PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60120697T2 16.11.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001290234
Titel KUPFERLEGIERUNG MIT ZINK, ZINN UND EISEN ZUR ELEKTRISCHEN VERBINDUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DER LEGIERUNG
Anmelder Outokumpu Copper Products Oy, Espoo, FI
Erfinder KAMF, Claes, Anders, East Amhers, NY 14051, US;
FINNEY, Parker, M., Lockport, NY 14094, US
Vertreter Zipse & Habersack, 80639 München
DE-Aktenzeichen 60120697
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.05.2001
EP-Aktenzeichen 019317643
WO-Anmeldetag 07.05.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/FI01/00432
WO-Veröffentlichungsnummer 2001086012
WO-Veröffentlichungsdatum 15.11.2001
EP-Offenlegungsdatum 12.03.2003
EP date of grant 14.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2006
IPC-Hauptklasse C22C 9/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C22C 9/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01B 1/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen auf Kupfer basierende Legierungen zur Verwendung in elektrischen Anwendungen, sowie ein Verfahren zur Herstellung der auf Kupfer basierenden Legierungen.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Elektronische Bauteile, einschließlich Anschlusskontakte, bilden die Grundlage der Informationstechnologie, insbesondere bei Computern. Eine der wichtigsten Betrachtungen bei jedem Anschlusskontakt ist eine Optimierung der Ausführungsform bei geringsten Kosten. Mit dem fortwährenden Preisverfall von Computern besteht in der Computerindustrie u.a. ein Bedarf an alternativen Materialien zu solchen, die gegenwärtig als elektrische Bauteile verwendet werden, und die die gewünschten Eigenschaften einer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie einer hohen Umformfestigkeit (Dehngrenze) und Zugfestigkeit aufweisen, und die preiswert sind.

Als Anschlussklemmen und auch für andere elektrische und thermische Anwendungen werden typischerweise Kupferlegierungen aufgrund ihres allgemein hervorragenden Korrosionswiderstandes, der hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, sowie der guten Lager- und Verschleißqualitäten verwendet. Kupferlegierungen sind auch aufgrund ihrer guten Kaltbearbeitungs- oder Warmbearbeitungseigenschaften und ihrer guten Formverarbeitung geeignet.

Kupfer wird primär mit anderen Metallen legiert, um die Zugfestigkeit der Legierung zu erhöhen. Allerdings sind die elektrische und thermische Leitfähigkeit, der Korrosionswiderstand, die Formgebbarkeit und die Farbe der Legierung durch das Legieren von Kupfer mit anderen Elementen stark beeinflusst. Wenn beispielsweise Legierungselemente in beträchtlichen Konzentrationen, oder wenn geringe Konzentrationen von deoxidierten Elementen vorliegen, führen diese zur Verminderung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit einer Kupferlegierung.

Der Zusatz an Beryllium zu Kupfer führt zu einer beträchtlichen Alters-Aushärtung, und er macht diese Kupferlegierungen zu einem der wenigen Nicht-Ferro-Materialien, die eine Zugfestigkeit von 1375 MPa (200 ksi) erreichen. Beryllium-Kupfer-Legierungen sind jedoch sehr teuer, in ihrer Formgebungs-Fähigkeit eingeschränkt und sie erfordern oft eine zusätzliche Wärmebehandlung nachfolgend einer Präparation, was die Kosten weiter erhöht.

Phosphor-Bronze-Kupfer-Legierungen haben hohe Festigkeiten, exzellente Formgebungs-Eigenschaften und sind in der Elektronik- und Telekommunikationsindustrie weit verbreitet. Der Zusatz großer Mengen Zinn erhöht jedoch die Kosten dieser Legierungen.

