KUPFERLEGIERUNG, HALBZEUG UND ELEKTRISCHES VERBINDUNGSELEMENT AUS EINER KUPFERLEGIERUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung, insbesondere eine Kupferknetlegierung, ein draht- oder stangenförmiges Halbzeug aus einer Kupferlegierung sowie ein elektrisches Verbindungselement aus einer Kupferlegierung.

[0002] In der Elektrotechnik werden für Bauteile, die eine elektrische Verbindung verwirklichen sollen, meist Kupferlegierungen verwendet. Solche Bauteile werden allgemein als elektrische Verbindungselemente bezeichnet. Beispiele hierfür sind Steckverbinder und Elektroklemmen. Die Bauteile können durch Zerspanen aus draht- oder stangenförmigem Halbzeug hergestellt werden. Die Anbindung eines solchen Bauteils an eine elektrische Leitung, beispielsweise an ein Kabel, erfolgt üblicherweise durch eine Schraubverbindung oder durch eine Krimp-Verbindung. Um das Krimpen zu ermöglichen, muss der Werkstoff des Bauteils auch noch im Endzustand gut kaltumformbar sein. Die elektrische Verbindung in einem solchen Bauteil wird häufig durch eine äußere Kraft realisiert, die zu einer elastischen Verformung des Bauteils oder zumindest eines Teils des Bauteils und somit zu einer Federwirkung führt. Durch Bewegung von Gitterfehlern, wie beispielsweise Versetzungen, und Legierungsatomen wird eine elastische Verformung, die als Folge einer äußeren Spannung im Material vorliegt, im Laufe der Zeit in eine plastische Verformung umgewandelt. Dieser Prozess, der als Relaxation bezeichnet wird, führt dazu, dass die Kraft, die die elektrische Verbindung aufrechterhält, mit fortschreitender Zeit nachlässt. Um eine sichere elektrische Verbindung dauerhaft zu gewährleisten, muss der Werkstoff des Bauteils folglich eine hohe Beständigkeit gegen Relaxation besitzen. Kupferlegierungen für elektrische Verbindungselemente, insbesondere für Steckverbinder, müssen somit neben einer guten Kaltumformbarkeit, einer guten Zerspanbarkeit, einer hohen elektrischen Leitfähigkeit insbesondere eine hohe Relaxationsbeständigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit aufweisen.

[0003] Heute werden Steckverbinder aus der Legierung CuSn4Zn4Pb4 hergestellt. Der hohe Blei-Anteil von ungefähr 4 Gew.-% macht die Legierung gut zerspanbar. Blei gilt jedoch als bedenklich für Gesundheit und Umwelt, so dass Bedarf an einer bleireduzierten oder bleifreien Alternative zu CuSn4Zn4Pb4 besteht.

[0004] Aus der Patentschrift EP 3 225 707 B1 ist bekannt, dass die bleihaltige Gusslegierung CuSn5Zn5Pb2, die zur Herstellung von Bauteilen für medienführende Gas- oder Wasserleitungen verwendet wird, durch eine Kupferlegierung mit 3,5 bis 4,8 Gew.-% Sn, 1,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% Zn, 0,25 bis 0,65 Gew.-% S und 0,04 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% P ersetzt werden kann. Die Legierung kann optional bis zu 0,09 Gew.-% Blei und bis zu 0,4 Gew.-% Nickel enthalten. Aufgrund des Schwefel-Anteils bilden sich in der Legierung Kupfersulfide und Zinksulfide, die die Zerspanungseigenschaften der Gusslegierung verbessern. Die Zinksulfide wirken sich jedoch negativ auf die Kaltumformbarkeit aus, denn sie führen zur Bildung von Rissen. Eine Reduktion des Zn-Anteils verbessert zwar die Kaltumformbarkeit, jedoch sind die elektrische Leitfähigkeit und die Relaxationsbeständigkeit der so erhaltenen Legierung unbefriedigend, denn sie erreichen nicht die Werte der heute für elektrische Verbindungselemente verwendeten Legierung CuSn4Zn4Pb4.

