WO2015027975A2 - Kupferlegierung - Google Patents

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WO2015027975A2
WO2015027975A2 PCT/DE2014/000435 DE2014000435W WO2015027975A2 WO 2015027975 A2 WO2015027975 A2 WO 2015027975A2 DE 2014000435 W DE2014000435 W DE 2014000435W WO 2015027975 A2 WO2015027975 A2 WO 2015027975A2
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copper alloy
max
copper
manganese
chip
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Hark Schulze
Dirk Rode
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KME Germany GmbH and Co KG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a copper alloy having the features in the preamble of claim 1 and the use of such a copper alloy according to the features of claim 7 or 8.
  • copper with the exception of silver, has the lowest electrical resistance of all known metals, copper alloys are preferred and used for electrical contact components merely because of the frequency of copper and the associated price advantage over silver.
  • Such contact components include, for example, mechanically connectable and separable fasteners and crimp connections.
  • Copper alloys such as CuFe0.1 P (C19210) and CuFe2P (C19400) are mainly used for plug-in contacts, as they have a high solid solution and medium relaxation resistance. In contrast, the aforementioned copper alloys have a poor machinability, so that they are not or only poorly suited for the production of contact components by machining.
  • CONFIRMATION COPY In contrast, good machinability is achieved when using known copper alloys such as CuSP, CuTeP or CuSMn. Since these are non-hardenable alloys with very slight solid solution hardening, however, they have only a low relaxation resistance.
  • the alloys used in the prior art also sometimes contain components of lead (Pb) or beryllium (Be), so that these copper alloys can not be safely used for all applications due to the known toxicity of these alloying elements.
  • Pb lead
  • Be beryllium
  • the invention has for its object to provide a both relaxation-resistant and machinable copper alloy available, which is free of the alloying elements beryllium and lead. Furthermore, the use of such a relaxation-resistant and machinable as well as lead and beryllium-free copper alloy for products to be produced from it is to be shown.
  • a copper alloy is proposed, with proportions in weight%
  • Phosphorus (P) 0.01-0.50 In order to achieve the required machinability, at least one element from the following group is furthermore contained for the formation of chip-breaking phases:
  • the alloy is free of beryllium (Be) and lead (Pb) to avoid toxic properties.
  • sulfur (S) or manganese (Mn) or tellurium (Te) may be contained alone or in combination within the specified limits.
  • the copper alloy contains to improve the respective required properties:
  • the aforementioned group are optional alloying elements. If necessary, they can be included individually or in combination within the specified limits.
  • the alloy contains copper (Cu) as the remainder and may contain common impurities caused by melting.
  • the copper alloy according to the invention combines good machinability and high relaxation resistance. Especially with respect to lead (Pb), it has been found that its addition of not more than 0.1% does not improve the machinability. In the case of lead addition, the hot cracking risk is predominated by lead smelting on the grain boundaries of the crystallites. This is remarkable because in the case of the copper materials known in the prior art, the improvement in machinability is generally attributable to the addition of lead (Pb) in metallic form.
  • Phosphorus (P) forms iron phosphide precipitates with iron (Fe).
  • Iron (Fe) generally serves to increase the corrosion resistance of the copper alloy.
  • the machinability of the alloy according to the invention is also improved without the addition of lead (Pb) by forming chip-breaking phases.
  • Manganese (Mn) acts as a hardening agent and serves as a deoxidizer within the copper alloy. Furthermore, by manganese (Mn), the grain of the copper alloy can be refined.
  • S Sulfur
  • Mn Manganese
  • the copper alloy according to the invention has a good electrical conductivity, which, depending on the composition investigated, ranges from 21 MS / m for CuFe4P to 52 MS / m for CuFeO, 02PS.
  • the alloy components of the above group may be contained in a range of 0.01 - 2.50 wt% each with respect to zinc (Zn) and tin (Sn).
  • amounts of aluminum (Al), boron (B), chromium (Cr), magnesium (Mg), silver (Ag), and zircon (Zr) may each be 0.01% - 0.5% by weight.
  • Phosphorus (P) and boron (B) have the property of counteracting hydrogen disease.
  • the oxygen dissolved in the copper mixed crystal is bound to these alloying elements by the addition of phosphorus (P) and optionally boron (B).
  • Phosphorus (P) and boron (B) act as deoxidizers.
  • phosphorus (P) prevents the oxidation of individual alloying elements. Moreover, the tile properties of the copper alloy during casting can be improved by adding phosphorus (P).
  • Aluminum (AI) is an alloying element by which the strength, machinability and wear resistance of the copper alloy at high temperatures can be improved. Incidentally, this also applies to the improvement of the oxidation resistance of the copper alloy.
  • chromium (Cr) and magnesium (Mg) also serves to improve the oxidation resistance of the copper alloy at high temperatures. Particularly good results are observed in this context when chromium (Cr) and magnesium (Mg) are added in combination with aluminum (Al). In this way, an advantageous synergy effect of these components can be achieved.
  • Zircon (Zr) can improve the hot workability of the copper material according to the invention.
  • Zinc (Zn) improves the adhesion of the tin-plating or improves the resistance to the peel-off behavior of peelings.
  • Tin (Sn) can further increase the solid solution hardening of the copper alloy according to the invention.
  • S and / or tellurium (Te) as chip breakers may preferably be combined with manganese (Mn).
  • Sulfur and manganese form manganese sulfides, which increase the machinability towards copper sulfides.
  • compositions in terms of the alloying elements phosphorus (P), sulfur (S), manganese (Mn) and tellurium (Te) are given, wherein in addition the other alloying elements specified in claim 1 may be contained in the copper alloy.
