Verfahren zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit von Halbzeug aus Kupferlegierungen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit von Halbzeug aus Kupferlegierungen. Dabei wird die Kupferlegierung geschmolzen, eine Vorform hergestellt und die Endform aus der Vorform durch übliche Schritte der Warm- und Kaltumformung erhalten.
Um die Biegewechselfestigkeit gegenüber konventionell hergestelltem Halbzeug zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Vorform nach dem Verfahren des Sprühkompaktierens hergestellt wird und daß eine Kupferlegierung verwendet wird, die nitridbildende Elemente (wie etwa Zirkon, Titan, Magnesium, Chrom, Aluminium, Mangan, Bor, Niob, Tantal, Vanadium) einzeln oder in Kombination im Konzentrationsbereich von insgesamt 0,001 bis 3,0 % enthält.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit von Halbzeug aus Kupferlegierungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Bei auf Biegung beanspruchten Federelementen ist für den Gebrauchswert die Biegewechselfestigkeit des Materials ein entscheidendes Kriterium für die Werkstoffauswahl und die Konstruktion des Elementes. Die Biegewechselfestigkeit O_BW wird üblicherweise nach DIN 50 100 (Dauerschwingversuch) bestimmt.

[0003] Für einige der wichtigsten Federwerkstoffe werden Werte der Biegewechselfestigkeit gemäß Fig. 1 erreicht (vgl. beispielsweise WIELAND-Buch "Kupferwerkstoffe", 5. Auflage (1986), S. 235).

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Biegewechselfestigkeit von Halbzeug aus Kupferlegierungen gegenüber konventionell hergestelltem Halbzeug zu verbessern.

[0005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorform nach dem Verfahren des Sprühkompaktierens hergestellt wird und daß eine Kupferlegierung verwendet wird, die nitridbildende Elemente wie Zirkon, Titan, Magnesium, Chrom, Aluminium, Mangan, Bor, Niob, Tantal, Vanadium, einzeln oder in Kombination im Konzentrationsbereich von insgesamt 0,001 bis 3,0 % enthält. (Die Konzentrationsangaben beziehen sich dabei auf das Gewicht.)

[0006] Es hat sich überraschend gezeigt, daß bei einer gewissen Klasse von Kupferlegierungen die Biegewechselfestigkeit im Endprodukt dadurch gesteigert werden kann, daß für die Urformgebung des Ausgangswerkstücks anstelle des üblichen halb- oder vollkontinuierlichen Stranggießens das Verfahren des Sprühkompaktierens (Osprey-Verfahren etwa nach GB-PS 1.379.261 und GB-PS 1.472.939) eingesetzt werden kann.

[0007] Hierbei wird eine Schmelze zerstäubt, der Tröpfchenstrahl zu einem Bolzen oder einem Band oder einer Warmwalzplatte konsolidiert und diese verformt und in der üblichen Weise weiterverarbeitet.

[0008] Bolzen lassen sich beispielsweise durch Strangpressen in Stangen, Drähte oder Rohre umformen, welche evtl. durch weitere Kaltumformschritte in die Endform gebracht werden können.

[0009] Platten lassen sich wie üblich warmwalzen und durch nachfolgende Kaltwalz- und Zwischenglühschritte bis zur Endabmessung umformen. Bei dünnen Bändern kann das Warmwalzen u. U. eingespart werden und, ähnlich wie bei dem heute bekannten Prozeß des Bandgusses, direkt mit der Kaltwalzstufe begonnen werden.

[0010] Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Kupferlegierung verwendet, die nitridbildende Elemente im Konzentrationsbereich von 0,001 bis 0,5 % enthält.

[0011] Bekannte Nitridbildner sind in der Reihenfolge ihrer Wirksamkeit: Zirkon, Titan, Magnesium, Chrom, Aluminium und Mangan. Dabei ist Zirkon das beim Sprühkompaktieren wirksamste Element. Wird seine Wirksamkeit als Bezug (100 %) gesetzt, so ergeben sich für die anderen genannnten Elemente folgende Wirksamkeitskoeffizienten: Titan 95 %, Magnesium 70 %, Chrom 40 %, Aluminium 30 %, Mangan 10 %. Das Zirkonäquivalent wird als die Summe der Produkte aus den Nenngehalte der o. g. Nitridbildner und ihrer Wirksamkeitsfaktoren definiert.

[0012] Es wird insbesondere empfohlen, ein Zirkonäquivalent von 0,01 bis 0,1 % einzuhalten (vgl. Fig. 2, welche den Einfluß am Zr-Äquivalent in der versprühten Legierung auf die Veränderung der Biegewechselfestigzeit zeigt).