[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung insbesondere für die Verwendung in elektrischen Verbindungselementen anzugeben. Die Legierung muss folgendes Eigenschaftsprofil aufweisen: reduzierter Anteil an Pb, gute Zerspanbarkeit, hohe Festigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit und gute Relaxationsbeständigkeit. Ferner muss die Legierung gut kaltumformbar sein, um Halbzeug in kleinen Abmessungen zu geringen Kosten herstellen zu können und um ein Krimpen des aus der Legierung hergestellten, fertigen Bauteils zu ermöglichen. Die äußere Abmessung des Halbzeugs, beispielsweise sein Außendurchmesser, beträgt typischerweise 1,5 bis 12 mm.

[0006] Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

[0007] Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%:

Sn:	3,0 - 6,5 %,
Ni:	0,30 - 0,70 %,
P:	0,15 - 0,40 %,
S:	0,10 - 0,40 %,
Zn:	optional bis zu 0,20 %,
Fe:	optional bis zu 0,50 %,
Mn:	optional bis zu 0,50 %,
Pb:	optional bis zu 0,25 %,

Rest Kupfer sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
wobei das Verhältnis von Anteil an Ni zu Anteil an P mindestens 1,1 und höchstens 2,8 beträgt und wobei die Legierung Nickelphosphide enthält.

[0008] Kupfer-Zinn-Legierungen weisen gute Feder- und Gleiteigenschaften auf und verfügen über eine hervorragende Dauerschwingfestigkeit. Zinn verbessert ferner die Festigkeit und die Härte der Legierung und erhöht die Korrosionsbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit. Mit steigendem Zinngehalt nehmen Festigkeit und Härte zu, während die elektrische Leitfähigkeit abnimmt. Eine günstige Kombination dieser Eigenschaften ergibt sich, wenn der Zinn-Anteil mindestens 3,0 Gew.-% und höchstens 6,5 Gew.-% beträgt. Bei einem Zinn-Anteil von weniger als 3,0 Gew.-% kann die notwendige Festigkeit nicht erreicht werden. Bei einem Zinn-Anteil von über 6,5 Gew.-% kann die gewünschte Leitfähigkeit nicht mehr erreicht werden. Ferner bildet sich bei einem Zinn-Anteil über 6,5 Gew.-% eine spröde delta-Phase und die Härte nimmt zu, während die Verformbarkeit abnimmt.

[0009] Die Löslichkeit von Schwefel in Kupfer ist gering. Schwefel führt zur Bildung von Sulfiden mit den Elementen Cu, Zn, Fe und Mn. Die Sulfide wirken als Spanbrecher und verbessern somit die Zerspanbarkeit. Unterhalb von
0,10 Gew.-% ist der Schwefel-Anteil in der Legierung zu gering, um die Zerspanung zu verbessern. Wenn der Schwefel-Anteil über 0,40 Gew.-% beträgt, wird das Material spröde und die Kaltumformbarkeit wird verschlechtert. Ausscheidungen vom Typ Cu₂S reduzieren die elektrische Leitfähigkeit nur gering.

[0010] Nickel hat in Kombination mit Phosphor eine positive Wirkung auf die elektrische Leitfähigkeit und die Relaxationsbeständigkeit. Es hat sich überraschend gezeigt, dass bei Kupfer-Zinn-Legierungen, die einen Phosphor-Anteil im Bereich von 0,15 bis 0,40 Gew.-% aufweisen, durch die Zugabe von Nickel im Bereich von 0,30 bis 0,70 Gew.-% die elektrische Leitfähigkeit und die Relaxationsbeständigkeit im Vergleich zu nickelfreien Legierungen verbessert werden. Dieser Effekt kann auf die Bildung von Nickelphosphiden zurückgeführt werden. Nickelphosphide können die Zusammensetzungen Ni₂P, Ni₅P₂ und Ni₃P aufweisen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Bildung von Nickelphosphiden begünstigt wird, wenn das Verhältnis von Anteil an Ni zu Anteil an P, abgekürzt als Ni/P, mindestens 1,1 und höchstens 2,8 beträgt. In diesem Bereich ergeben sich günstige Verhältnisse für die Bildung von Nickelphosphiden neben den konkurrierenden Verbindungen von anderen Elementen mit Phosphor. Bevorzugt beträgt das Verhältnis Ni/P mindestens 1,4 und höchstens 2,5, besonders bevorzug beträgt es mindestens 1,6 und höchstens 2,1. Bei Nickel-Anteilen unter 0,3 Gew.-% werden nicht genügend Ausscheidungen gebildet, um die Relaxationsbeständigkeit zu verbessern.

