EP3529389A1 - Kupfer-zink-legierung - Google Patents

Kupfer-zink-legierung

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EP3529389A1
EP3529389A1 EP19701767.6A EP19701767A EP3529389A1 EP 3529389 A1 EP3529389 A1 EP 3529389A1 EP 19701767 A EP19701767 A EP 19701767A EP 3529389 A1 EP3529389 A1 EP 3529389A1
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EP
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copper
alloy
weight
zinc alloy
content
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Application number
EP19701767.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3529389B1 (de
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Thomas Plett
Hermann Gummert
Björn Reetz
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Otto Fuchs KG
Original Assignee
Otto Fuchs KG
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Publication date
Application filed by Otto Fuchs KG filed Critical Otto Fuchs KG
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Publication of EP3529389B1 publication Critical patent/EP3529389B1/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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
    • B22F1/054—Nanosized particles
    • 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 provides a copper-zinc alloy and a copper-zinc alloy product produced from such an alloy.
  • the invention relates to a special brass alloy.
  • Special brass alloys are used to produce a wide variety of products.
  • a typical application for the use of special brass alloy products are bearing parts, engine and gear parts, such as synchro rings and the like, as well as fittings, especially for drinking water applications.
  • Brass alloy products are also used for electrical and refrigeration applications, for example, for the manufacture of connector shoes, contact terminals or the like. In refrigeration applications, the good thermal conductivity of brass alloy products is used.
  • These brass alloys have a high copper content due to the well-known good thermal conductivity of copper and are only correspondingly low alloyed.
  • Special brass alloys have a significantly lower thermal conductivity.
  • a brass alloy should have particularly good electrically conductive properties, the Cu content should be selected to be correspondingly high. However, the electrical conductivity of such a product decreases with increasing zinc content. For this reason, special alloys having good electrical conductivity in the foreground are alloys which have a Zn content of typically not more than 5 to 10% by weight. In addition to the elements copper and zinc, one or more of the following elements are involved in the construction of special brass alloys: Al, Sn, Si, Ni, Fe and / or Pb. Each of these elements has a different influence on the properties of the special brass alloy produced from the alloy.
  • a special brass alloy from which special brass alloy products are to be produced for electrical applications, must not only have sufficient electrical conductivity, but, in addition, in order to be able to produce the desired products, they must have good workability and machinability, as well as sufficient strength values. With regard to processability of the alloy, it should be producible with standard processing steps so that the costs of special brass alloy products produced therefrom are not made more expensive by complicated and possibly unusual process control steps.
  • This alloy comprises 70-83% by weight of Cu, 1-5% by weight of Si and the other matrix-active elements: 0.01-2% by weight Sn, 0.01-0.3% by weight Fe and or Co, 0.01-0.3% by weight of Ni, 0.01-0.3% by weight of Mn, balance Zn together with unavoidable impurities.
  • the alloy may contain up to 0.1% by weight of P and the elements Ag, Al, As, Sb, Mg, Ti and Cr each contain at most 0.5% by weight.
  • a copper-zinc alloy as a material for electronic components is known from DE 41 20 499 C1.
  • This prior art alloy comprises 74-82.9 wt% Cu, 1-2 wt% Si, 0.1-0.4 wt% Fe, 0.02-0.1 wt% P, 0.1-1.0% by weight of Al, balance Zn together with customary impurities.
  • Brass alloys which should have good electrical conductivity, are produced with a high Cn content.
  • the alloy according to DE 41 20 499 C1 is one such.
  • this prior art brass alloy has a rather high mechanical strength and a high spring bending limit and thus a corresponding modulus of elasticity, resilient connector parts can be produced from this alloy.
  • the electrical conductivity is only between 6.0 - 7.0 MS / m.
  • the invention is therefore the task of proposing a special brass alloy, which is particularly suitable for the manufacture of electrically conductive components, such as contacts as parts of connectors, which is characterized by improved mechanical properties and an improved electrical conductivity.
  • this should have a good machinability and good Kaltumform zucchiniseigenschaften.
  • a copper-zinc alloy for the production of electrically conductive components, such as contacts consisting of:
  • This copper-zinc alloy is characterized by its special alloy composition.
  • the main alloying elements of this alloy are the elements Cu, Zn and Sn. Due to the relatively high Zn content and the correspondingly lower Cu content, it was surprisingly found that, nevertheless, the electrical conductivity meets the requirements imposed on a product made from this alloy and even the conductivity of prior art special brass alloys, which have been used for electrically conductive applications exceeds.
  • Si is involved in the alloy at 0.015-0.15 wt%. The Si in the alloy serves to form silicides as fine precipitates in the microstructure. The size of the silicides is typically less than 1 pm on average.
  • silicides exceed a certain size, this has a detrimental effect on the polishability, coatability and / or solderability of the surface of the alloy product made of the alloy.
  • a higher Si content can not improve the particular properties of the alloy according to the invention. Rather, this could adversely affect the desired good electrical conductivity.
  • silicide-forming elements From the group of elements Mn, Fe, Ni and Al as silicide-forming elements, at least two elements are involved in the construction of the alloy. Together with Si, these elements form finely divided mixed silicides which have a positive effect on the abrasion resistance of the product made from the alloy. These silicides are finely distributed particles in the matrix. The proportion of these elements in the structure of the alloy is limited, to max.
