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Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung mit den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie die Verwendung einer solchen Kupferlegierung mit den Merkmalen von Patentanspruch 9.
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Als an sich weiches Metall wird Kupfer insbesondere aufgrund seiner guten Legierbarkeit geschätzt. Kupferlegierungen mit beispielsweise verbesserten Festigkeitseigenschaften werden auch dort eingesetzt, wo hohe Anforderungen an die Strom- und/oder Wärmeleitfähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit gestellt werden. Es sind daher zumeist mehrere Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen.
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Da Kupfer mit Ausnahme von Silber den kleinsten elektrischen Widerstand aller bekannten Metalle aufweist, werden Kupferlegierungen schon allein wegen der Häufigkeit von Kupfer und dem damit verbundenen Preisvorteil gegenüber Silber bevorzugt und für elektrische Kontaktbauteile verwendet.
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Zu solchen Kontaktbauteilen zählen beispielsweise mechanisch miteinander verbindbare sowie trennbare Verbindungselemente sowie Quetschverbindungen.
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Kupferlegierungen wie beispielsweise CuNi1,5Si (C19010), CuNi2SiZn (C64725) und CuNi3Si (C70250) werden vorrangig für Steckkontakte eingesetzt, da diese eine hohe Relaxationsbeständigkeit aufweisen. Demgegenüber weisen die vorgenannten Kupferlegierung eine schlechte Zerspanbarkeit auf, so dass sie sich nicht oder nur schlecht für die Herstellung von Kontaktbauteilen durch spanende Verarbeitung eignen.
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Eine gute Zerspanbarkeit wird demgegenüber bei der Verwendung bekannter Kupferlegierung wie CuSP, CuTeP oder CuSMn erreicht. Da es sich hierbei um nicht aushärtbare und um nur sehr geringfügig Mischkristallverfestigung aufweisende Legierungen handelt, besitzen diese allerdings eine nur geringe Relaxationsbeständigkeit.
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Die im Stand der Technik verwendeten Legierungen beinhalten zudem mitunter Bestandteile an Blei (Pb) oder Beryllium (Be), so dass sich diese Kupferlegierungen bereits aufgrund der bekannten Toxizität dieser Legierungselemente nicht für alle Anwendungen bedenkenlos einsetzen lassen.
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Vor diesem Hintergrund bietet die Zusammensetzung von Kupferlegierungen sowie deren Verwendung in Bezug auf deren jeweilige Materialeigenschaften noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sowohl relaxationsbeständige als auch zerspanbare Kupferlegierung zur Verfügung zu stellen, welche frei ist von den Legierungselementen Beryllium und Blei. Weiterhin soll die Verwendung einer solchen relaxationsbeständigen und zerspanbaren sowie blei- und berylliumfreien Kupferlegierung für daraus herzustellende Produkte aufgezeigt werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Kupferlegierung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie deren Verwendung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9.
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Wenn es nicht anders angegeben ist, verstehen sich alle Angaben zu den Legierungselemente in Gewichtsprozent.
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Es wird eine Kupferlegierung vorgeschlagen, mit Anteilen in Gewicht-% an
| Silizium (Si) | 0,10–2,0 |
| Nickel (Ni) | 0,50–4,0. |
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Um die geforderte Zerspanbarkeit zu erreichen, sind zur Bildung spanbrechender Phasen weiterhin Anteile an
| 1.1) | Schwefel (S) | 0,10–0,80 |
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| oder |
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| 1.2) | Tellur (Te) | 0,10–1,00 |
| | | |
| oder |
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| 1.3) | Schwefel (S) | 0,10–0,80 |
| | Tellur (Te) | 0,10–1,00 |
in der erfindungsgemäßen Legierung enthalten. Die Legierung ist zur Vermeidung toxischer Eigenschaften frei von Beryllium (Be) und Blei (Pb).
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Je nach verwendeter Basis für die Kupferlegierung kann folglich Schwefel (S) oder Tellur (Te) allein oder in Kombination in den angegeben Grenzen hinzugefügt sein.
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Die Legierung ist zur Vermeidung toxischer Eigenschaften frei von Beryllium (Be) und Blei (Pb).
