NL8501608A - Koperlegering. - Google Patents

Description

* B Br/ar/1-Brush Koperlegering.

De uitvinding betreft een nieuwe koperlegering met kleine, met elkaar verband houdende gehaltes aan beryllium en cobalt en een werkwijze voor het maken van nuttige voorwerpen daaruit die een verbeterde combinatie van eigenschap-5 pen, wat betreft de spanningsrelaxatie, de buigzaamheid, de geleidbaarheid en de mechanische sterkte betreft.

Koper-berylliumlegeringen zijn reeds 50 jaar in gebruik en vinden toepassing in gebieden waar een grote sterkte, een goede buigzaamheid, een goede bestandheid tegen 10 spanningsrelaxatie en een goede geleidbaarheid vereist is.

Bekende koper-berylliumlegeringen zijn bijvoorbeeld de legeringen die worden aangeduid met de codes C17500, C17510, C17000, C17200, C17300, en de codes C81300, C82100, C82200 en C82400 (volgens de Copper Development Association). Deze 15 legeringen bevatten wisselende hoeveelheden beryllium en andere legeringselementen zoals cobalt, nikkel, zilver en dergelijke.

De ontwikkeling van de koper-berylliumlegeringen is gegaan in de richting van een steeds beter gedrag, namelijk een hogere sterkte, een betere geleidbaarheid en andere gewenste 20 eigenschappen voor legeringen die door veroudering hardhaar zijn. Zo worden in de Amerikaanse octrooischriften 1.893.984, 1.957.214, 1.959.154, 1.974.839, 2.131.475, 2.166.794, 2.167.684, 2.172.639, 2.289.593 en 3.376.171 legeringen met uiteenlopende hoeveelheden beryllium en andere elementen be-25 schreven. Verder zijn ook vele toepassingen daarvoor genoemd.

Zo worden puntlaselektroden beschreven in de Amerikaanse octrooischriften 1.957.214, 1.959.154 en 2.131.475. Laatstgenoemd octrooischrift gaat over een goede elektrode met verminderde hoeveelheden cobalt en beryllium.

30 Sinds het verschijnen van de genoemde publica ties zijn echter nieuwe industrieën opgekomen en worden nieuwe eisen aan de legeringen gesteld. Zo waren de eisen van de elektronische en de computerindustrie in de dertiger jaren nog onbekend. Ook de neiging naar miniaturisatie bij elektro-35 nica en computers is pas van de laatste jaren. Bij het maken van verende verbindingsklemmen en contacten zijn de toestellen steeds complexer geworden en hebben de eisen van warmte- SSC1608 -——— * ' - 2 - verstrooiing en van het doorstaan van hoge temperaturen zonder spanningsrelaxatie daarmee gelijke tred gehouden. Bovendien zijn de afnemers steeds meer prijsbewust geworden en heeft men uit kostenbesparing soms legeringen als fosforbronzen 5 gebruikt, ondanks het feit dat deze slechter in geleidbaarheid, buigzaamheid en bestandheid tegen spanningsrelaxatie zijn dan de beryllium-koperlegeringen. Door de buigzaamheidseisen, die van belang zijn bij het maken van complexe onderdelen uit strookvormig of draadvormig materiaal met behulp van een 10 stel oplopende matrijzen, zijn de problemen nog groter geworden, althans sinds de dagen van het Amerikaanse octrooischrift 2.131.475, waar de beschreven laselektrode onder belasting alleen bestand tegen "mushrooming" hoefde te zijn, maar waar geen buigzaamheid werd vereist.

15 Bestandheid tegen spanningsrelaxatie is een belangrijke eigenschap, die de ontwerper zekerheid kan geven dat een bepaald contact of een verbindingsklem of dergelijke ook bij hoge temperatuur nog steeds de vereiste contactdruk zal leveren, zodat het gehele toestel een lange levensduur 20 heeft. De spanningsrelaxatie is de vermindering van.spanning met de tijd bij constante rek en een gegeven temperatuur. Als hij het spanningsrelaxatiegedrag van een materiaal kent, kan een ontwerper bepalen hoe sterk de veerkracht bij kamertemperatuur moet worden vergroot om een bepaalde minimumkracht bij 25 de werktemperatuur te leveren, zodat het elektrische contact tussen de samenwerkende onderdelen lange tijd behouden blijft.