[0011] Die Nickelphosphide bilden überwiegend globulare Ausscheidungen, die im Gefüge gleichmäßig fein verteilt vorliegen. Aufgrund ihrer gleichmäßigen Verteilung ermöglichen sie eine gleichmäßige Umformung des Materials. Die Nickelphosphide weisen eine sehr geringe Größe auf, so dass bei gegebener Gesamtmenge an Nickelphosphiden die Anzahl der Ausscheidungen pro Volumen sehr groß ist. Deshalb können Nickelphosphide Gitterfehler wie Korngrenzen und Versetzungen im Gefüge besonders wirksam fixieren, also an einer Bewegung hindern. Dadurch tragen die Nickelphosphide nicht nur zu einer Steigerung der Festigkeit bei, sondern bewirken zusätzlich eine deutliche Verbesserung der Relaxationsbeständigkeit. Dies macht die Legierung besonders vorteilhaft, denn üblicherweise führt eine Festigkeitssteigerung, die durch eine Kaltumformung des Materials erreicht wird, zu einer Verschlechterung der Relaxationsbeständigkeit: Durch die Kaltverformung entstehen Versetzungen, die das Material fester machen. Wenn das Material im Einsatz erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, kommt es zur Bewegung der Versetzungen (Erholungsprozesse) und infolgedessen wird die Festigkeit reduziert. Durch feinverteilte Nickelphosphid-Ausscheidungen, die die Versetzungen festpinnen, wird diese Versetzungsbewegung unterbunden. Damit bleibt das Material fest und die Relaxationsbeständigkeit ist gegeben.

[0012] Die Kupferlegierung kann bis zu 0,20 Gew.-% Zink enthalten. Zink bildet Zinksulfide, die die Zerspanbarkeit verbessern, aber andererseits die Kaltumformbarkeit negativ beeinflussen. Deshalb darf die Legierung nicht mehr als 0,20 Gew.-% Zink enthalten.

[0013] Die Kupferlegierung kann bis zu 0,50 Gew.-% Eisen enthalten. Eisen hat eine geringere Löslichkeit im Kupfer-Kristallgitter als Nickel. Es bildet deshalb beim Abkühlen der Schmelze früher Ausscheidungen und kann in geringen Mengen eine Kornfeinung bewirken. Eisensulfide können die Zerspanungseigenschaften der Legierung begünstigen. Eisen kann mit Phosphor Eisenphosphide bilden, die ähnlichen Einfluss auf die Relaxation haben wie Nickelphosphide. Jedoch haben diese Phosphide einen Schmelzpunkt von 1350 °C und bilden sich daher schon aus der Schmelze. Dies kann zu großen Ausscheidungen führen, die negativ auf die Kaltumformbarkeit wirken. Deshalb darf der Eisen-Anteil in der Legierung maximal 0,50 Gew.-%, bevorzugt maximal 0,24 Gew.-%, besonders bevorzugt maximal 0,08 Gew.-%, betragen.

[0014] Die Kupferlegierung kann bis zu 0,50 Gew.-% Mangan enthalten. Mangan bildet zusammen mit Schwefel Sulfide, die den Spanbruch fördern. Mangan trägt somit zur Verbesserung der Zerspanbarkeit bei. Wenn der Mangan-Anteil 0,50 Gew.-% übersteigt, können intermetallische Phasen gebildet werden, die die Eigenschaften der Legierung negativ beeinflussen. Bevorzugt beträgt der Mangan-Anteil in der Legierung höchstens 0,10 Gew.-%.

[0015] Die Kupferlegierung kann bis zu 0,25 Gew.-% Blei, bevorzugt bis 0,09 Gew.-% Blei, enthalten. Blei hat einen positiven Effekt auf die Zerspanbarkeit, sein Anteil in der Legierung ist jedoch regulativ limitiert.

