EP3198048B1 - Elektroklemmen - Google Patents

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EP3198048B1
EP3198048B1 EP15756842.9A EP15756842A EP3198048B1 EP 3198048 B1 EP3198048 B1 EP 3198048B1 EP 15756842 A EP15756842 A EP 15756842A EP 3198048 B1 EP3198048 B1 EP 3198048B1
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EP
European Patent Office
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alloy
connection element
electrical connection
copper
leg
Prior art date
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EP15756842.9A
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EP3198048A1 (de
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Timo ALLMENDINGER
Kai Weber
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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Publication date
Application filed by Wieland Werke AG filed Critical Wieland Werke AG
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Publication of EP3198048B1 publication Critical patent/EP3198048B1/de
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    • 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
    • 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 an electrical clamp containing a copper-zinc alloy according to the preamble of claim 1.
  • CN103589903A discloses the tubes made of a copper alloy, consisting of (in% by weight): 63.0-66.0% Cu, 0.6-1.2% Al, ⁇ 0.7% Ni, 1.6-2.4% Mn, ⁇ 0.5% Fe, 0.8-1.3% Si , ⁇ 0.1% Pb and balance Cu.
  • bronze materials are used, which are characterized by a fine microstructure with a grain size of maximum 3 ⁇ m.
  • significantly high mechanical strengths are achieved with greatly improved forming properties.
  • processors can achieve correspondingly tight bending radii.
  • the improved flexibility also means that the roughness in the forming zones is significantly less than when using standard bronze. Subsequent coatings with a lower layer thickness can thus be carried out, which can result in considerable cost savings in further processing.
  • the electrical conductivity is identical to that of standard bronzes and is approximately 7.5 to 12 MS / m.
  • Another precipitation-hardening CuNi1CoSi alloy with Ni-Co mixed silicides is also very suitable for economical miniaturization of connectors.
  • the material is high-strength, has a comparatively good electrical and thermal conductivity at 29 MS / m and is easy to process.
  • the materials described are particularly suitable for processing on punching / bending machines and can only be machined with great effort.
  • CuPb1P is another easily machinable machine material that also has a high electrical conductivity of around 50 MS / m. It is particularly suitable for connectors and other electronic applications.
  • the range of alloys is rounded off by further precipitation hardening materials.
  • These include, for example, CuNi1Pb1P and CuNiPb0.5P as a low-alloy copper material with high strength, good conductivity of at least 32 MS / m and good machinability.
  • the Pb component makes the material particularly suitable for machined plug contacts in electrical engineering and electronics.
  • the invention has for its object to develop an electrical clamp from a low-lead or lead-free copper alloy.
  • iron-nickel-manganese-containing mixed silicides are embedded in the matrix.
  • the structure consists of an ⁇ matrix, which contains deposits of 5 to 45% by volume of the ⁇ phase and mixed silicides containing iron-nickel-manganese of up to 20% by volume.
  • the structure contains the iron-nickel-manganese-containing mixed silicides with a stem-like form and iron-nickel-enriched mixed silicides with a globular shape.
  • alloy composition according to the invention is suitable for electrical terminals. So far, such alloys have been used in accordance with the German published patent application DE 10 2007 029 991 A1 the applicant is only intended for use for sliding elements in internal combustion engines, transmissions or hydraulic units.
  • the invention is based on the consideration of providing an electrical clamp with a copper-zinc alloy with embedded iron-nickel-manganese-containing mixed silicides, which can be produced in particular with the aid of the continuous or semi-continuous continuous casting process. Due to the mixed silicide formation and microstructure formation, the copper-zinc alloy has a very high electrical conductivity for this group of materials.
  • the alloy also has high hardness and strength values, nevertheless a necessary degree of ductility, expressed by the elongation at break during a tensile test, is guaranteed.
  • the subject of the invention proves to be particularly suitable for electrical terminals, optionally also with screw connections.
  • iron and nickel-rich mixed silicides are first separated out. With further growth, these precipitates can grow into mixed silicides containing iron-nickel-manganese of considerable size, often in the form of stalks. Furthermore, a considerable proportion remains rather small with a globular shape, which is finely distributed in the matrix. The finely divided silicides are seen as the reason that the ⁇ phase is stabilizing.
  • the alloy has a high ductility during cold forming. In the case of electrical clamps, this is particularly important in crimping, in which the material is usually subjected to severe plastic deformation. This enables the material to be flanged, squeezed or folded with almost any degree of deformation, without the formation of cracks in the material.
  • the material is also particularly suitable for machined electrical terminals.
  • the good machinability is already achieved with a beta phase of 5% by volume. Up to 45 vol.% Of the ⁇ -phase, the chip formation during the machining process also improves at higher contents, by desirably forming short chips. With a ⁇ -phase content of less than 5% by volume, machinability is no longer satisfactory when used as an automatic material for high machining rates. With a ⁇ -phase content of over 45% by volume, it can be seen that the toughness of the material and the temperature resistance of the structure deteriorate. The final state of the alloy from the respective manufacturing process leads to a ⁇ phase, which is embedded in an island structure in an ⁇ matrix. Such ⁇ -phase islands are particularly favorable for the machinability and the corrosion resistance of the alloy.