  • the remainder is formed by copper and impurities caused by melting:
  • FIG. 2 Examination results on the copper alloys CuSP, CuTeP and CuSMn with a view to the chip forming classes by mechanical processing in the form of external longitudinal rotation with variation of the cutting speed;
  • FIG. 3 shows the examination results on the materials from FIG. 2 with respect to the chipform classes in the case of variants of the depth of cut;
  • FIG. 4 shows the results of the chipforming classes of FIGS. 2 and 3 in FIG.
  • Figure 5 is a tabular overview of the material properties of individual im
  • FIG. 6 shows a microsection through the microstructure of the copper alloy CuSP known in the prior art
  • FIG. 7 shows a microsection through the microstructure of the copper alloy CuTeP known in the prior art
  • FIG. 8 shows a further microsection through the microstructure of the prior art
  • FIG. 10 shows an illustration of the mechanical processing of the
  • Figure 1 1 is a microsection through the microstructure of an inventive
  • FIG. 12 shows an illustration of the chip formation resulting during the mechanical processing of the copper alloy according to the invention from FIG.
  • FIG. 13 Diagram for varying the Fe and P contents at a constant content of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te and
  • FIG. 14 Diagram for varying the contents of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te at a constant content of the basic elements Fe and P.
  • FIG. 1 shows a steel-iron test sheet 1 178-90 in order to refer to the embodiments of the chips resulting from the machining in an analogous manner to the group investigated in the present case.
  • the resulting chip image was classified into one of eight chipforming classes (1 - 8), as can be seen in the first column, to the left of the chips shown schematically.
  • the individual chip images are associated with appropriate terminology according to their design, ranging from “band chips” to "shavings”.
  • the chip space number R is listed, which indicates the relationship between the space requirement of a disordered chip quantity (V span ) and the material volume of the same chip quantity (V).
  • V span disordered chip quantity
  • V material volume of the same chip quantity
  • chipforming classes and the respective chip space numbers R are given a judgment in the rightmost column in FIG. 1, the chipforming classes 7 and 8 having their respective chip space number R being classified as “usable” while the chipforming classes 5 and 6 are combined with their respective chip space numbers R are judged to be "good”. On the other hand, the remaining chip forming classes 1 to 4 in connection with their respective chip space number R are classified as "unfavorable", with a smooth transition to "good” occurring in chipform classes 3 and 4.
  • Figure 2 shows the results of mechanical working of the examined group of known copper alloys with respect to the resulting chip forming classes in external longitudinal turning of a workpiece thereof.
  • the results presented in FIG. 2 are based on a constant cutting depth a p of 1.5 mm and a feed f of 0.2 mm.
  • the respective cutting speed v c was varied from 450 m / min (v c i) to 150 m / min (v C 2).
  • the respective chip form classes of the materials from the group (CuSP, CuTeP and CuSMn) are all between 3 and 5.
  • the resulting chip images are also shown schematically in the present table. For better clarity, they are each assigned a single line for 20mm as a reference in order to be able to better estimate the results in the form of the chip sizes set during the examination.
  • Figure 3 shows the results of further processing steps of the group of Figure 2.
  • v c 450 m / min
  • a p of 1, 5 mm (a p i) to 0.75 mm (a p2) varies.
  • f 0.2 mm
  • the chip form class in particular of the copper alloy CuSMn, thus remains constant both in the case of variation of the cutting speed and in the case of variation of the cutting depth in the respectively present areas.
  • the group of investigated copper alloys also moves with variation of the cutting depth a p in a range of chipforming classes 3 to 5.
  • the results obtained in this way and compiled in FIGS. 2 to 4 were then compared with the test results for the present copper alloy according to the invention.
  • the reference value used was the well-known copper alloy CuZn39Pb3, which is considered to be the main alloy for machining, especially in Germany. Said copper alloy is used everywhere, where it increasingly depends on a cutting and cutting shaping. In connection with the CuZn39Pb3 copper alloy used herein as reference, its machinability is assumed to be 100%.
  • pure copper material achieves a stress index of 20% to a maximum of 30%.
  • chip-breaking elements such as sulfur (S), tellurium (Te), sulfur (S) and manganese (Mn), and lead (Pb).
  • the group investigated here is such that CuSP has a stress index of 70%, while CuTeP has a stress index of 80%. Finally, CuSMn achieves the highest stress index in the group of 90%.
  • FIG. 5 shows a tabular comparison of the materials contained therein with respect to their respective material properties.
  • the present table in FIG. 5 is constructed in such a way that it reflects the approximate production costs of the individually listed materials, starting with the cheapest material at the top.
  • the table shows the copper alloy according to the invention with the orders of magnitude of its individual alloy components listed there, more particularly CuFe0.1 PS0.35 and CuFe2PS0.35.
  • the copper alloy CuFe0.1 PS0.35 in direct comparison with only chip-breaking alloyed materials has a slightly lower 0.2% yield strength and tensile strength R m .
  • the elongation at break is 17% and the relaxation with "o" better than CuSP, CuTeP and CuSMn.
  • the alloy CuFe2PS0.35 has higher mechanical properties and a higher relaxation resistance, which is indicated in the table by "+".
  • FIGS. 6 to 9 each show a micrograph of the microstructures from the group of individual copper materials underlying the investigations.
  • FIG. 6 shows the material CuSP with its arrangement of the chip-breaking elements. Its microstructure shows in part closely spaced and each dark copper sulfides, which serve here as a chip breaker.
  • FIG. 7 shows the material CuTeP, which in its microstructure contains darkened copper cell fluorates as chip breakers. These are in their arrangement largely isolated and further apart.
  • FIG. 8 shows the microstructure of the material CuSMn, which contains manganese sulphides as a chip breaker.
  • CuSMn has a high cutting index with a mostly good chipforming class, which is due to the uniform distribution of its chipbreakers shown in FIG.
  • FIG. 9 shows the etched microstructure of the standardized material CuFe0.1 P (C19210) without chip-breaking phases.