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Wahlweise enthält die Kupferlegierung zur Verbesserung der jeweils geforderten Eigenschaften:
| Phosphor (P) | max. 0,05 |
| Aluminium (Al) | max. 0,50 |
| Bor (B) | max. 0,50 |
| Chrom (Cr) | max. 0,50 |
| Eisen (Fe) | max. 0,50 |
| Magnesium (Mg) | max. 0,50 |
| Mangan (Mn) | max. 0,80 |
| Silber (Ag) | max. 0,50 |
| Zirkon (Zr) | max. 0,50 |
| Zink (Zn) | max. 2,50 |
| Zinn (Sn) | max. 2,50. |
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Es sich bei der vorgenannten Gruppe um optionale Legierungselemente. Sie können bei Bedarf einzeln oder in Kombination in den angegebenen Grenzen enthalten sein.
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Die Legierung enthält als Rest Kupfer (Cu) und kann übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Kupferlegierung vereint eine gute Zerspanbarkeit sowie hohen Relaxationsbeständigkeit. Insbesondere in Bezug auf Blei (Pb) wurde festgestellt, dass dessen Zugabe von maximal 0,1% die Zerspanbarkeit nicht verbessert. Bei Zugabe von Blei überwiegt vielmehr die Warmrissgefahr durch Bleianschmelzungen auf den Korngrenzen der Kristallite. Die Zerspanbarkeit der im Stand der Technik bekannten Kupferwerkstoffe ist in der Regel auf die Zugabe von Blei (Pb) in metallischer Form zurückzuführen.
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Durch den vorliegenden gezielten Verzicht auf Blei (Pb) wird daher die Zugabe von Schwefel (S) und/oder Tellur (Te) vorgeschlagen, wahlweise, aber auch insbesondere in Kombination mit Mangan (Mn). Die Zugabe von Schwefel (S) und/oder Tellur (Te) wurde bewirkt, dass auch ohne Blei (Pb) spanabrechende Phasen gebildet werden können.
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Mangan (Mn) wirkt verfestigend und dient als Desoxidationsmittel innerhalb der Kupferlegierung. Weiterhin kann durch Mangan (Mn) das Korn der Kupferlegierung verfeinert werden.
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Schwefel (S) verbessert die Zerspanbarkeit des Kupferwerkstoffs. Durch Mangan (Mn) wird die Phasenbildung des Schwefel (S) mit anderen Legierungselementen verhindert oder vermindert.
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Neben der verbesserten Zerspanbarkeit sowie Relaxationsbeständigkeit besitzt die erfindungsgemäße Kupferlegierung eine gute elektrische Leitfähigkeit, die je nach untersuchter Zusammensetzung von 24 MS/m bei z. B. CuNi3SiS oder CuNi3SiTe bis 32 MS/m bei z. B. CuNi1SiS oder CuNi1SiTe reicht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche 2 bis 8.
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Hiernach können die Legierungsbestandteile aus der vorstehenden Gruppe, sofern sie zulegiert werden, bezüglich Zink (Zn) und Zinn (Sn) in einem Bereich von jeweils 0,01–2,50 Gewicht-% enthalten sein.
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Mangan (Mn) kann in einem Bereich von 0,01–0,80% enthalten sein.
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Weiterhin können die Anteile an Aluminium (Al), Bor (B), Chrom (Cr), Eisen (Fe) sowie Magnesium (Mg), Silber (Ag) und Zirkon (Zr) jeweils 0,01%–0,5% betragen.
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Phosphor (P) kann ein einem Bereich von 0,001%–0,05% enthalten sein.
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Die bedarfsweise Zugabe von Phosphor (P) und/oder Bor (B) dient dazu, der Wasserstoffkrankheit entgegenzuwirken. Der im Kupfermischkristall gelöste Sauerstoff wird durch die Zugabe von Phosphor (P) und/oder Bor (B) an diese/diesen gebunden. Bei Aufnahme von Wasserstoff im Werkstoff kann kein Wasserdampf entstehen, der die Gefügestruktur auflockert. Phosphor (P) und/oder Bor (B) fungieren als Desoxidationsmittel.
