EP0229077B1

EP0229077B1 - Verfahren zur dispersionshärtung von kupfer, silber oder gold sowie deren legierungen

Info

Publication number: EP0229077B1
Application number: EP86902823A
Authority: EP
Inventors: Fehmi Nilmen; Heinrich Winter
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1985-06-22
Filing date: 1986-04-18
Publication date: 1989-01-18
Also published as: DE3661843D1; DE3522341C2; WO1986007613A1; US4744947A; DE3522341A1; EP0229077A1; JPS63500106A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dispersionshärtung von Kupfer, Silber oder Gold sowie deren Legierungen als Matrixmetall mit Metallboriden als Dispersoid. Ferner betrifft die Erfindung die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von Punktschweisselektroden, insbesondere zum Verschweissen von verzinkten Blechen.
Die bekannten Verfahren zur Dispersionshärtung von Kupfer, Silber oder Gold gehen entweder von extrem feinen und damit sehr teuren Pulvern des Matrixmetalles aus, das mit dem Dispersoid, zumeist Aluminiumoxid- oder Berylliumoxid-Teilchen sorgfältig vermischt und dann kompaktiert und stranggepresst wird, oder es werden Legierungen des Matrixmetalles mit kleinen Anteilen an leicht oxidierbaren Metallen wie Beryllium oder Aluminium zu Pulver verarbeitet, welche in einer zweiten aufwendigen Stufe einer inneren Oxidation unterzogen werden, die bei richtiger Steuerung des Prozesses zu der gewünschten feinen Verteilung von Oxidteilchen mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 pm in einer Matrix führt. Das Verfahren der inneren Oxidation hat den Nachteil, dass während der Oxidation auch extern Kupfer oxidiert wird. Dies macht eine abschliessende Reduktionsglühung mit Wasserstoff erforderlich, was wiederum zu einem unerwünschten Verbacken der Pulver und damit zu einer Verminderung seiner Handhabung insbesondere bei der Herstellung von Formteilen führt.
Beide Verfahren sind aufwendig und haben daher nur eine geringe Verbreitung gefunden. Auch die Simultanfällung von Matrixmetall und Dispersoid aus entsprechenden Metallsalzlösungen ist für eine technische Anwendung zu teuer. Zudem zeigen alle mit Oxiden dieserArt dispersionsgehärteten Metalle, wie Kupfer oder Silber, eine starke Warmversprödung um etwa 500° C. Die bei Raumtemperatur gute Duktilität, was sich in einer Bruchdehnung von etwa 20% zeigt, fällt mit steigender Temperatur sehr stark ab und erreicht bei etwa 500° C ein Minimum von nur etwa 2%. Dies stellt einen gravierenden Nachteil dieser dispersionsgehärteten Legierungen dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirtschaftliches Herstellungsverfahren für dispersionsgehärtete Legierungen auf der Basis von Kupfer, Silber und Gold anzugeben, die Dispersoide enthalten, welche eine Warmversprödung möglichst gering halten.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass Schmelzen auf der Basis der Matrixmetalle mit stöchiometrischen Zusätzen von Bor und boridbildenden Metallen um 300 bis 750° C überhitzt und anschliessend einer extrem raschen Erstarrung von mindestens 10³ bis 10⁴¹ C pro Sekunde unterworfen werden. Vorteilhafte Ausbildungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Als Dispersoide eignen sich Boride der Elementen der Gruppen IVA, VA und VIA des periodischen Systems, einzeln oder in Kombination. Vorzugsweise wird jedoch hochschmelzendes Titan- oder Zirkoniumborid gebildet sowie das Mischborid von Titan und Zirkonium der Zusammensetzung Ti_xZr_1-xB₂. Es zeigt sich, dass diese Boride bei Temperaturen der Schmelze oberhalb von etwa 1500° C in einem für die Dispersionshärtung ausreichenden Masse in der Schmelze löslich sind und sich nach einer extrem raschen Erstarrung, etwa durch Verdüsen, als Dispersoid mit einer Teilchengrösse von weniger als 0,1 pm in der Matrix ausscheiden. Somit lassen sich dispersionsgehärtete Legierungen in einem Zuge direkt aus der Schmelze in wirtschaftlicher Weise herstellen.
