EP0552479B1 - Verfahren zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit von Halbzeug aus Kupferlegierungen - Google Patents
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Classifications
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- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
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Definitions
- the fatigue strength ⁇ BW is usually determined according to DIN 50 100 (fatigue test).
- the invention has for its object to provide a method for improving the bending fatigue strength for semi-finished products made of a certain class of copper alloys.
- the process steps mentioned in the patent claim are based on copper alloys of the compositions mentioned in features a) to 1) of the claim applied. (The concentration information relates to the weight.)
- a melt is atomized, the droplet jet is consolidated into a bolt or a strip or a hot-rolled plate, and this is deformed and further processed in the usual way.
- bolts can be extruded into rods, wires, or tubes, which can possibly be brought into the final shape by further cold-forming steps.
- Sheets can be hot rolled as usual and then formed to the final dimension by subsequent cold rolling and intermediate annealing steps. With thin strips, hot rolling can U. can be saved and, similar to the process of strip casting known today, be started directly with the cold rolling stage.
- nitride formers are in order of effectiveness: zirconium, titanium, magnesium, chromium, aluminum and manganese.
- Zircon is the most effective element in spray compacting. If its effectiveness is set as a reference (100%), the following effectiveness coefficients result for the other elements: titanium 95%, magnesium 70%, chrome 40%, aluminum 30%, manganese 10%.
- the zircon equivalent is defined as the sum of the products from the nominal contents of the above nitride formers and their effectiveness factors.
- a crucible 2 with the melt 3 is placed on top of a spray compacting chamber 1 and the melt 3 is introduced into a nozzle 4 via a stopper valve 2 '.
- the atomizing gas 5 hits the melt 3 and splits the melt jet into a conical droplet jet 6.
- the droplet jet 6 hits a rotating base 7, which can be part of a bolt, for example.
- the resulting bolt was also pressed into a rod at 900 ° C, the rod, as mentioned above, by various analog cold forming steps with intermediate annealing rolled into a strip of 0.3 mm thickness.
- a tensile strength of 560 N / mm 2 with a conductivity of 49.8 m / ⁇ mm 2 and a hardness of 150 HV was set.
- Strips with a width of 10 mm were cut out from the strip samples of both alloys and the alternating bending strength ⁇ BW was determined on them by means of a back and forth test.
- Fig. 4 shows the complete course for the fatigue strength ⁇ BW . This shows that the fatigue strength of the samples produced by the spray compacting process is significantly higher than the fatigue strength of the samples produced by the continuous casting method.
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Description
- Bei auf Biegung beanspruchten Federelementen ist für den Gebrauchswert die Biegewechselfestigkeit des Materials ein entscheidendes Kriterium für die Werkstoffauswahl und die Konstruktion des Elements. Die Biegewechselfestigkeit σBW wird üblicherweise nach DIN 50 100 (Dauerschwingversuch) bestimmt.
- Für einige der wichtigsten Federwerkstoffe werden Werte der Biegewechselfestigkeit gemäß Fig. 1 erreicht (vgl. beispielsweise WIELAND-Buch "Kupferwerkstoffe", 5.Auflage (1986), S.235).
- Beispielsweise aus WO-A-91/01.190, WO-A-90/11.852 oder US-A-4.961.457 ist es bekannt, bei einigen Kupferlegierungen durch Einsatz des Sprühkompaktier-Verfahrens (teilweise unter Hinzufügung nitridbildenden Materials) gute mechanische Eigenschaften zu erzielen bzw. die Porosität zu verringern. Diese Druckschriften enthalten jedoch keine Anhaltspunkte dafür, daß auch die Biegewechselfestigkeit günstig beeinflußt würde.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Halbzeug aus einer gewissen Klasse von Kupferlegierungen ein Verfahren zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit zu schaffen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Patentanspruch genannten Verfahrensschritte auf Kupferlegierungen der in den Merkmalen a) bis 1) des Anspruchs genannten Zusammensetzungen angewendet. (Die Konzentrationsangaben beziehen sich dabei auf das Gewicht.)
- Es hat sich überraschend gezeigt, daß bei dieser Klasse von Kupferlegierungen die Biegewechselfestigkeit im Endprodukt dadurch gesteigert werden kann, daß für die Urformgebung des Ausgangswerkstücks anstelle des üblichen halb- oder vollkontinuierlichen Stranggießens das Verfahren des Sprühkompaktierens (Osprey-Verfahren etwa nach GB-PS 1.379.261 und GB-PS 1.472.939) eingesetzt werden kann.
