EP0517087B1 - Verfahren zur Herstellung von Kupferlegierungen - Google Patents
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- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
Definitions
- the invention relates to a process for the production of hardenable, in particular spinodal, copper alloys of very high strength and very good formability, with a content of 2-10% Ni and 2-12% Sn, preferably 0.05-0.6% Mn, the rest Cu and common impurities.
- the invention relates generally to the field of precipitation hardening alloys, in particular so-called spinodal alloys.
- the field of spinodal alloys is still little explored, and it is known that there are not many spinodal alloy systems, but that there is still little clarity about the properties that can be used to predict whether or not a spinodal alloy will be formed.
- Spinodal alloys are characterized by a significantly increased strength compared to normal precipitation hardening alloys due to an order of magnitude better, namely finer structure. This occurs because there are no precipitation particles in the metal matrix, but only diffusion zones in the range of nanometers. With the copper-nickel-tin alloy system, strength increases of two to three times the normal alloy are possible.
- the object of the invention was therefore to provide, starting from an alloy composition, as stated above, a method by means of which hardenable, in particular spinodal, alloys can be produced with significantly higher strength and better formability.
- the alloy produced according to the process explained above is not only characterized by an unusual strength, but also by excellent forming properties, i.e. very good deep drawability. Due to these properties, the new alloy is not only useful in the electronics industry, particularly in modules or in construction technology, there are also applications in automotive technology where, in addition to high strength, good corrosion resistance is required, there is also Possibility of use in aircraft technology for high-strength castings or in transmission technology. Due to the good material properties, an application is also conceivable where friction and wear are important.
- nickel and tin levels are quite large, the higher levels for nickel and tin have proven to be particularly advantageous.
- a ratio of the constituents nickel to tin between 0.3: 1 and 1: 1 has proven to be particularly favorable in the sense of the invention.
- the cooling process between solution annealing and aging is not critical with regard to the cooling rate.
- the cooling can take place both by quenching and at an average cooling rate, for example when blowing with air.
- the alloy can be cast not only in blocks, but also in strip, in the latter case a cold rolling process must follow before solution annealing. This method is defined in claim 6.
- the low manganese content mentioned is not mandatory in the sense of the invention, but is advantageous in order to achieve a pore-free casting.
- the amount of manganese added must remain so small that the manganese does not become an alloy component. Due to the high affinity of the manganese for oxygen, the air present in the melt is bound so that the casting is free of pores.
- this usually means applying cold deformation, increase the strength of the alloy even more, but the ductility tends to decrease, as does the conductivity, at which average values of up to about 35% IACS can be achieved due to the method according to the invention are.
- the alloy is first cast in blocks. This is followed by solution annealing at a temperature of 750 ° C for four hours. After quenching the blocks in cold water, they are stored at a temperature of 320 ° C for 19.5 hours and finally cooled in an air stream.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aushärtbaren, insbesondere spinodalen, Kupferlegierungen sehr hoher Festigkeit und sehr guter Umformbarkeit, mit einem Gehalt von 2 - 10 % Ni und 2 - 12 % Sn, vorzugsweise 0,05 - 0,6 % Mn, Rest Cu und übliche Verunreinigungen.
- Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet ausscheidungshärtender Legierungen, insbesondere sogenannter spinodaler Legierungen. Das Gebiet spinodaler Legierungen ist noch wenig erforscht und man weiß bisher, daß es nicht viele spinodale Legierungssysteme gibt, daß jedoch über die Eigenschaften noch wenig Klarheit besteht, aufgrund derer man vorherbestimmen kann, ob eine spinodale Legierung entsteht oder nicht. Spinodale Legierungen zeichnen sich gegenüber den normalen ausscheidungshärtenden Legierungen durch eine wesentlich gesteigerte Festigkeit aus aufgrund eines um Größenordnungen besseren, nämlich feineren Gefüges. Dieses entsteht, weil in der Metallmatrix keine Ausscheidungsteilchen, sondern nur noch Diffusionszonen im Bereich von Nanometern angeordnet sind. Bei dem Legierungssystem Kupfer-Nickel-Zinn sind Festigkeitssteigerungen auf das zwei- bis dreifache der normalen Legierung möglich. Während beispielsweise eine handelsübliche Legierung CuNi9Sn2, hergestellt nach dem üblichen Verfahren, Festigkeiten von etwa 600 N/mm erwarten läßt, sind bei der erfindungsgemäß hergestellten spinodalen Legierungen Festigkeiten bis zu 1.500 N/mm möglich.