Kupfer-Legierungen mit geringen Mengen Zinn und Zink erfüllen viele gewünschte Eigenschaften. Eine Zinn-Messing-Legierung, die kommerziell als C42500 (Spezifikation nach dem ASM-Handbuch) erhältlich ist, hat eine Zusammensetzung von 87 %–90 % Kupfer, 1,5 %–3,0 % Zinn, ein Maximum von 0,05 % Eisen und ein Maximum von 0,35 % Phosphor, wobei der Rest durch Zink aufgefüllt ist. Das ASM-Handbuch gibt die mit C42500 gekennzeichnete Kupferlegierung mit einer nominalen elektrischen Leitfähigkeit von 28 % International Annealed Copper Standard (IACS) aus. Das ist der herkömmliche Weg, die Leitfähigkeit anderer Metalle und Kupferlegierungen mit hochleitfähigem Kupfer zu vergleichen, bei dem „reinem" Kupfer ein Leitfähigkeitswert von 100 % IACS bei 20°C zugesprochen wird. C42500 hat auch in Abhängigkeit der Beimischung eine Umformfestigkeit (Dehngrenze) zwischen 310 MPa (45 ksi) und 632 MPa (92 ksi). Diese Legierung wird für viele elektrische Anwendungen, wie beispielsweise elektrische Schaltfedern, Anschlussklemmen, Anschlusskontakte und Sicherungs-Clips verwendet. Ihre Umformfestigkeit ist jedoch für elektrische Anwendungen geringer als erwünscht (d.h. näherungsweise 151 MPa (22 ksi) bei 40 % Reduktion).

In dem US-Patent Nr. 5,853,505 von Brauer et al. („Brauer '505 patent") ist eine Zinn-Messing-Legierung beschrieben, die zweimalig bei einer Temperatur zwischen ca. 400°C und 600°C auf eine Korngröße von 0,002 mm geglüht wurde und zwischen 1 % (Gewicht) bis 4 % (Gewicht) Zinn enthält, von 0,8 % bis 4,0 % (Gewicht) Eisen, bis zu 0,4 % (Gewicht) an Phosphor, wobei der Rest mit Kupfer ausgeglichen ist.

Gemäß dem Brauer '505 Patent ermangelt es der Kupferlegierung an einer adäquaten Festigkeit und einem Widerstand der Belastungs-Relaxation für eine Feder-Anwendung. In dem Brauer '505 Patent ist ebenso beschrieben, dass der Zusatz von Zink zu der Legierung eine moderate Erhöhung der Festigkeit mit einer gewissen Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit erwarten ließe.

Das Beispiel 2 in dem Brauer '505 Patent beschreibt eine Kupferlegierung, die 10,4 % (Gewicht) an Zink, 1,8 % (Gewicht) Eisen, 0,04 % (Gewicht) Phosphor, zwischen 1,8 % und 4,0 % (Gewicht) Zinn enthält, wobei der Rest mit Kupfer ausgeglichen ist. Eine Ausführungsform dieser Zinn-Messing-Legierung mit der im Beispiel 2 des Brauer '505 Patents aufgezeigten Zusammensetzung ist von der Olin Corporation als C663 kommerziell erhältlich. Die C663-Legierung von der Olin Corporation ist mit Zusammensetzungen erhältlich, die 1,4 % (Gewicht) bis 2,4 % (Gewicht) Eisen, von 1,5 % (Gewicht) bis 3,0 % (Gewicht) Zinn, zwischen 84,5 % (Gewicht) bis 87,5 % (Gewicht) Kupfer, bis zu 0,35 % (Gewicht) Phosphor und im Ausgleich davon restlich Zink enthält.

Die Olin Corporation gibt an, dass das C663 in Abhängigkeit der jeweiligen Zusammensetzung eine Umformfestigkeit von 687 MPa (100 ksi) und eine Zugfestigkeit zwischen 653 MPa (95 ksi) und 756 MPa (110 ksi) für eine Feder-Zusammensetzung, eine Umformfestigkeit von 750 MPa (104 ksi) und eine Zugfestigkeit zwischen 687 MPa (100 ksi) und 783 MPa (114 ksi) für eine Extra-Feder-Zusammensetzung, und eine Umformfestigkeit von 722 MPa (105 ksi) (min) und eine Zugfestigkeit 722 MPa (105 ksi) (min) für eine Super-Feder-Zusammensetzung hat. Die Olin Corporation gibt ferner an, dass diese Legierungen nach einem Glühen eine elektrische Leitfähigkeit von 25 % IACS aufweisen. Diese Legierungen sind jedoch unerwünscht, weil ihr hoher Kupfergehalt zu hohen Kosten führt.

Die europäische Patentanmeldung Nr. 09 085 26 A1 offenbart eine Kupferlegierung mit Zink, Zinn und Eisen, die eine elektrische Leitfähigkeit von 35 % IACS erreicht. Die D1 zeigt ferner ein Verfahren zur Herstellung dieser Legierung unter Einsatz zweier Glühschritte oberhalb von 400°C auf.