[0013] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich die Biegewechselfestigkeit insbesondere bei Kupferlegierungen folgender Zusammensetzung verbessern:

1. Kupfer-Eisen-Zink-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
1,8 - 2,6 % Eisen; 0,05 - 0,2 % Zink; 0,015 - 0,15 % Phosphor; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Titan, Zirkon, Magnesium, Zinn bis maximal 0,5 %.

2. Kupfer-Eisen-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
0,05 - 1,5 % Eisen; 0,01 - 0,45 % Phosphor; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Magnesium, Titan, Zirkon, Beryllium, Zinn bis maximal 0,4 %.

3. Kupfer-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
0,3 - 1,2 % Chrom; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der gruppe Zirkon, Titan, Eisen, Silizium bis maximal 0,5 %.

4. Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
0,1 - 0,5 % Chrom; 0,01 - 0,5 % Titan; 0,01 - 0,25 % Silizium, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Zink, Eisen, Nickel bis maximal 0,4 %.

5. Kupfer-Zirkon-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
0,02 - 0,3 % Zirkon; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Chrom, Zinn, Phosphor bis maximal 0,4 %.

6. Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
5,0 - 15,5 % Nickel; 2 - 8,5 % Zinn; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Mangan, Eisen, Zink bis 1,5 %; Chrom, Titan, Magnesium, Zirkon bis 0,5 %; Phosphor bis 0,3 %.

7. Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
0,2 - 3,0 % Nickel; 0,2 - 3,0 % Zinn; 0,1 - 1,5 % Titan; 0,5 - 1 % Chrom; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Zink bis 1 %.

8. Kupfer-Nickel-Zinn-Aluminium-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
4 - 10 % Nickel; 1 - 3 % Zinn; 1 - 3 % Aluminium; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Mangan, Eisen, Zink, Silizium bis 1 %; Zirkon, Chrom, Titan bis 0,5 %; Magnesium und Phosphor bis 0,3 %.

9. Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
1 - 4 % Nickel; 0,2 - 0,8 % Silizium; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Eisen, Mangan, Zink, Zinn bis 1,5 %; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,8 %; Zirkon, Phosphor bis 0,3 %.

10. Kupfer-Zinn-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung: 1 - 11 % Zinn; 0,01 - 0,35 % Phosphor; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen: Zink bis 6 %; Eisen, Mangan, Nickel bis 2,5 %; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,5 %; Zirkon bis 0,2 %.

11. Kupfer-Zink-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
2 - 51 % Zink; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen: Blei bis 4 %; Eisen, Zinn bis 2 %; Nickel bis 3 %; Silizium bis 2 %; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,5 %; Zirkon bis 0,3 %; Phosphor bis 0,2 %.

[0014] Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Eine Legierung A mit 0,73 % Chrom, 0,08 % Zirkon, Rest Kupfer mit üblichen Verunreinigungen wurde in der üblichen Weise in Form von Bolzen stranggegossen, bei 900 ° C zu Stangen verpreßt, diese in 0,3 mm dicke Bänder verwalzt. Durch geeignete Glüh- und Umformsequenz wurde das Material in Enddicke auf eine Zugfestigkeit von etwa 590 N/mm² bei einer Härte von etwa 170 HV und einer elektrischen Leitfähigkeit von 48,1 m/Ω mm² gebracht.

[0015] Eine Legierung B mit 0,80 % Chrom, 0,09 % Zirkon, Rest Kupfer mit üblichen Verunreinigungen wurde durch Sprühkompaktieren entsprechend Fig. 3 zu einem Bolzen geformt.

[0016] Auf die Oberseite einer Sprühkompaktierkammer 1 wird ein Tiegel 2 mit der Schmelze 3 aufgesetzt und die Schmelze 3 über ein Stopfenventil 2' in eine Düse 4 eingeführt. In der Düse 4 trifft das Zerstäubungsgas 5 auf die Schmelze 3 und zerlegt den Schmelzestrahl in einen kegelförmigen Tröpfchenstrahl 6. Der Tröpfchenstrahl 6 trifft auf eine sich drehende Unterlage 7, welche beispielsweise der Teil eines gebildeten Bolzens sein kann.

[0017] Der entstandene Bolzen wurde ebenfalls bei 900 ° C in eine Stange verpreßt, die Stange, wie oben erwähnt, durch verschiedene analoge Kaltumformschritte mit Zwischenglühung in ein Band von 0,3 mm Dicke verwalzt. Es wurde eine Zugfestigkeit von 560 N/mm² bei 49,8 m/Ω mm² Leitfähigkeit und einer Härte von 150 HV eingestellt.

