Title:
Metallischer Verbundwerkstoff und Herstellverfahren
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft einen metallischen Verbundwerkstoff, der aus einer ausscheidungshärtenden Kupferlegierung mit einem Kupfergehalt von mindestens 95 Gew.-% als Matrix und in der Matrix eingelagerten Niobfasern besteht. Erfindungsgemäß weist die Kupferlegierung ein ultrafeinkörniges Gefüge mit einer mittleren Korngröße von höchstens 250 nm auf. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen metallischen Verbundwerkstoffs.




Inventors:
Kuhn, Hans-Achim, Dr. (89257, Illertissen, DE)
Vucic, Dragoslav, Dr. (89075, Ulm, DE)
Altenberger, Igor, Dr. (89231, Neu-Ulm, DE)
Wojcicki, Marcin (89231, Neu-Ulm, DE)
Application Number:
DE102014018061A
Publication Date:
06/09/2016
Filing Date:
12/05/2014
Assignee:
Wieland-Werke AG, 89079 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE3243265C2N/A1994-12-01
DE3510043A1N/A1986-09-25
DE3111418A1N/A1982-10-28
DE2928955A1N/A1981-02-12



Foreign References:
78876442011-02-15
EP11796062002-02-13
Claims:
1. Metallischer Verbundwerkstoff (1), der aus einer ausscheidungshärtenden Kupferlegierung mit einem Kupfergehalt von mindestens 95 Gew.-% als Matrix (3) und in der Matrix (3) eingelagerten Niobfasern (2) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung ein ultrafeinkörniges Gefüge (4) mit einer mittleren Korngröße von höchstens 250 nm aufweist.

2. Metallischer Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gefüge (4) Ausscheidungen mit einer Flächendichte von mindestens 50 Ausscheidungspartikeln (6) pro μm2 eingelagert sind.

3. Metallischer Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausscheidungspartikel (6) eine mittlere Größe von höchstens 30 nm aufweisen.

4. Metallischer Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil an Niob im Verbundwerkstoff (1) größer als die Summe der Gewichtsanteile der Legierungselemente in der Kupferlegierung ist.

5. Metallischer Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Niobanteil im Verbundwerkstoff mindestens 5 Gew.-% und höchstens 30 Gew.-% beträgt.

6. Metallischer Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung der Matrix (3) folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist: Cr0,10 bis 1,5%Ti0,01 bis 0,15%Si0,01 bis 0,10%wahlweise Agbis 0,5%wahlweise Febis 0,5%wahlweise Sn bis 0,5%Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen.


7. Metallischer Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung der Matrix (3) folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist: Cr0,10 bis 0,5%Ti0,01 bis 0,1%Si0,01 bis 0,05%Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen.


8. Metallischer Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung der Matrix (3) folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist: Cr0,1 bis 1,5%Ag0,005 bis 0,4%Fe0,01 bis 0,4%Ti0,01 bis 0,15%Si0,01 bis 0,10%Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungenwahlweise bis 0,5% Sn.


9. Metallischer Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand der Niobfasern (2) mindestens 1 μm und höchstens 6 μm beträgt.

10. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundwerkstoffs (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Gießen der niobhaltigen Kupferlegierung
b) Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 950°C und 1030°C
c) Kaltumformen in mindestens zwei Stufen mit einem logarithmischen Gesamtumformgrad φ von mindestens 5
d) Ausscheidungsglühen bei Temperaturen zwischen 350°C und 450°C.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltumformen ohne Zwischenglühen erfolgt.

Description:

Die Erfindung betrifft einen metallischen Verbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffs.

Drähte und Bänder aus Kupfer-Niob-Insitu-Faserverbundwerkstoffen zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit mit maximalen Zugfestigkeiten größer 900 MPa bis 2000 MPa bei gleichzeitig guter bis sehr guter elektrischer Leitfähigkeit von 50 bis 70% IACS aus. Bei Temperaturen < 9 K sind Verbundwerkstoffe aus Kupfer und Niob supraleitend.

