DE3930903C2

DE3930903C2 - Kupferlegierung mit ausreichender Verformbarkeit

Info

Publication number: DE3930903C2
Application number: DE3930903A
Authority: DE
Inventors: Shuichi Yamasaki; Hiroshi Yamaguchi
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1988-09-20
Filing date: 1989-09-15
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2009-09-16
Also published as: DE3930903A1; JPH0469217B2; US5002732A; JPH0285330A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupferlegierung mit ausreichender Verformbarkeit, die für elektrische und elek tronische Teile geeignet ist, deren physikalische Eigenschaften so beschaffen sein müssen, daß sie einem ausgedehnten Bereich von Anforderungen genügen, und hervorragend sind in bezug auf Wärmebeständigkeit, elektrische und Wärmeleitfähigkeit, mechanische Zugfestigkeit, Verformbarkeit usw.

Herkömmlicherweise wurde Phosphorbronze für solche elektri schen und elektronischen Teile verwandt. Dieses Material kann jedoch wegen seiner niedrigen elektrischen Leitfähigkeit mehr Wärmeentwicklung nach sich ziehen, als es wünschenswert ist. Überdies ist es ziemlich teuer. Auch Messing kann wie Phosphorbronze infolge seiner niedrigen elektrischen Leitfähigkeit Anlaß für mehr Wärmeentwicklung sein, als es wünschenswert ist. Davon abgesehen, sind hart vergütete Materialien für elektrische und elektronische Teile der obigen Kategorie nicht geeignet, da sie keine ausreichende Verformbarkeit haben.

Deshalb wurden neuerdings verschiedene Kupferlegierungen vorgeschlagen, die sich sowohl in elektrischer Leitfähigkeit als auch in mechanischer Zugfestigkeit auszeichnen. Diese Legierungen sind jedoch durch Ausscheidungshärtung verfestigt, so daß sie häufig Risse bekommen, wenn sie unter strengen Bedingungen vereformt werden.

So ist beispielsweise aus der DE 34 29 393 A1 eine Kupfer legierung bekannt, die, in Gew.-% ausgedrückt, aus 0,05 bis 1% Ti, 0,07 bis 2,6% Fe, einem oder mehreren der Be standteile aus der Gruppe: 0,005 bis 0,2% Al, 0,005 bis 0,07% P, 0,005 bis 0,5% Mg, je 0,01 bis 0,5% Sb, Zr, In, Zn und Ni, sowie Kupfer als Rest besteht. Diese Kupfer legierung zeichnet sich sowohl in der elektrischen Leitfähigkeit als auch in der mechanischen Zugfestigkeit aus, aber sie kann Risse bekommen, wenn sie durch Preß- und Biegever arbeitung zu kleinen Anschlußklemmen od. dgl. verformt wird.

Ähnliches gilt auch für die beiden nachstehend angegebenen, bekannten Kupferlegierungen. Aus der US 47 32 731 ist eine Kupferlegierung für elektronische Instrumente bekannt, die aus 0,1 bis 3 Gew.-% Ni, 0,1 bis 1 Gew.-% Ti, wobei das Verhältnis von Ni/Ti mindestens 4 beträgt, aus 0,1 bis 6 Gew.-% Sn, insgesamt 0,005 bis 3 Gew.-% Zn, Mn, Mg, Ca, B, Sb, Te, Si, Co, Fe, Zr, AG, Mischmetall und Al sowie Cu als Rest besteht. Die DE 36 34 495 A1 offenbart eine Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit als Material für Zuleitungsrahmen für elektronische Halbleiter- Zuleitungsrahmen sowie elektrische und elektronische Teile, die 0,05 bis 1,0 Gew.-% Ti, 0,07 bis 2,6 Gew.-% Fe und einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe aus 0,005 bis 0,5 Gew.-% Mg, 0,01 bis 0,05 Gew.-% eines der Bestandteile Sb, V, Mischmetall, Zr, In, Zn, Sn und Ni sowie 0,05 bis 0,2 Gew.-% Al und 0,005 bis 0,07 Gew.-% P umfaßt und zum rest lichen Anteil aus Cu besteht.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kupfer legierung anzugeben, die sich sowohl in elektrischer Leitfähigkeit als auch in mechanischer Festigkeit auszeichnet und eine sehr gute Verformbarkeit aufweist.

Gemäß dieser Erfindung wird eine Kupferlegierung vorgesehen, die aus: 0,1 bis 0,4% Eisen, 0,05 bis 0,20% Titan, 0,003 bis 0,10% Magnesium, 0,8 bis 1,4% Zinn, 0,01 bis 1,0% Zink und/oder Kobalt und Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen besteht.