[0016] Der Rest der Legierung sind Kupfer sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Der Anteil der Verunreinigungen beträgt bevorzugt weniger als 0,2 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-%.

[0017] Die Legierung weist hervorragende Eigenschaften hinsichtlich Kaltumformbarkeit, Zerspanbarkeit, Festigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Relaxationsbeständigkeit auf. Der geringe Anteil an Blei macht sie für Anwendungen verfügbar, bei denen der Anteil an Blei durch regulative Vorgaben limitiert ist. Die Legierung kann sogar bei einem Blei-Anteil von weniger als 0,03 Gew.-% noch ausreichend gut zerspant werden.

[0018] Das besondere Eigenschaftsprofil der Legierung wird insbesondere durch die spezielle Auswahl der Anteile der Legierungselemente Ni, P und S erzielt. Die Anteile dieser Elemente sind so gewählt, dass sich bevorzugt Kupfersulfide und Nickelphosphide bilden. Kupfersulfide verbessern die Zerspanbarkeit, während Nickelphosphide die Relaxationsbeständigkeit verbessern. Durch die spezielle Auswahl der Legierungszusammensetzung gelingt es, gerade diese beiden Ausscheidungstypen im richtigen Ausmaß zu erzeugen.

[0019] Zur Herstellung von Halbzeug wird die Legierung erschmolzen und abgegossen. Das Gussformat kann ohne Warmumformung sofort kalt umgeformt werden. Im umgeformten Zustand wird die Legierung als Knetlegierung bezeichnet. Die Legierung kann beispielsweise als Gießdraht mit einem Durchmesser von 18 bis 25 mm abgegossen werden. Der Gießdraht kann durch Walzen oder Ziehen kalt umgeformt werden. Anschließend kann ein Glühen im Temperaturbereich zwischen 550 und 700 °C für 2 bis 7 Stunden zur Rekristallisation des Gefüges erfolgen. Wenn die Glühtemperatur über 750 °C beträgt, wird die elektrische Leitfähigkeit reduziert, weil oberhalb dieser Temperatur Nickel und Phosphor wieder in Lösung gehen. Die Abfolge von Umformung und Rekristallisationsglühen kann wiederholt werden, bis die angestrebte Abmessung des Halbzeugs erreicht ist. Vorteilhafterweise beträgt dabei bei jedem Umformschritt der Umformgrad, definiert als relative Abnahme der Querschnittsfläche, mindestens 15 %. Insbesondere kann die Abfolge von Umformschritten mindestens einen Schritt mit einem Umformgrad von mindestens 60 %, besonders bevorzugt mindestens 70 %, umfassen. Der letzte Prozess bei der Herstellung eines Halbzeugs ist üblicherweise ein Umformprozess, insbesondere ein Ziehprozess.

[0020] Im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verhältnis von Anteil an P zu Anteil an S, abgekürzt als P/S, mindestens 0,70 betragen. Nickel kann sowohl mit Phosphor als auch mit Schwefel Verbindungen eingehen. Bei dieser Ausführungsform liegt eine Mindestmenge an Phosphor bezogen auf den Anteil an Schwefel vor, so dass die Bedingungen zur Bildung von Nickelphosphiden gegenüber der Bildung von Nickelsulfiden besonders günstig sind. Deshalb weist die Legierung kaum Nickelsulfide auf. Bevorzugt kann das Verhältnis P/S mindestens 0,80 betragen.

[0021] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Verhältnis von Anteil an Ni zu Anteil an Fe, abgekürzt als Ni/Fe, mindestens 1,8 betragen. Aufgrund des bei dieser Ausführungsform gewählten Mindestanteils an Nickel bezogen auf den Anteil an Eisen werden bevorzugt Nickelphosphide und weniger eisenhaltige Ausscheidungen gebildet. Bevorzugt kann das Verhältnis Ni/Fe mindestens 2,8, besonders bevorzugt mindestens 3,0 betragen.