Es existiert ein Bedarf an einer kostengünstigen Alternative zu bestehenden Kupferlegierungen, die weiterhin eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Umformfestigkeit haben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es sind Kupferlegierungen entdeckt worden, die höhere Zug- und Umformfestigkeiten und eine höhere elektrische Leitfähigkeit zeigen, als Kupferlegierungen im Stand der Technik, bei denen jedoch die Anteile an Kupfer in der Legierung reduziert sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben. Es wurden insbesondere Kupferlegierungen mit Zugfestigkeiten von mehr als 756 MPa (110 ksi) und weniger als 893 MPa (130 ksi), mit Umformfestigkeiten von größer als 687 MPa (100 ksi) und weniger 825 MPa (120 ksi) und einer elektrischen Leitfähigkeit größer als 25 % IACS und weniger als 35 % IACS nach einem Glühen entdeckt.

In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kupferlegierung, die aus 13 %–15 % (Gewicht) Zink, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Zinn, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Eisen und einem Rest-Ausgleich an Kupfer besteht.

Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Kupferlegierung, das nur einen Glühschritt bei einer Temperatur zwischen 400°C und 600°C umfasst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

Gießen einer Kupferlegierung, die im Wesentlichen besteht aus 13 %–15 % (Gewicht) Zink, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Zinn, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Eisen mit einem Rest-Ausgleich an Kupfer;

Heißwalzen der gegossenen Kupferlegierung bei einer Temperatur zwischen 800°C und 950°C zur Reduzierung deren Dicke auf 80%–95% der ursprünglichen Dicke der Kupferlegierung;

Glühen der reduzierten Kupferlegierung für eine Zeitdauer zwischen ca. drei und acht Stunden bei einer Temperatur zwischen ca. 450°C und ca. 575°C;

Walz-Reduzierung der geglühten Kupferlegierung zur Erzeugung einer zweiten Dickereduktion von bis auf 70% der Kupferlegierung; und

Nachvergütungsglühen der zweimalig reduzierten Kupferlegierung für eine Zeitdauer zwischen ca. drei und ca. acht Stunden bei einer Temperatur zwischen 200°C und 280°C.

In einer alternativen Ausführungsform wird das Verfahren zur Herstellung der Kupferlegierung unter Weglassen eines Heißwalz-Schrittes ausgeführt. Das Verfahren umfasst:

Vertikales aufwärts gerichtetes Gießen einer Kupferlegierung, bestehend im Wesentlichen aus 13 %–15 % (Gewicht) Zink, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Zinn, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Eisen mit einem Rest-Ausgleich von Kupfer;

Walzen der vertikal aufwärts gegossenen Kupferlegierung zu deren Dickereduzierung bis auf ca. 60 % der ursprünglichen Dicke der Kupferlegierung;

Glühen der reduzierten Kupferlegierung für eine Zeitdauer zwischen drei und acht Stunden bei einer Temperatur zwischen ca. 450°C und ca. 575°C;

Kaltwalzen der geglühten Kupferlegierung zu deren Dickereduzierung auf bis zu 70 %; und darauffolgend Nachvergütungsglühen der kalt gewalzten Kupferlegierung für eine Zeitdauer zwischen ca. drei und ca. acht Stunden bei einer Temperatur zwischen ca. 200°C bis 280°C.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Fließbild, in dem die Schritte eines ersten Verfahrens zur Herstellung der Kupferlegierung dargestellt ist.

2 ist ein die Schritte eines zweiten Verfahrens zur Herstellung der Kupferlegierung darstellendes Fließbild.

3 veranschaulicht grafisch die Zugfestigkeit und Umformfestigkeit einer Kupferlegierung außerhalb der vorliegenden Erfindung mit 10,7 % (Gewicht) Zink, 0,8 % (Gewicht) Zinn, 1,8 % (Gewicht) Eisen und einem restlichen Kupferausgleich, wobei die Kupferlegierung auf bis zu 70 % kaltgewalzt ist.

