DE60114281T2

DE60114281T2 - Guss- und Schmiedprodukt unter Verwendung einer Kupfer-basis Legierung

Info

Publication number: DE60114281T2
Application number: DE60114281T
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Chiba-shi Mino
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-03-17
Also published as: KR100415270B1; DE60114281D1; US20010041149A1; CN1173053C; AU757115B2; EP1143021A1; CA2341126C; ID29753A; AU3139601A; JP2001288517A; BR0101309A; TW476796B; CA2341126A1; KR20010094994A; CN1320712A; BR0101309B1; US6679955B2; US7204893B2; US20040025982A1; EP1143021B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen eines Gussteils und eines Schmiedeteils unter Einsatz von Legierungen auf Cu-Basis.
Metallische Materialien mit hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit gelangen auf Gebieten zum Einsatz, wo die Materialien einer schweren Wärmeermüdung ausgesetzt sind, wie beispielsweise im Fall von Konstruktionswerkstoffen zur Erzeugung von Kernfusionsreaktoren und Drosselkammern eines Triebstrahlwerks, wo sich eine der Oberflächen im Kontakt mit Verbrennungsgas bei 3.000°C befindet und die andere Oberfläche sich im Kontakt mit flüssigem Wasserstoff befindet.
Als ein Beispiel für eine Legierung hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit, die auf diesen Gebieten eingesetzt wird, kann eine Legierung auf Cu-Basis mit einem Gehalt von 0,8% Cr und 0,2% Zr genannt werden (zu beachten ist hierbei dass die Prozentangaben, die in dieser Patentschrift gemacht werden, in Masseprozent angegeben sind), die in der Japanischen Offenlegungsschrift, erste Veröffentlichung, Nr. Hei 04-198460 offenbart wurde. Allgemein kann ein Schmiedeteil hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit aus dieser Legierung auf Cu-Basis dadurch erhalten werden, dass sie gegossen und anschließend in eine spezielle Form durch Schmieden, Walzen, usw. umgeformt wird, während darauf eine spezielle Wärmebehandlung zur Anwendung gelangt. In dieser Legierung auf Cu-Basis ist es möglich, die Zugfestigkeit zu erhöhen, während die Wärmeleitfähigkeit auf einem hohen Wert gehalten wird, selbst wenn die Zusammensetzung der Legierung die gleiche ist, indem die Bedingungen der thermomechanischen Behandlung eingestellt werden.
In den letzten Jahren sind jedoch die Bedingungen, unter denen Konstruktionsteile eingesetzt werden, im Bezug auf die Erzeugung von Wärmespannung anspruchsvoller geworden. Gleichzeitig hat sich die kurze Lebensdauer konventioneller Materialien vor dem Auftreten von Rissbildung herausgestellt. Damit hat es eine höhere Anforderung an eine höhere Beständigkeit gegenüber Wärmeermüdung gegeben. Zur Verringerung der Wärmebelastung in metallischen Materialien ist es notwendig, die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen sowie die Temperaturwechselbeständigkeit zu verbessern. Verbesserungen in Wärmeleitfähigkeit sind jedoch nahezu an den Grenzen angelangt. Das Problem ist dann die Temperaturwechselbeständigkeit zu verbessern ohne Verminderung der Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu konventionellen metallischen Werkstoffen.
Es ist bekannt, dass zur Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit bei diesen Typen von metallischen Werkstoffen die Erhöhung der Zugfestigkeit und Zugprüfspannung in der Regel akzeptabel ist, ohne die Zugdehnung und Wärmeleitfähigkeit bei den eingesetzten Temperaturen zu verringern. Um daher den vorgenannten Anforderungen zu genügen, wurde der Versuch unternommen, die Festigkeit zu erhöhen, indem eine Legierung auf Cu-Basis eingesetzt wurde, die 0,8% Cr und 0,2% Zr als Grundlage enthielt, und sodann die Zugeigenschaft der Legierung auf Cu-Basis durch weitere Erhöhung der Gehalte an Cr und Zr erhöht.
Bei diesem Typ der Cu-Cr-Zr-Legierung lässt sich ein hoher Grad der Festigkeit dann erhalten, wenn der Gehalt an Cr und Zr erhöht wird, während gleichzeitig eine Mikrostruktur vom Faser-Typ durch Tiefziehen oder Drahtziehen erzeugt wird, bei denen ein hohes Maß an Verformung in nur einer Richtung aufgebracht wird.
Allerdings wird bei diesem Typ der Cu-Cr-Zr-Legierung die Verformbarkeit so herabgesetzt, dass die Temperaturwechselbeständigkeit nicht in dem erwarteten Maß verbessert wird. Darüber hinaus gibt es Beschränkungen im Bezug auf die Form des umgeformten Artikels, so dass das Schmieden und Walzen nicht in dem zufriedenstellenden Umfang ausgeführt werden konnte. Bei einem wahlweisen Profil war es daher schwierig, die gewünschte Festigkeit bei einem umgeformten Artikel zu erzielen. Dementsprechend haben sich die Anwendungen auf elektrische Bauteile beschränkt, bei denen hohe Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit genutzt werden.
