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WO2015027976A2 - Copper alloy - Google Patents

Copper alloy Download PDF

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Publication number
WO2015027976A2
WO2015027976A2 PCT/DE2014/000436 DE2014000436W WO2015027976A2 WO 2015027976 A2 WO2015027976 A2 WO 2015027976A2 DE 2014000436 W DE2014000436 W DE 2014000436W WO 2015027976 A2 WO2015027976 A2 WO 2015027976A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
max
copper alloy
copper
manganese
phosphorus
Prior art date
Application number
PCT/DE2014/000436
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2015027976A3 (en
Inventor
Hark Schulze
Dirk Rode
Original Assignee
Kme Germany Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kme Germany Gmbh & Co. Kg filed Critical Kme Germany Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2015027976A2 publication Critical patent/WO2015027976A2/en
Publication of WO2015027976A3 publication Critical patent/WO2015027976A3/en

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a copper alloy having the features in the preamble of claim 1 and the use of such a copper alloy according to the features of claim 7 or 8.
  • copper with the exception of silver, has the lowest electrical resistance of all known metals, copper alloys are preferred and used for electrical contact components merely because of the frequency of copper and the associated price advantage over silver.
  • Such contact components include, for example, mechanically connectable and separable fasteners and crimp connections.
  • Copper alloys such as CuNi1 Pb1 P (C19160) or CuNM P (CW108C) are primarily used for plug-in contacts, since they have a high relaxation resistance.
  • the material CuNi1 Pb1 P (C19160) contains the toxic lead.
  • the material CuNM P (CW108C) has a poor machinability, so that this lead-free material is not or only poorly suitable for the production of contact components by machining.
  • CONFIRMATION COPY In contrast, good machinability is achieved when using known copper alloys such as CuSP, CuTeP or CuSMn. Since these are non-hardenable alloys with very slight solid solution hardening, however, they have only a low relaxation resistance.
  • the alloys used in the prior art also sometimes contain components of lead (Pb) or beryllium (Be), so that these copper alloys can not be safely used for all applications due to the known toxicity of these alloying elements.
  • Pb lead
  • Be beryllium
  • the invention has for its object to provide a both relaxation-resistant and machinable copper alloy available, which is free of the alloying elements beryllium and lead. Furthermore, the use of such a relaxation-resistant and machinable as well as lead and beryllium-free copper alloy for products to be produced from it is to be shown.
  • the alloy is free of beryllium (Be) and lead (Pb) to avoid toxic properties.
  • sulfur (S) or manganese (Mn) or tellurium (Te) may be contained alone or in combination within the specified limits.
  • the copper alloy contains to improve the respective required properties:
  • the aforementioned group are optional alloying elements. If necessary, they can be included individually or in combination within the specified limits.
  • the alloy contains copper (Cu) as the remainder and may contain common impurities caused by melting.
  • the copper alloy according to the invention combines good machinability and high relaxation resistance.
  • lead (Pb) it has been found that its addition of at most 0.1% does not improve the machinability.
  • the hot cracking risk is predominated by lead smelting on the grain boundaries of the crystallites. This is remarkable because in the case of the copper materials known in the prior art, the improvement in machinability is generally attributable to the addition of lead (Pb) in metallic form.
  • the machinability of the alloy according to the invention is also improved without the addition of lead (Pb) by forming chip-breaking phases.
  • Manganese (Mn) acts as a hardening agent and serves as a deoxidizer within the copper alloy. Furthermore, by manganese (Mn), the grain of the copper alloy can be refined.
  • S Sulfur
  • Mn Manganese
  • copper alloy of the invention has a good electrical conductivity, depending on the examined composition of 12 MS / m at z.
  • the alloy components of the above group may be contained in a range of 0.01 - 2.50 wt% each with respect to zinc (Zn) and tin (Sn).
  • amounts of aluminum (Al), boron (B), chromium (Cr), iron (Fe), magnesium (Mg), silver (Ag) and zircon (Zr) may each be 0.01% - 0.5% by weight. be.
  • Phosphorus (P) and boron (B) have the property of counteracting hydrogen disease.
  • the oxygen dissolved in the copper mixed crystal is bound to these alloying elements by the addition of phosphorus (P) and optionally boron (B).
  • Phosphorus (P) and boron (B) act as deoxidizers.
  • phosphorus (P) prevents the oxidation of individual alloying elements. Moreover, the tile properties of the copper alloy during casting can be improved by adding phosphorus (P).
  • Aluminum (AI) is an alloying element by which the strength, machinability and wear resistance of the copper alloy at high temperatures can be improved. Incidentally, this also applies to the improvement of the oxidation resistance of the copper alloy.
  • chromium (Cr) and magnesium (Mg) also serves to improve the oxidation resistance of the copper alloy at high temperatures. Particularly good results are observed in this context when chromium (Cr) and magnesium (Mg) are added in combination with aluminum (Al). In this way, an advantageous synergy effect of these components can be achieved.
  • Iron (Fe) generally serves to increase the corrosion resistance of the copper alloy.
  • Zircon (Zr) can improve the hot workability of the copper material according to the invention.
  • Zinc (Zn) improves the adhesion of the tin-plating or improves the resistance to the peel-off behavior of peelings.
  • Tin (Sn) can further increase the solid solution hardening of the copper alloy according to the invention.
  • S and / or tellurium (Te) as chip breakers may preferably be combined with manganese (Mn).
  • Sulfur and manganese form manganese sulfides, which increase the machinability towards copper sulfides.
  • compositions in terms of the alloying elements (Ni), phosphorus (P), sulfur (S), manganese (Mn) and tellurium (Te) are given, wherein in addition the other alloying elements specified in claim 1 may be contained in the copper alloy , The remainder is formed by copper and impurities caused by melting:
  • FIG. 2 Examination results on the copper alloys CuSP, CuTeP and CuSMn with a view to the chip forming classes by mechanical processing in the form of external longitudinal rotation with variation of the cutting speed;
  • FIG. 3 shows the examination results on the materials from FIG. 2 with respect to the chipform classes in the case of variants of the depth of cut;
  • FIG. 4 shows the results of the chipforming classes of FIGS. 2 and 3 in FIG.
  • Figure 5 is a tabular overview of the material properties of individual im
  • FIG. 6 shows a microsection through the microstructure of the copper alloy CuSP known in the prior art
  • FIG. 7 shows a microsection through the microstructure of the copper alloy CuTeP known in the prior art
  • FIG. 8 shows a further microsection through the microstructure of the prior art
  • FIG. 9 shows a microsection through the microstructure of the copper alloy CuNil P known in the prior art
  • FIG. 10 shows an illustration of the mechanical processing of the
  • Figure 1 1 is a microsection through the microstructure of an inventive
  • FIG. 12 shows an illustration of the chip formation resulting during the mechanical processing of the copper alloy according to the invention from FIG.
  • FIG. 13 Diagram for variation of the Ni and P contents at a constant content of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te and
  • FIG. 14 Diagram for varying the contents of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te at a constant content of the basic elements Ni and P.
  • FIG. 1 shows a steel-iron test sheet 1 1 78-90 in order to relate the shapes of the chips resulting in the machining operation to the group investigated in the present case.
  • the resulting chip image was classified into one of eight chipforming classes (1 - 8), as can be seen in the first column, to the left of the chips shown schematically.
  • the individual chip images are associated with appropriate terminology according to their design, ranging from “band chips” to "shavings”.
  • the chip space number R is listed, which indicates the ratio between the space requirement of a disordered chip quantity (V spa n) and the material volume of the same chip quantity (V).
  • V spa n disordered chip quantity
  • V material volume of the same chip quantity
  • chipforming classes and the respective chip space numbers R are given a judgment in the rightmost column in FIG. 1, the chipforming classes 7 and 8 having their respective chip space number R being classified as “usable” while the chipforming classes 5 and 6 are combined with their respective chip space numbers R are judged to be "good”. On the other hand, the remaining chip forming classes 1 to 4 in connection with their respective chip space number R are classified as "unfavorable", with a smooth transition to "good” occurring in chipform classes 3 and 4.
  • Figure 2 shows the results of mechanical working of the examined group of known copper alloys with respect to the resulting chip forming classes in external longitudinal turning of a workpiece thereof.
  • the results presented in FIG. 2 are based on a constant cutting depth a p of 1.5 mm and a feed f of 0.2 mm.
  • the respective cutting speed v c was varied from 450 m / min (v c i) to 150 m / min (v c2 ).
  • the respective chip form classes of the materials from the group (CuSP, CuTeP and CuSMn) are all between 3 and 5.