  • the particular advantage of the alloy according to the invention is thus based on a combination of properties optimized for the intended use in the form of an increase in the strength, the temperature resistance of the structure and the electrical conductivity with sufficient toughness properties at the same time.
  • the material solution claimed takes into account the need for an environmentally friendly lead-free alloy alternative due to the lead content substituted for conventional alloys.
  • this material is predestined for special applications where, despite high demands on hardness and strength, a necessary degree of plasticizability is required.
  • the final relaxation annealing is preferably carried out at 300 ° C. to 400 ° C. for 3 to 4 hours.
  • the copper-zinc alloy can contain 33.5 to 36.0% Zn. With these higher zinc contents, the toughness properties and good electrical conductivity required for electrical clamps can still be achieved.
  • the proportion of further elements, in particular the copper proportion, is correspondingly reduced by the highest possible zinc content. With the consequence that the alloy results in a correspondingly lower metal price due to a higher proportion of cheaper zinc.
  • the electrical conductivity of the alloy can advantageously be at least 5.8 MS / m. Particularly preferred conductivities are at least 10 MS / m to over 13 MS / m. These values are not achieved by comparable materials, such as the brass containing lead. Even values above 13 MS / m can be set by suitable further processing steps.
  • the structure consisting of an ⁇ matrix, which contains deposits of 5 to 45% by volume in the ⁇ phase and mixed silicides containing iron-nickel-manganese up to 20% by volume after further processing, which includes at least one hot forming and / or cold forming and optionally further annealing steps.
  • this alloy ensures an advantageous temperature resistance of the structure with sufficient toughness properties for the manufacture of the electrical clamp.
  • the relationship between the level and distribution of the proportion of the ⁇ phase and the temperature resistance of the structure is the relationship between the level and distribution of the proportion of the ⁇ phase and the temperature resistance of the structure.
  • this cubic, body-centered type of crystal has an indispensable strength-increasing function in the copper-zinc alloys, the minimization of the ⁇ content should not be the only focus.
  • the structure of the copper-zinc alloy can be modified in such a way that, in addition to high strength, it also has sufficient temperature resistance, ductility and good electrical conductivity.
  • At least one relaxation annealing in a temperature range from 250 to 450 ° C. and preferably an annealing time of 2 to 5 hours can follow in the further processing after the shaping.
  • Cast bolts of the copper-zinc alloy according to the invention were produced by continuous casting or permanent mold casting.
  • the chemical composition of the continuous casting of alloy 1 and the die casting of alloys 2 and 3 is shown in Table 1.
  • Table 1 Chemical composition of the casting bolts or casting blocks (in% by weight) without indication of possible impurities Cu [%] Zn [%] Si [%] Mn [%] Ni [%] Sn [%] Al [%] Fe [%] Leg. 1 64.0 31.1 1.0 2.0 0.6 ⁇ 0.01 0.9 0.4 Leg. 2 64.0 30.8 1.1 2.1 0.6 - 0.9 0.5 Leg. 3 61.6 34.8 0.7 1.7 0.3 - 0.5 0.4
  • Table 2 Structure parameters, electrical conductivity and mechanical properties at two positions of the pipes in the final state (Leg. 1) ⁇ content [%] Grain size [ ⁇ m] Electrical conductivity [MS / m] Rm [MPa] R p0.2 [MPa] Elongation at break A5 [%] Hardness HB 5 15-20 11.4 640 560 14.5 201 15-20 20-25 11.2 647 572 13.2 199
  • Table 3 Structure parameters, electrical conductivity and mechanical properties of the round bars in the final state (Leg. 1) Round rod ⁇ [mm] ⁇ content [%] Grain size [ ⁇ m] Electrical conductivity [MS / m] R m [MPa] R p0.2 [MPa] Elongation at break A5 [%] Hardness HB 13.40 5 20-25 11.4 607 512 12.4 191 16.35 15-20 25 10.9 638 549 12.0 199 45.50 10-15 25 10.7 570 420 20.1 172
  • the characteristic value for the electrical conductivity can be further increased for the formats of alloys 2 and 3 produced according to production sequence 5 by an additional stress relief annealing carried out at a temperature of 250 to 450 ° C.
  • the ⁇ content is between 5-20% in all 5 production sequences. Further investigations show that the ⁇ contents are preferably between 5-30%.