  • the elements Fe, Ni and Al are preferably involved in the construction of the alloy. Mn can be part of the alloy as a silicide-forming agent.
  • the elements Fe, Ni and Al are preferably provided as silicide formers, which typically form mixed silicides. In one embodiment, it is provided that the Ni and Al components are each approximately the same size, while the Fe component is only 40-60% of the Ni or Al component. In a preferred embodiment, the Fe content is about 50% of the Ni or Al content.
  • this alloy or an alloy product produced from this alloy has shown that this not only has a particularly fine grain (typically 10-100 pm), but is also very readily extrudable or hotformable, and can be readily cold worked by cold working and has a good machinability and yet has a very good electrical conductivity of more than 12 MS / m (20% IACS) for special brasses of the type in question. This is also confined to the relatively high Sn content with simultaneously limited proportions of the silicide-forming elements.
  • brass alloys which should have good machinability must not have a copper content of less than 70% by weight (see, for example, US 2014/0234411 A1).
  • the alloy according to the invention or the product produced therefrom is very easy to machine.
  • What is of interest for electrical applications of a special brass alloy product made from this alloy is its particular good galvanic coatability.
  • such products are coated with a particularly highly conductive metal layer, ie a coating whose electrical conductivity clearly exceeds that of the product made from the brass alloy.
  • Such a metal layer is typically applied galvanically.
  • this brass alloy can also be used to produce products with resilient properties, such as plug shoes as contacts.
  • an E-modulus of more than 100 to 120 GPa this is in the size range of the E-modules, which are known from low-alloyed copper-zinc binary alloys, such as these typically for electrical applications in which it sometimes to be applied spring force, are used.
  • this brass alloy can produce alloy products, which have an electrical conductivity of more than 12 MS / m (20% IACS). This achieves electrical conductivity values which are generally higher than for other special brass alloys with a Zn content of 30% by weight or more and which are sufficient for many applications. This is combined with strength values for alloy products made from this alloy, which are otherwise known only from special brass alloys specially designed for this purpose. However, they do not then have the further positive properties of this alloy or of a product produced therefrom.
  • a special feature of this copper-zinc alloy is its simple chemical structure due to the small number of elements involved in the construction of the alloy. This also includes that the alloy is Cr-free.
  • the alloy is also typically Pb-free, with a Pb content of max. 0.1 wt .-% is allowed. It can not always be avoided that small quantities of Pb are introduced into the alloy as a result of carry-over or the use of recycled material. Within the permitted range, Pb does not adversely affect the above-described positive properties of this copper-zinc alloy. With a maximum permitted content of 0.1% by weight of Pb, this alloy is still considered Pb-free.
  • the particularly good machinability of an alloy product produced from this alloy can be specified with an index of 60-70 and in a specific embodiment of more than 80.
  • the copper-zinc alloy according to the invention preferably has the following composition:
  • Such an alloy is composed as follows:
  • the preferred Zn content is between 32 and 36 wt .-%.
  • the invention is described below with reference to an exemplary embodiment in comparison to three comparative alloys.
  • the alloy according to the invention was prepared from two samples - the samples A and B - in addition to three comparative alloys and extruded.
  • the composition of the tested alloys is shown in the following table:
  • the comparative alloys are Alloy 1, Alloy 2 and Alloy 3.
  • the alloy according to the invention has the following strength values according to Samples A and B:
  • the microstructure of the alloy according to the invention has at room temperature predominantly a-phase in the matrix. At hot-stamping temperatures there is a sufficient proportion of ⁇ -phase.
  • the grain structure is small at room temperature with a mean grain size of 10 to 100 pm.
  • the silicides are finely distributed as fine precipitates that form from the press heat.
  • the electrical conductivity can be improved by performing a subsequent annealing step, which is preferably carried out between 380 ° C and 500 ° C for about 3 hours.
  • the annealing is carried out at temperatures between 440 ° C and 470 ° C for 3 hours.
  • fine precipitates are removed, as these impede the electrical conductivity.
  • an electrical conductivity of about 14.2 MS / m was measured on Samples A and B.
  • the semifinished products produced therefrom can also be cold formed several times without intermediate annealing, for example stretched or bent, in order to allow the component to achieve particularly high strength values as a result of the cold work hardening that occurs therewith.
  • FIGS. 1 to 5 show diagrams from which the mechanical strength properties of the alloy according to the invention are established with reference to sample A with increasing elongation of the sample body. In each case the strain on the starting surface or initial length of the sample body is plotted on the x-axis.
  • FIG. 1 shows the development of the 0.2% proof stress of the specimen with increasing elongation, up to a total elongation of 60%.
  • the 0.2% proof stress increases with increasing elongation of the specimen.
  • the same behavior can be observed in the tensile strength.
  • the elongation performed as cold working results in an increase in tensile strength of more than 100% when the specimen has been stretched over 50%.
  • An increase in the yield ratio is also observed with increasing elongation of the specimen.