  • the resulting chip images are also shown schematically in the present table. For better clarity, they are each assigned a single line for 20mm as a reference in order to be able to better estimate the results in the form of the chip sizes set during the examination.
  • Figure 3 shows the results of further processing steps of the group of Figure 2.
  • v c 450 m / min
  • a p of 1, 5 mm (a p-i) (0.75 mm by a p2 ) varies.
  • f 0.2 mm
  • the chip form class in particular of the copper alloy CuSMn, thus remains constant both in the case of variation of the cutting speed and in the case of variation of the cutting depth in the respectively present areas.
  • the group of investigated copper alloys also moves with variation of the cutting depth a p in a range of chipforming classes 3 to 5.
  • the results obtained in this way and compiled in FIGS. 2 to 4 were then compared with the test results for the present copper alloy according to the invention.
  • the reference value used was the well-known copper alloy CuZn39Pb3, which is considered to be the main alloy for machining, especially in Germany. Said copper alloy is used wherever it increasingly depends on a metal-cutting and chip-removing design. In connection with the CuZn39Pb3 copper alloy used herein as reference, its machinability is assumed to be 100%.
  • pure copper material achieves a stress index of 20% to a maximum of 30%.
  • chip-breaking elements such as sulfur (S), tellurium (Te), sulfur (S) and manganese (Mn), and lead (Pb).
  • the group investigated here is such that CuSP has a stress index of 70%, while CuTeP has a stress index of 80%. Finally, CuSMn achieves the highest stress index in the group of 90%.
  • FIG. 5 shows a tabular comparison of the materials contained therein with respect to their respective material properties.
  • the present table in FIG. 5 is constructed in such a way that it reflects the approximate production costs of the individually listed materials, starting with the cheapest material at the top.
  • the copper alloy CuNi1 PS0.35 in direct comparison with the other materials has a high 0.2% proof strength and tensile strength R m .
  • the alloy according to the invention has a very high relaxation resistance, which is indicated in the table by "++" and thus for the most part clearly stands against the particular relaxation resistance of the other materials listed
  • FIGS. 6 to 9 each show a micrograph of the microstructures from the group of individual copper materials underlying the investigations.
  • FIG. 6 shows the material CuSP with its arrangement of the chip-breaking elements. Its microstructure shows in part closely spaced and each dark copper sulfides, which serve here as a chip breaker.
  • FIG. 7 shows the material CuTeP, which in its microstructure contains darkened copper cell fluorates as chip breakers. These are in their arrangement largely isolated and further apart.
  • FIG. 8 shows the microstructure of the material CuSMn, which contains manganese sulphides as a chip breaker.
  • CuSMn has a high cutting index with a mostly good chipforming class, which is due to the uniform distribution of its chipbreakers shown in FIG.
  • FIG. 9 shows the etched microstructure of the standardized material CuNil P (CW108C) without chip-breaking phases.
  • nickel phosphides are not visible by light microscopy.
  • the nickel phosphides have no chipbreaking effect.
  • FIG. 11 shows the microstructure of the material CuNil PS according to the invention. This also has copper sulfide as a chip breaker. As can be seen, this one of the copper material CuSMn shown in Figure 8 has similar good distribution of its chip breaker, which manifests itself in a good machinability.
  • the copper alloy according to the invention has both a sufficient cold workability and a very good hot workability.
  • the invention is also directed to the use of such a copper alloy for the production of a product to be machined according to claim 7. Furthermore, the invention is directed to the use of such a copper alloy for the production of a semi-finished to be produced according to claim 8.
  • This may in particular be a rolled, pressed, drawn, forged or cast product.
  • rods and wires can be delivered from press and pull sequences as semi-finished products.
  • the following products can be produced by machining: plug contacts, crimp sleeves, crimp connectors, drilled shaft nails, motor parts, screws, locating pins, clamps, welding nozzles, cutting torch nozzles, valves, fittings, nuts, fittings, Contra tubes, contact pins.
  • FIG. 13 shows a diagram for varying the content of Ni and P at a constant content of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te
  • FIG. 14 shows a diagram for varying the contents of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te constant content of the basic elements Ni and P.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

The invention relates to a copper alloy which is constituted of nickel (Ni) 0.50 - 4.00, phosphorus (P) 0.05 - 0.75 in % by weight, and at least one element from the following group comprising sulfur (S) 0.10 - 0.80, manganese (Mn) 0.01 - 0.80, tellurium (Te) 0.01 - 1.00, wherein the alloy is exempt of beryllium (Be) and lead (Pb) and selectively contains aluminum (AI) max. 0.50, chromium (Cr) max. 0.50, iron (Fe) max. 0.50, magnesium (Mg) max 0.50, zirconium (Zr) max 0.50, zinc (Zn) max. 2,50, tin (Sn) max. 2,50, boron (B) max. 0.50, silver (Ag) max. 0.50, the remaining being copper (Cu) and impurities resulting from fusion.

Description

Kupferlegierung  copper alloy
Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung mit den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie die Verwendung einer solchen Kupferlegierung gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 7 oder 8. The invention relates to a copper alloy having the features in the preamble of claim 1 and the use of such a copper alloy according to the features of claim 7 or 8.
Als an sich weiches Metall wird Kupfer insbesondere aufgrund seiner guten Legierbarkeit geschätzt. Kupferlegierungen mit beispielsweise verbesserten Festigkeitseigenschaften werden auch dort eingesetzt, wo hohe Anforderungen an die Strom- und/oder Wärmeleitfähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit gestellt werden. Es sind daher zumeist mehrere Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. As a per se, soft metal copper is appreciated in particular because of its good alloyability. Copper alloys with, for example, improved strength properties are also used where high demands are placed on current and / or thermal conductivity and corrosion resistance. Therefore, it is usually several requirements to meet simultaneously.
Da Kupfer mit Ausnahme von Silber den kleinsten elektrischen Widerstand aller bekannten Metalle aufweist, werden Kupferlegierungen schon allein wegen der Häufigkeit von Kupfer und dem damit verbundenen Preisvorteil gegenüber Silber bevorzugt und für elektrische Kontaktbauteile verwendet. Since copper, with the exception of silver, has the lowest electrical resistance of all known metals, copper alloys are preferred and used for electrical contact components merely because of the frequency of copper and the associated price advantage over silver.
Zu solchen Kontaktbauteilen zählen beispielsweise mechanisch miteinander verbindbare sowie trennbare Verbindungselemente sowie Quetschverbindungen. Such contact components include, for example, mechanically connectable and separable fasteners and crimp connections.
Kupferlegierungen wie beispielsweise CuNi1 Pb1 P (C19160) oder CuNM P (CW108C) werden vorrangig für Steckkontakte eingesetzt, da diese eine hohe Relaxationsbeständigkeit aufweisen. Demgegenüber enthält der Werkstoff CuNi1 Pb1 P (C19160) das toxische Blei. Der Werkstoff CuNM P (CW108C) weist eine schlechte Zerspanbarkeit auf, so dass dieser bleifreie Werkstoff sich nicht oder nur schlecht für die Herstellung von Kontaktbauteilen durch spanende Verarbeitung eignet. Copper alloys such as CuNi1 Pb1 P (C19160) or CuNM P (CW108C) are primarily used for plug-in contacts, since they have a high relaxation resistance. In contrast, the material CuNi1 Pb1 P (C19160) contains the toxic lead. The material CuNM P (CW108C) has a poor machinability, so that this lead-free material is not or only poorly suitable for the production of contact components by machining.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Eine gute Zerspanbarkeit wird demgegenüber bei der Verwendung bekannter Kupferlegierungen wie CuSP, CuTeP oder CuSMn erreicht. Da es sich hierbei um nicht aushärtbare Legierungen mit sehr geringfügiger Mischkristallverfestigung handelt, besitzen diese allerdings eine nur geringe Relaxationsbeständigkeit. CONFIRMATION COPY In contrast, good machinability is achieved when using known copper alloys such as CuSP, CuTeP or CuSMn. Since these are non-hardenable alloys with very slight solid solution hardening, however, they have only a low relaxation resistance.
Die im Stand der Technik verwendeten Legierungen beinhalten zudem mitunter Bestandteile an Blei (Pb) oder Beryllium (Be), so dass sich diese Kupferlegierungen bereits aufgrund der bekannten Toxizität dieser Legierungselemente nicht für alle Anwendungen bedenkenlos einsetzen lassen. The alloys used in the prior art also sometimes contain components of lead (Pb) or beryllium (Be), so that these copper alloys can not be safely used for all applications due to the known toxicity of these alloying elements.