4 veranschaulicht grafisch die Zugfestigkeit und Umformfestigkeit einer Kupferlegierung gemäß der Erfindung des Anmelders, aufweisend 14 % (Gewicht) Zink, 0,9 % (Gewicht) Zinn, 0,8 % (Gewicht) Eisen und einem Kupferrestausgleich, wobei die Kupferlegierung auf bis zu 70 % kaltgewalzt wurde.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die auf Kupfer basierenden Legierungen der vorliegenden Erfindung bestehen aus 13 %–15 % (Gewicht) Zink, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Zinn, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Eisen, wobei der verbleibende Anteil mit Kupfer zusammen mit unvermeidbaren Verunreinigungen in unbedeutenden Mengen aufgefüllt ist.

Jedes der Legierungselemente in den Kupferlegierungen dieser Erfindung (d.h. Zinn, Eisen und Zink) haben bei der Zugabe zum Kupfer spezifische Wirkungen auf die Eigenschaften der Kupferlegierung.

Die Zugabe von Zinn in einer Menge zwischen 0,7 % und 0,9 % erhöht die Zugfestigkeit und Härte der Kupferlegierungen der Erfindung und vergrößert ebenso ihren Widerstand in der Belastungsrelaxation. Zinn erhöht überdies den Korrosionswiderstand der auf Kupfer basierenden Legierungen in nicht oxidierenden Medien. Eine zu große Erhöhung der Zinn-Menge (beispielsweise von 10 %–20 %) beeinflusst jedoch die elektrische Leitfähigkeit negativ und macht eine weitere Verarbeitung der Legierungen insbesondere während einer Wärmebehandlung schwierig.

Der in den Kupferlegierungen der vorliegenden Erfindung eingesetzte Zinn-Bereich von 0,7 %–0,9 % unterscheidet sich von dem Zinn-Bereich der in dem Brauer '505 Patent beschriebenen Legierungen. Wie oben erwähnt, ist im Brauer '505 Patent festgelegt, dass die Legierungen einer adäquaten Festigkeit und eines Widerstandes der Belastungsrelaxation für Federanwendungen ermangeln, wenn der Zinngehalt niedriger als 1,5 % ist. Wie das nachfolgend in größerem Detail dargestellt wird, wurde jedoch herausgefunden, dass die Kupferlegierungen dieser Erfindung hohe Zugfestigkeiten und Umformfestigkeiten ergänzt durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben. Diese wünschenswerten Charakteristiken werden durch einen geeigneten Ausgleich an Zinn, Eisen und Zink erhalten.

Der Zusatz an Eisen in Gehalten zwischen 0,7 % und 0,9 % verfeinert die Mikrostruktur der so gegossenen Kupferlegierung und erhöht deren Festigkeit. Eisen schafft ferner eine feine Korn-Struktur durch dessen Wirkung als Kornwachstums-Inhibitor. Wie das in dem Brauer '505 Patent beschrieben ist, vermindert ein Eisengehalt von über 2,2 % (Gewicht) die elektrische Leitfähigkeit der Kupferlegierungen aufgrund der Bildung großer Verbindungsbrücken.

Der in den Kupferlegierungen dieser Erfindung eingesetzte Eisenbereich von 0,7 %–0,9 % unterscheidet sich ebenso von. dem Eisenbereich der in dem Brauer '505 Patent aufgezeigten Legierungen. Es hat sich gezeigt, dass mit einem niedrigeren Zinn- und einem niedrigeren Eisengehalt die Kupferlegierungen der vorliegenden Erfindung eine unerwartete erhöhte elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit aufweisen, wie das nachfolgend gezeigt ist. Ferner verteilen sich während des/der Glühschritte/s bei der Herstellung der Kupferlegierungen die Eisenpartikel auf einfachere Weise durch die Kupferlegierung.

Der Zusatz von Zink zu einer Kupferlegierung würde eine moderate Erhöhung der Festigkeit mit einer gewissen Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit erwarten lassen. Zink erhöht typischerweise die Zugfestigkeit einer Kupferlegierung zu einer signifikanten Rate einer Konzentration von näherungsweise bis zu 20 %, wobei darüber hinausgehende Zusätze von Zink von 20–40 % die Zugfestigkeit nur leicht erhöhen.

Der wirksame Zinkbereich bei den Kupferlegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung von 13 % bis 15 % ist beispielsweise größer als der bevorzugte Bereich von 8 % bis 12 %, wie er in dem Brauer '505 Patent aufgezeigt ist. Eine Entdeckung der vorliegenden Erfindung ist jedoch, dass der Zusatz von mehr Zink und weniger Zinn und Eisen unerwarteterweise in höheren Festigkeiten und einer höheren elektrischen Leitfähigkeit im Vergleich zu Kupferlegierungen im Stand der Technik führt, wie das nachfolgend dargestellt ist.

