DE1608104C

DE1608104C - Verfahren zur Erhöhung der Erweichungs temperatur einer Kupferlegierung

Info

Publication number: DE1608104C
Authority: DE
Inventors: Robert Stanley Cheshire Conn Bray (V St A)
Original assignee: Anaconda American Brass Co
Current assignee: Anaconda American Brass Co

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung · der Erweichungstemperatur einer Kupfer-Bor-Schwefel-Legierung bei guter elektrischer Leitfähigkeit. Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist gegebenenfalls vorgesehen, die Legierung nach der Kaltverarbeitung einer Glühbehandlung zu unterwerfen, um dadurch Zwischenhärten zu erhalten.

Es ist bekannt, daß Kupfer neben Silber als bester Leiter für Elektrizität und Wärme gilt. Die Leitfähigkeit wird jedoch im allgemeinen schon durch die Anwesenheit von Spuren anderer Elemente im Kupfer stark herabgesetzt.

Kupfer hat auf den verschiedensten Gebieten Anwendung gefunden, wobei dem Metall — um es für den jeweiligen speziellen Verwendungszweck brauchbar zu machen — verschiedene andere Metalle zulegiert werden müssen. Dabei gingen zwangläufig die guten Leitfähigkeitseigenschaften verloien.

Es sind schon zahlreiche Versuche unternommen worden, für spezielle Verwendungszwecke geeignete Kupferlegierungen mit guter Leitfähigkeit herzustellen. Beispielsweise ist eine Kupfer-Bor-Legierung bekannt, die aus 0,02 bis 0,1% Bor, Rest Kupfer sowie unvermeidliche Verunreinigungen besteht. Diese Legierung ist speziell für die Verwendung als Schweißstab zum Verbinden von Kupferstücken entwickelt worden.

Beim Erhitzen behält Kupfer bis zu einer Temperatur von 175⁰C seine volle Härte bei, erweicht jedoch bei 250° C vollkommen. Es ist daher verschiedentlich versucht worden, die Erweichungstemperatur des Kupfers durch Zulegieren zu erhöhen. So sind beispielsweise silber- oder cadmiumhaltige Kupferlegierungen bekannt, deren Erweichungstemperaturen auf. nahezu 300 oder 400⁰C erhöht wurden. Cadmiumkupfer weist z. B. nach ausgiebigem Walzen eine Zugfestigkeit von 47,60 kg/mm² auf und wird erst nach lOminutigem Erhitzen auf 400⁰C weich. Jedoch fällt die elektrische Leitfähigkeit dieser Legierungen weit unter den Leitfähigkeitswert von 100% *° IACS für reines Leitkupfer ab.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung einer solchen Behandlung zu unterziehen, daß die hohe elektrische Leitfähigkeit des Kupfers weitgehend erhalten bleibt und dabei gleichzeitig eine Erhöhung der Erweichungstemperatur erzielt wird, so daß die Legierung auf hohe Temperaturen erhitzt werden kann, ohne dabei zu erweichen.

Es wurde festgestellt, daß zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe eine Kupferlegierung geeignet ist, die aus 0,004 bis 0,3% Bor, 0,002 bis 0,1% Schwefel und gegebenenfalls Verunreinigungen in geringen Mengen, Rest Kupfer besteht.

Die Behandlung dieser Kupferlegierung erfolgt gemäß der Erfindung in der Weise, daß die Bor und Schwefel innerhalb der oben angegebenen Grenzen enthaltende Legierung bei Temperaturen von 900 bis 1040⁰C lösungsgeglüht, danach rasch auf Zimmertemperatur abgekühlt und kalt verformt wird.

Dadurch wird eine Legierung erhalten, deren Erweichungstemperatur über 450⁰C liegt und die eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 100% IACS aufweist.

Vorzugsweise wird das Lösungsglühen in einer nichtoxydierenden Atmosphäre vorgenommen. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Legierung nach dem Lösungsglühen sogleich abgeschreckt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Abschrecken während einer Zeit von weniger als 20 Sekunden durchgeführt.

Durch die erfindungsgemäße Behandlung wird der gut leitenden Legierung eine hohe Erweichungstemperatur verliehen.

Gegebenenfalls kann die erfindungsgemäß zu behandelnde Legierung dadurch auf Zwischenhärten gebracht werden, daß sie nach erfolgtem Glühen und Kaltverformen auf eine unterhalb ihrer Erweichungstemperatur liegenden Temperatur erhitzt wird.