  • the island-like formation of the ⁇ phase in the final state of production, embedded in a structure of an ⁇ matrix, can appear in somewhat different forms. With increasingly lower contents of the ⁇ -phase, islands that are isolated from each other appear, which in the limit case can form a kind of gusset filling compared to the crystallites of the ⁇ -matrix.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektroklemme enthaltend eine Kupfer-Zink-Legierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • DE 297 12 696 U1 offenbart Vorrichtungen zum Verbinden eines Kabels mit dem Körper einer Maschine mit Hilfe von Anschlussteilen. CN103589903A offenbart die Rohre aus einer Kupfer Legierung, bestehend aus (in Gew.%): 63.0-66.0% Cu, 0.6-1.2% Al, <0.7% Ni, 1.6-2.4% Mn, < 0.5% Fe, 0.8-1.3% Si, <0.1% Pb und Rest Cu.
  • Zahlreiche neue Automobilanwendungen für Sicherheit, Komfort und Leistung lassen sich nur durch den gezielten Einsatz von elektronischen Funktionen und Komponenten realisieren. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Steckverbinder und damit an die eingesetzten Werkstoffe ist in den letzten Jahren ein Trend hin zu Kupfer-Hochleistungslegierungen zu erkennen. Diese ausscheidungshärtenden Kupferwerkstoffe zeichnen sich durch hohe mechanische Festigkeit, hohe Leitfähigkeit und gute Verformbarkeit aus. Ausgehend von der ersten Generation der Cu-HP-Legierungen, beispielsweise CuNi3SiMg mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwas über 20 MS/m, musste die Eigenschaftskombination einer hohen Festigkeit und hohen Leitfähigkeit weiter optimiert werden.
  • Ein Schritt in diese Richtung war zunächst die Entwicklung von ausscheidungshärtenden Kupferlegierungen, beispielsweise basierend auf dem System CuCrAgFeTiSi mit 46 MS/m und Festigkeiten bis 610 MPa. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Legierung ist die sehr gute Relaxationsbeständigkeit des Werkstoffes im Einsatz bei erhöhten Temperaturen bis zu 200 °C. Mit diesem Legierungstyp können Anwendungen in den Bereichen Automotive, Industrieelektronik und Telekommunikation abgedeckt werden.
  • Zudem kommen Bronzewerkstoffe zum Einsatz, die sich durch eine feine Gefügestruktur mit einer Korngröße von maximal 3 µm auszeichnen. Hierdurch werden bereits wesentlich hohe mechanische Festigkeiten bei zugleich stark verbesserten Umformeigenschaften erreicht. Infolge der deutlich verbesserten Umformbarkeit können Verarbeiter entsprechend enge Biegeradien realisieren. Ebenso bewirkt die verbesserte Biegbarkeit, dass die Rauheit in den Umformzonen wesentlich geringer ist als bei Verwendung von Standardbronzen. So können nachfolgende Beschichtungen mit geringerer Schichtdicke ausgeführt werden, womit sich beträchtliche Kosteneinsparungen bei der Weiterverarbeitung erzielen lassen. Die elektrische Leitfähigkeit ist identisch mit der von Standardbronzen und liegt bei ungefähr 7,5 bis 12 MS/m.
  • Eine weitere ausscheidungshärtende CuNi1CoSi-Legierung mit Ni-Co-Mischsiliziden eignet sich ebenfalls sehr gut für eine wirtschaftliche Miniaturisierung von Steckverbindern. Der Werkstoff ist hochfest, besitzt mit 29 MS/m eine vergleichsweise gute elektrische und thermische Leitfähigkeit und lässt sich gut verarbeiten.
  • Die beschriebenen Werkstoffe eignen sich vor allem für die Verarbeitung auf Stanz-/Biegeautomaten und lassen sich nur mit großem Aufwand spanabhebend bearbeiten.
  • Weitere Kupferwerkstoffe in Form von Stangen und Drähten, die sich hervorragend für spanend herzustellende Buchsen und Pins für Steckverbinder eignen, sind auch im Werkstoffportfolio der kostengünstigen Messingwerkstoffen mit den Legierungen CuZn37Pb0,5, CuZn35Pb1, CuZn35Pb2, CuZn37Pb2, CuZn36Pb3 und CuZn39Pb3 bekannt, die für anspruchsvolle Anwendungen in der Herstellung gedrehter Steckverbinder Einsatz finden.
  • Abhängig von den technischen Anforderungen kommen in diesen Fällen Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, hoher mechanischer Festigkeit sowie beide dieser Eigenschaften in Kombination zum Einsatz. So ist auch CuPb1P ein weiterer gut zerspanbarer Automatenwerkstoff, der zugleich eine hohe elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 50 MS/m aufweist. Er eignet sich besonders für Steckverbinder und andere elektronische Anwendungen.
  • Neben den mischkristallhärtenden Legierungen wird das Legierungsspektrum durch weitere ausscheidungshärtende Werkstoffe abgerundet. Hierzu gehören beispielsweise CuNi1Pb1P und CuNiPb0,5P als niedriglegierter Kupferwerkstoff mit hoher Festigkeit, guter Leitfähigkeit von zumindest 32 MS/m sowie guter Zerspanbarkeit. Der Werkstoff eignet sich durch den Pb-Anteil besonders für zerspanend hergestellte Steckkontakte in der Elektrotechnik und Elektronik.