- In der US-PS 5 019 185 ist eine Legierung erläutert, welche einen Gehalt von 3 - 25 % Nickel, 3 - 9 % Zinn, 0,05 - 1,5 % Mangan, Rest Kupfer aufweist. Diese hochfeste Legierung wird in zwei Stufen lösungsgeglüht, jeweils gefolgt von einem Abschrecken. Der 1.Glühvorgang erfolgt bei mindestens 800°C, vorzugsweise 820 °C mit 45 Minuten Dauer, der 2. bei 600 - 770°C, vorzugsweise mit 700 °C und ebenfalls 45 Minuten Dauer. Anschließend erfolgt ein Kaltwalzvorgang mit einem Umformungsverhältnis von 0 - 60 %, vorzugsweise 12 %, in Sonderfällen 40 bis 60 %. Nach der Kaltverformung wird eine Auslagerung bei 350 °C bis 500 °C während einer Zeit von 3 - 300 Minuten vorgenommen. In dieser Druckschrift ist zwar eine hohe Festigkeit nach der Auslagerung angesprochen, aber nicht erwähnt, daß eine Druckeinglasung möglich ist. Bisher galten Kupferlegierungen nicht als druckeinglasungsfähig.
- Der Erfindung war daher die Aufgabe gestellt ausgehend von einer Legierungszusammensetzung, wie vorstehend angegeben, ein Verfahren anzugeben durch welches aushärtbare, insbesondere spinodale Legierungen mit entscheidend höherer Festigkeit und besserer Umformbarkeit hergestellt werden können.
- Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die nachfolgenden Verfahrensschritte vor:
- a) Guß der Legierung in Blöcken
- b) einstufiges Lösungsglühen bei 650°C bis 750°C während 24 bis 3 Stunden
- c) Abkühlen und - ohne einen Kaltverformungsschritt -
- d) Auslagern bei 260°C bis 380°C, ausgenommen 350°C und mehr, während 14 Tagen bis 15 min.
- e) in Luft abkühlen.
- Die nach dem vorstehend erläuterten Verfahren hergestellte Legierung zeichnet sich nicht nur durch eine ungewöhnliche Festigkeit aus, sondern auch durch exzellente Umformeigenschaften, d.h. sehr gute Tiefziehbarkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die neue Legierung nicht nur in der Elektronikindustrie, dort insbesondere bei Modulen oder in der Aufbautechnik gut brauchbar, es bieten sich Anwendungen in der Automobiltechnik dort an, wo neben der hohen Festigkeit eine gute Korrosionsbeständigkeit verlangt wird, es besteht aber auch die Möglichkeit der Anwendung in der Flugzeugtechnik bei hochfesten Gußteilen oder in der Getriebetechnik. Aufgrund der guten Werkstoffeigenschaften ist auch eine Anwendung dort denkbar, wo es auf Reibung und Verschleiß ankommt.
- Wenngleich der Bereich der Gehalte an Nickel und Zinn recht groß ist, haben sich doch die höheren Gehalte für Nickel und Zinn als besonders vorteilhaft erwiesen. Im Sinne der Erfindung sind daher Gehalte von 6 bis 9 % Nickel und 6 bis 10 % Zinn sowie vorzugsweise 0,05 bis 0,6 % Mangan, Rest Kupfer, besonders bevorzugt.
