-
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Legierungen
auf Kupferbasis, die insbesondere in der Elektronikindustrie als
Materialien für Leiterrahmen oder Verbinder Anwendung finden. Die
Elektronikindustrie verlangt zunehmend nach Legierungen höherer
Festigkeit mit guter Formbarkeit, guter elektrischer und thermischer
Leitfähigkeit für Leiterrahmen. Anwendungen für Verbinder würden
gleichermaßen von solchen Legierungen profitieren, wenn sie mit gutem
Entspannungswiderstand bereitgestellt werden können. Die nach dem
Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Legierungen liefern
eine Kombination von hoher Festigkeit und mäßigen bis hohen
Leitfähigkeitseigenschaften, die im Vergleich zu im Handel verfügbaren
Legierungen verbessert sind.
-
Ein Vergleich verschiedener Kupferlegierungen, die in der
Elektronikindustrie Anwendung finden, ist dargelegt in einer Broschüre
mit dem Titel "High Strength, High Conductivity Copper Alloys For IC
Lead Frame", herausgebracht von Sumitomo Metal Mining Copper &
Brass Sales Co., Ltd. Aus der folgenden Beschreibung wird deutlich
werden, daß die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
hergestellten Legierungen im Vergleich zu vielen im Handel verfügbaren
Legierungen eine beträchtlich verbesserte Kombination von Festigkeit
und Leitfähigkeit liefern.
-
Es ist in hohem Maße erwünscht, für die vorgenannten Anwendungen
eine Kupferlegierung bereitzustellen, die eine Zugfestigkeit von etwa 100
ksi oder höher hat, während sie für ein Leiterrahmen-Material eine
elektrische Leitfähigkeit von etwa 40% IACS beibehält. Unter den in
der Broschüre dargelegten Materialien erreichen nur 42 Legierungen ein
derartiges Festigkeitsziel, jedoch die Leitfähigkeit der Legierungen ist
extrem niedrig. Unter den Legierungen mit mäßiger Leitfähigkeit kommt
die Legierung C19500 den gewünschten Eigenschaften am nächsten, sie
verpaßt jedoch das Festigkeitsziel.
-
Bestimmte Beryllium-Kupfer-Legierungen, wie die Legierung C17400,
liefern eine gute Leitfähigkeit und Festigkeit unter einer Einbuße an
Biegeeigenschaften und unter Kostenbelastung.
-
Für Verbinder-Anwendungen ist der Entspannungswiderstand oder
Spannungsrelaxationswiderstand zusätzlich zur Festigkeit und
Leitfähigkeit eine wichtige Eigenschaft. Die nach dem Verfahren der
vorliegenden Erfindung hergestellten Legierungen liefern im Vergleich
zu einer typischen im Handel erhältlichen Legierung, wie der Legierung
C51000, die eine Phosphor-Bronze ist, verbesserte Kombinationen von
Biegeeigenschaften, Leitfähigkeit und Entspannungswiderstand.
-
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ergibt Legierungen, die
ausscheidungshärtbare Nickel-Silizium-Bronzen sind, denen Magnesium
zugesetzt ist, um die einzigartig verbesserte Kombination von
Eigenschaften zu liefern. In Patenten und in der Literatur wurden
zahlreiche Legierungen und/oder Verfahren beschrieben, welche die
Ausscheidungshärtungs-Eigenschaften nutzen, die der Zusatz von Nickel
und Silizium liefert, beispielsweise diejenigen, die dargelegt sind in dem
US-Patent Nr. 1 658 186 von Corson, Nr. 1 778 668 von Fuller und
Nr. 2 185 958 von Strang et al. Verschiedene Zusätze anderer Elemente
zu Nickel-Silizium-Bronzen sind beschrieben in den US-Patenten Nr. 2
137 282 von Hensel et al., Nr. 3 072 508 von Klement et al., Nr. 4 191
601 von Edens et al., Nr. 4 260 435 von Edens et al., Nr. 4 466 939
von Kim et al. und in der japanischen offengelegten Patentanmeldung
Nr. 213 847/83 von Miyafuji et al. Penn Precision Products, Inc. stellt
eine Nickel-Silizium-Bronze unter der Handelsmarke DICKALLOY her.
Wie in ihrem Produktprospekt dargelegt ist, enthält jene Legierung
Kupfer-Nickel-Silizium mit Zusätzen von Aluminium und Chrom.
-
Der Patentinhaber der vorliegenden Erfindung ist auch der Inhaber von
Patenten, die Kupferbasis-Legierungen mit Magnesium-Zusätzen, welche
den Entspannungswiderstand verbessern, betreffen. Zu jenen Patenten
gehören die US-Patente Nr. 4 233 068 und Nr. 4 233 069 von Smith et
al., die Messing-Legierungen betreffen, und das US-Patent Nr. 4 434
016 von Saleh et al., das Kupfer-Nickel-Aluminium-Legierungen betrifft.
Die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 645 957 von Knorr et
al. offenbart Kupferbasis-Legierungen für Leiterrahmen- oder Verbinder-
Anwendungen, die Eisen, Magnesium, Phosphor und, gewünschtenfalls,
Zinn enthalten.
-
Nickel-Silizium-Bronzen mit Zusätzen von Magnesium sind in den US-
Patenten Nr. 2 851 353 von Roach et al. und Nr. 4 366 117 von Tsuji
offenbart. Die Legierungen, mit denen sich diese Patente befassen,
fallen in einer oder in mehrfacher Hinsicht außerhalb der Bereiche der
Legierungen, die mit dem Verfahren der Erfindung erhalten werden.
-
Das US-Patent Nr. 2 157 934 von Hensel und Larsen beschreibt eine
Kupferbasis-Legierung, die alterungshärtbar ist und 0,1 bis 3%
Magnesium, 0,1 bis 5% eines Materials aus der Gruppe Nickel, Kobalt
oder Eisen, 0,1 bis 3% Silizium und Rest Kupfer enthält. Die
Legierung wird behandelt, indem man sie auf eine Temperatur oberhalb
700ºC erhitzt, gefolgt von Abschrecken und dann Altern unterhalb von
700ºC. Wenn gewünscht, kann das Material zwischen dem Abschrecken
und dem Altern kaltverformt werden, um seine Härte zu erhöhen.
-
Die Auswirkungen kleiner Legierungszusätze von Aluminium,
Magnesium, Mangan und Chrom auf das Alterungsverhalten einer Cu-
Ni-Si-Legierung, die 1,8% Nickel und 0,8% Silizium, Rest Kupfer,
enthielt, wurden in der Veröffentlichung "Effects Of Small Alloying
Additions On the Ageing Behaviour Of A Copper-Nickel-Silicon Alloy"
von Tewari et al., die in Transactions of the Indian Institute of Metals,
Dezember 1964, Seiten 211 bis 216, erschien, beschrieben. Die
untersuchten Magnesium-Gehalte variierten von 0,2% bis 1%. Kupfer-
Nickel-Silizium-Magnesium-Legierungen, im besonderen, die 1, %
Nickel, 0,8% Silizium, mit 0,3% Magnesium oder Chrom enthalten,
sind in der Veröffentlichung "Studies on Age Hardening Cu-Ni-Si-Mg
and Cu-Ni-Si-Cr Alloys" von Bhargava et al., erschienen in Z.
Metallkde., Band 63 (1972) H. 3, Seiten 155 bis 157, beschrieben.