  • iron phosphors that are not visible under light microscopy are present.
  • the iron phosphides have no chipbreaking effect.
  • FIG. 12 shows the chip formation after the mechanical processing of the copper material CuFe0.1 PS0.35 according to the invention.
  • the copper alloy according to the invention has both a sufficient cold workability and a very good hot workability.
  • the invention is also directed to the use of such a copper alloy for the production of a product to be machined according to claim 7.
  • the invention is directed to the use of such a copper alloy for the production of a semi-finished to be produced according to claim 8.
  • This may in particular be a rolled, pressed, drawn, forged or cast product.
  • rods and wires can be delivered from press and pull sequences as semi-finished products.
  • the following products can be produced by machining: plug contacts, crimping sleeves, crimp connectors, drilled shaft nails, motor parts, screws, locating pins, clamps, welding nozzles, cutting torch nozzles, valves, fittings, nuts, fittings, contraelectrons, contact pins.
  • FIG. 13 shows a diagram for varying the Fe and P content at a constant content of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te
  • FIG. 14 shows a diagram for varying the contents of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te constant content of the basic elements Fe and P.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupferlegierung, mit Anteilen in Gewicht-% an Eisen (Fe) 0,02 - 4,00, Phosphor (P) 0,01 - 0,50, und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe Schwefel (S) 0,10 - 0,80, Mangan (Mn) 0,01 - 0,80, Tellur (Te) 0,10 - 1,00, wobei die Legierung jeweils frei ist von Beryllium (Be) und Blei (Pb) und wahlweise Aluminium (AI) max. 0,50, Chrom (Cr) max. 0,50, Magnesium (Mg) max. 0,50, Zirkon (Zr) max. 0,50, Zink (Zn) max. 2,50, Zinn (Sn) max. 2,50, Bor (B) max. 0,50, Silber (Ag) max. 0,50 enthält, Rest Kupfer (Cu) sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Description

Kupferlegierung
Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung mit den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie die Verwendung einer solchen Kupferlegierung gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 7 oder 8.
Als an sich weiches Metall wird Kupfer insbesondere aufgrund seiner guten Legierbarkeit geschätzt. Kupferlegierungen mit beispielsweise verbesserten Festigkeitseigenschaften werden auch dort eingesetzt, wo hohe Anforderungen an die Strom- und/oder Wärmeleitfähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit gestellt werden. Es sind daher zumeist mehrere Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen.
Da Kupfer mit Ausnahme von Silber den kleinsten elektrischen Widerstand aller bekannten Metalle aufweist, werden Kupferlegierungen schon allein wegen der Häufigkeit von Kupfer und dem damit verbundenen Preisvorteil gegenüber Silber bevorzugt und für elektrische Kontaktbauteile verwendet.
Zu solchen Kontaktbauteilen zählen beispielsweise mechanisch miteinander verbindbare sowie trennbare Verbindungselemente sowie Quetschverbindungen.
Kupferlegierungen wie beispielsweise CuFe0,1 P (C19210) und CuFe2P (C19400) werden vorrangig für Steckkontakte eingesetzt, da diese eine hohe Mischkristallverfestigung und mittlere Relaxationsbeständigkeit aufweisen. Demgegenüber weisen die vorgenannten Kupferlegierungen eine schlechte Zerspanbarkeit auf, so dass sie sich nicht oder nur schlecht für die Herstellung von Kontaktbauteilen durch spanende Verarbeitung eignen.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Eine gute Zerspanbarkeit wird demgegenüber bei der Verwendung bekannter Kupferlegierungen wie CuSP, CuTeP oder CuSMn erreicht. Da es sich hierbei um nicht aushärtbare Legierungen mit sehr geringfügiger Mischkristallverfestigung handelt, besitzen diese allerdings eine nur geringe Relaxationsbeständigkeit.
Die im Stand der Technik verwendeten Legierungen beinhalten zudem mitunter Bestandteile an Blei (Pb) oder Beryllium (Be), so dass sich diese Kupferlegierungen bereits aufgrund der bekannten Toxizität dieser Legierungselemente nicht für alle Anwendungen bedenkenlos einsetzen lassen.
Vor diesem Hintergrund bietet die Zusammensetzung von Kupferlegierungen sowie deren Verwendung in Bezug auf deren jeweilige Materialeigenschaften noch Raum für Verbesserungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sowohl relaxationsbeständige als auch zerspanbare Kupferlegierung zur Verfügung zu stellen, welche frei ist von den Legierungselementen Beryllium und Blei. Weiterhin soll die Verwendung einer solchen relaxationsbeständigen und zerspanbaren sowie blei- und berylliumfreien Kupferlegierung für daraus herzustellende Produkte aufgezeigt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Kupferlegierung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie deren Verwendung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 oder 8.
Wenn es nachfolgend nicht anders angegeben ist, verstehen sich alle Angaben zu den Legierungselementen in Gewichtsprozent.
Es wird eine Kupferlegierung vorgeschlagen, mit Anteilen in Gewicht-% an
Eisen (Fe) 0,02 - 4,00
Phosphor (P) 0,01 - 0,50 Um die geforderte Zerspanbarkeit zu erreichen, ist zur Bildung spanbrechender Phasen weiterhin wenigstens ein Element aus der nachfolgenden Gruppe enthalten:
Schwefel (S) 0,10 - 0,80
Mangan (Mn) 0,01 - 0,80
Tellur (Te) 0,10 - 1 ,00
Die Legierung ist zur Vermeidung toxischer Eigenschaften frei von Beryllium (Be) und Blei (Pb).
Je nach verwendeter Basis für die Kupferlegierung kann folglich Schwefel (S) oder Mangan (Mn) oder Tellur (Te) allein oder in Kombination in den angegebenen Grenzen enthalten sein.
