DE2429754C3

DE2429754C3 - Verfahren zur Verbesserung der Kriechfestigkeit und Spannungsrelaxation von Federn aus Kupferwerkstoffen

Info

Publication number: DE2429754C3
Application number: DE19742429754
Authority: DE
Inventors: Jacob Woodbridge Conn. Crane
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1974-06-21
Filing date: 1974-06-21
Publication date: 1981-12-17
Also published as: DE2429754B2; DE2429754A1

Description

(A) mit einem Verformungsgrad von 10 bis 97% zu einem Halbzeug kaltverformt,

(B) aus diesem Halbzeug die Feder formt und

(C) die Feder wenigstens 1 Minute lang auf 200 bis 360° C erwärmt und auf Raumtemperatur abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltverformungsgrad 15 bis 95% beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ErwSrmungstemperatur 220 bis 350° C beträgt

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungszeit wenigstens 15 Minuten beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Werkstoff zusätzlich zwischen den Verfahrensstufen (A) und (B) wenigstens 1 Minute lang auf 200 bis 360⁰C erwärmt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff zwischen den Verfahrensstufen (A) und (B)

(D) wenigstens 1 Minute bei einer Temperatur von 300 bis 750⁰C geglüht und

(E) mit einem Verformungsgrad von 10 bis 97% kaltnachgewalzt wird.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf Werkstoffe, die zusätzlich wenigstens eines der folgenden Elemente enthalten:

0,001 bis 10% Aluminium,
0,001 bis 4% Germanium,
0,001 bis 8% Gallium,
0,001 bis 10% Indium,
0,001 bis 4% Silicium,
0,001 bis 10% Zinn,
0,001 bis 37% Zink,
0,001 bis 25% Nickel,
0,001 bis 0,4% Phosphor,
0,001 bis 5% Eisen,
0,001 bis 5% Zirkonium oder
0,001 bis 10% Mangan.

8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf Werkstoffe, die aus 2 bis 10% Aluminium, 3 bis 5% Germanium, 3 bis 8% Gallium, 4 bis 10% Indium, 1,5 bis 4% Silicium, 4 bis 10% Zinn oder 15 bis 37% Zink, Rest Kupfer bestehen.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf Werkstoffe, die zusätzlich

wenigstens ein weiteres der folgenden Elemente enthalten:

0,01 bis 4% Aluminium,

0,01 bis 3% Germanium,

0,01 bis 7% Gallium,

0,01 bis 9% Indium,

0,01 bis 3,5% Silicium,

0,01 bis 8% Zinn,

0,01 bis 35% Zink,

0,01 bis 20% Nickel,

0,01 bis 035% Phosphor,

0,01 bis 3,5% Eisen,

0,01 bis 2% Kobalt,

0,01 bis 3,5% Zirkonium oder

0,01 bis 8,5% Mangan.

Es besteht ein Bedarf nach einem Verfahren, nach dem Kupferwerkstoffe Federeigenschaften zur Verwendung bei elektrischen Steckverbindungen und ähnlichen Anwendungen verliehen werden. Neben einer Beständigkeit gegen Spannungskorrosion und der elektrischen Leitfähigkeit müssen diese Werkstoffe (Legierungen) in der Lage sein, bei ihrem Einsatz einen guten elektrischen Kontakt aufrechtzuerhalten oder bei bestimmter Durchbiegung eine gewisse Spannung zu

ίο behalten. Die meisten dieser Einrichtungen unterliegen einer wiederholten Beanspruchung, so daß die vorgenannten Eigenschaften von großer Bedeutung sind.

Es ist bekannt, daß bestimmte Legierungen bei Beanspruchung eine zeitabhängige Verformung aufweisen oder eine Rückstellhemmung erleiden. Im ersten Fall spricht man von Kriechverhalten, im zweiten Fall von Spannungsrelaxation der Legierung. Bei als Federn beanspruchten Zeilen aus einer Legierung ist es erwünscht, daß die Legierung unter möglichst großer Belastung eine hohe Kriechfestigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Kriechfestigkeit und Spannungsrelaxation von Federn für elektrische Steckverbindungen und ähnliche Anwendungen aus eine Stapelfehlerenergie von weniger als 30 erg/cm² aufweisenden Kupferwerkstoffen zu schaffen. Diese Aufgabe wird gemäß den Patentansprüchen gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Verbesserung der Kriechfestigkeit und Spannungsrelaxation von Federn für elektrische Steckverbindungen und ähnliche Anwendungen aus eine Siapelfehlerenergie von weniger als 30 erg/cm² aufweisenden Kupferwerkstoffen aus 2 bis 12% Aluminium oder 2 bis 6% Germanium oder 2 bis 10% Gallium oder 3 bis 12% Indium oder 1 bis 5% Silicium oder 4 bis 12% Zinn oder 8 bis 37% Zink, Rest Kupfer, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man den Werkstoff

