EP2989224B1 - Kupfergusslegierung für asynchronmaschinen - Google Patents

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EP2989224B1
EP2989224B1 EP14718324.8A EP14718324A EP2989224B1 EP 2989224 B1 EP2989224 B1 EP 2989224B1 EP 14718324 A EP14718324 A EP 14718324A EP 2989224 B1 EP2989224 B1 EP 2989224B1
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EP
European Patent Office
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elements
weight
group
alloy
copper alloy
Prior art date
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EP14718324.8A
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EP2989224A1 (de
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Timo ALLMENDINGER
Tony Robert NOLL
Joachim Riedle
Gerhard Thumm
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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Publication date
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C9/02—Alloys based on copper with tin as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to copper casting alloys and current-carrying structural parts made therefrom by means of primary molding processes.
  • the invention relates to cast squirrel-cage rotors for asynchronous machines.
  • the electrical conductivity is only slightly reduced by the alloy elements.
  • the material must have good castability. Zirconium and / or chromium are often used as alloy components.
  • JP 56010059 A a copper alloy containing zinc, chromium, zirconium and titanium is proposed for the die casting process.
  • JP 2011 027280 A discloses a copper alloy with 0.1 to 2 wt% aluminum, tin from 0.1 wt% to aluminum content, zinc from 0.05 wt% to aluminum content and phosphorus from 0.001 to 0.1 wt. -%. Tubes for heat exchangers are made from the alloy.
  • Copper materials processed by metal forming processes are characterized by a higher strength than copper materials in the as-cast state.
  • the person skilled in the art can therefore give no indication of the above-mentioned prior art Find out which copper alloy has a favorable combination of properties with regard to electrical conductivity and strength even when cast.
  • the invention is therefore based on the object of specifying improved copper casting alloys in terms of strength, conductivity and castability and improved current-carrying structural parts in terms of strength and conductivity.
  • the invention is intended to provide improved, one-piece cast squirrel-cage rotors for asynchronous machines.
  • the alloy elements should also be selected with regard to their effects on health and the environment. In particular, lead and cadmium should be avoided.
  • the invention is given with respect to a copper alloy by the features of claim 1, with regard to a structural part with the features of claim 10 and alternatively with claim 12 and with respect to a squirrel-cage rotor with the features of claim 11 and alternatively with claim 13.
  • the further back claims relate to advantageous developments and further developments of the invention.
  • the invention is based on the consideration that the strength of metals is increased by the incorporation of foreign atoms. This effect is particularly interesting for cast alloys, because it enables high strength values to be achieved without further forming steps.
  • a The elements Al, Sn, Ni and Zn have a particularly great effect on solid solution strengthening in copper. If the strength of pure copper is to be increased by solid solution strengthening, the addition of Al and Sn is particularly worthwhile. It is also known that the addition of alloy elements fundamentally worsens the electrical and thermal conductivity of pure copper. In the field of mixed crystal formation, however, the conductivity of copper is influenced relatively little by the elements Zn, Ag, Ni, Sn and Al. If the electrical conductivity of copper is to be impaired as little as possible, the addition of Zn and Ag is particularly worthwhile.
  • a casting material can be found that has a particularly favorable combination of strength and conductivity.
  • the content of the individual elements should be at least 0.05% by weight and at most 0.5% by weight.
  • the effect of the alloy elements is too low for element contents less than 0.05% by weight.
  • the sum of the element contents can preferably be at least 0.25% by weight.
  • element contents greater than 0.5% by weight undesired segregation of the alloy or segregation can occur.
  • the content of the individual elements can preferably be at most 0.3% by weight.
  • Alloying three or more elements creates an alloy whose melting interval is longer than the melting interval of alloys with fewer elements. This has a favorable effect on the castability of the material.
  • the copper alloy preferably contains the element Sn. This results in particularly favorable properties.
  • the copper alloy contains the element Ag. This results in particularly favorable properties with regard to electrical conductivity.
  • 0.01 to 0.2% by weight of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb can be added to the alloy. These elements result in grain refinement of the cast structure and thus increase the strength of the cast material. By deoxidizing the melt you can also reduce the gas intake.
  • the sum of the contents of the elements Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb can be limited to a maximum of 0.5% by weight.
  • the content of the individual elements can be limited to a maximum of 0.07% by weight.
  • the increase in strength is not always sufficient at contents of less than 0.06% by weight. With element contents greater than 0.15% by weight, the electrical conductivity can be reduced too much, for example below 75% IACS.
  • the sum of the proportions of the elements from the group consisting of Ag, Ni, Zn, Sn and Al is preferably at least 0.20% by weight and at most 0.35% by weight.
  • the proportions of the alloy elements can preferably be selected such that the ratio by weight of two arbitrary alloy elements from the group consisting of Ag, Ni, Zn, Sn and Al is at most 1.5.
  • the more common of the two alloying elements forms the numerator of the quotient to be calculated.
  • This weight ratio is particularly preferably at most 1.3.
  • the elements selected from the group consisting of Ag, Ni, Zn, Sn and Al for the respective alloy are alloyed in approximately equal parts by weight.
  • the copper alloy can have the following composition in% by weight: Ag: 0.06 to 0.5% Ni: 0.06 to 0.5% Zn: 0.06 to 0.5% Balance Cu and unavoidable impurities, optionally 0.01 to 0.2% of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb.
  • Such an alloy has an electrical conductivity of at least 68% IACS and can exceed the strength of pure copper by up to 35%.
  • the copper alloy can have the following composition in% by weight: Ag: 0.06 to 0.15% Ni: 0.06 to 0.15% Zn: 0.06 to 0.15% Balance Cu and unavoidable impurities, optionally 0.01 to 0.2% of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb.