- Hierbei wird eine Schmelze zerstäubt, der Tröpfchenstrahl zu einem Bolzen oder einem Band oder einer Warmwalzplatte konsolidiert und diese verformt und in der üblichen Weise weiterverarbeitet.
- Bolzen lassen sich beispielsweise durch Strangpressen in Stangen, Drähte oder Rohre umformen, welche evtl. durch weitere Kaltumformschritte in die Endform gebracht werden können.
- Platten lassen sich wie üblich warmwalzen und durch nachfolgende Kaltwalz- und Zwischenglühschritte bis zur Endabmessung umformen. Bei dünnen Bändern kann das Warmwalzen u. U. eingespart werden und, ähnlich wie bei dem heute bekannten Prozeß des Bandgusses, direkt mit der Kaltwalzstufe begonnen werden.
- Bekannte Nitridbildner sind in der Reihenfolge ihrer Wirksamkeit: Zirkon, Titan, Magnesium, Chrom, Aluminium und Mangan. Dabei ist Zirkon das beim Sprühkompaktieren wirksamste Element. Wird seine Wirksamkeit als Bezug (100 %) gesetzt, so ergeben sich für die anderen Elemente folgende Wirksamkeitskoeffizienten: Titan 95 %, Magnesium 70 %, Chrom 40 %, Aluminium 30 %, Mangan 10 %. Das Zirkonäquivalent wird als die Summe der Produkte aus den Nenngehalten der o. g. Nitridbildner und ihrer Wirksamkeitsfaktoren definiert.
- Es wird insbesondere empfohlen, ein Zirkonäquivalent von 0,01 bis 0,1 % einzuhalten (vgl. Fig. 2, welche den Einfluß am Zr-Äquivalent in der versprühten Legierung auf die Veränderung der Biegewechselfestigkeit zeigt).
- Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:
- Eine Legierung A mit 0,73 % Chrom, 0,08 % Zirkon, Rest Kupfer mit üblichen Verunreinigungen wurde in der üblichen Weise in Form von Bolzen stranggegossen, bei 900 °C zu Stangen verpreßt, diese in 0,3 mm dicke Bänder verwalzt. Durch geeignete Glüh- und Umformsequenz wurde das Material in Enddicke auf eine Zugfestigkeit von etwa 590 N/mm2 bei einer Härte von etwa 170 HV und einer elektrischen Leitfähigkeit von 48,1 m/Ω mm2 gebracht.
- Eine Legierung B mit 0,80 % Chrom, 0,09 % Zirkon, Rest Kupfer mit üblichen Verunreinigungen wurde durch Sprühkompaktieren entsprechend Fig. 3 zu einem Bolzen geformt.
- Auf die Oberseite einer Sprühkompaktierkammer 1 wird ein Tiegel 2 mit der Schmelze 3 aufgesetzt und die Schmelze 3 über ein Stopfenventil 2' in eine Düse 4 eingeführt. In der Düse 4 trifft das Zerstäubungsgas 5 auf die Schmelze 3 und zerlegt den Schmelzestrahl in einen kegelförmigen Tröpfchenstrahl 6. Der Tröpfchenstrahl 6 trifft auf eine sich drehende Unterlage 7, welche beispielsweise der Teil eines gebildeten Bolzens sein kann.
- Der entstandene Bolzen wurde ebenfalls bei 900 °C in eine Stange verpreßt, die Stange, wie oben erwähnt, durch verschiedene analoge Kaltumformschritte mit Zwischenglühung in ein Band von 0,3 mm Dicke verwalzt. Es wurde eine Zugfestigkeit von 560 N/mm2 bei 49,8 m/Ω mm2 Leitfähigkeit und einer Härte von 150 HV eingestellt.
- Aus den Bandproben beider Legierungen wurden Streifen von 10 mm Breite herausgeschnitten und an diesen die Biegewechselfestigkeit σBW durch einen Hin- und Herbiegeversuch ermittelt.
- Für die Legierung A ergab sich eine Biegewechselfestigkeit σBW = 190 N/mm2, bei Legierung B wurde σBW = 220 N/mm2 bei jeweils 107 ertragenen Lastwechseln gemessen.
- Fig. 4 zeigt den vollständigen Verlauf für die Biegewechselfestigkeit σBW. Daraus geht hervor, daß die Biegewechselfestigkeit der nach dem Sprühkompaktierverfahren hergestellten Proben deutlich über der Biegewechselfestigkeit der nach dem Stranggießverfahren hergestellten Proben liegt.