Diese, Veröffentlichung beschreibt das Alterungshärtungs-Verhalten einer
solchen Legierung. Es sollte beachtet werden, daß der Nickelgehalt der
in diesen Veröffentlichungen untersuchten Legierungen außerhalb des
Bereichs der vorliegenden Erfindung liegt.
-
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer
Legierung auf Kupferbasis mit einer verbesserten Kombination von
Festigkeit und Leitfähigkeit, wobei die Legierung besteht aus (a) 0,05
bis 5,0 Gewichts% Nickel, (b) wobei ein Teil des Nickelgehalts
gewünschtenfalls durch Chrom, Cobalt, Eisen, Titan, Zirconium,
Hafnium, Niob, Tantal, Mischmetall oder Gemische davon in einer
Menge von 1 Gewichts % der Legierung oder weniger, aber wirksam zur
Bildung eines Silicids, ersetzt ist; (c) 0,01 bis 2,0 Gewichts % Silicium;
(d) gewünschtenfalls Lithium, Calcium, Mangan, Mischmetall oder
Gemischen davon in einer Menge von 0,25 Gewichts% der Legierung
oder weniger, aber wirksam zum Deoxidieren oder Entschwefeln; (e) bis
zu 1 Gewichts % Magnesium; (f) Rest Kupfer abgesehen von
Verunreinigungen; und wobei das Verfahren die folgenden Schritte
aufweist:
-
(a) Gießen der Legierung zu einer gewünschten Gestalt;
-
(b) Lösungsglühen der Legierung bei einer Temperatur von 750 bis
950ºC für eine Zeitdauer von 30 Sekunden bis 8 Stunden,
gefolgt von Abschrecken;
-
(c) Kaltverformen der Legierung um mindestens 30%;
-
(d) Glühen bei einer Temperatur von 750 bis 950ºC für eine
Zeitdauer von 30 Sekunden bis 8 Stunden, gefolgt von
Abschrecken;
-
(e) Kaltverformen um mindestens 10%, und
-
(f) Überaltern durch Glühen bei einer Temperatur von 500 bis
700ºC für eine Zeitdauer von 1/2 bis 8 Stunden.
-
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 beansprucht.
-
Die Schrift GB-A-522 482 lehrt eine Kupferlegierung, die besteht aus
0,1 bis 5%, bevorzugt 2,25%, Nickel, 0,1 bis 3%, bevorzugt 0,5%,
Silizium, 0,1 bis 3%, bevorzugt 0,5%, Magnesium, Rest Kupfer. Eine
derartige bekannte Legierung zeigt eine gute Kombination von
Leitfähigkeit und Härte.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
von Legierungen auf Kupferbasis bereitgestellt, wobei die Legierungen
eine mäßige bis hohe Leitfähigkeit mit außergewöhnlich guten
Festigkeitseigenschaften haben. Die Legierungen können auf
verschiedene Arten behandelt werden, um für die jeweilige Anwendung
die beste Kombination von Festigkeit, Biegungsformbarkeit und
Leitfähigkeit zu liefern. Für Leiterrahmen-Anwendungen werden die
Legierungen im allgemeinen behandelt, daß sie die beste Kombination
von Festigkeit und Leitfähigkeit sowie gute Biegeeigenschaften liefern;
für Verbinder-Anwendungen hingegen sind Festigkeit und Beständigkeit
gegen Spannungsrelaxation von allergrößter Bedeutung. Für einige
Verbinder-Anwendungen sind eine verringerte Festigkeit bei verbesserter
Leitfähigkeit und Biegequalität erforderlich.
-
Die Ansprüche dieses Patents sind nicht auf die Zusammensetzung der
hierin offenbarten Legierungen an sich gerichtet. Diese Legierungen sind
jedoch geeignet dafür, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
behandelt zu werden.
-
Diese verbesserten Eigenschaften werden mit einer Legierung auf
Kupferbasis erreicht, die bevorzugt 2 bis 4,8 Gew.-% Nickel, 0,2 bis
1,4 Gew.-% Silizium, 0,05 bis 0,45 Gew.-% Magnesium enthält.
Besonders bevorzugt enthält die Legierung 2,4 bis 4,0 Gew.-% Nickel,
0,3 bis 1,1 Gew.-% Silizium und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Magnesium.
Ganz besonders bevorzugt beträgt das Magnesium 0,1 bis 0,2 Gew.-%.
Für Leiterrahmen-Anwendungen befinden sich die Legierungen
bevorzugt im überalterten Zustand. Für Verbinder-Anwendungen
befinden sich die Legierungen bevorzugt im stabilisierten Zustand.
-
Verschiedene andere Elemente können in Verunreinigungs-Mengen
vorhanden sein, welche die Eigenschaften der Legierungen nicht
ungünstig beeinflussen.
-
Die Behandlung der Legierungen bestimmt zum Teil ihre Kombination
von Festigkeit, Leitfähigkeit, Biegungsformbarkeit und
Spannungsrelaxations-Eigenschaften und ihre Eignung zur Anwendung
als ein Leiterrahmen- oder Verbinder-Material.
-
Im allgemeinen werden die Legierungen unter Verwendung von
Direkthartguß gegossen. Danach werden die Legierungen bei einer
Temperatur von 750 bis 950ºC, und bevorzugt von 850 bis 900ºC,
warm verformt.
-
Gewünschtenfalls können die Legierungen nach der vorgenannten
Behandlung bei einer Temperatur von 550 bis 700ºC
homogenisierungsgeglüht werden. Wenn bei dem Verfahren ein
Homogenisierungsglühen verwendet wird, sollte die Legierung vor
irgendwelchen Alterungsbehandlungen durch Glühen bei einer
Temperatur oberhalb 750ºC wieder gelöst werden, gefolgt von
Abschrecken. Das Homogenisierungsglühen kann nach dem
Warmverformen oder nach einem anfänglichen Kaltverformen
durchgeführt werden, wie gewünscht.
-
Bei einer ersten Verfahrens-Alternative (nicht Gegenstand der Erfindung)
wird die Legierung dann einer oder mehreren Folgen von Kaltverformen
und Altern unterzogen. In der ersten derartigen Folge oder Sequenz
sollte das Kaltverformen mindestens 30% Verringerung der Dicke
umfassen, und bevorzugt mindestens 50%. Für Verbinder-
Anwendungen, die die höchsten Festigkeitseigenschaften, bei einer
gewissen Einbuße an Biegungsformbarkeit, erfordern, werden die
Legierungen dann bei einer Temperatur von 350 bis 500ºC, und
bevorzugt von 425 bis 480ºC, gealtert. Wenn eine zweite Sequenz von
Kaltverformen und Altern erforderlich ist, sollte das Kaltverformen
mindestens 10% Verringerung der Dicke, und bevorzugt mindestens 30
% Verringerung der Dicke, umfassen, und dem sollte eine
Alterungsbehandlung bei einer Temperatur folgen, die geringer ist als
die Alterungstemperatur bei der ersten Behandlung, die im allgemeinen
im Bereich von 350 bis 490ºC liegt. Die Legierung wird dann
abschließend um 10 bis 90%, und bevorzugt um 30 bis 60%,
Dickenverringerung kaltverformt. Für Verbinder-Anwendungen wird die
Legierung danach gewünschtenfalls durch Glühen bei einer Temperatur
von 200 bis 345ºC, und bevorzugt von 225 bis 330ºC, stabilisiert.
