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 039867 sind Kupferlegierungen mit hoher elektrischer LACS-Leitfähigkeit (International Standard for Annealed Copper) und Zugfestigkeit bekannt. Diese Legierungen enthalten 2,0 bis 3,0% Eisen, höchstens 0,04% Phosphor, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen. Legierungen der bevorzugten Zusammensetzung können eine IACS-Leitfähigkeit von etwa 70% 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 Warmformgebung 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 Menge an Verunreinigungen unterschiedliche Festigkeit 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% Eisen, und 0,02 bis 0,21% Silicium, sowie gegebenenfalls 0,01 bis 0,15 % Phosphor, gegebenenfalls 0,03 bis 0,20 Zink, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen enthält. Die bevorzugte Phosphormenge liegt zwischen 0,01 und 0,10% und die bevorzugte Zinkmenge zwischen 0,03 und 0,15%. Die Legierung enthält Eisen vorzugsweise in einer Menge von 1,7 bis 3,0%, insbesondere von 1,8 bis 2,9%. Der bevorzugte Siliciumgehalt liegt zwischen 0,03 und 0,20%, insbesondere zwischen 1,0 und 0,17%.
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 IACS-Leitfähigkeitswerte von etwa 75 bis 81% 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 Anlassfestigkeften in gewalztem Zustand an. Die hohe elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemässen 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 Legierungen der Erfindung variieren bei geringem Gehalt an Verunreinigungen nur unwesentlich. Weiterhin widerstehen die Legierungen der Erfindung dem Erweichen beim Löten bei Temperaturen zwischen 370 und 4270C.
Die Legierungen der Erfindung können noch geringe Mengen andere Legierungsbestandteile enthalten, um bestimmte erwünschte Ergebnisse zu erzielen. Z.B. kann Aluminium in einer Menge bis zu 0,07% und Mangan in einer Menge bis zu 0,08% vorhanden sein.
Die Eigenschaften der erfindungsgemässen Legierungen lassen sich in einem weiten Bereich von Verarbei tungsbedingungen 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 hö here 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 10500C, vorzugsweise bei etwa 9500C warmgewalzt werden. Anschliessend wird die Legierung mit zwischengeschalteten Glühstufen bei 400 bis 6000C und Haltezeiten von mindestens 2 Stunden kaltgewalzt, wobei bei jeder Kaltwalzstufe eine Stärkenverminderung von mindestens 50% durchgeführt wird. Es können längere Haltezeiten angewendet werden, um die elektrische Leitfähigkeit der Legierung zu verbessern. Kontinuierlich stranggeglühtes Bandmaterial oder Walzgut nimmt ebensogute physikalische Eigenschaften an, wie im Bell-Ofen geglühtes Material, doch ist die elektrische Leitfähigkeit nicht so hoch.
Zur Entwicklung von sowohl hoher Festigkeit nach dem Glühen und hoher elektrischer Leitfähigkeit soll daher das Fertigglühen und vorzugsweise das Glühen im Verfahren chargenweise durchgeführt werden und herkömmliches Ofenglühen angewendet 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 miteinander in einem Niederfrequenz-Induktionsofen unter einer Holzkohlenschicht bei etwa 12000C verschmolzen.
Etwa 10% der Kupferbeschickung wurden zurückgehalten, und die Schmelze wurde auf etwa 13000C geringfügig überhitzt, um das Eisen in Lösung zu bringen.
Sehr reine Legierungszusätze wurden zugegeben, sobald die Schmelze eine Temperatur von etwa 13000C aufwies. Danach wurde der Rest des Kupfers zugeschlagen und die Schmelze auf die Giesstemperatur von etwa 12000C gebracht. Hierauf wurde die Schmelze in eine wasserstoffgekühlte 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.
TABELLE I Legierung Fe P Si Zn CLI 1 2,3 0,021% 0,13So 0,08% Rest
2 2,3% 0,03 % - - 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 9400C warmgewalzt und danach mit einem Wasserspray auf Raurntemperatur abgeschreckt. Anschliessend wurde das Material auf 2,5 mm kaltgewalzt, 1 bis 4 Stunden bei 480 bis 6000C im Bell Ofen geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 1 bis 3 Stunden im Bell-Ofen auf 460 bis 4800C geglüht, auf 0,635 mm kaltgewalzt und 1 bis 3 Stunden im Bell-Ofen auf 440 bis 4800C geglüht.
