KUPFER-ZINK-LEGIERUNG

Beschreibung

[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Kupfer-Zink-Legierung sowie ein aus einer solchen Legierung hergestelltes Kupfer-Zink-Legierungsprodukt.

[0002] Die Erfindung betrifft eine Sondermessinglegierung. Sondermessinglegierungen werden zum Herstellen verschiedenster Produkte eingesetzt. Ein typischer Anwendungsfall, für den Einsatz von Sondermessinglegierungsprodukten sind Lagerteile, Motor- und Getriebeteile, wie beispielsweise Synchronringe und dergleichen sowie Armaturen, vor allem für Trinkwasseranwendungen. Messinglegierungsprodukte werden auch für Elektro- und Kühltechnikanwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Herstellung von Steckerschuhen, Kontaktklemmen oder dergleichen. Bei Kühltechnikanwendungen wird die gute Wärmeleitfähigkeit von Messinglegierungsprodukten genutzt. Diese Messinglegierungen weisen auf Grund der bekannten guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer einen hohen Kupfergehalt auf und sind nur entsprechend niedrig legiert. Sondermessinglegierungen weisen eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf.

[0003] Wenn eine Messinglegierung besonders gute elektrisch leitende Eigenschaften aufweisen soll, ist der Cu-Gehalt entsprechend hoch zu wählen. Die elektrische Leitfähigkeit eines solchen Produktes sinkt allerdings mit steigendem Zinkgehalt. Aus diesem Grunde werden für Sondermessinglegierungsprodukte, bei denen eine gute elektrische Leitfähigkeit im Vordergrund steht, solche Legierungen eingesetzt, die einen Zn-Gehalt von typischerweise nicht mehr als 5 bis 10 Gew.-% ausweisen. Neben den Elementen Kupfer und Zink sind an dem Aufbau von Sondermessinglegierungen ein oder mehrere der folgenden Elemente beteiligt: Al, Sn, Si, Ni, Fe und/ oder Pb. Jedes dieser Elemente hat unterschiedlichen Einfluss auf die Eigenschaften des aus der Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes. Dabei ist festzustellen, dass ein und dasselbe Legierungselement in Abhängigkeit von seiner Beteiligung verantwortlich für unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich der Verarbeitbarkeit der Legierung sowie hinsichtlich der Eigenschaften eines daraus hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes sein kann. Entsprechendes gilt für die Verarbeitbarkeit der Legierung. Auf Grund der Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen von Sondermessinglegierungsprodukten sind auch eine Vielzahl, sich bezüglich ihrer Legierungszusammensetzung unterscheidender Sondermessinglegierungen bekannt. Diese unterscheiden sich etwa in ihren Festigkeitswerten, ihrer Zerspanbarkeit, ihrer Oberflächenbearbeitbarkeit, ihrer Wärmeleitfähigkeit, ihrem E-Modul, ihrer Temperaturformbeständigkeit und dergleichen. In den meisten Fällen sind die vorbekannten Sondermessinglegierungen bezüglich ihrer Zusammensetzung für ganz bestimmte Einsatzzwecke entwickelt worden.

[0004] Eine Sondermessinglegierung, aus der Sondermessinglegierungsprodukte für Elektroanwendungen hergestellt werden sollen, müssen nicht nur eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sondern diese müssen zudem, um die gewünschten Produkte herstellen zu können, eine gute Ver- und Bearbeitbarkeit aufweisen, wie auch hinreichende Festigkeitswerte. In Bezug auf eine Verarbeitbarkeit der Legierung soll diese mit standardmäßigen Verarbeitungsschritten herstellbar sein, um die Kosten daraus hergestellter Sondermessinglegierungsprodukte nicht durch aufwendige und unter Umständen unübliche Prozessführungsschritte zu verteuern.

[0005] Aus DE 20 2017 103 901 U1 ist eine Sondermessinglegierung für Elektro- und/oder Kühltechnikanwendungen bekannt geworden. Diese enthält 58,5 - 62 Gew.-% Cu, 0,03 - 0,18 Gew.-% Pb, 0,3 - 1,0 Gew.-% Fe, 0,3 - 1,2 Gew.-% Mn, 0,25 - 0,9 Gew.-% Ni, 0,6 - 1,3 Gew.-% Al, 0,15 - 0,5 Gew.-% Cr, maximal 0,1 Gew.-% Sn, maximal 0,05 Gew.-% Si mit einem Rest an Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen. Zwar weist diese vorbekannte Sondermessinglegierung eine hinreichende Wärmeleitfähigkeit für die damit vorgesehenen Kühltechnikanwendungen und eine für etliche Anwendungen ausreichende elektrische Leitfähigkeit auf, jedoch wäre es wünschenswert, wenn nicht nur die elektrische Leitfähigkeit sondern auch die Strangpressbarkeit und die Zerspanbarkeit verbessert werden könnte, um die Herstellbarkeit von elektrischen Bauteilen, wie beispielsweise Kontakten, Buchsen oder dergleichen besser herstellen zu können. Zudem soll das aus einer solchen Legierung hergestellten Legierungsprodukt gute Kaltumformbarkeitseigenschaften, wie etwa gute Kaltziehbarkeitseigenschaften aufweisen, um auf diesem Wege das umgeformte Halbzeug mit höheren Festigkeitswerten für das Endprodukt ausstatten zu können.