[0022] Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann der Zinn-Anteil 4,0 bis 5,5 Gew.-% betragen. Wenn der Zinn-Anteil in diesem Bereich gewählt wird, bleibt es überwiegend in der Matrix gelöst und führt zur Mischkristallverfestigung. Deshalb ergeben sich besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, elektrischer Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kaltumformbarkeit. Ferner zeigen Dehnung und Einschnürung ein Maximum in diesem Bereich. Besonders bevorzugt kann der Zinn-Anteil 4,5 bis 5,0 Gew.-% betragen.

[0023] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Nickel-Anteil 0,35 bis 0,65 Gew.-% betragen. Wenn der Nickel-Anteil in diesem Bereich gewählt wird, ergeben sich besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit, Relaxationsbeständigkeit und Kaltumformbarkeit. Besonders bevorzugt kann der Ni-Anteil 0,43 bis 0,58 Gew.-% betragen.

[0024] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Phosphor-Anteil 0,20 bis 0,35 Gew.-% betragen. Wenn der Phosphor-Anteil in diesem Bereich gewählt wird, ergeben sich besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich Zerspanbarkeit, Festigkeit und Relaxationsbeständigkeit. Es ist ausreichend Phosphor in der Legierung vorhanden, um sowohl Nickelphosphide als auch Kupferphosphide zu bilden. Kupferphosphide verbessern die Festigkeit der Legierung, Nickelphosphide verbessern die Relaxationsbeständigkeit und wirken sich günstiger auf die elektrische Leitfähigkeit aus als Kupferphosphide. Besonders bevorzugt kann der Phosphor-Anteil 0,25 bis 0,30 Gew.-% betragen.

[0025] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Schwefel-Anteil 0,15 bis 0,35 Gew.-% betragen. Wenn Schwefel in diesem Bereich gewählt wird, ergeben sich besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich Zerspanbarkeit und Kaltumformbarkeit. Besonders bevorzugt beträgt der Schwefel-Anteil höchstens 0,30 Gew.-%.

[0026] Die vorstehend beschriebene Kupferlegierung kann als Kupferknetlegierung und insbesondere in Form von draht- oder stangenförmigem Halbzeug vorliegen.

[0027] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Verbindungselement aus einer vorstehend beschriebenen Kupferlegierung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein elektrisches Verbindungselement, bei dem die elektrische Verbindung durch eine Federwirkung des Verbindungselements oder durch eine Krafteinwirkung, beispielsweise durch eine Schraubverbindung und/oder eine Krimp-Verbindung, erreicht wird. Beispiele solcher Verbindungselemente sind Steckverbinder und Elektroklemmen. Insbesondere kann das elektrische Verbindungselement durch Zerspanen von einem Draht- oder einem stangenförmigen Halbzeug aus einer vorstehend beschriebenen Kupferlegierung hergestellt werden.

[0028] Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert.

[0029] Tabelle 1 dokumentiert die Zusammensetzung (in Gew.-%) von Beispielen der Erfindung und von Vergleichsbeispielen. Die Proben Nr. 1 bis Nr. 6 sind Beispiele der Erfindung. Die mit * gekennzeichneten Proben Nr. 7 bis Nr. 10 sind Vergleichsbeispiele, wobei Probe Nr. 7 die bleihaltige Referenzlegierung CuSn4Zn4Pb4 ist. Ferner enthält die Tabelle Informationen zur Umformbarkeit und zur elektrischen Leitfähigkeit der jeweiligen Legierung. Das Zeichen "+" in der Spalte Umformbarkeit bedeutet eine gute Umformbarkeit, während das Zeichen "-" eine schlechte Umformbarkeit bedeutet.