Wahlweise enthält die Kupferlegierung zur Verbesserung der jeweils geforderten Eigenschaften:
Aluminium (AI) max. 0,50
Chrom (Cr) max. 0,50
Magnesium (Mg) max. 0,50
Zirkon (Zr) max. 0,50
Zink (Zn) max. 2,50
Zinn (Sn) max. 2,50
Bor (B) max. 0,50
Silber (Ag) max. 0,50.
Bei der vorgenannten Gruppe handelt es sich um optionale Legierungselemente. Sie können bei Bedarf einzeln oder in Kombination in den angegebenen Grenzen enthalten sein. Die Legierung enthält als Rest Kupfer (Cu) und kann übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweisen.
Die erfindungsgemäße Kupferlegierung vereint eine gute Zerspanbarkeit sowie hohe Relaxationsbeständigkeit. Insbesondere in Bezug auf Blei (Pb) wurde festgestellt, dass dessen Zugabe von maximal 0,1 % die Zerspanbarkeit nicht verbessert. Bei der Zugabe von Blei überwiegt vielmehr die Warmrissgefahr durch Bleianschmelzungen auf den Korngrenzen der Kristallite. Das ist bemerkenswert, denn bei den im Stand der Technik bekannten Kupferwerkstoffen ist die Verbesserung der Zerspanbarkeit in der Regel auf die Zugabe von Blei (Pb) in metallischer Form zurückzuführen.
Phosphor (P) bildet mit Eisen (Fe) Eisenphosphidausscheidungen. Eisen (Fe) dient generell zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Kupferlegierung.
Mit der Zugabe von Schwefel und/oder Mangan (Mn) und/oder Tellur (Te) in den angegebenen Grenzen wird bei der erfindungsgemäßen Legierung bewirkt, dass die Zerspanbarkeit auch ohne Zugabe von Blei (Pb) verbessert wird, indem spanbrechende Phasen gebildet werden.
Mangan (Mn) wirkt verfestigend und dient als Desoxidationsmittel innerhalb der Kupferlegierung. Weiterhin kann durch Mangan (Mn) das Korn der Kupferlegierung verfeinert werden.
Schwefel (S) verbessert die Zerspanbarkeit des Kupferwerkstoffs. Durch Mangan (Mn) wird die Phasenbildung des Schwefels (S) mit anderen Legierungselementen verhindert oder vermindert.
Neben der verbesserten Zerspanbarkeit sowie Relaxationsbeständigkeit besitzt die erfindungsgemäße Kupferlegierung eine gute elektrische Leitfähigkeit, die je nach untersuchter Zusammensetzung von 21 MS/m für CuFe4P bis 52 MS/m für CuFeO,02PS reicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche 2 bis 6. Hiernach können die Legierungsbestandteile aus der vorstehenden Gruppe, sofern sie zulegiert werden, bezüglich Zink (Zn) und Zinn (Sn) in einem Bereich von jeweils 0,01 - 2,50 Gewicht-% enthalten sein.
Weiterhin können Anteile an Aluminium (AI), Bor (B), Chrom (Cr), Magnesium (Mg), Silber (Ag) und Zirkon (Zr) jeweils 0,01 % - 0,5 Gewicht-% betragen.
Phosphor (P) und Bor (B) haben die Eigenschaft, der Wasserstoffkrankheit entgegenzuwirken. Der im Kupfermischkristall gelöste Sauerstoff wird durch die Zugabe von Phosphor (P) und gegebenenfalls Bor (B) an diese Legierungselemente gebunden. Bei Aufnahme von Wasserstoff im Werkstoff kann kein Wasserdampf entstehen, der die Gefügestruktur auflockert. Phosphor (P) und Bor (B) fungieren als Desoxidationsmittel.
Weiterhin verhindert die Zugabe von Phosphor (P) die Oxidation von einzelnen Legierungselementen. Überdies können auch die Flieseigenschaften der Kupferlegierung beim Gießen durch Zugabe von Phosphor (P) verbessert werden.
Durch die erfindungsgemäße Zugabe von Aluminium (AI) kann die Härte des Kupferwerkstoffs und dessen Dehngrenze ohne Verminderung der Zähigkeit erhöht werden. Bei Aluminium (AI) handelt es sich um ein Legierungselement, durch welches die Festigkeit sowie die Bearbeitbarkeit und die Verschleißbeständigkeit der Kupferlegierung bei hohen Temperaturen verbessert werden kann. Dies gilt im Übrigen auch für die Verbesserung der Oxidationsresistenz der Kupferlegierung.
Die Zugabe von Chrom (Cr) und Magnesium (Mg) dient ebenfalls zur Verbesserung der Oxidationsresistenz der Kupferlegierung bei hohen Temperaturen. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang beobachtet, wenn Chrom (Cr) und Magnesium (Mg) in Kombination mit Aluminium (AI) hinzulegiert werden. Auf diese Weise kann ein vorteilhafter Synergieeffekt dieser Bestandteile erzielt werden. Zirkon (Zr) kann die Warmumformbarkeit des erfindungsgemäßen Kupferwerkstoffs verbessern.
Insbesondere bei einer zumindest teilweisen Verzinnung der Kupferlegierung wird vorgeschlagen, einen Anteil an Zink (Zn) in einem Bereich von 0,01 - 2,50 % hinzuzulegieren. Zink (Zn) verbessert die Haftung der Verzinnung bzw. verbessert die Beständigkeit gegenüber dem Ablöseverhalten von Verzinnungen (peeling off).
Durch Zinn (Sn) kann ferner die Mischkristallverfestigung der erfindungsgemäßen Kupferlegierung gesteigert werden.
Schwefel (S) und/oder Tellur (Te) als Spanbrecher können bevorzugt mit Mangan (Mn) kombiniert werden. Schwefel und Mangan bilden Mangansulfide, welche die Zerspanbarkeit gegenüber Kupfersulfiden erhöhen.