Die Eigenschaftskombination aus hoher Festigkeit und guter Leitfähigkeit wird dann erzielt, wenn das in Kupfer kaum lösliche Niob durch hohe logarithmische Kaltumformgrade φ zu parallel in der Kupfermatrix liegenden Fasern verstreckt wird. Der logarithmische Kaltumformgrad φ ist dabei definiert als: φ = In(Ai/Af),wobei Ai die Querschnittsfläche des Werkstücks vor der Kaltumformung und Af die Querschnittsfläche des Werkstücks nach der Kaltumformung ist. Abhängig vom Niob-Gehalt wird für die Generierung von wirksamen Fasern ein Umformgrad von mindestens 4 benötigt. Beispielsweise besitzen Drähte aus Cu90Nb10 nach einem Umformgrad von φ = 8 eine Zugfestigkeit von 830 MPa. Bei einem Umformgrad von φ = 10 wird eine Zugfestigkeit von 1100 MPa erreicht.

Ein Gussgefüge mit dendritisch erstarrtem Niob ist besser kaltumformbar als ein pulvermetallurgisch hergestelltes Ausgangsgefüge. Niob-Dendriten werden leichter zu Fasern gezogen als pulverförmige Partikel mit polygoner Kontur in einem gesinterten Werkstoff. Nachteiliger Fertigungsschritt ist der Abguss eines kaltumformbaren Formats. Die hohe Schmelztemperatur des Niobs erfordert für Niob-Gehalte von mehr als 10 Gew.-% Schmelztemperaturen von ca. 1900°C inklusive gießtechnisch erforderlicher Überhitzung. Zudem ist Niob sauerstoffaffin. Üblicherweise werden evakuierbare Mittelfrequenzöfen zum Erschmelzen der Legierung verwendet. Das Gussvolumen ist wegen der aufwändigen Ofentechnik begrenzt. Damit stehen für die nachfolgenden Umformschritte oft nur kleine Gussformate zur Verfügung. Der technisch erreichbare Umformgrad wird dadurch eingeschränkt. Insitu-faserverstärkte Drähte aus Gussformaten mit einem kleinen Ausgangsquerschnitt sind oftmals Feindrähte, die durch Rundhämmern und Ziehen mit entsprechend hohen Umformgraden angefertigt werden. Deren kleine Querschnittsflächen lassen jedoch nur geringe Kräfte zu. Beispielsweise erlaubt ein Draht aus Cu90Nb10 mit einem Durchmesser von 0,1 mm bei einer Zugfestigkeit von 1200 MPa (bei φ = 11) nur eine angreifende Kraft von 9,4 N. Für höhere Kräfte sind größere Drahtdurchmesser erforderlich.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung des Verbundwerkstoffs ist die Verwendung einer ausscheidungshärtenden Kupferlegierung anstelle von reinem Kupfer als Matrix. So wird in der Druckschrift DE 35 10 043 A1 vorgeschlagen, einer Kupferlegierung neben 0,5 bis 10 Gew.-% Niob noch 0,5 bis 10 Gew.-% Titan zuzugeben. Bevorzugt weist die Kupferlegierung in etwa gleiche Gewichtsanteile an Niob und Titan auf. Dabei weist die Kupferlegierung besonders bevorzugt jeweils 2,5 bis 5 Gew.-% Niob und Titan auf. Mit Verbundwerkstoffen aus solchen Kupferlegierungen können je nach Anlasstemperatur Zugfestigkeiten bis zu 1270 MPa erreicht werden. Nachteilig an den vorgeschlagenen Legierungen ist jedoch die geringe elektrische Leitfähigkeit: Bei Zugfestigkeiten größer 900 MPa wird eine Leitfähigkeit von höchstens 15% IACS erreicht. Damit haben diese Werkstoffe nur ein sehr eingeschränktes Anwendungsgebiet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten metallischen Verbundwerkstoff anzugeben, der aus einer ausscheidungshärtenden Kupferlegierung als Matrix und in der Matrix eingelagerten Niobfasern besteht. Die Zugfestigkeit des Werkstoffs soll bevorzugt mindestens 800 MPa, insbesondere mindestens 900 MPa und die elektrische Leitfähigkeit mindestens 55% IACS betragen. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundwerkstoffs anzugeben.