  • IACS IACS
  • such an alloy has an electrical conductivity that is approximately equal to that of a copper alloy which contains 1% by weight of Ag (CuAg1).
  • the increase in strength compared to pure copper in the as-cast state is approximately 20%.
  • Such an alloy thus has a very favorable combination of properties.
  • the relative increase in strength is greater than the relative decrease in conductivity. Due to the low proportion of alloys, the alloy is at the cost level of commercially available copper alloys.
  • the copper alloy can have the following composition in% by weight: Ag: 0.06 to 0.15% Sn: 0.06 to 0.15% Ni: 0.06 to 0.15% Balance Cu and unavoidable impurities, optionally 0.01 to 0.2% of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb.
  • Such an alloy has an electrical conductivity of approximately 85% IACS.
  • the increase in strength compared to pure copper in the as-cast state is approximately 20%.
  • Such an alloy thus has a very favorable combination of properties.
  • the relative increase in strength is greater than the relative decrease in conductivity. Due to the low proportion of alloys, the alloy is at the cost level of commercially available copper alloys.
  • the copper alloy can have the following composition in% by weight: Ag: 0.06 to 0.15% Zn: 0.06 to 0.15% Al: 0.06 to 0.15% Balance Cu and unavoidable impurities, optionally 0.01 to 0.2% of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb.
  • Such an alloy has an electrical Conductivity of about 85% IACS. The increase in strength compared to pure copper in the as-cast state is approximately 10%. Due to the elements Zn and Al, this alloy is an inexpensive alternative.
  • Another advantageous copper alloy can have the following composition in% by weight: Sn: 0.06 to 0.15% Zn: 0.06 to 0.15% Al: 0.06 to 0.15% Balance Cu and unavoidable impurities, optionally 0.01 to 0.2% of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb.
  • Such an alloy has an electrical conductivity of approximately 80% IACS.
  • the increase in strength compared to pure copper in the as-cast state is approximately 10%. Since this alloy does not contain silver, it is a particularly inexpensive alternative.
  • a further aspect of the invention relates to current-carrying structural parts made of copper alloys, the structural parts being produced by means of an original molding process and the copper alloys having the following composition in% by weight: 0.05 to 0.5% Ag, in each case 0.05 to 0.5 % of at least two elements from the group consisting of Ni, Zn, Sn and Al, balance Cu and inevitable impurities, optionally 0.01 to 0.2% of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb exists.
  • the copper alloy of the structural part can have the following composition in% by weight: Sn: 0.06 to 0.15%, Zn: 0.06 to 0.15%, Al: 0.06 to 0.15%, Balance Cu and unavoidable impurities, optionally 0.01 to 0.2% of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb.
  • Such structural parts can be, for example, switches, commutators, grinding wheels, busbars, contacts, brushes, bridges, components for switching devices, conductor bars or short-circuit rings of cage rotors or other components.
  • Primary molding processes are understood to mean casting processes such as, for example, die casting, investment casting, full mold casting or other processes.
  • the above-mentioned casting process the cast body essentially already has the shape of the desired structural part. Separation processes can be used to carry out one or more further processing steps which slightly change the shape of the structural part. Examples of this are cutting off the sprue or reworking the surface of the structural part.
  • the finished construction part is therefore in the as-cast state.
  • the copper alloys according to the invention have a higher strength than pure copper due to the solidification of the solid solution in the as-cast state.
  • the electrical conductivity is relatively little reduced compared to pure copper.
  • the alloys according to the invention also have good castability: they show only a slight tendency to absorb gas and are characterized by a good mold filling capacity.
  • an alloy adapted to the respective application can be found.
  • the Ag content can be limited to 0.15% by weight.
  • the metal costs of the alloys according to the invention are increased by a maximum of 15% compared to pure copper.
  • Construction parts produced by master molding processes are less expensive to manufacture than construction parts that are made from semi-finished products.
  • the total cost of the construction parts according to the invention can consequently be cheaper than the total costs of other construction parts.
  • the alloy according to the invention can optionally contain 0.01 to 0.2% by weight of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb. These elements result in grain refinement of the cast structure and thus increase the strength of the cast material. By deoxidizing the melt, they can also reduce gas absorption.
  • the copper alloy has the following composition in% by weight: 0.05 to 0.5% Ag, in each case 0.05 to 0.5% of at least two elements from the group consisting of Ni, Zn, Sn and Al, Balance Cu and unavoidable impurities, optionally 0.01 to 0.2% of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb.
  • the copper alloy of the cage rotor can have the following composition in% by weight: Sn: 0.06 to 0.15%, Zn: 0.06 to 0.15%, Al: 0.06 to 0.15%, Balance Cu and unavoidable impurities, optionally 0.01 to 0.2% of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb.
  • the invention is based on the idea of casting conductor bars and short-circuit rings of cage rotors in one piece. Suitable casting processes for this can be die casting, investment casting, full mold casting and other processes. Due to their high electrical conductivity, copper alloys are well suited for the manufacture of cage rotors. Since the high speeds of the asynchronous machines exert large forces, in particular on the conductor bars of the squirrel-cage rotors, the copper alloys used must have high strength even when cast. Copper alloys which have the following composition in% by weight are therefore particularly suitable: 0.05 to 0.5% Ag, in each case 0.05 to 0.5% of at least two elements from the group consisting of Ni, Zn, Sn and Al exists, rest Cu and inevitable impurities.
  • the copper alloys according to the invention have a higher strength than pure copper due to the solidification of the solid solution in the as-cast state.
