DE1533179A1 - Heat-resistant and wear-resistant copper alloy with high conductivity for electricity and heat - Google Patents

Description

Warmfeste und verschleißbeständige Kupferlegierungen hoher- Leitfäbigkeit für Elektrizität und Wärme Die Erfindung bezieht sich auf Kupferlegierungen mit Anteilen an Metallborid und/oder Metallsilicid. Im Manebinenbau und In der Elektroteebnik gibt es zahlreiche Fälle, in denen aufeinander gleitende Konstruktionateile außer guten Gleiteigenschaften auch eine hohe Leitfäbigkeit für Wärme und/oder Elektrizität aufweisen müssen. Bewährte Lagerwerkstoffe, wie Bronzen, oder dergl. haben eine gegenüber Kupfer wesentlich geringere Leitfäbigkeit für Wärme und/oder Elektrizität, und dem reinen Kupfer wiederum fehlen die w-Unaabenswerten Gleiteigenscbaften. Es ist be- kannt, daß Gleit- und insbesondere Notlaufeigennebaften vor allem bei solchen Werkatoffen ausgeprägt vorhanden sind, die einen mebrpbasigen Gefügeaufbau zeigen und gleichmäßig verteilte Einlagerungen einer harten Phase aufweisen. Derartige Einlagerungen kommen bei Berührung der Gleitpartner "zum Tragen" und bewirken zufolge ihrer Härte und demgemäß ihrer größeren Widerstandsfähigkeit, daß die wahre Berührungsfläcbe der Gleitpartner verhältnismäßig klein bleibt. Bekannt ist in dieser Hinsicht die Wirkung des Pbospbideutektikums In Gußeisen oder der Chromkarbide in bocblegierten Stählen.-Auch den Warmfestigkeitseigenscbaften kommt vielfach große Bedeutung zu. Die Warmfestigkeitseigenschaften metallischer Werkstoffe können nach dem Prinzip der Dispersionaverfestigung wirkungsvoll gesteigert werden. Bei der Dispersionsverfestigung werden in eine metallische Matrix Partikel einer in dieser nicht oder nur unwesentlich löslichen, harten und hocbschmelzenden Phase eingelagert, wobei eine bestimmte Größe der eingelagerten Teilchen nicht überschritten werden darf und-außerdem auch gewisse KobärenzbedIngungen zu erfüllen sind. Di: e- Größe solcher eingelagerten Teilchen läßt sieh in gewissen Grenzen durch metallurgische Maßnahmen ät-euern. Entweder strebt man sehr feine Teilchen an und erhält dadurch einen Werkstoff mit guten W#rmfestIgkeitseigenscbaften oder man strebt gröbere Teilchen an und erhält dadurch einen Verkstoff mit guten Gleiteigenschaften. Dazwischen sind auch Kompromißlösungen möglich. In der Gruppe der Kupferwerkstoffe fehlte bisher ein Legierungstyp, der in das durch die oben genannten Anforderungen abgesteckte Feld paßt. Erstrebenswert ersch.eint jedenfalls ein Gefüge, bei dem In einer möglichst reinen Kupfermatrix eine harte, beständige Phase gleichmäßig verteilt eingelagert-Ist.Heat-resistant and wear-resistant copper alloys with high conductivity for electricity and heat The invention relates to copper alloys with proportions of metal boride and / or metal silicide. In manebine construction and electrical engineering, there are numerous cases in which structural parts that slide on one another must have, in addition to good sliding properties, also a high conductivity for heat and / or electricity. Tried and tested bearing materials such as bronzes or the like have a significantly lower conductivity for heat and / or electricity than copper, and pure copper in turn lacks the inaccessible sliding properties. It is sawn known that lubricants and particularly Notlaufeigennebaften especially pronounced in such Werkatoffen are present, showing a structural composition mebrpbasigen and evenly distributed inclusions having a hard phase. Such deposits "come into play" when the sliding partners come into contact and, due to their hardness and, consequently, their greater resistance, mean that the real contact area of the sliding partners remains relatively small. In this regard, the effect of the Pbospbideutectikums in cast iron or the chromium carbides in bocble-alloyed steels is known. The heat resistance properties are often of great importance. The heat resistance properties of metallic materials can be effectively increased according to the principle of dispersion strengthening. During dispersion consolidation, particles of a hard, high-melting phase which is insoluble or only insoluble in this phase are embedded in a metallic matrix, a certain size of the embedded particles not being allowed to be exceeded and, in addition, certain cobärenzbedIngungen to be met. The size of such embedded particles can be determined within certain limits by metallurgical measures. Either one strives for very fine particles and thus obtains a material with good heat resistance properties or one strives for coarser particles and thus obtains a material with good sliding properties. In between, compromise solutions are also possible. In the group of copper materials, there has been no alloy type that fits into the field defined by the above-mentioned requirements. In any case, a structure appears to be desirable in which a hard, stable phase is evenly distributed in a copper matrix that is as pure as possible.