[0006] Eine bleifreie Messinglegierung mit guter Zerspanbarkeit ist aus US 2004/0234411 A1 bekannt. Diese Legierung umfasst 70 - 83 Gew.-% Cu, 1 - 5 Gew.-% Si und die weiteren matrixaktiven Elemente: 0,01 - 2 Gew.-% Sn, 0,01 - 0,3 Gew.-% Fe und/oder Co, 0,01 - 0,3 Gew.-% Ni, 0,01 - 0,3 Gew.-% Mn, Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen. Zusätzlich kann die Legierung bis zu 0,1 Gew.-% P und die Elemente Ag, Al, As, Sb, Mg, Ti und Cr mit jeweils maximal 0,5 Gew.-% enthalten.

[0007] Eine Kupfer-Zink-Legierung als Werkstoff für elektronische Bauteile ist aus DE 41 20 499 C1 bekannt. Diese vorbekannte Legierung umfasst 74 - 82,9 Gew.-% Cu, 1 - 2 Gew.-% Si, 0,1 - 0,4 Gew.-% Fe, 0,02 - 0,1 Gew.-% P, 0,1 - 1,0 Gew.-% Al, Rest Zn nebst üblichen Verunreinigungen.

[0008] Messinglegierungen, die eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen sollen, werden mit einem hohen Cn-Gehalt hergestellt. Die Legierung gemäß DE 41 20 499 C1 ist eine solche. Diese vorbekannte Messinglegierung weist zwar eine recht hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Federbiegegrenze und damit ein entsprechendes Elastizitätsmodul auf, damit aus dieser Legierung federnde Steckverbinderteile hergestellt werden können. Jedoch liegt die elektrische Leitfähigkeit trotz des hohen Cu-Anteils nur zwischen 6,0 - 7,0 MS/m.

[0009] In dem Aufsatz "Classical univariate calibration and partial least squares for quantitative analysis of brass samples by laser-induced breakdown spectroscopy" - Andrade J. M. et al.; Spectrochimica Acta. Part B: Atomic Spectroscopy, New York, NY, US, Bd. 65, Nr. 8, 1 (2010-08-01), S. 658-663, XP027144315, ISSN: 0584-8547 - ist die quantitative Analyse von Cu-Zn-Legierungen offenbart. Im Beispiel 1108 ist eine Cu-Zn-Legierung mit 64,95 Gew.-% Cu, 34,42 Gew.-% Zn, 0,063 Gew.-% Pb, 0,05 Gew.-% Fe, 0,39 Gew.-% Sn und 0,033 Gew.-% Ni beschrieben. Diese und auch die anderen in diesem Dokument beschriebenen Cu-Zn-Legierungen sind Si-frei.

[0010] Ausgehend von dem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Sondermessinglegierung vorzuschlagen, die sich in besonderem Maße zum Herstellen von elektrisch leitenden Bauteilen, etwa von Kontakten als Teile von Steckverbindern eignet, die sich durch verbesserte mechanische Eigenschaften und eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit auszeichnet. Zudem soll diese eine gute Zerspanbarkeit und gute Kaltumformbarkeitseigenschaften aufweisen und abrasionsbeständig sein.

[0011] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Kupfer-Zink-Legierung zum Herstellen von elektrisch leitenden Bauteilen, etwa von Kontakten, bestehend aus:

• Cu: 62,5 - 67 Gew.-%,
• Sn: 0,25 - 1,0 Gew.-%,
• Si: 0,015 - 0,15 Gew.-%,
• wenigstens zwei Silizid bildende Elemente aus der Gruppe Mn, Fe, Ni und Al mit jeweils maximal 0,15 Gew.-%,
• Pb: maximal 0,1 Gew.-%,
• Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.