Vor diesem Hintergrund bietet die Zusammensetzung von Kupferlegierungen sowie deren Verwendung in Bezug auf deren jeweilige Materialeigenschaften noch Raum für Verbesserungen. Against this background, the composition of copper alloys and their use in terms of their respective material properties still has room for improvement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sowohl relaxationsbeständige als auch zerspanbare Kupferlegierung zur Verfügung zu stellen, welche frei ist von den Legierungselementen Beryllium und Blei. Weiterhin soll die Verwendung einer solchen relaxationsbeständigen und zerspanbaren sowie blei- und berylliumfreien Kupferlegierung für daraus herzustellende Produkte aufgezeigt werden. The invention has for its object to provide a both relaxation-resistant and machinable copper alloy available, which is free of the alloying elements beryllium and lead. Furthermore, the use of such a relaxation-resistant and machinable as well as lead and beryllium-free copper alloy for products to be produced from it is to be shown.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Kupferlegierung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie deren Verwendung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 oder 8. The solution of this problem consists according to the invention in a copper alloy with the features of claim 1 and their use with the features according to claim 7 or 8.
Wenn es nachfolgend nicht anders angegeben ist, verstehen sich alle Angaben zu den Legierungselementen in Gewichtsprozent. Unless otherwise stated below, all information on alloying elements is by weight.
Es wird eine Kupferlegierung vorgeschlagen mit Anteilen in Gewicht-% an It is proposed a copper alloy with proportions in weight%
Nickel (Ni) 0,50 - 4,00 Nickel (Ni) 0.50 - 4.00
Phosphor (P) 0,05 - 0,75. Um die geforderte Zerspanbarkeit zu erreichen, ist zur Bildung spanbrechender Phasen weiterhin wenigstens ein Element aus der nachfolgenden Gruppe enthalten: Phosphorus (P) 0.05-0.75. In order to achieve the required machinability, at least one element from the following group is furthermore contained for the formation of chip-breaking phases:
Schwefel (S) 0,10 - 0,80 Sulfur (S) 0.10 - 0.80
Mangan (Mn) 0,01 - 0,80  Manganese (Mn) 0.01 - 0.80
Tellur (Te) 0,01 - 1 ,00  Tellurium (Te) 0.01 - 1.00
Die Legierung ist zur Vermeidung toxischer Eigenschaften frei von Beryllium (Be) und Blei (Pb). The alloy is free of beryllium (Be) and lead (Pb) to avoid toxic properties.
Je nach verwendeter Basis für die Kupferlegierung kann folglich Schwefel (S) oder Mangan (Mn) oder Tellur (Te) allein oder in Kombination in den angegebenen Grenzen enthalten sein. Accordingly, depending on the base used for the copper alloy, sulfur (S) or manganese (Mn) or tellurium (Te) may be contained alone or in combination within the specified limits.
Wahlweise enthält die Kupferlegierung zur Verbesserung der jeweils geforderten Eigenschaften: Optionally, the copper alloy contains to improve the respective required properties:
Aluminium (AI) max. 0,50 Aluminum (AI) max. 0.50
Chrom (Cr) max. 0,50  Chrome (Cr) max. 0.50
Eisen (Fe) max. 0,50  Iron (Fe) max. 0.50
Magnesium (Mg) max. 0,50  Magnesium (Mg) max. 0.50
Zirkon (Zr) max. 0,50  Zircon (Zr) max. 0.50
Zink (Zn) max. 2,50  Zinc (Zn) max. 2.50
Zinn (Sn) max. 2,50  Tin (Sn) max. 2.50
Bor (B) max. 0,50  Boron (B) max. 0.50
Silber (Ag) max. 0,50.  Silver (Ag) max. 0.50.
Bei der vorgenannten Gruppe handelt es sich um optionale Legierungselemente. Sie können bei Bedarf einzeln oder in Kombination in den angegebenen Grenzen enthalten sein. Die Legierung enthält als Rest Kupfer (Cu) und kann übliche, erschmelzungs- bedingte Verunreinigungen aufweisen. The aforementioned group are optional alloying elements. If necessary, they can be included individually or in combination within the specified limits. The alloy contains copper (Cu) as the remainder and may contain common impurities caused by melting.
Die erfindungsgemäße Kupferlegierung vereint eine gute Zerspanbarkeit sowie hohe Relaxationsbeständigkeit. Insbesondere in Bezug auf Blei (Pb) wurde festgestellt, dass dessen Zugabe von maximal 0, 1 % die Zerspanbarkeit nicht verbessert. Bei der Zugabe von Blei überwiegt vielmehr die Warmrissgefahr durch Bleianschmelzungen auf den Korngrenzen der Kristallite. Das ist bemerkenswert, denn bei den im Stand der Technik bekannten Kupferwerkstoffen ist die Verbesserung der Zerspanbarkeit in der Regel auf die Zugabe von Blei (Pb) in metallischer Form zurückzuführen. The copper alloy according to the invention combines good machinability and high relaxation resistance. In particular, with respect to lead (Pb), it has been found that its addition of at most 0.1% does not improve the machinability. In the case of lead addition, the hot cracking risk is predominated by lead smelting on the grain boundaries of the crystallites. This is remarkable because in the case of the copper materials known in the prior art, the improvement in machinability is generally attributable to the addition of lead (Pb) in metallic form.
Mit der Zugabe von Schwefel und/oder Mangan (Mn) und/oder Tellur (Te) in den angegebenen Grenzen wird bei der erfindungsgemäßen Legierung bewirkt, dass die Zerspanbarkeit auch ohne Zugabe von Blei (Pb) verbessert wird, indem spanbrechende Phasen gebildet werden. With the addition of sulfur and / or manganese (Mn) and / or tellurium (Te) within the specified limits, the machinability of the alloy according to the invention is also improved without the addition of lead (Pb) by forming chip-breaking phases.
Mangan (Mn) wirkt verfestigend und dient als Desoxidationsmittel innerhalb der Kupferlegierung. Weiterhin kann durch Mangan (Mn) das Korn der Kupferlegierung verfeinert werden. Manganese (Mn) acts as a hardening agent and serves as a deoxidizer within the copper alloy. Furthermore, by manganese (Mn), the grain of the copper alloy can be refined.
Schwefel (S) verbessert die Zerspanbarkeit des Kupferwerkstoffs. Durch Mangan (Mn) wird die Phasenbildung des Schwefels (S) mit anderen Legierungselementen verhindert oder vermindert. Sulfur (S) improves the machinability of the copper material. Manganese (Mn) prevents or reduces the phase formation of sulfur (S) with other alloying elements.
Neben der verbesserten Zerspanbarkeit sowie Relaxationsbeständigkeit besitzt die erfindungsgemäße Kupferlegierung eine gute elektrische Leitfähigkeit, die je nach untersuchter Zusammensetzung von 12 MS/m bei z. B. CuNi4PS bis 43 MS/m bei CuNiO,5PS reicht. In addition to the improved machinability and relaxation resistance copper alloy of the invention has a good electrical conductivity, depending on the examined composition of 12 MS / m at z. B. CuNi4PS to 43 MS / m with CuNiO, 5PS ranges.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche 2 bis 6. Hiernach können die Legierungsbestandteile aus der vorstehenden Gruppe, sofern sie zulegiert werden, bezüglich Zink (Zn) und Zinn (Sn) in einem Bereich von jeweils 0,01 - 2,50 Gewicht-% enthalten sein. Advantageous developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims 2 to 6. Hereinafter, the alloy components of the above group, if added, may be contained in a range of 0.01 - 2.50 wt% each with respect to zinc (Zn) and tin (Sn).
Weiterhin können Anteile an Aluminium (AI), Bor (B), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Silber (Ag) und Zirkon (Zr) jeweils 0,01 % - 0,5 Gewicht-% betragen. Further, amounts of aluminum (Al), boron (B), chromium (Cr), iron (Fe), magnesium (Mg), silver (Ag) and zircon (Zr) may each be 0.01% - 0.5% by weight. be.
Phosphor (P) und Bor (B) haben die Eigenschaft, der Wasserstoffkrankheit entgegenzuwirken. Der im Kupfermischkristall gelöste Sauerstoff wird durch die Zugabe von Phosphor (P) und gegebenenfalls Bor (B) an diese Legierungselemente gebunden. Bei Aufnahme von Wasserstoff im Werkstoff kann kein Wasserdampf entstehen, der die Gefügestruktur auflockert. Phosphor (P) und Bor (B) fungieren als Desoxidationsmittel. Phosphorus (P) and boron (B) have the property of counteracting hydrogen disease. The oxygen dissolved in the copper mixed crystal is bound to these alloying elements by the addition of phosphorus (P) and optionally boron (B). When hydrogen is absorbed in the material, no water vapor can form, which loosens up the microstructure. Phosphorus (P) and boron (B) act as deoxidizers.