  • Auch mit der Mehrstoff-Zinnbronze CuSn4Zn4Pb4P mit jeweils einem 4%-igen Zinn-, Zink- und Bleianteil lassen sich hohe Festigkeiten mit entsprechenden Federeigenschaften einstellen. Diese Zinnbronze ist gut kaltumformbar und lässt sich hervorragend zerspanen. Spezielle Einsatzgebiete sind federnde Elektronik-Kontakte.
  • Bei einer Legierungsentwicklung mittlerweile immer zu berücksichtigen sind die verschiedenen Umweltdirektiven und Stoffbeschränkungen. Hierzu ergeben sich weitere Entwicklungspotentiale für alternative oder ergänzende Legierungen, welche für Steckverbinder geeignete Eigenschaftskombinationen auszeichnen. Dabei spielt neben den physikalischen Eigenschaften vor allem eine gute Bearbeitbarkeit eine entscheidende Rolle.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektroklemme aus einer bleiarmen bzw. bleifreien Kupfer-Legierung weiterzubilden.
  • Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre zum Aufbau einer Elektroklemme enthaltend eine Kupfer-Zink-Legierung ein. Die Kupfer-Zink-Legierung besteht aus (in Gew.-%):
    • 28,0 bis 36,0 % Zn,
    • 0,5 bis 1,5 % Si,
    • 1,5 bis 2,5 % Mn,
    • 0,2 bis 1,0 % Ni,
    • 0,5 bis 1,5 % Al,
    • 0,1 bis 1,0 % Fe,
    • wahlweise noch bis maximal 0,1 % Pb,
    • wahlweise noch bis maximal 0,1 % P,
    • wahlweise noch bis 0,08 % S,
    • Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Erfindungsgemäß sind in der Matrix Eisen-Nickel-Mangan-haltige Mischsilizide eingelagert. Das Gefüge besteht aus einer α-Matrix, in der Einlagerungen an β-Phase von 5 bis zu 45 Vol.-% sowie an Eisen-Nickel-Mangan-haltigen Mischsiliziden bis zu 20 Vol.-% enthalten sind. Des Weiteren liegen im Gefüge die Eisen-Nickel-Mangan-haltigen Mischsilizide mit stängeliger Form sowie an Eisen-Nickel-angereicherte Mischsilizide mit globularer Gestalt vor.
  • Überraschend hat sich gezeigt, dass sich die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung für Elektroklemmen eignet. Bisher war ein Einsatz derartiger Legierungen gemäß der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 029 991 A1 der Anmelderin nur für eine Verwendung für Gleitelemente in Verbrennungsmotoren, Getrieben oder hydraulischen Aggregaten vorgesehen.
  • Derartige abweichende Anwendungen verfolgen einen anderen Zweck einer für spezielle Einsatzzwecke optimierten Eigenschaftskombination. Eine Eigenschaftskombination aus einer Erhöhung der Festigkeit, der Temperaturbeständigkeit des Gefüges und der komplexen Verschleißbeständigkeit bei gleichzeitig ausreichenden Zähigkeitseigenschaften im Hinblick auf motorische Anwendungen.
  • Demgegenüber geht die Erfindung von der Überlegung aus, eine Elektroklemme mit einer Kupfer-Zink-Legierung mit eingelagerten Eisen-Nickel-Mangan-haltigen Mischsiliziden bereitzustellen, die insbesondere mit Hilfe des kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Stranggussverfahrens hergestellt werden kann. Durch die Mischsilizidbildung und Gefügeausbildung weist die Kupfer-Zink-Legierung eine für diese Werkstoffgruppe sehr hohe elektrische Leitfähigkeit auf.
  • Auch weist die Legierung hohe Härte- und Festigkeitswerte auf, trotzdem wird ein notwendiges Maß an Duktilität, ausgedrückt durch den Bruchdehnungswert bei einem Zugversuch, gewährleistet. Mit dieser Eigenschaftskombination erweist sich der Erfindungsgegenstand als besonders geeignet für Elektroklemmen, wahlweise auch mit Verschraubungen.
  • Beim vorausgehenden Herstellungsschritt des Gießens der Legierung findet zunächst eine frühe Ausscheidung von eisen- und nickelreichen Mischsiliziden statt. Diese Ausscheidungen können bei weiterem Wachstum zu Eisen-Nickel-Mangan-haltigen Mischsiliziden mit beträchtlicher Größe mit oft stängeliger Form heranwachsen. Des Weiteren bleibt auch ein beträchtlicher Anteil eher klein mit globularer Gestalt, der in der Matrix fein verteilt vorliegt. Die fein verteilten Silizide werden als Grund dafür gesehen, dass eine Stabilisierung der β-Phase stattfindet. Insbesondere weist die Legierung beim Kaltumformen eine hohe Duktilität auf. Bei Elektroklemmen ist dies beim Crimpen, bei dem üblicherweise der Werkstoff einer starken plastischen Verformung ausgesetzt wird, besonders wichtig. So ist ein Bördeln, Quetschen oder Falten des Werkstoffs unter nahezu beliebigem Umformgrad möglich, ohne dass sich eine Rissbildung im Werkstoff einstellt.