- Es wurde nämlich gefunden, daß bereits bei der Bearbeitung der handelsüblichen Legierung CuNi9Sn2 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr gute Festigkeitswerte erzielt werden können. Erhöht man jedoch den Zinngehalt bei gleichbleibendem Nickelgehalt auf Werte von 8 bis 10 % Zinn, so steigt die Festigkeit ganz ungewöhnlich an. Gleichzeitig bietet sich durch die Erhöhung des Zinngehaltes die hervorragende Möglichkeit, die Auslagerungszeit entscheidend zu verkürzen.
- Als wesentlicher Grundgedanke der Erfindung ist aufgrund des Vorgesagten festzuhalten, daß nach dem Lösungsglühen der Legierung keine Kaltverformung vorgenommen werden darf, sondern nach entsprechender Abkühlung eine Auslagern erfolgen muß. Die Auslagerzeit wird kürzer, je höher die Temperatur innerhalb des angegebenen Temperaturbereiches liegt und sie wird, wie bereits gesagt, kürzer, je höher der Zinngehalt ist. Andererseits steigen Festigkeit und Leitfähigkeit mit zunehmender Auslagerungszeit.
- Als im Sinne der Erfindung besonders günstig hat sich ein Verhältnis der Bestandteile Nickel zu Zinn zwischen 0,3 : 1 und 1 : 1 erwiesen.
- Der Abkühlvorgang zwischen dem Lösungsglühen und dem Auslagern ist hinsichtlich der Abkühlgeschwindigkeit nicht kritisch. Das Abkühlen kann sowohl durch Abschrecken als auch bei mittlerer Abkühlgeschwindigkeit, beispielsweise bei Anblasen mit Luft, erfolgen.
- Der Guß der Legierung kann nicht nur in Blöcken, sondern auch im Band erfolgen, wobei im letzteren Fall sich ein Kaltwalzvorgang vor dem Lösungsglühen anschließen muß. Dieses Verfahren ist definiert in Anspruch 6.
- Der erwähnte geringe Gehalt an Mangan ist im Sinne der Erfindung nicht zwingend, jedoch vorteilhaft, um einen porenfreien Guß zu erzielen. Die Menge des zugesetzten Mangans muß dabei so gering bleiben, daß das Mangan nicht Legierungsbestandteil wird. Aufgrund der hohen Affinität des Mangans zu Sauerstoff wird die in der Schmelze vorhandene Luft gebunden, so daß sich die Porenfreiheit des Gußteils ergibt.
- Weitere Verarbeitungsvorgänge an der fertigen Legierung, dies bedeutet in aller Regel ein Aufbringen von Kaltverformung, erhöhen die Festigkeit der Legierung noch mehr, wobei jedoch die Duktilität tendenziell zurückgeht, ebenso die Leitfähigkeit, bei welcher aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens mittlere Werte bis etwa 35 % IACS erzielbar sind.
- Nachfolgend soll noch ein Beispiel zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung erläutert werden. Die Legierung wird zunächst in Blöcken gegossen. Anschließend erfolgt eine Lösungsglühung bei einer Temperatur von 750 °C während vier Stunden. Nach Abschrecken der Blöcke in kaltem Wasser werden diese bei einer Temperatur von 320 °C während einer Zeit von 19,5 Stunden ausgelagert und schließlich im Luftstrom abgekühlt.
- Wenn besonders hohe Festigkeitswerte von mehr als 1.300 N/mm erreicht werden sollen, so ist es zweckmäßig, als Ausgangsprodukt gegossenes Band zu verwenden, das anschließend kaltgewalzt wurde. Anschließend erfolgt dann ein Lösungsglühen bei einer Temperatur von 750 °C während einer Zeit von einer Stunde. Nach dem Abschrecken in kaltem Wasser wird bei 320 °C ebenfalls wieder 19,5 Stunden ausgelagert. Die Zusammensetzung der Legierung bei den beiden Beispielen war 9 % Ni, 11 % Sn, 0,14 % Mn, Rest Cu und Verunreinigungen.