  • the elongation at break is of particular interest to the claimed alloy. Despite elongation even in areas of over 50% and thus despite strong deformation, the elongation at break does not fall below a value of 10%
  • the hardness increases due to the concomitant cold deformation, namely up to about 180 HB 2.5 / 62.5.

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Abstract

Beschrieben ist eine Kupfer-Zink-Legierung zum Herstellen von elektrisch leitenden Bauteilen, etwa von Kontakten, bestehend aus: – Cu: 62,5 - 67 Gew.-%, – Sn: 0,25 - 1,0 Gew.-%, – Si: 0,015 - 0,15 Gew.-%, – wenigstens zwei Silizid bildende Elemente aus der Gruppe Mn, Fe, Ni und Al mit jeweils max. 0,15 Gew.-%, wobei die Summe dieser Elemente 0,6 Gew.-% nicht überschreitet, – Pb: max. 0,1 Gew.-%, – Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.

Description

Kupfer-Zink-Legierung
Gegenstand der Erfindung ist eine Kupfer-Zink-Legierung sowie ein aus ei- ner solchen Legierung hergestelltes Kupfer-Zink-Legierungsprodukt. Die Erfindung betrifft eine Sondermessinglegierung. Sondermessinglegie- rungen werden zum Herstellen verschiedenster Produkte eingesetzt. Ein ty- pischer Anwendungsfall, für den Einsatz von Sondermessinglegierungspro- dukten sind Lagerteile, Motor- und Getriebeteile, wie beispielsweise Syn- chronringe und dergleichen sowie Armaturen, vor allem für Trinkwasseran- Wendungen. Messinglegierungsprodukte werden auch für Elektro- und Kühltechnikanwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Herstellung von Steckerschuhen, Kontaktklemmen oder dergleichen. Bei Kühltechnikan- wendungen wird die gute Wärmeleitfähigkeit von Messinglegierungspro- dukten genutzt. Diese Messinglegierungen weisen auf Grund der bekann- ten guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer einen hohen Kupfergehalt auf und sind nur entsprechend niedrig legiert. Sondermessinglegierungen weisen eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf.
Wenn eine Messinglegierung besonders gute elektrisch leitende Eigen- schäften aufweisen soll, ist der Cu-Gehalt entsprechend hoch zu wählen. Die elektrische Leitfähigkeit eines solchen Produktes sinkt allerdings mit steigendem Zinkgehalt. Aus diesem Grunde werden für Sondermessingle- gierungsprodukte, bei denen eine gute elektrische Leitfähigkeit im Vorder- grund steht, solche Legierungen eingesetzt, die einen Zn-Gehalt von typi- scherweise nicht mehr als 5 bis 10 Gew.-% ausweisen. Neben den Elemen- ten Kupfer und Zink sind an dem Aufbau von Sondermessinglegierungen ein oder mehrere der folgenden Elemente beteiligt: AI, Sn, Si, Ni, Fe und/ oder Pb. Jedes dieser Elemente hat unterschiedlichen Einfluss auf die Ei- genschaften des aus der Legierung hergestellten Sondermessinglegie- rungsproduktes. Dabei ist festzustellen, dass ein und dasselbe Legierungs- element in Abhängigkeit von seiner Beteiligung verantwortlich für unter- schiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Verarbeitbarkeit der Legierung sowie hinsichtlich der Eigenschaften eines daraus hergestellten Sonder- messinglegierungsproduktes sein kann. Entsprechendes gilt für die Verar- beitbarkeit der Legierung. Auf Grund der Vielzahl unterschiedlicher Anwen- dungen von Sondermessinglegierungsprodukten sind auch eine Vielzahl, sich bezüglich ihrer Legierungszusammensetzung unterscheidender Son- dermessinglegierungen bekannt. Diese unterscheiden sich etwa in ihren Festigkeitswerten, ihrer Zerspanbarkeit, ihrer Oberflächenbearbeitbarkeit, ihrer Wärmeleitfähigkeit, ihrem E-Modul, ihrer Temperaturformbeständig- keit und dergleichen. In den meisten Fällen sind die vorbekannten Sonder- messinglegierungen bezüglich ihrer Zusammensetzung für ganz bestimmte Einsatzzwecke entwickelt worden.
Eine Sondermessinglegierung, aus der Sondermessinglegierungsprodukte für Elektroanwendungen hergestellt werden sollen, müssen nicht nur eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sondern diese müssen zu- dem, um die gewünschten Produkte hersteilen zu können, eine gute Ver- und Bearbeitbarkeit aufweisen, wie auch hinreichende Festigkeitswerte. In Bezug auf eine Verarbeitbarkeit der Legierung soll diese mit standardmäßi- gen Verarbeitungsschritten herstellbar sein, um die Kosten daraus herge- stellter Sondermessinglegierungsprodukte nicht durch aufwendige und un- ter Umständen unübliche Prozessführungsschritte zu verteuern.
