DE102005024037A1 - Kupfer-Zink-Silizium-Legierung, deren Verwendung und deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Cu-Zn-Si-Legierung, umfassend in Gew.-% 70 bis 80% Kupfer, 1 bis 5% Silizium, 0,0001 bis 0,5% Bor, bis zu 0,2% Phosphor und/oder bis zu 0,2% Arsen sowie Rest Zink nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, sowie die Verwendung und Herstellung einer solchen Legierung, wobei sich die Legierung durch eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und durch gleichmäßige mechanische Eigenschaften auszeichnet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Zink-Silizium-Legierung sowie eine Verwendung und Herstellung einer solchen Kupfer-Zink-Silizium-Legierung.
• Die vordringliche Anforderung an Kupfer-Zink-Silizium-Legierungen ist, dass diese entzinkungsbeständig und zerspanbar sind. Eine gute Zerspanbarkeit derartiger Messinglegierungen wurde bislang durch die Zugabe von Blei realisiert, wie beispielsweise in der EP 1 045 041 A1 beschrieben. Neuerdings sind jedoch auch bleifreie Messinglegierungen mit guten Zerspanungseigenschaften entwickelt worden, wie sie beispielsweise die EP 1 038 981 A1 und die DE 103 08 778 B3 beschreiben. Sowohl die bleifreien als auch bleihaltigen Cu-Zn-Si-Legierungen neigen dazu, bei Temperaturen zwischen 300°C und 800°C zu oxidieren und eine Zunderschicht auszubilden. Diese Zunderschicht haftet nur lose am Metall, löst sich leicht ab und verteilt sich über die Produktionsanlagen, was zur Folge hat, dass diese störend verunreinigt werden. Die Reinigung der Produktionsanlagen ist aufwändig, wodurch die Produktionskosten hoch sind. Nachteilig an den bisher bekannten Cu-Zn-Si-Legierungen ist auch, dass sich die mechanischen Eigenschaften des Materials über lange Werkstücke hinweg verändern, da das Material nicht homogen ist.
• In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung deshalb die Problemstellung zugrunde, eine Kupfer-Zink-Silizium-Legierung anzugeben, die bezüglich ihrer Homogenität verbessert ist und darüber hinaus eine geringere Neigung zur Zunderbildung aufweist, sowie eine Verwendung und eine Herstellung einer derartigen Messinglegierung anzugeben.
• Die erstgenannte Aufgabe hinsichtlich einer Legierung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kupfer-Zink-Silizium-Legierung, umfassend in Gewichtsprozent 70 bis 80% Kupfer, 1 bis 5% Silizium, 0,0001 bis 0,5% Bor, 0 bis 0,2 Phosphor und/oder Arsen sowie Rest Zink nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
• Der Kupfergehalt liegt zwischen 70 und 80%, denn Kupfergehalte unter 70 bzw. oberhalb von 80% würden die Zerspanbarkeit der Legierung nachteilig beeinflussen. Gleiches gilt beim Verlassen des angegebenen Silizium-Konzentrationsbereiches von 1% bis 5%. Die Borkonzentration in der Legierung liegt zwischen 0,0001 bis 0,5%. Überraschender Weise wurde jetzt gefunden, dass durch Zugabe von Bor entsprechend des beanspruchten Konzentrationsbereichs einerseits erreicht wird, dass die Zunderbildung geringer ist und gleichzeitig die Haftung des restlichen Zunders am Material deutlich erhöht wird. Andererseits überrascht es auch, dass die Zugabe von Bor bewirkt, dass sich die Homogenität des Gefüges verbessert und so Schwankungen der mechanischen Eigenschaften vermieden werden. Phosphor und Arsen können jeweils mit einem Konzentrationsgehalt von bis zu 0,2% in der Legierung enthalten sein und sind gegeneinander substituierbar. Durch Phosphor und Arsen wird die Ausbildung des anfänglichen Gussgefüges und die Korrosionseigenschaften günstig beeinflusst, wobei darüber hinaus das Fließvermögen der Schmelze erhöht und die Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion vermindert wird. Der restliche wesentliche Legierungsanteil ist Zink.
• Neben den oben erwähnten Vorteilen, dass sich leicht lösende, die Produktionskosten erhöhende Zunderschichten vermieden werden und die mechanischen Eigenschaften verbessert werden sowie darüber hinaus eine gute Zerspanbarkeit und gute Formbarkeit in Verbindung mit hoher Korrosionsbeständigkeit gegeben ist, ist bei der Erfindung gerade auch die Beständigkeit gegenüber Entzinkung und Spannungsrisskorrosion besonders ausgeprägt. Entzinkungstests nach ISO 6509 ergeben Entzinkungstiefen von lediglich bis zu 26 μm.