  • Besonders eignet sich der Werkstoff auch für zerspanend hergestellte Elektroklemmen. Die gute Zerspanbarkeit wird bereits durch eine β-Phase von 5 Vol.-% erzielt. Zu höheren Gehalten hin verbessert sich bis zu 45 Vol.-% an β-Phase auch die Spanausbildung beim Zerspanungsvorgang, indem sich wünschenswerterweise Kurzspäne ausbilden. Mit einem Anteil an β-Phase unter 5 Vol.-% ist die Zerspanbarkeit in der Verwendung als Automatenwerkstoff für hohe Zerspanungsraten nicht mehr zufriedenstellend. Bei einem β-Phasengehalt von über 45 Vol.-% zeigt sich, dass sich die Zähigkeit des Werkstoffs und die Temperaturbeständigkeit des Gefüges verschlechtert. Der Endzustand der Legierung aus dem jeweiligen Fertigungsverfahren führt zu einer β-Phase, die inselartig in einem Gefüge aus einer α-Matrix eingelagert ist. Derartige Inseln aus β-Phase sind besonders günstig für die Zerspanbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit der Legierung.
  • Eine besonders hohe Oberflächengüte der spanend bearbeiteten Oberflächen wird mit einem β-Phasen-Anteil jedoch insbesondere von 10 bis 25 Vol.-% erzielt. In dem angegebenen Volumenintervall von 5 bis 45 Vol.-% an β-Phase stellt sich auch ein vergleichsweise geringer Werkzeugverschleiß ein, so das die Werkzeuge entsprechend lange Standzeiten haben und damit die Werkzeugkosten verringert werden. Anteile an Eisen-Nickel-Mangan-haltigen Mischsiliziden über 20 Vol.-% würden eine so große Härtesteigerung bedingen, dass der Werkstoff in seiner Ausgewogenheit in der Kombination günstiger Eigenschaften leidet.
  • Besonders hervorzuheben ist auch die Relaxationsbeständigkeit des Werkstoffs, wodurch die Federkraft einer Elektroklemme erhalten bleibt.
  • Damit beruht der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung auf einer für die Einsatzzwecke optimierten Eigenschaftskombination in Form einer Erhöhung der Festigkeit, der Temperaturbeständigkeit des Gefüges und der elektrischen Leitfähigkeit bei gleichzeitig ausreichenden Zähigkeitseigenschaften.
  • Zusätzlich berücksichtigt die beanspruchte Werkstofflösung aufgrund des gegenüber gebräuchlichen Legierungen substituierten Bleigehaltes die Notwendigkeit einer umweltfreundlichen bleifreien Legierungsalternative. Außerdem ist dieser Werkstoff für besondere Anwendungen prädestiniert, bei denen es trotz hoher Anforderungen an die Härte und die Festigkeit auf ein notwendiges Maß an Plastifizierbarkeit ankommt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupfer-Zink-Legierung
    • 30,0 bis 36,0 % Zn,
    • 0,6 bis 1,1 % Si,
    • 1,5 bis 2,2 % Mn,
    • 0,2 bis 0,7 % Ni,
    • 0,5 bis 1,0 % Al,
    • 0,3 bis 0,5 % Fe enthalten.
  • Durch die enger gefassten Grenzen wird eine besonders vorteilhafte Legierungszusammensetzung ausgewählt. Hierdurch werden die Zähigkeitseigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit, gegebenenfalls mit einer abschließenden Entspannungsglühung noch weiter verbessert. Bevorzugt wird die abschließende Entspannungsglühung bei 300 °C bis 400 °C über 3 bis 4 Stunden hinweg durchgeführt.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupfer-Zink-Legierung 33,5 bis 36,0 % Zn enthalten. Bei diesen höheren Zinkgehalten lassen sich immer noch die für Elektroklemme erforderlichen Zähigkeitseigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit realisieren. Durch einen möglichst hohen Zinkgehalt wird der Anteil der weiteren Elemente, insbesondere der Kupferanteil, entsprechend reduziert. Mit der Folge, dass die Legierung durch einen höheren Anteil an billigerem Zink einen entsprechend geringeren Metallpreis zur Folge hat.
  • Vorteilhafterweise kann die elektrische Leitfähigkeit der Legierung zumindest 5,8 MS/m betragen. Besonders bevorzugte Leitfähigkeiten sind zumindest 10 MS/m bis über 13 MS/m. Diese Werte werden durch vergleichbare Werkstoffe, wie beispielsweise die bleihaltigen Messinge, nicht erzielt. Sogar Werte über 13 MS/m können durch geeignete Weiterbehandlungsschritte eingestellt werden.