Het is bekend dat de berylliumhoudende, door veroudering hardbare legeringen zoals C1720Q, die 2% beryllium bevat, goed tegen spanningsrelaxatie bestand zijn.

30 Daarentegen hebben de goedkopere fosforbronzen, zoals C51000 en C52100, die niet door veroudering hardhaar zijn en een aanzienlijke koude vervorming ter verkrijging van een grote sterkte vereisen, een slechte bestandheid tegen spanningsrelaxatie .

35 Een proef ter bepaling van de bestandheid tegen spanningsrelaxatie is beschreven in de bijdrage "Stress Relaxation of Beryllium Copper Strip In Bending" van 8501608 - 3 - ,,,;;:κ«ι*ΐΛ'' ......

» * 5te

Harkness en Lorenz voor de 30 Annual Relay Conference te Stillwater/ Oklahoma, 27-28 april 1982. Bij deze proef worden vlakke proefstukken van veren met een bepaalde meetlengte in een klem gespannen tot een constant spanningsniveau en 5 dan in gespannen toestand met de klem gedurende lange tijd aan een hoge temperatuur zoals 150°C blootgesteld. De monsters worden specifiek verwijderd en gemeten ter bepaling van de mate van blijvende rek die het materiaal heeft ondergaan.

Daaruit kan het percentage van de restspanning worden bere-10 kend.

De buigzaamheid wordt bepaald door een vlak strookvormig proefstuk over bijvoorbeeld 90° rond te buigen om een drevel die een neus van variabele maar bekende straal heeft. Zodra scheurtjes in de buitenste laag ontstaan, is de 15 grens van de buigzaamheid bereikt. Waarderingscijfers kunnen worden gegeven aan de hand van de verhouding R/t, waarin R de straal van de drevelneus en t de dikte van de strook is.

Deze waarderingscijfers kunnen door ontwerpers worden gebruikt om vast te stellen of een bepaald materiaal tot de 20 voor een bepaald onderdeel vereiste geometrische vorm kan worden vervormd.

Voor overzichtsartikelen over koper-beryllium-legeringen wordt verwezen naar: Rioja en Laughlin in Acta Metallurgies, band 28, 1980; Laughlin en Tanner in Bulletin 25 of Alloy Phase Diagrams, band 2, nr. 1, 1981; Guha, Alexander en Laughlin in "Metastable Precipitation in Ternary Cu-Ni-Be en Cu-Co-Be Alloys", gepresenteerd op de herfstbijeenkomst ~ van TMS-AIME te St. Louis, 25 oktober 1985, en Chang, Neumann,

Mikula en Goldberg in INCRA Monograph Series VI, 1979.

30 De uitvinding verschaft nu een door veroude ring hardbare koper-berylliumlegering met een bestandheid tegen spanningsrelaxatie die dicht nabij die van de sterkste koper-berylliumlegeringen uit de handel komt en die tevens een goede buigzaamheid en ductiliteit, een goede geleidbaar- ! i 35 heid en een goede sterkte heeft, evenals een voordien onbekende metallurgische structuur.

De uitvinding wordt nader geïllustreerd door i5 3 1 6 0 8 j - 4 - de tekeningen, die het volgende inhouden:

Fig. 1 geeft de spanningsrelaxatiekromme bij een temperatuur van 150°C en een beginspanning van 75% van de 0,2%-vloeigrens, voor een legering volgens de uitvinding 5 die 0,3% Be, 025% Co en voor de rest koper bevat. Ter vergelijking zijn ook de gegevens voor enkele bekende materialen, namelijk de koperlegeringen C17200, C52100, C68800 en C72500 opgenomen.

Fig. 2 is een grafiek die het effect van een 10 toenemend bervlliumgehalte op de elektrische geleidbaarheid en de 0,2%-vloeigrens weergeeft, als het cobaltgehalte 0,25% is.

Fig. 3 is een met een elektronenmicroscoop (vergroting 20.000 x) gemaakte foto van een legering volgens 15 de uitvinding welke 0,3% Be en 0,5% Co bevatte en welke onderworpen was aan: oplosgloeien bij 900°C, afschrikken met water en 5 uur verouderen bij 510°C. Men ziet hier de voornaamste hardende fase als een overvloedig aantal schijfvormige deeltjes, die door elektronendiffractie-analyse worden geïdenti-20 ficeerd als γ''-precipitaten.