  • the electrical conductivity is relatively little reduced compared to pure copper.
  • the alloys according to the invention also have good castability: they show only a slight tendency to absorb gas and are characterized by a good mold filling capacity.
  • the alloy according to the invention can optionally contain 0.01 to 0.2% by weight of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb. These elements result in grain refinement of the cast structure and thus increase the strength of the cast material. Through an appropriate selection of the alloying elements and the alloying composition, an alloy adapted to the respective application can be found.
  • the following alloys have proven to be particularly advantageous: Copper alloy with the following composition in% by weight: Ag: 0.06 to 0.15% Ni: 0.06 to 0.15% Zn: 0.06 to 0.15% Balance Cu and unavoidable impurities; Alternatively: copper alloy with the following composition in% by weight: Ag: 0.06 to 0.15% Sn: 0.06 to 0.15% Ni: 0.06 to 0.15% Balance Cu and unavoidable impurities; Alternatively: copper alloy with the following composition in% by weight: Ag: 0.06 to 0.15% Zn: 0.06 to 0.15% Al: 0.06 to 0.15% Balance Cu and unavoidable impurities; Alternatively: copper alloy with the following composition in% by weight: Sn: 0.06 to 0.15% Zn: 0.06 to 0.15% Al: 0.06 to 0.15% Balance Cu and unavoidable impurities.
  • Each of the aforementioned alloys can optionally have 0.01 to 0.2% by weight of one or more elements from the group consisting of Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb added.
  • the metal costs of the alloys according to the invention are increased by a maximum of 15% compared to pure copper.
  • Table 1 shows a compilation of the alloys examined.
  • the composition of the sample, the determined tensile strength R m in the as-cast state and the relative electrical conductivity, expressed by the IACS value, are given for each alloy.
  • the metal costs resulting from the alloy composition are standardized to the metal costs of pure copper (sample no. 1).
  • Sample No. 2 is a reference alloy with 99% copper and 1% silver. This alloy has attractive properties in terms of strength and conductivity, but due to the high metal costs, it can only be used economically in very special applications.
  • Sample No. 3 is a copper alloy with approximately 0.5% silver, 0.5% nickel and 0.5% zinc. This alloy achieves a strength that is approx. 35% higher than that of pure copper.
  • the electrical conductivity is 68% IACS.
  • Sample No. 4 is a copper alloy with approximately 0.1% silver, 0.1% nickel and 0.1% zinc. This alloy achieves a strength that is approx. 20% higher than that of pure copper.
  • the electrical conductivity is 91% IACS.
  • the relative increase in strength is thus significantly greater than the relative Decrease in electrical conductivity.
  • This surprising combination of properties of the alloy is not to be expected from the individual contributions of the individual alloy elements.
  • the relative increase in metal costs is less than the relative increase in strength and can therefore be compensated for, for example, by reducing the cross section of the conductor bars. This alloy thus offers a very attractive combination of properties for use in cast squirrel cage rotors.
  • Sample No. 5 is a copper alloy with approximately 0.1% silver, 0.13% tin and 0.1% nickel. This alloy achieves a strength that is approx. 20% higher than that of pure copper.
  • the electrical conductivity is 84% IACS.
  • the relative increase in strength is therefore greater than the relative decrease in electrical conductivity. This surprising combination of properties of the alloy is not to be expected from the individual contributions of the individual alloy elements.
  • the relative increase in metal costs is less than the relative increase in strength.
  • Sample No. 6 is a copper alloy with approximately 0.1% silver, 0.1% zinc and 0.1% aluminum. This alloy achieves a strength that is approx. 6% higher than that of pure copper.
  • the electrical conductivity is 84% IACS. Due to the elements Zn and Al, this alloy is an inexpensive alternative.
  • Sample No. 7 is a copper alloy with approximately 0.1% tin, 0.1% zinc and 0.1% aluminum. This alloy achieves a strength that is approx. 8% higher than that of pure copper. The electrical conductivity is 78% IACS. Since this alloy does not contain silver, it is a particularly inexpensive alternative.

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Description

  • Die Erfindung betrifft Kupfergusslegierungen sowie daraus mittels Urformverfahren hergestellte, stromführende Konstruktionsteile. Insbesondere betrifft die Erfindung gegossene Käfigläufer für Asynchronmaschinen.
  • Bereits aus der Patentschrift DE 503 187 ist bekannt, Käfigläufer für Asynchronmaschinen durch gleichzeitiges Gießen der Läuferstäbe und der Kurzschlussringe herzustellen. Läuferstäbe und Kurzschlussringe sind damit als einstückiges Bauteil ausgeführt, dessen Werkstoff sich im Gusszustand befindet. Als mögliche Gießverfahren sind beispielsweise in DE 43 29 679 C2 der Druckguss, in US 7,337,526 B2 der Vollformguss und in US 2,304,067 der Schleuderguss genannt. Kupfer und Kupferlegierungen sind aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit wichtige Werkstoffe für die Herstellung von gegossenen Käfigläufern. Da sich der Werkstoff im Gusszustand befindet, ist er leicht verformbar. Deshalb kommt der Festigkeitssteigerung des Kupferwerkstoffs durch Legierungselemente eine große Bedeutung zu. Andererseits ist erwünscht, dass die elektrische Leitfähigkeit durch die Legierungselemente nur wenig reduziert wird. Ferner muss der Werkstoff eine gute Gießbarkeit aufweisen. Als Legierungsbestandteile werden oft Zirkon und/oder Chrom verwendet. In JP 56010059 A wird für das Druckgussverfahren eine Kupferlegierung vorgeschlagen, die Zink, Chrom, Zirkon und Titan enthält.