-
Bei einer zweiten Verfahrens-Alternative, die Gegenstand der Erfindung
ist, für Leiterrahmen-Anwendungen umfaßt die Behandlung nach dem
Warmverformen oder dem Homogenisierungsglühen das Kaltverformen
der Legierung um mindestens 30%, und bevorzugt mindestens 50%,
Dickenverringerung, gefolgt von Glühen bei einer Temperatur von 750
bis 900ºC, und bevorzugt von 800 bis 850ºC, und Abschrecken gefolgt
von Kaltverformen um mindestens 10%, und bevorzugt mindestens 30
%, gefolgt von Überaltern bei einer Temperatur von 500 bis 700ºC, und
bevorzugt von 510 bis 575ºC, gefolgt von Kaltverformen um 10 bis 90
%, und bevorzugt um 30 bis 60%, Dickenverringerung. Obwohl dieses
Verfahren für Leiterrahmen-Anwendungen bestimmt ist, kann die
Legierung, sollte sie zur Verwendung bei Verbinder-Anwendungen
gewünscht werden, gewünschtenfalls wie bei der vorangehenden ersten
Verfahrens-Alternative stabilisiert werden. Man geht davon aus, daß die
zweite Verfahrens-Alternative in breitem Umfang auf Kupferlegierungen,
die 0,05 bis 5,0 Gew.-% Nickel, 0,01 bis 2 Gew.-% Silizium, bis zu 1
Gew.-% Magnesium enthalten, anwendbar ist. Verunreinigungen, die die
Eigenschaften der Legierung nicht auf wesentliche Weise ungünstig
beeinflußen, können anwesend sein.
-
Schließlich kann nach einer dritten Verfahrens-Alternative (nicht
Gegenstand der Erfindung) die Legierung mittels eines Verfahrens
behandelt werden, das sie für die Verwendung als ein Leiterrahmen-
oder, alternativ, als ein Verbinder-Material geeignet macht, wobei das
Material eine relativ hohe Festigkeit, mäßige Leitfähigkeit und etwas
schlechtere Biegeeigenschaften als bei der zweiten Verfahrens-
Alternative, aber wesentlich bessere Biegeeigenschaften als bei der
ersten Verfahrens-Alternative hat. Dieses Verfahren ist dasselbe wie die
zweite Verfahrens-Alternative, wobei ein Glühen ohne Überalterung
durch ein Überalterungs-Glühen ersetzt wird. Gemäß diesem Verfahren
wird das Glühen vor der Schlußverformung bei einer Temperatur von
350 bis weniger als 500ºC, und bevorzugt von 425 bis 480ºC,
durchgeführt. Die Schlußkaltverformung wäre dieselbe wie bei den
vorhergehenden Verfahren, und für Verbinder-Anwendungen ist ein
fakultatives Stabilisierungsglühen, wie vorher beschrieben, bevorzugt.
-
Demgemäß ist die hierin beschriebene Legierung eine
Vielzwecklegierung auf Kupferbasis mit einer einzigartigen Kombination
von Festigkeit, Leitfähigkeit, Biegungsformbarkeit und,
gewünschtenfalls, Entspannungswiderstand, was die Legierung zur
Verwendung als ein Verbinder- oder Leiterrahmen-Material geeignet
macht.
-
Es wurde gefunden, daß die hierin beschriebenen Legierungen mit einem
entscheidenden Magnesiumzusatz durch geeignetes Anpassen ihrer
Behandlung oder Herstellung leicht für jede dieser Anwendungen
zugeschnitten werden können.
-
Es wurde überraschend gefunden, daß die hierin beschriebenen
Legierungen im überalterten Zustand wesentliche Verbesserungen der
Biegungsformbarkeit schaffen, während sie relativ hohe Festigkeits- und
gute Leitfähigkeits-Eigenschaften beibehalten.
-
Es wurde auch überraschend gefunden, daß der Entspannungswiderstand
der Legierung durch die Verwendung eines Stabilisierungsglühens
merklich beeinflußt wird.
-
Es wurde überraschend gefunden, daß die Warmverformbarkeit der
Legierung durch sorgfältiges Kontrollieren des Magnesiumgehalts
verbessert werden kann. Wenn hohe Magnesiumgehalte verwendet
werden, entwickeln die Legierungen eine Anfälligkeit zum rissig
werden, die von der Warmverformungstemperatur abhängt. Diese
Anfälligkeit, rissig zu werden, wird jedoch durch Halten des
Magnesiums innerhalb der offenbarten Grenzen vermieden, unabhängig
von der Warmverformungstemperatur.
-
Dementsprechend ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung einer Vielzwecklegierung auf Kupferbasis für
Elektronikanwendungen wie Leiterrahmen oder Verbinder und die
Behandlung dafür bereitzustellen.
-
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
derartiger Legierungen mit einer verbesserten Kombination von
Festigkeit, Leitfähigkeit, Biegungsformbarkeit und gewünschtenfalls
Spannungsrelaxationswiderstand bereitzustellen.
-
Es ist noch ein weiterer Vorteil dieser Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung derartiger Legierungen, die leicht warmverformbar sind und
die während der Warmverformung keine temperaturveränderliche
Empfänglichkeit für Reißen entwickeln, bereitzustellen.
-
Diese und andere Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und
den folgenden Zeichnungen deutlicher werden.
-
Fig. 1 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen
Magnesiumgehalt und der temperaturveränderlichen
Empfänglichkeit der Legierung für Rißbildung während der
Warmverformung zeigt; und
-
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen
Alterungstemperatur und Härte, Biegungsformbarkeit und
elektrischer Leitfähigkeit der Legierung bei verschiedenen
Alterungszeiten zeigt.
-
Die Vielzwecklegierung auf Kupferbasis, die hierin beschrieben wird,
kann, abhängig von ihrer Behandlung, von der Elektronikindustrie
effektiv als ein Leiterrahmen- oder Verbinder-Material verwendet
werden. Die Legierung ist insofern einzigartig, als sie eine
Gesamtkombination von Eigenschaften verschafft, die denjenigen,
welche bei gegenwärtig allgemein im Handel verfügbaren Legierungen
zur Verfügung stehen, überlegen sind. In der Vergangenheit würde es
die Verwendung kostspieliger Legierungen vom Beryllium-Kupfer-Typ
erfordert haben, ähnliche Eigenschaften zu erzielen.
-
Die Legierungen liefern sehr hohe Festigkeiten bei mäßiger
Leitfähigkeit. Beispielsweise sind sie in der Lage, mit Legierung 42
(Alloy 42) vergleichbare Festigkeiten, bei wesentlich besserer
Leitfähigkeit, zu erreichen. Sie sind auch in der Lage, Leitfähigkeiten zu
erreichen, die vergleichbar sind mit im Handel verfügbaren Legierungen
mäßiger Leitfähigkeit, bei einer wesentlichen Verbesserung der
Zugfestigkeit.
-
Durch geeignetes Abstimmen der Behandlung können die Legierungen
für Verbinder-Anwendungen passend gemacht werden. Für
Anwendungen wie als Flachfederverbinder beispielsweise, können die
Legierungen behandelt werden, daß sie eine Zugfestigkeit über 89,6
kN/cm² (130 ksi) liefern, während sie eine Leitfähigkeit über 35%
IACS behalten. Für Verbinder- oder Leiterrahmen-Anwendungen, die
eine hohe Festigkeit und eine gute Biegungsformbarkeit erfordern,
können die Legierungen behandelt werden, daß sie eine Zugfestigkeit
über 79,2 kN/cm² (115 ksi) mit einer elektrischen Leitfähigkeit von
näherungsweise 40% IACS oder mehr liefern. Schließlich können die
Legierungen für Leiterrahmen- und andere Anwendungen, die eine noch
bessere Biegungsformbarkeit erfordern, dergestalt behandelt werden, daß
sie eine Zugfestigkeit über 68,9 kN/cm² (100 ksi) und eine elektrische
Leitfähigkeit über 45% IACS liefern.