Erfindungsgemäss werden zur Herstellung dispersionsgehärteter Legierungen auf der Basis von Kupfer, Silber oder Gold deren Schmelzen sorgfällig desoxidiert und dann stöchiometrische Anteile von Bor, Titan und/oder Zirkon über entsprechende Vorlegierungen zur Bildung von 1 bis 5 Volumenprozent des Diborides zugesetzt. Die Schmelzen werden um 300 bis 750° C überhitzt und im Anschluss daran, etwa durch Verdüsen, zu Pulver mit Erstarrungsgeschwindigkeiten von mehr als 10³ bis 10⁴° C/Sek. verarbeitet. Die Überhitzung der Schmelze bedeutet, dass eine Temperatur von 300 bis 750° C über der Schmelztemperatur gewählt wird. Nach dem Kompaktieren und Strangpressen wird dann in wirtschaftlicher Weise ein dispersionsgehärtetes Halbzeug erhalten.
Die in der Metallmatrix erfindungsgemäss eingelagerten submikrongrossen Boridteilchen vergröbern sich auch nach mehrstündigem Glühen bis zu Temperaturen von 850° C nicht. Dies zeigt an, dass die Löslichkeit dieser Boridteilchen in der Metallmatrix sehr klein sein muss. Dies ist eine grundlegende Voraussetzung für eine wirksame Dispersionshärtung und eine gute elektrische Leitfähigkeit.
An einer erfindungsgemäss durch Verdüsen der Schmelze hergestellten dispersionsgehärteten Legierung auf der Basis von Kupfer mit 3 Vol.-% eines Ti₀,₇Zr₀,₃B₂-Dispersoids wurde eine elektrische Leitfähigkeitvon 90% von Reinkupfer und bei 800° C eine Warmzugfestigkeitvon 17 kp/mm² bei einer Bruchdehnung von 25% ermittelt. Die Legierung zeigt demzufolge keine Warmversprödung.
Erfindungsgemäss kann die extrem rasche Erstarrung mit Geschwindigkeiten von mehr als 10³ bis 10" C pro Sekunde durch Schmelzspinnverfahren erzielt werden. Dadurch werden direkt dispersionsgehärtete Bänder erhalten, die durch Walzen kaltverformt werden können.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Matrixmetalle bzw. Legierungen mit erfindungsgemässen Anteilen an bor- und boridbildenden Metallen in Form von Pulvern auf Oberflächen aufgebracht und mit einem Laser-oder Elektronenstrahl örtlich aufgeschmolzen. Die rasche Erstarrung erfolgt durch Abführen der Wärme in das Innere des Substrats.
Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung eines Überschusses an boridbildenden Metallen, von 3 bis 30, vorzugsweise von 5 bis 20%, über die stöchiometrische Menge zusätzlich zur Dispersionshärtung eine Aushärtung bewirkt. Dies bedeutet z. B. im Falle von Titan, dass anstelle eines Zusatzes von 1 Gew.-% Titan z. B. entsprechend einem Überschuss von 10% 1,1 Gew.-% Titan verwendet werden.
Die erfindungsgemäss hergestellten Werkstoffe eignen sich besonders für elektrische Leiter, die bei hohen Temperaturen mechanisch beansprucht werden, wie etwa für Punktschweisselektroden, Kommutator-Lamellen und Kontakte. Sie zeigen zudem eine hervorragende thermische Leitfähigkeit und eine mit zunehmendem Boridanteil stark ansteigende Verschleissbeständigkeit.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer dispersionsgehärteten Legierung mit möglichst geringer Warmversprödung auf der Basis von Kupfer, Silber oder Gold sowie deren Legierungen als Matrixmetall mit Metallboriden als Dispersoid, dadurch gekennzeichnet, dass Schmelzen auf der Basis der Matrixmetalle mit stöchiometrischen Zusätzen von Bor und boridbildenden Metallen um 300 bis 750° C überhitzt und anschliessend einer extrem raschen Erstarrung von mindestens 10³ bis 10⁴° C pro Sekunde unterworfen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bor und boridbildende Metalle in Form von Vorlegierungen zugesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als boridbildende Metalle Elemente der Gruppen IVA, VA oder VIA des periodischen Systems, einzeln oder in Kombination, vorzugsweise Titan und/oder Zirkonium verwendet werden.