Andererseits wurde eine Cu-Ag-Legierung, bei der eine große Menge an Ag zugesetzt wird, als eine neuartige Legierung entsprechend der Offenbarung in der Japanischen Offenlegungsschrift, erste Veröffentlichung, Hei 6-279894 und in Sakai, et al., J. JAPAN INST. METALS, Bd. 55, Nr. 12 (1991), S. 1382–1391 entwickelt. Ag hat wie Cr und Zr eine geringe Löslichkeit in Cu nahe Raumtemperaturen und erfährt eine leichte Verringerung der Wärmeleitfähigkeit, wenn es in die Legierung gelangt. Wenn allerdings Ag in einer Menge von 8,5% oder mehr zugesetzt wird, bilden die erhaltenen Legierungen auf Cu-Basis beim Erstarren ein Eutektikum. Wenn daher das Tiefziehen oder Drahtziehen, bei denen eine große Verformung in nur einer Richtung aufgebracht wird, in der gleichen Weise wie im Fall einer Cu-Cr-Zr-Legierung auf einem Barren einer Cu-Ag-Legierung ausgeführt werden, in der 15% Ag zugesetzt worden waren, um eine ausreichende Menge an eutektischer Struktur zu erhalten, wurde die eutektische Stuktur zerstört und eine durch Faser verstärkte Struktur erzeugt. Die in diesem Fall erhaltene Festigkeit ist außerordentlich hoch.
Allerdings ist im Fall dieses Typs von Cu-Ag-Legierungen ein starkes Umformen erforderlich, um so einen Walzdraht mit einem 1/10 oder kleineren Durchmesser aus einem runden Schmiedestab zu erhalten. So ist es mit dieser Technologie nicht möglich, Schmiedestücke mit einem größeren bestimmten Grad der Dicke zu erzeugen.
Hinzu kommt, dass bei den vorstehend beschriebenen metallischen Werkstoffen ein wiederholtes Schmieden und wiederholte Wärmebehandlungen die Produktionskosten erhöhen. Da dementsprechend die Festigkeit bei derzeitigen Werten ausreichend ist, hat es ein Bestreben nach metallischen Konstruktionswerkstoffen gegeben, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, eine hohe Festigkeit haben und kostengünstig durch Gießen erzeugt werden können, wo ein Schritt des Schmiedens nicht benötigt wird. Ein solcher Typ eines metallischen Werkstoffes ist bisher konventionell noch nicht bekannt gewesen.
Die JP-A-09041056 offenbart Kupferlegierungen für Kommutatormaterialien von Motoren mit einem Gehalt von 7,5 bis 15% Ag (bevorzugt 9 bis 11%), 0,05 bis 1,2% Cr (bevorzugt 0,2 bis 0,6%) und 0,01 bis 0,25% Zr (bevorzugt 0,05 bis 0,15%), die über eine disperse Stuktur von 100 bis 10.000/mm² ausgeschiedenen Verbindungen von 0,2 bis 5 μm hat. Das Material wird durch Schmelzen der Grundlegierung, durch Gießen eines Barrens, Ausführung einer Homogenisierungsbehandlung bei 720°C für 60 min und Ausführung eines Warmstrangpressens erzeugt, bevor das Produkt abschließend wassergekühlt wird.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts der vorstehend beschriebenen Probleme zustande gekommen und hat als eine ihrer Aufgaben die kostengünstige Erzeugung eines geformten Artikels aus Metall mit hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit durch einfaches Gießen, Schmieden oder Walzen, wobei es hinsichtlich der Bemessungen des geformten Artikels keinerlei Beschränkungen gibt.
Die vorliegende Erfindung gewährt ein Verfahren zum Herstellen eines Gussteils entsprechend der Festlegung in Anspruch 1. Dieses Verfahren verwendet eine Legierung auf Kupferbasis (auch bezeichnet als "Kupfer-Ausgangslegierung zum Gießen"), die Ag im Bereich von 3% bis 20% enthält, Cr im Bereich von 0,5 bis 1,5% und Zr im Bereich von 0,05 bis 0,5%, wobei Cu den Rest ausmacht.
Die hierin verwendete Formulierung "rasch erstarrt" bedeutet, dass die zum Kühlen der Temperatur des schmelzflüssigen Materials von 450° bis 500°C erforderliche Zeitdauer, die die Temperatur der Wärmealterungsbehandlung zur Ausscheidung ist, 10 min oder weniger beträgt. Das Erstarrenlassen unter Verwendung einer Metallform kann das Material bis 500°C bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 1°C/s kühlen, sobald das Material erstarrt ist. Für diese Aufgabe stehen speziell Methoden des Metallformgusses oder das Schleudergießverfahren zur Verfügung.
Die Formulierung "Alterungsbehandlung zur Ausfällung" bedeutet eine Behandlung zum Ausfällen unterschiedlicher Phasen innerhalb einer Matrix, indem eine feste Lösung bei einer vorgegebenen Temperatur für eine vorgegebene Zeitdauer gehalten wird.
Eine Legierung auf Kupferbasis zum Gießen der vorgenannten Komponenten wird erzeugt, indem Ag zu einer Kupfer-Ausgangslegierung gegeben wird, zu der eine geringe Menge Cr und Zr zugesetzt worden war. Diese Legierung auf Kupferbasis macht es möglich, einen geformten Artikel zu erhalten, der eine hohe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit selbst im Fall eines Gießens hat, wo ein Walzen und Schmieden nicht verlangt wird.