Aus DE 20 2017 103 901 U1 ist eine Sondermessinglegierung für Elektro- und/oder Kühltechnikanwendungen bekannt geworden. Diese enthält 58,5 - 62 Gew.-% Cu, 0,03 - 0,18 Gew.-% Pb, 0,3 - 1 ,0 Gew.-% Fe, 0,3 - 1 ,2 Gew.-% Mn, 0,25 - 0,9 Gew.-% Ni, 0,6 - 1 ,3 Gew.-% AI, 0,15 - 0,5 Gew.-% Cr, max. 0,1 Gew.-% Sn, max. 0,05 Gew.-% Si mit einem Rest an Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen. Zwar weist diese vorbekannte Sonder- messinglegierung eine hinreichende Wärmeleitfähigkeit für die damit vorge- sehenen Kühltechnikanwendungen und eine für etliche Anwendungen aus- reichende elektrische Leitfähigkeit auf, jedoch wäre es wünschenswert, wenn nicht nur die elektrische Leitfähigkeit sondern auch die Strangpress- barkeit und die Zerspanbarkeit verbessert werden könnte, um die Herstell- barkeit von elektrischen Bauteilen, wie beispielsweise Kontakten, Buchsen oder dergleichen besser hersteilen zu können. Zudem soll das aus einer solchen Legierung hergestellten Legierungsprodukt gute Kaltumformbar- keitseigenschaften, wie etwa gute Kaltziehbarkeitseigenschaften aufwei- sen, um auf diesem Wege das umgeformte Halbzeug mit höheren Festig- keitswerten für das Endprodukt ausstatten zu können. Eine bleifreie Messinglegierung mit guter Zerspanbarkeit ist aus US 2014/0234411 A1 bekannt. Diese Legierung umfasst 70 - 83 Gew.-% Cu, 1 - 5 Gew.-% Si und die weiteren matrixaktiven Elemente: 0,01 - 2 Gew.- % Sn, 0,01 - 0,3 Gew.-% Fe und/oder Co, 0,01 - 0,3 Gew.-% Ni, 0,01 - 0,3 Gew.-% Mn, Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen. Zusätzlich kann die Legierung bis zu 0,1 Gew.-% P und die Elemente Ag, AI, As, Sb, Mg, Ti und Cr mit jeweils maximal 0,5 Gew.-% enthalten.
Eine Kupfer-Zink-Legierung als Werkstoff für elektronische Bauteile ist aus DE 41 20 499 C1 bekannt. Diese vorbekannte Legierung umfasst 74 - 82,9 Gew.-% Cu, 1 - 2 Gew.-% Si, 0,1 - 0,4 Gew.-% Fe, 0,02 - 0,1 Gew.-% P, 0,1 - 1 ,0 Gew.-% AI, Rest Zn nebst üblichen Verunreinigungen.
Messinglegierungen, die eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen sol- len, werden mit einem hohen Cn-Gehalt hergestellt. Die Legierung gemäß DE 41 20 499 C1 ist eine solche. Diese vorbekannte Messinglegierung weist zwar eine recht hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Feder- biegegrenze und damit ein entsprechendes Elastizitätsmodul auf, damit aus dieser Legierung federnde Steckverbinderteile hergestellt werden können. Jedoch liegt die elektrische Leitfähigkeit trotz des hohen Cu-Anteils nur zwi- sehen 6,0 - 7,0 MS/m.
Ausgehend von dem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung da- her die Aufgabe zugrunde, eine Sondermessinglegierung vorzuschlagen, die sich in besonderem Maße zum Herstellen von elektrisch leitenden Bau- teilen, etwa von Kontakten als Teile von Steckverbindern eignet, die sich durch verbesserte mechanische Eigenschaften und eine verbesserte elekt- rische Leitfähigkeit auszeichnet. Zudem soll diese eine gute Zerspanbarkeit und gute Kaltumformbarkeitseigenschaften aufweisen. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Kupfer-Zink-Legie- rung zum Herstellen von elektrisch leitenden Bauteilen, etwa von Kontak- ten, bestehend aus:
- Cu: 62,5 - 67 Gew.-%,
- Sn: 0,25 - 1 ,0 Gew.-%,
Si: 0,015 - 0,15 Gew.-%,
- wenigstens zwei Silizid bildende Elemente aus der Gruppe Mn, Fe, Ni und AI mit jeweils max. 0,15 Gew.-%, wobei die Summe dieser Elemente 0,6 Gew.-% nicht überschreitet,
- Pb: max. 0,1 Gew.-%
- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Diese Kupfer-Zink-Legierung zeichnet sich durch seine besondere Legie- rungszusammensetzung aus. Bestimmend ist zum einen der Zn-Gehalt von 31 - 37 Gew.-% und die deutliche Beteiligung des Elementes Sn an der
Zusammensetzung der Legierung mit 0,5 - 1 ,0 Gew.-%. Damit sind Hauptle- gierungselemente dieser Legierung die Elemente Cu, Zn und Sn. Aufgrund des relativ hohen Zn-Gehaltes und dem entsprechend gegenläufig geringe- ren Cu-Gehalt war es überraschend festzustellen, dass dennoch die elekt- rische Leitfähigkeit den an ein aus dieser Legierung gefertigten Produkt ge- stellten Anforderungen genügt und sogar die Leitfähigkeit von vorbekannten Sondermessinglegierungen, die für elektrisch leitende Anwendungen ein- gesetzt worden sind, übersteigt. Si ist an der Legierung mit 0,015 - 0,15 Gew.