Weiterhin verhindert die Zugabe von Phosphor (P) die Oxidation von einzelnen Legierungselementen. Überdies können auch die Flieseigenschaften der Kupferlegierung beim Gießen durch Zugabe von Phosphor (P) verbessert werden. Furthermore, the addition of phosphorus (P) prevents the oxidation of individual alloying elements. Moreover, the tile properties of the copper alloy during casting can be improved by adding phosphorus (P).
Durch die erfindungsgemäße Zugabe von Aluminium (AI) kann die Härte des Kupferwerkstoffs und dessen Dehngrenze ohne Verminderung der Zähigkeit erhöht werden. Bei Aluminium (AI) handelt es sich um ein Legierungselement, durch welches die Festigkeit sowie die Bearbeitbarkeit und die Verschleißbeständigkeit der Kupferlegierung bei hohen Temperaturen verbessert werden kann. Dies gilt im Übrigen auch für die Verbesserung der Oxidationsresistenz der Kupferlegierung. By adding aluminum (AI) according to the invention, the hardness of the copper material and its yield strength can be increased without reducing the toughness. Aluminum (Al) is an alloying element by which the strength, machinability and wear resistance of the copper alloy at high temperatures can be improved. Incidentally, this also applies to the improvement of the oxidation resistance of the copper alloy.
Die Zugabe von Chrom (Cr) und Magnesium (Mg) dient ebenfalls zur Verbesserung der Oxidationsresistenz der Kupferlegierung bei hohen Temperaturen. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang beobachtet, wenn Chrom (Cr) und Magnesium (Mg) in Kombination mit Aluminium (AI) hinzulegiert werden. Auf diese Weise kann ein vorteilhafter Synergieeffekt dieser Bestandteile erzielt werden. Eisen (Fe) dient generell zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Kupferlegierung. The addition of chromium (Cr) and magnesium (Mg) also serves to improve the oxidation resistance of the copper alloy at high temperatures. Particularly good results are observed in this context when chromium (Cr) and magnesium (Mg) are added in combination with aluminum (Al). In this way, an advantageous synergy effect of these components can be achieved. Iron (Fe) generally serves to increase the corrosion resistance of the copper alloy.
Zirkon (Zr) kann die Warmumformbarkeit des erfindungsgemäßen Kupferwerkstoffs verbessern. Zircon (Zr) can improve the hot workability of the copper material according to the invention.
Insbesondere bei einer zumindest teilweisen Verzinnung der Kupferlegierung wird vorgeschlagen, einen Anteil an Zink (Zn) in einem Bereich von 0,01 - 2,50 % hinzu- zulegieren. Zink (Zn) verbessert die Haftung der Verzinnung bzw. verbessert die Beständigkeit gegenüber dem Ablöseverhalten von Verzinnungen (peeling off). In particular, in the case of an at least partial tin-plating of the copper alloy, it is proposed to add in a proportion of zinc (Zn) in a range from 0.01 to 2.50%. Zinc (Zn) improves the adhesion of the tin-plating or improves the resistance to the peel-off behavior of peelings.
Durch Zinn (Sn) kann ferner die Mischkristallverfestigung der erfindungsgemäßen Kupferlegierung gesteigert werden. Tin (Sn) can further increase the solid solution hardening of the copper alloy according to the invention.
Schwefel (S) und/oder Tellur (Te) als Spanbrecher können bevorzugt mit Mangan (Mn) kombiniert werden. Schwefel und Mangan bilden Mangansulfide, welche die Zerspanbarkeit gegenüber Kupfersulfiden erhöhen. Sulfur (S) and / or tellurium (Te) as chip breakers may preferably be combined with manganese (Mn). Sulfur and manganese form manganese sulfides, which increase the machinability towards copper sulfides.
Nachfolgend sind besonders bevorzugte Zusammensetzungen in Bezug auf die Legierungselemente (Ni), Phosphor (P), Schwefel (S), Mangan (Mn) und Tellur (Te) angegeben, wobei zusätzlich die weiteren im Patentanspruch 1 angegebenen Legierungselemente in der Kupferlegierung enthalten sein können. Der Rest wird von Kupfer und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen gebildet: Hereinafter, particularly preferred compositions in terms of the alloying elements (Ni), phosphorus (P), sulfur (S), manganese (Mn) and tellurium (Te) are given, wherein in addition the other alloying elements specified in claim 1 may be contained in the copper alloy , The remainder is formed by copper and impurities caused by melting:
A) A)
Nickel (Ni) 0,55 - 3,00 Nickel (Ni) 0.55 - 3.00
Phosphor (P) 0,07 - 0,60  Phosphorus (P) 0.07-0.60
und wenigstens einem Element aus der nachfolgenden Gruppe and at least one element from the subsequent group
Schwefel (S) 0,15 - 0,70  Sulfur (S) 0.15-0.70
Mangan (Mn) 0,03 - 0,75  Manganese (Mn) 0.03 - 0.75
Tellur (Te) 0,05 - 0,90 Nickel (Ni) 0,60 - 2,00 Tellurium (Te) 0.05-0.90 Nickel (Ni) 0.60 - 2.00
Phosphor (P) 0,10-0,50  Phosphorus (P) 0.10-0.50
nigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe  at least one element from the following group
Schwefel (S) 0,20 - 0,62  Sulfur (S) 0.20 - 0.62
Mangan (Mn) 0,05-0,70  Manganese (Mn) 0.05-0.70
Tellur (Te) 0,20-0,80  Tellurium (Te) 0.20-0.80
C) C)
Nickel (Ni) 0,70-1,50  Nickel (Ni) 0.70-1.50
Phosphor (P) 0,12-0,40  Phosphorus (P) 0.12-0.40
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe: and at least one element from the following group:
Schwefel (S) 0,25 - 0,57  Sulfur (S) 0.25-0.57
Mangan (Mn) 0,08-0,55  Manganese (Mn) 0.08-0.55
Tellur (Te) 0,30-0,70  Tellurium (Te) 0.30-0.70
D) D)
Nickel (Ni) 0,80-1,20  Nickel (Ni) 0.80-1.20
Phosphor (P) 0,15-0,35  Phosphorus (P) 0.15-0.35
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe and at least one element from the following group
Schwefel (S) 0,30 - 0,50  Sulfur (S) 0.30-0.50
Mangan (Mn) 0,10-0,40  Manganese (Mn) 0.10-0.40
Tellur (Te) 0,40-0,60.  Tellurium (Te) 0.40-0.60.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Abbildungen sowie Tabellen insbesondere in Abgrenzung gegenüber dem Stand der Technik näher erläutert. Es zeigen: The present invention will be explained in more detail below with reference to figures illustrated in the figures and tables in particular in distinction from the prior art. Show it:
Figur 1 Stahl-Eisen-Prüfblatt (SEP) 1178-90 zur analogen Beurteilung der Figure 1 Steel Iron Test Sheet (SEP) 1178-90 for analogous evaluation of
Spanformklasse der erfindungsgemäßen Kupferlegierung; Figur 2 Untersuchungsergebnisse an den Kupferlegierungen CuSP, CuTeP und CuSMn mit Blick auf die Spanformklassen durch mechanische Bearbeitung in Form von Außenlängsdrehen bei Variation der Schnittgeschwindigkeit; Chip forming class of the copper alloy according to the invention; FIG. 2 Examination results on the copper alloys CuSP, CuTeP and CuSMn with a view to the chip forming classes by mechanical processing in the form of external longitudinal rotation with variation of the cutting speed;
Figur 3 die Untersuchungsergebnisse an den Werkstoffen aus Figur 2 in Bezug auf die Spanformklassen bei Varianten der Schnitttiefe; FIG. 3 shows the examination results on the materials from FIG. 2 with respect to the chipform classes in the case of variants of the depth of cut;
Figur 4 die Ergebnisse der Spanformklassen der Figuren 2 und 3 in FIG. 4 shows the results of the chipforming classes of FIGS. 2 and 3 in FIG
Abhängigkeit von den jeweiligen Vorschub bei der mechanischen Bearbeitung;  Dependence on the respective feed in the mechanical processing;
Figur 5 eine tabellarische Übersicht der Werkstoffeigenschaften einzelner im Figure 5 is a tabular overview of the material properties of individual im
Stand der Technik bekannter Kupferlegierungen mit einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung;  Prior art known copper alloys with a copper alloy according to the invention;
Figur 6 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuSP; FIG. 6 shows a microsection through the microstructure of the copper alloy CuSP known in the prior art;
Figur 7 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuTeP; FIG. 7 shows a microsection through the microstructure of the copper alloy CuTeP known in the prior art;
Figur 8 ein weiteres Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der FIG. 8 shows a further microsection through the microstructure of the prior art
Technik bekannten Kupferlegierung CuSMn;  Technique known copper alloy CuSMn;
Figur 9 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur der im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung CuNil P; FIG. 9 shows a microsection through the microstructure of the copper alloy CuNil P known in the prior art;
Figur 10 eine Abbildung der sich bei der mechanischen Bearbeitung der im FIG. 10 shows an illustration of the mechanical processing of the
Stand der Technik bekannten Kupferlegierung aus Figur 9 ergebenden Spanausbildung;  Prior art known copper alloy resulting from Figure 9 chip formation;
Figur 1 1 ein Schliffbild durch die Gefügestruktur einer erfindungsgemäßen Figure 1 1 is a microsection through the microstructure of an inventive
Kupferlegierung CuNil PS; Figur 12 eine Abbildung der sich bei der mechanischen Bearbeitung der erfindungsgemäßen Kupferlegierung aus Figur 1 1 ergebenden Spanausbildung; Copper alloy CuNil PS; FIG. 12 shows an illustration of the chip formation resulting during the mechanical processing of the copper alloy according to the invention from FIG.