bo (A) mit einem Verformungsgrad von 10 bis 97% zu einem Halbzeug kaltverformt,

(B) aus diesem Halbzeug die Feder formt und

(C) die Feder wenigstens 1 Minute lang auf 200 bis 360⁰C erwärmt und auf Raumtemperatur abkühlt.

Aus M. Hansen, K. Anderko, Constitution of Binary Alloys, 1958, S. 86, 583, 585, 591, 631, 634, 650, sind für verschiedene Kupferlegierungen Zustands-Diagramme

bekannt, denen zu entnehmen ist, daß die Legierungen zum Teil härtbar, zum Teil nicht härtbar sind.

In der CH-PS 5 13 984 sind Kupferlegierungen mit guten Kaltverfestigungseigenschaften und damit hoher Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie einem hohen Grad der Duktilität beschrieben, die mindestens ein Element aus den Gruppen II, III und IV des Periodensystems enthalten und eine Stapelfehlerenergie bis unterhalb 3 erg/cm² haben.

In der DE-AS 12 28 810 ist ein Verfahren zur Herstellung hochwertiger Federwerkstoffe aus bei Raumtemperatur homogenen, nicht aushärtbaren Kupfer-Zink-Legierungen beschrieben, wobei das in üblicher Weise hergestellte Halbzeug kaltverformt und anschließend 100 Stunden bei 80⁰C bis 1 Minute bei 180⁰C wärmebehandelt wird.

H. Böhm, Einführung in die Metallkunde, Bibliographisches Institut Mannheim—Zürich, 1968, S. 117 und 149, hat Ausführungen über Kriech- und Erholungsvorgänge bei Metal'en gemacht und dargelegt, daß es für eine Änderung der Versetzungsanordnung erforderlich ist, daß die Versetzungen klettern, d. h. in neue Gleitebenen gehen. Dieser Vorgang ist um so leichter, je höher die Stapelfehlerenergie des Metalls ist, die die Aufspaltung der Versetzung bestimmt.

Aus den US-PS 30 46 166, 33 99 084 und 20 50 601 sowie der DE-PS 6 18 465 ist es an sich bekannt, Kupfer-Zink-Legierungen zunächst einer Kaltverformung zu unterziehen und anschließend einer Wärmebehandlung zu unterwerfen. Im einzelnen enthalten diese Druckschriften folgende Aussagen:

Gemäß US-PS JO 46 166 sollen die Kupfer-Zink-Legierungen zumindest mit 50% kaltverformt und anschließend bei 200⁰C geglüht werden. Nach dem in der US-PS 33 99 084 beschriebenen '-'erfahren werden Legierungen mit 9 bis 11,8% Aluminium, Rest im wesentlichen Kupfer, zunächst bei Temperaturen von 535 bis 1000°C warmbearbeitet, danach bei einer Temperatur unter 150⁰C kaltgeformt und anschließend bei 177 bis 343°C mindestens 15 Minuten lang geglüht.

Nach dem in der US-PS 20 50 601 beschriebenen Verfahren sollen Legierungen auf Kupferbasis, die etwa 4% Suizide enthalten, nach einer Kaltverformung 1 bis 4 Stunden lang bei 100 bis 500⁰C geglüht werden. Schließlich werden gemäß DE-PS 6 18 465 Kupferlegierungen mit 10 bis 37% Zink, 1 bis 3% Aluminium und 3 bis 15% Nickel nach dem Kaltverformen bei 300 bis 600° C geglüht.