[0012] Diese Kupfer-Zink-Legierung zeichnet sich durch seine besondere Legierungszusammensetzung aus. Bestimmend ist zum einen der Zn-Gehalt von 31 - 37 Gew.-% und die deutliche Beteiligung des Elementes Sn an der Zusammensetzung der Legierung mit 0,5 -1,0 Gew.-%. Damit sind Hauptlegierungselemente dieser Legierung die Elemente Cu, Zn und Sn. Aufgrund des relativ hohen Zn-Gehaltes und dem entsprechend gegenläufig geringeren Cu-Gehalt war es überraschend festzustellen, dass dennoch die elektrische Leitfähigkeit den an ein aus dieser Legierung gefertigten Produkt gestellten Anforderungen genügt und sogar die Leitfähigkeit von vorbekannten Sondermessinglegierungen, die für elektrisch leitende Anwendungen eingesetzt worden sind, übersteigt. Si ist an der Legierung mit 0,015 - 0,15 Gew.-% beteiligt. Das Si in der Legierung dient zum Ausbilden von Siliziden als feine Ausscheidungen im Gefüge. Die Größe der Silizide liegt typischerweise im Durchschnitt unter 1 µm. Wenn die Silizide eine gewisse Größe überschreiten, hat dieses nachteilige Auswirkungen in Bezug auf die Polierbarkeit, Beschichtbarkeit und/oder Lötbarkeit der Oberfläche des aus der Legierung hergestellten Legierungsproduktes. Ein höherer Si-Anteil vermag die besonderen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung nicht zu verbessern. Vielmehr könnte sich dieses nachteilig auf die gewünschte gute elektrische Leitfähigkeit auswirken. Aus der Gruppe der Elemente Mn, Fe, Ni und Al als Silizid bildende Elemente sind zumindest zwei Elemente am Aufbau der Legierung beteiligt. Zusammen mit Si bilden diese Elemente fein verteilte Mischsilizide, die sich positiv auf die Abrasionsbeständigkeit des aus der Legierung hergestellten Produktes auswirken. Diese Silizide sind fein verteilte Partikel in der Gefügematrix. Der Anteil dieser Elemente am Aufbau der Legierung ist beschränkt, und zwar auf max. 0,15 Gew.-% je Element, wobei die Summe dieser Elemente 0,6 Gew.-% nicht überschreitet. Bevorzugt sind am Aufbau der Legierung die Elemente Fe, Ni und Al beteiligt. Mn kann als Silizidbildner Bestandteil der Legierung sein. Bevorzugt sind die Elemente Fe, Ni und Al als Silizidbildner vorgesehen, die typischerweise Mischsilizide ausbilden. Dabei ist in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Ni- und Al-Anteile jeweils etwa gleich groß sind, während der Fe-Anteil nur 40 - 60% des Ni- bzw. Al-Anteils beträgt. In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Fe-Anteil etwa 50% des Ni- bzw. Al-Anteils. Diese besondere Zusammenstellung der Silizidbildner Fe, Ni und Al zusammen mit dem Si-Gehalt zwischen 0,015 - 0,15 Gew.-% wirkt sich nicht in nennenswertem Maße nachteilig auf die gewünschte besonders gute elektrische Leitfähigkeit des aus der Legierung hergestellten Produktes aus. Dennoch verleihen diese dem Legierungsprodukt die gewünschten Festigkeitswerte.

[0013] Unerwartet und überraschend hat sich bei dieser Legierung bzw. einem aus dieser Legierung hergestellten Legierungsprodukt gezeigt, dass dieses nicht nur ein besonders feines Korn (typischerweise 10 - 100 µm) aufweist, sondern auch sehr gut strangpressbar bzw. warmumformbar ist, durch Kaltumformung gut kaltverfestigbar ist und eine gute Zerspanbarkeit aufweist und dennoch eine für Sondermessinge der in Rede stehenden Art sehr gute elektrische Leitfähigkeit von mehr als 12 MS/m (20% IACS) aufweist. Festgemacht wird dieses auch an dem relativ hohen Sn-Anteil bei gleichzeitig begrenzten Anteilen der Silizid bildenden Elemente.

[0014] Allgemein bestand die herrschende Lehre, dass Messinglegierungen, die eine gute Zerspanbarkeit aufweisen sollen, einen Kupfergehalt nicht unter 70 Gew.-% aufweisen dürfen (siehe etwa US 2004/0234411 A1). Insofern war es überraschend festzustellen, dass trotz des geringen Kupfergehaltes die erfindungsgemäße Legierung bzw. das daraus hergestellte Produkt sehr gut zerspanbar ist.

[0015] Was für Elektroanwendungen eines aus dieser Legierung hergestellten Sondermessinglegierungsproduktes von Interesse ist, ist seine besonders gute galvanische Beschichtbarkeit. In einigen Anwendungsfällen sind derartige Produkte mit einer elektrisch besonders gut leitenden Metallschicht beschichtet, also: Einer Beschichtung, deren elektrische Leitfähigkeit diejenige des aus der Messinglegierung hergestellten Produktes deutlich überschreitet. Eine solche Metallschicht wird typischerweise galvanisch aufgetragen. Dieses erfordert nicht nur eine gewisse Leitfähigkeit des Sondermessinglegierungsproduktes, sondern vor allem auch, dass ein darauf aufgebrachter galvanischer Auftrag daran dauerhaft und über die Oberfläche gleichmäßig haftet. Begründet ist dieses insbesondere in dem sich bei dieser Sondermessinglegierung einstellenden gleichmäßigen feinkörnigen Gefüge. Dieses ist bei aus dieser Legierung hergestellten Produkten der Fall. Eine Beschichtung des Messinglegierungsproduktes kann auch einem Verschleißschutz dienen. Ferner können Beschichtungen eingesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften des Messinglegierungsproduktes an der Oberfläche zu verbessern, wie beispielsweise eine bessere Lötbarkeit, etwa zum Anbringen von Kontakten, eine Wärmeisolierung zum Wärmeschutz des Sondermessinglegierungsproduktes oder auch als Haftvermittlungsschicht für eine weitere Beschichtung.

