Verfahren zur Herstellung von Kupferlegierungen hoher Leitfähigkeit und Festigkeit Bekanntlich ist Kupfer ein ausgezeichneter elektri scher Leiter. Für viele Anwendungsgebiete hat es jedoch eine unzureichende Festigkeit. Bekanntlich kann man die Festigkeit von Kupfer erhöhen, indem man kleine Men gen verschiedener Elemente zusetzt. Während dies die Festigkeit wirksam erhöht, wird die elektrische Leitfähig keit von Kupfer oft beachtlich herabgesetzt.
Da für viele Anwendungsgebiete eine hohe Leitfähigkeit verbunden mit erhöhter Festigkeit sehr erwünscht ist, ist die Erzie lung einer optimalen Kombination der Eigenschaften von hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit seit langem Gegenstand von umfassenden Untersuchungen gewe sen.
Aus der USA-Patentschrift 3 039 867 sind Kupferle gierungen mit hoher elektrischer IACS-Leitfähigkeit (In ternational Standard for Annealed Copper) und Zugfe stigkeit bekannt. Diese Legierungen enthalten 2,0 bis 3,0%p Eisen, höchstens 0,04% Phosphor, Rest Kupfer. Legierungen der bevorzugten Zusammensetzung können eine IACS-Leitfähigkeit von etwa 70%p und gleichzeitig eine Zugfestigkeit von 3515 kg/cm2 aufweisen. Diese Legierungen werden vorzugsweise zu Knüppeln üblicher Grösse gegossen und auf übliche Stärken herunterge walzt. Bereits durch Warmformgebung lässt sich das Eisen im Kupfer lösen. Nach der Warmformgebung kann man den Knüppel einer Lösungsglühbehandlung unter werfen.
Hierauf kann man die Legierung zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit bei niedrigerer Tempera tur glühen. Schliesslich wird die Legierung zur Endstärke kalt gewalzt oder kalt gezogen.
Die Erfindung bezweckt es, ein Verfahren zur Her stellung von neuen, verbesserten, eisenhaltigen Kupferle gierungen zur Verfügung zu stellen, die sich auch in Gegenwart geringer Mengen an Verunreinigungen bei gleichzeitiger Beibehaltung von anderen erwünschten Eigenschaften durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig hohe Festigkeit auszeichnen, die sich auf einfache Weise herstellen lassen, leicht in der Verarbei tung und der Handhabung sind. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, Legierungen verschiedener Festigkeiten auf grund verschiedener Glühbehandlung zu erhalten.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung derartiger Kupferlegierungen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine Legierung, die 1 bis 3,50/p Eisen und als Rest im wesentlichen Kupfer enthält, mindestens 10 Minuten bei einer Metalltemperatur von 800 bis l050 C und hierauf mindestens 30 Minuten bei einer Metalltemperatur von 400 bis 550 C hält: Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird eine unerwartete Kombination von hoher Festigkeit und ho her elektrischer Leitfähigkeit erzielt. Es lassen sich nämlich IACS-Leitfähigkeitswerte von mindestens 70%p und zwischen 75 und 82% leicht erhalten. Dabei sind die Glüheigenschaften vorhersagbar ausgezeichnet, und es besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Festigkeiten zu erzielen.
Unabhängig von der Möglichkeit, die Festig keitswerte der Legierung zu steuern, ist es möglich, IACS-Leitfähigkeitswerte bis zu 82%p zu erhalten. Aus- serdem nehmen die Legierungen hohe Anlassfestigkeiten in gewalztem Zustand an. Die hohe elektrische Leitfähig keit der Legierungen ist begleitet von ausgezeichneten Zugfestigkeitseigenschaften in geglühtem Zustand in der Grössenordnung von etwa 4570 kg/cm2 und höher. Die Festigkeit und physikalischen Eigenschaften der Legie rungen variieren nur unwesentlich bei geringem Gehalt an Verunreinigungen.
Weiterhin widerstehen die Legie rungen dem Erweichen beim Löten bei Temperaturen zwischen 370 und 427 C.