Die Erfindung wird bezüglich eines metallischen Verbundwerkstoffs durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 10 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung schließt einen metallischen Verbundwerkstoff ein, der aus einer ausscheidungshärtenden Kupferlegierung mit einem Kupfergehalt von mindestens 95 Gew.-% als Matrix und in der Matrix eingelagerten Niobfasern besteht. Erfindungsgemäß weist die Kupferlegierung ein ultrafeinkörniges Gefüge mit einer mittleren Korngröße von höchstens 250 nm auf.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei einem niobhaltigen Verbundwerkstoff auf Kupferbasis die Eigenschaftskombination aus hoher Festigkeit und guter Leitfähigkeit dann erzielt wird, wenn Niob durch hohe Kaltumformgrade zu parallel in der Kupfermatrix liegenden Fasern verstreckt wird. Der zur Verfestigung und Faserbildung notwendige Umformgrad ist jedoch durch die Abmessung des Ausgangsformats und die Abmessung des Produkts begrenzt. Eine Matrix aus einer ausscheidungshärtenden Kupferlegierung trägt mehr zur Festigkeitssteigerung bei als eine reine Kupfermatrix. Bei einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff bewirken die Ausscheidungen in der Kupferlegierung, dass diese ein ultrafeinkörniges Gefüge mit einer mittleren Korngröße von höchstens 250 nm aufweist. Der besondere Vorteil des ultrafeinkörnigen Gefüges der Matrix besteht in einer Steigerung der Zugfestigkeit um ungefähr 200 MPa gegenüber kaltverformtem Reinkupfer als Matrix bei gleichem Umformgrad in Kombination mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Beispielsweise kann mit einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff mit einem Niobanteil von 10 Gew.-% bei einem logarithmischen Umformgrad φ = 7 eine Zugfestigkeit von mindestens 900 MPa erreicht werden. Gleichzeitig beträgt die elektrische Leitfähigkeit eines solchen Verbundwerkstoffs mehr als 55% IACS. Außerdem verfügt der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff über eine hohe Duktilität und ermöglicht somit hohe Kaltumformgrade.

Alternativ kann die Festigkeitssteigerung einer derartigen Kupferlegierung als Matrix des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs auch genutzt werden, um den Umformgrad niedrig zu halten. Dies bedeutet, eine bestimmte Zugfestigkeit kann bereits bei geringeren Umformgraden als bei reinem Kupfer als Matrix erreicht werden. Bei gegebenen Abmessungen des Ausgangsformats vor der Kaltumformung ist damit die angestrebte Zugfestigkeit bereits bei einer größeren Querschnittsfläche des Produkts erreichbar als bei einer reinen Kupfermatrix. Die absolute Tragfähigkeit des Produkts nimmt folglich zu. Bei einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff mit ultrafeinkörnigem Gefüge in der Matrix kann aufgrund der Festigkeitssteigerung von ungefähr 200 MPa der logarithmische Umformgrad φ um ungefähr 1,5 bis 2,0 Einheiten reduziert werden. Dies entspricht einer um einen Faktor 4,5 bis 7,5 größeren Querschnittsfläche des Produkts.

Die Bestimmung der mittleren Korngröße an einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff erfolgt mit dem Linienschnittverfahren zweckmäßigerweise im Querschliff der Probe, da im Längsschliff die Körner zu sehr verstreckt sind.

Der Kupfergehalt der ausscheidungshärtenden Kupferlegierung beträgt mindestens 95 Gew.-%. Dementsprechend beträgt die Summe der Gewichtsanteile der Legierungselemente in der Kupferlegierung höchstens 5 Gew.-%. Bevorzugt beträgt der Kupfergehalt der ausscheidungshärtenden Kupferlegierung mindestens 97 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 99 Gew.-%. Die Summe der Gewichtsanteile der Legierungselemente in der Kupferlegierung beträgt dementsprechend bevorzugt höchstens 3 Gew.-% und besonders bevorzugt höchstens 1 Gew.-%. Der hohe Kupfergehalt bewirkt eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Kupfermatrix und des Verbundwerkstoffs. Vorteilhafterweise ist die ausscheidungshärtende Kupferlegierung frei von gesundheitsgefährdenden Elementen, wie beispielsweise Beryllium.