[0016] Zudem ist das E-Modul eines aus dieser Legierung hergestellten Produktes hinreichend hoch. Daher können aus dieser Messinglegierung auch Produkte mit federnden Eigenschaften, wie beispielsweise Steckerschuhe als Kontakte hergestellt werden. Mit einem E-Modul von mehr als 100 bis 120 GPa liegt dieses in dem Größenbereich der E-Module, die aus niedrig legierten Kupfer-Zink-Zweistofflegierungen bekannt sind, wie diese typischerweise für Elektroanwendungen, bei denen es mitunter auch um aufzubringende Federkraft geht, eingesetzt werden.

[0017] Mit dieser Messinglegierung lassen sich Legierungsprodukte herstellen, die eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 12 MS/m (20% IACS) aufweisen. Damit werden elektrische Leitfähigkeitswerte erzielt, die im Allgemeinen höher als bei anderen Sondermessinglegierungen mit einem Zn-Anteil von 30 Gew.-% und mehr sind und die für viele Anwendungen hinreichend sind. Dieses wird bei Legierungsprodukten, die aus dieser Legierung hergestellt sind, mit Festigkeitswerten kombiniert, wie diese ansonsten nur von speziell für diese Zwecke ausgelegten Sondermessinglegierungen bekannt sind, die jedoch dann nicht in die weiteren positiven Eigenschaften dieser Legierung bzw. eines daraus hergestellten Produktes aufweisen.

[0018] Nicht unwesentlich bei dem aus dieser Sondermessinglegierung hergestellten Sondermessinglegierungsprodukt ist, vor allem bei Elektro-Anwendungen, die gute Lötbarkeit desselben.

[0019] Hervorzuheben ist zu dieser Kupfer-Zink-Legierung aufgrund der geringen Anzahl der am Aufbau der Legierung beteiligten Elemente ihr einfacher chemischer Aufbau. Hierzu zählt auch, dass die Legierung Cr-frei ist. Die Legierung ist ebenfalls typischerweise Pb-frei, wobei ein Pb-Anteil von max. 0,1 Gew.-% gestattet ist. Es kann nicht immer vermieden werden, dass durch Verschleppungen oder durch Einsatz von Recyclingmaterial geringe Pb-Mengen in die Legierung eingetragen werden. Pb wirkt sich innerhalb des zugelassenen Bereiches nicht negativ auf die vorbeschriebenen positiven Eigenschaften dieser Kuper-Zink-Legierung aus. Mit einem maximal zugelassenen Anteil von 0,1 Gew.-% Pb gilt diese Legierung noch als Pb-frei. Des Weiteren wird auf den Einsatz von Elementen wie P, S, Be, Te und andere verzichtet - Elemente, die neben Cr bei anderen Sondermessinglegierungen zum Erzielen bestimmter Festigkeits- oder Verarbeitungseigenschaften oftmals eingesetzt werden. Auch dieses begründet das überraschende Ergebnis, dass sich die vorbeschriebenen positiven Eigenschaften eines aus der Legierung hergestellten Produktes einstellen, obwohl die Legierung nur aus wenigen Elementen aufgebaut ist, vorausgesetzt, dass die Elemente mit den angegebenen Anteilen an der Legierung beteiligt sind. Der Einsatz nur einer geringen Anzahl von Elementen im Aufbau der Legierung vereinfacht den Herstellungsprozess. Gefahr von Elementverschleppungen für andere Legierungen ist bei der kommerziellen Herstellung vermieden, da die am Aufbau der Legierung beteiligten Elemente Standardelemente jeder Sondermessinglegierung sind.

[0020] Die besonders gute Zerspanbarkeit eines aus dieser Legierung hergestellten Legierungsproduktes kann mit einem Index von 60 - 70 und in einer speziellen Ausführung von mehr als 80 angegeben werden.

[0021] Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Kupfer-Zink-Legierung folgende Zusammensetzung auf:

• Cu: 64 - 66 Gew.-%,
• Sn: 0,3 - 0,7 Gew.-%,
• Si: 0,03 - 0,1 Gew.-%,

mit welcher Legierungszusammensetzung die positiven Eigenschaften der Legierung nochmals verbessert sind.