-% beteiligt. Das Si in der Legierung dient zum Ausbilden von Siliziden als feine Ausscheidungen im Gefüge. Die Größe der Silizide liegt typischer- weise im Durchschnitt unter 1 pm. Wenn die Silizide eine gewisse Größe überschreiten, hat dieses nachteilige Auswirkungen in Bezug auf die Polier- barkeit, Beschichtbarkeit und/oder Lötbarkeit der Oberfläche des aus der Legierung hergestellten Legierungsproduktes. Ein höherer Si-Anteil vermag die besonderen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung nicht zu verbessern. Vielmehr könnte sich dieses nachteilig auf die gewünschte gute elektrische Leitfähigkeit auswirken. Aus der Gruppe der Elemente Mn, Fe, Ni und AI als Silizid bildende Elemente sind zumindest zwei Elemente am Aufbau der Legierung beteiligt. Zusammen mit Si bilden diese Elemente fein verteilte Mischsilizide, die sich positiv auf die Abrasionsbeständigkeit des aus der Legierung hergestellten Produktes auswirken. Diese Silizide sind fein verteilte Partikel in der Gefügematrix. Der Anteil dieser Elemente am Aufbau der Legierung ist beschränkt, und zwar auf max. 0,15 Gew.-% je Element, wobei die Summe dieser Elemente 0,6 Gew.-% nicht überschrei- tet. Bevorzugt sind am Aufbau der Legierung die Elemente Fe, Ni und AI beteiligt. Mn kann als Silizidbildner Bestandteil der Legierung sein. Bevor- zugt sind die Elemente Fe, Ni und AI als Silizidbildner vorgesehen, die typi- scherweise Mischsilizide ausbilden. Dabei ist in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Ni- und Al-Anteile jeweils etwa gleich groß sind, wäh- rend der Fe-Anteil nur 40 - 60% des Ni- bzw. Al-Anteils beträgt. In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Fe-Anteil etwa 50% des Ni- bzw. Al- Anteils. Diese besondere Zusammenstellung der Silizidbildner Fe, Ni und AI zusammen mit dem Si-Gehalt zwischen 0,015 - 0,15 Gew.-% wirkt sich nicht in nennenswertem Maße nachteilig auf die gewünschte besonders gute elektrische Leitfähigkeit des aus der Legierung hergestellten Produk- tes aus. Dennoch verleihen diese dem Legierungsprodukt die gewünschten Festigkeitswerte.
Unerwartet und überraschend hat sich bei dieser Legierung bzw. einem aus dieser Legierung hergestellten Legierungsprodukt gezeigt, dass dieses nicht nur ein besonders feines Korn (typischerweise 10 - 100 pm) aufweist, sondern auch sehr gut strangpressbar bzw. warmumformbar ist, durch Kaltumformung gut kaltverfestigbar ist und eine gute Zerspanbarkeit auf- weist und dennoch eine für Sondermessinge der in Rede stehenden Art sehr gute elektrische Leitfähigkeit von mehr als 12 MS/m (20% IACS) auf- weist. Festgemacht wird dieses auch an dem relativ hohen Sn-Anteil bei gleichzeitig begrenzten Anteilen der Silizid bildenden Elemente.
Allgemein bestand die herrschende Lehre, dass Messinglegierungen, die eine gute Zerspanbarkeit aufweisen sollen, einen Kupfergehalt nicht unter 70 Gew.-% aufweisen dürfen (siehe etwa US 2014/0234411 A1 ). Insofern war es überraschend festzustellen, dass trotz des geringen Kupfergehaltes die erfindungsgemäße Legierung bzw. das daraus hergestellte Produkt sehr gut zerspanbar ist. Was für Elektroanwendungen eines aus dieser Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes von Interesse ist, ist seine besonders gute galvanische Beschichtbarkeit. In einigen Anwendungsfällen sind der- artige Produkte mit einer elektrisch besonders gut leitenden Metallschicht beschichtet, also: Einer Beschichtung, deren elektrische Leitfähigkeit dieje nige des aus der Messinglegierung hergestellten Produktes deutlich über- schreitet. Eine solche Metallschicht wird typischerweise galvanisch aufge- tragen. Dieses erfordert nicht nur eine gewisse Leitfähigkeit des Sonder- messinglegierungsproduktes, sondern vor allem auch, dass ein darauf auf- gebrachter galvanischer Auftrag daran dauerhaft und über die Oberfläche gleichmäßig haftet. Begründet ist dieses insbesondere in dem sich bei die- ser Sondermessinglegierung einstellenden gleichmäßigen feinkörnigen Ge- füge. Dieses ist bei aus dieser Legierung hergestellten Produkten der Fall. Eine Beschichtung des Messinglegierungsproduktes kann auch einem Ver- schleißschutz dienen. Ferner können Beschichtungen eingesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften des Messinglegierungsproduktes an der Oberfläche zu verbessern, wie beispielsweise eine bessere Lötbarkeit, etwa zum Anbringen von Kontakten, eine Wärmeisolierung zum Wärmeschutz des Sondermessinglegierungsproduktes oder auch als Haftvermittlungs- schicht für eine weitere Beschichtung. Zudem ist das E-Modul eines aus dieser Legierung hergestellten Produktes hinreichend hoch. Daher können aus dieser Messinglegierung auch Pro- dukte mit federnden Eigenschaften, wie beispielsweise Steckerschuhe als Kontakte hergestellt werden. Mit einem E-Modul von mehr als 100 bis 120 GPa liegt dieses in dem Größenbereich der E-Module, die aus niedrig le- gierten Kupfer-Zink-Zweistofflegierungen bekannt sind, wie diese typischer- weise für Elektroanwendungen, bei denen es mitunter auch um aufzubrin- gende Federkraft geht, eingesetzt werden.