  • Weitere Kupferlegierungen für Käfigläufer sind im Zusammenhang mit Herstellverfahren bekannt, bei denen der Käfigläufer nicht einstückig gegossen wird, sondern aus einzelnen Komponenten zusammengebaut wird. Dabei werden die Leiterstäbe und/oder die Kurzschlussringe mittels umformtechnischer Verfahren hergestellt. So wird beispielsweise in GB 949,570 für stromführende Teile eine kalt umgeformte und wärmebehandelte Kupferlegierung vorgeschlagen, die zwischen 0,1 % und 0,25 % Zirkon enthält. In JP 58006950 A wird eine Kupferlegierung vorgeschlagen, die Eisen, Zink und optional Zinn und Phosphor enthält. Der aus dieser Legierung hergestellte Käfigläufer wird aus einem warmgewalzten Band gefertigt. In DE 100 14 643 C2 werden für die Kurzschlussringe die Legierungen CuCrZr und CuNi vorgeschlagen, wobei letztere zur Erzielung einer durch Ausscheidungshärtung erhöhten Festigkeit durch weitere Elemente wie beispielsweise Silicium ergänzt werden kann. In DE 10 2009 018 951 A1 sind Käfigläufer vorgeschlagen, bei denen die Kurzschlussringe aus einer Kupfer-Silber-Legierung bestehen. Der DE 33 24 687 A1 ist der Vorschlag zu entnehmen, die Leiterstäbe aus einer Kupfer-Silber-Legierung zu fertigen. In der gleichen Schrift wird alternativ auch eine Kupfer-Zink-Legierung vorgeschlagen. EP 0 652 624 A1 beschreibt einen mehrteiligen Aufbau der Leiterstäbe. Für den in Radialrichtung äußeren, keilartigen Teil werden verschiedene Kupferlegierungen vorgeschlagen, deren Leitfähigkeit mit mindestens 20% IACS charakterisiert ist. Der Fachmann kann der Schrift keinen Hinweis auf die Gießbarkeit der Legierungen entnehmen.
  • JP 2011 027280 A offenbart eine Kupferlegierung mit 0,1 bis 2 Gew.-% Aluminium, Zinn von 0,1 Gew.-% bis zum Aluminiumgehalt, Zink von 0,05 Gew.-% bis zum Aluminiumgehalt und Phosphor von 0,001 bis 0,1 Gew.-%. Aus der Legierung werden Rohre für Wärmetauscher hergestellt.
  • Durch umformtechnische Verfahren bearbeitete Kupferwerkstoffe zeichnen sich durch eine höhere Festigkeit als Kupferwerkstoffe im Gusszustand aus. Aus dem oben genannten Stand der Technik kann der Fachmann also keinen Hinweis entnehmen, welche Kupferlegierung auch im Gusszustand eine günstige Eigenschaftskombination hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit aufweist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, hinsichtlich Festigkeit, Leitfähigkeit und Gießbarkeit verbesserte Kupfergusslegierungen sowie hinsichtlich Festigkeit und Leitfähigkeit verbesserte stromführende Konstruktionsteile anzugeben. Insbesondere soll die Erfindung verbesserte, einstückig gegossene Käfigläufer für Asynchronmaschinen angeben. Dabei soll die Auswahl der Legierungselemente auch im Hinblick auf Auswirkungen für Gesundheit und Umwelt erfolgen. Insbesondere sollen Blei und Cadmium vermieden werden.
  • Die Erfindung wird bezüglich einer Kupferlegierung durch die Merkmale des Anspruchs 1, bezüglich eines Konstruktionsteils durch die Merkmale des Anspruchs 10 und alternativ des Anspruchs 12 und bezüglich eines Käfigläufers durch die Merkmale des Anspruchs 11 und alternativ des Anspruchs 13 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die Erfindung schließt Kupferlegierungen mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-% ein:
    • 0,05 bis 0,5 % Ag, jeweils 0,05 bis 0,5 % von mindestens zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht,
    • Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    • optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Festigkeit von Metallen durch den Einbau von Fremdatomen gesteigert wird. Insbesondere für Gusslegierungen ist dieser Effekt interessant, weil auf diese Weise ohne weitere Umformschritte bereits hohe Festigkeitswerte erreicht werden können. Eine besonders große Wirkung auf die Mischkristallverfestigung bei Kupfer haben die Elemente Al, Sn, Ni und Zn. Wenn die Festigkeit von Reinkupfer durch Mischkristallverfestigung gesteigert werden soll, ist der Zusatz von Al und Sn besonders verfolgenswert. Es ist ferner bekannt, dass der Zusatz von Legierungselementen grundsätzlich die elektrische und thermische Leitfähigkeit von Reinkupfer verschlechtert. Im Gebiet der Mischkristallbildung wird die Leitfähigkeit von Kupfer durch die Elemente Zn, Ag, Ni, Sn und Al jedoch relativ wenig beeinflusst. Soll die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer möglichst wenig beeinträchtigt werden, ist der Zusatz von Zn und Ag besonders verfolgenswert. Durch eine geeignete Auswahl von mindestens drei Elementen aus der Gruppe, die aus den Elementen Ag, Ni, Zn, Sn und Al besteht, kann ein Gusswerkstoff gefunden werden, der eine besonders günstige Kombination von Festigkeit und Leitfähigkeit besitzt. Der Gehalt der einzelnen Elemente sollte dabei mindestens 0,05 Gew.-% und höchstens 0,5 Gew.-% betragen. Bei Elementgehalten kleiner als 0,05 Gew.-% ist die Wirkung der Legierungselemente zu gering. Bevorzugt kann auch bei weniger als fünf Legierungselementen die Summe der Elementgehalte mindestens 0,25 Gew.-% sein. Bei Elementgehalten größer als 0,5 Gew.-% kann es zu einem unerwünschten Entmischen der Legierung beziehungsweise zu Seigerungen kommen. Um solche Effekte sicher zu vermeiden, kann der Gehalt der einzelnen Elemente bevorzugt höchstens 0,3 Gew.-% betragen. Durch das Zulegieren von drei oder mehr Elementen entsteht eine Legierung, deren Schmelzintervall größer ist als das Schmelzintervall von Legierungen mit weniger Elementen. Dies wirkt sich günstig auf die Gießbarkeit des Werkstoffs aus. Bevorzugt enthält die Kupferlegierung das Element Sn. Dadurch ergeben sich besonders günstige Eigenschaften. Die Kupferlegierung enthält das Element Ag. Dadurch ergeben sich besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit. Optional kann der Legierung 0,01 bis 0,2 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht, zugegeben werden. Diese Elemente bewirken eine Kornfeinung des Gussgefüges und erhöhen so die Festigkeit des Gusswerkstoffs. Durch Desoxidation der Schmelze können sie ferner die Gasaufnahme reduzieren. Um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Elementen zu vermeiden, kann die Summe der Gehalte der Elemente Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb auf maximal 0,5 Gew.-% beschränkt sein. Alternativ kann der Gehalt der einzelnen Elemente auf maximal 0,07 Gew.-% beschränkt sein.