Die Art des Gusses der Legierung der Erfindung ist nicht besonders kritisch, es können herkömmliche Giess- methoden für die Legierungen angewendet werden, je doch 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 wer den.
Als Legierung wird gemäss der Erfindung, wie bereits erwähnt, jede Kupferlegierung verwendet, die 1 bis 3,50/p Eisen, vorzugsweise 1,5 bis 2,9 /p Eisen, und vorzugswei se bestimmte weitere Zusätze enthält. So kann man im erfindungsgemässen Verfahren beispielsweise leicht eine Legierung verwenden, die ein oder mehrere der folgen- den Elemente enthält: 0,01 bis 0,5% Silicium, 0,01 bis 0,5% Phosphor und 0,01 bis 0,5% Zink. Ausserdem können geringe Mengen von einem oder mehreren weite ren Zusätzen verwendet werden, z.B. 0,01 bis 0,5% Mangan, Zinn, Aluminium, Nickel, Calcium, Titan, Chrom, Wolfram und Vanadium. Geringe Mengen an Verunreinigungen können geduldet werden. Prozentanga ben bedeuten Gewichtsprozente.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die Be griffe (Warmwalzen und Kaltwalzen verwendet, da diese die bevorzugten Verfahrensweisen sind. Es soll jedoch beachtet werden, dass auch andere Warm- oder Kaltformgebungen angewendet werden können, wie Schmieden, Strang pressen von Knüppeln für nahtlose Rohre oder Drähte.
Nach dem Giessen werden die Legierungen bei erhöhter Temperatur warmgewalzt. Die Temperatur beim Warmwalzen kann von 800 bis 1050 C variieren, d.h. das Material kann innerhalb des genannten Tempe raturbereiches in das Warmwalzgerüst eingeführt werden. Die Warmwalzbearbeitungstemperaturen sind nicht be sonders kritisch. Das Warmwalzen wird vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 875 und 975 C durchgeführt.
Eine Behandlung im Bereich von 800 bis 1050 C ist erforderlich, um eine optimale elektrische Leitfähigkeit zu erzielen. Die Behandlung bei der hohen Temperatur kann mit dem Warmwalzen kombiniert werden, gegebe nenfalls kann sie jedoch auch vor oder nach dem Warmwalzen aber jedenfalls vor dem Kaltwalzen und Glühen erfolgen. Die Lösungsbehandlung bei hoher Temperatur ermöglicht eine niedrigere Warmwalztempe- ratur, vorausgesetzt, dass anschliessend eine Behandlung im Bereich von 800 bis 1050 C erfolgt. Dementspre chend wird das Material vor dem Walzen vorzugsweise einer Haltezeit von mindestens 5 Minuten und vorzugs weise 10 Minuten oder länger bei hoher Temperatur, d.h. bei 800 bis 1050 C und vorzugsweise 875 bis 975 C unterworfen.
Man kann gegebenenfalls auch diese hohe Temperaturhaltestufe mit der Warmwalzstufe kombinie ren oder die hohe Temperaturhaltestufe anschliessend an das Warmwalzen durchführen.
Die Stärkenverminderung in der Warmwalzstufe ist nicht sehr kritisch; sie ist davon abhängig, welche Dicken das Material haben soll.
Nach der Warmwalz- und Haltestufe bei der hohen Temperatur wird das Material auf eine Haltetemperatur zwischen 400 und 550 C abgekühlt und bei dieser Temperatur mindestens 30 Minuten gehalten. Die Ab kühlungsmethode auf die Haltetemperatur ist nicht kri tisch, aber nach der Haltezeit wird das Material vorzugs weise langsam abgekühlt. Das Material soll bei einer Geschwindigkeit von unter 200 pro Stunde auf eine Temperatur von mindestens 350 C und vorzugsweise bei einer Geschwindigkeit von unter 75 pro Stunde und optimal unter 20 pro Stunde langsam abgekühlt wer den.