  • Vorteilhafterweise kann das aus einer α-Matrix bestehende Gefüge, in der Einlagerungen an β-Phase von 5 bis zu 45 Vol.-% sowie an Eisen-Nickel-Mangan-haltigen Mischsiliziden bis zu 20 Vol.-% enthalten sind nach einer Weiterbearbeitung, die zumindest eine Warmumformung und/oder Kaltumformung und wahlweise weitere Glühschritte beinhaltet, ausgebildet sein. Mit den β-Einlagerungen und Hartphasen unterschiedlicher Größenverteilung in einer α-Matrix gewährleistet diese Legierung eine vorteilhafte Temperaturbeständigkeit des Gefüges mit hinreichenden Zähigkeitseigenschaften zur Herstellung der Elektroklemme.
  • Zur Weiterbearbeitung kann die Legierung vorteilhafterweise bei ihrer Weiterbearbeitung folgende Schritte durchlaufen haben:
    • Strangpressen oder Warmwalzen in einem Temperaturbereich von 600 bis 800 °C,
    • zumindest eine Kaltumformung, bevorzugt durch Ziehen oder Kaltwalzen.
  • Auch kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung die Legierung bei ihrer Weiterbearbeitung folgende Schritte durchlaufen haben:
    • Strangpressen oder Warmwalzen in einem Temperaturbereich von 600 bis 800 °C,
    • eine Kombination aus zumindest einer Kaltumformung, bevorzugt durch Ziehen oder Kaltwalzen und zumindest einer Glühung in einem Temperaturbereich von 250 bis 700 °C, bevorzugt mit einer Glühdauer von 20 Minuten bis 5 Stunden.
  • Mittels einer Kombination von Kaltumformung durch Ziehen und einer oder mehrerer Glühungen der Ausgangsmaterialen in Form von Runddrähten, Profildrähten, Rundstangen, Profilstangen, Hohlstangen und Rohren im Temperaturbereich von 250 bis 700 °C ist es möglich, eine feine Verteilung des heterogenen Gefüges einzustellen. Auf diese Weise wird der Forderung nach der Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit entsprochen.
  • Von besonderem Interesse ist auch der Zusammenhang zwischen der Höhe und Verteilung des Anteils der β-Phase und der Temperaturbeständigkeit des Gefüges. Da jedoch diese kubisch-raumzentrierte Kristallart eine unverzichtbare festigkeitssteigernde Funktion in den Kupfer-Zink-Legierungen übernimmt, sollte die Minimierung des β-Gehaltes nicht ausschließlich im Vordergrund stehen. Mittels der Fertigungsfolge Strangpressen oder Warmwalzen / Ziehen oder Kaltwalzen / Zwischenglühungen kann das Gefüge der Kupfer-Zink-Legierung in seiner Phasenverteilung derart modifiziert werden, dass es neben einer hohen Festigkeit zusätzlich eine hinreichende Temperaturbeständigkeit, Duktilität und gute elektrische Leitfähigkeit aufweist.
  • In bevorzugter Ausgestaltung kann sich bei der Weiterbearbeitung nach dem Umformen zumindest eine Entspannungsglühung in einem Temperaturbereich von 250 bis 450 °C und bevorzugt einer Glühdauer von 2 bis 5 Stunden anschließen.
  • Im Fertigungsverlauf besteht die Notwendigkeit, anhand einer oder mehrerer Entspannungsglühungen die Höhe der Eigenspannungen zu reduzieren. Die Absenkung der Eigenspannungen ist auch bedeutsam für die Gewährleistung einer ausreichenden Temperaturbeständigkeit des Gefüges und für die Sicherstellung einer genügenden Geradheit der Runddrähte, Profildrähte, Rundstangen, Profilstangen, Hohlstangen und Rohre als Vorläuferprodukte der Elektroklemme.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Tabellen näher erläutert. Hierbei handelt es sich nach den Untersuchungen um eine am besten angesehene Ausführungsform. Weitere hiervon abweichende Ausführungsformen eigenen sich im Rahmen der Erfindung jedoch gleichermaßen dazu, die erfinderischen Vorteile zu erzielen.