  • Bevorzugt kann die Kupferlegierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    • 0,05 bis 0,5 % Ag, jeweils 0,05 bis 0,5 % von zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht,
    • Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    • optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
    Die Zugabe von genau drei Legierungselementen aus der Gruppe, die aus den Elementen Ag, Ni, Zn, Sn und Al besteht, ermöglicht eine ausreichende Variation der Parameter, um einen Gusswerkstoff zu finden, der eine besonders günstige Kombination von Festigkeit und Leitfähigkeit besitzt. Bei genau drei Legierungselementen kann die Legierung leicht kontrollierbar hergestellt werden. Die Kupferlegierung enthält das Element Ag. Dadurch ergeben sich besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit. Die anderen beiden Legierungselemente sind dann aus der Gruppe auszuwählen, die aus den Elementen Ni, Zn, Sn und Al besteht. Folgende Kombinationen von Legierungselementen haben sich als besonders attraktiv erwiesen:
    1. a) Kupferlegierung mit jeweils 0,05 - 0,5 Gew.-% aus Ag, Ni, Zn
    2. b) Kupferlegierung mit jeweils 0,05 - 0,5 Gew.-% aus Ag, Sn, Ni
    3. c) Kupferlegierung mit jeweils 0,05 - 0,5 Gew.-% aus Ag, Zn, Al Bevorzugt ist der Ag-Anteil hierbei maximal 0,15 Gew.-%.
      Überraschenderweise ergibt auch folgende Kombination von Elementen eine Legierung mit günstigen Eigenschaften:
    4. d) Kupferlegierung mit jeweils 0,05 - 0,5 Gew.-% aus Sn, Zn, Al.
  • Zu den vorstehend mit a), b), c) und d) bezeichneten Legierungen können optional 0,01 bis 0,2 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe hinzutreten, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  • Bevorzugt kann die Kupferlegierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    • 0,06 bis 0,3 % Ag, jeweils 0,06 bis 0,3 % von zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht,
    • Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    • optional 0,01 bis 0,2 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
    Bezüglich der Elemente aus der Gruppe, die aus Ag, Ni, Zn, Sn und Al besteht, ist bei Gehalten kleiner als 0,06 Gew.-% die Steigerung der Festigkeit nicht immer ausreichend. Bei Elementgehalten größer als 0,3 Gew.-% kann die elektrische Leitfähigkeit zu stark reduziert sein, beispielsweise unter 70 % IACS. Bevorzugt beträgt die Summe der Anteile der Elemente aus der Gruppe, die aus Ag, Ni, Zn, Sn und Al besteht, mindestens 0,20 Gew.-% und maximal 0,75 Gew.-%. Damit ergeben sich Legierungen mit besonders günstigen Eigenschaftskombinationen bezüglich Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit im Gusszustand. Besonders bevorzugt ist der Ag-Anteil aus Kostengründen maximal 0,15 Gew.-%.
  • Besonders bevorzugt kann die Kupferlegierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    • 0,06 bis 0,15 % Ag, jeweils 0,06 bis 0,15 % von zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht,
    • Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    • optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  • Bezüglich der Elemente aus der Gruppe, die aus Ag, Ni, Zn, Sn und Al besteht, ist bei Gehalten kleiner als 0,06 Gew.-% die Steigerung der Festigkeit nicht immer ausreichend. Bei Elementgehalten größer als 0,15 Gew.-% kann die elektrische Leitfähigkeit zu stark reduziert sein, beispielsweise unter 75 % IACS. Bevorzugt beträgt die Summe der Anteile der Elemente aus der Gruppe, die aus Ag, Ni, Zn, Sn und Al besteht, mindestens 0,20 Gew.-% und maximal 0,35 Gew.-%. Bevorzugt können bei der erfindungsgemäßen Kupferlegierung die Anteile der Legierungselemente so ausgewählt sein, dass das Verhältnis der Gewichtsanteile zweier beliebiger Legierungselemente aus der Gruppe, die aus Ag, Ni, Zn, Sn und Al besteht, maximal 1,5 beträgt. Das häufigere der beiden Legierungselemente bildet hierbei den Zähler des zu berechnenden Quotienten. Besonders bevorzugt beträgt dieses Gewichtsverhältnis maximal 1,3. Es hat sich hinsichtlich Festigkeit und Leitfähigkeit im Gusszustand als günstig erwiesen, wenn die Elemente, die aus der Gruppe, die aus Ag, Ni, Zn, Sn und Al besteht, für die jeweilige Legierung ausgewählt sind, in ungefähr gleichen Gewichtsanteilen zulegiert sind.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupferlegierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    Ag: 0,06 bis 0,5 %
    Ni: 0,06 bis 0,5 %
    Zn: 0,06 bis 0,5 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht. Eine derartige Legierung weist eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 68 % IACS auf und kann die Festigkeit von Reinkupfer um bis zu 35 % übertreffen.