Nachfolgend sind besonders bevorzugte Zusammensetzungen in Bezug auf die Legierungselemente Phosphor (P), Schwefel (S), Mangan (Mn) und Tellur (Te) angegeben, wobei zusätzlich die weiteren im Patentanspruch 1 angegebenen Legierungselemente in der Kupferlegierung enthalten sein können. Der Rest wird von Kupfer und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen gebildet:
A)
Eisen (Fe) 0,07 - 3,50
Phosphor (P) 0,015 - 0,40
und wenigstens einem Element aus der nachfolgenden Gruppe:
Schwefel (S) 0,15 - 0,70
Mangan (Mn) 0,03 - 0,75
Tellur (Te) 0,05 - 0,90 B)
Eisen (Fe) 0,20 - 3,20
Phosphor (P) 0,017-0,30
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe:
Schwefel (S) 0,20 - 0,62
Mangan (Mn) 0,05-0,70
Tellur (Te) 0,20-0,80
C)
Eisen (Fe) 0,40 - 3,00
Phosphor (P) 0,022-0,20
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe:
Schwefel (S) 0,25 - 0,57
Mangan (Mn) 0,08-0,55
Tellur (Te) 0,30-0,70
D)
Eisen (Fe) 0,75-2,60
Phosphor (P) 0,025 - 0,15
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe
Schwefel (S) 0,30 - 0,50
Mangan (Mn) 0,10-0,40
Tellur (Te) 0,40-0,60
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Abbildungen sowie Tabellen, insbesondere in Abgrenzung gegenüber dem Stand der Technik, näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Stahl-Eisen-Prüfblatt (SEP) 1178-90 zur analogen Beurteilung der
Spanformklasse der erfindungsgemäßen Kupferlegierung; Figur 2 Untersuchungsergebnisse an den Kupferlegierungen CuSP, CuTeP und CuSMn mit Blick auf die Spanformklassen durch mechanische Bearbeitung in Form von Außenlängsdrehen bei Variation der Schnittgeschwindigkeit;
Figur 3 die Untersuchungsergebnisse an den Werkstoffen aus Figur 2 in Bezug auf die Spanformklassen bei Varianten der Schnitttiefe;
Figur 4 die Ergebnisse der Spanformklassen der Figuren 2 und 3 in
Abhängigkeit von den jeweiligen Vorschub bei der mechanischen Bearbeitung;
Figur 5 eine tabellarische Übersicht der Werkstoffeigenschaften einzelner im
Stand der Technik bekannter Kupferlegierungen mit einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung;
Figur 6 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuSP;
Figur 7 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuTeP;
Figur 8 ein weiteres Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der
Technik bekannten Kupferlegierung CuSMn;
Figur 9 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuFe0,1 P;
Figur 10 eine Abbildung der sich bei der mechanischen Bearbeitung der im
Stand der Technik bekannten Kupferlegierung aus Figur 9 ergebenden Spanausbildung;
Figur 1 1 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur einer erfindungsgemäßen
Kupferlegierung CuFe0,1 PS; Figur 12 eine Abbildung der sich bei der mechanischen Bearbeitung der erfindungsgemäßen Kupferlegierung aus Figur 1 1 ergebenden Spanausbildung;
Figur 13 Diagramm zur Variation des Fe- und P-Gehalts bei konstantem Gehalt der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te und
Figur 14 Diagramm zur Variation der Gehalte der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te bei konstantem Gehalt der Basiselemente Fe und P.
Um die positiven Eigenschaften und Unterschiede der erfindungsgemäßen Kupferlegierung gegenüber den im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung zu erläutern, wurden vorliegend zunächst eine Gruppe aus den bekannten Kupferlegierungen CuSP (CW114C), CuTeP (CW1 18C, C14500) und CuSMn (C14750) näher untersucht.
Aus Figur 1 geht ein Stahl-Eisen-Prüfblatt 1 178-90 hervor, um die sich bei der spanabhebenden Bearbeitung ergebenden Ausgestaltungen der Späne analog auf die vorliegend untersuchte Gruppe zu beziehen.
Das sich ergebende Spanbild wurde dabei in eine von insgesamt acht Spanformklassen (1 - 8) eingeteilt, wie in der ersten Spalte, links neben den schematisch dargestellten Spänen zu erkennen ist. Den einzelnen Spanbildern sind entsprechend ihrer Ausgestaltung passende Terminologien zugeordnet, welche von "Bandspäne" bis "Bröckelspäne" reichen.
In der rechts neben den Spanformklassen gelegenen Spalte ist die Spanraumzahl R aufgeführt, welche das Verhältnis zwischen dem Raumbedarf einer ungeordneten Spanmenge (Vspan) und dem Werkstoffvolumen derselben Spanmenge (V) angibt. Eine kleine Spanraumzahl R lässt auf kleine Späne schließen, welche in ihrer räumlichen Ausgestaltung entsprechend wenig Platz benötigen. Somit sind diese in ihrer Handhabung gegenüber großen Spänen deutlich leichter. Demgegenüber lässt eine große Spanraumzahl R auf einen hohen Platzbedarf der Späne schließen, so dass deren Handhabung aufgrund des sich ausdehnenden Volumens deutlich erschwert ist.
Die Spanformklassen und die jeweiligen Spanraumzahlen R sind in der ganz rechten Spalte in Figur 1 einer Beurteilung zugeführt, wobei die Spanformklassen 7 und 8 mit ihrer jeweiligen Spanraumzahl R als "brauchbar" eingestuft wurden, während die Spanformklassen 5 und 6 in Kombination mit ihren jeweiligen Spanraumzahlen R als "gut" beurteilt sind. Die verbleibenden Spanformklassen 1 bis 4 im Zusammenhang mit deren jeweiliger Spanraumzahl R sind dagegen ersichtlich als "ungünstig" eingestuft, wobei bei den Spanformklassen 3 und 4 ein fließender Übergang zu "gut" vorliegt.