Der Erfindung liegt der Gedanke,zugrunde, Kupferlegierungen zu schaffen, die in einer Kupfermatrix Volumenanteile an harten Phasen bis zu 25 % enthalten.- Die Einbuße an Leftfähigkeit ist dann wesentlich geringer als im Falle eines Kupferwerkstoffes, dessen Gefüge im wesentlichen aus einer -bomogenen oder ausgebärteten festen Lösung besteht. Es wurde zwar schon der Versuch unternommen, feine Siliciumkarbid-Teilchen in eine Kupfermatrix einzubetten, um ein Material mit hoher Verächleißbe-ständigkeit zu erhalten, besonders zur Verwendung als tremascheiben in Scheibenbremsen (metal Progress, November 1965, S. 59). Die Herstellung derartiger "Compositen" ist aber umständlich und unwirtschaftlich; außerdem befriedigen die mechanischen Eigenscbaften, wie ZugfestIgkeit und Dehnung, vor allem bei höheren Temperaturen nicht.The invention is based on the idea of creating copper alloys which contain volume fractions of hard phases of up to 25% in a copper matrix hardened solid solution. Although it has been already made an attempt to fine silicon carbide particles in a copper matrix embedding in order to obtain a material with high Verächleißbe-resistance, particularly for use as tremascheiben in disc brakes (metal Progress, Nov. 1965, p 59). The production of such "composites" is laborious and uneconomical; In addition, the mechanical properties, such as tensile strength and elongation, are unsatisfactory, especially at higher temperatures.

Es wurde nun überraschenderweine gefunden, daß die oben geforderten Eigenschaften bei Kupferlegierungen dann erlialten werden, wenn sie eine*Zusammensetzung. im Bereich eines Quaeibinärechni-tte Kupfer-Metallborid bzw.-Metalleilicld aufweisen und daß die Verbindung Metallborid und/oder Metallsilicid in einem.Volumenanteil zwischen etwa 1 und 25 % in der Kupfermatrix vorliegt. It has now surprisingly been found that the properties required above are achieved in copper alloys if they have a * composition. have in the area of a Quaeibinärechni-tte copper metal boride or metal silicon and that the compound metal boride and / or metal silicide is present in a volume fraction between about 1 and 25% in the copper matrix.

Sowohl einkleiner Überschuß.an Bor oder Silicium in Bezug auf den Quasibinärechnitt als auch an Metall, insbesondere Zirkon, Titan und-Chrom, wirkt sich dabei praktisch nicht nachteilig auf die Leitfäbigkeit der Kupfermatrix aus; ein kleiner Überschuß an Metall bewirkt hingegen eine geringe Ausbärtbarkeit und einen-starken Anstieg der Erweichungstemperatur an stark verformtem Material bis auf ca. 500 0 C.-Erfindungegemäß ist weiterhin vorgesehen, daß die Zusammensetzung im Bereich des Eutektikums-auf dem Quasibinärscbnitt liegt.Both a small excess of boron or silicon in relation to the quasi-binary cut and of metal, in particular zirconium, titanium and chromium, have practically no detrimental effect on the conductivity of the copper matrix; a small excess of metal, however, causes a slight Ausbärtbarkeit and a sharp increase in the softening temperature-strongly deformed material to approximately 500 0 C. Erfindungegemäß is further contemplated that the composition in the range of the eutectic-on is the Quasibinärscbnitt.