  • Es wurden Gussbolzen der erfindungsgemäßen Kupfer-Zink-Legierung durch Strangguss bzw. Kokillenguss hergestellt. Die chemische Zusammensetzung des Stranggusses der Legierung 1 und des Kokillengusses der Legierungen 2 und 3 geht aus Tab. 1 hervor. Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Gussbolzen bzw. Gussblöcke (in Gew.-%) ohne Angabe möglicher Verunreinigungen
    Cu [%] Zn [%] Si [%] Mn [%] Ni [%] Sn [%] Al [%] Fe [%]
    Leg. 1 64,0 31,1 1,0 2,0 0,6 < 0,01 0,9 0,4
    Leg. 2 64,0 30,8 1,1 2,1 0,6 - 0,9 0,5
    Leg. 3 61,6 34,8 0,7 1,7 0,3 - 0,5 0,4
    • Fertigungsfolge 1:
    • Strangpressen der Gussbolzen aus Leg.1 zu Rohren bei der Temperatur von 670-770 °C
    • Kombination von Kaltumformung/Zwischenglühungen (630-700 °C / 50min-3h)/Richten/Entspannungsglühungen (300-400 °C / 3h)
  • Nach durchlaufener Fertigung befinden sich die Gefügekennwerte, die elektrische Leitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Rohre mit der Abmessung (30,1x24,7) mm auf dem Niveau, das in Zahlenwerten in Tab. 2 dargestellt ist. Tabelle 2: Gefügekennwerte, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften an zwei Positionen der Rohre im Endzustand (Leg. 1)
    β-Gehalt [%] Korngröße [µm] Elektrische Leitfähigkeit [MS/m] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] Bruchdehnung A5 [%] Härte HB
    5 15-20 11,4 640 560 14,5 201
    15-20 20-25 11,2 647 572 13,2 199
    • Fertigungsfolge 2:
    • Strangpressen der Gussbolzen aus Leg. 1 zu Rundstangen bei der Temperatur von 650-750 °C
    • Kombination von Kaltumformung/Glühungen (630-720 °C / 50min-4h) / Richten/Entspannungsglühungen (300-450 °C / 2-4h)
  • Nach durchlaufener Fertigung befinden sich die Gefügekennwerte, die elektrische Leitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften der Rundstangen mit dem Durchmesser von 13,40 mm, 16,35 mm und 45,50 mm auf dem Niveau, das in Zahlenwerten in Tab. 3 dargestellt ist. Tabelle 3: Gefügekennwerte, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften der Rundstangen im Endzustand (Leg. 1)
    Rundstange Ø [mm] β-Gehalt [%] Korngröße [µm] Elektrische Leitfähigkeit [MS/m] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] Bruchdehnung A5 [%] Härte HB
    13,40 5 20-25 11,4 607 512 12,4 191
    16,35 15-20 25 10,9 638 549 12,0 199
    45,50 10-15 25 10,7 570 420 20,1 172
    • Fertigungsfolge 3:
    • Warmwalzen der Gussblöcke aus Leg. 2 und 3 zu Walzplatten bei der Temperatur von 650-730 °C
    • Kaltwalzen der Platten mit einer Umformung von 15 bis 25 % gegebenenfalls mit Entspannungsglühungen (300-450 °C / 2-4h)
    Zusätzlich zwischen den einzelnen Verfahrensschritten gegebenenfalls noch Fräsen der Oberflächen. Tabelle 4: Gefügekennwerte, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften der Walzplatten im Endzustand (Walzplattendicke 3 mm, mit und ohne Entspannungsglühung ESG als letzten Prozessschritt)
    Legierung β-Gehalt [%] Korngröße [µm] Elektr. Leitfähigkeit [MS/m] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] Bruchdehnung A5 [%] Härte HB
    Leg. 2 (ohne ESG) 14 15-20 8,9 608 540 7,8 188
    Leg. 2 (ESG 340°C/3h) 13 15-20 10,5 646 543 15,6 192
    Leg. 2 (ESG 400°C/3h) 13 15-20 10,7 615 483 19,0 184
    Leg. 3 (ohne ESG) 20 20-25 11,0 596 516 11,3 178
    Leg. 3 (ESG 340°C/3h) 18 20-25 12,7 593 464 18,6 176
    Leg. 3 (ESG 400°C/3h) 18 20-25 12,7 580 428 21,6 170
    Fertigungsfolge 4:
    • Warmwalzen der Gussblöcke aus Leg. 2 und 3 zu Walzplatten bei der Temperatur von 650-730 °C
    • Kombination einer Glühung (650 °C / 3h) und Kaltwalzen der Platten mit einer Umformung von 15 bis 25 % gegebenenfalls mit Entspannungsglühungen (300-450 °C / 2-4h)
    Zusätzlich zwischen den einzelnen Verfahrensschritten gegebenenfalls noch Fräsen der Oberflächen. Tabelle 5: Gefügekennwerte, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften der Walzplatten im Endzustand (Walzplattendicke 3 mm, mit und ohne Entspannungsglühung ESG als letzten Prozessschritt)
    Legierung β-Gehalt [%] Korngröße [µm] Elektr. Leitfähigkeit [MS/m] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] Bruchdehnung A5 [%] Härte HB
    Leg. 2 (ohne ESG) 10 10-15 9,3 573 510 11,8 180
    Leg. 2 (ESG 340°C/3h) 10 10-15 10,6 587 470 19,4 176
    Leg. 2 (ESG 400°C/3h) 10 10-15 10,6 583 452 20,0 174
    Leg. 3 (ohne ESG) 15 20-25 10,5 555 482 13,5 172
    Leg. 3 (ESG 340°C/3h) 15 20-25 12,7 553 422 21,0 166
    Leg. 3 (ESG 400°C/3h) 15 20-25 12,7 544 403 19,5 162
    Fertigungsfolge 5:
    • Warmwalzen der Gussblöcke aus Leg. 2 und 3 zu Walzplatten bei der Temperatur von 650-730 °C
    • Kombination von Kaltwalzen der Platten mit einer Umformung von 15 bis 65 %/Glühungen (630-720 °C / 50min-4h)
    Zusätzlich zwischen den einzelnen Verfahrensschritten gegebenenfalls noch Fräsen der Oberflächen. Tabelle 6: Gefügekennwerte, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften der Walzplatten im Endzustand (Walzplattendicke 2,3 mm, ohne Entspannungsglühung ESG)
    Legierung β-Gehalt [%] Korngröße [µm] Elektr. Leitfähigkeit [MS/m] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] Bruchdehnung A5 [%] Härte HB
    Leg. 2 10 10-15 9,1 558 484 17,6 171
    Leg. 3 15 15-20 10,2 556 471 18,9 167
  • Insbesondere der Kennwert für die elektrische Leitfähigkeit kann für die nach der Fertigungsfolge 5 hergestellten Formate der Legierungen 2 und 3 durch eine zusätzlich durchgeführte Entspannungsglühung bei einer Temperatur von 250 bis 450°C weiter erhöht werden.