Dementsprechend kann durch den einfachen Verfahrensschritt des Gießens bei Einsatz dieser Legierung auf Kupferbasis zum Gießen ein Gussteil erzeugt werden, das über eine hohe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit verfügt, wobei es keinerlei Beschränkungen für die Bemessungen der Form des Artikels gibt.
Wenn die Menge an Ag in einer Legierung auf Kupferbasis dieser Komponenten kleiner ist als 3%, kommt es zu einer ausgeprägten Herabsetzung der Härte des erhaltenen Gussteils, und es kann kein Gussteil mit hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit erhalten werden. Andererseits gibt es keinen ausgeprägten Unterschied in den Auswirkungen, wenn die eingesetzte Ag-Menge 20% überschreitet, wobei die Verwendung übermäßiger Mengen an Ag vom Standpunkt der Kosten nachteilig ist.
Wenn die Menge an Cr in der Legierung auf Kupferbasis der vorgenannten Komponenten kleiner ist als 0,5%, kommt es zu einer ausgeprägten Herabsetzung der Härte des erhaltenen Gussteils, und das Erzielen eines Gussteils mit hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit ist nicht möglich. Die maximale Löslichkeit von Cr beträgt 0,7 bis 0,8%. Die eutektische Reaktion wird dann ablaufen, wenn Cr oberhalb dieses Bereichs zugesetzt wird. Allerdings ist selbst bei Mengen, die diesen Bereich überschreiten, wie beispielsweise in einer Legierung, in der 1,5% Cr zugesetzt worden waren, die Verfestigung beendet, bevor die gesamte eutektische Reaktion abgelaufen ist, vorausgesetzt, dass die Kühlgeschwindigkeit nicht sehr langsam war. Wenn die Menge an Cr jedoch 1,5% überschreitet, dann scheiden sich Cr-Primärkristalle in einer überschüssigen Menge während des Kühlens beim zweiten Verfahrensschritt aus. Dieses ist vom Standpunkt der Verformbarkeit und Zähigkeit nicht wünschenswert.
Wenn die Menge an Zr in einer Legierung auf Kupferbasis der vorgenannten Komponenten kleiner ist als 0,05%, so ist die Wirkung der Verringerung der Versprödung bei 400° bis 600°C nicht ausreichend. In Bezug auf die Ausscheidungsverfestigung ist darüber hinaus Zr ähnlich wie Cr ein wirksames Element. Die maximale Löslichkeit beträgt 0,15%. Das Zusetzen einer großen Menge an Zr von mehr als 0,5% ist aus den gleichen Gründen von Nachteil, wie sie vorstehend im Fall von Cr genannt wurden.
In dem vorgenannten Verfahren zum Erzeugen eines Kristalls wird zuerst eine übersättigte feste Lösung, die eine erzwungene feste Lösung von Ag und Cr enthält, erzeugt, indem schmelzflüssiges Material durch Schleudergießen oder Gießen aus der Metallfom in dem zweiten Schritt zum raschen Erstarren gebracht wird. Eine Struktur, die eine übersättigte Lösung von Ag im Überschuss zu seiner Löslichkeit enthält, lässt sich durch rasches erstarren lassen in diesem Zustand selbst dann erhalten, wenn Ag in einer Menge zugesetzt wird, die 8,5% überschreitet, die der Punkt der Ag-Cu-Eutektikumbildung in dem Phasendiagramm sind. Dieses trägt zur Verfestigung bei.
Die erhaltenen Gussteile enthalten eine erhebliche Menge an Ag in übersättigter Lösung. Wenn in dem dritten Schritt eine Alterungsbehandlung für die Ausscheidung ausgeführt wird, wird während der Alterung eine große Menge an Feinausscheidungen ausgeschieden und dadurch der Grad der Festigkeit des Gussteils erhöht.
Die vorliegende Erfindung gewährt außerdem Verfahren zum Herstellen eines Schmiedeteils entsprechend den Festlegungen in den Ansprüchen 2 und 3. In jedem Verfahren wird eine Legierung auf Kupferbasis (auch bezeichnet als "Kupfer-Ausgangslegierung zum Schmieden" zur Unterscheidung von der vorgenannten "Kupfer-Ausgangslegierung zum Gießen") verwendet, in die einbezogen sind: Ag im Bereich von 3 bis 8,5%, Cr im Bereich von 0,5 bis 1,5% und Zr im Bereich von 0,05 bis 0,5%, wobei der Rest Cu ist.
Als Ergebnis wurde ein Halbzeugartikel erhalten, der über eine überlegene Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit verfügt und der in einem einfachen Verfahrensschritt umgeformt werden kann und in Bezug auf die Bemessungen seiner Form nicht beschränkt ist, während gleichzeitig kostengünstiges Cu als Basis eingesetzt werden kann.
Wenn die Ag-Menge in der vorgenannten Kupfer-Ausgangslegierung zum Schmieden kleiner ist als 3%, nimmt die Härte des erhaltenen Schmiedeteils deutlich ab, und es kann kein Schmiedeteil mit hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit erhalten werden. Andererseits wird eine lediglich geringfügige Wirkung durch Zusetzen von Ag in Mengen oberhalb von 8,5% erhalten, während diese Vorgehensweise aus der Sicht der Kosten nachteilig ist.
Wenn die Menge an Cr in der Legierung auf Cu-Basis zum Schmieden kleiner ist als 0,5%, dann nimmt die Härte des erhaltenen Schmiedeteils drastisch ab und es ist nicht möglich, ein Schmiedeteil hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Wenn die Menge an Cr 1,5% überschreitet, wird ein großer Primärkristall von Cr in dem zweiten Schritt erzeugt und die Schmiedbarkeit beim Warmschmieden fällt drastisch ab.