Figur 13 Diagramm zur Variation des Ni- und P-Gehalts bei konstantem Gehalt der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te und FIG. 13 Diagram for variation of the Ni and P contents at a constant content of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te and
Figur 14 Diagramm zur Variation der Gehalte der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te bei konstantem Gehalt der Basiselemente Ni und P. FIG. 14 Diagram for varying the contents of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te at a constant content of the basic elements Ni and P.
Um die positiven Eigenschaften und Unterschiede der erfindungsgemäßen Kupferlegierung gegenüber den im Stand der Technik bekannten Kupferlegierung zu erläutern, wurden vorliegend zunächst eine Gruppe aus den bekannten Kupferlegierungen CuSP (CW1 14C), CuTeP (CW1 18C, C14500) und CuSMn (C 14750) näher untersucht. In order to explain the positive properties and differences of the copper alloy according to the invention compared to the copper alloy known in the prior art, a group of the known copper alloys CuSP (CW1 14C), CuTeP (CW1 18C, C14500) and CuSMn (C 14750) were first examined in more detail ,
Aus Figur 1 geht ein Stahl-Eisen-Prüfblatt 1 1 78-90 hervor, um die sich bei der spanabhebenden Bearbeitung ergebenden Ausgestaltungen der Späne analog auf die vorliegend untersuchte Gruppe zu beziehen. FIG. 1 shows a steel-iron test sheet 1 1 78-90 in order to relate the shapes of the chips resulting in the machining operation to the group investigated in the present case.
Das sich ergebende Spanbild wurde dabei in eine von insgesamt acht Spanformklassen (1 - 8) eingeteilt, wie in der ersten Spalte, links neben den schematisch dargestellten Spänen zu erkennen ist. Den einzelnen Spanbildern sind entsprechend ihrer Ausgestaltung passende Terminologien zugeordnet, welche von "Bandspäne" bis "Bröckelspäne" reichen. The resulting chip image was classified into one of eight chipforming classes (1 - 8), as can be seen in the first column, to the left of the chips shown schematically. The individual chip images are associated with appropriate terminology according to their design, ranging from "band chips" to "shavings".
In der rechts neben den Spanformklassen gelegenen Spalte ist die Spanraumzahl R aufgeführt, welche das Verhältnis zwischen dem Raumbedarf einer ungeordneten Spanmenge (Vspan) und dem Werkstoffvolumen derselben Spanmenge (V) angibt. Eine kleine Spanraumzahl R lässt auf kleine Späne schließen, welche in ihrer räumlichen Ausgestaltung entsprechend wenig Platz benötigen. Somit sind diese in ihrer Handhabung gegenüber großen Spänen deutlich leichter. Demgegenüber lässt eine große Spanraumzahl R auf einen hohen Platzbedarf der Späne schließen, so dass deren Handhabung aufgrund des sich ausdehnenden Volumens deutlich erschwert ist. In the column to the right of the chip forming classes, the chip space number R is listed, which indicates the ratio between the space requirement of a disordered chip quantity (V spa n) and the material volume of the same chip quantity (V). A small chip space number R suggests small chips, which require little space in their spatial design. Thus, these are much easier to handle compared to large chips. On the other hand leaves Close a large chip space R on a high space requirement of the chips, so that their handling is significantly more difficult due to the expanding volume.
Die Spanformklassen und die jeweiligen Spanraumzahlen R sind in der ganz rechten Spalte in Figur 1 einer Beurteilung zugeführt, wobei die Spanformklassen 7 und 8 mit ihrer jeweiligen Spanraumzahl R als "brauchbar" eingestuft wurden, während die Spanformklassen 5 und 6 in Kombination mit ihren jeweiligen Spanraumzahlen R als "gut" beurteilt sind. Die verbleibenden Spanformklassen 1 bis 4 im Zusammenhang mit deren jeweiliger Spanraumzahl R sind dagegen ersichtlich als "ungünstig" eingestuft, wobei bei den Spanformklassen 3 und 4 ein fließender Übergang zu "gut" vorliegt. The chipforming classes and the respective chip space numbers R are given a judgment in the rightmost column in FIG. 1, the chipforming classes 7 and 8 having their respective chip space number R being classified as "usable" while the chipforming classes 5 and 6 are combined with their respective chip space numbers R are judged to be "good". On the other hand, the remaining chip forming classes 1 to 4 in connection with their respective chip space number R are classified as "unfavorable", with a smooth transition to "good" occurring in chipform classes 3 and 4.
Figur 2 zeigt die Ergebnisse der mechanischen Bearbeitung der untersuchten Gruppe der bekannten Kupferlegierungen in Bezug auf die sich ergebenden Spanformklassen beim Außenlängsdrehen eines daraus bestehenden Werkstücks. Figure 2 shows the results of mechanical working of the examined group of known copper alloys with respect to the resulting chip forming classes in external longitudinal turning of a workpiece thereof.
Die mit Figur 2 vorliegenden Ergebnisse basieren auf einer konstanten Schnitttiefe ap von 1 ,5 mm und einem Vorschub f von 0,2 mm. Die jeweilige Schnittgeschwindigkeit vc wurde dabei von 450 m/min (vci ) auf 150 m/min (vc2) variiert. Wie zu erkennen, liegen die jeweiligen Spanformklassen der Werkstoffe aus der Gruppe (CuSP, CuTeP und CuSMn) allesamt zwischen 3 und 5. Die sich jeweils ergebenden Spanbilder sind ebenfalls in der vorliegenden Tabelle schematisch dargestellt. Zur besseren Verdeutlichung ist diesen jeweils ein Einheitsstrich für 20mm als Bezug zugeordnet, um die Ergebnisse in Form der sich bei der Untersuchung eingestellten Spangrößen besser einschätzen zu können. The results presented in FIG. 2 are based on a constant cutting depth a p of 1.5 mm and a feed f of 0.2 mm. The respective cutting speed v c was varied from 450 m / min (v c i) to 150 m / min (v c2 ). As can be seen, the respective chip form classes of the materials from the group (CuSP, CuTeP and CuSMn) are all between 3 and 5. The resulting chip images are also shown schematically in the present table. For better clarity, they are each assigned a single line for 20mm as a reference in order to be able to better estimate the results in the form of the chip sizes set during the examination.
Figur 3 zeigt die Ergebnisse weiterer Bearbeitungsschritte der Gruppe aus Figur 2. Hierbei wurde bei gleich bleibender Schnittgeschwindigkeit vc von 450 m/min die jeweilige Schnitttiefe ap von 1 ,5 mm (ap-i ) nach 0,75 mm (ap2) hin variiert. Wie bereits bei die vorherigen und in Bezug auf deren Ergebnisse in Figur 2 ersichtliche Untersuchung wurde auch hierbei ein konstanter Vorschub von f = 0,2 mm eingehalten. Figure 3 shows the results of further processing steps of the group of Figure 2. Here, was at a constant cutting speed v c of 450 m / min, the respective cutting depth a p of 1, 5 mm (a p-i) (0.75 mm by a p2 ) varies. As already In the case of the previous examination, which was evident in relation to their results in FIG. 2, a constant feed of f = 0.2 mm was also observed here.