Anschliessend wurden die Legierungen auf ihre physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengestellt:
TABELLE II
Legie- Streck- Zugfe- Dehnung, IACS-Leit rung festigkeit. stigkeit, o fähigkeit, kg/cm2 kg/cm3
1 1991 3754 27 81,2 2 1624 3522 27,5 73,5
Aus der Tabelle geht hervor, dass die erfindungsgemässe Legierung 1 eine höhere elektrische Leitfähigkeit und auch eine höhere Festigkeit aufweist, als die bekannte Legierung 2.
Beispiel 3
In diesem Beispiel wurden 3 Legierungen gemäss Beispiel 1 hergestellt. Die Legierungen hatten folgende Zusammensetzung:
TABELLE III Legie rung Fe Sl P Ag O Cu
3 2,4% 0,12% - - - Rest (Erfindung)
4 2,4% - 0,02% - - Rest (USA Patent 3 039 867)
5 - - - 0,06% 0,04% Rest (bekannte Legierung)
Die Legierungen wurden dann gemäss Beispiel 2 verarbeitet, wobei eine zusätzliche Kaltwalzstufe durchgeführt wurde, um die Festigkeitseigenschaften zu erhöhen.
Anschliessend wurden die Legierungen folgendermassen auf die Erweichungstemperatur geprüft. Die Legierungen wurden bei Temperaturen zwischen 315 und 4270C während 3 bis 4 Minuten in ein Salzbad getaucht. Danach wurden die Proben auf die Rockwell 15T Härte, die Streckfestigkeit und Zugfestigkeit geprüft. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 und 2 wiedergegeben. In Fig. 1 ist die Rockwell 15T Härte gegen die Temperatur und in Fig. 2 die Festigkeit gegen die Temperatur aufgetragen. Die ausgezogenen Linien geben die Werte nach 3minütiger Tauchzeit in das Salzbad und die gestrichelten Linien die Werte nach 4minütiger Tauchzeit wieder. Bei keiner der Legierungen änderte sich die elektrische Leitfähigkeit.
Aus den Figuren geht hervor, dass die erfindungsgemässe Legierung 3 den bekannten Legierungen 4 und 5 erheblich überlegen ist.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wurden 3 Legierungen gemäss Beispiel 1 hergestellt. Die Legierungen hatten folgende Zusammensetzung:
TABELLE IV Legierung P Fe Si Zn CLI
6 0,021% 2,3% 0,13% 0,08% Rest (Erfindung)
7 - 2,4% 0,14% - Rest (bekannte Legierung)
8 0,025% 2,4% - - Rest (USA-Patent 3 039 867)
Die Legierungen wurden folgendermassen verarbeitet. 12,7 cm dicke Knüppel wurden bei 9250C auf 8,89 mm warmgewalzt, dann auf 7,62 mm gewalzt, hierauf auf 2,54 mm kaltgewalzt, 2 Std. bei 4,900C geglüht, auf 1,27 mm kaltgewalzt, 2 Stunden bei 4400C geglüht, dann auf 0,635 mm kaltgewalzt und weitere 2 Stunden bei 4400C geglüht. Nach jeder Glühstufe wurde die Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Legierung bestimmt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammen gestellt.
TABELLE V Legierung Erste Glühbehandlung Zweite Glühbehandlung Dritte Glühbehandlung
Zugfestig- IACS-Leit- Zugfestig- IACS-Leit- Zugfestig- IACS-Leit keit, kg/cm2 fähigkeit, % keit, kg/cm2 fähigkeit. % keit, kg/cm' fähigkeit, %
6 4330 69,7 4654 73,5 4732 76,9
7 3937 66,2 4464 75,1 4796 82,0
8 3170 69,9 3937 72,1 3592 72,3
PATENTANSPRUCH I
Kupferlegierung, enthaltend 1,5 bis 3,5% Eisen und 0,02 bis 0,21% Silicium.