Eine solche nickel- und chromfreie Kupferlegierung mit Kobalt als Zwangskomponente ist aus den eingangs genannten Druckschriften nicht zu entnehmen.

Durch die Erfindung wird eine Kupferlegierung geschaffen, welche sich in den verschiedenen Eigenschaften auszeichnet, die von elektrischen und elektronischen Teilen benötigt werden, nämlich solche, wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmebeständigkeit, Zugfestigkeit, Schweißbarkeit und Ver formbarkeit. Diese Kupferlegierung wird ein weites An wendungsgebiet finden. Sie kann für solche elektrischen und elektronischen Teile wie Stecker, Anschlußklemmen, Leitungsmaterial, Leiterrahmen, Schalter und bewegliche Federn verwendet werden. Sie wird sehr dazu beitragen, die Ausführung von solchen Teilen zu verbessern, ebenso wie sie zu verkleinern und dünner zu machen.

Die Zeichnung zeigt einen Preßstempel, der für den Zweck verwendet wurde, die Verformbarkeit von Kupfer legierungen gemäß dieser Erfindung und üblichen Legierungen zu beurteilen.

Die Erfindung wird nun im einzelnen beschrieben. Zuerst wird der Grund dafür erläutert, einige Elemente als Be standteile dieser Kupferlegierung zu verwenden, ebenso wie der Grund, die Bereiche dieser Bestandteile zu begrenzen.

Fe und Ti helfen durch einen zusammenwirkenden Effekt, aus gezeichnete Eigenschaften sowohl bezüglicher mechanischer Festigkeit als auch bezüglich elektrischer Leitfähigkeit zu erreichen. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß Fe und Ti die Verbindung Fe₂Ti erzeugen, die sich schließlich in der Matrix in nachweisbarer Menge ausscheidet. Um eine hervorragende Eigenschaft durch Ausscheidung von Fe und Ti zu erzielen, ist es wünschenswert, daß die Elemente in einem passenden Verhältnis zueinander stehen. Fe/Ti sollten (im Gewichtsverhältnis) 1,4 bis 2,8 stehen, vorzugsweise 1,7 bis 2,4. Eine übermäßige Anzahl sich ausscheidender Teilchen wird in der Kupferlegierung dazu führen, daß sie zu Rissen während des Verformens neigt.

So hilft ein Zufügen von Fe zusammen mit einem vorbestimmten Betrag an Ti, die Zugfestigkeit der Kupferlegierung nach dieser Erfindung zu vergrößern und deren hohe elektrische Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Jedoch sollte vermerkt werden, daß ein Fe-Gehalt von weniger als 0,1% eine ungenügende mechanische Festigkeit ergeben wird. Umgekehrt wird ein Fe-Gehalt im Übermaß von 0,4% auf eine Verschlechterung der Verformbarkeit der Kupfer legierung hinauslaufen. Der bevorzugte Fe-Gehalt liegt zwischen 0,15 und 0,30%.

Der Grund, den Ti-Gehalt 0,05% oder mehr und 0,20% oder weniger zu machen, liegt darin, daß ein Ti-Gehalt von weniger als 0,05% auf eine ungenügende Festigkeit sogar dann hinausläuft, wenn Fe zusammen mit ihm zugefügt wird, und daß ein Ti-Gehalt von mehr als 0,20% auf eine Ver schlechterung in der Verformbarkeit hinausläuft. Der be vorzugte Ti-Gehalt liegt zwischen 0,08 und 0,15%.

Mg dient dazu, die Festigkeit der Kupferlegierung zu ver bessern. Ferner wirkt es als ein starker Desoxidator, indem es die Sauerstoffkonzentration in der Legierung ver ringert und dabei solche Probleme wie Plattierungs- Blasen (plating blisters) ausschließt. Mit einem Mg-Gehalt von weniger als 0,003% wird diese Wirkung ungenügend. Ein Mg-Gehalt von mehr als 0,10% wird auf eine Verschlechterung in der Schmelzverarbeitbarkeit für ein Formgießen hinauslaufen. Der bevorzugte Mg-Gehalt liegt zwischen 0,02 und 0,08%.

Sn vergrößert die Zugfestigkeit der Kupferlegierung. Jedoch wird diese Wirkung ungenügend, wenn der Sn-Gehalt weniger als 0,5% beträgt. Wenn er im Übermaß von 1,5% vorhanden ist, wird die Verformbarkeit der Legierung verschlechtert, während deren elektrische Leitfähigkeit sich ebenso übermäßig verschlechtert. Deshalb wurde der Sn-Gehalt auf den Bereich zwischen 0,8 und 1,4% festgelegt.