Diesen Druckschriften kann jedoch nicht entnommen werden, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbesserung der Kriechfestigkeit und der Spannungsrelaxation eintritt. Außerdem ist diesen Druckschriften nicht zu entnehmen, daß bei Legierungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden sollen, die endgültige Formgebung zu Federn nach der Kaltverformung erfolgen soll.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Legierung vorzugsweise mit einem Verformungsgrad von 15 bis 95% zu einem Halbzeug kaltverformt. Vorzugsweise beträgt die Erwärmungstemperatur 220 bis 350⁰C und die Erwärmungszeit wenigstens 15 Minuten.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Legierung zusätzlich zwischen den Verfahrensstufen (A) und (B) wenigstens 1 Minute lang auf 200 bis 360⁰C erwärmt. Um die gewünschte Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation der Legierung zu erhalten, kann es nötig sein, die Temperaturbehandlung nach dem Kaltverformen zu wiederholen. Bandmaterial, das zur Herstellung der Feder besonders stark verformt werden muß, kann die normalerweise am Ende vorgenommene Wärmebehandlung noch zusätzlich vor der Verformung erforderlich machen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Legierung zwischen den Verfahrensstufen (A) und (B), (D) wenigstens 1 Minute bei einer Temperatur von 300 bis 750⁰C, vorzugsweise 350 bis 700° C geglüht, um die Legierung zu rekristallisie. en und

ίο (E) auf einen Verformungsgrad von 10 bis 97%, vorzugsweise 15 bis 95% kaltnachgewalzt

Außer dem Kupfer enthält die erfindungsgemäß verwendete Legierung als erstes Element vorzugsweise 2 bis 10% Aluminium, 3 bis 5% Germanium, 3 bis 8% Gallium, 4 bis 10% Indium, 1,5 bis 4% Silicium, 4 bis 10% Zinn oder 15 bis 37% Zink.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Legierungen können zusätzlich wenigstens eines der folgenden Elemente enthalten:

0,001 bis 10% Aluminium, 0,001 bis 4% Germanium, 0,001 bis 8% Gallium, 0,001 bis 10% Indium, 0,001 bis 4% Silicium, 0,001 bis 10% Zinn, 0,001 bis 37% Zink, 0,001 bis 25% Nickel, 0,001 bis 0,4% Phosphor, 0,001 bis 5% Eisen, 0,001 bis 5% Kobalt, 0,001 bis 5% Zirkonium, 0,001 bis 10% Mangan.

Vorzugsweise enthalten die Kupferlegierungen den zweiten Legierungsbestandteil in folgenden Mengen:
0,01 bis 4% Aluminium, 0,01 bis 3% Germanium, 0,01 bis 7% Gallium, 0,01 bis 9% Indium, 0,01 bis 3,5% Silicium, 0,01 bis 8% Zinn, 0,01 bis 35% Zink, 0,01 bis 20% Nickel, 0,01 bis 0,35% Phosphor, 0,01 bis 3^% Eisen, 0,01 bis 2% Kobalt, 0,01 bis 3,5% Zirkonium oder 0,01 bis 8,5% Mangan.

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden Legierungen eingesetzt, die eine Stapelfehlerenergie von weniger als 30 erg/cm² aufweisen und deren Korngröße vor der Verfahrensstufe (A) wenigstens 0,006 mm beträgt.

Der Zusatz von Aluminium, Silicium, Zinn oder Zink dient zur Verminderung der Stapelfehlerenergie der Legierung. Zusätze von Nickel, Eisen, Kobalt, Zirkonium oder Mangan führen zu einer Verringerung der Korngröße der Legierung. Nickel und Mangan erhöhen auch die Härte der Mischkristalle, ohne die Stapelfehlerenergie der Legierung wesentlich zu beeinträchtigen.

Phosphor, gegebenenfalls in Kombination mit anderen Elementen, wirkt als Desoxidationsmittel und führt zur Kornverfeinerung.

Das erfindungsgernäße Verfahren ist vorzugsweise auf die CDA-Legierungen 638 und 688 anwendbar. Die Verfahrensstufe (C), d. h. die Niedertemperaturbehandlung, verbessert die Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation der erfindungsgemäß verwendeten Kupferlegierungen sehr unterschiedlicher Zusammensetzung und niederer Stapelfehlerenergie. Im gleichen Sinn wirkt die Vergrößerung der Korngröße der Legierungen.