Der Verbundwerkstoff kann in Form von Drähten, Stangen, Blechen, Bändern und anderen Halbzeugen vorliegen. Bei Temperaturen unterhalb von 9 K ist der Verbundwerkstoff supraleitend.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können in das Gefüge der Kupferlegierung Ausscheidungen in Form von Partikeln mit einer Flächendichte von mindestens 50 Ausscheidungspartikeln pro μm2 eingelagert sein. Die Flächendichte der Ausscheidungspartikel wird dabei im Querschliff der Probe ermittelt. Die große Dichte der Ausscheidungspartikel begünstigt die Ausbildung eines ultrafeinkörnigen Gefüges und trägt somit wesentlich zur Steigerung der Festigkeit des Verbundwerkstoffs bei.

Vorteilhafterweise können die Ausscheidungspartikel eine mittlere Größe von höchstens 30 nm, bevorzugt höchstens 20 nm aufweisen. Derart kleine Ausscheidungspartikel reduzieren die elektrische Leitfähigkeit der Kupferlegierung nur wenig. Sie sind damit günstig für eine hohe elektrische Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Gewichtsanteil des Niobs im Verbundwerkstoff größer als die Summe der Gewichtsanteile der Legierungselemente in der Kupferlegierung sein. Kleine Gewichtsanteile der Legierungselemente in der Kupferlegierung wirken sich vorteilhaft auf die elektrische Leitfähigkeit aus. Die Summe der Gewichtsanteile der Legierungselemente in der Kupferlegierung beträgt bevorzugt höchstens 2 Gew.-% und besonders bevorzugt höchstens 1 Gew.-%. Demgegenüber beträgt der Anteil an Niob im Verbundwerkstoff mindestens 3 Gew.-%. Bei kleineren Niobanteilen ist die Steigerung der Festigkeit zu gering.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Niobanteil im Verbundwerkstoff mindestens 5 Gew.-% und höchstens 30 Gew.-%, bevorzugt mindestens 8 Gew.-% und höchstens 15 Gew.-% betragen. Je größer der Niobanteil im Verbundwerkstoff ist, desto größer ist die Steigerung der Festigkeit. Andererseits nimmt mit zunehmendem Niobanteil die elektrische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs ab. Auch aus Kostengründen sollte der Niobanteil gering gehalten werden. Je nach Aufgabenstellung und je nach Auswahl der Kupferlegierung der Matrix kann es daher vorteilhaft sein, den Niobanteil zwischen 5 und 30 Gew.-% auszuwählen. Der Bereich zwischen 8 und 15 Gew.-% hat sich dabei als besonders günstig erwiesen.

Für die Ausbildung eines ultrafeinkörnigen Gefüges haben sich die Elemente Cr, Ti und Si in Kombination als besonders günstige Legierungselemente ergeben. Insbesondere kann die Kupferlegierung der Matrix eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweisen:

Cr0,10 bis 1,5%Ti0,01 bis 0,15%Si0,01 bis 0,10%wahlweise Agbis 0,5%wahlweise Febis 0,5%wahlweise Snbis 0,5%Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Kupferlegierung der Matrix folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweisen:

Cr 0,10 bis 0,5%Ti 0,01 bis 0,1%Si 0,01 bis 0,05%Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Bei einer derartigen Kupferlegierung als Matrix kann der Verbundwerkstoff eine elektrische Leitfähigkeit von über 60% IACS erreichen.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Kupferlegierung der Matrix folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweisen:

Cr0,1 bis 1,5%Ag0,005 bis 0,4%Fe0,01 bis 0,4%Ti0,01 bis 0,15%Si0,01 bis 0,10%Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,wahlweise bis 0,5% Sn.

Bei einer derartigen Kupferlegierung als Matrix kann der Verbundwerkstoff eine elektrische Leitfähigkeit von über 65% IACS erreichen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Kupferlegierung der Matrix folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweisen:

Cr0,15 bis 0,85%Ag0,05 bis 0,2%Fe0,05 bis 0,2%Ti0,01 bis 0,08%Si0,03 bis 0,07%Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen,wahlweise bis 0,5% Sn.