Tabelle 1: Zusammensetzung der Proben, Umformbarkeit und Leitfähigkeit

Probe Nr.	Sn	Ni	P	S	Pb	Zn	Fe	Mn	Cu und Verunreinigungen	Ni/P	Umformbarkeit	elektr. Leitfähigkeit
	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%	Gew.-%			in S·m/mm2
1	4,51	0,501	0,260	0,197	0,0003	0,010	0,010	0,003	Rest	1,92	+	8,54
2	6,24	0,628	0,235	0,120	0,232	0,078	0,076	0,419	Rest	2,67	+	8,37
3	4,12	0,569	0,374	0,332	0,025	0,189	0,467	0,048	Rest	1,52	+	9,03
4	5,35	0,678	0,284	0,372	0,072	0,134	0,224	0,087	Rest	2,39	+	8,41
5	3,37	0,393	0,342	0,287	0,088	0,049	0,043	0,069	Rest	1,15	+	8,87
6	4,88	0,339	0,194	0,156	0,115	0,036	0,178	0,022	Rest	1,75	+	8,62
7*	3,71	0,10	0,20	0,001	3,48	3,83	0,004	0,001	Rest	0,47	+	9,18
8*	4,48	0,01	0,05	0,46	0,00	2,40	0,008	0,003	Rest	0,10	-	10,9
9*	3,65	0,01	0,05	<0,002	0,0070	7,67	0,14	0,001	Rest	0,29	-	11,2
10*	4,50	0,01	0,28	0,23	0,0003	0,014	0,01	0,003	Rest	0,02	+	7,61

[0030] Die Legierungen wurden erschmolzen und als Draht mit einem Durchmesser von 20 mm abgegossen. Anschließend wurden sie in mehreren Schritten bis zu einem Außendurchmesser von 1,5 mm kalt umgeformt. Der Umformgrad, definiert als relative Abnahme der Querschnittsfläche, betrug bei jedem Umformschritt mindestens 18 %. Es wurden aber auch Umformgrade von über 70 % in einem einzelnen Umformschritt, insbesondere im letzten Umformschritt, erreicht. Zwischen zwei Umformschritten wurden die Proben bei ungefähr 650 °C geglüht. Die nickelhaltigen Legierungen Proben Nr. 1 bis Nr. 6 sowie die nickelfreie Legierung Probe Nr. 10 ließen sich wie die Referenzlegierung Probe Nr. 7 problemlos umformen. Die Proben Nr. 8 (CuSn4Zn2PS) und Nr. 9 (CuSn4Zn8FeP) ließen sich nur sehr begrenzt umformen, denn bereits bei einem Durchmesser von 15 mm traten Risse im Material auf.

[0031] An Proben mit einen Außendurchmesser von ungefähr 15 mm wurde die elektrische Leitfähigkeit im geglühten Zustand bestimmt. Die Referenzlegierung Nr. 7 weist eine elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 9,2 S·m/mm² auf, was 16 % IACS entspricht. Die elektrische Leitfähigkeit der nickelhaltigen Legierungen Proben Nr. 1 bis Nr. 6 liegt zwischen 8,4 und 9,0 S·m/mm², was ungefähr 15 % IACS entspricht. Damit liegt die Leitfähigkeit dieser Legierungen nur knapp unterhalb der Leitfähigkeit der Referenzlegierung Nr. 7. Die nickelfreie Legierung Probe Nr. 10 weist eine geringere elektrische Leitfähigkeit von nur 7,6 S·m/mm² (ungefähr 13 % IACS) auf. Die Proben Nr. 8 und Nr. 9 weisen zwar mit ungefähr 19 % IACS eine relativ hohe Leitfähigkeit aus, sie kommen jedoch aufgrund ihrer schlechten Umformbarkeit nicht weiter in Betracht.

[0032] Zur Charakterisierung der Relaxation wurde an Drähten mit Durchmesser 4 mm, welche aus den Proben Nr. 1 (CuSn5NiSP), Nr. 7 (CuSn4Zn4Pb4) und Nr. 10 (CuSn5PS) gefertigt wurden, für jeweils zwei Festigkeitszustände mittels der Ringmethode die Abnahme der Spannung Δσ in Abhängigkeit von der Zeit bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen. Die Versuchszeiten und die Temperaturen wurden so gewählt, dass der Larson-Miller-Parameter den Bereich 7 bis 11 abdeckt. Details zum Messverfahren sind dem Aufsatz "Understanding Stress Relaxation" von M. Bohsmann und S. Gross, in Materials Science and Technology, 2008, Oct., Seite 41 bis 47, zu entnehmen.

