere Komponente weist eine Partikelgröße im allgemeinen von 0,075 bis 0,5 Mikrometer, vorzugsweise von 0,075 bis 0,125 Mikrometer, auf.
Legierungen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet werden und die die vorstehend erwähnten Zusammensetzungen aufweisen, sind fähig, eine Streckgrenze in dem Bereich von 56,25 bis 70,31 kg/mm² (80–100 ksi) mit Biegbarkeit bei einem Radius gleich zu seiner Dicke, bad-way, auf einer Breite zu erreichen, die bis zu 10 Mal die Dicke ist. Zudem sind sie fähig, eine elektrische Leitfähigkeit in der Ordnung von 35% IACS oder besser zu erreichen. Das Vorangehende, verbunden mit der gewünschten metallurgischen Struktur, sollte der Legierung eine hohe Spannungsretentionfähigkeit, zum Beispiel über 60% bei 150°C nach 1000 Stunden mit einer Spannung bzw. Belastung, die gleich 75% ihrer Streckgrenze ist, bei Proben geben, die parallel zu der Walzrichtung geschnitten sind, und macht diese Legierungen für eine breite Vielfalt an Anwendungen sehr geeignet, die hohe Spannungsretentionsfähigkeiten erfordern. Zudem erfordern die vorliegenden Legierungen keine weitere Behandlung durch Stempel.
Das vorliegende Verfahren der Erfindung kann zwei Homogenisierungsschritte umfassen, wobei wenigstens ein Homogenisierungsschritt im Anschluss an einen Walzschritt ist und wobei die Homogenisierungsschritte jeweils für 2 bis 24 Stunden sind.
Der Gießschritt kann Gießen einer Kupferbasislegierung umfassen, die Zinn in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Gewichts-%, Zink in einer Menge von 6,0 bis 12,0 Gewichts-%, Phosphor in einer Menge von 0,01 bis 0,2 Gewichts-%, Eisen in einer Menge von 0,01% bis 0,8 Gewichts-%, ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Cobalt und Mischungen davon in einer Menge von jeweils 0,001 bis 0,5 Gewichts-% und als Ausgleich Kupfer und unvermeidbare Unreinheiten enthält.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Kupferbasislegierung, welches umfasst: Gießen einer Kupferbasislegierung, umfassend Zinn in einer Menge von 0,1 bis 1,5 Gew.-%, Phosphor in einer Menge von 0,01 bis 0,35 Gew.-%, Eisen in einer Menge von 0,01 bis 0,8 Gew.-%, Zink in einer Menge von 1,0 bis 15 Gew.-% und als Ausgleich Kupfer und unvermeidbare Unreinheiten; Homogenisieren wenigstens für wenigstens eine Stunde bei einer Temperatur von 537,8 bis 787,8°C (1000 bis 1450°F); Walzen bis zu einer Endstärke, umfassend wenigstens ein Prozessglühen für wenigstens eine Stunde bei 343,3 bis 648,9°C (650 bis 1200°F) gefolgt von langsamem Kühlen mit einer Geschwindigkeit von 11,1 bis 111,1°C (20 bis 200°F) pro Stunde; und Spannungsfreiglühen bei einer Endstärke für wenigstens eine Stunde bei 148,9 bis 315,6°C (300 bis 600°F), wodurch eine Kupferbasislegierung erhalten wird, umfassend Phosphidpartikel, einheitlich verteilt innerhalb der Matrix, wobei die Phosphidpartikel eine feinere Komponente, die aus Phosphidpartikeln hergestellt ist mit einer Größe in dem Bereich von 50 bis 250 Ångstrom und eine gröbere Komponente umfassen, hergestellt aus Phosphidpartikeln mit einer Größe in dem Bereich von 0,075 bis 0,5 Mikrometer.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die in Form zu bringende Kupferbasislegierung ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Kobalt und Gemischen daraus in einer Menge von jeweils 0,001 bis 0,5 Gew.-%, mit einem Kupferüberschuss.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die zu gießende Kupferbasislegierung Magnesium umfasst und die Phosphidpartikel ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Eisen-Nickel-Phosphid-Partikeln, Eisen-Magnesium-Phosphid-Partikeln, Eisen-Phosphid-Partikeln, Magnesium-Nickel-Phosphid-Partikeln, Magnesium-Phosphid und Gemischen davon.
Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend zwei Homogenisierungsschritte, bei dem wenigstens ein Homogenisierungsschritt nachfolgend zu einem Walzschritt ist und wobei die Homogenisierungsschritte für jeweils 2 bis 24 Stunden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Prozessglühen für 1 bis 24 Stunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Spannungsfreiglühen für 1 bis 20 Stunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Gussschritt einen Streifen mit einer Dicke von 12,70 bis 19,05 mm (0,500 bis 0,750 Inch) bildet und dieses Verfahren weiterhin Vermahlen dieses Streifens wenigstens ein mal, gefolgt von wenigstens einem Homogenisierungsschritt, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Gussschritt Gießen einer Kupferbasislegierung umfasst, enthaltend Zinn in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Gew.-%, Zink in einer Menge von 6,0 bis 12,0 Gew.-%, Phosphor in einer Menge von 0,01 bis 0,2 Gew.-%, Eisen in einer Menge von 0,01 bis 0,8 Gew.-%, ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Kobalt und Gemischen daraus in einer Menge von 0,001 bis 0,5 Gew.-% und als Ausgleich Kupfer und unvermeidbare Unreinheiten.