Bei einer derartigen Kupferlegierung als Matrix kann der Verbundwerkstoff eine elektrische Leitfähigkeit von über 70% IACS erreichen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der mittlere Abstand der Niob fasern mindestens 1 μm und höchstens 6 μm, besonders bevorzugt mindestens 2 μm und höchstens 5 μm betragen. Die Festigkeit des Verbundwerkstoffs korreliert mit dem Abstand und dem Durchmesser der Niobfasern. Mit zunehmendem Kaltumformgrad wird der Faserdurchmesser und der Faserabstand reduziert. Die Kaltverfestigung des Verbundwerkstoffs ist um so größer, je kürzer die Laufwege der Versetzungen in der Kupfermatrix und in den Niobfasern sind. Die Phasengrenze zwischen Faser und Matrix ist ein Hindernis für die Versetzungen. Die Niobfasern stellen Barrieren für das Kornwachstum der Kupferlegierung der Matrix dar. Je geringer der Abstand der Niobfasern ist, desto leichter bildet sich in der Kupferlegierung ein ultrafeinkörniges Gefüge aus. Bei logarithmischen Umformgraden φ größer 4,5 beträgt der mittlere Faserabstand maximal 6 μm. Niobfasern mit einem mittleren Abstand von weniger als 1 μm können nur mittels sehr hoher Umformgrade erzielt werden. Die Querschnittsfläche des Produkts wird dabei sehr klein, was in vielen Fällen technisch und wirtschaftlich nicht interessant ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundwerkstoffs ein, der aus einer ausscheidungshärtenden Kupferlegierung mit einem Kupfergehalt von mindestens 95 Gew.-% als Matrix und in der Matrix eingelagerten Niobfasern besteht und wobei die Kupferlegierung ein ultrafeinkörniges Gefüge mit einer mittleren Korngröße von höchstens 250 nm aufweist. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:

  • a) Gießen der niobhaltigen Kupferlegierung
  • b) Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 950°C und 1030°C
  • c) Kaltumformen in mindestens zwei Stufen mit einem logarithmischen Gesamtumformgrad φ von mindestens 5
  • d) Ausscheidungsglühen bei Temperaturen zwischen 350°C und 450°C.

Erfindungsgemäß beträgt der logarithmische Kaltumformgrad φ im Schritt c) insgesamt mindestens 5. Dies entspricht einer Reduktion der Querschnittsfläche auf ungefähr 1/150 der Ausgangsquerschnittsfläche. Dadurch wird eine ausreichende Faserbildung des Niobs erzielt und der mittlere Abstand ist so gering, dass in Kombination mit den anderen Verfahrensschritten in der Matrix ein ultrafeinkörniges Gefüge gebildet wird. Bevorzugt beträgt der logarithmische Kaltumformgrad φ im Schritt c) insgesamt mindestens 6, besonders bevorzugt mindestens 7. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch bei Niob-Anteilen von nicht mehr als 15 Gew.-% beziehungsweise nicht mehr als 10 Gew.-% eine Zugfestigkeit von mindestens 900 MPa erreicht wird.

Die einzelnen Stufen der Kaltumformung im Schritt c) müssen nicht alle nach dem Lösungsglühen (Schritt b) durchgeführt werden. Sie müssen auch nicht alle vor dem Ausscheidungsglühen (Schritt d) durchgeführt werden. Die Erfindung erstreckt sich auch auf Verfahren, bei denen eine oder mehrere Umformstufen bereits vor dem Lösungsglühen und/oder erst nach dem Ausscheidungsglühen durchgeführt werden. Bevorzugt kann die Kaltumformung in Schritt c) in mindestens 3 Stufen erfolgen.

Damit die Abmessung des Produkts nicht zu klein wird, sollte der logarithmische Kaltumformgrad φ im Schritt c) bevorzugt maximal 9, besonders bevorzugt maximal 8 betragen. Dies entspricht einer Reduktion der Querschnittsfläche auf ungefähr 1/8000 beziehungsweise 1/3000 der Ausgangsquerschnittsfläche.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Kaltumformen ohne Zwischenglühen erfolgen. Dadurch wird in der Kupferlegierung das Kornwachstum vermieden und ein ultrafeinkörniges Gefüge wird schneller erreicht. Der Verzicht auf eine Zwischenglühung reduziert ferner die Herstellkosten des erfinderischen Verbundwerkstoffs.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Struktur eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs im Längsschliff