[0018] Aus den Bandproben beider Legierungen wurden streifen von 10 mm Breite herausgeschnitten und an diesen die Biegewechselfestigkeit σ_BW durch einen Hin- und Herbiegeversuch ermittelt.

[0019] Für die Legierung A ergab sich eine Biegewechselfestigkeit σ_BW = 190 N/mm², bei Legierung B wurde σ_BW = 220 N/mm² bei jeweils 10⁷ ertragenen Lastwechseln gemessen.

[0020] Fig. 4 zeigt den vollständigen Verlauf für die Biegewechselfestigkeit σ_BW. Daraus geht hervor, daß die Biegelwechselfestigkeit der nach dem Sprühkompaktierverfahren hergestellten Proben deutlich über der Biegewechselfestigkeit der nach dem Stranggießverfahren hergestellten Proben liegt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Verbesserung der Biegewechselfestigkeit von Halbzeug aus Kupferlegierungen,
bei dem die Kupferlegierung geschmolzen und eine Vorform hergestellt wird und sich die Endform aus der Vorform durch übliche Schritte der Warm- und Kaltumformung ergibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorform nach dem Verfahren des Sprühkompaktierens hergestellt wird und daß eine Kupferlegierung verwendet wird,
die nitridbildende Elemente wie Zirkon, Titan, Magnesium, Chrom, Aluminium, Mangan, Bor, Niob, Tantal, Vanadium, einzeln oder in Kombination im Konzentrationsbereich von insgesamt 0,001 bis 3,0 % enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupferlegierung verwendet wird, die nitridbildende Elemente im Konzentrationsbereich von 0,001 bis 0,5 % enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupferlegierung verwendet wird, die nitridbildende Elemente als Zirkonäquivalent im Konzentrationsbereich von 0,01 bis 0,1 % enthält.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Eisen-Zink-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
1,8 - 2,6 % Eisen; 0,05 - 0,2 % Zink; 0,015 - 0,15 % Phosphor; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Titan, Zirkon, Magnesium, Zinn bis maximal 0,5 %.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Eisen-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
0,05 - 1,5 % Eisen; 0,01 - 0,45 % Phosphor, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Magnesium, Titan, Zirkon, Beryllium, Zinn bis maximal 0,4 %.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
0,3 - 1,2 % Chrom; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Zirkon, Titan, Eisen, Silizium bis maximal 0,5 %.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
0,1 - 0,5 % Chrom; 0,01 - 0,5 % Titan; 0,01 - 0,25 % Silizium; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Zink, Eisen, Nickel bis maximal 0,4 %.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Zirkon-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
0,02 - 0,3 % Zirkon; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Chrom, Zinn, Phosphor bis maximal 0,4 %.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
5,0 - 15,5 % Nickel; 2 - 8,5 % Zinn; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Mangan, Eisen, Zink bis 1,5 %; Chrom, Titan, Magnesium, Zirkon bis 0,5 %; Phosphor bis 0,3 %.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
0,2 - 3,0 % Nickel; 0,2 - 3,0 % Zinn; 0,1 - 1,5 % Titan; 0,5 - 1 % Chrom; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Eisen, Zink bis 1 %.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Nickel-Zinn-Aluminium-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
4 - 10 % Nickel; 1 - 3 % Zinn; 1 - 3 % Aluminium; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie wahlweiser Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Mangan, Eisen, Zink, Silizium bis 1 %; Zirkon, Chrom, Titan bis 0,5 %; Magnesium und Phosphor bis 0,3 %.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
1 - 4 % Nickel; 0,2 - 0,8 % Silizium; Rest Kupfer und übliche Verunreingiungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen Eisen, Mangan, Zink, Zinn bis 1,5 %; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,8 %; Zirkon, Phosphor bis 0,3 %.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Zinn-Phosphor-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
1 - 11 % Zinn; 0,01 - 0,35 % Phosphor; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen: Zink bis 6 %; Eisen, Mangan, Nickel bis 2,5 %; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,5 %; Zirkon bis 0,2 %.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupfer-Zink-Legierung der folgenden Zusammensetzung verwendet wird:
2 - 51 % Zink; Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen sowie Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus den Gruppen: Blei bis 4 %; Eisen, Zinn bis 2 %; Nickel bis 3 %; Silizium bis 2 %; Chrom, Titan, Magnesium bis 0,5 %; Zirkon bis 0,3 %; Phosphor bis 0,2 %.

Zeichnung