Aus Figur 3 geht hervor, dass die Variation der Schnitttiefe (ap) insbesondere bei dem Werkstoffen CuSP und CuTeP zu einer Veränderung der Spanformklasse führt, wobei eine Vergrößerung der Schnitttiefe ap sich einer Verschlechterung der Spanformklasse äußert. Demgegenüber bleibt die Spanformklasse von CuSMn während der Variation der Schnitttiefe ap konstant, wie es im Übrigen auch bei der Variation der Schnittgeschwindigkeit vc der Fall war (siehe Figur 2). From FIG. 3, it can be seen that the variation of the depth of cut (a p ), particularly in the case of the materials CuSP and CuTeP, leads to a change in the chipforming class, wherein an increase in the cutting depth a p indicates a deterioration of the chipforming class. In contrast, the chipforming class of CuSMn remains constant during the variation of the cutting depth a p , as was otherwise the case with the variation of the cutting speed v c (see FIG. 2).
Wie zu erkennen, bleibt die Spanformklasse insbesondere der Kupferlegierung CuSMn somit sowohl bei Variation der Schnittgeschwindigkeit als auch bei Variation der Schnitttiefe in den jeweils vorliegenden Bereichen konstant. As can be seen, the chip form class, in particular of the copper alloy CuSMn, thus remains constant both in the case of variation of the cutting speed and in the case of variation of the cutting depth in the respectively present areas.
Weiterhin bewegt sich die Gruppe der untersuchten Kupferlegierungen auch bei Variation der Schnitttiefe ap in einem Bereich der Spanformklassen 3 bis 5. Furthermore, the group of investigated copper alloys also moves with variation of the cutting depth a p in a range of chipforming classes 3 to 5.
Aus Figur 4 geht das Ergebnis der Variation des Vorschubs f in ihrer Auswirkung auf die Spanformklasse der jeweiligen Kupferlegierungen aus der untersuchten Gruppe hervor. Wie zu erkennen, verschlechtert sich die Spanformklasse der Gruppe mit abnehmendem Vorschub f insgesamt. Bei dem aus den Figuren 2 und 3 hervorgehenden Vorschub f von 0,2 mm liegen alle drei Kupferlegierungen der Prüfgruppe dagegen dicht beieinander. Lediglich die Kupferlegierung CuSMn verbessert seine Spanformklasse mit zunehmendem Vorschub f, welcher vorliegend bis 0,3 mm geprüft wurde. Die sich jeweils ergebenden Spanformen gehen ebenfalls aus den schematisch dargestellten Abbildungen in Kombination mit der vorliegenden Tabelle hervor. From Figure 4, the result of the variation of the feed f results in their effect on the chip forming class of the respective copper alloys from the examined group. As can be seen, the chipforming class of the group deteriorates with decreasing feed f as a whole. In the resulting from the figures 2 and 3 feed f of 0.2 mm, however, all three copper alloys of the test group are close to each other. Only the copper alloy CuSMn improves its chipbreaker class with increasing feed f, which was tested to 0.3 mm in the present case. The respective resulting chip forms also result from the diagrams shown schematically in combination with the present table.
Die so erhaltenen und in den Figuren 2 bis 4 zusammengestellten Ergebnisse wurden anschließend mit den Untersuchungsergebnissen für die vorliegende erfindungsgemäße Kupferlegierung verglichen. Als Referenzwert wurde die bekannte Kupferlegierung CuZn39Pb3 verwendet, welche insbesondere in Deutschland als die Hauptlegierung für Zerspanung gilt. Besagte Kupferlegierung findet überall dort ihren Einsatz, wo es verstärkt auf eine spanende sowie spanabhebende Formgebung ankommt. Im Zusammenhang mit der vorliegend als Referenz genutzten Kupferlegierung CuZn39Pb3 wird deren Zerspanbarkeit mit einem Zerspanungsindex von 100% angenommen. The results obtained in this way and compiled in FIGS. 2 to 4 were then compared with the test results for the present copper alloy according to the invention. The reference value used was the well-known copper alloy CuZn39Pb3, which is considered to be the main alloy for machining, especially in Germany. Said copper alloy is used wherever it increasingly depends on a metal-cutting and chip-removing design. In connection with the CuZn39Pb3 copper alloy used herein as reference, its machinability is assumed to be 100%.
Demgegenüber erreicht reiner Kupferwerkstoff einen Zerspannungsindex von 20% bis maximal 30%. Bei diesen Kupfersorten handelt es sich um niedrig legierte und aushärtbare Kupferwerkstoffe, welche keine spanbrechende Elemente wie Schwefel (S), Tellur (Te) sowie Schwefel (S) und Mangan (Mn) sowie Blei (Pb) beinhalten. In contrast, pure copper material achieves a stress index of 20% to a maximum of 30%. These types of copper are low-alloyed and hardenable copper materials that do not contain chip-breaking elements such as sulfur (S), tellurium (Te), sulfur (S) and manganese (Mn), and lead (Pb).
Zwischen diesen beiden Kupferwerkstoffen reiht sich die vorliegend untersuchte Gruppe derart ein, dass CuSP einen Zerspannungsindex von 70% aufweist, während CuTeP einen Zerspannungsindex von 80% besitzt. Letztlich erreicht CuSMn den höchsten Zerspannungsindex aus der Gruppe von 90%. Between these two copper materials, the group investigated here is such that CuSP has a stress index of 70%, while CuTeP has a stress index of 80%. Finally, CuSMn achieves the highest stress index in the group of 90%.
Figur 5 zeigt hierzu eine tabellarische Gegenüberstellung der darin enthaltenen Werkstoffe in Bezug auf deren jeweilige Werkstoffeigenschaften. FIG. 5 shows a tabular comparison of the materials contained therein with respect to their respective material properties.
Neben den in der ganz linken Spalte untereinander aufgeführten Werkstoffen sind jeweils rechts daneben deren zugehörige Größen aus weiteren Untersuchungen zu entnehmen, beginnend mit der 0,2%-Dehngrenze Rp0,2- Rechts daneben findet sich die Zugfestigkeit Rm sowie Bruchdehnung A. In addition to the materials listed below each other in the left-hand column, their corresponding sizes can be found on the right next to each other, starting with the 0.2% proof stress R p0 , 2- Right next to this there is the tensile strength R m and elongation at break A.
In der sich daran anschließenden rechten Spalte ist die jeweilige Brinellhärte (HBW) angegeben und in der rechts darauf folgenden Spalte die Leitfähigkeit der einzelnen Werkstoffe. Die ganz rechts gelegenen, letzten beiden Spalten zeigen zunächst qualitativ die jeweilige Relaxation sowie die Zerspanbarkeit in Form des Zerspannungsindexes in %. Die vorliegende Tabelle in Figur 5 ist dabei so aufgebaut, dass diese die ungefähren Herstellungskosten der einzeln aufgeführten Werkstoffe widerspiegelt, beginnend mit dem preiswertesten Werkstoff oben. In the following right column, the respective Brinell hardness (HBW) is given and in the right following column, the conductivity of the individual materials. The last two columns on the far right show qualitatively the respective relaxation and the machinability in the form of the stress index in%. The present table in FIG. 5 is constructed in such a way that it reflects the approximate production costs of the individually listed materials, starting with the cheapest material at the top.
In der untersten Zeile findet sich die erfindungsgemäße Kupferlegierung mit den dort aufgeführten Größenordnungen ihrer einzelnen Legierungskomponenten wieder, näherhin CuNi1 PS0,35. In the bottom line is the copper alloy according to the invention with the listed there orders of magnitude of their individual alloy components again, more specifically CuNi1 PS0.35.
Wie zu erkennen ist, weist die Kupferlegierung CuNi1 PS0,35 im direkten Vergleich mit den anderen Werkstoffen eine hohe 0,2%-Dehngrenze sowie Zugfestigkeit Rm auf. Das gilt auch für die Brinellhärte HBW, welche mit 150 signifikant höher ist als bei der als Referenz gewählten und in der obersten Zeile der Tabelle in Figur 5 genannten Kupferwerkstoff CuZn39Pb3 mit HBW 90. As can be seen, the copper alloy CuNi1 PS0.35 in direct comparison with the other materials has a high 0.2% proof strength and tensile strength R m . This also applies to the Brinell hardness HBW, which is significantly higher at 150 than in the CuZn39Pb3 copper material with HBW 90 selected as the reference and mentioned in the uppermost row of the table in FIG.