Da eine der wichtigsten Betrachtungen in jedem Anschlusskontakt darin liegt, dessen Leistung bei niedrigsten Kosten zu optimieren, wird der Metallwert gemäß dem chemischen Nennwert für die Kupferlegierungen der vorliegenden Erfindung aufgrund des geringeren Kupfergehalts, des geringeren Zinn-Zusatzes und dem weniger kostenintensiven Zusatz von Zink reduziert.

PRODUKTIONSVERFAHREN

Die mechanischen Eigenschaften der gegossenen Kupferlegierungen sind eine Funktion der Legierungselemente und ihrer Konzentrationen und des Verfahrens, durch das diese Legierungen hergestellt sind. In einer Ausführungsform werden die Kupferlegierungen der vorliegenden Erfindung gemäß dem in 1 dargestellten Fließbild hergestellt.

Zunächst umfasst das Verfahren 100 der vorliegenden Erfindung das Gießen 110 einer Legierung mit einer Zusammensetzung von 13 %–15 % (Gewicht) Zink, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Zinn, 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Eisen und einem verbleibendem Kupferausgleich. In einer Ausführungsform wird die Kupferlegierung in einem Pilotstreifen durch beispielsweise Strangguss gebildet. Der Strangguss schließt ein kontinuierliches Vergießen des geschmol- zenen Metalls von oben in eine wassergekühlte, geschmierte Gussform mit ein. Eine feste Guss-Gestalt wird kontinuierlich vom Boden der Gussform mechanisch entzogen. Das Verfahren ist so lange kontinuierlich fortdauernd, so lange geschmolzenes Material erhältlich ist und die Gussform nicht verschlissen ist. Bei alternativen Ausführungsformen kann jede bekannte herkömmliche Gießtechnik, wie beispielsweise mit einer Gießtraube, oder ein direkter Kokillenguss oder dergleichen angewendet werden.

Die Kupferlegierung wird dann bei 800°C–950°C heißgewalzt 120. Die Heißwalz-Reduktion beläuft sich auf die Dicke bezogen von 80 %–95 % und vorzugsweise auf ca. 90 %. Das Walzen resultiert im Wesentlichen aus einer Dehnung der Gussplatte. Einige Vorteile des Heißwalzens der Kupferlegierung liegen in einer Kornveredelung, Vermischungsreduktion, einer Ausheilung von Defekten, wie beispielsweise einer Porosität, und einer Dispersion etwaiger Einschlüsse. Der Heißwalzschritt kann einmalig erfolgen oder in mehreren Verfahrensabläufen.

Ein Nachteil des Heißwalzens liegt in der Bildung von flächigen Oxidschuppen auf der Oberfläche der heißgewalzten Kupferlegierung. Nachdem das Material heißgewalzt wurde, wird demzufolge die Oberfläche des heißgewalzten Produkts geschliffen/gefräst/gewalzt 130, um die Oxidflächen-Schicht zu entfernen, die nach dem Heißwalzen vorliegt.

Nach dem Abtragen der Oberfläche wird die Legierung auf eine fertig zu bearbeitende Oberfläche kalt abgewalzt 140, beispielsweise auf 0,58 mm (0,023 Inch). Das Kaltwalzen erhöht die Niedertemperatur-Festigkeit aufgrund einer Deformations-Aushärtung und schafft eine enge Dimensionssteuerung und eine gute Flächenfertigung.

Eine Kornveredelung kann durch Glühen 150 erreicht werden, das ein Erwärmen nach dem Kaltwalzen einschließt, auf eine Temperatur, bei der eine Rekristallisation der in der Legierung vorliegenden Elemente auftritt. Die Legierung wird bei 450°C bis 575°C für zwischen drei bis acht Stunden geglüht.

Beim Glühen wird das kaltgewalzte Material zur Erweichung und zur Verbesserung seiner Duktilität erwärmt. Es sollte zu verstehen sein, dass nur ein einziger Glühschritt für die Kupferlegierungen der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Es hat sich gezeigt, dass aufgrund eines geringeren Eisengehalts kein Bedarf an zwei Glühschritten besteht. Der Eisengehalt der vorliegenden Erfindung zeigte eine gleichmäßige Verteilung nach nur einem einzigen Glühschritt.