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Weiterhin verhindert die Zugabe von Phosphor (P) die Oxidation von einzelnen Legierungselementen. Überdies können auch die Fließeigenschaften der Kupferlegierung beim Gießen durch die Zugabe von Phosphor (P) verbessert werden.
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Durch die erfindungsgemäße Zugabe von Aluminium (Al) kann die Härte des Kupferwerkstoffs und dessen Dehngrenze ohne Verminderung der Zähigkeit erhöht werden. Bei Aluminium (Al) handelt es sich um ein Legierungselement, welches die Festigkeit sowie die Bearbeitbarkeit und die Verschleißbeständigkeit der Kupferlegierung bei hohen Temperaturen verbessert werden kann. Dies gilt im Übrigen auch für eine Verbesserung der Oxidationsresistenz der Kupferlegierung durch die Zugabe von Aluminium (Al).
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Die Zugabe von Chrom (Cr) und Magnesium (Mg) dient ebenfalls zur Verbesserung der Oxidationsresistenz der Kupferlegierung bei hohen Temperaturen. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang dabei beobachtet, wenn Chrom (Cr) und Magnesium (Mg) in Kombination mit Aluminium (Al) hinzulegiert werden. Auf diese Weise kann ein vorteilhafter Synergieeffekt dieser Bestandteile erzielt werden.
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Eisen (Fe) dient generell zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Kupferlegierung.
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Zirkon (Zr) kann die Warmumformbarkeit des erfindungsgemäßen Kupferwerkstoffs verbessern.
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Insbesondere bei einer zumindest teilweisen Verzinnung der Kupferlegierung wird vorgeschlagen, einen Anteil an Zink (Zn) in einem Bereich von 0,01–2,50% hinzuzulegieren. Zink (Zn) verbessert die Haftung der Verzinnung bzw. verbessert die Beständigkeit gegenüber dem Ablöseverhalten von Verzinnungen (peeling off).
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Durch Zinn (Sn) kann ferner die Mischkristallverfestigung der erfindungsgemäßen Kupferlegierung gesteigert werden.
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Schwefel (S) und/oder Tellur (Te) als Spanbrecher können bevorzugt mit Mangan (Mn) kombiniert werden. Schwefel und Mangan bilden Mangansulfide, welche die Zerspanbarkeit gegenüber Kupfersulfiden erhöhen.
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Die Kupferlegierung hat bevorzugt für die Legierungselemente Si, Ni, S, Te und Mn die folgenden, alternativen Zusammensetzungen, jeweils mit Rest Kupfer und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen:
| A) |
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| | Silizium (Si) | 0,13–1,5 |
| | Nickel (Ni) | 0,70–3,2, |
| | | |
| wobei für die Alternativen 1.1) bis 1.3) folgendes gilt: |
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| 1.1) | Schwefel (S) | 0,15–0,70 |
| 1.2) | Tellur (Te) | 0,15–0,85 |
| 1.3) | Schwefel (S) | 0,15–0,70 |
| | Tellur (Te) | 0,15–0,85 |
| | | |
| und jeweils wahlweise mit |
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| | Mangan (Mn) | 0,05–0,70. |
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| B) |
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| | Silizium (Si) | 0,15–1,2 |
| | Nickel (Ni) | 0,80–3,0, |
| | | |
| wobei für die Alternativen 1.1) bis 1.3) folgendes gilt: |
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| 1.1) | Schwefel (S) | 0,20–0,60 |
| 1.2) | Tellur (Te) | 0,20–0,80 |
| 1.3) | Schwefel (S) | 0,20–0,60 |
| | Tellur (Te) | 0,20–0,80 |
| | | |
| und jeweils wahlweise mit |
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| | Mangan (Mn) | 0,06–0,60. |
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| C) | | |
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| | Silizium (Si) | 0,17–1,0 |
| | Nickel (Ni) | 0,90–2,6, |
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| wobei für die Alternativen 1.1) bis 1.3) folgendes gilt: |
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| 1.1) | Schwefel (S) | 0,22–0,57 |
| 1.2) | Tellur (Te) | 0,25–0,75 |
| 1.3) | Schwefel (S) | 0,22–0,57 |
| | Tellur (Te) | 0,25–0,75 |
| | | |
| und jeweils wahlweise mit |
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| | Mangan (Mn) | 0,07–0,55 |
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| D) |
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| | Silizium (Si) | 0,20–0,8 |
| | Nickel (Ni) | 1,00–2,4, |
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| wobei für die Alternativen 1.1) bis 1.3) folgendes gilt: |