-
Es ist also offensichtlich, daß gemäß dieser Erfindung eine Legierung,
die in gegebene Zusammensetzungsbereiche fällt, zur Erfüllung einer
Reihe mechanischer Eigenschaften einzigartig behandelt werden kann,
daß sie auf eine Anzahl unterschiedlicher Anwendungen zugeschnitten
werden kann. Die Zugfestigkeit der Legierung kann bei einer gewissen
Verschlechterung der Biegeeigenschaft und der elektrischen
Leitfähigkeitseigenschaft betont werden. Alternativ können die
Biegeeigenschaften betont werden, während eine gute Leitfähigkeit bei
einem gewissen Verlust an Zugfestigkeit geliefert wird.
-
Für Verbinder oder andere Anwendungen können die Legierungen so
behandelt werden, daß sie hervorragende
Spannungsrelaxationswiderstands-Eigenschaften liefern.
-
Die Vielzwecklegierungen auf Kupferbasis, die für das Verfahren dieser
Erfindung geeignet sind, weisen Legierungen in den folgenden kritischen
Zusammensetzungsbereichen auf. Nämlich Legierungen auf Kupferbasis,
die 2 bis 4,8 Gew.-% Nickel, 0,2 bis 1,4 Gew.-% Silizium, 0,05 bis
0,45 Gew.-% Magnesium und Rest Kupfer, abgesehen von
Verunreinigungen, enthalten.
-
Bevorzugt besteht die Legierung auf Kupferbasis aus 2,4 bis 4,0 Gew.-
% Nickel, 0,3 bis 1,1 Gew.-% Silizium, 0,05 bis 0,3 Gew.-%
Magnesium und Rest Kupfer, abgesehen von Verunreinigungen.
Besonders bevorzugt beträgt Magnesium 0,1 bis 0,2 Gew.-%.
-
Bevorzugt liegt das Verhältnis von Nickel zu Silizium in der Legierung
im Bereich von 3,5 : 1 bis 4,5 : 1, und besonders bevorzugt liegt das
Verhältnis von Nickel zu Silizium im Bereich von 3,8 : 1 bis 4,3 : 1.
-
Für Leiterrahmen-Anwendungen sind die Legierungen bevorzugt in
einem überalterten Zustand. Für Verbinder-Anwendungen sind die
Legierungen bevorzugt in einem stabilisiertem Zustand.
-
In den Legierungen können Verunreinigungen, die ihre Eigenschaften
nicht wesentlich ungünstig beeinflussen, vorhanden sein.
-
Silizid bildende Elemente wie Chrom, Kobalt, Eisen, Titan, Zirconium,
Hafnium, Niob, Tantal, Mischmetall (Lanthaniden) und Gemische davon
können in einer zur Bildung eines Silizids wirksamen Menge bis zu 1
Gew.-% anwesend sein. Wenn solche Elemente anwesend sind, sollten
sie einen vergleichbaren Anteil des Nickelgehalts ersetzen. Bevorzugt
sollte Chrom auf eine Menge, die 0,1 Gew.-% nicht überschreitet,
beschränkt sein.
-
Die für das Verfahren dieser Erfindung geeigneten Legierungen können
auch ein oder mehrere deoxidierende oder entschwefelnde Elemente, die
ausgewählt sind aus Lithium, Calcium, Mangan, Mischmetall und
Gemischen davon, in einer zum Deoxidieren oder Entschwefeln
wirksamen Menge bis zu 0,25 Gew.-% enthalten.
-
Die Untergrenzen für Nickel und Silizium in der für das Verfahren
dieser Erfindung geeigneten Legierung sind zum Erzielen der
gewünschten Festigkeit der Legierung erforderlich. Wenn mehr Nickel
oder Silizium als die angegebenen Mengen vorhanden ist, wird es
schwierig, sie in der Legierung zu lösen. Der Bereich von Magnesium
ist entscheidend für die Warmverformbarkeit der Legierung und für ihre
Kaltwalzbarkeit.
-
Was Fig. 1 betrifft, ist eine grafische Darstellung gezeigt, die den
Magnesiumgehalt der Legierung in Beziehung bringt zur
Warmverformungs- oder Warmwalz-Temperatur. Der Bereich unterhalb
und links von der gestrichelten Linie AB ist für
Warmverformungszwecke akzeptabel. Der Bereich oberhalb und rechts
der Linie AB ist wegen des Reißens der Ingots während der
Warmverformung nicht akzeptabel. Aus einer Betrachtung der Fig. 1 ist
offenkundig, daß es für die für das Verfahren dieser Erfindung
geeigneten Legierungen eine Warmverformungstemperatur-
Empfindlichkeit gibt, wenn der Magnesiumgehalkt 0,45 Gew.-%
überschreitet. Innerhalb der Grenzen dieser Erfindung, unterhalb 0,45
Gew.-% Magnesium, ist die Legierung unempimdlich gegen die
Warmverformungstemperatur und über einen breiten Bereich von
Warmverformungstemperaturen leicht warmverformbar.
-
Diese Empfänglichkeit für Rißbildung bei erhöhten
Warmverformungstemperaturen wurde von Hensel und Larson in dem
US-Patent Nr. 2 157 934 in keiner Weise vorhergesehen. Der in dem
Patent von Hensel und Larsen dargelegte Magnesiumbereich geht hinauf
bis zu 3 Gew.-%. Eine Betrachtung der Fig. 1 veranschaulicht deutlich,
daß nur ein kleiner Teil dieses Bereichs verwendet werden kann, um die
Legierung unter dem Gesichtspunkt des Brüchigwerdens oder der
Rißbildung unempfindlich gegen die Warmverformungstemperatur zu
machen und sie daher leicht warmverformbar zu machen.
-
Die Untergrenze von Magnesium ist wichtig zu Erzielung der
gewünschten mechanischen Eigenschaften der für das Verfahren dieser
Erfindung geeigneten Legierungen, insbesondere zur Erzielung des
verbesserten Spannungsrelaxationswiderstands dieser Legierungen. Es
wird auch angenommen, daß Magnesium die Reinigbarkeit der
Legierungen verbessert.
-
Der Magnesiumgehalt sollte auch innerhalb der hierin beschriebenen
Grenzen kontrolliert werden, um das Auftreten von Kantenrißbildung
während der Kaltverformung zu verringern. Die Auswirkung des
Magnesiumgehalts auf die Kantenrißbildung während der
Kaltverformung von nach verschiedenen Verfahren behandelten
Legierungen und für eine Reihe von Magnesiumgehalten ist in Tabelle I
dargelegt.
TABELLE I AUSMASS (INCH) DER RISSBILDUNG AN KANTEN WÄHREND DES KALTVERFORMENS
VON Cu-3,6 Ni-0,9Si-Mg LEGIERUNGEN ALS FUNKTION DES
MAGNESIUM-GEHALTS
-
CR = Kaltverformen (Cold Roll)
-
HR = Warmverformung (Hot Roll)
-
WQ = Abschrecken mit Wasser (Water Quench)
-
* Kaltverformt ausgehend von
14 mm
-
** Kantentrimmen ausgeführt durch Scheren bei 2,5 mm; d. h. "/" trennt Verhalten vor und nach dem Scheren
-
Aus einer Betrachtung der Tabelle I ist offensichtlich, daß das Halten
des Magnesiumgehalts in dem angegebenen Bereich und insbesondere
innerhalb der bevorzugten Grenzen eine deutlich verbesserte
Verringerung der Rißbildung an den Kanten während der
Kaltverformung, insbesondere nach Kantentrimmen, liefert.