Von den Elementen Zn und Co ist jedes fähig, die Zugfestigkeit der Kupferlegierung zu verbessern. Es ist jedoch zu vermerken, daß diese Wirkung ungenügend ist, wenn der Ge samtbetrag von einem oder beiden Elementen geringer als 0,01% ist. Wenn er umgekehrt größer als 1,0% ist, wird die elektrische Leitfähigkeit und die Verformbarkeit der Legierung übermäßig verschlechtert. Andererseits arbeitet Zn als Desoxidator. Wenn es zuvor zu Mg während des Schmelz vorganges zugefügt wird, hilft es, die Erzeugung von Warm verarbeitungs-Rissen während des Warmwalzens zu unterdrücken. Diese Wirkungen können nicht bis zu einem genügenden Grad erreicht werden, wenn der vorstehend erwähnte Gesamtbetrag geringer als 0,01% ist.

Ferner ist es auch möglich, der Kupferlegierung gemäß dieser Erfindung 0,05 bis 0,5% an Al, Zr, Sb, Mn, P, Ca und/oder B zuzusetzen. Dies ist wirkungsvoll beim Verbessern der Zug festigkeit der Legierung wie auch beim Desoxidieren derselben.

Als nächstes wird das Verfahren zum Herstellen dieser Legierung gemäß dieser Erfindung beschrieben. Dieses Verfahren beinhaltet folgende Schritte:

Schmelzen, in Formen gießen und Warmwalzen der vorstehend erwähnten Legierung obiger Zusammensetzung in einer her kömmlichen Weise;
ein- oder mehrmaliges abwechselndes Kaltwalzen und Glühen, wenigstens einmaliges Haubenglühen bei 400 bis 600°C bei einer Haltezeit von 30 bis 600 Minuten und Einhalten eines abschließenden Kaltverformungsgrades bei 60% oder weniger und
Glühen der Legierung bei einer Niedertemperatur von 250 bis 400°C.

Der Grund für ein wenigstens einmaliges Haubenglühen der Legierung, anstatt ein ununterbrochenes Glühen durchzuführen, besteht darin, daß dieses Haubenglühen die intermetallische Verbindung aus Fe₂Ti veranlaßt, sich auszuscheiden, indem es dabei die Warmfestigkeit, die Zugfestigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Legierung vergrößert. Der Grund, die Glühtemperatur auf 400°C bis 600°C festzusetzen, besteht darin, daß eine Glühtemperatur von weniger als 400°C auf eine ungenügende Ausscheidung und eine Glühtemperatur von mehr als 600°C darauf hinauslaufen wird, daß die ausgeschiedenen Partikel von Fe₂Ti übermäßig groß werden, was deren Beitrag zur Verbesserung der Zug festigkeit und der Warmfestigkeit der Legierung ungenügend macht. Der Grund dafür, die Glühzeit auf den Bereich von 30 bis 600 Minuten zu begrenzen, besteht in folgendem: Wenn die Glühzeit weniger als 30 Minuten dauert, ist die Fe₂-Ti-Ausscheidung ungenügend; andererseits ist ein Glühen der Legierung über einen längeren Zeitraum als 600 Minuten ohne Nutzen, da die Ausscheidung innerhalb dieser Periode gesättigt sein wird. Der Grund, einen abschließenden Kalt verformungsgrad von 60% oder weniger einzuhalten, besteht darin, daß dann, wenn der Kaltverformungsgrad mehr als 60% beträgt, die Verformbarkeit der Legierung ungenügend sein wird. Das Niedertemperaturglühen wird im Hinblick darauf durchgeführt, die Elastizität und die Verformbarkeit der Legierung zu verbessern; wenn die Temperatur unter 250°C ist, wird die Verformbarkeit der Legierung ungenügend, und wenn sie oberhalb 400°C ist, wird deren Elastizität und Zugfestigkeit sich verschlechtern.

Die bevorzugten Konditionen sind wie folgt:

Glühtemperatur von 480 bis 580°C,
Glühzeit von 300 bis 500 Minuten,
abschließenden Verformungsgrad 55% oder weniger,
Niedertemperaturglühen bei 250 bis 350°C.

Beispiele der Legierung nach dieser Erfindung werden nun anhand des Verfahrens zu deren Herstellung beschrieben.