2 eine schematische Darstellung des Gefüges eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs im Querschliff

3 eine weitere schematische Darstellung des Gefüges eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs im Querschliff

4 ein Diagramm, das die Zunahme der Festigkeit bei einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff dokumentiert.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Faserverbundwerkstoffe der Ausführungsbeispiele weisen als Matrix eine ausscheidungshärtende Kupferlegierung CuCrAgFeTiSi mit folgender Zusammensetzung [in Gew.-%] auf:

Cr0,5%Ag0,18%Fe0,08%Ti0,06%Si0,04%Rest Cu sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Der Niob-Anteil des Faserverbundwerkstoffs beträgt beim ersten Ausführungsbeispiel 10 Gew.-%, beim zweiten Ausführungsbeispiel 15 Gew.-%. Die Herstellung der Gussformate erfolgte in einem evakuierbaren Mittelfrequenzofen, der für den Schmelzvorgang mit einem Argon-Überdruck beaufschlagt wurde. Das Gewicht der resultierenden Gussformate betrug 1 kg. Die Schmelztemperatur war 1850°C. Eingeschmolzen wurden reines Niob und Legierungsstücke, die bereits die gewünschte Zusammensetzung der Kupferlegierung CuCrAgFeTiSi hatten.

Aus den Gussformaten wurden zylindrische Proben mit einem Durchmesser von 19,8 mm gedreht. Die Proben wurden anschließend bei 1000°C lösungsgeglüht und abgeschreckt. Danach wurden die Proben zu Stangen mit einem Außendurchmesser 4 mm rundgehämmert und in mehreren Ziehschritten zu Drähten mit Außendurchmesser 0,3 mm gezogen. Der gesamte Kaltumformgrad beträgt somit 8,4. Die Drähte wurden anschließend zwischen 350°C und 450°C drei Stunden ausgelagert. Die besten Festigkeitswerte ergaben sich dabei bei einer Auslagerungstemperatur von 400°C.

1 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs 1 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel im Längsschliff. Die Darstellung wurde aus einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme gewonnen, indem die Ausscheidungspartikel 6 und die Grenzlinien zwischen der Matrix 3 und den Niobfasern 2 auf halbtransparentem Papier nachgezeichnet wurden. Man erkennt parallel zueinander ausgerichtete Niobfasern 2, die in eine Kupferlegierung als Matrix 3 eingelagert sind. In der Matrix sind ferner Ausscheidungspartikel 6 eingelagert. Aufgrund des groben Maßstabs der 1 sind nur sehr große Ausscheidungspartikel 6 sichtbar. Über die mittlere Größe der Ausscheidungspartikel 6 und deren Dichte kann deshalb anhand der 1 keine Aussage gemacht werden. Der mittlere Abstand der Niobfasern beträgt ungefähr 3 bis 4 μm.

2 und 3 zeigen jeweils eine schematische Darstellung des Gefüges eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs 1 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel im Querschliff. Beide Darstellungen wurden aus rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen gewonnen, indem die Umrisse der Niobfasern 2, die Konturen der Körner 5 im Gefüge 4 und die Ausscheidungspartikel 6 auf halbtransparentem Papier nachgezeichnet wurden. Während in 2 nahezu alle Korngrenzen nachgezeichnet werden konnten, war dies bei 3 insbesondere in der linken Hälfte der Darstellung nicht möglich, da in diesem Bereich schon in der ursprünglichen Aufnahme der Kontrast zwischen einzelnen Körnern 5 zu gering war. In 3 ist der Maßstab etwas feiner als in 2. Man erkennt in beiden Figuren Niobfasern 2, die in eine Kupferlegierung als Matrix 3 eingelagert sind. Die Matrix weist ein ultrafeinkörniges Gefüge 4 auf, in das Ausscheidungspartikel 6 eingelagert sind. Die mittlere Korngröße des Gefüges 4 beträgt ungefähr 200 nm. Es ist zu erkennen, dass sich die Ausscheidungspartikel 6 bevorzugt an den Korngrenzen befinden. Aufgrund des etwas gröberen Maßstabs von 2 sind dort nur wenige, dafür aber sehr große Ausscheidungspartikel 6 zu erkennen. In 3 sind dagegen neben einigen großen Ausscheidungspartikeln 6 viele sehr kleine Ausscheidungspartikel 6 sichtbar. Die mittlere Größe der Ausscheidungspartikel 6 beträgt weniger als 30 nm. Die Ausscheidungspartikel 6 enthalten vorwiegend das Element Chrom.