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| 1.1) | Schwefel (S) | 0,25–0,55 |
| 1.2) | Tellur (Te) | 0,30–0,7 |
| 1.3) | Schwefel (S) | 0,25–0,55 |
| | Tellur (Te) | 0,30–0,70 |
| | | |
| und jeweils wahlweise mit |
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| | Mangan (Mn) | 0,08–0,50. |
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| E) | | |
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| | Silizium (Si) | 0,22–0,7 |
| | Nickel (Ni) | 1,20–2,2, |
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| wobei für die Alternativen 1.1) bis 1.3) folgendes gilt: |
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| 1.1) | Schwefel (S) | 0,28–0,52 |
| 1.2) | Tellur (Te) | 0,35–0,65 |
| 1.3) | Schwefel (S) | 0,28–0,52 |
| | Tellur (Te) | 0,35–0,65 |
| | | |
| und jeweils wahlweise mit |
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| | Mangan (Mn) | 0,09–0,45. |
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| F) |
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| | Silizium (Si) | 0,25–0,60 |
| | Nickel (Ni) | 1,40–2,0, |
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| wobei für die Alternativen 1.1) bis 1.3) folgendes gilt: |
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| 1.1) | Schwefel (S) | 0,30–0,50 |
| 1.2) | Tellur (Te) | 0,40–0,60 |
| 1.3) | Schwefel (S) | 0,30–0,50 |
| | Tellur (Te) | 0,40–0,60 |
| | | |
| und jeweils wahlweise mit |
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| | Mangan (Mn) | 0,10–0,40. |
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellten Abbildungen sowie Tabellen insbesondere in Abgrenzung gegenüber dem Stand der Technik näher erläutert. Es zeigen:
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1 Stahl-Eisen-Prüfblatt (SEP) 1178-90 zur analogen Beurteilung der Spanformklasse der erfindungsgemäßen Kupferlegierung;
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2 Untersuchungsergebnisse an den Kupferlegierungen CuSP, CuTeP und CuSMn mit Blick auf die Spanformklassen durch mechanische Bearbeitung in Form von Außenlängsdrehen bei Variation der Schnittgeschwindigkeit;
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3 die Untersuchungsergebnisse an den Werkstoffen aus 2 in Bezug auf die Spanformklassen bei Varianten der Schnitttiefe;
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4 die Ergebnisse der Spanformklassen der 2 und 3 in Abhängigkeit von den jeweiligen Vorschub bei der mechanischen Bearbeitung;
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5 eine tabellarische Übersicht der Werkstoffeigenschaften einzelner im Stand der Technik bekannter Kupferlegierungen mit einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung;
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6 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuSP;
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7 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuTeP;
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8 ein weiteres Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuSMn;
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9 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuNi2,5Si;
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10 eine Abbildung der sich bei der mechanischen Bearbeitung der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung aus 9 ergebenden Spanausbildung;
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11 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung CuNi1,5Si0,2S0,35;
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12 eine Abbildung der sich bei der mechanischen Bearbeitung der erfindungsgemäßen Kupferlegierung aus 11 ergebenden Spanausbildung;
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13 Diagramm zur Variation des Ni- und Si-Gehalts bei konstantem Gehalt der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te und
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14 Diagramm zur Variation der Gehalte der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te bei konstantem Gehalt der Basiselemente Ni und Si.
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Um die positiven Eigenschaften und Unterschiede der erfindungsgemäßen Kupferlegierung gegenüber den im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung zu erläutern, wurden vorliegend zunächst eine Gruppe aus den bekannten Kupferlegierungen CuSP (CW114C), CuTeP (CW118C, C14500) und CuSMn (C14750) näher untersucht.