Mit dieser Messinglegierung lassen sich Legierungsprodukte hersteilen, die eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 12 MS/m (20% IACS) aufweisen. Damit werden elektrische Leitfähigkeitswerte erzielt, die im Allgemeinen hö- her als bei anderen Sondermessinglegierungen mit einem Zn-Anteil von 30 Gew.-% und mehr sind und die für viele Anwendungen hinreichend sind. Dieses wird bei Legierungsprodukten, die aus dieser Legierung hergestellt sind, mit Festigkeitswerten kombiniert, wie diese ansonsten nur von speziell für diese Zwecke ausgelegten Sondermessinglegierungen bekannt sind, die jedoch dann nicht in die weiteren positiven Eigenschaften dieser Legie- rung bzw. eines daraus hergestellten Produktes aufweisen.
Nicht unwesentlich bei dem aus dieser Sondermessinglegierung hergestell- ten Sondermessinglegierungsprodukt ist, vor allem bei Elektro-Anwendun- gen, die gute Lötbarkeit desselben.
Hervorzuheben ist zu dieser Kupfer-Zink-Legierung aufgrund der geringen Anzahl der am Aufbau der Legierung beteiligten Elemente ihr einfacher che- mischer Aufbau. Hierzu zählt auch, dass die Legierung Cr-frei ist. Die Le- gierung ist ebenfalls typischerweise Pb-frei, wobei ein Pb-Anteil von max. 0,1 Gew.-% gestattet ist. Es kann nicht immer vermieden werden, dass durch Verschleppungen oder durch Einsatz von Recyclingmaterial geringe Pb-Mengen in die Legierung eingetragen werden. Pb wirkt sich innerhalb des zugelassenen Bereiches nicht negativ auf die vorbeschriebenen positi ven Eigenschaften dieser Kuper-Zink-Legierung aus. Mit einem maximal zu- gelassenen Anteil von 0,1 Gew.-% Pb gilt diese Legierung noch als Pb-frei. Des Weiteren wird auf den Einsatz von Elementen wie P, S, Be, Te und andere verzichtet - Elemente, die neben Cr bei anderen Sondermessingle- gierungen zum Erzielen bestimmter Festigkeits- oder Verarbeitungseigen- schaften oftmals eingesetzt werden. Auch dieses begründet das überra- schende Ergebnis, dass sich die vorbeschriebenen positiven Eigenschaften eines aus der Legierung hergestellten Produktes einstellen, obwohl die Le- gierung nur aus wenigen Elementen aufgebaut ist, vorausgesetzt, dass die Elemente mit den angegebenen Anteilen an der Legierung beteiligt sind. Der Einsatz nur einer geringen Anzahl von Elementen im Aufbau der Legie- rung vereinfacht den Herstellungsprozess. Gefahr von Elementverschlep- pungen für andere Legierungen ist bei der kommerziellen Herstellung ver- mieden, da die am Aufbau der Legierung beteiligten Elemente Standarde- lemente jeder Sondermessinglegierung sind.
Die besonders gute Zerspanbarkeit eines aus dieser Legierung hergestell- ten Legierungsproduktes kann mit einem Index von 60 - 70 und in einer speziellen Ausführung von mehr als 80 angegeben werden. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Kupfer-Zink-Legierung folgende Zu- sammensetzung auf:
- Cu: 64 - 66 Gew.-%,
Sn: 0,3 - 0,7 Gew.-%,
- Si: 0,03 - 0,1 Gew.-%, mit welcher Legierungszusammensetzung die positiven Eigenschaften der Legierung nochmals verbessert sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Sn- und Si-Anteil weiter be- schränkt, ebenso wie der Anteil der Silizid bildenden Elemente. Eine solche Legierung setzt sich wie folgt zusammen:
- Cu: 64,5 - 66 Gew.-%,
Sn: 0,4 - 0,6 Gew.-%,
- Si: 0,03 - 0,08 Gew.-%,
- wenigstens zwei Silizid bildende Elemente aus der Gruppe Mn, Fe, Ni und AI mit jeweils max. 0,1 Gew.-%, wobei die Summe dieser Elemente 0,4 Gew.-% nicht überschreitet,
Pb: max. 0,1 Gew.-%,
- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Der bevorzugte Zn-Gehalt liegt zwischen 32 und 36 Gew.-%.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Ver- gleich zu drei Vergleichslegierungen beschrieben. Die erfindungsgemäße Legierung wurde anhand zweier Proben - der Proben A und B - neben drei Vergleichslegierungen hergestellt und stranggepresst. Die Zusammenset- zung der untersuchten Legierungen ist in der nachstehenden Tabelle wie- dergeben:
(Angaben in Gew.-%) In der vorstehenden Tabelle sind die Vergleichslegierungen die Legierung 1 , die Legierung 2 und die Legierung 3. Im Strangpresszustand weist die erfindungsgemäße Legierung gemäß der Proben A und B folgende Festig- keitswerte auf:
- 0,2% Dehngrenze: 100 N/mm2,
- Zugfestigkeit: ca. 300 N/mm2,
Bruchdehnung: ca. 55%,
Härte: 70 HB 2,5/62,5 Die gute Kaltziehbarkeit und eine damit einhergehende Kaltverfestigung mit der Folge des Einbringens gesteigerter Festigkeitswerte in das Legierungs- produkt lassen sich an dem kaltgezogenen Zustand des Strangpressstabes in einem ersten Schritt mit 20%-iger Querschnittminderung und in einem zweiten Schritt mit einer 35%-igen Querschnittsminderung darstellen (siehe diesbezüglich auch Figuren 1 bis 5):
Festigkeitswerte des kaltgezogenen Stabes mit 20%-iger Querschnittsmin- derung:
- 0,2% Dehngrenze: ca. 310 N/mm2'
- Zugfestigkeit: ca. 390 N/mm2,
- Bruchdehnung: ca. 25%,
- Härte: ca. 120 HB 2,5/62,5.