4 zeigt ein Diagramm, das die Zunahme der Festigkeit bei einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff dokumentiert. Aufgetragen ist die Zugfestigkeit Rm in MPa als Funktion des logarithmischen Umformgrads φ für einen erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (CuCrAgFeTiSi-Nb10, schwarze Quadrate). Als Vergleichswerkstoff dient ein Faserverbundwerkstoff gemäß dem Stand der Technik (Cu-Nb10, weiße Kreise). Bei beiden Verbundwerkstoffen nimmt die Zugfestigkeit mit steigendem logarithmischen Umformgrad φ deutlich zu. Bei dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff beträgt der Zugewinn an Zugfestigkeit gegenüber dem Verbundwerkstoff Cu-Nb10 bei einem logarithmischen Umformgrad φ = 5 ungefähr 200 MPa und bei einem logarithmischen Umformgrad φ = 8,4 ungefähr 150 MPa. Ein Vergleich der beiden Datenreihen zeigt auch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ein logarithmischer Umformgrad φ von ungefähr 7,3 ausreicht, um eine Zugfestigkeit von 900 MPa zu erreichen. Beim Vergleichswerkstoff wird diese Zugfestigkeit erst bei einem logarithmischen Umformgrad φ von ungefähr 8,7 erreicht. Dies bedeutet, dass bei einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff eine Zugfestigkeit von 900 MPa bereits bei einer um einen Faktor 3,7 größeren Querschnittsfläche des Produkts erreicht werden kann.

Die elektrische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beträgt mehr als 70% IACS.

Im Folgenden sind einige Beispiele für Abfolgen des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens, ausgehend von einem geeigneten Gussformat, genannt:

Beispiel 1:

  • • Lösun gsglühen eines unverformten, zylindrischen Gussformats
  • • Rundhämmern
  • • Ziehen, so dass der logarithmische Gesamtumformgrad φ aus Rundhämmern und Ziehen mindestens 5 beträgt
  • • Ausscheidungsglühen

Bei dieser Verfahrensvariante wird die gesamte Kaltumformung zwischen Lösungsglühen und Ausscheidungsglühen durchgeführt.

Beispiel 2:

  • • Rundhämmern eines zylindrischen Gussformats
  • • Lösungsglühen
  • • Ziehen, so dass der logarithmische Gesamtumformgrad φ aus Rundhämmern und Ziehen mindestens 5 beträgt
  • • Ausscheidungsglühen

Bei dieser Verfahrensvariante wird ein Teil der Kaltumformung vor dem Lösungsglühen durchgeführt.

Beispiel 3:

  • • Lösungsglühen eines unverformten, zylindrischen Gussformats
  • • Rundhämmern
  • • Vorziehen
  • • Ausscheidungsglühen
  • • Fertigziehen, so dass der logarithmische Gesamtumformgrad φ aus Rundhämmern, Vorziehen und Fertigziehen mindestens 5 beträgt

Bei dieser Verfahrensvariante wird ein Teil der Kaltumformung nach dem Ausscheidungsglühen durchgeführt.

Beispiel 4:

  • • Lösungsglühen einer unverformten Gussbramme
  • • Kaltwalzen
  • • Kaltumformung nach dem accumulative-roll-bonding-Verfahren, so dass der logarithmische Gesamtumformgrad φ aus Kaltwalzen und accumulative-roll-bonding mindestens 5 beträgt
  • • Ausscheidungsglühen

Die Liste der Beispiele ist nicht abschließend. Der Fachmann kann anhand der Liste leicht weitere Herstellverfahren ableiten, die auf dem gleichen Grundgedanken basieren.

Bezugszeichenliste

1
Verbundwerkstoff
2
Niobfaser
3
Matrix
4
Gefüge
5
Korn
6
Ausscheidungspartikel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 3510043 A1 [0005]