Der hier benutzte Ausdruck »Erweichungstempelatur« bedeutet die niedrigste Glühtemperatur, welche einen merkbaren Abfall der Härte und Zugfestigkeit bewirkt. Es ist darunter auch die Temperatur zu verstehen, bei der als Funktion von der Zeit des Einhaltens eines konstanten Temperaturwertes eine allmähliche Änderung dieser Eigenschaften eintritt. Metallurgisch gesehen ist dies bedingt durch Eigenschaftsänderungen, die sich aus der Summe folgender Effekte ergeben: Erholung, Rekristallisation, Kornwachstum und durch Ausscheidung bedingte Härtungseffekte.

Im folgenden sollen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung an Beispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1

Eine Probe von 1,65 cm einer erfindungsgemäß zu behandelnden Legierung aus 0,009% Bor, 0,0026% Schwefel und zwei Verunreinigungen von weniger als 0,002% Eisen und 0,002% Silicium, Rest Kupfer wurden 1 Stunde lang in einer Argon-Wasserstoff-Atmosphäre bei 900⁰C lösungsgeglüht und unmittelbar darauf mit Wasser auf Raumtemperatur abgeschreckt. Danach wurde die Probe auf 0,165 cm (90% Kaltreduktion) kaltgewalzt. Die Proben wurden zur Messung der Zugfestigkeit in einem Salzbad bei 400, 450 und 500⁰C 3,6 und 12 Minuten lang erhitzt und auf ihre Zugfestigkeit, Streckgrenze und Duktilität geprüft. Die Ergebnisse wurden in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Wie beobachtet wurde, trat merkbare Erweichung nur bei 500⁰C ein. Weiterhin konnte beobachtet werden, daß beim Wiedererhitzen des kaltgewalzten Kupfers auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur die Duktilität beträchtlich ansteigt, ohne daß dabei die Streckgrenze merkbar vermindert wird. (Die Duktilität wurde in einem Zugfestigkeitsprüfversuch als prozentuale Verlängerung [Dehnung] gemessen.)

Probe	Zug festigkeit kg/mm¹	Streck grenze 0,5% Dehnung kg/mm"	Dehnung (.5 5) in%
Erfindungsgemäß be- ί handelte Cu-Legierung \ Nach 3 Minuten bei 400⁰C .....	62,0 59,8 54,0 54,6	61,5 56,0 51,3 51,8	7,5 7 6,5 8
Nach 3 Minuten bei 400⁰C	53,8 54,5	50,6 · 51,7	6,5 7
Nach 6 Minuten bei400°C
Nach 6 Minuten bei 400⁰C

Probe	Zug festigkeit kg/mm²	Streck grenze 0,5% Dehnung kg/mm*	Dehnung (.5 5) in %
Nach 12 Minuten bei 400⁰C .'.	54,7 54,1	51,9 51,1	7 8 ■
Nach 12 Minuten bei 400⁰C	48,5 47,8 47,0 45,3 38,1 36,2	44,4 43,1 42,0 31,5 22,5 20,3	10 11 11,5 11,5 26 31
Nach 3 Minuten bei 450⁰C
Nach 6 Minuten bei 450° C
Nach 12 Minuten bei 450⁰C
Nach 3 Minuten bei 500° C
Nach 6 Minuten bei 500°C
Nach 12 Minuten bei 500°C

Beispiel 2

In einem zweiten Beispiel wurde eine Kupfer-Bor-Schwefel-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet: 0,009% Bor, 0,0021 °/₀ Schwefel, 0,001% Eisen, 0,002% Silicium, Rest Kupfer. Die Legierung war zu einem 1,152 cm Draht verarbeitet und auf einer Spule aufgewickelt. Der Draht wuide in einem Strang-Glühofen in einer Atmosphäre von gekracktem Ammoniak 7 Minuten lang in der Weise erhitzt, daß man den Draht durch eine etwa 4,5 m lange, auf 925°C erhitzte Zone mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,6 m pro Minute hindurchführte. Der Draht wurde in Wasser abgeschreckt und kalt auf 0,15 cm gewalzt. Wenn der so verarbeitete Draht V2 Stunde lang einer Temperatur von 450⁰C ausgesetzt wurde, konnte keine nennenswerte Erweichung der Legierung beobachtet werden.