Auf diese Weine wird zuverlässig eine Primäraussebeidung 'von groben Boriden und Siliciden vermieden, welch letztere in der Schmelze entweder aufsebwimmen oder sich absetzen würden. Man erhält vielmehr eine dünnflüssige und leicht vergießbare Schmelze; auch tritt keine Seigerung der erstarrenden Schmelze auf. Die so erhaltenen Halbzeuge lassen sich infolge des Fohlens der Frimärausscbeidungen auch besonders gut spanabhebend verformen.On these wines there is reliably a primary dressing 'of coarse Avoid borides and silicides, which the latter either float up in the melt or would settle. Rather, you get a thin and easily pourable one Melt; there is also no segregation of the solidifying melt. The so obtained Semi-finished products can also be special because of the foaling of the Frimärausscbeidungen deform well by cutting.

In weiterer Ausgestaltung des Grundgedankenn der Erfindung ist vorgesehen, daß die Metalle der Metallboride und/öder -Silicide den Gruppen 4a, 5 a und 6a den Periodischen Systeme der Elemente angeb ören. Im folgenden worden die Eigenschaften einer Kupfer-Zirkon-Bor-Legierung beschrieben, die Zirkon und Bor in den zur Bildung von 4 Gew.-% Zirkonborid erforderlichen Anteilen enthält. Diese Legierung wurde durch Auflösen einer Kupfer-Zirkon-Vorlegierung in-einer Kupfer-Bor'Legierung hergestellt. Die Kupfer-Zirkon-Vorleglerung wurde im V.akuum-Lichtbogenofen unter Argon von etwa 100 To= aus gleichen Teilen Zirkon und Kupfer erschmolzen. Zur Herstellung der Kupfer-Bor-Logierung wurden Tabletten aus 20 Gew.-% Borpulver und 80 Gew.--% Kupferpulvee in im Vakuum-Induktionsofen aufgeschmolzenem Kupfer aufgelöst.In a further embodiment of the base Gedankenn of the invention it is provided that the metals of the metal borides and / barren silicides ören the groups 4a, 5a and 6a of the periodic system of the elements indicating. The following describes the properties of a copper-zirconium-boron alloy which contains zirconium and boron in the proportions required to form 4% by weight of zirconium boride. This alloy was produced by dissolving a copper-zirconium master alloy in a copper-boron alloy. The copper-zirconium coating was melted in a vacuum arc furnace under argon of about 100 To = from equal parts of zirconium and copper. To produce the copper-boron logging, tablets made from 20 % by weight boron powder and 80 % by weight copper powder were dissolved in copper melted in a vacuum induction furnace.