- Zur Verkürzung der Auslagerungszeit durch Verwendung höherer Zinngehalte wurden in Versuchen folgende Ergebnisse erzielt. Um einen mittleren Festigkeitswert von 600 N/mm zu erzielen, wurde nach einem vorangegangenen Lösungsglühen von 30 min. bei 750 °C am Ausgangsprodukt kaltgewalztes Band bei einer Auslagerungstemperatur von 320 °C folgende Zeiten erforderlich:
CuNi9Sn2 6 Tage CuNi9Sn5 4 Stunden CuNi9Sn7 30 Minuten. - Daraus ist erkennbar, daß die Erhöhung der Zinngehalte eine wesentliche Verkürzung der Auslagerungszeit erbringt und damit eine wesentliche Reduzierung der Kosten der Produktion. Werden höhere Festigkeitswerte und/oder Leitfähigkeiten verlangt, so muß die Auslagerungszeit entsprechend verlängert werden. Siehe das vorstehend erläuterte Beispiel.
- Als Ergebnis des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man also eine Legierung von ungewöhnlicher Festigkeit, hoher Umformbarkeit und mittlerer Leitfähigkeit, die zu günstigen Kosten hergestellt werden kann.
Claims (8)
- Verfahren zur Herstellung von aushärtbaren, insbesondere spinodalen, Kupferlegierungen sehr hoher Festigkeit und sehr guter Umformbarkeit, mit einem Gehalt von 2 bis 10 % Ni und 2 bis 12 % Sn, vorzugsweise 0,05 - 0,6 % Mn, Rest Cu und üblichen Verunreinigungen, mit nachfolgenden Verfahrensschritten :a) Guß der Legierung in Blöckenb) einstufiges Lösungsglühen bei 650 °C bis 750°C während 24 bis 3 Stundenc) Abkühlen und - ohne einen Kaltverformungsschritt -d) Auslagern bei 260 °C bis 380 °C, ausgenommen 350°C und mehr, während 14 Tagen bis 15 min.e) in Luft abkühlen.
- Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine Anwendung der Verfahrensschritte auf Legierungen mit einem Gehalt von 2 - 9 % Ni und 6 - 10 % Sn sowie 0,05 - 0,6 % Mn, Rest Cu und üblichen Verunreinigungen. - Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das Verhältnis der Bestandteile Nickel zu Zinn zwischen 0,3 : 1 und 1 : 1 liegt.
- Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß der Verfahrensschritt b) bei einer Temperatur von 750 °C während vier Stunden erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das Abkühlen bei Verfahrensschritt c) durch Abschrecken erfolgt.
- Verfahren zur Herstellung von aushärtbaren, insbesondere spinodalen, Kupferlegierungen sehr hoher Festigkeit und sehr guter Umformbarkeit, mit einem Gehalt von 2 bis 10 % Ni und 2 bis 12 % Sn, vorzugsweise 0,05 - 0,6 % Mn, Rest Cu und üblichen Verunreinigungen, mit nachfolgenden Verfahrensschritten :a) Guß der Legierung zu Banda1) Kaltwalzenb) Lösungsglühen bei 650 °C bis 750°C während 24 bis 0,5 Stundenc) Abkühlen und - ohne einen Kaltverformungsschritt -d) Auslagern bei 260 °C bis 380 °C, ausgenommen 350°C und mehr, während 14 Tagen bis 15 min.e) in Luft abkühlen.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche bei einer Legierung mit einem Gehalt von 9 % Ni, 11 % Sn, 0,14 % Mn, Rest Cu und üblichen Verunreinigungen,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:a) Guß in Blöckenb) Lösungsglühen bei 750 °C während 4 Stundenc) Abkühlend) Auslagern bei 320 °C während 19,5 Stundene) in Luft abkühlen - Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7,
mit der Besonderheit, daß bei Verfahrensschritt b) das Lösungsglühen bei 750 °C während einer Stunde erfolgt.
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