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Aus 1 geht ein Stahl-Eisen-Prüfblatt 1178-90 hervor, um die sich bei der spanabhebenden Bearbeitung ergebenden Ausgestaltungen der Späne analog auf die vorliegend untersuchte Gruppe zu beziehen.
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Das sich ergebende Spanbild wurde dabei in eine von insgesamt acht Spanformklassen (1–8) eingeteilt, wie in der ersten Spalte, links neben den schematisch dargestellten Spänen zu erkennen ist. Den einzelnen Spanbildern sind entsprechend ihrer Ausgestaltung passende Terminologien zugeordnet, welche von ”Bandspäne” bis ”Bröckelspäne” reichen.
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In der rechts neben den Spanformklassen gelegenen Spalte ist die Spanraumzahl R aufgeführt, welche das Verhältnis zwischen dem Raumbedarf einer ungeordneten Spanmenge (Vspan) und dem Werkstoffvolumen derselben Spanmenge (V) angibt. Eine kleine Spanraumzahl R lässt auf kleine Späne schließen, welche in ihrer räumlichen Ausgestaltung entsprechend wenig Platz benötigen. Somit sind diese in ihrer Handhabung gegenüber großen Spänen deutlich leichter. Demgegenüber lässt eine große Spanraumzahl R auf einen hohen Platzbedarf der Späne schließen, so dass deren Handhabung aufgrund des sich ausdehnenden Volumens deutlich erschwert ist.
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Die Spanformklassen und die jeweiligen Spanraumzahlen R sind in der ganz rechten Spalte in 1 einer Beurteilung zugeführt, wobei die Spanformklassen 7 und 8 mit ihrer jeweiligen Spanraumzahl R als ”brauchbar” eingestuft wurden, während die Spanformklassen 5 und 6 in Kombination mit ihren jeweiligen Spanraumzahlen R als ”gut” beurteilt sind. Die verbleibenden Spanformklassen 1 bis 4 im Zusammenhang mit deren jeweiliger Spanraumzahl R sind dagegen ersichtlich als ”ungünstig” eingestuft, wobei bei den Spanformklassen 3 und 4 ein fließender Übergang zu ”gut” vorliegt.
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2 zeigt die Ergebnisse der mechanischen Bearbeitung der untersuchten Gruppe der bekannten Kupferlegierungen in Bezug auf die sich ergebenden Spanformklassen beim Außenlängsdrehen eines daraus bestehenden Werkstücks.
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Die mit 2 vorliegenden Ergebnisse basieren auf einer konstanten Schnitttiefe ap von 1,5 mm und einem Vorschub f von 0,2 mm. Die jeweilige Schnittgeschwindigkeit vc wurde dabei von 450 m/min (vc1) auf 150 m/min (vc2) variiert. Wie zu erkennen, liegen die jeweiligen Spanformklassen der Werkstoffe aus der Gruppe (CuSP, CuTeP und CuSMn) allesamt zwischen 3 und 5. Die sich jeweils ergebenden Spanbilder sind ebenfalls in der vorliegenden Tabelle schematisch dargestellt. Zur besseren Verdeutlichung ist diesen jeweils ein Einheitsstrich für 20 mm als Bezug zugeordnet, um die Ergebnisse in Form der sich bei der Untersuchung eingestellten Spangrößen besser einschätzen zu können.
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3 zeigt die Ergebnisse weiterer Bearbeitungsschritte der Gruppe aus 2. Hierbei wurde bei gleich bleibender Schnittgeschwindigkeit vc von 450 m/min die jeweilige Schnitttiefe ap von 1,5 mm (ap1) nach 0,75 mm (ap2) hin variiert. Wie bereits bei die vorherigen und in Bezug auf deren Ergebnisse in 2 ersichtliche Untersuchung wurde auch hierbei ein konstanter Vorschub von f = 0,2 mm eingehalten.