Copper alloy
It is well known that copper is an excellent electrical conductor. Numerous alloy additions have been proposed to increase the strength properties of copper. In this way, however, the electrical conductivity of the copper is considerably reduced. It is therefore very desirable to provide copper alloys with high electrical conductivity and, at the same time, increased strength.
From the USA patent 3 039867 copper alloys with high electrical LACS conductivity (International Standard for Annealed Copper) and tensile strength are known. These alloys contain 2.0 to 3.0% iron, a maximum of 0.04% phosphorus, the remainder copper and the usual impurities. Alloys of the preferred composition can have an IACS conductivity of about 70% and at the same time a tensile strength of 3515 kg / cm2. These alloys are preferably cast into billets of the usual size and rolled down to the usual thicknesses. The iron can already be dissolved in the copper by hot forming. After hot forming, the billet can be subjected to a solution heat treatment. The alloy can then be annealed at a lower temperature to increase its electrical conductivity.
Finally, the alloy is either cold rolled or cold drawn to its final thickness.
The aim of the invention is to provide new, improved iron-containing copper alloys which are distinguished by high electrical conductivity and, at the same time, high strength properties, the physical properties of which do not vary greatly after annealing, which even in the presence of small amounts of impurities differ in strength due to can accept different annealing treatment, and which can be produced cheaply and in a technically simple manner.
The invention relates to a copper alloy.
which contains 1.5 to 3.5% iron and 0.02 to 0.21% silicon, and optionally 0.01 to 0.15% phosphorus, optionally 0.03 to 0.20 zinc, the remainder copper and the usual impurities . The preferred amount of phosphorus is between 0.01 and 0.10% and the preferred amount of zinc is between 0.03 and 0.15%. The alloy preferably contains iron in an amount of 1.7 to 3.0%, in particular 1.8 to 2.9%. The preferred silicon content is between 0.03 and 0.20%, in particular between 1.0 and 0.17%.
The alloys according to the invention are characterized by numerous unexpected and surprising properties. E.g. the electrical conductivity of the alloys is significantly improved. Namely, IACS conductivity values of about 75 to 81% can be easily obtained. In addition, the alloys of the invention have excellent annealing properties and the ability to assume different strengths due to different annealing treatments. In addition, the alloys of the invention assume high tempering strengths in the as-rolled state. The high electrical conductivity of the alloys according to the invention is accompanied by excellent tensile strength properties in the annealed state of the order of magnitude of about 4570 kg / cm 2 and higher.
The strength and physical properties of the alloys of the invention vary only insignificantly with low levels of impurities. Furthermore, the alloys of the invention withstand soldering softening at temperatures between 370 and 4270C.
The alloys of the invention may also contain minor amounts of other alloy components to achieve certain desired results. E.g. aluminum can be present in an amount up to 0.07% and manganese in an amount up to 0.08%.
The properties of the alloys according to the invention can be improved in a wide range of processing conditions compared to conventional alloys. Special processing naturally also results in changes to the properties.
The type of casting of the alloy is not particularly critical; conventional casting methods can be used for these alloys, but higher temperatures should be used to bring the iron into solution. Preferably the alloy is cast into billets of normal size which are then subjected to hot working, e.g. be rolled.
After casting, the alloy should be at an elevated temperature, i.e. between 800 and 10500C, preferably at about 9500C. The alloy is then cold-rolled with intermediate annealing stages at 400 to 6000C and holding times of at least 2 hours, with a thickness reduction of at least 50% being carried out in each cold-rolling stage. Longer hold times can be used to improve the electrical conductivity of the alloy. Continuously annealed strip material or rolled material takes on physical properties just as well as material annealed in a Bell furnace, but the electrical conductivity is not as high.
Therefore, in order to develop both high post-anneal strength and high electrical conductivity, the final annealing, and preferably the process annealing, should be carried out in batches and conventional furnace annealing, e.g. Glow in the bell furnace.
The examples illustrate the invention.
example 1
Alloys were made in the following manner.
Very pure copper and very pure iron were fused together in a low frequency induction furnace under a layer of charcoal at about 12000C.