-
In Tabelle I geben die vor der Schrägstrich-Markierung unter jedem
Magnesiumgehalt gezeigten Ergebnisse das Ausmaß der Rissigkeit bei
einer speziellen Streifendicke an, wobei die Ausgangsdicke 14 mm
(0,55") ist. Die nach der Schrägstrich-Markierung gezeigten Ergebnisse
sind das Ausmaß irgendwelcher Rissigkeit beim Endmaß, wie es in der
Behandlungs-Spalte angegeben ist.
-
Die Legierungen werden unterschiedlich behandelt, abhängig von den
mechanischen Eigenschaften, die erwünscht sind, welche wiederum von
der Endanwendung, für welche die Legierungen verwendet werden,
bestimmt werden. Verbinder-Legierungen erfordern normalerweise eine
hohe Festigkeit für Elastizitätseigenschaften und einen guten
Spannungsrelaxationswiderstand, während sie eine ausreichende
elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit und Formbarkeit
beibehalten. Für jene Verbinder-Anwendungen, die ebenfalls
hervorragende Formbarkeitseigenschaften erfordern, kann die
Behandlung mit mäßiger Auswirkung auf die Festigkeitseigenschaften
angepaßt werden. Schließlich kann die Behandlung für Leiterrahmen-
Anwendungen, wo hohe Biegungsformbarkeit und elektrische
Leitfähigkeit erforderlich sind, mit einer gewissen Einbuße der
Festigkeitseigenschaften weiter angepaßt werden. Die
Spannungsrelaxations-Eigenschaften der Legierung, die für
Anwendungen vom Verbinder-Typ wichtig sind, werden durch die
Behandlung der Legierung sehr stark beeinflußt, und insbesondere wurde
überraschend gefunden, daß die Verwendung eines
Stabilisierungsglühens die Spannungsrelaxations-Eigenschaften dieser
Legierungen sehr günstig beeinflußt.
-
Die Legierungen können in irgendeiner gewünschten Weise durch
konventionelle Mittel, wie beispielsweise direkten Hartguß, gegossen
werden. Die Gußtemperatur beträgt bevorzugt mindestens 1.100 bis
1.250ºC. Wenn die Legierung als ein Block oder Ingot gegossen wird,
was der bevorzugte Weg ist, wird sie dann bei einer Temperatur von
850 bis 980ºC eine halbe bis vier Stunden lang homogenisiert oder
durchwärmt, gefolgt von Warmverformen wie Warmwalzen in einer
Mehrzahl von Durchgängen auf ein gewünschtes Maß, im allgemeinen
weniger als 19 mm (3/4") und, bevorzugt, 13 mm (1/2") oder weniger.
Nach dem Warmverformen werden die Legierungen bevorzugt schnell
gekühlt, wie mittels Abschrecken mit Wasser. Bevorzugt ist das
Warmverformen geeignet, die legierenden Elemente zu lösen.
-
Direkter oder unmittelbarer Hartguß gefolgt von Warmverformen ist
zwar ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung, aber es ist möglich,
die Legierung in Form eines Bandes mit einer Dicke von 25 mm (1")
oder weniger zu gießen. Wenn die Legierungen in Bandform gegossen
werden, ist es offensichtlich nicht notwendig, sie warm zu verformen.
Das Warmverformungsverfahren, insbesondere wenn es von einem
Abschrecken durch Wasser gefolgt wird, sollte geeignet sein, die
legierenden Elemente zu lösen und dadurch die Notwendigkeit eines
Lösungsglühens beseitigen. Wenn es gewünscht wird, und insbesondere
wenn die Legierung bandgegossen wird, können die Legierungen jedoch
fakultativ für eine Dauer von 30 Sekunden bis 8 Stunden, und bevorzugt
von 1 Minute bis 4 Stunden bei einer Temperatur von 750 bis 950ºC
lösungsgeglüht werden, gefolgt von schnellem Abkühlen, was bevorzugt
ein Abschrecken mit Wasser ist.
-
Nach dem Warmverformen oder Streifengießen werden die Legierungen
bevorzugt zur Entfernung von Oxiden und Schuppen oder Belägen vor
der weiteren Behandlung abgeschliffen.
-
Wenn gewünscht, können die Legierungen fakultativ für eine Dauer von
1 bis 8 Stunden bei einer Temperatur von 550 bis 700ºC
homogenisierungsgeglüht werden. Das Homogenisierungsglühen kann
nach dem Warmverformen oder nach einem anfänglichen Kaltverformen
wie Kaltwalzen bis zu 80% Dickenverringerung, und bevorzugt 50 bis
70% Verringerung, durchgeführt werden. Wenn die Legierung
homogenisierungsgeglüht wird, ist es notwendig, danach ein
Lösungsglühen des Bands vorzunehmen. Daher werden die Legierungen
bevorzugt als Teil der Homogenisierungsglühbehandlung bei einer
Temperatur von 750 bis 950ºC für eine Dauer von 30 Sekunden bis 8
Stunden, und bevorzugt von 1 Minute bis 4 Stunden, lösungsgeglüht.
Direkt nach dem Glühen werden die Legierungen rasch abgekühlt,
bevorzugt durch Abschrecken mit Wasser. Das bevorzugte Verfahren
zum Lösungsglühen ist Bandglühen wegen der Einfachheit des
Abschreckens mit Wasser.
-
Nach dem Warmverformen oder dem Homogenisierungsglühen, je
nachdem, wird die Legierung einer oder mehreren Folgen von
Kaltverformung und Alterung unterzogen. Kaltverformung wird
bevorzugt durch Kaltwalzen ausgeführt. Die erste Folge des Kaltwalzens
umfaßt bevorzugt eine mindestens 30%ige Dickenverringerung, und
besonders bevorzugt eine mindestens 50 %ige Verringerung.
VERFAHRENSALTERNATIVE 1
(nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung)
Behandlung für hohe Festigkeit
-
Nach der ersten Kaltverformung-Sequenz wird die Legierung bei einer
Temperatur von 350 bis 500ºC und, bevorzugt, von 425 bis 480ºC,
gealtert. Wenn weitere Sequenzen von Kaltverformung und Alterung
gewünscht werden, sollte das Kaltverformen mindestens eine 10%ige
Dickenverringerung, und bevorzugt mindestens eine 30%ige
Dickenverringerung, aufweisen, und dem sollte ein Alterungsglühen bei
einer niedrigeren Temperatur als bei dem vorhergehenden
Alterungsglühen folgen, wobei die Glühtemperatur in dem Bereich von
350 bis 490ºC sein sollte.
-
Die Alterungsglühbehandlungen sollten eine Dauer von 1/2 bis 8
Stunden auf Temperatur, und bevorzugt eine Dauer von 2 bis 4 Stunden,
haben.
-
Nach den jeweiligen Sequenzen von Kaltverformung und Alterung wird
die Legierung schließlich kaltverformt, indem sie gewalzt wird, um für
eine Verformung von 10 bis 90% Dickenverringerung, und bevorzugt
30 bis 60% Dickenverringerung, zu sorgen.