Beispiel 1

Barren mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in Überein stimmung mit den Beispielen der erfindungsgemäßen Legierung wie auch mit Vergleichsbeispielen, die in Tabelle 1 gezeigt werden, wurden unter Holzkohlen-Abdeckung in einem Hochfrequenz-Schmelzofen geschmolzen und in Metallkokillen abgegossen. Jeder dieser Barren erhielt eine Dicke von 35 mm, eine Breite von 90 mm und eine Länge von 150 mm. Sie wurden jeder auf beiden Flachseiten spanabhebend be arbeitet, bis ihre Dicke 28 mm betrug. Danach wurden sie mit einer Anfangstemperatur von 900°C warmgewalzt, bis ihre Dicke 12 mm betrug. Dann wurden sie spanabhebend bearbeitet, bis ihre Dicke 10 mm war, und wurden kaltgewalzt, um eine Dicke von 2,5 mm zu erzielen. Dann wurden sie während 3 Stunden bei 500°C geglüht und danach kaltgewalzt, um eine Dicke von 0,8 mm zu erzielen. Nachfolgend wurden sie während 3 Stunden einer Glühung bei 550°C unter zogen und machten dann eine 50%ige Kaltverformung durch, bis ihre Dicke 0,4 mm betrug. Schließlich wurden sie für eine Stunde einer Niedertemperaturglühung bei 275°C unterworfen. Die erhaltenen Proben wurden auf Zugfestigkeit, Dehnung, elektrische Leitfähigkeit wie auch auf Verform barkeit geprüft. Die Messung auf Verformbarkeit wurde durchgeführt, indem ein Preßstempel verwendet wurde, wie er in der Zeichnung dargestellt ist. Die Proben wurden einer L-Biegung um 90° unterworfen, während der Biegeradius R geändert und das Erscheinungsbild der Biegeabschnitte mit einer Vergrößerungslinse geprüft wurde. In dem Maße, wie der innere Biegeradius R verringert wird, vertiefen sich die engen Falten, wobei sie eventuell Risse werden. Der Wert von R/t (R stellt hier den Mindestbiegeradius R dar, der keine Falten verursacht, die sich vertiefen; t stellt die Plattendicke dar) wurde als Index für Verpreßbarkeit verwendet. Die erzielten Ergebnisse werden in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 1

Tabelle 2

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, ist Probe 8, bei welcher keines der Elemente Zn und Co zugefügt wurde, mangelhaft in der Zugfestigkeit; wenn der Betrag von Sn (Probe 5) oder von Fe und Ti (Probe 6) übermäßig ist, kann eine aus reichende Verformbarkeit nicht erzielt werden; und wenn weder Sn noch Zn zugefügt wird, ist die Zugfestigkeit der Legierung sehr niedrig (Probe 7).

Beispiel 2

Die Legierung von Probe 3 in Beispiel 1 wurde durch ver schiedene Verfahren zubereitet, um die Eigenschaften in den entsprechenden Fällen zu prüfen. Probe 9 in Tabelle 3 wurde so zubereitet, daß ihre Dicke vor dem abschließenden Kaltwalzen 1,2 mm betrug, während der Kaltverformungsgrad auf 67% gehalten wurde. Die Niedertemperaturglühung von Probe 10 wurde eine Stunde lang bei 180°C durchgeführt und die von Probe 11 eine Stunde lang bei 450°C. Die anderen Herstellungsbedingungen für Proben 9 bis 11 waren dieselben wie jene für Probe 3. Die erhaltenen Er gebnisse werden in Tabelle 3 aufgeführt.

Tabelle 3

Wie aus Tabelle 3 erkannt wird, weisen Vergleichs-Beispiele 9 und 10 eine schlechte Verformbarkeit auf, während Probe 11 eine geringe Zugfestigkeit hat.

Unter Verformbarkeit wird vorstehend auch Biege-Umformbarkeit oder ganz allgemein Verarbeitbarkeit verstanden.

Claims

1. Kupfer-Legierung mit ausreichender Verformbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,1 bis 0,4% Eisen, 0,05 bis 0,20% Titan, 0,003 bis 0,10% Magnesium, 0,8 bis 1,4% Zinn, 0,01 bis 1,0% Zink und/oder Kobalt und Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen besteht.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Titan zwischen 1,4 und 2,8 liegt.

3. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Eisen zu Titan zwischen 1,7 und 2,4 liegt.

4. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisen-Gehalt zwischen 0,15 und 0,30% liegt.

5. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Titan-Gehalt zwischen 0,08 und 0,15% liegt.

6. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnesium-Gehalt zwischen 0,02 und 0,08% liegt.

7. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner 0,05 bis 0,5% Aluminium, Zirkonium, Antimon, Mangan, Bor, Phosphor und/oder Calcius enthält.