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Aus 3 geht hervor, dass die Variation der Schnitttiefe (ap) insbesondere bei dem Werkstoffen CuSP und CuTeP zu einer Veränderung der Spanformklasse führt, wobei eine Vergrößerung der Schnitttiefe ap sich einer Verschlechterung der Spanformklasse äußert. Demgegenüber bleibt die Spanformklasse von CuSMn während der Variation der Schnitttiefe ap konstant, wie es im Übrigen auch bei der Variation der Schnittgeschwindigkeit vc der Fall war (siehe 2).
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Wie zu erkennen, bleibt die Spanformklasse insbesondere der Kupferlegierung CuSMn somit sowohl bei Variation der Schnittgeschwindigkeit als auch bei Variation der Schnitttiefe in den jeweils vorliegenden Bereichen konstant.
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Weiterhin bewegt sich die Gruppe der untersuchten Kupferlegierungen auch bei Variation der Schnitttiefe ap in einem Bereich der Spanformklassen 3 bis 5.
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Aus 4 geht das Ergebnis der Variation des Vorschubs f in ihrer Auswirkung auf die Spanformklasse der jeweiligen Kupferlegierungen aus der untersuchten Gruppe hervor. Wie zu erkennen, verschlechtert sich die Spanformklasse der Gruppe mit abnehmendem Vorschub f insgesamt. Bei dem aus den 2 und 3 hervorgehenden Vorschub f von 0,2 mm liegen alle drei Kupferlegierungen der Prüfgruppe dagegen dicht beieinander. Lediglich die Kupferlegierung CuSMn verbessert seine Spanformklasse mit zunehmendem Vorschub f, welcher vorliegend bis 0,3 mm geprüft wurde. Die sich jeweils ergebenden Spanformen gehen ebenfalls aus den schematisch dargestellten Abbildungen in Kombination mit der vorliegenden Tabelle hervor.
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Die so erhaltenen und in den 2 bis 4 zusammengestellten Ergebnisse wurden anschließend mit den Untersuchungsergebnissen für die vorliegende erfindungsgemäße Kupferlegierung verglichen.
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Als Referenzwert wurde die bekannte Kupferlegierung CuZn39Pb3 verwendet, welche insbesondere in Deutschland als die Hauptlegierung für Zerspanung gilt. Besagter Kupferlegierung findet überall dort seinen Einsatz, wo es verstärkt auf eine spanende sowie spanabhebende Formgebung ankommt. Im Zusammenhang mit der vorliegend als Referenz genutzten Kupferlegierung CuZn39Pb3 wird deren Zerspanbarkeit mit einem Zerspanungsindex von 100% angenommen.
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Demgegenüber erreicht reiner Kupferwerkstoff einen Zerspannungsindex von 20% bis maximal 30%. Bei diesen Kupfersorten handelt es sich um niedrig legierte und aushärtbare Kupferwerkstoffe, welche keine spanbrechende Elemente wie Schwefel (S), Tellur (Te) sowie Schwefel (S) und Mangan (Mn) sowie Blei (Pb) beinhalten.
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Zwischen diesen beiden Kupferwerkstoffen reiht sich die vorliegend untersuchte Gruppe derart ein, dass CuSP einen Zerspannungsindex von 70% aufweist, währen CuTeP einen Zerspannungsindex von 80% besitzt. Letztlich erreicht CuSMn den höchsten Zerspannungsindex aus der Gruppe von 90%.
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5 zeigt hierzu eine tabellarische Gegenüberstellung der darin enthaltenen Werkstoffe in Bezug auf deren jeweilige Werkstoffeigenschaften.
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Neben den in der ganz linken Spalte untereinander aufgeführten Werkstoffen sind jeweils rechts daneben deren zugehörige Größen aus weiteren Untersuchungen zu entnehmen, beginnend mit der 0,2%-Dehngrenze Rp0,2. Rechts daneben findet sich die Zugfestigkeit Rm sowie Bruchdehnung A.
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In der sich daran anschließenden rechten Spalte ist die jeweilige Brinellhärte (HBW) angegeben und in der rechts darauf folgenden Spalte die Leitfähigkeit der einzelnen Werkstoffe. Die ganz rechts gelegenen, letzten beiden Spalten zeigen zunächst qualitativ die jeweilige Relaxation sowie die Zerspanbarkeit in Form des Zerspannungsindexes in %.