Wenn die Menge an Zr in der Cu-Legierung zum Schmieden kleiner ist als 0,05%, resultiert eine unzureichende Kontrolle über die Versprödung. Wenn andererseits die Menge an Zr 0,5% überschreitet, nehmen wie im Fall von Cr Zähigkeit und Verformbarkeit in Folge übermäßiger Ausscheidung ab.
Führt man an dem verfestigten Artikel, der in dem zweiten Schritt in dem vorliegenden Verfahren zum Erzeugen eines Schmiedeteils erhalten wird, eine thermomechanische Behandlung unter Anwendung des Schmiedens oder Walzens aus, so werden die Kristallkörner feiner gemacht, es wird eine Versetzung eingeführt und es erfolgt ein Härten. Indem gleichzeitig auch eine Alterungsbehandlung zur Ausscheidung eingesetzt wird, wird eine gleichförmige feine eutektische Phase erzeugt, die eine weitere Erhöhung der Festigkeit des Schmiedeteils möglich macht. Auf diese Weise kann ein Schmiedeteil mit hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit erhalten werden.
Die thermomechanische Behandlung wird bei weniger als 550°C ausgeführt. Sobald die Temperatur 550°C überschreitet, gibt es nicht nur eine geringe Warmverfestigung, sondern es werden auch die Ag- oder Cr-Ausscheidungen teilweise aufgelöst, so dass größere Ausscheidungen auftreten, die von Nachteil sind. Sobald sie sich erst einmal gebildet haben, werden große Ausscheidungen nicht ohne weiteres feiner selbst dann, wenn die Temperatur herabgesetzt wird. Auf diese Weise wird die Ausscheidungsverfestigung erheblich gesenkt.
Es folgt eine detailliertere Ausführung der Bedingungen zum Erzielen eines Gussteils hoher Festigkeit und Leitfähigkeit, wie es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gießen erhalten wird, sowie des Schmiedeteils, wie es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schmieden erhalten wird.
Bei der Herstellung eines Gussteils unter Einsatz der vorliegenden Erfindung wird das aus einer Legierung auf Cu-Basis mit einem Gehalt an Ag bestehende schmelzflüssige Material rasch durch Schleuderguss oder Formguss zum Erstarren gebracht. Als Ergebnis wird zuerst eine übersättigte feste Lösung erzeugt, die eine erzwungene feste Lösung von Ag und Cr enthält. An dieser übersättigten festen Lösung wird eine Alterungsbehandlung zur Ausscheidung bei einer Temperatur im Bereich von 450° bis 500°C ausgeführt. Als Ergebnis werden in der Struktur der festen Lösung sehr feine Phasen ausgefällt. In Folge des raschen Erstarrens kommt es zu einer erheblichen Menge an Übersättigung in der Legierung auf Cu-Basis. Auf diese Weise nimmt die Menge der während der Alterung erzeugten feinen Ausscheidungen zu, so dass die Festigkeit des Gussteils erhöht wird.
Anders als in dem üblichen Phasendiagramm, welches die Struktur in der Gleichgewichtsphase zeigt, wird in der rasch erstarrten Legierung auf Cu-Basis eine Struktur erhalten, die eine höhere als erwartete Menge an fester Lösung von Ag enthält. Dementsprechend wird die zugesetzte Ag-Menge wirksam zur Verfestigung selbst dann eingesetzt, wenn mehr als 8,5% zugesetzt sind, die der Punkt der Bildung eines Eutektikums in dem Phasendiagramm sind. Wenn allerdings Ag mit mehr als 20% zugesetzt wird, ist die für die Verfestigung erforderliche Geschwindigkeit der Erstarrung zu groß. Damit ist dieses nicht realistisch und setzt den tatsächlichen Wirkungsgrad herab.
Andererseits wird in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen eines Schmiedeteils die vorgenannte Legierung auf Cu-Basis zum Schmieden zu der gewünschten Form durch thermomechanische Behandlung unter Anwendung des Schmiedens oder Walzens gebracht und wird eine Ausscheidungsverfestigung unter Anwendung einer Alterungsbehandlung zur Ausscheidung unterworfen. Bei diesem Verfahren muss die zugegebene Ag-Menge so eingestellt werden, dass nicht viele eutektische Ag- oder Cr-Primärkristalle erzeugt werden. Mit anderen Worten bewirkt eine Struktur, in der große eutektische oder Primärkristalle an Cr während des ersten Gießens und Erstarrens aufgrund des Zusatzes einer großen Ag-Menge in Erscheinung treten, eine Verringerung der Wirksamkeit des Schmiedens während des Warmschmiedens. Beispielsweise beginnt in Legierungen, die nur die zwei Elemente Cu und Ag aufweisen, das Schmelzen bei einer eutektischen Temperatur von 780°C, wenn man ein typisches Phasendiagramm zugrunde legt. Dieses teilweise Schmelzen ist die Ursache für eine Rissbildung während der Warmverfestigung in den Schritten des Schmiedens oder Walzens. Daher wird es notwendig, eine Beschränkung der oberen Grenze der Schmiedetemperatur anzusetzen.