-
Die Spannungsrelaxationswiderstands-Eigenschaften der Legierungen
dieser Erfindung werden durch die Verwendung eines fakultativen
Stabilisierungsglühens bei einer Temperatur von 200 bis 345ºC, und
bevorzugt von 225 bis 330ºC, für eine Dauer von 1/2 bis 8 Stunden,
und bevorzugt von 1 bis 2 Stunden, merklich verbessert.
VERFAHRENSALTERNATIVE 2
BEHANDLUNG FÜR BESTE BIEGUNGSFORMBARKEIT
-
Nach dem Warmverformen oder der Homogenisierungsglühbehandlung
werden die Legierungen einer ersten Kaltverformungs-Sequenz,
bevorzugt durch Kaltwalzen um mindestens 30%, und bevorzugt
mindestens 50%, Dickenverringerung, unterzogen. Die Legierungen
werden dann erneut gelöst durch Glühen bei einer Temperatur von 750
bis 950ºC, und bevorzugt von 800 bis 850ºC, für eine Dauer von 30
Sekunden bis 8 Stunden, und bevorzugt von 1 Minute bis 1 Stunde,
gefolgt von schnellem Abkühlen, bevorzugt durch Abschrecken mit
Wasser. Dieses Glühen wird bevorzugt als ein Bandglühen ausgeführt.
-
Gewünschtenfalls kann diese erste Sequenz von Kaltverformen und
Glühen als eine zweite Sequenz wiederholt werden, um ein gewünschtes
Endmaß zu erreichen.
-
Danach werden die Legierungen kaltverformt durch Walzen um
mindestens 10% und bevorzugt mindestens 30%, Dickenverringerung,
gefolgt von Überaltern. Die Legierungen werden dann einer
Überalterungsbehandlung unterzogen, die bevorzugt ein Glühen der
Legierung bei einer Temperatur von 500 bis 700ºC, und bevorzugt von
510 bis 575ºC, für eine Dauer von 1/2 Stunde bis 8 Stunden, und
bevorzugt für eine Dauer von 1 Stunde bis 4 Stunden, aufweist. Danach
werden die Legierungen im allgemeinen abschließend durch Kaltwalzen
um 10 bis 90%, und bevorzugt um 30 bis 60%, Dickenverringerung
kaltverformt.
-
Diese Verfahrensalternative ist zwar besonders geeignet, Legierungen für
Leiterrahmen-Anwendungen bereitzustellen, aber sie kann für Verbinder-
Legierungen verwendet werden, in welchem Fall bevorzugt die
vorstehend beschriebene fakultative Stabilisierungsbehandlung ausgeführt
wird.
-
Es wird davon ausgegangen, daß diese zweite Verfahrensalternative in
breitem Umfang auf Kupferlegierungen, die aus 0,05 bis 5,0 Gew.-%
Nickel, 0,01 bis 2,0 Gew.-% Silizium, bis zu 1 Gew.-% Magnesium
und Rest Kupfer, bestehen. Verunreinigungen, welche die Eigenschaften
der Legierung nicht wesentlich ungünstig beeinflussen, können anwesend
sein. Das Verfahren wird bevorzugt auf Legierungen angewendet, die
dazu geeignet sind, gemäß dieser Erfindung behandelt zu werden.
VERFAHRENS-ALTERNATIVE 3
(nicht Gegenstand der Erfindung)
Behandlung für Festigkeits- und Biegeeigenschaften
Zwischen-Alternativen 1 und 2
-
Dieses Verfahren liefert Kupferlegierungen zur Verwendung alternativ
als Leiterrahmen- oder Verbinder-Materialien mit relativ hoher
Festigkeit, mäßiger Leitfähigkeit und etwas schlechteren
Biegeeigenschaften als Alternative 2. Das Verfahren ist im wesentlichen
das gleiche wie das unter Bezugnahme auf Alternative 2 beschriebene
mit der Ausnahme, daß ein Alterungsglühen durch das
Überalterungsglühen ersetzt wird. Gemäß diesem Verfahren wird das
abschließende Alterungsglühen vor dem abschließenden Verformen bei
einer Temperatur von 350 bis weniger als 500ºC, und bevorzugt von
425 bis 480ºC, für eine Dauer von 1/2 bis 8 Stunden, und bevorzugt
von 1 bis 4 Stunden, durchgeführt. Die Legierung wird dann
abschließend um 10 bis 90%, und bevorzugt um 30 bis 60%,
kaltverformt. Wenn die Legierung für Verbinder-Anwendungen gedacht
ist, wird sie bevorzugt gemäß dem vorgenannten
Stabilisierungsverfahren, das unter Verfahrens-Alternative 1 dargelegt
ist, stabilisierungsgeglüht.
-
Das fakultative Stabilisierungsglühen gemäß dieser Erfindung kann, je
nach Wunsch, nach der abschließenden Verformung oder nach der
Herstellung des fertigen Teils, durchgeführt werden. Wegen der
Bequemlichkeit der Herstellung wird es am einfachsten nach der
abschließenden Verformung durchgeführt. Man glaubt jedoch, daß die
besten Spannungsrelaxations-Ergebnisse erhalten werden, wenn die
Stabilisierungsbehandlung nach der endgültigen Formgebung
durchgeführt wird, da die Formung der Legierung, nachdem sie
stabilisierungsgeglüht wurde, die Spannungsrelaxations-Eigenschaften zu
einem gewissen Grad verringern kann.
-
Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in der eine grafische Darstellung
gezeigt ist, welche die Beziehung zwischen Alterungstemperatur und
Härte, Biegungsformbarkeit und elektrischer Leitfähigkeit der
Legierungen, die zur Behandlung gemäß dem Verfahren dieser
Erfindung geeignet sind, bei verschiedenen Alterungszeiten
veranschaulicht.
-
In Fig. 2 stellt die durchgehende Kurve C die Härte einer 2 Stunden
lang bei den jeweiligen Alterungstemperaturen gealterten Cu-4,0% Ni-
0,98% Si-0,18% Mg-Legierung dar. Die durchgehende Kurve D zeigt
die elektrische Leitfähigkeit jener Legierungen über den Bereich von
Alterungstemperaturen. Die gestrichelte Kurve E zeigt den Einfluß des
vierstündigen Alterns solcher Legierungen auf die Härte, und die
gestrichelte Kurve F zeigt den Einfluß des vierstündigen Alterns der
Legierungen auf die elektrische Leitfähigkeit. Die Kurven G und H
zeigen jeweils für die 4 Stunden lang gealterten Legierungen die
Biegeeigenschaften bei Biegung in günstiger Weise und in ungünstiger
Weise. Die Ergebnisse, die in Fig. 2 dargestellt sind, sind für die
Legierungen im gealterten Zustand.
-
Aus einer Betrachtung von Fig. 2 ist offensichtlich, daß eine
Alterungstemperatur von 450ºC eine Spitzen-Alterungsantwort oder -
reaktion liefert; wohingegen Temperaturen, die 480ºC überschreiten,
und bevorzugt 500ºC überschreiten, einen überalterten Zustand liefern.
Es ist signifikant und überraschend, daß es möglich ist, die Legierung
zu überaltern, während ein relativ hohes Festigkeitsniveau beibehalten
wird. Aus einer Betrachtung der Fig. 2 ist auch offensichtlich, daß die
Biegeeigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit durch Überaltern im
Vergleich zur Alterung im Hinblick auf eine Spitzen-Härtungsreaktion
merklich verbessert werden.
-
Eine Betrachtung der Fig. 2 zeigt, daß die Verfahrens-Alternative 1 ein
im wesentlichen spitzengealtertes Produkt ergibt; wohingegen die
Verfahrens-Alternative 2 ein überaltertes Produkt ergibt. Die
Verfahrensalternative 3 liegt irgendwo zwischen jenen beiden.