Figur 2 zeigt die Ergebnisse der mechanischen Bearbeitung der untersuchten Gruppe der bekannten Kupferlegierungen in Bezug auf die sich ergebenden Spanformklassen beim Außenlängsdrehen eines daraus bestehenden Werkstücks.
Die mit Figur 2 vorliegenden Ergebnisse basieren auf einer konstanten Schnitttiefe ap von 1 ,5 mm und einem Vorschub f von 0,2 mm. Die jeweilige Schnittgeschwindigkeit vc wurde dabei von 450 m/min (vci ) auf 150 m/min (vC2) variiert. Wie zu erkennen, liegen die jeweiligen Spanformklassen der Werkstoffe aus der Gruppe (CuSP, CuTeP und CuSMn) allesamt zwischen 3 und 5. Die sich jeweils ergebenden Spanbilder sind ebenfalls in der vorliegenden Tabelle schematisch dargestellt. Zur besseren Verdeutlichung ist diesen jeweils ein Einheitsstrich für 20mm als Bezug zugeordnet, um die Ergebnisse in Form der sich bei der Untersuchung eingestellten Spangrößen besser einschätzen zu können.
Figur 3 zeigt die Ergebnisse weiterer Bearbeitungsschritte der Gruppe aus Figur 2. Hierbei wurde bei gleich bleibender Schnittgeschwindigkeit vc von 450 m/min die jeweilige Schnitttiefe ap von 1 ,5 mm (api ) nach 0,75 mm (ap2) hin variiert. Wie bereits bei die vorherigen und in Bezug auf deren Ergebnisse in Figur 2 ersichtliche Untersuchung wurde auch hierbei ein konstanter Vorschub von f = 0,2 mm eingehalten.
Aus Figur 3 geht hervor, dass die Variation der Schnitttiefe (ap) insbesondere bei dem Werkstoffen CuSP und CuTeP zu einer Veränderung der Spanformklasse führt, wobei eine Vergrößerung der Schnitttiefe ap sich einer Verschlechterung der Spanformklasse äußert. Demgegenüber bleibt die Spanformklasse von CuSMn während der Variation der Schnitttiefe ap konstant, wie es im Übrigen auch bei der Variation der Schnittgeschwindigkeit vc der Fall war (siehe Figur 2).
Wie zu erkennen, bleibt die Spanformklasse insbesondere der Kupferlegierung CuSMn somit sowohl bei Variation der Schnittgeschwindigkeit als auch bei Variation der Schnitttiefe in den jeweils vorliegenden Bereichen konstant.
Weiterhin bewegt sich die Gruppe der untersuchten Kupferlegierungen auch bei Variation der Schnitttiefe ap in einem Bereich der Spanformklassen 3 bis 5.
Aus Figur 4 geht das Ergebnis der Variation des Vorschubs f in ihrer Auswirkung auf die Spanformklasse der jeweiligen Kupferlegierungen aus der untersuchten Gruppe hervor. Wie zu erkennen, verschlechtert sich die Spanformklasse der Gruppe mit abnehmendem Vorschub f insgesamt. Bei dem aus den Figuren 2 und 3 hervorgehenden Vorschub f von 0,2 mm liegen alle drei Kupferlegierungen der Prüfgruppe dagegen dicht beieinander. Lediglich die Kupferlegierung CuSMn verbessert seine Spanformklasse mit zunehmendem Vorschub f, welcher vorliegend bis 0,3 mm geprüft wurde. Die sich jeweils ergebenden Spanformen gehen ebenfalls aus den schematisch dargestellten Abbildungen in Kombination mit der vorliegenden Tabelle hervor.
Die so erhaltenen und in den Figuren 2 bis 4 zusammengestellten Ergebnisse wurden anschließend mit den Untersuchungsergebnissen für die vorliegende erfindungsgemäße Kupferlegierung verglichen. Als Referenzwert wurde die bekannte Kupferlegierung CuZn39Pb3 verwendet, welche insbesondere in Deutschland als die Hauptlegierung für Zerspanung gilt. Besagter Kupferlegierung findet überall dort seinen Einsatz, wo es verstärkt auf eine spanende sowie spanabhebende Formgebung ankommt. Im Zusammenhang mit der vorliegend als Referenz genutzten Kupferlegierung CuZn39Pb3 wird deren Zerspanbarkeit mit einem Zerspanungsindex von 100% angenommen.
Demgegenüber erreicht reiner Kupferwerkstoff einen Zerspannungsindex von 20% bis maximal 30%. Bei diesen Kupfersorten handelt es sich um niedrig legierte und aushärtbare Kupferwerkstoffe, welche keine spanbrechende Elemente wie Schwefel (S), Tellur (Te) sowie Schwefel (S) und Mangan (Mn) sowie Blei (Pb) beinhalten.
Zwischen diesen beiden Kupferwerkstoffen reiht sich die vorliegend untersuchte Gruppe derart ein, dass CuSP einen Zerspannungsindex von 70% aufweist, währen CuTeP einen Zerspannungsindex von 80% besitzt. Letztlich erreicht CuSMn den höchsten Zerspannungsindex aus der Gruppe von 90%.
Figur 5 zeigt hierzu eine tabellarische Gegenüberstellung der darin enthaltenen Werkstoffe in Bezug auf deren jeweilige Werkstoffeigenschaften.
Neben den in der ganz linken Spalte untereinander aufgeführten Werkstoffen sind jeweils rechts daneben deren zugehörige Größen aus weiteren Untersuchungen zu entnehmen, beginnend mit der 0,2%-Dehngrenze R o,2- Rechts daneben findet sich die Zugfestigkeit Rm sowie Bruchdehnung A.