Die fertige Schmelze wurde in eine Keilkokille aus Kupfer mit 15 mm größter Keildicke vergossen. Die metallographIsche Untersuchung der Gußkeile ergab eine gleichmäßig verteilte Einlagerung von Zirkonborid-Teilchen mit Durchmessern zwischen ca. 1 und 10 /mü;-die Größe der eingslagerten Zirkonborid-Teilchen änderte sich mit zunehmender Keildicke (abnehmender Abkühlungsgesebv:indigkeit) nicht wesentlich. Außer der Zirkonborld-Phaso konnten keine weiter en Phasen gefunden worden. Unter den gleichen Bedingungen wurde auch das zur Legierungsherstellung verwandte Blektrolytkupfer ohne Zusätze vergossen. Inder folgenden Tabelle sind die am Blektrolytkupfer und an der Kupferlegierung mit 4 Gew.-% Zirkonborid,gefundenen Meßverte wiedergegebent Elektrolyt- cu +-4 kupfer ZrB Härte in kp/mm 2 61 84 gegossen Warmhärtl bei 600'C in kp/mm 14 36 gewalzt Härte in kp/mm 2 115 142 .Glübung Härte in 2 kp/mm b bei 2 n - ach 46 167 :)50'C Härte in kp/mm 2 nach Glübung 2 b bei 33 78 70()'c gewalzt Warmzugfestigkgit bei und 500 0 C In kP/mm 8 209,5 geglübt Debnung in % > 4o 14 BlektrIscbe Lettfähigke:it- nach Glühung 1 b bei 50o"c 100 % ",70 % Ähnliche Werte wurden an Kupfer-Titan-Bor- und Kupfer-Chrom-Bor-Legierungen gemessen.The finished melt was poured into a wedge mold made of copper with a maximum wedge thickness of 15 mm. The metallographic examination of the cast wedges revealed an evenly distributed intercalation of zirconium boride particles with diameters between approx. 1 and 10 / m; the size of the embedded zirconium boride particles did not change significantly with increasing wedge thickness (decreasing cooling rate). Apart from the Zirkonborld phase, no further phases could be found. The lead electrolyte copper used for alloy production was also cast under the same conditions without additives. The table below shows the measured values found on the lead electrolyte copper and on the copper alloy with 4% by weight of zirconium boride Electrolyte cu + -4 copper ZrB Hardness in kp / mm 2 61 84 poured warm hardening at 600'C in kp / mm 14 36 rolled hardness in kp / mm 2 115 142 .Glow hardness in 2 kp / mm b at 2 n - ach 46 167 :) 50'C Hardness in kp / mm 2 Glüh 2 b at 33 78 70 () 'c rolled at high tensile strength and 500 0 C in kP / mm 8 209.5 tarnished deboning in %> 4o 14 BlektrIscbe Lettability: it- after annealing 1 b at 50o "c 100%", 70% Similar values were measured on copper-titanium-boron and copper-chromium-boron alloys.

Ersetzt man Bor ganz oder teilweise durch Silicium, derart, daß anstelle der Roride MoB 2 -Silicide MeSi 2 oder Silicid-Borid-Misebkristallö entstehen, so erzielt man ähnliche Wirkungen in wirtschaftlicherer Weise, da Si preiswerter als Bor ist.If boron is replaced in whole or in part by silicon, in such a way that instead of the Roride MoB 2 -Silicide MeSi 2 or Silicid-Borid-Misebkristallö arise, so similar effects are achieved in a more economical manner, since Si is cheaper than Boron is.

Die hier beschriebenen neuartigen Legierungen lassen sich im Tiegel erschmelzen und ohne-besondere Rührvorkehrungen vergießen, und sie bedürfen nicht der in der US-PatentschTift 3 194 656 (Legierungen mit hoben Anteilen an Karbiden, Boriden und Siliciden) angegebenen umständlichen Herstellungemethoden.The new alloys described here can be smelted in the crucible and without shedding-specific Rührvorkehrungen, and they do not require the cumbersome Herstellungemethoden indicated 3,194,656 (alloys with raised levels of carbides, borides and silicides) in the US PatentschTift.

Claims (1)

P a t o n t a n s p r ü c b e -1. Kupferleglerungen mit Anteilen an Metallborid und/oder Metalleilicid, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zusammensetzung Im Bereich eines Quaeibinäreebnitts Kupfer-Metallborid bzw.-Metallsilicid aufweisen und daß die Verbi ndung Metallborld und/oder Metallsilicid in einem Volumenanteil zwischen etwa 1 und 25 % In der Kupfermatrix vorliegt. 2.-Kup ferlegierungen nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß die Zusammensetzung im Bereich des Eutektikums auf dem Quaolblnärschnitt lIegt. Kupferlegierungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle der Metallborlde und/oder -SilicIde den Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodischen Systeme der Elemente angehören'.P at o ntans p r ü c be -1. Copper regulations with proportions of metal boride and / or metal silicide, characterized in that they have a composition in the range of a quaeibinary cut copper-metal boride or metal silicide and that the connection metal world and / or metal silicide in a volume proportion between about 1 and 25% in the Copper matrix is present. 2-Kup alloys combined according to claim 1, characterized ekennzeichnet g, that the composition in the range of the eutectic is located on the Quaolblnärschnitt. Copper alloys according to Claims 1 and 2, characterized in that the metals of the metal borides and / or silicides belong to groups 4a, 5a and 6a of the Periodic System of the Elements.