[0022] Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Sn- und Si-Anteil weiter beschränkt, ebenso wie der Anteil der Silizid bildenden Elemente. Eine solche Legierung setzt sich wie folgt zusammen:

• Cu: 64,5 - 66 Gew.-%,
• Sn: 0,4 - 0,6 Gew.-%,
• Si: 0,03 - 0,08 Gew.-%,
• wenigstens zwei Silizid bildende Elemente aus der Gruppe Mn, Fe, Ni und Al mit jeweils maximal 0,1 Gew.-%,
• Pb: maximal 0,1 Gew.-%,
• Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.

[0023] Der bevorzugte Zn-Gehalt liegt zwischen 32 und 36 Gew.-%.

[0024] Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Vergleich zu drei Vergleichslegierungen beschrieben. Die erfindungsgemäße Legierung wurde anhand zweier Proben - der Proben A und B - neben drei Vergleichslegierungen hergestellt und stranggepresst. Die Zusammensetzung der untersuchten Legierungen ist in der nachstehenden Tabelle wiedergeben:

	Cu	Pb	Sn	Fe	Mn	Ni	Al	Si	Cr	Zn
A	65	-	0,5	0,035	-	0,07	0,07	0,06	-	Rest
B	65,05	-	0,45	0,04	-	0,14	-	0,03	-	Rest
1	60,3	0,11	-	0,5	0,8	0,5	0,9	-	0,24	Rest
2	60	0,1	0,08	0,05	0,025	0,01	0,03	0,005	0,01	Rest
3	58,3	0,1	0,08	0,1	0,008	0,01	0,01	0,005	0,02	Rest

(Angaben in Gew.-%)

[0025] In der vorstehenden Tabelle sind die Vergleichslegierungen die Legierung 1, die Legierung 2 und die Legierung 3. Im Strangpresszustand weist die erfindungsgemäße Legierung gemäß der Proben A und B folgende Festigkeitswerte auf:

• 0,2% Dehngrenze: 100 N/mm²,
• Zugfestigkeit: ca. 300 N/mm²,
• Bruchdehnung: ca. 55%,
• Härte: 70 HB 2,5/62,5

[0026] Die gute Kaltziehbarkeit und eine damit einhergehende Kaltverfestigung mit der Folge des Einbringens gesteigerter Festigkeitswerte in das Legierungsprodukt lassen sich an dem kaltgezogenen Zustand des Strangpressstabes in einem ersten Schritt mit 20%-iger Querschnittminderung und in einem zweiten Schritt mit einer 35%-igen Querschnittsminderung darstellen (siehe diesbezüglich auch Figuren 1 bis 5):

Festigkeitswerte des kaltgezogenen Stabes mit 20%-iger Querschnittsminderung:

• 0,2% Dehngrenze: ca. 310 N/mm²,
• Zugfestigkeit: ca. 390 N/mm²,
• Bruchdehnung: ca. 25%,
• Härte: ca. 120 HB 2,5/62,5.

Festigkeitswerte des kaltgezogenen Stabes mit 35%-iger Querschnittsminderung:

• 0,2% Dehngrenze: ca. 400 N/mm²,
• Zugfestigkeit: ca. 450 N/mm²,
• Bruchdehnung: 12%,
• Härte: 143 HB 2,5/62,5.

[0027] Das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung weist bei Raumtemperatur überwiegend α-Phase in der Matrix auf. Bei Temperaturen der Warmumformung liegt ein ausreichender Anteil an β-Phase vor. Das Korngefüge ist bei Raumtemperatur mit einer mittleren Korngröße von 10 bis 100 µm klein. Die Silizide sind als feine Ausscheidungen, die sich aus der Presshitze bilden, fein verteilt.

[0028] Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungsproben A und B bei Raumtemperatur im Vergleich zu den drei Vergleichslegierungen sind in der nachfolgenden Tabelle für einen jeweils teilverfestigten Zustand dargestellt, wie er für die Herstellung von Steckverbindern gebräuchlich ist:

	Einheit	Legierung 1	Legierung 2	Legierung 3	Legierungsproben A und B
Strangpressbarkeit		Gut	Gut	Gut	Sehr gut
Kaltziehbarkeit		Gut	Sehr gut	Gut	Sehr gut
Spanbarkeit	Index	80	20	25	≥ 80
Elektrolytisches Polieren		Gut	Sehr gut	Mittel	Gut
Galvanisches Polieren		Sehr gut	Sehr gut	Gut	Sehr gut
Wärmeleitfähigkeit	[W/(m*K)]	100-110	385	ca. 310	≥ 100
Elektrische Leitfähigkeit	[MS/m]	9,1	56	≤ 43	ca. 14 (20% IACS)
E-Modul	[GPa]	96	107	110 - 130	100 - 120
0,2%-Dehngrenze	[MPa]	ca. 550	ca. 240	ca. 350	410
Zugfestigkeit	[MPa]	ca. 650	ca. 280	ca. 420	450
Bruchdehnung	[%]	ca. 15	ca. 8	ca. 8	25

[0029] Diese Gegenüberstellung zeigt, dass die erfindungsgemäße Legierung besonders gute Eigenschaften bei den für Elektro-Anwendungen relevanten Parametern aufweist. Verbunden ist dieses zudem mit einem besonders hohen E-Modul und sehr guten Festigkeitswerten. Aus diesem Grund eignet sich diese Legierung vor allem auch zum Herstellen von elektrischen Kontaktelementen, die materialelastische Eigenschaften aufweisen müssen.