Nach dem Glühen kann die Oberfläche der Legierung durch Beizen und Bürsten 160 gereinigt werden. Die Legierung wird dann ein zweites Mal 170 typischerweise auf bis zu 70 % und vorzugsweise zwischen 10 % und 70 % reduziert. Das Maß der Reduktion ist abhängig von der Zusammensetzung.

Die Legierung wird dann bei 200°C–280°C für zwischen 3–8 Stunden nachgeglüht 180. Das Nachglühen reduziert interne Belastungskräfte und verbessert die Formgebbarkeit durch Erwärmen der Kupferlegierung auf eine höhere Temperatur.

Der Kupferlegierungsstreifen wird dann durch ein als „Stretch Bend Leveling" bekanntes Verfahren oder durch ein im Stand der Technik anderes bekanntes Verfahren geplättet und in das gewünschte Produkt geformt, wie beispielsweise in einen elektrischen Anschlusskontakt. Die Kupferlegierungen genießen eine Vielzahl ausgezeichneter Eigenschaften, womit sie zur Verwendung von elektrischen Anschlusskontakten und anderen elektrischen Anwendungen geeignet sind. Unter den Vorteilen dieser Legierungen liegt, auch eine erhöhte Umformungs- und Zugfestigkeit ohne Herabsetzung der elektrischen Leitfähigkeit:

Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden die Kupferlegierungen der Erfindung gemäß dem in 2 dargestellten Fließbild hergestellt. In dieser Ausführungsform wird eine Kupferlegierung mit der Element-Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung zunächst durch kontinuierlichen Guss, beispielsweise einem vertikalen Aufwärtsgießen 210 der Legierung gefertigt. Der vertikale Aufwärtsguss ist das Verfahren eines kontinuierlichen Aufwärtszuges einer Schmelzzufuhr mittels Ziehen durch eine vertikale Grafitdüse, deren Oberteil gekühlt wird, um die Schmelze in der Düse ausreichend zu verfestigen, damit das verfestigte Produkt einen Aufwärtszug durch einen Kühler mit einem Querschnitt erträgt, der etwas größer ist als derjenige des Produkts. Weitere Informationen betreffend diesen Aufwärtsguss, oder die kontinuierlichen Verfahren sowie eine Vorrichtung für den Aufwärtsguss sind in dem US-Patent Nr. 3,746,077 von Lohikoski et al, erteilt am 17.07.1973, dem US-Patent Nr. 3,872,913 von Lohikoski, erteilt am 25.03.1975, dem US-Patent Nr. 5,381,853 von Koivisto et al, erteilt am 17.01.1995, und dem US-Patent Nr. 5,404,932 von Koivisto et al, erteilt am 11.04.1995 zu entnehmen, deren Offenbarungsgehalt unter Bezugnahme hierin miteinbezogen ist.

Nach dem Stranggießen, beispielsweise dem vertikalen Aufwärtsgießen kann die Kupferlegierung gewalzt 215 und dann kaltgewalzt 220 werden auf eine Reduktion von zumindest ca. 60 % in der Dicke; geglüht 230 bei 450°C–575°C für 3–8 Stunden, wonach ein Beizen und Bürsten 235 erfolgen kann, eine Kaltwalzung 240 erneut auf eine Reduzierung von typischerweise bis zu 70 % in der Dicke und letztendlich ein Nachglühen 250 bei 200°C–280°C für 3–8 Stunden. Unter Anwendung des Gießverfahrens 200 muss die Kupferlegierung nicht heißgewalzt werden, womit die Kosten zur Herstellung der Legierung reduziert sind, da Heizeinrichtungen auf hohe Temperaturen nicht erforderlich sind und ein Kaltwalzen eine bessere Oberflächen-Endfertigung schafft, als ein Heißwalzen.

Die gemäß den obigen Produktionsverfahren verarbeiteten Legierungen zeigen die gewünschten Eigenschaften zur Verwendung von elektrischen Anschlusskontakten und anderen elektrischen Anwendungen.

Es wird davon ausgegangen, dass Kupferlegierungen dieser Erfindung dazu fähig sind, eine Zugfestigkeit bei einer 70 %-Reduktion von über 756 MPa (110 ksi) zu erreichen, vorzugsweise über 770 MPa (112 ksi) und noch besser über 790 MPa (115 ksi), sowie eine Zugfestigkeit von weniger als 893 MPa (130 ksi), vorzugsweise weniger als 859 MPa (125 ksi), und noch besser weniger als 825 MPa (120 ksi).