Die Vergrößerung der Korngröße auf wenigstens 0,006 mm bei Legierungen mit ähnlicher Zusammensetzung wie die der CDA-Legierung 638 kann beispielsweise durch Kaltverformung und Glühen in bestimmten Verformungsbereichen und bei bestimmten Temperaturen oder durch übliche Methoden erreicht werden.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

In Tabelle I ist das Dehnung-Zeit-Verhalten der CDA-Legierung 638 erläutert, die aus 2,5% Aluminium,

1,9o/o Silicium, 0,27 bis 0,42% Kobalt, Rest Kupfer besteht, auf eine Korngröße von 0,003 mm eingestellt und um 50% kaltgewalzt wurde, wobei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit bzw. ohne abschließende Niedertemperaturbehandlung gearbeitet wurde. Bei der Bestimmung der Kriechfestigkeit beträgt die

Tabelle I

Zugbelastung 50% der Streckspannung, die eine bleibende Verformung von 0,2% verursacht, und die Temperatur 125° C. Für die Bestimmung der Spannungsrelaxation beträgt die Zugbelastung 90% der Streckspannung, die eine bleibende Verformung von 0,2% verursacht.

Wärmebehandlung

Kriechfestigkeit

Zugspannung
kg/mm³

Spannungsrelaxation

% Dehnung nach 100 h 1000 h

Zugspannung
kg/mm²

% Relaxation nach 24 h 1000 h

Keine
310-C/l h

39,37
38,10

0,175
0,06

0,245 0,125

62,50
68,65

7,24
1,72

12,3 3.2

Aus Tabelle I ist ersichtlich, daß die Niedertempera- ergeben ähnliche Verbesserungen der Kriechfestigkeit

turbehandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens die und der Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation, ohne

Kriechfestigkeit und die Beständigkeit gegen Span- die Festigkeitseigenschaften der Legierung wesentlich

nungsrelaxation der Legierung verbessert Niedertem- 20 zu beeinträchtigen,
peraturbehandlungen bei etwa 225 bis etwa 350° C

Beispiel 2

Tabelle II erläutert die Kriechfestigkeit und die 25 Verfahren mit bzw. ohne abschließende Niedertempera-Spannungsrelaxation der in verschiedenen Korngrößen tu;behandlung gearbeitet wurde. Die Versuchsbedin-

vorliegenden CDA-Legierung 638, die bis zu 50 bis 60% kaltgewalzt wurde, wobei nach dem erfindungsgemäßen

gungen entsprechen im wesentlichen denen des Beispiels 1.

Tabelle II

Korngröße Wärme- Kriechfestigk.it behandlung

Zug- % Dehnung nach

spannung
mm ⁰C kg/mm² 100 h 1000 h

0,003
0,003
0,007
0,007

Spannungsrelaxation

% Relaxation nach lOOOh

Zugspannung
kg/mm² 24 h

keine
310
keine
310

39,37
39,02
39,02
37,26

0,175 0,06 0,150 0,038

Aus Tabelle Il ist ersichtlich, daß eine Erhöhung der Korngröße in Kombination mit einer Niedertemperaturbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 4 >

0,245 0,125 0,23 0,080

62,50
68,65

67,07

7,24
1.72

1,04

12,3 3,2

2.3

die größte Verbesserung der genannten Eigenschaften bewirkt.

Beispiel 3

In Tabelle III ist erläutert, daß die Erhöhung der Beispiel 2 die wesentlichen Festigkeitseigenschaften der Korngröße und die nach dem erfind.ungsgemäßen 50 CDA-Legierung 638 nicht beeinträchtigen.
Verfahren durchgeführte Wärmebehandlung gemäß

Tabelle III	Kaltnachwalzen Vo	Wärmebehandlung ⁰C	«n kg/mm^;	"0.2 kg/mm²	ο
Korngröße mm	50 50 60 60	keine 310 keine 310 Beispiel 4	88,51 89,28 82,25 82,25	78,03 76,63 73,82 74,52	5 3 3
0,003 0,003 0,007 0,007

Aus kaltgewalzter CDA-Legierung 638 mit ähnlicher μ Funktionstüchtigkeit der so hergestellten Steckdose

Zusammensetzung wie in Beispiel I und einer wird folgender Versuch durchgeführt:

O(u-Grenze von etwa 56,9 bis 66,8 kg/mm² wird eine Ein elektrischer Stecker mit Übermaß wird in die

elektrische

g
i? hpfges'ellt. Zur Überprüfung der Steckdose eingeführt und dann wieder herausgezogen.

Anschließend wird ein Stecker mit Untermaß, der mit einem entsprechenden Gewicht beschwert ist, in die Steckdose eingeführt. Dabei muß zwischen der Steckdose und den Kontaktstiften des Steckers ein genügend hoher Kontaktdruck aufrechterhalten werden, damit der Stecker mit Untermaß nicht durch das Gewicht wieder aus der Steckdose herausgezogen wird. Diese Forderung wurde von der Steckdose nicht erfüllt, die durch übliches Kaltwalzen und Verformen aus der CDA-Legierung638 hergestellt wurde.