[0030] Untersuchungen an Gussproben der erfindungsgemäßen Legierungsproben A und B zeigen, dass der β-Mischkristallanteil mit 12 - 15 % und einem Rest an α-Mischkristallanteil recht gering ist. Der Anteil intermetallischer Phasen ist kleiner als 1 %. Der hohe α-Phasenanteil bereits beim Guss wirkt sich positiv auf sich daran anschließende Kaltumformschritte aus. Bei einer gewünschten Warmumformung wird man bemüht sein, den β-Phasenanteil eher etwas höher zu halten.

[0031] Durch das Strangpressen hat sich der β-Anteil auf unter 2 % reduziert. Die Dichte beträgt 8,58 g/cm³. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt im Strangpresszustand dieser Proben 13,8 MS/m (23,8 % IACS). Diese Proben weisen eine Härte von etwa 80 HB 2,5/62,5 auf.

[0032] Bei Durchführung eines Spannungsrisskorrosions-Testes nach DIN 59016 Teil 1 sind keine Spannungsrisse entstanden. Dieses bedeutet, dass im Presszustand keine, jedenfalls keine nennenswerte Restspannungen im Gefüge vorhanden ist. Dieses Ergebnis passt gut zu der hohen Homogenität des Gefüges und zu dem kleinen Korn, was durch Gefügeaufnahmen bestätigt worden ist. Das besondere Gefüge eines solches Legierungsproduktes mit seiner vorherrschenden α-Phase wird für die bereits beschriebene gute elektrische Leitfähigkeit verantwortlich gemacht. Zudem sind aufgrund des homogenen Gefüges nicht nur die mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Richtungen gleich, sondern auch die elektrische Leitfähigkeit.

[0033] Die elektrische Leitfähigkeit kann durch Vornahme eines nachgeschalteten Glühschrittes verbessert werden, der vorzugsweise zwischen 380°C und 500°C für etwa 3 Stunden durchgeführt wird. Bevorzugt wird das Glühen bei Temperaturen zwischen 440°C und 470°C für 3 Stunden durchgeführt. Bei diesem Glühen werden feine Ausscheidungen entfernt, da diese die elektrische Leitfähigkeit behindern. Nach dem Glühen wurde eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 14,2 MS/m an den Proben A und B gemessen.

[0034] Von besonderem Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung ist zudem deren besonders gute Kaltumformbarkeit. Daraus hergestellte Halbzeuge können auch mehrfach ohne Zwischenglühen kaltumgeformt werden, beispielsweise gereckt oder gebogen, um durch die damit eintretende Kaltverfestigung dem Bauteil besonders hohe Festigkeitswerte zuteilwerden zu lassen.

[0035] Die beiliegenden Figuren 1 bis 5 zeigen Diagramme, aus denen sich die mechanischen Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung anhand der Probe A bei zunehmender Dehnung des Probenkörpers einstellen. Auf der x-Achse ist jeweils die Dehnung bezogen auf die Ausgangsfläche bzw. Ausgangslänge des Probenkörpers aufgetragen.

[0036] Figur 1 zeigt die Entwicklung der 0,2 %-Dehngrenze des Probenkörpers bei zunehmender Dehnung, bis zu einer Gesamtdehnung von 60 %. Die 0,2 %-Dehngrenze nimmt mit zunehmender Dehnung des Probenkörpers zu. Das gleiche Verhalten lässt sich auch bei der Zugfestigkeit feststellen. Die als Kaltumformung durchgeführte Dehnung führt zu einer Erhöhung der Zugfestigkeit um mehr als 100 %, wenn der Probenkörper über 50 % gedehnt worden ist. Eine Erhöhung des Streckgrenzenverhältnisses ist mit zunehmender Dehnung des Probenkörpers ebenfalls zu beobachten.

[0037] Die Bruchdehnung ist für die beanspruchte Legierung von besonderem Interesse. Trotz Dehnung selbst bis in Bereiche von über 50 % und somit trotz starker Verformung unterschreitet die Bruchdehnung einen Wert von 10 % nicht

[0038] Mit der zunehmenden Dehnung des Probenkörpers nimmt aufgrund der damit einhergehenden Kaltverformung die Härte zu, und zwar bis zu etwa 180 HB 2,5/62,5.

