Kupferlegierung
Bekanntlich ist Kupfer ein ausgezeichneter elektrischer Leiter. Zahlreiche Legierungszusätze wurden vorgeschlagen, um die Festigkeitseigenschaften von Kupfer zu erhöhen. Auf diese Weise wird jedoch die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers erheblich vermindert. Es ist daher sehr erwünscht, Kupferlegierungen mit hoher elektrischer
Leitfähigkeit und gleichzeitig erhöhter Festigkeit zur Verfügung zu stellen.
Aus der USA-Patentschrift 3 039 867 sind Kupferlegierungen mit hoher elektrischer lACS-Leitfähigkeit (International Standard for Annealed Copper) und Zugfestigkeit bekannt. Diese Legierungen enthalten 2,0 bis 3,0 /0 Eisen.
höchstens 0,04 /0 Phosphor, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen. Legierungen der bevorzugten Zusammensetzung können eine lACS-Leitfähigkeit von etwa 70 /o und gleichzeitig eine Zugfestigkeit von 3515 kg/cm2 aufweisen. Diese Legierungen werden vorzugsweise zu Knüppeln üblicher Grösse gegossen und auf übliche Stärken heruntergewalzt. Bereits durch Warmfornlgebung lässt sich das Eisen im Kupfer lösen. Nach der Warmformgebung kann man den Knüppel einer Lösungsglühbehandlung unterwerfen. Hierauf kann man die Legierung zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit bei niedrigerer Temperatur glühen. Schliesslich wird die Legierung zur Endstärke kalt gewalzt oder kalt gezogen.
Die Erfindung bezweckt es, neue, verbesserte eisenhaltige Kupferlegierungen zur Verfügung zu stellen, die sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig hohe Festigkeitseigenschaften auszeichnen, deren physikalische Eigenschaften nach dem Glühen nicht stark variieren, die selbst in Gegenwart geringer Mengen an Verunreinigungen unterschiedliche Festigkeiten auf Grund unterschiedlicher Glühbehandlung annehmen können, und die sich billig und auf technisch einfache Weise herstellen lassen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Kupferlegierung, die 1,5 bis 3,5 /o Eisen, 0,01 bis 0,15 /o Phosphor, 0,03 bis 0,20 O/o Zink, Rest Kupfer enthält. Die Legierung enthält Eisen vorzugsweise in einer Menge von 1,8 bis 2,9 /0. Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht.
Die erfindungsgemässen Legierungen sind durch zahlreiche unerwartete und überraschende Eigenschaften gekennzeichnet. Z. B. ist die elektrische Leitfähigkeit der Legierungen wesentlich verbessert. Es lassen sich nämlich lACS-Leitfähigkeitswerte von über 70 0/0 leicht erhalten.
Ausserdem haben die Legierungen der Erfindung ausgezeichnete Glüheigenschaften und die Fähigkeit, unterschiedliche Festigkeiten auf Grund unterschiedlicher Glühbehandlung annehmen zu können. Ausserdem nehmen die Legierungen der Erfindung hohe Anlassfestigkeiten in gewalztem Zustand an. Die hohe elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemässen Legierungen ist begleitet von ausgezeichneten Zugfestigkeitseigenschaften in geglühtem Zustand in der Grössenordnung von etwa 3832 kg/cm2 und höher. Die Festigkeit und physikalischen Eigenschaften der Legierungen der Erfindung variieren bei geringem Gehalt an Verunreinigungen nur unwesentlich.
Die Legierungen der Erfindung können noch geringe Mengen anderer Legierungsbestandteile enthalten, um bestimmte erwünschte Ergebnisse zu erzielen. Z. B. kann Aluminium in einer Menge bis zu 0,07 0/0 und Mangan in einer Menge bis zu 0,08 0/0 vorhanden sein. Geringe Mengen an Verunreinigungen können geduldet werden.
Die Eigenschaften der erfindungsgemässen Legierungen lassen sich in einem weiten Bereich von Verarbeitungsbedingungen gegenüber herkömmlichen Legierungen verbessern. Eine spezielle Verarbeitung hat natürlich auch Änderungen der Eigenschaften zur Folge.
Die Art des Gusses der Legierung ist nicht besonders kritisch, es können herkömmliche Giessmethoden für diese Legierungen verwendet werden, jedoch sollen höhere Temperaturen angewendet werden, um das Eisen in Lösung zu bringen. Vorzugsweise.wird die Legierung zu Knüppeln üblicher Grösse gegossen, die anschliessend der Warmformgebung unterworfen werden, z. B. gewalzt werden.
Nach dem Giessen soll die Legierung bei erhöhter Temperatur, d. h. zwischen 800 und 1050 "C, vorzugsweise bei etwa 950 "C warmgewalzt werden. Anschliessend wird die Legierung mit zwischengeschalteten Glühstufen bei
400 bis 600 "C und Haltezeiten von mindestens 2 Stunden kaltgewalzt, wobei bei jeder Kaltwalzstufe eine Stärken verminderung von mindestens 50 /o durchgeführt wird. Es können längere Haltezeiten angewendet werden, um die elektrische Leitfähigkeit der Legierung zu verbessern.