Fig. 4 is een met een optische microscoop (vergroting 1000 x) genomen microfoto van een legering volgens de uitvinding met 0,3% Be en 0,25 Co. Hier ziet men alleen een paar kleine intermetallische cobalt-beryllide-25 deeltjes in de matrix.

De uitvinding verschaft een koper-beryllium-legering die 0,2 tot 0,5% beryllium, 0,2 tot 0,4% cobalt en voor de rest in hoofdzaak koper bevat. Deze legering wordt aan een nabehandeling onderworpen, waarbij de laatste ver-30 vormingsstap koud wordt uitgevoerd tot een reductie van ten minste 50% en bij voorkeur 70 tot 90%, en gevolgd wordt door een veroudering bij een temperatuur beneden 480°C (bijvoorbeeld tussen 370 en 425°C).

Legeringen volgens de uitvinding laten zich 35 zowel heet als koud gemakkelijk vervormen. Z-ij hebben een goede combinatie van eigenschappen, waaronder een goede be-standheid tegen spanningsrelaxatie, een goede buigzaamheid 8501608

» V

- 5 - en ductiliteit, een goede geleidbaarheid en een nuttige sterkte.

Zo bleek een legering met 0,3% beryllium, 0,25% cobalt en voor de rest koper, die aanvankelijk tot 75% van de 0,2%-vloeigrens was belast, na 1000 uren blootstelling en span-5 ningsrelaxatie bij 150°C nog een restspanning van 88% te hebben. Na éên uur blootstellen aan temperaturen van maximaal 400°C vertoonde deze legering geen verweking. Met een strook van deze legering, die een sterke koude vervorming had ondergaan (72 tot 96% reductie door walsen) en die voorafgaand 10 aan de koude vervorming was onderworpen aan oplosgloeien bij 900°C en na de koude vervorming drie uren was verouderd op 400°C, werden proeven gedaan. De strook die voor 72% koud vervormd en daarna verouderd was leverde buigzaamheids-waarden (R/t) van 0,5 in lengte richting en 1,6 in dwars-15 richting, terwijl bij treksterkteproeven een rek van 9,6% voor een proefstuk met een meetlengte van 50mm optrad. De elektrische geleidbaarheid was 51,3% I.A.C.S. De vloeigrens was 615 MPa en de treksterkte was 690 MPa. Deze combinatie van eigenschappen is typerend voor legeringen volgens de 20 uitvinding die, na de nabehandeling volgens de uitvinding in het algemeen een 0,2%-vloeigrens van 580 tot 825 MPa, een treksterkte van 655 tot 860 MPa, een rek van 5 tot 15%, een geleidbaarheid van 40 tot 65% I.A.C.S. en een restspanning (na 1000 uren bij 150°C in de spanningsrelaxatieproef) 25 van ten minste 85% van een beginspanning gelijk aan 75% van de 0,2%-vloeigrens hebben. Daarentegen zal een niet door veroudering hardbare strook (bijvoorbeeld fosforbrons C51000) - van ongeveer dezelfde sterkte bij de spanningsrelaxatieproef (1000 uren bij 150°C) een restspanning van niet meer dan 30 37% vertonen, en verder een rek van niet meer dan 5%, een buigzaamheid (R/t) van circa 2,5 in lengterichting en circa 9 in dwarsrichting, met een geleidbaarheid van slechts ongeveer 15% I.A.C.S.

De legering volgens de uitvinding wordt ge-35 maakt door daaruit eerst een gietstuk te gieten (met statische, half continue of continue middelen) en dan het gietstuk door hete en/of koude vervorming met of zonder tussentijds uit- 8501608 -— - 6 - gloeien om te z.etten tot een kneedprodukt van zodanige vorm en afmetingen dat later na koude reductie de gewenste eind-afmetingen ontstaan. Dit produkt wordt onderworpen aan oplosgloeien bij 760 tot 955°C en wel voldoende lang om herkristal-5 lisatie en de vorming van een vaste oplossing te veroorzaken uit dat gedeelte van de legeringselementen dat aan de latere precipitatieharding bijdraagt. Vervolgens wordt de legering koud vervormd tot een reductie van ten minste 50% en bij voorkeur 70 tot 95%. Daarna wordt de legering gedurende één 10 tot vijf uren (of minder) verhit op 315 tot 540°C (bij voorkeur 370 tot 425°C en bijvoorbeeld 400°C) ter verkrijging van een precipitatieharding met daarbij een aanzienlijke verbetering in eigenschappen,wat betreft de bestandheid tegen span-ningsrelaxatie, de buigzaamheid en ductiliteit, alsmede de 15 sterkte en de geleidbaarheid. Hierbij wordt opgemerkt dat temperaturen boven 870°C voor het oplosgloeien bij sommige legeringen binnen het genoemde gebied een ongewenste korrel-groei kunnen veroorzaken.