Es wird ferner davon ausgegangen, dass die Kupferlegierungen dieser Erfindung dazu fähig sind, eine 0,2 %-Umformfestigkeit bei einer 70 %-Reduktion von mehr als 687 MPa (100 ksi), vorzugsweise mehr als 722 MPa (105 ksi) und noch besser von mehr als 756 MPa (110 ksi) zu erreichen, sowie eine Umformfestigkeit von weniger als 825 MPa (120 ksi), vorzugsweise weniger als 811 MPa (118 ksi) und noch besser von weniger als 790 MPa (115 ksi).

Es wird ferner davon ausgegangen, dass die gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung gefertigten Kupferlegierungen mit zuvor beschriebenen Zusammensetzungen fähig sind, eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 25 % IACS zu erreichen, und noch bevorzugter, von mehr als 27 % IACS, wenn geglüht, und eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 35 % IACS, und noch besser von weniger als 33 % IACS, wenn geglüht.

Es wird ferner davon ausgegangen, dass die gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung gefertigten Kupferlegierungen mit den zuvor erwähnten Zusammensetzungen dazu fähig sind, eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 25 % IACS und noch bevorzugter von mehr als 27 % IACS nach einem Vergütungswalzen, und eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 33 % IACS und noch bevorzugter von weniger als 31 % IACS erreichen, wenn vergütungsgewalzt.

Bei den Kupferlegierungen der Erfindung wird davon ausgegangen, dass im Vergleich zu Kupferlegierungen des Standes der Technik eine unerwartete und verbesserte elektrische Leitfähigkeit aufgrund des geringeren Zinn- und Eisengehalts darin erhalten wird.

BEISPIEL 1

Die nachfolgende Tabelle 1 veranschaulicht die durchschnittlichen mechanischen Eigenschaften zweier Proben einer Kupferlegierung, enthaltend 10,7 % (Gewicht) Zink, 0,8 % (Gewicht) Zinn, 1,8 % (Gewicht) Eisen und einen verbleibenden Kupferausgleich, wie sie durch ein Gießen von 12 mm, einem Walzen auf 1 mm (92 % Reduktion) und einem Glühen bei 525°C für 4 Stunden auf eine Korngröße von 2–3 Mikrometer erhalten wurden. Diese Kupferlegierung entspricht der im Beispiel 2 des Brauer '505 Patent beschriebenen Kupferlegierung – jedoch mit einem geringeren Zinngehalt.

3 veranschaulicht grafisch die in Tabelle 1 oben aufgezeigten Werte. Wie in 3 gezeigt, führt die Herabsetzung des Zinngehalts der im Beispiel 2 des Brauer '505 Patents beschriebenen Kupferlegierung – wie dies in Beispiel 1 vollzogen wurde – zu einer unerwünschten Abnahme der Umformfestigkeit (Dehngrenze) auf ca. 674 MPa (98 ksi) und eine Zugfestigkeit von ca. 708 MPa (103 ksi). Die 0,2 %-Dehngrenze und die Zugfestigkeit wurden auf einer Zugtestmaschine (hergestellt von Tinius Olsen, Willow Grove, Pa) gemäß ASTM E8 gemessen.

BEISPIEL 2

Eine Kupferlegierung mit 14 % (Gewicht) Zink, 0,9 % (Gewicht) Zinn, 0,8 % (Gewicht) Eisen und einem verbleibenden Ausgleich von Kupfer wurde gemäß dem Verfahren nach

1 vorbereitet. Die nachfolgende Tabelle 2 veranschaulicht die durchschnittlichen mechanischen Eigenschaften zweier Proben der Kupferlegierung dieses Beispiels, wie sie durch Gießen zu einer 180 mm, Heizwalzen auf 91 % Reduktion, Walzen und Walzen auf 0,6 mm (95 % Reduktion) und einem Glühen bei 510°C für acht Stunden auf eine Korngröße von 2–3 Mikrometern gefertigt wurde.