In der sich daran anschließenden rechten Spalte ist die jeweilige Brinellhärte (HBW) angegeben und in der rechts darauf folgenden Spalte die Leitfähigkeit der einzelnen Werkstoffe. Die ganz rechts gelegenen, letzten beiden Spalten zeigen zunächst qualitativ die jeweilige Relaxation sowie die Zerspanbarkeit in Form des Zerspannungsindexes in %. Die vorliegende Tabelle in Figur 5 ist dabei so aufgebaut, dass diese die ungefähren Herstellungskosten der einzeln aufgeführten Werkstoffe widerspiegelt, beginnend mit dem preiswertesten Werkstoff oben.
In der Tabelle findet sich die erfindungsgemäße Kupferlegierung mit den dort aufgeführten Größenordnungen ihrer einzelnen Legierungskomponenten wieder, näherhin CuFe0,1 PS0,35 und CuFe2PS0,35.
Wie zu erkennen ist, weist die Kupferlegierung CuFe0,1 PS0,35 im direkten Vergleich mit nur spanbrechenden legierten Werkstoffen (CuSP, CuTeP und CuSMn) eine hier etwas geringere eingestellte 0,2%-Dehngrenze sowie Zugfestigkeit Rm auf. Die Bruchdehnung ist mit 17 % und die Relaxation ist mit "o" besser gegenüber CuSP, CuTeP und CuSMn. Die Legierung CuFe2PS0,35 weist höhere mechanische Kennwerte und eine höhere Relaxationsbeständigkeit, welche in der Tabelle mit "+" kenntlich gemacht ist, auf.
Die mit der Erfindung vergleichbaren Werkstoffe CuFe0,1 P und CuFe2P besitzen eine jeweils ähnlich gute Relaxationsbeständigkeit, weisen demgegenüber allerdings eine deutlich schlechtere Zerspanbarkeit von lediglich 20 bzw. 25 % gegenüber der erfindungsgemäßen Kupferlegierung CuFe0,1 PS und CuFe2PS auf.
Auffällig hierbei ist, dass die in den ersten vier Zeilen aufgeführten Werkstoffe zwar einen ähnlich guten und mit 100% bei CuZn39Pb3 entsprechend höheren Zerspanungsindex besitzen, demgegenüber allerdings in ihrer jeweiligen Relaxationsbeständigkeit der Kupferlegierung CuFePS0,35 der Erfindung deutlich unterliegen.
Die vorliegend aufgeführten Werte für den jeweiligen Zerspannungsindex der im Stand der Technik bekannten Werkstoffe wurde zum Teil aus dem Informationsdruck Ϊ18 des deutschen Kupferinstituts "Richtwerte für die spanende Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen" entnommen. Die Bestimmung der mechanischen Kennwerte für die vorliegende Tabelle erfolgte nach DIN ISO 6892-1. Dabei entsprach die jeweilige Probenform der Form A gemäß DIN 50125. Die jeweilige Leitfähigkeit wurde mit einem Sigmatester der Firma Förster ermittelt. Das jeweilige Relaxationsverhalten wurde anhand von internen Messungen an den verwandten Werkstoffen extrapoliert, welche allerdings gegenüber der Kupferlegierung der Erfindung keine erfindungsgemäßen spanbrechenden Elemente enthielten.
Die Figuren 6 bis 9 zeigen jeweils ein Schliffbild der Mikrostrukturen aus der den Untersuchungen zugrunde liegenden Gruppe der einzelnen Kupferwerkstoffe.
Figur 6 zeigt dabei den Werkstoff CuSP mit seiner Anordnung der spanbrechenden Elemente. Dessen Mikrostruktur zeigt zum Teil dicht beieinander liegende und jeweils dunkel dargestellte Kupfersulfide, welcher hierbei als Spanbrecher dienen.
Figur 7 zeigt demgegenüber den Werkstoff CuTeP, welcher in seiner Mikrostruktur dunkel dargestellte Kupfertellurieden als Spanbrecher enthält. Diese sind in ihrer Anordnung größtenteils vereinzelter und weiter auseinander gelegen.
Aus Figur 8 geht die Mikrostruktur des Werkstoffs CuSMn hervor, welcher als Spanbrecher Mangansulfide enthält. Wie bereits aus den in den Figuren 2 bis 4 und in Zeile vier der Tabelle aus Figur 5 hervorgehenden Ergebnissen weist CuSMn einen hohen Zerspanungsindex mit einer zumeist guten Spanformklasse auf, was auf die in Figur 8 ersichtliche, gleichmäßige Verteilung seiner Spanbrecher zurückzuführen ist.
Figur 9 zeigt zum Vergleich die geätzte Mikrostruktur des genormten Werkstoffs CuFe0,1 P (C19210) ohne spanbrechende Phasen. Neben dem Kupfermischkristall liegen nicht lichtmikroskopisch sichtbare Eisenphosphie vor. Die Eisenphosphide haben keine spanbrechende Wirkung. Beim Zerspanen des Werkstoffs entstehen ungünstig lange Späne (Fig. 10) die sich um die Spanwerkzeuge wickeln können und den Stillstand eines Drehautomaten verursachen können (Parameter: vc = 100 m/min, f = 0,1 mm, a = 1 ,0 mm).
Aus Figur 1 1 geht die Mikrostruktur des erfindungsgemäßen Werkstoffs CuFe0, 1 PS0,35 hervor. Dieser weist als Spanbrecher ebenfalls Kupfereisensulfide auf. Wie zu erkennen, besitzt dieser eine dem in Figur 8 dargestellten Kupferwerkstoff CuSMn ähnlich gute Verteilung seiner Spanbrecher, was sich in einer guten Zerspanbarkeit äußert.