In de navolgende tabel is de samenstelling 20 yan een aantal legeringen volgens de uitvinding en hun eigenschappen weergegeven. Deze legeringen waren in strookvorm en hadden de volgende nabehandeling ondergaan: oplosgloeien bij 900°C, koud vervormen tot 72% en 3-5 uren verouderen bij 400°C. Hierbij hebben de lettercodes boven de kolommen de 25 volgende betekenis: a: nummer van de legering

b: percentage beryllium ~ I

c: percentage cobalt d: 0,2%-vloeigrens (in MPa) ; 30 e: treksterkte (in MPa) f: rek (in %) g: elektrische geleidbaarheid (in % I.A.C.S.) h: resultaten van een buigproef over 90° (waarden voor R/t in langs- en dwarsrichting) | 35 i: restspanning (in %) dat wil zeggen het deel van de begin- t· spanning van 75% van de 0,2%-vloeigrens dat na 1000 uren l op 150°C overbleef. j 8501608 [ Γ Ψ - 7 -

•H l OD I I 00 I

It co t I co I

o 'a* vo vo I a\ -rr T- cm

Λ 1 I I I I I

in O in in 'a* ^ ^ ^

T- «- Ο O

o r- r** co co cn I ^ ·»··»« ·.

ot ov τ— o I vo η in m cn H* o O v£> C"* v *» ·» *^*> * IH TT CO O 00 03 p·* o in m in o in a) in CN 03 Γ- 03 i— in r— vo vo vo oo m o o o m o Ό vo in •'a· cn t— r* 3* vo vo vo vo r- o m in in vo oh CN CN CN CN CN H1 ϋ » ·. ^ >» *» o o o o o o

Ο t“ t— 03 O

T- m •q* co cn n f) «. <.·>».«» «» o o o o o o nj t- cn co ίϊ m vo i \ * 8501808 | ( - 8 -

Legeringen binnen het kader van de uitvinding vertonen de microstructuren die in fig. 3 en 4 zijn weergegeven. Deze legeringen verschillen duidelijk van de bekende koper-cobalt-berylliumlegeringen doordat zij na harding door 5 veroudering een veel grotere dichtheid van hardend precipitaat vertonen en ook minder en kleinere intermetallische deeltjes van cobalt-beryllide dan legeringen met een hoger cobalt-gehalte. Een legering die 0,3% beryllium en 0,5% cobalt bevat en die aan oplosgloeien bij 900°C en verouderen bij 510°C 10 is onderworpen ten einde de hardende precipitatiedeeltjes ter wille van de waarmening opzettelijk te vergroten, blijkt als dunne foelie en bij waarneming door een elektronenmicroscoop q een deeltjesdichtheid van circa 2,3 x 10 precipitatiedeeltjes per vierkante millimeter te vertonen. Bij optische 15 waarneming van een metallografisch proefmonster ziet men slechts 240 intermetallische deeltjes van cobalt-beryllium van ten minste 2,5 micron diameter per vierkante millimeter.

De handelslegering C17500, die nominaal 0,5% beryllium en 2,5% cobalt bevatte en eenzelfde warmtebehandeling had onder-20 gaan bleek daarentegen een 20 maal kleinere dichtheid aan hardende precipitatiedeeltjes en een 8 maal grotere dichtheid van intermetallische deeltjes te vertonen.

Het berylliumgehalte wordt binnen de genoemde grenzen gehouden ter verkrijging van een grote elektrische 25 geleidbaarheid en ter verlaging van de kostprijs. Het cobalt-gehalte heeft een minimumwaarde die nodig is om in oplossing te blijven en te zorgen voor harding door veroudering, en een bovengrens waarbij het beryllium (dat anders voor de harding ter beschikking staat) in toenemende mate aan de matrix 30 wordt onttrokken voor de vorming van intermetallische cobalt-berylliumdeeltjes die niet aan de harding bijdragen. Legeringen volgens de uitvinding kunnen dus eenzelfde sterkte leveren als koud vervormde en verouderde koper-cobalt-beryllium-legeringen van de stand der techniek (bijvoorbeeld de 4 i 35 legering C17500)met nabehandeling HT, die voor 37% koud ver- l vormd en twee uren bij 480°C verouderd is en die een trek- f i sterkte van 690 tot 825 MPa heeft, maar met minder dan 1/5 i 8501608 } ï.