-
In Fig. 2 sind die Biegeeigenschaften angegeben als minimaler
Biegungsradius geteilt durch die Dicke des Bandes. Der
Biegungsformbarkeits-Test mißt den Minimalradius, den ein Band ohne
zu reißen um 90º gebogen werden kann. Die Biegeeigenschaften bei
Biegung in günstiger Weise oder in Längsrichtung werden mit der
Biegungsachse senkrecht zur Wälzrichtung gemessen. Die
Biegeeigenschaften bei Biegung in ungünstiger Weise oder Querrichtung
werden mit der Biegungsachse parallel zur Walzrichtung gemessen. Der
minimale Biegungsradius (Minimum bend radius (MBR)) ist der kleinste
Formradius, um den das Band um 90º gebogen werden kann ohne zu
reißen oder zu brechen, und "t" ist die Dicke des Bandes.
-
In Fig. 2 ist die Kurve G für Biegungen in günstiger Weise oder in
Längsrichtung; die Kurve H dagegen ist für Biegungen in ungünstiger
Weise oder in Querrichtung.
-
Während die Diskussion bisher im Hinblick auf die elektrische
Leitfähigkeit stattgefunden hat, sollte es offenkundig sein, daß die
elektrischen Anwendungen, für die die hierin beschriebenen Legierungen
gedacht sind, auch einer guten thermischen Leitfähigkeit bedürfen, die
mit der elektrischen Leitfähigkeit der Legierung physikalisch in
Beziehung steht.
-
Die Legierung kann fakultativ nach Wunsch, etwa nach dem Glühen,
mittels konventioneller Ätzlösungen gereinigt werden.
-
Die vorliegende Erfindung wird aus einer Betrachtung der folgenden
veranschaulichenden Beispiele leichter verständlich werden.
BEISPIEL I
-
Eine Legierung mit einer Zusammensetzung von 3,03% Nickel, 0,71%
Silizium, 0,17% Magnesium und Rest Kupfer wurde ausgehend von
einer Schmelztemperatur von etwa 1.100ºC durch direkten Hartguß
eines Ingots mit 15 cm (6") · 76 cm (30") Querschnitt hergestellt. Aus
dem Ingot geschnittene Proben von 5 cm (2") · 5 cm (2") · 10 cm (4")
wurden 2 Stunden lang bei 875ºC durchwärmt und in sechs Schritten
auf eine Dicke von 14 mm (0,55") warmverformt. Dann wurden die
Legierungen auf ein Maß von 11 mm (0,45") geschliffen. Danach
wurden die Ingots auf 2,5 mm (0,10") kaltverformt und durch
zweistündiges Glühen bei 475ºC gealtert. Danach wurden die
Legierungen auf 1,3 mm (0,050") kaltverformt und wiederum 2 Stunden
lang bei 400ºC gealtert. Dann wurden die Legierungen auf 0,8 mm
(0,030") kaltverformt und 1 Stunde bei 300ºC stabilisierungsgeglüht.
Die mechanischen Eigenschaften der Legierungen wurden nach dem
abschließenden Kaltverformen und nach dem Stabilisierungsglühen
gemessen. Die Eigenschaften, die gemessen wurden, sind in Tabelle II
dargelegt.
TABELLE II EIGENSCHAFTEN VON Cu-3,03Ni-0,71Si-0,17 Mg BEI EINEM MASS VON 0,8 mm
-
* Anfangsspannung bei 80% der Dehngrenze. Werte von 1.000h extrapoliert auf 100.000h.
Getestet bei 105ºC.
-
YS = Dehngrenze (yield strength)
-
UTS = Zugfestigkeit (Ultimate tensile strength)
-
MBR = Minimaler Biegungsradius (Minimum bend radius)
-
GW = Günstige Weise (good way)
-
BW = Ungünstige Weise (bad way)
-
Aus der Betrachtung der Tabelle II ist es offensichtlich, daß, wenn die
hierin beschriebenen Legierungen gemäß der Verfahrens-Alternative 1
(nicht Gegenstand der Erfindung) behandelt werden, sehr hohe
Zugfestigkeiten bei mäßiger elektrischer Leitfähigkeit erhalten werden.
Es gibt jedoch eine merkliche Einbuße bei den Biegungsformbarkeit-
Eigenschaften. Die Spannungsrelaxations-Eigenschaften der Legierungen
werden durch das Stabilisierungsglühen merklich verbessert, wie es
durch den Vergleich von 88, 8% nach Stabilisierung verbleibender
Spannung gegenüber 64,1% für eine unstabilisierte Legierung
verbleibender Spannung gezeigt wird. Die hervorragenden Festigkeits-
und Leitfähigkeits-Eigenschaften dieser Legierung, verbunden mit dem
beträchtlichen Spannungsrelaxationswiderstand im stabilisierten Zustand,
machen sie hochgradig brauchbar bei Verbinder-Anwendungen wie
Vorrichtungen vom Flachfeder-Typ. Dementsprechend ist die
Verfahrens-Alternative 1 klar dazu geeignet, Legierungen mit sehr hoher
Festigkeit bei mäßiger Leitfähigkeit mit hervorragendem
Spannungsrelaxationswiderstand im stabilisierten Zustand bereitzustellen.
BEISPIEL II
-
Eine Reihe von Legierungen mit den in Tabelle III dargelegten
Zusammensetzungen wurde hergestellt. Die Legierungen wurden
behandelt, wie es in Tabelle III angegeben ist.
TABELLE III SPANNUNGSRELAXATIONS-WERTE BEI 105ºC ALS FUNKTION DES
MAGNESIUM-GEHALTS
-
CR = Kaltverformen (cold rolled)
-
YS = Dehngrenze (yield strength)
-
Die in Tabelle III dargelegten Legierungen haben veränderliche
Magnesium-Gehalte. Der Spannungsrelaxationswiderstand der
Legierungen wurde nach abschließendem Kaltverformen und nach
weiterem Stabilisierungsglühen gemessen. Die in Tabelle III
angegebenen Werte stellen klar die vorteilhafte Wirkung von Magnesium
auf den Spannungsrelaxationswiderstand dieser Legierungen über einen
breiten Bereich des Magnesiumgehalts fest. Die Werte stellen außerdem
die klar signifikante Verbesserung des Spannungsrelaxationswiderstands
fest, die durch Stabilsierungsglühen der Legierungen erhalten wird.
Daher ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, für
Verbinder- oder andere Anwendungen, wo
Spannungsrelaxationswiderstand erwünscht ist, die Legierungen im
stabilisierten Zustand zu verwenden.
BEISPIEL III
-
Proben aus Beispiel I wurden nach dem Warmverformen den folgenden
Behandlungs-Sequenzen unterzogen. Nach dem Warmverformen wurden
die Legierungen kaltverformt auf 3, 8 mm (0,15"). Dann erhielten die
Legierungen eine Homogenisierungsbehandlung einschließlich 6 Stunden
langem Glühen bei 600ºC; Kaltverformen auf 2,5 mm (0,10"), 4 1/2
Minuten langes Glühen bei 830ºC, gefolgt von Abschrecken durch
Wasser. Nach der Homogenisierungsbehandlung wurden die Legierungen
auf 0,76 mm (0,030") kaltverformt und dann für 4 1/2 Minuten bei
830ºC geglüht, gefolgt von Abschrecken durch Wasser, und dann auf
0,38 mm (0,015") kaltverformt. Ein Teil der auf 0, 38 mm (0,015")
kaltverformten Legierungen erhielt 4 Stunden lang ein
Überalterungsglühen bei 525ºC, gefolgt von Kaltverformen auf 0,25 mm
(0,010"). Diese Behandlung entspricht Verfahrens-Alternative 2. Dann
erhielt ein weiterer Teil dieser Legierungen ein 2 Stunden langes
Alterungsglühen bei 475ºC, gefolgt von Kaltverformen auf 0,25 mm
(0,010"). Diese Legierungen wurden gemäß der Verfahrens-Alternative
3 behandelt. Die Eigenschaften der Legierungen bei einem Maß von
0,25 mm (0,010") sind in Tabelle IV dargelegt.