  • In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupferlegierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    Ag: 0,06 bis 0,15 %
    Ni: 0,06 bis 0,15 %
    Zn: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht. Eine derartige Legierung weist mit ungefähr 90 % IACS eine elektrische Leitfähigkeit auf, die ungefähr gleich zu einer Kupferlegierung ist, die 1 Gew.-% Ag enthält (CuAg1). Die Steigerung der Festigkeit gegenüber Reinkupfer beträgt im Gusszustand ungefähr 20 %. Damit weist eine solche Legierung eine sehr günstige Kombination von Eigenschaften auf. Die relative Steigerung der Festigkeit ist größer als die relative Abnahme der Leitfähigkeit. Aufgrund der geringen Legierungsanteile liegt die Legierung auf dem Kostenniveau handelsüblicher Kupferlegierungen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupferlegierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    Ag: 0,06 bis 0,15 %
    Sn: 0,06 bis 0,15 %
    Ni: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht. Eine derartige Legierung weist eine elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 85 % IACS auf. Die Steigerung der Festigkeit gegenüber Reinkupfer beträgt im Gusszustand ungefähr 20 %. Damit weist eine solche Legierung eine sehr günstige Kombination von Eigenschaften auf. Die relative Steigerung der Festigkeit ist größer als die relative Abnahme der Leitfähigkeit. Aufgrund der geringen Legierungsanteile liegt die Legierung auf dem Kostenniveau handelsüblicher Kupferlegierungen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupferlegierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    Ag: 0,06 bis 0,15 %
    Zn: 0,06 bis 0,15 %
    Al: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht. Eine derartige Legierung weist eine elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 85 % IACS auf. Die Steigerung der Festigkeit gegenüber Reinkupfer beträgt im Gusszustand ungefähr 10 %. Aufgrund der Elemente Zn und Al stellt diese Legierung eine kostengünstige Alternative dar.
  • Eine weitere vorteilhafte Kupferlegierung kann folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    Sn: 0,06 bis 0,15 %
    Zn: 0,06 bis 0,15 %
    Al: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht. Eine derartige Legierung weist eine elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 80 % IACS auf. Die Steigerung der Festigkeit gegenüber Reinkupfer beträgt im Gusszustand ungefähr 10 %. Da diese Legierung kein Silber enthält, stellt sie eine besonders kostengünstige Alternative dar.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft stromführende Konstruktionsteile aus Kupferlegierungen, wobei die Konstruktionsteile mittels eines urformtechnischen Verfahrens hergestellt sind und wobei die Kupferlegierungen folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen: 0,05 bis 0,5 % Ag, jeweils 0,05 bis 0,5 % von mindestens zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht, Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen, optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht. Alternativ kann die Kupferlegierung des Konstruktionsteils folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    Sn: 0,06 bis 0,15 %,
    Zn: 0,06 bis 0,15 %,
    Al: 0,06 bis 0,15 %,
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen, optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  • Solche Konstruktionsteile können beispielsweise Schalter, Kommutatoren, Schleifkörper, Stromschienen, Kontakte, Bürsten, Brücken, Komponenten für Schaltgeräte, Leiterstäbe oder Kurzschlussringe von Käfigläufern oder andere Bauteile sein. Unter urformtechnischen Verfahren werden Gießverfahren wie beispielsweise Druckguss, Feinguss, Vollformguss oder andere Verfahren verstanden. Im Gegensatz zum Kokillenguss, mit dem vorwiegend Ausgangsmaterial für die Halbzeugfertigung gegossen wird, hat bei den vorstehend genannten Gießverfahren der Gusskörper im Wesentlichen bereits die Gestalt des gewünschten Konstruktionsteils. Mittels Trennverfahren können ein oder mehrere weitere Bearbeitungsschritte durchgeführt werden, die die Gestalt des Konstruktionsteils geringfügig verändern. Beispiele hierfür sind das Abtrennen des Angusses oder die Nachbearbeitung der Oberfläche des Konstruktionsteils. Umformtechnische Bearbeitungsschritte, durch die der Werkstoff des Konstruktionsteils in einen anderen Zustand gebracht wird, schließen sich jedoch nicht an. Das fertige Konstruktionsteil befindet sich folglich im Gusszustand. Die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen weisen aufgrund der Mischkristallverfestigung im Gusszustand eine höhere Festigkeit auf als Reinkupfer. Die elektrische Leitfähigkeit ist gegenüber Reinkupfer verhältnismäßig wenig reduziert. Die erfindungsgemäßen Legierungen weisen ferner eine gute Gießbarkeit aus: Sie zeigen nur eine geringe Tendenz zur Gasaufnahme und sind durch ein gutes Formfüllvermögen gekennzeichnet. Durch eine geeignete Auswahl der Legierungselemente und der Legierungszusammensetzung kann eine auf die jeweilige Anwendung angepasste Legierung gefunden werden. Insbesondere kann der Gehalt an Ag auf 0,15 Gew.