- 9 - van het daar aanwezige cobaltgehalte.

De legeringen volgens de uitvinding kunnen als kneedlegering voor stroomdragende veren, mechanische veren, diafragma's, schakelaarbladen, contacten, verbindings-5 klemmen, eindklemmen, smeltklemmen, balgen, plunjerpunten in gietmatrijzen, hulslagers, matrijzen voor kunststoffen, boorapparatuur voor olie en kolen, laselektroden voor weer-standslassen en onderdelen daarvan worden gebruikt. Ook kunnen de legeringen geschikt zijn voor "lead frames". Zij 10 kunnen gemakkelijk worden geplateerd en zijn ook geschikt voor inlegwerk.

9501608 --- ------

Claims (10)

1. Koper-berylliumlegering met een verbeterde combinatie van eigenschappen wat betreft spanningsrelaxatie, buigzaamheid, geleidbaarheid en sterkte, welke legering in hoofdzaak 0,2 tot 0,5% beryllium, 0,2 tot 0,4% cobalt en voor de 5 rest in hoofdzaak koper bevat.

2. Legering volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat zij 0,25 tot 0,5% beryllium en circa 0,25% cobalt bevat.

3«, Elektrisch geleidende contactveer, die tijdens 10 het gebruik aan een spanning ter vervorming van de veer wordt onderworpen, met het kenmerk, dat de veer bestaat uit een legering van 0,2 tot 0,5% beryllium, 0,2 tot 0,4% cobalt en voor de rest in hoofdzaak koper.

4. Werkwijze voor het maken van een produkt uit een 15 koper-berylliumlegering, met het kenmerk, dat men een legering samenstelt die 0,2 tot 0,5% beryllium, 0,2 tot 0,4% cobalt en voor de rest in hoofdzaak koper bevat en dat men een gegoten en bewerkt produkt uit deze legering achtereenvolgens aan de volgende bewerkingen onderwerpt: 20. een oplosgloeiing bij uiterlijk 955°C, - een koude vervorming tot ten minste 50%, - een veroudering van 1 tot 5 uren (of minder)bij 315 tot 540°C), - ter verschaffing van een uitstekende combinatie van eigen-25 schappen, wat .betreft bestandheid tegen spanningsrelaxatie, buigzaamheid, geleidbaarheid en sterkte.

5. Stroomdragende contactveer, gemaakt met de werkwijze van conclusie 4engekenmer k t door een grote bestandheid tegen spanningsrelaxatie.

6. Produkt in de vorm van een strook, draad, staaf of buis, verkregen met de werkwijze van conclusie 4.

7. Werkwijze volgens conclusie 4, m e t het kenmerk, dat de koude reductie wordt uitgevoerd tot ten minste 70% door koud walsen.

8. Werkwijze volgens conclusie 4, m e t het kenmerk, dat het verouderen geschiedt bij 370 tot 425°C. 8501608 « · - 11 -

9. Elektrisch geleidende contactveer volgens conclusie 3, m e t het kenmerk, dat de veer is gemaakt van strookvormig of draadvormig materiaal dat koud vervormd is voor ten minste 70% en daarna verouderd bij400°C, en dat 5 een procentuele restspanning van ten minste 85% na 1000 uren spanningsrelaxatietest bij 150°C bij een beginspanning van 75% van de 0,2%-vloeigrens vertoont.

10. Kneedlegering volgens conclusie 1, die na oplosgloeien en verouderen een microstructuur vertoont welke hoofd-10 zakelijk bestaat uit hardende precipitaten en intermetallische cobalt-berylliumdeeltjes in een α-kopermatrix, waarbij de voornaamste hardende precipitatiedeeltjes in hoge dichtheid aanwezig zijn, (ongeveer 20 maal de dichtheid van dergelijke deeltjes in een soortgelijk behandelde handelslegering C17500) 15 zoals blijkt door elektronenmicroscopie, en waarbij de intermetallische deeltjes van ten minste 2,5 micron diameter aanwezig zijn in geringe dichtheid, van circa 1/8 maal de dichtheid van dergelijke deeltjes in C1750Q, zoals blijkt bij optische metallografie. 20 ---- 8501608 ! |