Nach Haltezeiten bei Temperaturen unter 350 C sind regulierte Abkühlungsgeschwindigkeiten nicht be sonders kritisch. Obgleich die Haltestufe nicht unbedingt erforderlich ist, führt sie zu einer gewissen Verbesserung der endgültigen Eigenschaften. Wenn das Material, wie aufgeführt, einer Haltezeit unterworfen wird, werden verbesserte Ergebnisse schon mit einem Kaltwalz- und Glühzyklus erzielt. Überraschend ist dabei, dass dadurch das Glühen vermieden wird und gute Eigenschaften beim Kaltwalzen bis zur endgültigen Dicke erzielt werden.
Beispielsweise entwickelt eine auf herkömmliche Art warmgewalzte, mit Wasser abgekühlte Legierung, kaltge walzt mit 90% Stärkenverminderung, eine Zugfestigkeit von etwa 5625 kg/cm2 und eine IACS-Leitfähigkeit von etwa 25%, während man mit einer Haltestufe nach dem Warmwalzen gemäss der vorstehend beschriebenen Me thode und Kaltwalzen mit 90% Stärkenverminderung eine Zugfestigkeit von etwa 5625 kg/cm2 und eine IACS-Leitfähigkeit von etwa 65% erzielen kann.
Das Material wird dann kaltgewalzt und anschlies- send bei niedriger Temperatur geglüht. Erfindungsge- mäss werden zwei Kaltwalz- und Glühzyklen und vor zugsweise drei Zyklen zur Entwicklung von optimaler Leitfähigkeit verwendet.
Das heisst, dass das Material nach der Lösungsglühbehandlung oder dem Warmwalzen kaltgewalzt, geglüht, kaltgewalzt und geglüht wird, vor zugsweise in einem zusätzlichen Kaltwalz- und Glühzy- klus. Zusätzliche Zyklen können angewendet werden. Im allgemeinen sind nicht mehr als vier (4) Zyklen von Kaltwalzen und Glühen notwendig.
Die Glühstufen sollen im Temperaturbereich von 400 bis 550 C liegen, vorzugsweise von 440 bis 520 C, und die Stärkenverminderung soll bei jeder Kaltwalzstufe mindestens 30% und vorzugsweise mindestens 50% betragen. Die bevorzugten Glühtemperaturen sind die folgenden. Bei der ersten Glühbehandlung wird vorzugs weise eine Temperatur von 470 bis 510 C, bei der zweiten Glühbehandlung eine Temperatur von vorzugs weise 400 bis 500 C und bei der letzten Glühbehandlung wird vorzugsweise ein Temperaturbereich von 400 bis 500 C verwendet. Die Zugfestigkeitseigenschaften nach dem Glühen können auf Werte von etwa 2812 bis 4922 kg/cm2 innerhalb dieser Temperaturbereiche für die letzten Glühstufen eingestellt werden.
Will man nach dem Fertigglühen eine Kaltwalzstufe mit Stärkeverminderung anwenden, dann soll Kaltwalzen mit vorzugsweise höchstens 60% Stärkeverminderung verwendet werden, d.h. Stärkeverminderungen über 70% haben eine geringe Herabsetzung der elektrischen Leitfä higkeit nach dem Fertigglühen zur Folge. Die Glühzeit soll bei der ersten Glühbehandlung mindestens 30 Minu ten betragen, vorzugsweise mindestens 3 Stunden und aus wirtschaftlichen Gründen vorzugsweise höchstens 8 Stun den.
Je länger die Glühzeit ist, um so höhere Werte erhält man für die elektrische Leitfähigkeit. Jedoch ist die Verbesserung der Leitfähigkeit bei sehr langen Haltezei ten nur gering. Ein Dauerglühen von 24 bis 48 Stunden bewirkt nur eine geringe, wenn auch messbare Verbesse rung der elektrischen Leitfähigkeit gegenüber einem Glühen von 6 bis 8 Stunden. Somit werden es wirtschaft liche Gründe sein, die die optimale Glühzeit bestim men.