Um somit die Bildung einer übermäßigen Menge großer eutektischer Partikel oder primärer Cr-Partikel während des Gießens und Erstarrens in dem zweiten Schritt zu verhindern, wird die zugesetzte Ag-Menge auf weniger als 8,5% eingeschränkt, die der Punkt der Bildung des Eutektikums in dem Phasendiagammn der erfindungsgemäßen Legierung auf Cu-Basis zum Schmieden sind. Als Ergebnis wird der Wirkungsgad des Schmiedens in dem erfindungsgemäßen Schmieden stark verbessert.
In einem speziellen Beispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen eines Schmiedeteils, wird die Festigkeit durch Ausscheidungsverfestigung mit Hilfe einer thermomechanischen Behandlung mit Warmverfestigung (d.h. bei einer Temperatur von mehr als 100°C und weniger als 550°C und bevorzugt unterhalb von 500°C) sowie Alterungsbehandlung erhöht. Um die Festigkeit durch Ausscheidungsverfestigung zu erhöhen, liegt der Partikeldurchmesser der Ausscheidung in der Struktur im Idealfall in der Größenordnung von 1/100 μm. Allerdings kann dadurch, dass man die zugesetzte Ag-Menge auf weniger als 8,5% begrenzt und eine thermomechanische Behandlung sowie Alterungsbehandlung zur Ausscheidung während der Warmverfestigung ausführt, ein Schmiedeteil mit hoher Festigkeit erhalten, in welchem unterschiedliche Phasenpartikel mit dem gewünschten Durchmesser verteilt sind.
Die zwei Verfestigungsmechanismen der Einstellung der Menge an zugesetztem Ag und Cr sowie der thermomechanischen Behandlung sind wechselweise förderlich. Mit anderen Worten, wird die in der thermomechanischen Behandlung eingeführte Versetzung die Keimbildungsstelle für das Ausscheiden von Partikeln unterschiedlicher Phase, was zur Ausscheidung von Feinpartikeln beiträgt. Darüber hinaus begrenzt die Ag- oder Cr-Ausscheidung in der Versetzung die Eliminierung der Versetzung durch Erhitzen, wodurch die Stabilität der Hochtemperaturfestigkeit erhöht wird. Die Wirkung ist um so größer, je mehr Legierungselemente vorhanden sind. Allerdings werden viele dieser Elemente als Primärkristalle während des Gießens/Erstanens entweder allein oder in einer Verbindungsphase ausgeschieden. Damit führt der Einsatz großer Mengen dieser Elemente zu einer Beeinträchtigung der Schmiedbarkeit in den letzten Schritten. Beispielsweise werden in einer Cu-Cr-Legierung mit zwei Elementen, wenn die Menge an zugesetztem Cr näherungsweise 0,7% überschreitet, im Fall einer Erstarrung unter Aufrechterhaltung der Gleichgewichtsphase Primärkristalle ausgeschieden. Dementsprechend beträgt die geeignete zugesetzte Cr-Menge in der Gleichgewichtsphase 0,7% oder weniger. Da jedoch die Geschwindigkeit der Erstarrung in der Praxis groß ist, ist es möglich, den Festigkeitsgad durch Zusatz von bis zu 1,5% zu erhöhen.
Durch Zusatz einer geeigneten Menge an Cr zu der Legierung auf Cu-Basis zum Schmieden werden die gleichen Wirkungen wie bei einer Zugabe einer großen Ag-Menge erhalten. Damit lässt sich der Schmiedewirkungsgrad erhöhen und die zugesetzte Ag-Menge verringern, so dass die Kosten gesenkt werden.
Bei der Einstellung der Legierung auf Cu-Basis zum Gießen oder Schmieden werden dem Cu Ag, Cr und Zr zugesetzt und diese unter Anwendung der üblichen Methode geschmolzen. Durch Zusatz einer geeigneten Menge an Cr im Bereich von 0,5 bis 1,5% anstelle eines alleinigen Zusatzes von Ag wird die Wirkung der Ag-Zugabe synergistisch erhöht. Die Zugabe von Cr in einer Menge von weniger als 0,5% hat einen lediglich geringen Einfluss auf die Verbesserung der Festigkeit.
Im Zusammenhang mit der Zugabe von Zr zu einer Legierung auf Cu-Basis war von jeher bekannt, dass der Zusatz von 0,05 bis 0,2% Zr eine desoxidierende Wirkung hat und einen Einfluss auf die Kontrolle der Form der Korngrenzenausscheidung. Allerdings trägt die Zugabe von 0,05 bis 0,5% Zr in der vorliegenden Erfindung auch zu einer Verbesserung der Zugverformbarkeit bei 400°C und höher bei.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Es zeigen:
1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Härte und der zugesetzten Ag-Menge des Gießens der Legierung auf Cu-Basis an einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Härte und der zugegebenen Cr-Menge des Gießens der Legierung auf Cu-Basis an einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Prüfspannung und der Temperatur des Gießens der Legierung auf Cu-Basis an einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Erhöhung der Zugdehnung und der Temperatur des Gießens der Legierung auf Cu-Basis an einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Prüfspannung und der Temperatur des Schmiedens der Legierung auf Cu-Basis an einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Erhöhung der Zugdehnung und der Temperatur des Schmiedens der Legierung auf Cu-Basis an einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Prüfspannung und der Temperatur des Schmiedens der Legierung auf Cu-Basis an einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Erhöhung der Zugdehnung und der Temperatur des Schmiedens der Legierung auf Cu-Basis an einem Beispiel der vorliegenden Erfindung.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Nachfolgend werden spezielle Beispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Allerdings ist die vorliegende Erfindung auf diese Beispiele nicht beschränkt. Es ist selbstverständlich akzeptabel, geeignete Strukturelemente dieser Ausführungsformen beispielsweise zu kombinieren.