[0039] Diese Diagramme verdeutlichen die besonders guten Kaltumformbarkeitseigenschaften eines aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Produktes.

Ansprüche

1. Kupfer-Zink-Legierung zum Herstellen von elektrisch leitenden Bauteilen, etwa von Kontakten, bestehend aus:

- Cu: 62,5 - 67 Gew.-%,

- Sn: 0,25 - 1,0 Gew.-%,

- Si: 0,015 - 0,15 Gew.-%,

- wenigstens zwei Silizid bildende Elemente aus der Gruppe Mn, Fe, Ni und Al mit jeweils maximal 0,15 Gew.-%,

- Pb: maximal 0,1 Gew.-%,

- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.

2. Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1 mit

- Cu: 64 - 66,5 Gew.-%,

- Sn: 0,3 - 0,7 Gew.-%,

- Si: 0,03 - 0,1 Gew.-%.

3. Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 2 mit

- Cu: 64,5 - 66 Gew.-%,

- Sn: 0,4 - 0,6 Gew.-%,

- Si: 0,03 - 0,08 Gew.-%,

- wenigstens zwei Silizid bildende Elemente aus der Gruppe Mn, Fe, Ni und Al mit jeweils maximal 0,1 Gew.-%

- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.

4. Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Zn mit 32 - 36 Gew.-% enthält.

5. Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass von den Silizid bildenden Elementen in der Legierung Fe, Ni und Al enthalten sind, wobei die Anteile von Ni und Al jeweils etwa gleich sind und der Fe-Anteil 40% bis 60% des Ni- oder des Al-Anteils beträgt.

6. Kupfer-Zink-Legierung nach der Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ni- und Al-Gehalt jeweils 0,04 bis 0,1 Gew.-% und der Fe 0,02 bis 0,05 Gew.-% beträgt.

7. Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ni-Gehalt und der Al-Gehalt jeweils 0,06 bis 0,08 Gew.-% und der Fe-Gehalt 0,03 bis 0,04 Gew.-% beträgt.

8. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt, hergestellt aus einer Kupfer-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefügematrix bei Raumtemperatur weit überwiegend α-Phase enthält.

9. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Korngröße des Gefüges zwischen 10 und 100 µm beträgt.

10. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass seine elektrische Leitfähigkeit zumindest 12 MS/m (20% IACS) beträgt.

11. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus einem Halbzeug durch Ziehen desselben mit einer Querschnittsminderung von etwa 20% kaltverformt ist und folgende Festigkeitswerte aufweist:

- 0,2% Dehngrenze: ca. 310 Nmm²,

- Zugfestigkeit: ca. 390 N/mm²,

- Bruchdehnung: ca. 25%,

- Härte: ca. 120 HB 2,5/62,5.

12. Kupfer-Zink-Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus einem Halbzeug durch Ziehen desselben mit einer Querschnittsminderung von etwa 35% kaltverformt ist und folgende Festigkeitswerte aufweist:

- 0,2% Dehngrenze: ca. 400 Nmm²,

- Zugfestigkeit: ca. 450 N/mm²,

- Bruchdehnung: 12%,

- Härte: 143 HB 2,5/62,5.

Claims

1. Copper-zinc alloy for producing electrically conductive components, for example contacts, consisting of:

- Cu: 62.5 - 67 % by weight,

- Sn: 0.25 - 1.0 % by weight,

- Si: 0.015 - 0.15 % by weight,

- at least two silicide-forming elements from the group Mn, Fe, Ni and Al with, in each case, at most 0.15 % by weight,

- Pb: at most 0.1 % by weight,

- the rest being formed by Zn and also unavoidable impurities.

2. Copper-zinc alloy according to claim 1, with

- Cu: 64 - 66.5 % by weight,

- Sn: 0.3 - 0.7 % by weight,

- Si: 0.03 - 0.1 % by weight.

3. Copper-zinc alloy according to claim 2, with

- Cu: 64.5 - 66 % by weight,

- Sn: 0.4 - 0.6 % by weight,

- Si: 0.03 - 0.8 % by weight,

- at least two silicide-forming elements from the group Mn, Fe, Ni and Al, with, in each case, at most 0.1 % by weight,

- the rest being also unavoidable impurities.

4. Copper-zinc alloy according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the alloy contains Zn with 32 - 36 % by weight.

5. Copper-zinc alloy according to any one of claims 1 to 4, characterised in that elements formed from the silicide are contained in the alloy of Fe, Ni and Al, wherein the portions of Ni and Al are in each case approximately equal, and the Fe portion amounts to 40% to 60% of the Ni portion or of the Al portion.

6. Copper-zinc alloy according to claim 5, characterised in that the Ni and Al content in each case amounts to 0.04 to 0.1 % by weight, and the Fe 0.02 to 0.05 % by weight.