  • Zu den Ausführungsbeispielen ist hervorzuheben, dass bei allen 5 Fertigungsfolgen der β-Gehalt zwischen 5-20 % liegt. Weitere Untersuchungen zeigen, dass bevorzugt die β-Gehalte zwischen 5-30 % liegen. Die im Endzustand der Fertigung inselartige Ausbildung der β-Phase, eingelagert in einem Gefüge aus einer α-Matrix, kann dabei in etwas unterschiedlicher Ausprägung in Erscheinung treten. Bei zunehmend geringeren Gehalten an β-Phase treten eher voneinander isolierte Inseln auf, die im Grenzfall gegenüber den Kristalliten der α-Matrix eine Art Zwickelfüllung bilden können.

Claims (10)

  1. Elektroklemme enthaltend eine Kupfer-Zink-Legierung, bestehend aus (in Gew.-%):
    28,0 bis 36,0 % Zn,
    0,5 bis 1,5 % Si,
    1,5 bis 2,5 % Mn,
    0,2 bis 1,0 % Ni,
    0,5 bis 1,5 % AI,
    0,1 bis 1,0 % Fe,
    wahlweise noch bis maximal 0,1 % Pb,
    wahlweise noch bis maximal 0,1 % P,
    wahlweise noch bis 0,08 % S,
    Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass in der Matrix Eisen-Nickel-Mangan-haltige Mischsilizide eingelagert sind,
    - dass das Gefüge aus einer α-Matrix besteht, in der Einlagerungen an β-Phase von 5 bis zu 45 Vol.-% sowie an Eisen-Nickel-Mangan-haltigen Mischsiliziden bis zu 20 Vol.-% enthalten sind,
    - dass im Gefüge die Eisen-Nickel-Mangan-haltigen Mischsilizide mit stängeliger Form sowie an Eisen-Nickel-angereicherte Mischsilizide mit globularer Gestalt vorliegen.
  2. Elektroklemme nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
    30,0 bis 36,0 % Zn,
    0,6 bis 1,1 % Si,
    1,5 bis 2,2 % Mn,
    0,2 bis 0,7 % Ni,
    0,5 bis 1,0 % AI,
    0,3 bis 0,5 % Fe.
  3. Elektroklemme nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch:
    33,5 bis 36,0 % Zn,
  4. Elektroklemme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit der Legierung zumindest 5,8 MS/m beträgt.
  5. Elektroklemme nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit der Legierung zumindest 10 MS/m beträgt.
  6. Elektroklemme nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit der Legierung zumindest 13 MS/m beträgt.
  7. Elektroklemme aus einer Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aus einer α-Matrix bestehende Gefüge, in der Einlagerungen an β-Phase von 5 bis zu 45 Vol.-% sowie an Eisen-Nickel-Mangan-haltigen Mischsiliziden bis zu 20 Vol.-% enthalten sind nach einer Weiterbearbeitung, die zumindest eine Warmumformung und/oder Kaltumformung und wahlweise weitere Glühschritte beinhaltet, ausgebildet ist.
  8. Elektroklemme aus einer Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bei ihrer Weiterbearbeitung folgende Schritte durchlaufen hat:
    - Strangpressen oder Warmwalzen in einem Temperaturbereich von 600 bis 800°C,
    - zumindest eine Kaltumformung.
  9. Elektroklemme aus einer Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bei ihrer Weiterbearbeitung folgende Schritte durchlaufen hat:
    - Strangpressen oder Warmwalzen in einem Temperaturbereich von 600 bis 800 °C,
    - eine Kombination aus zumindest einer Kaltumformung und zumindest einer Glühung in einem Temperaturbereich von 250 bis 700 °C.
  10. Elektroklemme aus einer Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der Weiterbearbeitung nach dem Umformen zumindest eine Entspannungsglühung in einem Temperaturbereich von 250 bis 450 °C anschließt.
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