-% beschränkt werden. Die Metallkosten der erfindungsgemäßen Legierungen sind gegenüber Reinkupfer um maximal 15 % erhöht. Durch urformtechnische Verfahren hergestellte Konstruktionsteile weisen einen geringeren Herstellaufwand auf als Konstruktionsteile, die aus Halbzeugen gefertigt sind. Die Gesamtkosten der erfindungsgemäßen Konstruktionsteile können folglich günstiger sein als die Gesamtkosten anderer Konstruktionsteile. Optional kann die erfindungsgemäße Legierung 0,01 bis 0,2 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe enthalten, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht. Diese Elemente bewirken eine Kornfeinung des Gussgefüges und erhöhen so die Festigkeit des Gusswerkstoffs. Durch Desoxidation der Schmelze können sie ferner die Gasaufnahme reduzieren.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Käfigläufer mit mehreren Leiterstäben und zwei Kurzschlussringen, die aus einer Kupferlegierungen einstückig gegossen sind. Erfindungsgemäß weist die Kupferlegierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% auf: 0,05 bis 0,5 % Ag, jeweils 0,05 bis 0,5 % von mindestens zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht, Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen, optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht. Alternativ kann die Kupferlegierung des Käfigläufers folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen:
    Sn: 0,06 bis 0,15 %,
    Zn: 0,06 bis 0,15 %,
    Al: 0,06 bis 0,15 %,
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen, optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, Leiterstäbe und Kurzschlussringe von Käfigläufern einstückig zu gießen. Geeignete Gießverfahren hierfür können Druckguss, Feinguss, Vollformguss und andere Verfahren sein. Aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit sind Kupferlegierungen für die Herstellung von Käfigläufern gut geeignet. Da aufgrund der hohen Drehzahlen der Asynchronmaschinen große Kräfte insbesondere auf die Leiterstäbe der Käfigläufer wirken, müssen die verwendeten Kupferlegierungen bereits im Gusszustand eine hohe Festigkeit aufweisen. Besonders geeignet sind deshalb Kupferlegierungen, die folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweisen: 0,05 bis 0,5 % Ag, jeweils 0,05 bis 0,5 % von mindestens zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht, Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen weisen aufgrund der Mischkristallverfestigung im Gusszustand eine höhere Festigkeit auf als Reinkupfer. Die elektrische Leitfähigkeit ist gegenüber Reinkupfer verhältnismäßig wenig reduziert. Die erfindungsgemäßen Legierungen weisen ferner eine gute Gießbarkeit auf: Sie zeigen nur eine geringe Tendenz zur Gasaufnahme und sind durch ein gutes Formfüllvermögen gekennzeichnet. Optional kann die erfindungsgemäße Legierung 0,01 bis 0,2 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe enthalten, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht. Diese Elemente bewirken eine Kornfeinung des Gussgefüges und erhöhen so die Festigkeit des Gusswerkstoffs. Durch eine geeignete Auswahl der Legierungselemente und der Legierungszusammensetzung kann eine auf die jeweilige Anwendung angepasste Legierung gefunden werden. Insbesondere erweisen sich folgende Legierungen als vorteilhaft:
    Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
    Ag: 0,06 bis 0,15 %
    Ni: 0,06 bis 0,15 %
    Zn: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen;
    Alternativ: Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
    Ag: 0,06 bis 0,15 %
    Sn: 0,06 bis 0,15 %
    Ni: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen;
    Alternativ: Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
    Ag: 0,06 bis 0,15 %
    Zn: 0,06 bis 0,15 %
    Al: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen;
    Alternativ: Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
    Sn: 0,06 bis 0,15 %
    Zn: 0,06 bis 0,15 %
    Al: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Zu jeder der vorgenannten Legierungen kann optional 0,01 bis 0,2 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht, hinzutreten. Die Metallkosten der erfindungsgemäßen Legierungen sind gegenüber Reinkupfer um maximal 15 % erhöht.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Tabelle 1 zeigt eine Zusammenstellung der untersuchten Legierungen. Es ist für jede Legierung die Zusammensetzung der Probe, die ermittelte Zugfestigkeit Rm im Gusszustand und die relative elektrische Leitfähigkeit, ausgedrückt durch den IACS-Wert, angegeben. Die Metallkosten, die sich aus der Legierungszusammensetzung rechnerisch ergeben, sind auf die Metallkosten von reinem Kupfer (Probe Nr. 1) normiert. Tabelle 1: Charakterisierung der untersuchten Proben
    Nr. Legierung Cu Ag Sn Ni Zn Al Zugfestigkeit Rm IACS Metallkosten
    Gew.-% Gew.-% Gew.-% Gew.-% Gew.-% Gew.-% MPa normiert
    1 Cu 100 0 0 0 0 0 161 99% 1
    2 CuAg1 99,0 1,00 0 0 0 0 233 92% 2,27
    3 CuAgNiZn 98,6 0,48 0 0,45 0,48 0 215 68% 1,61
    4 CuAgNiZn 99,7 0,10 0 0,10 0,11 0 192 91% 1,13
    5 CuAgSnNi 99,7 0,12 0,13 0,09 0 0 193 84% 1,15
    6 CuAgZnAl 99,7 0,10 0 0 0,10 0,09 170 84% 1,13
    7 CuSnZnAl 99,7 0 0,12 0 0,11 0,12 174 78% 1
  • Probe Nr. 2 ist eine Referenzlegierung mit 99 % Kupfer und 1 % Silber. Diese Legierung hat hinsichtlich Festigkeit und Leitfähigkeit attraktive Eigenschaften, aufgrund der hohen Metallkosten ist sie jedoch nur in ganz speziellen Anwendungsfällen wirtschaftlich einsetzbar.