Erfindungsgemäß weist die erfindungsgemäße Legierung eine sehr hohe Relaxationsbeständigkeit auf, welche in der Tabelle mit„++" kenntlich gemacht ist und damit zumeist deutlich gegenüber der jeweiligen Relaxationsbeständigkeit der anderen aufgeführten Werkstoffe liegt. Lediglich der Werkstoff CuNM P besitzt eine ähnlich gute Relaxationsbeständigkeit, weist demgegenüber allerdings eine deutlich schlechtere Zerspanbarkeit von lediglich 30% gegenüber der erfindungsgemäßen Kupferlegierung CuNM PS0.35 auf. According to the invention, the alloy according to the invention has a very high relaxation resistance, which is indicated in the table by "++" and thus for the most part clearly stands against the particular relaxation resistance of the other materials listed However, a significantly poorer machinability of only 30% compared to the copper alloy according to the invention CuNM PS0.35 on.
Auffällig hierbei ist, dass die in den ersten vier Zeilen aufgeführten Werkstoffe zwar einen ähnlich guten und mit 100% bei CuZn39Pb3 entsprechend höheren Zerspanungsindex besitzen, demgegenüber allerdings in ihrer jeweiligen Relaxationsbeständigkeit der Kupferlegierung CuNM PS der Erfindung deutlich unterliegen. It is striking that the materials listed in the first four lines have a similarly good and with 100% CuZn39Pb3 correspondingly higher cutting index, however, in their respective relaxation resistance of the copper alloy CuNM PS of the invention clearly subject.
Die vorliegend aufgeführten Werte für den jeweiligen Zerspannungsindex der im Stand der Technik bekannten Werkstoffe wurde zum Teil aus dem Informationsdruck i18 des deutschen Kupferinstituts "Richtwerte für die spanende Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen" entnommen. Die Bestimmung der mechanischen Kennwerte für die vorliegende Tabelle erfolgte nach DIN ISO 6892-1. Dabei entsprach die jeweilige Probenform der Form A gemäß DIN 50125. Die jeweilige Leitfähigkeit wurde mit einem Sigmatester der Firma Förster ermittelt. Das jeweilige Relaxationsverhalten wurde anhand von internen Messungen an den verwandten Werkstoffen extrapoliert, welche allerdings gegenüber der Kupferlegierung der Erfindung keine erfindungsgemäßen spanbrechenden Elemente enthielten. The values listed here for the respective stress index of the materials known in the prior art were taken in part from the information print i18 of the German copper institute "Guidelines for the Machining of Copper and Copper Alloys". The determination of the mechanical characteristic values for the present table was carried out according to DIN ISO 6892-1. The respective sample shape corresponded to the form A according to DIN 50125. The respective conductivity was determined using a Sigmatester from Förster. The respective relaxation behavior was extrapolated on the basis of internal measurements on the related materials, which, however, compared to the copper alloy of the invention contained no chip-breaking elements according to the invention.
Die Figuren 6 bis 9 zeigen jeweils ein Schliffbild der Mikrostrukturen aus der den Untersuchungen zugrunde liegenden Gruppe der einzelnen Kupferwerkstoffe. FIGS. 6 to 9 each show a micrograph of the microstructures from the group of individual copper materials underlying the investigations.
Figur 6 zeigt dabei den Werkstoff CuSP mit seiner Anordnung der spanbrechenden Elemente. Dessen Mikrostruktur zeigt zum Teil dicht beieinander liegende und jeweils dunkel dargestellte Kupfersulfide, welcher hierbei als Spanbrecher dienen. FIG. 6 shows the material CuSP with its arrangement of the chip-breaking elements. Its microstructure shows in part closely spaced and each dark copper sulfides, which serve here as a chip breaker.
Figur 7 zeigt demgegenüber den Werkstoff CuTeP, welcher in seiner Mikrostruktur dunkel dargestellte Kupfertellurieden als Spanbrecher enthält. Diese sind in ihrer Anordnung größtenteils vereinzelter und weiter auseinander gelegen. In contrast, FIG. 7 shows the material CuTeP, which in its microstructure contains darkened copper cell fluorates as chip breakers. These are in their arrangement largely isolated and further apart.
Aus Figur 8 geht die Mikrostruktur des Werkstoffs CuSMn hervor, welcher als Spanbrecher Mangansulfide enthält. Wie bereits aus den in den Figuren 2 bis 4 und in Zeile vier der Tabelle aus Figur 5 hervorgehenden Ergebnissen weist CuSMn einen hohen Zerspanungsindex mit einer zumeist guten Spanformklasse auf, was auf die in Figur 8 ersichtliche, gleichmäßige Verteilung seiner Spanbrecher zurückzuführen ist. FIG. 8 shows the microstructure of the material CuSMn, which contains manganese sulphides as a chip breaker. As already shown in the results in FIGS. 2 to 4 and in row four of the table from FIG. 5, CuSMn has a high cutting index with a mostly good chipforming class, which is due to the uniform distribution of its chipbreakers shown in FIG.
Figur 9 zeigt zum Vergleich die geätzte Mikrostruktur des genormten Werkstoffs CuNil P (CW108C) ohne spanbrechende Phasen. For comparison, FIG. 9 shows the etched microstructure of the standardized material CuNil P (CW108C) without chip-breaking phases.
Neben dem Kupfermischkristall liegen nicht lichtmikroskopisch sichtbar Nickelphosphide vor. Die Nickelphosphide haben keine spanbrechende Wirkung. Beim Zerspanen des Werkstoffs entstehen ungünstig lange Späne (Fig. 10) die sich um die Spanwerkzeuge wickeln können und den Stillstand eines Drehautomaten verursachen können (Parameter: vc = 100 m/min, f = 0,1 mm, aP = 1 ,0 mm). In addition to the copper mixed crystal, nickel phosphides are not visible by light microscopy. The nickel phosphides have no chipbreaking effect. When machining the material, unfavorably long chips (FIG. 10) are produced to be able to wind the cutting tools and cause the standstill of a lathe (parameters: v c = 100 m / min, f = 0.1 mm, a P = 1, 0 mm).
Aus Figur 11 geht die Mikrostruktur des erfindungsgemäßen Werkstoffs CuNil PS hervor. Dieser weist als Spanbrecher ebenfalls Kupfersulfide auf. Wie zu erkennen, besitzt dieser eine dem in Figur 8 dargestellten Kupferwerkstoff CuSMn ähnlich gute Verteilung seiner Spanbrecher, was sich in einer guten Zerspanbarkeit äußert. FIG. 11 shows the microstructure of the material CuNil PS according to the invention. This also has copper sulfide as a chip breaker. As can be seen, this one of the copper material CuSMn shown in Figure 8 has similar good distribution of its chip breaker, which manifests itself in a good machinability.
Dessen Fertigung lag das Gießen im Strangguss zugrunde, mit einem Pressen von Durchmesser 273 mm auf Durchmesser 28 mm. Weiterhin beinhaltete die Fertigung das Ziehen von Durchmesser 28 mm auf Durchmesser 24 mm. Anschließend erfolgte das Aushärten bei 450 °C über 8 Stunden hinweg an Umgebungsluft. Its production was based on casting in continuous casting, with a diameter of 273 mm to a diameter of 28 mm. Furthermore, the production involved the drawing of diameter 28 mm to diameter 24 mm. Subsequently, the curing was carried out at 450 ° C for 8 hours in ambient air.
Figur 12 zeigt die Spanausbildung nach der mechanischen Bearbeitung des erfindungsgemäßen Kupferwerkstoffs CuNi1 PS0,35. Anhand der Gefügeausbildung der Figur 11 und der Spanformklasse des vorliegenden Werkstoffs CuNil PS im Vergleich mit den Untersuchungen an den vorherigen Werkstoffen CuSP, CuTeP und CuSMn lässt sich auf einen Zerspannungsindex von ca. 70 % schließen (Spanformklasse 3 - 4 nach SEP 1178-90 bei vc = 100 m/min, f = 0,1 mm, aP = 1 ,0 mm). FIG. 12 shows the chip formation after the mechanical processing of the copper material CuNi1 PS0.35 according to the invention. Based on the microstructure of FIG. 11 and the chipforming class of the present material CuNil PS in comparison with the investigations on the previous materials CuSP, CuTeP and CuSMn, it is possible to conclude a stress index of about 70% (chipforming class 3 - 4 according to SEP 1178-90) v c = 100 m / min, f = 0.1 mm, a P = 1.0 mm).
Je nach Anforderungsprofil lassen sich somit aus den zerspanbaren erfindungsgemäßen Kupferlegierungen entsprechende Eigenschaftskombinationen heraussuchen. Ein besonderes Merkmal der Kupferlegierung ist, dass eine Verarbeitbarkeit mit konventionellen Fertigungs- und Bearbeitungsmaschinen möglich ist. In vorteilhafter Weise besitzt die erfindungsgemäße Kupferlegierung sowohl eine ausreichende Kaltverformbarkeit als auch eine sehr gute Warmverformbarkeit. Depending on the requirement profile, it is thus possible to select suitable combinations of properties from the machinable copper alloys according to the invention. A special feature of the copper alloy is that a processability with conventional manufacturing and processing machines is possible. Advantageously, the copper alloy according to the invention has both a sufficient cold workability and a very good hot workability.