TABELLE IV EIGENSCHAFTEN VON Cu-3,03Ni-0,71Si-0,17 Mg BEI EINEM MASS VON 0,25 mm
-
YS = Dehngrenze (yield strength)
-
UTS = Zugfestigkeit (Ultimate tensile strehgth)
-
GW = Günstige Weise (good way)
-
BW = Ungünstige Weise (bad way)
-
Wie in Tabelle IV gezeigt ist, liefert die Verfahrens-Alternative 2 die
höchste elektrische Leitfähigkeit, während eine hervorragende
Zugfestigkeit über 68,9 kN/cm² (100 ksi) beibehalten wird und während
hervorragende Biegungsformbarkeits-Eigenschaften geschaffen werden.
Dieses Verfahren ist besonders geeignet zur Herstellung von Materialien
mit Anwendung als Leiterrahmen, wo hervorragende
Biegungsformbarkeit- sowie Festigkeits- und Leitfähigkeits-Eigenschaften
erwünscht sind. Man geht zwar davon aus, daß die nach Verfahrens-
Alternative 2 behandelten Legierungen ihre Hauptanwendung als
Leiterrahmen finden werden, aber sie könnten auch für Verbinder oder
andere Anwendungen, welche die hervorragenden
Biegungsformbarkeitseigenschaften erfordern, verwendet werden. Für
Verbinder-Anwendungen werden die Legierungen bevorzugt
stabilisierungsgeglüht, um einen verbesserten
Spannungsrelaxationswiderstand zu liefern. Die Ergebnisse der
Verfahrens-Alternative 3, verglichen mit den Ergebnissen der
Verfahrens-Alternative 2 und den vorher in Tabelle II dargelegten
Ergebnissen, fallen zwischen die Eigenschaften der anderen Verfahren.
Verfahrens-Alternative 3 liefert sehr gute Festigkeitseigenschaften über
82,7 kN/cm² (120ksi) Zugfestigkeit und eine gute Leitfähigkeit über 40
% IACS bei einem Nachteil bei Biegungen auf ungünstige Weise.
BEISPIEL IV
-
Eine Reihe von Legierungen mit den in Tabelle V dargelegten
Zusammensetzungen wurden wie folgt hergestellt: Die Legierungen wurden bei
einer Temperatur von etwa 1.225ºC geschmolzen. Jede Schmelze wurde
in eine Stahlform, die auf einer wassergekühlten Kupferplatte ruhte,
gegossen. Die sich ergebenden hartgegossenen Ingots von 5 cm · 5 cm
· 10 cm (2" · 2" · 4") wurden 2 Stunden lang bei 900ºC durchwärmt
und ab dieser Temperatur in 6 Schritten auf eine Dicke von 14 mm
(0,55") warmverformt. Die Legierungen wurden dann wie folgt
behandelt. Sie wurden auf ein Maß von 10 mm (0,40") geschliffen und
dann auf ein Maß von 4,6 mm (0,18") kaltverformt. Ein Teil der
Legierungen wurde 4 Stunden lang bei 500ºC geglüht, gefolgt von
Kaltverformen auf ein Maß von 2,0 mm (0,080"), und dann 2 Stunden
lang bei 425ºC geglüht, gefolgt von Kaltverformen um 75% auf ein
Maß von 0,5 mm (0,020"). Die mechanischen und elektrischen
Eigenschaften der Legierungen wurden dann gemessen und sind in
Tabelle V dargelegt.
TABELLE V EIGENSCHAFTEN BEI EINEM MASS VON 0,5 mm
-
Tabelle V veranschaulicht klar die merkliche Verbesserung der
Festigkeit, die ohne einen unannehmbaren Verlust von elektrischer
Leitfähigkeit mit den Legierungen, die wie vorstehend dargelegt
behandelt wurden, erreichbar ist. Die Werte in Tabelle V zeigen auch,
daß die Legierungen andere Elemente wie Chrom und Mangan innerhalb
spezieller Bereiche enthalten können, ohne die Festigkeitseigenschaften
zu opfern.
BEISPIEL V
-
Ein Teil der Legierungen des vorherigen Beispiels mit einem Maß von
4,6 mm (0,18") wurde 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 475ºC
geglüht, dann auf ein Maß von 2,0 mm (0,080") kaltverformt und 2
Stunden lang bei 400ºC geglüht, gefolgt von Kaltverformen um 75%
auf ein Maß von 0,5 mm (0,020"). Die mechanischen und elektrischen
Eigenschaften der Legierungen wurden gemessen und sind in Tabelle VI
aufgeführt.
TABELLE VI EIGENSCHAFTEN BEI EINEM MASS VON 0,5 mm
-
Eine Betrachtung der Tabelle VI zeigt, daß die Legierungen in der Lage
sind, herausragende Zugfestigkeits-Niveaus unter Beibehaltung einer
mäßigen elektrischen Leitfähigkeit zu erreichen. Tabelle VI zeigt
außerdem, daß kleinere Zusätze von Chrom und/oder Mangan für die
Zugfestigkeits-Eigenschaften der Legierung vorteilhaft sind, während sie
die elektrische Leitfähigkeit in einem gewissen Ausmaß verringern.
-
In dem vorliegenden Patent bedeutet "Dehngrenze" bei einer Staffelung
von 0,2% gemessene Dehngrenze. "UTS" bedeutet Zugfestigkeit
(ultimate tensile strength"). "Dehnung" gemäß dieser Erfindung wird bei
einer Eichlänge von 5,1 cm (2") gemessen. Der Begriff "ksi" ist eine
Abkürzung für tausend Pound pro Quadratinch. Alle Zusammensetzungs-
Prozentsätze sind in Gewichtsprozent. Alle Glühzeiten sind Zeiten bei
der Temperatur und schließen nicht die Ofenzeit für die Erreichung der
Temperatur und das Abkühlen mit ein. Für Lösungsglühen oder erneutes
Lösen der Legierung ist gemäß dieser Erfindung Bandglühen bevorzugt.
Glühvorgänge, die in einer Dauer von weniger als 10 Minuten
durchgeführt werden können, werden bevorzugt durch Band-Glühtechniken
durchgeführt. Glühvorgänge über einer solchen Dauer werden bevorzugt
durch Glockglühen durchgeführt.
-
Die Handelsbezeichnungen der Kupferlegierungen, die in dieser
Anmeldung dargelegt sind, umfassen Standardbezeichnungen der Copper
Development Association Incorporated, 405 Lexington Avenue, New
York, New York 10017.
-
Es ist offenkundig, daß gemäß dieser Erfindung eine Behandlung von
Vielzweck-Kupferlegierungen mit mäßiger Leitfähigkeit und hoher
Festigkeit, welche die vorstehend dargelegten Aufgaben, Mittel und
Vorteile voll befriedigen, bereitgestellt wurde.