Für weitere Glühvorgänge kann man Bandmaterial im Verfahren glühen und/oder als Fertigglühbehandlung anwenden, d.h. nachfolgende Glühbehandlungen können mindestens 5 Sekunden bei einer Metalltemperatur von 400 bis 550 C dauern. Jedoch verwendet man zur Erzielung von bevorzugten elektrischen Leitfähigkeitsei- genschaften für das Fertigglühen vorzugsweise längere Haltezeiten, vorzugsweise für alle weiteren Glühvorgän- ge, z.B. ein Glühen im Bell-Ofen von mindestens 30 Minuten und vorzugsweise wenigstens 3 Stunden. .
Man kann auch Bandmaterial vor dem Fertigglühen glühen, d.h. mindestens 5 Sekunden bei 400 bis 800 C. In diesem Fall soll, wie bereits beschrieben, das Fertig glühen im Bell-Ofen mindestens 30 Minuten bei 400 bis 600 C durchgeführt werden. Die Abkühlgeschwindigkeit vom Glühen bei niedriger Temperatur soll höchstens 200 pro Stunde bis minde stens 375 C betragen, vorzugsweise unter 75 pro Stunde liegen und optimal höchstens 20 C pro Stunde bis 350 C betragen, um optimale elektrische Leitfähig keit zu erreichen. Unter 350 C ist die Abkühlgeschwin digkeit nicht kritisch.
Ausserdem hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, anschliessend an die Glühbehand- lung bei niedriger Temperatur langsam auf die genannte Weise abzukühlen, insbesondere mit einem Kaltwalz- und Glühzyklus. Wenn das Dauerglühen und die langsa me Abkühlgeschwindigkeit nur bei einer Glühbehand- lung eines mehrgängigen Glühvorganges gesteuert wer den kann, reguliert man am besten das letzte Glühen, um eine optimale elektrische Leitfähigkeit zu erreichen.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. <I>Beispiel 1</I> Legierungen wurden auf folgende Weise hergestellt. Sehr reines Kupfer und sehr reines Eisen wurden mitein ander in einem Niederfrequenz-Induktionsofen unter einer Holzkohlenschicht bei etwa 1200 C verschmolzen. Etwa 100/o der Kupferbeschickung wurden zurückgehal ten, und die Schmelze wurde auf etwa 1300 C geringfü gig überhitzt, um das Eisen in Lösung zu bringen. Sehr reine Legierungszusätze 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 gebracht.
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 folgende Zusammensetzung.
EMI0003.0014
TABELLE <SEP> I
<tb> Legierung <SEP> Fe <SEP> P <SEP> Si <SEP> Zn <SEP> Cu
<tb> 1 <SEP> 2,3% <SEP> 0,021% <SEP> 0,13% <SEP> 0,08% <SEP> Rest
<tb> 2 <SEP> 2,370 <SEP> 0,03 <SEP> 70 <SEP> - <SEP> - <SEP> Rest
<tb> US-Patent <SEP> <B>2,3%</B> <SEP> 0,27 <SEP> 70 <SEP> - <SEP> 0,087o <SEP> Rest
<tb> <B>3039867</B> <I>Beispiel 2</I> Eine Legierung wurde gemäss Beispiel 1 hergestellt, deren Zusammensetzung der Legierung 3 entspricht.
Das Material wurde dann auf eine Temperatur zwischen 850 und 975 C erhitzt und 30 Minuten auf dieser Tempera tur gehalten. Danach wurde das Material in einen zweiten Ofen gegeben und drei (3) Stunden auf einer Temperatur zwischen 425 und 550 C gehalten. Das Material wurde anschliessend mit Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Es hatte die folgenden Eigenschaften:
EMI0003.0016
TABELLE <SEP> VII
<tb> Zugfestigkeit <SEP> Streckfestigkeit <SEP> IACS-Leit- <SEP> Dehnung
<tb> kg/cm2 <SEP> kg/CM2 <SEP> fähigkeit <SEP> %
<tb> 1230 <SEP> 3290 <SEP> 63,6 <SEP> 32,0