(VERSUCH 1)
ERZEUGUNG DER KUPFER-AUSGANGSLEGIERUNG
Es wurde Guss für Kupfer-Ausgangslegierungen der Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3 entsprechend den Angaben in Tabelle 1 angesetzt, indem Legierungszusammensetzungen geschmolzen wurden, die enthielten: 0%, 2%, 4%, 8%, 16% bzw. 30% Ag und 0,8% Cr, 0,2% Zr und Rest Cu.
Es wurde Guss für Kupfer-Ausgangslegierungen für die Beispiele 4 bis 6 und die Vergleichsbeispiele 4 bis 6 entsprechend den Angaben in Tabelle 2 angesetzt, indem Legierungszusammensetzungen geschmolzen wurden, die enthielten: 0%, 0,2%, 0,5%, 1%, 1,5% bzw. 2,5% Cr und 4% Ag, 0,2% Zr und Rest Cu.
Der in Tabelle 3 angegebene Guss für Kupfer-Ausgangslegierungen für die Vergleichsbeispiele 7 bis 8 wurde angesetzt, indem Legierungszusammensetzungen geschmolzen wurden, die 2% bzw. 8% Ag enthielten. Cr wurde in einer Menge von 0,8% einbezogen, es gab kein Zr und Cu machte den Rest aus.
TABELLE 1 (Zahlenwerte in Masse%)
TABELLE 2 (Zahlenwerte in Masse%)
TABELLE 3 (Zahlenwerte in Masse%)
(VERSUCH 2)
HERSTELLUNG-1 ZUM GIEßEN (EINFLUSS VON Ag)
Es wurden die in Tabelle 1 gezeigten Testmaterialien für den jeweiligen Guss der Kupfer-Ausgangslegierungen in Beispiel 1 bis 3 und in Vergleichsbeispiel 1 bis 3 geschmolzen, das schmelzflüssige Material in eine Kupfer-Gussform gegossen, rasch zum Erstarren gebracht, um Barren von jeweils 50 g zu erhalten. Anschließend wurde eine Alterungsbehandlung für die Ausscheidung durch Erhitzen der jeweiligen Barren für 1 Stunde bei 480°C ausgeführt. Die Barren wurden sodann auf Raumtemperatur zur Erzeugung von Gussstücken gekühlt.
An jedem dieser Gussstücke wurde die Vickershärte gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in 1 gezeigt. Die Vickershärte ist auf der vertikalen Achse angegeben und die zugesetzte Ag-Menge auf der horizontalen Achse in 1 gezeigt.
Aus den Ergebnissen in 1 lässt sich entnehmen, dass die Legierung auf Cu-Basis zum Gießen entsprechend den Beispielen 1 bis 3 Ag im Bereich von 3 bis 20%, Cr in einer Menge von 0,8% und Zr in einer Menge von 0,2% und Rest Cu enthielt, ein Gussteil mit überlegener Härte lieferte, wenn man dem Verfahren zum Herstellen eines Gussteils der vorliegenden Erfindung folgte. Im Gegensatz dazu war die Härte in den Testmaterialien der Vergleichsbeispiele 1 und 2 herabgesetzt, die kein Ag enthielten oder die Ag in einer Menge von weniger als 3% enthielten. Der Einfluss auf die Härte war im Falle des Testmaterials in Vergleichsbeispiel 3 gesättigt, das Ag mit mehr als 20% enthielt.
(VERSUCH 3)
HERSTELLUNG-2 ZUM GIEßEN (EINFLUSS VON Cr)
Die Testmaterialien für den jeweiligen Guss der Kupfer-Ausgangslegierungen in den Beispielen 4 bis 6 und den Vergleichsbeispielen 4 bis 6, wie sie in Tabelle 2 gezeigt sind, wurden geschmolzen, das schmelzflüssige Material in eine Kupfer-Gussform gegossen, rasch zum Erstarren gebracht, um Barren von jeweils 50 g zu erhalten. Anschließend wurde eine Alterungsbehandlung für die Ausscheidung durch Erhitzen der jeweiligen Barren für 1 Stunde bei 480°C ausgeführt. Die Barren wurden sodann auf Raumtemperatur zur Erzeugung von Gussstücken gekühlt.
An jedem dieser Gussstücke wurde die Vickershärte gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in 2 gezeigt. Die Vickershärte ist auf der vertikalen Achse angegeben und die zugesetzte Cr-Menge auf der horizontalen Achse in 2 gezeigt.
Aus den Ergebnissen in 2 lässt sich entnehmen, dass die Kuper-Ausgangslegierung zum Gießen entsprechend den Beispielen 4 bis 6 mit einem Gehalt von 4% Ag, mit einem Gehalt von Cr im Bereich von 0,5 bis 1,5%, und Zr in einer Menge von 0,2%, Rest Cu, ein Gussteil mit überlegener Härte lieferte, wenn man dem Verfahren zum Herstellen eines Gussteils der vorliegenden Erfindung folgte. Im Gegensatz dazu war die Härte in den Testmaterialien der Vergleichsbeispiele 4 und 5 deutlich herabgesetzt, die kein Cr oder die Cr in einer Menge von weniger als 0,5% enthielten. Der Einfluss auf die Härte war im Falle des Testmaterials in Vergleichsbeispiel 6 gesättigt, das Cr mit mehr als 1,5% enthielt.