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Die vorliegende Tabelle in 5 ist dabei so aufgebaut, dass diese die ungefähren Herstellungskosten der einzeln aufgeführten Werkstoffe widerspiegelt, beginnend mit dem preiswertesten Werkstoff oben.
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In der untersten Zeile findet sich die erfindungsgemäße Kupferlegierung mit den dort aufgeführten Größenordnungen ihrer einzelnen Legierungskomponenten wieder, näherhin CuNi1,5Si0,2S0,35.
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Wie zu erkennen ist, weist diese Kupferlegierung im direkten Vergleich mit den anderen Werkstoffen eine hohe 0,2%-Dehngrenze sowie Zugfestigkeit Rm auf. Das gilt auch für die Brinellhärte HBW, welche mit 175 fast doppelt so hoch ist wie bei dem als Referenz gewählten und in der obersten Zeile der Tabelle aus 5 enthaltenen Kupferwerkstoff CuZn39Pb3 mit HBW 90.
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Erfindungsgemäß weist die erfindungsgemäße Legierung eine sehr hohe Relaxationsbeständigkeit auf, welche in der Tabelle mit „+++” kenntlich gemacht ist und damit zumeist deutlich gegenüber der jeweiligen Relaxationsbeständigkeit der anderen aufgeführten Werkstoffe liegt. Lediglich der Werkstoff CuNi1,551 besitzt eine ähnlich gute Relaxationsbeständigkeit, weist demgegenüber allerdings eine deutlich schlechtere Zerspanbarkeit von lediglich 25% gegenüber der erfindungsgemäßen Kupferlegierung CuNi1,5Si0,2S0,35 auf.
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Auffällig hierbei ist, dass die in den ersten vier Zeilen aufgeführten Werkstoffe zwar einen ähnlich guten und mit 100% bei CuZn39Pb3 entsprechend höheren Zerspanungsindex besitzen, demgegenüber allerdings in ihrer jeweiligen Relaxationsbeständigkeit der Kupferlegierung Cu Ni1,5Si0,2S0,35 der Erfindung deutlich unterliegen.
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Die vorliegend aufgeführten Werte für den jeweiligen Zerspannungsindex der im Stand der Technik bekannten Werkstoffe wurde zum Teil aus dem Informationsdruck 118 des deutschen Kupferinstituts ”Richtwerte für die spanende Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen” entnommen.
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Die Bestimmung der mechanischen Kennwerte für die vorliegende Tabelle erfolgte nach DIN ISO 6892-1. Dabei entsprach die jeweilige Probenform der Form A gemäß DIN 50125. Die jeweilige Leitfähigkeit wurde mit einem Sigmatester der Firma Förster ermittelt. Das jeweilige Relaxationsverhalten wurde anhand von internen Messungen an den verwandten Werkstoffen extrapoliert, welche allerdings gegenüber der Kupferlegierung der Erfindung keine erfindungsgemäßen spanbrechenden Elemente enthielten.
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Die 6 bis 9 zeigen jeweils ein Schliffbild der Mikrostrukturen aus der den Untersuchungen zugrunde liegenden Gruppe der einzelnen Kupferwerkstoffe.
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6 zeigt dabei den Werkstoff CuSP mit seiner Anordnung der spanbrechenden Elemente. Dessen Mikrostruktur zeigt zum Teil dicht beieinander liegende und jeweils dunkel dargestellte Kupfersulfide, welcher hierbei als Spanbrecher dienen.
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7 zeigt demgegenüber den Werkstoff CuTeP, welcher in seiner Mikrostruktur dunkel dargestellte Kupfertellurieden als Spanbrecher enthält. Diese sind in ihrer Anordnung größtenteils vereinzelter und weiter auseinander gelegen.
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Aus 8 geht die Mikrostruktur des Werkstoffs CuSMn hervor, welcher als Spanbrecher Mangansulfide enthält. Wie bereits aus den in den 2 bis 4 und in Zeile vier der Tabelle aus 5 hervorgehenden Ergebnissen weist CuSMn einen hohen Zerspanungsindex mit einer zumeist guten Spanformklasse auf, was auf die in 8 ersichtliche, gleichmäßige Verteilung seiner Spanbrecher zurückzuführen ist.