7. Copper-zinc alloy according to claim 6, characterised in that the Ni content and the Al content amounts in each case to 0.06 to 0.08 % by weight and the Fe content 0.03 to 0.04 % by weight.

8. Copper-zinc alloy product, produced from a copper-zinc alloy according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the microstructure matrix at room temperature contains by far predominantly α-phase.

9. Copper-zinc alloy product according to claim 8, characterised in that the mean grain size of the microstructure amounts to between 10 and 100 µm.

10. Copper-zinc alloy product according to claim 8 or 9, characterised in that its electrical conductivity amounts to at least 12 MS/m (20% IACS).

11. Copper-zinc alloy product according to any one of claims 8 to 10, characterised in that the product is cold-formed from a semi-finished product by drawing, with a cross-section reduction of some 20%, and exhibits the following strength values:

- 0.2% tensile yield strength: approx. 310 Nmm²,

- tensile strength: approx. 390 N/mm²,

- elongation at break: approx. 25%

- hardness: approx. 120 HB 2.5/62.5.

12. Copper-zinc alloy product according to any one of claims 8 to 10, characterised in that the product is cold-formed from a semi-finished product by drawing, with a cross-section reduction of some 35%, and exhibits the following strength values:

- 0.2% tensile yield strength: approx. 400 Nmm²,

- tensile strength: approx. 450 N/mm²,

- elongation at break: approx. 12%

- hardness: 143 HB 2.5/62.5.

Revendications

1. Alliage cuivre-zinc pour fabriquer des pièces électriques conductrices, par exemple des contacts, constitué de :

- Cu : 62,5 à 67 % de poids,

- Sn : 0,25 à 1,0 % de poids,

- Si : 0,015 à 0,15 % de poids,

- au moins deux éléments formant du siliciure, issus du groupe Mn, Fe, Ni et Al, chacun avec au maximum 0,15 % de poids,

- Pb : maximum 0,1 % de poids,

- le reste en Zn auxquels s'ajoutent les inévitables impuretés.

2. Alliage cuivre-zinc selon la revendication 1, avec :

- Cu : 64 à 66,5 % de poids,

- Sn : 0,3 à 0,7 % de poids,

- Si : 0,03 à 0,1 % de poids,

3. Alliage cuivre-zinc selon la revendication 2, avec :

- Cu : 64,5 à 66 % de poids,

- Sn : 0,4 à 0,6 % de poids,

- Si : 0,03 à 0,08 % de poids,

- au moins deux éléments formant du siliciure, issus du groupe Mn, Fe, Ni et Al, chacun avec au maximum 0,1 % de poids,

- le reste en Zn auxquels s'ajoutent les inévitables impuretés.

4. Alliage cuivre-zinc selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alliage contient du Zn avec 32 à 36 % de poids.

5. Alliage cuivre-zinc selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que parmi les éléments formant du siliciure, du Fe, du Ni et de l'Al sont contenus dans l'alliage, les proportions de Ni et d'Al étant à peu près identiques et la proportion de Fe représentant 40 % à 60 % de la proportion de Ni ou de la proportion d'Al.

6. Alliage cuivre-zinc selon la revendication 5, caractérisé en ce que la teneur en Ni et AlI représente 0,04 à 0,1 % de poids et la teneur en Fe 0,02 à 0,05 % de poids.

7. Alliage cuivre-zinc selon la revendication 6, caractérisé en ce que la teneur en Ni et la teneur en Al est de 0,06 à 0,08 % de poids et la teneur en Fe, de 0,03 à 0,04 % de poids.

8. Produit en alliage cuivre-zinc fabriqué en alliage cuivre-zinc selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la matrice structurelle contient à température ambiante largement une prédominance de phase α.

9. Produit en alliage cuivre-zinc selon la revendication 8, caractérisé en ce que la granulométrie moyenne de la structure est située entre 10 et 100 µm.

10. Produit en alliage cuivre-zinc selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que sa conductibilité électrique s'élève au moins à 12 MS/m (20 % IACS)

11. Produit en alliage cuivre-zinc selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le produit est déformé à froid à partir d'un produit semi-fini, par étirage de celui-ci, avec une réduction de section d'environ 20 %, et présente les valeurs de résistance suivantes :

- 0,2 % de limite d'élasticité : env. 310 Nmm²,

- résistance à la traction : env. 390 N/mm²,

- allongement à la rupture : env. 25 %,

- dureté : env. 120 HB 2,5/62,5.

12. Produit en alliage cuivre-zinc selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le produit est déformé à froid à partir d'un produit semi-fini, par étirage de celui-ci, avec une réduction de section d'environ 35 %, et présente les valeurs de résistance suivantes :

- 0,2 % de limite d'élasticité : env. 400 Nmm²,

- résistance à la traction : env. 450 N/mm²,

- allongement à la rupture : env. 12 %,

- dureté : env. 143 HB 2,5/62,5.

Zeichnung