(VERSUCH 4)
HERSTELLUNG-3 ZUM GIEßEN (ZUGFESTIGKEIT)
Es wurden die Testmaterialien zum Guss für jede dieser in Tabelle 1 gezeigten Kupfer-Ausgangslegierungen in den Beispielen 1 und 2 und Vergleichsbeispiele 1, 7 und 8 geschmolzen. Das schmelzflüssige Material wurde abgeschreckt und in einer kastenförmigen Gusseisenform einer Breite von 40 mm, einer Tiefe von 40 mm und einer Länge von 120 mm zum Erstarren gebracht, um jeweils 2 kg Barren zu erhalten. An jedem dieser Barren wurde durch Erhitzen für 1 Stunde bei 480°C eine Alterungsbehandlung zur Ausscheidung ausgeführt. Durch Kühlen auf Raumtemperatur wurden die jeweiligen Gussstücke erhalten.
An jedem dieser Gussteile wurden Zugtests ausgeführt. Die Zugtests wurden im Bereich von 25° bis 450°C ausgeführt und Prüfspannung und Erhöhung der Zugdehnung gemessen.
Der hier verwendete Begriff "Prüfspannung" bezieht sich auf die Verformungsspannung bei Aufbringung einer plastischen Verformung von 0,2%. Die Messergebnisse der Prüfspannung sind in 3 gezeigt.
Der Begriff "Erhöhung der Zugdehnung" ist die Verformung bei Zugdehnung (%) während eines Zugtests. Die Messergebnisse der erhöhten Zugdehnung sind in 4 gezeigt.
In den in 3 und 4 gezeigten Ergebnissen, zeigen die Gussteile von Guss aus Kupfer-Ausgangslegierungen in den Beispielen 1 und 2, die 4% bzw. 8% Ag und 0,8% Cr, 0,2% Zr und Rest Cu enthalten, hohe Werte sowohl für Prüfspannung als auch für die Erhöhung der Zugdehnung in dem weiten Temperaturbereich von 25° bis 450°C. Speziell im Fall von Beispiel 2, wo Ag in der Menge von 8% zugesetzt wurde, wurde trotz der Tatsache, dass es sich um ein Gussteil handelt, eine hohe Zugfestigkeit gleichwertig mit einem Schmiedeteil erhalten, an dem eine umfangreiche Schmiedebehandlung vorgenommen wurde.
Im Gegensatz dazu gibt es eine Abnahme der Zugfestigkeit im Bereich von Raumtemperatur bis zu hoher Temperatur im Fall des Gussteils in Vergleichsbeispiel 1, worin kein Ag zugegeben worden war. Das Testmaterial von Vergleichsbeispiel 7, worin weniger als 3% Ag und kein Zr zugegeben wurden, hat über den gesamten gemessenen Temperaturbereich eine geringe Prüfspannung. Die Zunahme der Zugdehnung nahm im Bereich hoher Temperatur rasch ab. Das Gussteil in Vergleichsbeispiel 8, das 8% Ag und kein Zr enthielt, hatte eine geringe Zunahme der Zugdehnung bei 450°C wie im Fall von Vergleichsbeispiel 7.
Es wurde die Wärmeleitfähigkeit von Gussteilen gemessen, die durch Gießen der Kupfer-Ausgangslegierungen von Beispiel 1 und 2 erzeugt wurden. Beide Artikel demonstrierten hohe Werte der Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 335 bis 355 W/mK bei 300°C, wobei es sich um eine ausreichende hohe Wärmeleitfähigkeit gleichwertig mit konventionellen Legierungen hoher Wärmeleitfähigkeit handelt.
(VERSUCH 5)
HERSTELLUNG-1 ZUM SCHMIEDEN (WARMWALZEN)
Es wurde das Testmaterial der Kupfer-Ausgangslegierung in Beispiel 1 geschmolzen, das schmelzflüssige Material in eine Gussform gegossen und zum Erstarren gebracht. Die erhaltenen Barren wurden bei 550°C von einer Dicke von 40 auf 20 mm gewalzt und anschließend bei 500°C auf eine Dicke von 10 mm weitergewalzt. Danach wurde eine Ausscheidungsverfestigung durch Halten bei 480°C für eine Stunde gefolgt von einem Kühlen bis Raumtemperatur vorgenommen, um das Schmiedeteil in Beispiel 7 zu erzeugen.
Für Vergleichszwecke wurde ein identisches Schmieden an dem Testmaterial in Vergleichsbeispiel 1 ausgeführt, das kein Ag enthielt, um das Schmiedeteil in Vergleichsbeispiel 9 zu erzeugen.
An jedem dieser Schmiedeteile wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 4 Zugtests ausgeführt. Die Zugprüfergebnisse sind in 5 gezeigt und die Ergebnisse der Erhöhung der Zugdehnung in 6 gezeigt.