Dessen Fertigung lag das Gießen im Strangguss zugrunde, mit einem Pressen von Durchmesser 273 mm auf Durchmesser 28 mm. Weiterhin beinhaltete die Fertigung das Ziehen von Durchmesser 28 mm auf Durchmesser 24 mm. Anschließend erfolgte ein Rekristallisationsglühen bei 540 °C über 4 Stunden hinweg an Umgebungsluft und eine weitere Verformung.
Figur 12 zeigt die Spanausbildung nach der mechanischen Bearbeitung des erfindungsgemäßen Kupferwerkstoffs CuFe0,1 PS0,35. Anhand der Gefügeausbildung der Figur 1 1 und der Spanformklasse des vorliegenden Werkstoffs CuFe0, 1 PS0,35 im Vergleich mit den Untersuchungen an den vorherigen Werkstoffen CuSP, CuTeP und CuSMn lässt sich auf einen Zerspannungsindex von mindestens 70% schließen (Spanklasse 3 - 6 nach SED1 178-90, bei vc = 100m/min, f = 0,1 mm, a = 1 ,0 mm).
Je nach Anforderungsprofil lassen sich somit aus den zerspanbaren erfindungsgemäßen Kupferlegierungen entsprechende Eigenschaftskombinationen heraussuchen. Ein besonderes Merkmal der Kupferlegierung ist, dass eine Verarbeitbarkeit mit konventionellen Fertigungs- und Bearbeitungsmaschinen möglich ist. In vorteilhafter Weise besitzt die erfindungsgemäße Kupferlegierung sowohl eine ausreichende Kaltverformbarkeit als auch eine sehr gute Warmverformbarkeit.
Vorliegend ist die Erfindung auch auf die Verwendung einer solchen Kupferlegierung für die Herstellung eines spanend zu fertigenden Produktes gemäß Patentanspruch 7 gerichtet.
Weiterhin ist die Erfindung auf die Verwendung einer solchen Kupferlegierung auch für die Herstellung eines nicht spanend zu fertigenden Halbzeugs gemäß Patentanspruch 8 gerichtet. Dabei kann es sich insbesondere um ein Walz-, Press-, Zieh-, Schmiede- oder Gussprodukt handeln. Zum Beispiel können Stangen und Drähte aus Press- und Ziehfolgen als Halbzeuge geliefert werden.
Aus den Stangen und Drähten können zum Beispiel folgende Produkte über eine spanende Fertigung hergestellt werden: Steckkontakte, Quetschhülsen, Crimpverbinder, Nägel mit gebohrtem Schaft, Motorteile, Schrauben, Fixierstifte, Klemmen, Schweißdüsen, Schneidbrennerdüsen, Ventile, Fittings, Muttern, Armaturenteile, Kontraktrohre, Kontaktstifte.
Figur 13 zeigt ein Diagramm zur Variation des Fe- und P-Gehalts bei konstantem Gehalt der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te und Figur 14 zeigt ein Diagramm zur Variation der Gehalte der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te bei konstantem Gehalt der Basiselemente Fe und P.
Daraus lassen sich die gegenseitigen Wechselwirkungen der Legierungselemente ablesen.

Claims

Patentansprüche
1 . Kupferlegierung, mit Anteilen in Gewicht-% an:
Eisen (Fe) 0,02 - 4,00
Phosphor (P) 0,01 - 0,50
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe:
Schwefel (S) 0,10 - 0,80
Mangan (Mn) 0,01 - 0,80
Tellur (Te) 0, 10 - 1 ,00
wobei die Legierung frei ist von Beryllium (Be) und Blei (Pb) und wahlweise:
Aluminium (AI) max. 0,50
Chrom (Cr) max. 0,50
Magnesium (Mg) max. 0,50
Zirkon (Zr) max. 0,50
Zink (Zn) max. 2,50
Zinn (Sn) max. 2,50
Bor (B) max. 0,50
Silber (Ag) max. 0,50
enthält,
Rest Kupfer (Cu) sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise wenigstens eines der nachfolgenden Legierungselemente mit folgenden Anteilen in Gewicht-% enthalten ist:
Aluminium (AI) 0,01 - 0,50
Chrom (Cr) 0,01 - 0,50
Magnesium (Mg) 0,01 -0,50
Zirkon (Zr) 0,01 - 0,50
Zink (Zn) 0,01 - 2,50
Zinn(Sn) 0,01 -2,50
Bor (B) 0,01 -0,50
Silber (Ag) 0,01 -0,50.
3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Anteile in Gewicht-%:
Eisen (Fe) 0,07-3,50
Phosphor (P) 0,015-0,40
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe:
Schwefel (S) 0,15-0,70
Mangan (Mn) 0,03-0,75
Tellur (Te) 0,05-0,90.
4. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet d urch folgende Anteile in Gewicht-%:
Eisen (Fe) 0,20 - 3,20
Phosphor (P) 0,017-0,30
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe:
Schwefel (S) 0,20 - 0,62
Mangan (Mn) 0,05-0,70
Tellur (Te) 0,20-0,80.
5. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet d u rch folgende Anteile in Gewicht-%:
Eisen (Fe) 0,40 - 3,00
Phosphor (P) 0,022-0,20
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe:
Schwefel (S) 0,25 - 0,57
Mangan (Mn) 0,08-0,55
Tellur (Te) 0,30-0,70.
6. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Anteile in Gewicht-%:
Eisen (Fe) 0,75-2,60
Phosphor (P) 0,025-0,15
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe:
Schwefel (S) 0,30 - 0,50
Mangan (Mn) 0,10-0,40
Tellur (Te) 0,40-0,60.
7. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 für die Herstellung eines spanend zu fertigenden Produktes.
8. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 für die Herstellung eines nicht spanend zu fertigenden Halbzeugs, insbesondere in Form eines Walz-, Press-, Zieh-, Schmiede- oder Gussproduktes.
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