Wie bereits erwähnt, wird die angestrebte Erhöhung der Erweichungstemperatur des Kupfers bei Legierungen mit Borgehalten von 0,004 bis 0,3% und Schwefelgehalten von 0,002 bis 0,1% erzielt. Aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus sind jedoch Kupfeilegierungen mit einem Borgehalt von etwa 0,007 bis 0,015% und Schwefelgehalten von etwa 0,003 bis etwa 0,006% besonders günstig.

Sowohl bei den vorerwähnten Metallen als auch bei weiteren Proben, die zur Bestimmung der vorgenannten Werte hergestellt worden waren, lagen die Leitfähigkeitswerte sehr nahe bei 100% IACS, so daß in vielen Fällen Legierungen hoher Leitfähigkeit erhalten wurden.

Vergleichsversuche ergaben, daß Kupfer, das auf 75 bis 95% kalt verarbeitet worden war, eine Erweichungstemperatur von etwa 25O⁰C aufwies. Eine silberhaltige Kupferlegierung, die in gleicher Weise bearbeitet worden war, wies eine Erweichungstemperatur von 300⁰C auf, während eine ähnlich verarbeitete Cadmium-Kupfer-Legierung eine Erweichungstemperatur von 400^i:C zeigt. Demgegenüber tritt bei der erfindungsgemäß behandelten Legierung eine merkbare Erweichung erst bei Temperaturen über 500⁰C ein.

Mit den folgenden Zahlenangaben soll die Anwendbarkeit der erfindungsgemäß behandelten Legierungen gezeigt werden. Es sind bereits mehrere handelsübliche Posten mit einem Gewicht von über etwa 13 600 kg vergossen, gewalzt, geglüht und wie oben beschrieben fertiggewalzt worden. Der Borgehalt variierte zwischen 0,007 und 0,015%, während der Schwefelgehalt zwischen 0,0030 und 0,0059% lag. Dabei wurden Metalle erhalten, die hinsichtlich Erweichungstemperatur und Leitfähigkeit die angestrebten Eigenschaften aufwiesen. Die Leitfähigkeitswerte lagen zwischen 100,7 und 101,4% IACS.

Schließlich sollen noch folgende Vergleiche gezogen werden: Ein gewalztes Cadmiumkupfer mit einer Zugfestigkeit von 47,60 kg/mm² wird nach 10 Minuten langem Erhitzen auf 400⁰C weich. Die in technischem Maßstab hergestellte erfindungsgemäß zu behandelnde Kupfer-Bor-Schwefel-Legierung zeigt nach dem Walzen eine Zugfestigkeit von 45,50 kg/mm². Ihre Zugfestigkeit sinkt auf 39,90 kg/mm² nach 15 Minuten langem Erhitzen auf 400⁰C und 32,90 kg/mm² nach 15 Minuten langem Erhitzen auf 450⁰C. Nach Istündigem Erhitzen auf 400⁰C ergibt sich eine Zugfestigkeit von 37,80 kg/mm² und eine Zugfestigkeit von 27,30 kg/mm² nach lstündigem Erhitzen auf 450° C. Dieses allmähliche Absinken innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne erlaubt ein Glühen auf Zwischenhärten. Diese Tatsache ist für die Herstellung der Legierung deshalb von entscheidendem Vorteil, weil das Metall während des Kaltwalzens auf seine endgültige Dicke reduziert und nachträglich auf die gewünschte Zwischenhärte geglüht werden kann. Es braucht daher nur ein einfacher Vorratsbestand gehalten zu werden, der den verschiedensten Härtungsbedingungen unterworfen werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Erweichungstemperatur bei gleichzeitig guter elektrischer Leit-

4j fähigkeit einer Kupferlegierung aus 0,004 bis 0,3 % Bor, 0,002 bis 0,1 % Schwefel, Rest Kupfer und unvermeidliche Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei Temperaturen von 900 bis 1040⁰C lösungsgeglüht,

5c danach rasch auf Zimmertemperatur abgekühlt und kalt verformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen in einer nicht

. oxydierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen in weniger als 20 Sekunden abgeschreckt werden. . .

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nach der Kaltverformung zusätzlich durch Erhitzen auf eine unterhalb ihrer Erweichungstemperatur liegende Temperatur auf eine Zwischenhärte geglüht wird.