  • Probe Nr. 3 ist eine Kupferlegierung mit ungefähr 0,5 % Silber, 0,5 % Nickel und 0,5 % Zink. Mit dieser Legierung wird eine Festigkeit erreicht, die ca. 35 % über der von Reinkupfer liegt. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 68 % IACS.
  • Probe Nr. 4 ist eine Kupferlegierung mit ungefähr 0,1 % Silber, 0,1 % Nickel und 0,1 % Zink. Mit dieser Legierung wird eine Festigkeit erreicht, die ca. 20 % über der von Reinkupfer liegt. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 91 % IACS. Die relative Steigerung der Festigkeit ist damit deutlich größer als die relative Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit. Diese überraschende Eigenschaftskombination der Legierung ist aus den individuellen Beiträgen der einzelnen Legierungselemente nicht zu erwarten. Die relative Steigerung der Metallkosten ist geringer als die relative Steigerung der Festigkeit und kann somit beispielsweise durch eine Reduktion des Querschnitts der Leiterstäbe kompensiert werden. Damit bietet diese Legierung eine sehr attraktive Kombination von Eigenschaften für die Verwendung in gegossenen Käfigläufern von Asynchronmaschinen.
  • Probe Nr. 5 ist eine Kupferlegierung mit ungefähr 0,1 % Silber, 0,13 % Zinn und 0,1 % Nickel. Mit dieser Legierung wird eine Festigkeit erreicht, die ca. 20 % über der von Reinkupfer liegt. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 84 % IACS. Die relative Steigerung der Festigkeit ist damit größer als die relative Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit. Diese überraschende Eigenschaftskombination der Legierung ist aus den individuellen Beiträgen der einzelnen Legierungselemente nicht zu erwarten. Die relative Steigerung der Metallkosten ist geringer als die relative Steigerung der Festigkeit.
  • Probe Nr. 6 ist eine Kupferlegierung mit ungefähr 0,1 % Silber, 0,1 % Zink und 0,1 % Aluminium. Mit dieser Legierung wird eine Festigkeit erreicht, die ca. 6 % über der von Reinkupfer liegt. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 84 % IACS. Aufgrund der Elemente Zn und Al stellt diese Legierung eine kostengünstige Alternative dar.
  • Probe Nr. 7 ist eine Kupferlegierung mit ungefähr 0,1 % Zinn, 0,1 % Zink und 0,1 % Aluminium. Mit dieser Legierung wird eine Festigkeit erreicht, die ca. 8 % über der von Reinkupfer liegt. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 78 % IACS. Da diese Legierung kein Silber enthält, stellt sie eine besonders kostengünstige Alternative dar.

Claims (13)

  1. Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
    0,05 bis 0,5 % Ag,
    jeweils 0,05 bis 0,5 % von mindestens zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht,
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  2. Kupferlegierung gemäß Anspruch 1 mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
    jeweils 0,05 bis 0,5 % von zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht,
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  3. Kupferlegierung gemäß Anspruch 2 mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
    0,06 bis 0,3 % Ag,
    jeweils 0,06 bis 0,3 % von zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht,
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  4. Kupferlegierung gemäß Anspruch 3 mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
    0,06 bis 0,15 % Ag,
    jeweils 0,06 bis 0,15 % von zwei Elementen aus der Gruppe, die aus Ni, Zn, Sn und Al besteht,
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  5. Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gewichtsanteile jeweils zweier Legierungselemente aus der Gruppe, die aus Ag, Ni, Zn, Sn und Al besteht, maximal 1,5 beträgt.
  6. Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 2 oder 5 mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]: Ag: 0,06 bis 0,5 % Ni: 0,06 bis 0,5 % Zn: 0,06 bis 0,5 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  7. Kupferlegierung gemäß Anspruch 6 mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]: Ag: 0,06 bis 0,15 % Ni: 0,06 bis 0,15 % Zn: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  8. Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5 mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]: Ag: 0,06 bis 0,15 % Sn: 0,06 bis 0,15 % Ni: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  9. Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5 mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]: Ag: 0,06 bis 0,15 % Zn: 0,06 bis 0,15 % Al: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht.
  10. Stromführendes Konstruktionsteil aus einer Kupferlegierung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konstruktionsteil mittels eines urformtechnischen Verfahrens hergestellt ist.
  11. Käfigläufer aus einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Käfigläufer mehrere Leiterstäbe und zwei Kurzschlussringe umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstäbe und die Kurzschlussringe einstückig gegossen sind.
  12. Stromführendes Konstruktionsteil aus einer Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]: Sn: 0,06 bis 0,15 % Zn: 0,06 bis 0,15 % Al: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Konstruktionsteil mittels eines urformtechnischen Verfahrens hergestellt ist.
  13. Käfigläufer aus einer Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]: Sn: 0,06 bis 0,15 % Zn: 0,06 bis 0,15 % Al: 0,06 bis 0,15 %
    Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
    optional 0,01 bis 0,2 % von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe, die aus Mg, Ti, Zr, B, P, As, Sb besteht,
    wobei der Käfigläufer mehrere Leiterstäbe und zwei Kurzschlussringe umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstäbe und die Kurzschlussringe einstückig gegossen sind.
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