4 veranschaulicht grafisch die in Tabelle 2 gezeigten Daten. Bei Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens kann die Kupferlegierung die gewünschten Eigenschaften einer Zugfestigkeit von ca. 790 MPa (115 ksi) und eine Umformfestigkeit (Dehngrenze) von ca. 729 MPa (106 ksi) erreichen. Die 0,2 %-Dehngrenze und die Zugfestigkeit wurden auf einer Zugtestmaschine (hergestellt von Tinius Olsen, Willow Grove, Pa.) gemäß ASTM E8 gemessen.

Wie das ein Vergleich der 3 und 4 ergibt, sind sowohl die Umformfestigkeit (Dehngrenzen) als auch die Zugfestigkeit der Kupferlegierung der vorliegenden Erfindung höher als diejenigen Werte, die für die Kupferlegierung in Beispiel 1 gemessen wurden.

Für den Fachmann ist es ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen in der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne sich hierbei vom Umfang der Erfindung zu entfernen. Es ist damit beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung all jene Modifikationen und Variationen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst.


Anspruch[de]
Kupferlegierung, bestehend aus:

13 %–15 % (Gewicht) Zink;

0,7 %–0,9 % (Gewicht) Zinn;

0,7 %–0,9 % (Gewicht) Eisen; und

einen Rest-Ausgleich an Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen.
Kupferlegierung nach Anspruch 1, wobei die Kupferlegierung eine Zugfestigkeit zwischen 756 MPa (110 ksi) und 859 MPa (125 ksi) hat. Kupferlegierung nach Anspruch 2, wobei die Kupferlegierung eine Umformfestigkeit (Dehngrenze) zwischen 687 MPa (100 ksi) und 825 MPa (120 ksi) hat. Elektrischer Kontaktanschluss gebildet aus der Legierung nach Anspruch 1. Verfahren zur Herstellung einer Kupferlegierung unter Einsatz nur eines einzigen Glühschritts bei einer Temperatur zwischen 400°C und 600°C aufweisend:

Gießen einer Kupferlegierung bestehend aus 13 %–15 % (Gewicht) Zink; 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Zinn; 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Eisen; und den verbleibenden Rest-Ausgleich mit Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen;

Heißwalzen der Kupferlegierung bei einer Temperatur zwischen 800°C und 950°C zur Reduzierung deren Dicke von 80 %–95 % der Originaldicke der besagten Kupferlegierung;

Glühen der reduzierten Kupferlegierung für eine Zeitdauer zwischen drei und acht Stunden bei einer Temperatur zwischen 450°C und 575°C;

Walzenreduzierung der geglühten Kupferlegierung zur Erzeugung einer Reduktion von bis zu 70 % in der Kupferlegierung; und

Nachvergütungsglühen der gewalzten reduzierten Kupferlegierung für eine Zeitdauer zwischen drei und acht Stunden bei einer Temperatur zwischen 200°C und 280°C.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die reduzierte Kupferlegierung bei einer Temperatur zwischen 450°C und 575°C für eine Zeitdauer geglüht wird, die ausreicht, um das Eisen durch die Gesamtzusammensetzung einheitlich zu verteilen. Verfahren nach Anspruch 5, das überdies eine Oberflächenabtragung (Walzen, Schleifen, Fräsen) der heißgewalzten Fläche nachfolgend dem ersten Walzreduzierungsverfahren und vor dem besagten Glühschritt umfasst, um eine Oxidoberflächenschicht zu entfernen. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Gießverfahren kontinuierlich ausgeführt wird. Verfahren zur Herstellung einer Kupferlegierung unter Fehlen eines Heißwalz-Schrittes, aufweisend:

Kontinuierliches Gießen einer Kupferlegierung bestehend aus 13 %–15 % (Gewicht) Zink; 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Zinn; 0,7 %–0,9 % (Gewicht) Eisen; und einem verbleibenden Rest-Ausgleich an Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen;

Walzen dieser Kupferlegierung zur Reduzierung ihrer Dicke auf bis zu 60 % der ursprünglichen Dicke der Kupferlegierung;

Glühen der reduzierten Kupferlegierung für eine Zeitdauer zwischen drei und acht Stunden bei einer Temperatur zwischen 450°C und 575°C;

Kaltwalzen der geglühten Kupferlegierung zur Reduzierung ihrer Dicke auf bis zu 70;

und Nachvergütungsglühen der kaltgewalzten Kupferlegierung für eine Zeitdauer zwischen drei und acht Stunden bei einer Temperatur zwischen 200°C und 280°C.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com