Festigkeitswerte des kaltgezogenen Stabes mit 35%-iger Querschnittsmin- derung: - 0,2% Dehngrenze: ca. 400 N/mm2,
- Zugfestigkeit: ca. 450 N/mm2·
- Bruchdehnung: 12%,
- Härte: 143 HB 2,5/62,5.
Das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung weist bei Raumtemperatur überwiegend a-Phase in der Matrix auf. Bei Temperaturen der Warmumfor- mung liegt ein ausreichender Anteil an ß-Phase vor. Das Korngefüge ist bei Raumtemperatur mit einer mittleren Korngröße von 10 bis 100 pm klein. Die Silizide sind als feine Ausscheidungen, die sich aus der Presshitze bilden, fein verteilt.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungsproben A und B bei Raumtemperatur im Vergleich zu den drei Vergleichslegierungen sind in der nachfolgenden Tabelle für einen jeweils teilverfestigten Zustand dargestellt, wie er für die Herstellung von Steckverbindern gebräuchlich ist:
Diese Gegenüberstellung zeigt, dass die erfindungsgemäße Legierung be- sonders gute Eigenschaften bei den für Elektro-Anwendungen relevanten Parametern aufweist. Verbunden ist dieses zudem mit einem besonders hohen E-Modul und sehr guten Festigkeitswerten. Aus diesem Grund eignet sich diese Legierung vor allem auch zum Herstellen von elektrischen Kon- taktelementen, die materialelastische Eigenschaften aufweisen müssen.
Untersuchungen an Gussproben der erfindungsgemäßen Legierungspro- ben A und B zeigen, dass der ß-Mischkristallanteil mit 12 - 15 % und einem Rest an a-Mischkristallanteil recht gering ist. Der Anteil intermetallischer Phasen ist kleiner als 1 %. Der hohe a-Phasenanteil bereits beim Guss wirkt sich positiv auf sich daran anschließende Kaltumformschritte aus. Bei einer gewünschten Warmumformung wird man bemüht sein, den ß-Phasenanteil eher etwas höher zu halten.
Durch das Strangpressen hat sich der ß-Anteil auf unter 2 % reduziert. Die Dichte beträgt 8,58 g/cm3. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt im Strang- presszustand dieser Proben 13,8 MS/m (23,8 % IACS). Diese Proben wei- sen eine Härte von etwa 80 HB 2,5/62,5 auf.
Bei Durchführung eines Spannungsrisskorrosions-Testes nach DIN 59016 Teil 1 sind keine Spannungsrisse entstanden. Dieses bedeutet, dass im Presszustand keine, jedenfalls keine nennenswerte Restspannungen im Gefüge vorhanden ist. Dieses Ergebnis passt gut zu der hohen Homogeni- tät des Gefüges und zu dem kleinen Korn, was durch Gefügeaufnahmen bestätigt worden ist. Das besondere Gefüge eines solches Legierungspro- duktes mit seiner vorherrschenden a-Phase wird für die bereits beschrie- bene gute elektrische Leitfähigkeit verantwortlich gemacht. Zudem sind auf- grund des homogenen Gefüges nicht nur die mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Richtungen gleich, sondern auch die elektrische Leit- fähigkeit.
Die elektrische Leitfähigkeit kann durch Vornahme eines nachgeschalteten Glühschrittes verbessert werden, der vorzugsweise zwischen 380°C und 500°C für etwa 3 Stunden durchgeführt wird. Bevorzugt wird das Glühen bei Temperaturen zwischen 440°C und 470°C für 3 Stunden durchgeführt. Bei diesem Glühen werden feine Ausscheidungen entfernt, da diese die elekt- rische Leitfähigkeit behindern. Nach dem Glühen wurde eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 14,2 MS/m an den Proben A und B gemessen. Von besonderem Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung ist zudem de- ren besonders gute Kaltumformbarkeit. Daraus hergestellte Halbzeuge kön- nen auch mehrfach ohne Zwischenglühen kaltumgeformt werden, beispiels- weise gereckt oder gebogen, um durch die damit eintretende Kaltverfesti- gung dem Bauteil besonders hohe Festigkeitswerte zuteilwerden zu lassen.