Tabelle 2: Ergebnisse der Versuche zur Spannungsrelaxation

Probe Nr.	Rm	relative Spannungsabnahme Δσ in % bei Temperatur in °C
	MPa	50°C	70°C	95°C	120°C	140°C	185°C	230°C
1	796	0,72	2,9	5,18	12,95	20,23	38,86	63,11
7	765	0,66	2,24	7,56	13,46	18,48	38,72	68,84
10	795	0,78	2,09	9,21	19,36	25,47	51,17	76,98
1	843	0,83	3,64	8,35	15,62	23,44	40,52	66,49
7	834	2,53	4,55	8,51	14,77	22,04	38,4	60,72
10	817	0,86	3,53	9,35	19,83	28,83	51,46	74,61

[0033] Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Untersuchungen. Angegeben ist die relative Abnahme der Spannung Δσ des Materials bezogen auf den Ausgangswert bei Raumtemperatur. Die in den oberen drei Zeilen dokumentierten Werte wurden an den Proben Nr. 1, Nr. 7 und Nr. 10 bei einem Festigkeitszustand ermittelt, der durch eine Zugfestigkeit von ungefähr 780 MPa charakterisiert ist. Die in den unteren drei Zeilen dokumentierten Werte wurden an den Proben Nr. 1, Nr. 7 und Nr. 10 bei einem Festigkeitszustand ermittelt, der durch eine Zugfestigkeit von ungefähr 830 MPa charakterisiert ist. Je geringer die gemessene Abnahme der Spannung ist, desto besser ist die Relaxationsbeständigkeit des Werkstoffs.

[0034] Die nickelhaltige Legierung Probe Nr. 1 zeigt für beide untersuchten Festigkeitszustände eine Relaxationsbeständigkeit ungefähr auf dem Niveau der bleihaltigen Referenzlegierung Probe Nr. 7. Die nickelfreie Legierung Probe Nr. 10 zeigt dagegen für beide untersuchten Festigkeitszustände bei Temperaturen oberhalb von 90 °C eine deutlich größere Abnahme der Spannung als die Proben Nr. 1 und Nr. 7. Der Vergleich der Proben Nr. 1 und Nr. 10 belegt somit, dass durch das Element Nickel in der Legierung die Relaxationsbeständigkeit deutlich verbessert wird. Die Ursache hierfür sind Nickelphosphide, die fein verteilt im Gefüge des Werkstoffs vorliegen.

[0035] Die Untersuchungen zeigen, dass die beschriebene nickel- und phosphorhaltige Kupferlegierung ein Eigenschaftsprofil aufweist, das mit dem Eigenschaftsprofil der bleihaltigen Legierung CuSn4Zn4Pb4 weitgehend identisch ist. Somit ist es möglich, die bleihaltige Legierung CuSn4Zn4Pb4 durch eine Legierung zu ersetzen, deren Bleigehalt auf unbedenklichem Niveau liegt.

Ansprüche

1. Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%:

Sn:	3,0 - 6,5 %,
Ni:	0,30 - 0,70 %,
P:	0,15 - 0,40 %,
S:	0,10 - 0,40 %,
Zn:	optional bis zu 0,20 %,
Fe:	optional bis zu 0,50 %,
Mn:	optional bis zu 0,50 %,
Pb:	optional bis zu 0,25 %,

Rest Kupfer sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
wobei das Verhältnis von Anteil an Ni zu Anteil an P mindestens 1,1 und höchstens 2,8 beträgt und wobei die Legierung Nickelphosphide enthält.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Anteil an P zu Anteil an S mindestens 0,70 beträgt.

3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Anteil an Ni zu Anteil an Fe mindestens 1,8 beträgt.

4. Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Sn-Anteil 4,0 bis 5,5 Gew.-% beträgt.

5. Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Ni-Anteil 0,35 bis 0,65 Gew.-% beträgt.

6. Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der P-Anteil 0,20 bis 0,35 Gew.-% beträgt.

7. Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der S-Anteil 0,15 bis 0,35 Gew.-% beträgt.

8. Draht- oder stangenförmiges Halbzeug aus einer Kupferlegierung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.

9. Elektrisches Verbindungselement aus einer Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.