Wenn die elektrische Steckdose einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 280 bis 345°C und anschließend den vorgenannten Versuchsbedingungen unterworfen wird, erfüllt die Steckdose in 18 von 20 Versuchen die Forderungen.

Daraus ergibt sich, daß die Nicdertempcraturbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren den Kontaktdruck zwischen Steckdose und Kontaktstiften des Steckers erhöht und damit ein Herausfallen des Steckers mit Untermaß verhindert, obwohl die Steckdose vorher mit einem Stecker mit Übermaß aufgeweitet wurde. Die optimale Funktionstüchtigkeit der Steckdose hängt auch von der bei der Wärmebehandlung verwendeten Temperatur ab.

Beispiel 5

In Tabelle IV ist die Wirkung einer nach der Wärmebehandlung stattfindenden Verformung der CDA-Legierung 638 mit ähnlicher Zusammensetzung wie in Beispiel I auf die Spannungsrelaxation erläutert. Durch Zugbeanspruchung wird eine Verformung um 2 bis V₂ und durch Kaltwalzen um 10 Prozent erreicht. Diese Art des Verformens wird bei Bandmaterial durchgeführt, das vorher kaltgewalzt und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wärmebehandelt wurde.

Tabelle IV

Korngröße
mm

Bedingungen % Relaxation nach 5 Minuten')

0.003 W 30%+ 310"CVl h

0.003 W 30% + 310= CVI h + 2 - '/.'% Recken

0.003 W 30%+ 310X/1 h+ 10% Recken

0.003 W 30% + 310^c C/1 h + 10% Recken + 310~ C/1 h

0.007 W 40%+ 310X71 h

0.007 W 40% + 31OX/1 h + 2 - '/>% Recken

0,007 W 40% + 31OX/1 h + 10% Recken

0.007 W40% + 310X/l h + 10% Recken +3IOX/1 h

1.4
1.8
2.7
1.5
1.6
2.0
3.1
1.3

*) Anfangsbelastung 63.28 kg/m

W = Kalmachwalzen.

Aus Tabelle IV ist ersichtlich, daß das Verformen von Bandmaterial, das vorher einer Wärmebehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgesetzt wurde, die Wirkung dieser Wärmebehandlung herabsetzt, jedoch nach dem Verformen das Bandmaterial einer erneuten Wärmebehandlung unterworfen werden kann, um seine optimale Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegen .Spannungsrelaxation wieder zu erhalten.

Damit bietet die Erfindung auch die Möglichkeit, ein der Wärmebehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfenes Bandmaterial zum gewünschten Werkstück zu verformen und durch nachfolgende Wiederholung der Wärmebehandlung dem Material die Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation wiederzugeben, die es vor dem Verformen hatte.

Beispiel b

Es wird eine technisch hergestellte CDA-Legierung 510 geprüft, die einerseits um 54% kaltgewalzt, andererseits kaltgewalzt und nachfolgender Wärmebehandlung bei 220 C nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen wurde. Die Untersuchungen werden bei einer Temperatur von I25X und einer Zugspannung von 50% der o<u-Grenz.e bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle V zuSiimmengefaßt:

Tabelle V

Wiirme-	Zugspannung	Kriechfestigkeit
⁴"> behandlung
		% Dehnung nach
	kg/mm-¹	100h 1000h

Ohne

-»ι Mit 35.85
33.04

0.080 0.021

0.155 0.063

Aus der Tabelle V ist ersichtlich, daß die Niedr temperaturbehandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Kriechfestigkeit von Legierungen sehr verschiedener Zusammensetzung verbessert, wie es bei der Legierung 510 der Fall ist. die eine Zinnbronze darstellt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Kriechfestigkeit und Spannungsrelaxation von Federn für elektrische Steckverbindungen und ähnliche Anwendungen aus eine Stapelfehlerenergie von weniger als 30 erg/cm² aufweisenden Kupferwerkstoffen mit 2 bis 12% Aluminium oder 2 bis 6% Germanium oder 2 bis 10% Gallium oder 3 bis 12% Indium oder 1 bis 5% Silicium oder 4 bis 12% Zinn oder 8 bis 37% Zink, Rest Kupfer, dadurch gekennzeichnet, daß man den Werkstoff