Die beiliegenden Figuren 1 bis 5 zeigen Diagramme, aus denen sich die mechanischen Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legie- rung anhand der Probe A bei zunehmender Dehnung des Probenkörpers einstellen. Auf der x-Achse ist jeweils die Dehnung bezogen auf die Aus- gangsfläche bzw. Ausgangslänge des Probenkörpers aufgetragen.
Figur 1 zeigt die Entwicklung der 0,2 %-Dehngrenze des Probenkörpers bei zunehmender Dehnung, bis zu einer Gesamtdehnung von 60 %. Die 0,2 %- Dehngrenze nimmt mit zunehmender Dehnung des Probenkörpers zu. Das gleiche Verhalten lässt sich auch bei der Zugfestigkeit feststellen. Die als Kaltumformung durchgeführte Dehnung führt zu einer Erhöhung der Zug- festigkeit um mehr als 100 %, wenn der Probenkörper über 50 % gedehnt worden ist. Eine Erhöhung des Streckgrenzenverhältnisses ist mit zuneh- mender Dehnung des Probenkörpers ebenfalls zu beobachten.
Die Bruchdehnung ist für die beanspruchte Legierung von besonderem In- teresse. Trotz Dehnung selbst bis in Bereiche von über 50 % und somit trotz starker Verformung unterschreitet die Bruchdehnung einen Wert von 10 % nicht
Mit der zunehmenden Dehnung des Probenkörpers nimmt aufgrund der da- mit einhergehenden Kaltverformung die Härte zu, und zwar bis zu etwa 180 HB 2,5/62,5.
Diese Diagramme verdeutlichen die besonders guten Kaltumformbarkeits- eigenschaften eines aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Produktes.

Claims

Patentansprüche
1. Kupfer-Zink-Legierung zum Herstellen von elektrisch leitenden Bau- teilen, etwa von Kontakten, bestehend aus:
- Cu: 62,5 - 67 Gew.-%,
Sn: 0,25 - 1 ,0 Gew.-%,
Si: 0,015 - 0,15 Gew.-%,
- wenigstens zwei Silizid bildende Elemente aus der Gruppe Mn, Fe, Ni und AI mit jeweils max. 0,15 Gew.-%, wobei die
Summe dieser Elemente 0,6 Gew.-% nicht überschreitet, Pb: max. 0,1 Gew.-%,
- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
2. Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1 mit
- Cu: 64 - 66,5 Gew.-%,
Sn: 0,3 - 0,7 Gew.-%,
Si: 0,03 - 0,1 Gew.-%.
3. Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 2 mit
- Cu: 64,5 - 66 Gew.-%,
Sn: 0,4 - 0,6 Gew.-%,
— Si: 0,03 - 0,8 Gew.-%,
- wenigstens zwei Silizid bildende Elemente aus der Gruppe Mn, Fe, Ni und AI mit jeweils max. 0,1 Gew.-%, wobei die
Summe dieser Elemente 0,4 Gew.-% nicht überschreitet,
- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
4. Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Zn mit 32 - 36 Gew.-% enthält.
5. Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass von den Silizid bildenden Elementen in der Legierung Fe, Ni und AI enthalten sind, wobei die Anteile von Ni und AI jeweils etwa gleich sind und der Fe-Anteil 40% bis 60% des Ni- bzw. Al-Anteils beträgt.
6. Kupfer-Zink-Legierung nach der Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ni- und Al-Gehalt jeweils 0,04 bis 0,1 Gew.-% und der Fe 0,02 bis 0,05 Gew.-% beträgt.
7. Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ni-Gehalt und der Al-Gehalt jeweils 0,06 bis 0,08 Gew.-% und der Fe-Gehalt 0,03 bis 0,04 Gew.-% beträgt.
8. Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Cr-frei ist.
9. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt, hergestellt aus einer Kupfer-Zink- Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Gefügematrix bei Raumtemperatur weitüberwie- gend a-Phase enthält.
10. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Korngröße des Gefüges zwischen 10 und 100 pm beträgt.
11. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass seine elektrische Leitfähigkeit zumindest 12 MS/m (20% IACS) beträgt.
12. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus einem Flalbzeug durch Ziehen desselben mit einer Querschnittsminderung von etwa 20% kaltverformt ist und folgende Festigkeitswerte aufweist:
- 0,2% Dehngrenze: -ca. 310 Nimm2·
- Zugfestigkeit: ca. 390 N/mm2,
- Bruchdehnung: ca. 25%,
Härte: ca. 120 HB 2,5/62,5.
13. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus einem Halbzeug durch Ziehen desselben mit einer Querschnittsminderung von etwa 35% kaltverformt ist und folgende Festigkeitswerte aufweist:
- 0,2% Dehngrenze: ca. 400 Nmm2,
- Zugfestigkeit: ca. 450 N/mm2·
- Bruchdehnung: 12%,
Härte: -143 HB 2,5/62,5.
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