Kontinuierlich stranggeglühtes Bandmaterial oder Walz gut nimmt ebenso gute physikalische Eigenschaften an, wie im Bell-Ofen geglühtes Material, doch ist die elektri sche Leitfähigkeit nicht so hoch. Zur Entwicklung von so wohl hoher Festigkeit nach dem Glühen und hoher elektri scher Leitfähigkeit soll daher das Fertigglühen und vor zugsweise das Glühen im Verfahren chargenweise durch geführt werden und herkömmliches Ofenglühen angewen det werden, z. B. Glühen im Bell-Ofen.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel 1
Legierungen wurden auf folgende Weise hergestellt.
Sehr reines Kupfer und sehr reines Eisen wurden mitein ander in einem Niederfrequenz-lnduktionsofen unter einer
Holzkohlenschicht bei etwa 1200 "C verschmolzen. Etwa
10 0/0 der Kupferbeschickung wurden zurückgehalten, und die Schmelze wurde auf etwa 1300 "C geringfügig über hitzt, um das Eisen in Lösung zu bringen. Sehr reine Le gierungszusätze wurden zugegeben, sobald die Schmelze eine Temperatur von etwa 1300 "C aufwies. Danach wurde der Rest des Kupfers zugeschlagen und die
Schmelze auf die Giesstemperatur von etwa 1200 "C ge bracht. Hierauf wurde die Schmelze in eine wasserge kühlte Kokille mit den Abmessungen 73 x 12,7 x 244 cm in einer Giessgeschwindigkeit von 54,1 cm/Min. gegossen.
Die auf diese Weise erhaltenen Legierungen hatten fol gende Zusammensetzung.
Tabelle I
Legierung Fe P Zn Cu
1 2,3 0/0 0,027 /o 0,08 /o Rest
2 2,3 /o 0,03 /0 - Rest (USA-Patent 3 039 867)
Beispiel 2
Die gemäss Beispiel 1 hergestellten Legierungen 1 und 2 wurden folgendermassen verarbeitet. Die Legierungen wurden bei 900 bis 940 "C warmgewalzt und danach mit einem Wasserspray auf Raumtemperatur abgeschreckt.
Anschliessend wurde das Material auf 2,5 mm kaltgewalzt, 1 bis 4 Stunden bei 480 bis 600 C im Bell-Ofen geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 1 bis 3 Stunden im Bell-Ofen auf 460 bis 480 "C geglüht, auf 0,635 mm kaltgewalzt und 1 bis 3 Stunden im Bell-Ofen auf 440 bis 480 C geglüht.
Anschliessend wurden die Legierungen auf ihre physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengestellt:
Tabelle II Legie- Streck- Zug- Dehnung lACS-Leitrung festigkeit, festigkeit, 0/0 fähigkeit.
kg/cm kg/cm o/0 1 1,898 4,183 24 73,9 2 1,624 3,522 27,5 73,5
Aus der Tabelle geht hervor, dass die erfindungsgemässe Legierung 1 bei vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeit eine höhere Festigkeit nach dem Glühen aufweist, als die bekannte Legierung 2.
Beispiel 3
In diesem Beispiel wurden 2 Legierungen gemäss Beispiel 1 hergestellt. Die Legierungen hatten folgende Zusammensetzung:
Tabelle III Legierung P Fe Zn Cu 3 0,045 0/0 2,4 /o 0,12 /0 Rest 4 0,025 0/0 2,4 /0 - Rest (USA-Patent 3 039 867)
Die Legierungen wurden folgendermassen verarbeitet.
12,7 cm dicke Knüppel wurden bei 925 "C auf 8,89 mm warmgewalzt, dann auf 7,62 mm gewalzt, hierauf auf 2,54 mm kaltgewalzt, 2 Stunden bei 490 "C geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 2 Stunden bei 440 "C geglüht, dann auf 0,635 mm kaltgewalzt und weitere 2 Stunden bei 440 "C geglüht. Nach jeder Glühstufe wurde die Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Legierung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengestellt.
Tabelle IV
Erste Glühbehandlung Zweite Glühbehandlung Dritte Glühbehandlung Legierung Zug- lACS-Leit- Zug- lACS-Leit- Zug- IACS festigkeit fähigkeit, festigkeit fähigkeit, festigkeit fähigkeit, kg/cm2 /o kg/cm2 /0 kg/cmZ 0/0 3 3832 64,7 4282 72,0 3958 73,1 4 3382 69,9 3937 72,1 3593 72,3
Aus der Tabelle geht hervor, dass die erfindungsgemässe Legierung 3 bei vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeit eine höhere Festigkeit nach dem Glühen aufweist, als die bekannte Legierung 4.