Das Schmiedeteil in Beispiel 7 zeigte eine höhere Festigkeit als das Schmiedeteil in Vergleichsbeispiel 9, das kein Ag enthielt, und zwar im gesamten gemessenen Temperaturbereich. Das Schmiedeteil von Beispiel 7 zeigte den gleichen hohen Wert der Wärmeleitfähigkeit bei 300°C wie das Gussteil unter Einsatz der Kupfer-Ausgangslegierung in Beispiel 1.
(VERSUCH 6)
HERSTELLUNG-1 ZUM SCHMIEDEN (WARMWALZEN)
Das Material der Kupfer-Ausgangslegierung in Beispiel 1 wurde geschmolzen, das schmelzflüssige Material in eine Gussform gegossen und zum Erstarren gebracht. Die erhaltenen Barren wurden bei 750°C von einer Dicke von 40 auf 20 mm gewalzt und anschließend bei 500°C bis zu einer Dicke von 10 mm weitergewalzt. Danach wurde eine Ausscheidungsverfestigung durch Halten bei 480°C für eine Stunde, gefolgt von einem Kühlen bis Raumtemperatur zur Erzeugung des Schmiedeteils in Beispiel 8 ausgeführt.
Für Vergleichszwecke wurde ein identisches Schmieden an dem Testmaterial in Vergleichsbeispiel 1 ausgeführt, das kein Ag enthielt, um das Schmiedeteil in Vergleichsbeispiel 10 zu erzeugen.
An jedem dieser Schmiedeteile wurden Zugtests in der gleichen Weise wie in Beispiel 4 ausgeführt. Die Zugprüfergebnisse sind in 7 gezeigt und die Ergebnisse der Erhöhung der Zugdehnung in 8 gezeigt.
Das Schmiedeteil in Beispiel 8 zeigte eine höhere Prüfspannung als das Schmiedeteil in Vergleichsbeispiel 10, das kein Ag enthielt, und zwar über den gesamten gemessenen Temperaturbereich. Das Schmiedeteil von Beispiel 8 zeigte die gleiche Zunahme der Zugdehnung wie das Schmiedeteil in Vergleichsbeispiel 10.
Das Schmiedeteil von Beispiel 8 zeigte den gleichen hohen Wert für die Wärmeleitfähigkeit bei 300°C wie das Gussteil unter Einsatz der Kupfer-Ausgangslegierung von Beispiel 1.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gussteils, einschließend: einen ersten Schritt zum Schmelzen einer Legierung auf Kupferbasis, bestehend aus 3% bis 20 Gew.-% Ag, 0,5% bis 1,5 Gew.-% Cr, 0,05% bis 0,5 Gew.-% Zr, und wobei der Rest Cu ist sowie unvermeidbare Verunreinigungen; einen zweiten Schritt zum Formen des schmelzflüssigen Materials, das in dem ersten Schritt erhalten wird, zu einer speziellen Form durch Gießen, einschließlich Kühlen des schmelzflüssigen Materials bis zu einer Temperatur im Bereich von 450° bis 500°C innerhalb von 10 min und einen dritten Schritt der Ausscheidungsverfestigung des in dem zweiten Schritt erhaltenen geformten Artikels durch Ausführen einer Alterungsausscheidungsbehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 450° bis 500°C.
Verfahren zum Herstellen eines Schmiedeteils, einschließend: einen ersten Schritt zum Schmelzen einer Legierung auf Kupferbasis, bestehend aus 3% bis 8,5 Gew.-% Ag, 0,5% bis 1,5 Gew.-% Cr, 0,05% bis 0,5 Gew.-% Zr, und wobei der Rest Cu ist sowie unvermeidbare Verunreinigungen; einen zweiten Schritt zum Verfestigen des in dem ersten Schritt durch Gießen erhaltenen schmelzflüssigen Materials und einen dritten Schritt zum Formen des verfestigten Artikels, der in dem zweiten Schritt erhalten wurde, zu einer speziellen Form durch thermomechanische Behandlung des Schmiedens oder Walzens, wobei die thermomechanische Behandlung ausgeführt wird bei einer Temperatur oberhalb von 100°C und unterhalb von 550°C, während eine Alterungsausscheidungsbehandlung ausgeführt wird bei einer Temperatur im Bereich von 450° bis 500°C.
Verfahren zum Herstellen eines Schmiedeteils, einschließend: einen ersten Schritt zum Schmelzen einer Legierung auf Kupferbasis, bestehend aus 3% bis 8,5 Gew.-% Ag, 0,5% bis 1,5 Gew.-% Cr, 0,05% bis 0,5 Gew.-% Zr, und wobei der Rest Cu ist sowie unvermeidbare Verunreinigungen; einen zweiten Schritt zum Verfestigen des in dem ersten Schritt durch Gießen erhaltenen schmelzflüssigen Materials und einen dritten Schritt zum Ausführen einer Warmumformungsbehandlung an dem verfestigten Artikel, der in dem zweiten Schritt erhalten wurde; und einen vierten Schritt zum Formen des warmumgeformten Artikels, der in dem dritten Schritt erhalten wurde, zu einer speziellen Form durch thermomechanische Behandlung des Schmiedens oder Walzens, wobei die thermomechanische Behandlung und die Alterungsbehandlung bei einer Temperatur oberhalb von 100°C und unterhalb von 550°C ausgeführt werden, während eine Alterungsausscheidungsbehandlung ausgeführt wird bei einer Temperatur im Bereich von 450° bis 500°C.