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9 zeigt zum Vergleich die geätzte Mikrostruktur dies genormten Werkstoffs CuNi2,5Si (C1800) ohne spanbrechende Phasen.
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Neben dem Kupfermischkristall liegen vereinzelt Nickelsilizide vor. Die Nickelsilizide haben keine spanbrechende Wirkung. Beim Zerspanen des Werkstoffs entstehen ungünstig lange Späne (10) die sich um die Spanwerkzeuge wickeln können und den Stillstand eines Drehautomaten verursachen können.
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Aus 11 geht die Mikrostruktur des erfindungsgemäßen Werkstoffs CuNi1,5Si0,2S0,35 hervor. Dieser weist als Spanbrecher ebenfalls Kupfersulfide auf. Wie zu erkennen, besitzt dieser eine dem in 8 dargestellten Kupferwerkstoff CuSMn ähnlich gute Verteilung seiner Spanbrecher auf, was sich in einer guten Zerspanbarkeit äußert.
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Dessen Fertigung lag das Gießen im Strangguss zugrunde, mit einem Pressen von Durchmesser 273 mm an Durchmesser 28 mm. Weiterhin beinhaltete die Fertigung das Ziehen von Durchmesser 28 mm an Durchmesser 24 mm. Anschließend erfolgte das Aushärten bei 440°C über 16 Stunden hinweg an Umgebungsluft.
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12 zeigt die Spanausbildung nach der mechanischen Bearbeitung des erfindungsgemäßen Kupferwerkstoffs CuNi1,5Si0,25S0,35 aus 9. Anhand der Gefügeausbildung der 9 und der spanformklasse des vorliegenden Werkstoffs CuNi1,5Si0,25S0,35 im Vergleich mit den Untersuchungen an den vorherigen Werkstoffen CuSP, CuTeP und CuSMn lässt sich auf einen Zerspannungsindex von größer 70% schließen.
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Je nach Anforderungsprofil lassen sich somit aus den zerspanbaren erfindungsgemäßen Kupferlegierungen entsprechende Eigenschaftskombinationen heraussuchen. Ein besonderes Merkmal der Kupferlegierung ist, dass eine Verarbeitbarkeit mit konventionellen Fertigungs- und Bearbeitungsmaschinen möglich ist. In vorteilhafter Weise besitzt die erfindungsgemäße Kupferlegierung sowohl eine ausreichende Kaltverformbarkeit als auch eine sehr gute Warmverformbarkeit.
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Vorliegend ist die Erfindung auch auf die Verwendung einer solchen Kupferlegierung für die Herstellung eines spanend zu fertigenden Produktes gemäß Patentanspruch 9 gerichtet.
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Weiterhin ist die Erfindung auf die Verwendung einer solchen Kupferlegierung auch für die Herstellung eines nicht spanend zu fertigenden Halbzeugs gemäß Patentanspruch 10 gerichtet. Dabei kann es sich insbesondere um ein Walz-, Press-, Zieh-, Schmiede- oder Gussprodukt handeln. Zum Beispiel können Stangen und Drähte aus Press- und Ziehfolgen als Halbzeuge geliefert werden.
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Aus den Stangen und Drähten können zum Beispiel folgende Produkte über eine spanende Fertigung hergestellt werden: Steckkontakte, Quetschhülsen, Crimpverbinder, Nägel mit gebohrtem Schaft, Motorteile, Schrauben, Fixierstifte, Klemmen, Schweißdüsen, Schneidbrennerdüsen, Ventile, Fittings, Muttern, Armaturenteile, Kontraktrohre, Kontaktstifte.
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13 zeigt ein Diagramm zur Variation des Ni- und Si Gehalts bei konstantem Gehalt der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te und 14 zeigt ein Diagramm zur Variation der Gehalte der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te bei konstantem Gehalt der Basiselemente Ni und Si.
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Daraus lassen sich die gegenseitigen Wechselwirkungen der Legierungselemente ablesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN ISO 6892-1 [0079]
- DIN 50125 [0079]