Vorliegend ist die Erfindung auch auf die Verwendung einer solchen Kupferlegierung für die Herstellung eines spanend zu fertigenden Produktes gemäß Patentanspruch 7 gerichtet. Weiterhin ist die Erfindung auf die Verwendung einer solchen Kupferlegierung auch für die Herstellung eines nicht spanend zu fertigenden Halbzeugs gemäß Patentanspruch 8 gerichtet. Dabei kann es sich insbesondere um ein Walz-, Press-, Zieh-, Schmiede- oder Gussprodukt handeln. Zum Beispiel können Stangen und Drähte aus Press- und Ziehfolgen als Halbzeuge geliefert werden. In the present case, the invention is also directed to the use of such a copper alloy for the production of a product to be machined according to claim 7. Furthermore, the invention is directed to the use of such a copper alloy for the production of a semi-finished to be produced according to claim 8. This may in particular be a rolled, pressed, drawn, forged or cast product. For example, rods and wires can be delivered from press and pull sequences as semi-finished products.
Aus den Stangen und Drähten können zum Beispiel folgende Produkte über eine spanende Fertigung hergestellt werden: Steckkontakte, Quetschhülsen, Crimp- verbinder, Nägel mit gebohrtem Schaft, Motorteile, Schrauben, Fixierstifte, Klemmen, Schweißdüsen, Schneidbrennerdüsen, Ventile, Fittings, Muttern, Armaturenteile, Kontraktrohre, Kontaktstifte. From the bars and wires, for example, the following products can be produced by machining: plug contacts, crimp sleeves, crimp connectors, drilled shaft nails, motor parts, screws, locating pins, clamps, welding nozzles, cutting torch nozzles, valves, fittings, nuts, fittings, Contra tubes, contact pins.
Figur 13 zeigt ein Diagramm zur Variation des Ni- und P-Gehalts bei konstantem Gehalt der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te und Figur 14 zeigt ein Diagramm zur Variation der Gehalte der Spanbrecher S oder S + Mn und/oder Te bei konstantem Gehalt der Basiselemente Ni und P. FIG. 13 shows a diagram for varying the content of Ni and P at a constant content of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te, and FIG. 14 shows a diagram for varying the contents of the chipbreaker S or S + Mn and / or Te constant content of the basic elements Ni and P.
Daraus lassen sich die gegenseitigen Wechselwirkungen der Legierungselemente ablesen. From this the mutual interactions of the alloying elements can be read off.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Kupferlegierung, mit Anteilen in Gewicht-% an 1 . Copper alloy, with proportions in% by weight
Nickel (Ni) 0,50 - 4,00,  Nickel (Ni) 0.50 - 4.00,
Phosphor (P) 0,05 - 0,75,  Phosphorus (P) 0.05 - 0.75,
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe  and at least one element from the following group
Schwefel (S) 0,10 - 0,80  Sulfur (S) 0.10 - 0.80
Mangan (Mn) 0,01 - 0,80  Manganese (Mn) 0.01 - 0.80
Tellur (Te) 0,01 - 1 ,00  Tellurium (Te) 0.01 - 1.00
wobei die Legierung jeweils frei ist von Beryllium (Be) und Blei (Pb) und wahlweise  wherein the alloy is respectively free of beryllium (Be) and lead (Pb) and optionally
Aluminium (AI) max. 0,50  Aluminum (AI) max. 0.50
Chrom (Cr) max. 0,50  Chrome (Cr) max. 0.50
Eisen (Fe) max. 0,50  Iron (Fe) max. 0.50
Magnesium (Mg) max. 0,50  Magnesium (Mg) max. 0.50
Zirkon (Zr) max. 0,50  Zircon (Zr) max. 0.50
Zink (Zn) max. 2,50  Zinc (Zn) max. 2.50
Zinn (Sn) max. 2,50  Tin (Sn) max. 2.50
Bor (B) max. 0,50  Boron (B) max. 0.50
Silber (Ag) max. 0,50  Silver (Ag) max. 0.50
enthält,  contains
Rest Kupfer (Cu) sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Remainder copper (Cu) as well as impurities caused by melting.
2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise wenigstens eines der nachfolgenden Legierungselemente mit folgenden Anteilen in Gewicht-% enthalten ist: 2. Copper alloy according to claim 1, characterized in that optionally at least one of the following alloying elements is contained with the following proportions in% by weight:
Aluminium (AI) 0,01 -0,50  Aluminum (AI) 0.01-0.50
Chrom (Cr) 0,01 -0,50  Chromium (Cr) 0.01-0.50
Eisen (Fe) 0,01 -0,50  Iron (Fe) 0.01-0.50
Magnesium (Mg) 0,01 -0,50  Magnesium (Mg) 0.01-0.50
Zirkon (Zr) 0,01 -0,50  Zircon (Zr) 0.01-0.50
Zink (Zn) 0,01 -2,50  Zinc (Zn) 0.01 - 2.50
Zinn (Sn) 0,01 -2,50  Tin (Sn) 0.01 - 2.50
Bor (B) 0,01 -0,50  Boron (B) 0.01-0.50
Silber (Ag) 0,01 - 0,50.  Silver (Ag) 0.01-0.50.
3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet d urch folgende Anteile in Gewicht-%: 3. Copper alloy according to claim 1 or 2, characterized by the following proportions in% by weight:
Nickel (Ni) 0,55-3,00  Nickel (Ni) 0.55-3.00
Phosphor (P) 0,07-0,60  Phosphorus (P) 0.07-0.60
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe  and at least one element from the following group
Schwefel (S) 0,15-0,70  Sulfur (S) 0.15-0.70
Mangan (Mn) 0,03-0,75  Manganese (Mn) 0.03-0.75
Tellur (Te) 0,05 - 0,90.  Tellurium (Te) 0.05-0.90.
4. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Anteile in Gewicht-%: 4. Copper alloy according to claim 1 or 2, characterized by the following proportions in% by weight:
Nickel (Ni) 0,60-2,00  Nickel (Ni) 0.60-2.00
Phosphor (P) 0,10-0,50  Phosphorus (P) 0.10-0.50
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe  and at least one element from the following group
Schwefel (S) 0,20 - 0,62  Sulfur (S) 0.20 - 0.62
Mangan (Mn) 0,05-0,70  Manganese (Mn) 0.05-0.70
Tellur (Te) 0,20-0,80. Tellurium (Te) 0.20-0.80.
5. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet d urch folgende Anteile in Gewicht-%: 5. Copper alloy according to claim 1 or 2, characterized by the following proportions in% by weight:
Nickel (Ni) 0,70-1,50  Nickel (Ni) 0.70-1.50
Phosphor (P) 0,12-0,40  Phosphorus (P) 0.12-0.40
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe  and at least one element from the following group
Schwefel (S) 0,25 - 0,57  Sulfur (S) 0.25-0.57
Mangan (Mn) 0,08-0,55  Manganese (Mn) 0.08-0.55
Tellur (Te) 0,30 - 0,70.  Tellurium (Te) 0.30 - 0.70.
6. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet du rch folgende Anteile in Gewicht-%: 6. Copper alloy according to claim 1 or 2, characterized you rch following proportions in weight%:
Nickel (Ni) 0,80- 1,20  Nickel (Ni) 0.80-1.20
Phosphor (P) 0,15-0,35  Phosphorus (P) 0.15-0.35
und wenigstens einem Element aus nachfolgender Gruppe  and at least one element from the following group
Schwefel (S) 0,30 - 0,50  Sulfur (S) 0.30-0.50
Mangan (Mn) 0,10-0,40  Manganese (Mn) 0.10-0.40
Tellur (Te) 0,40-0,60.  Tellurium (Te) 0.40-0.60.
7. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 für die Herstellung eines spanend zu fertigenden Produktes. 7. Use of a copper alloy according to one of the preceding claims 1 to 6 for the production of a product to be machined.
8. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 für die Herstellung eines nicht spanend zu fertigenden Halbzeugs, insbesondere in Form eines Walz-, Press-, Zieh-, Schmiede- oder Gussproduktes. 8. Use of a copper alloy according to one of the preceding claims 1 to 6 for the production of a semi-finished non-machining semifinished product, in particular in the form of a rolling, pressing, drawing, forging or cast product.
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