Claims (1)
- Verfahren zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit von Halbzeug aus Kupferlegierungen,bei dem eine Kupferlegierung geschmolzen wird, die nitridbildende Elemente aus der Gruppe Zirkon, Titan, Magnesium, Chrom, Aluminium, Mangan, Bor, Niob, Tantal, Vanadium einzeln oder in Kombination im Konzentrationsbereich von insgesamt 0,001 bis 3,0 % enthält,bei dem aus dieser geschmolzenen Legierung eine Vorform durch Sprühkompaktieren hergestellt wird und bei dem sich die Endform des Halbzeugs aus der Vorform durch übliche Schritte der Warm- und Kaltumformung ergibt,wobei die Kupferlegierung aus einer der folgenden Legierungen besteht:a) Kupfer-Eisen-Zink-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung:1,8 bis 2,6 % Eisen; 0,05 bis 0,2 % Zink; 0,015 bis 0,15 % Phosphor; Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus der Gruppe Zirkon, Titan, Magnesium sowie wahlweiser Zusatz von Zinn bis insges. maximal 0,5 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;b) Kupfer-Eisen-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung:0,05 bis 1,5 % Eisen; 0,01 bis 0,45 % Phosphor; Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus der Gruppe Zirkon, Titan, Magnesium sowie wahlweiser Zusatz von Zinn und/oder Beryllium bis insges. maximal 0,4 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;c) Kupfer-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung:0,3 bis 1,2 % nitridbildendes Chrom; wahlweiser Zusatz der nitridbildenden Elemente Zirkon und/oder Titan sowie wahlweiser Zusatz von Eisen und/oder Silizium bis insges. maximal 0,5 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;d) Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung der folgenden Zusammensetzung:0,1 bis 0,5 % nitridbildendes Chrom; 0,01 bis 0,5 % nitridbildendes Titan; 0,01 bis 0,25 % Silizium;wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Zink, Eisen, Nickel bis maximal 0,4 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;e) Kupfer-Zirkon-Legierung der folgenden Zusammensetzung:0,02 bis 0,3 % nitridbildendes Zirkon; wahlweiser Zusatz nitridbildenden Chroms sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Zinn, Phosphor bis insges. maximal 0,4 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;f) Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung der folgenden Zusammensetzung:5,0 bis 15,5 % Nickel; 2 bis 8,5 % Zinn; Zusatz nitridbildenden Mangans sowie wahlweiser Zusatz von Eisen und/oder Zink bis insges. 1,5 %und/oder Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus der Gruppe Zirkon, Titan, Magnesium, Chrom bis insges. 0,5 %;wahlweiser Zusatz von Phosphor bis 0,3 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;g) Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung:0,2 bis 3,0 % Nickel; 0,2 bis 3,0 % Zinn; 0,1 bis 1,5 % nitridbildendes Titan; 0,5 bis 1 % nitridbildendes Chrom; wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Zink bis 1 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;h) Kupfer-Nickel-Zinn-Aluminium-Legierung der folgenden Zusammensetzung:4 bis 10 % Nickel; 1 bis 3 % Zinn; 1 bis 3 % nitridbildendes Aluminium; wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen A, B und C mitGruppe A: Eisen, Zink, Silizium und nitridbildendes Mangan bis 1 %;Gruppe B: nitridbildende Elemente Zirkon, Titan, Chrom bis 0,5 %;Gruppe C: nitridbildendes Magnesium und Phosphor bis 0,3 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;i) Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung der folgenden Zusammensetzung:1 bis 4 % Nickel; 0,2 bis 0,8 % Silizium;Zusatz nitridbildenden Mangans sowie wahlweiser Zusatz von Eisen, Zink, Zinn bis insges. 1,5 %und/oder Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus der Gruppe Titan, Magnesium, Chrom bis insges. 0,8 %und/oder Zusatz nitridbildenden Zirkons sowie wahlweiser Zusatz von Phosphor bis 0,3 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;k) Kupfer-Zinn-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung:1 bis 11 % Zinn; 0,01 bis 0,35 % Phosphor; Zusatz nitridbildenden Mangans sowie wahlweiser Zusatz von Eisen und/oder Nickel bis insges. 2,5 %und/oder Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus der Gruppe Titan, Magnesium, Chrom bis insges. 0,5 %und/oder Zusatz nitridbildenden Zirkons bis 0,2 %; wahlweiser Zusatz von Zink bis 6 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen;l) Kupfer-Zink-Legierung der folgenden Zusammensetzung:2 bis 51 % Zink; Zusatz eines oder mehrerer nitridbildender Elemente aus den Gruppen: Titan, Magnesium, Chrom bis 0,5 %; Zirkon bis 0,3 %; sowie wahlweiser Zusatz von Blei bis 4 %; Eisen, Zinn bis 2 %; Nickel bis 3 %; Silizium bis 2 %; Phosphor bis 0,2 %;Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen.
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