About 10% of the copper charge was retained and the melt was slightly superheated to about 13000 ° C. to bring the iron into solution.
Very pure alloy additives were added as soon as the melt reached a temperature of about 13000C. Then the rest of the copper was added and the melt brought to the casting temperature of about 12000C. The melt was then poured into a hydrogen-cooled mold with the dimensions 73 X 12.7 X 244 cm at a casting speed of 54.1 cm / min. poured. The alloys obtained in this way had the following composition.
TABLE I Alloy Fe P Si Zn CLI 1 2.3 0.021% 0.13 So 0.08% balance
2 2.3% 0.03% - - remainder (USA patent 3 039 867)
Example 2
Alloys 1 and 2 produced according to Example 1 were processed as follows. The alloys were hot-rolled at 900 to 9400C and then quenched to room temperature with a water spray. The material was then cold-rolled to 2.5 mm, annealed for 1 to 4 hours at 480 to 6000C in the Bell furnace, cold-rolled to 1.27 mm, annealed for 1 to 3 hours in the Bell furnace at 460 to 4800C, cold-rolled to 0.635 mm and Annealed for 1 to 3 hours in the Bell furnace at 440 to 4800C.
The alloys were then examined for their physical properties. The results are summarized in Table II:
TABLE II
Alloy stretching tensile elongation, IACS line strength. ability, o ability, kg / cm2 kg / cm3
1 1991 3754 27 81.2 2 1624 3522 27.5 73.5
The table shows that the alloy 1 according to the invention has a higher electrical conductivity and also a higher strength than the known alloy 2.
Example 3
In this example 3 alloys according to Example 1 were produced. The alloys had the following composition:
TABLE III alloy Fe Sl P Ag O Cu
3 2.4% 0.12% - - - remainder (invention)
4 2.4% - 0.02% - - remainder (USA patent 3 039 867)
5 - - - 0.06% 0.04% remainder (known alloy)
The alloys were then processed according to Example 2, with an additional cold rolling step being carried out in order to increase the strength properties.
The alloys were then tested for softening temperature as follows. The alloys were immersed in a salt bath at temperatures between 315 and 4270C for 3 to 4 minutes. The samples were then tested for Rockwell 15T hardness, yield strength and tensile strength. The results are shown in FIGS. 1 and 2. In FIG. 1 the Rockwell 15T hardness is plotted against the temperature and in FIG. 2 the strength against the temperature. The solid lines show the values after a 3-minute immersion time in the salt bath and the dashed lines the values after a 4-minute immersion time. The electrical conductivity of none of the alloys changed.
The figures show that alloy 3 according to the invention is considerably superior to known alloys 4 and 5.
Example 4
In this example 3 alloys according to Example 1 were produced. The alloys had the following composition:
TABLE IV Alloy P Fe Si Zn CLI
6 0.021% 2.3% 0.13% 0.08% remainder (invention)
7 - 2.4% 0.14% - remainder (known alloy)
8 0.025% 2.4% - - remainder (USA patent 3 039 867)
The alloys were processed as follows. Billets 12.7 cm thick were hot-rolled to 8.89 mm at 9250C, then rolled to 7.62 mm, then cold-rolled to 2.54 mm, annealed for 2 hours at 4.900C, cold-rolled to 1.27 mm, 2 hours at 4400C annealed, then cold rolled to 0.635mm and annealed at 4400C for an additional 2 hours. After each annealing stage, the tensile strength and electrical conductivity of the alloy were determined.
The results are shown in Table V.
TABLE V Alloy First Annealing Treatment Second Annealing Treatment Third Annealing Treatment
Tensile strength- IACS-Leit- Tensile strength- IACS-Leit- Tensile strength- IACS-Conductivity, kg / cm2 ability,% ability, kg / cm2 ability. % speed, kg / cm 'ability,%
6 4330 69.7 4654 73.5 4732 76.9
7 3937 66.2 4464 75.1 4796 82.0
8 3170 69.9 3937 72.1 3592 72.3
PATENT CLAIM I
Copper alloy containing 1.5 to 3.5% iron and 0.02 to 0.21% silicon.