• Die zweitgenannte Aufgabe hinsichtlich einer Verwendung einer solchen Kupfer-Zink-Silizium-Legierung ist gelöst durch eine Verwendung für elektrotechnische Bauteile, für sanitärtechnische Bauteile, für Behältnisse zum Transport oder zur Lagerung von Flüssigkeiten oder Gasen, für torsionsbeanspruchte Bauteile, für recyclebare Bauteile, für Gesenkschmiedeteile, für Halbzeuge, für Bänder, für Bleche, für Profile, für Platten oder als Knet- Walz- oder Gusslegierungen.
• Die Cu-Zn-Si-Legierung findet Verwendung für Kontakte, Stifte oder Befestigungselemente in der Elektrotechnik, beispielsweise als ruhende Kontakte oder Festkontakte zu denen auch Klemm- und Steckverbindungen oder Steckerkontakte gehören.
• Die Legierung weist gegenüber flüssigen und gasförmigen Medien eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Zudem ist sie gegenüber Entzinkung und Spannungsrisskorrosion äußerst beständig. Infolgedessen eignet sich die Legierung besonders für einen Einsatz für Behältnisse zum Transport oder zur Lagerung von Flüssigkeiten oder Gasen, insbesondere für Behältnisse in der Kältetechnik oder für Rohre, Wasserarmaturen, Hahnverlängerungen, Rohrverbinder und Ventile in der Sanitärtechnik.
• Die geringen Korrosionsraten gewährleisten auch, dass die Metalllässigkeit, das heißt die Eigenschaft durch Einwirkung von flüssigen oder gasförmigen Medien Legierungsanteile auszutragen, an sich gering ist. Insofern eignet sich der Werkstoff für Einsatzgebiete, die niedrige Schadstoffemission zum Schutz der Umwelt erfordern. Damit liegt die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung auf dem Gebiet recycelbarer Bauteile.
• Die Unempfindlichkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion empfiehlt die Legierung für eine Verwendung in Schraub- bzw. Klemmverbindungen, in denen technisch bedingt große elastische Energien gespeichert werden. Besonders geeignet ist damit die Verwendung der Legierung für alle zug- und/oder torsionsbeanspruchten Bauteile, insbesondere für Schrauben und Muttern. Nach Kaltumformung erreicht der Werkstoff hohe Werte für die Dehngrenze. Somit können in Schraubverbindungen, die sich nicht plastisch verformen dürfen, größere Anziehdrehmomente realisiert werden. Das Streckgrenzenverhältnis der Cu-Zn-Si-Legierung ist kleiner als bei Automatenmessing. Schraubverbindungen, die nur einmal angezogen und dabei bewusst überdehnt werden, erreichen damit besonders hohe Haltekräfte.
• Verwendungsmöglichkeiten der Cu-Zn-Si-Legierung ergeben sich sowohl für rohrförmige als auch bandförmige Ausgangsmaterialien. Sie eignet sich auch gut für fräs- oder stanzbare Bänder, Bleche und Platten, insbesondere für Schlüssel, Gravuren, für dekorative Zwecke oder für Stanzgitteranwendungen.
• Die drittgenannte Aufgabe hinsichtlich einer Herstellung einer solchen Kupfer-Zink-Silizium-Legierung ist gelöst durch konventionellen Strangguss und Warmwalzen zwischen 600 bis 760°C mit anschließendem Umformen, insbesondere Kaltwalzen, bevorzugt ergänzt durch weitere Glüh- und Umformschritte.
• Die Aufgabe hinsichtlich einer Herstellung einer solchen Kupfer-Zink-Silizium-Legierung ist auch gelöst durch konventionellen Strangguss und Strangpressen bei bis zu 760°C, bevorzugt zwischen 650 und 680°C und Abkühlung an Luft.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Cu-Zn-Si-Legierung umfasst diese 75 bis 77% Kupfer, 2,8 bis 4% Silizium und 0,001 bis 0,1% Bor sowie 0,03 bis 0,1% Phosphor und/oder Arsen, neben Zink als Restelement sowie unvermeidbaren Verunreinigungen.
• In einer bevorzugten Alternative umfasst die Kupfer-Zink-Silizium-Legierung wenigstens ein Element in Gew.-% aus der Gruppe Blei mit 0,01 bis 2,5%, Zinn mit 0,01 bis 2%, Eisen mit 0,01 bis 0,3%, Kobalt mit 0,01 bis 0,3%, Nickel mit 0,01 bis 0,3% und Mangan mit 0,01 bis 0,3%. Durch die Zugabe von Blei, lässt sich die Zerspanbarkeit positiv beeinflussen.
• Dabei umfasst die Legierung in vorteilhafter Weise wenigstens ein Element in Gew.-% aus der Gruppe 0,01 bis 0,1% Blei, 0,01 bis 0,2% Zinn, 0,01 bis 0,1% Eisen, 0,01 bis 0,1% Kobalt, 0,01 bis 0,1% Nickel und 0,01 bis 0,1% Mangan.
• In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Cu-Zn-Si-Legierung zusätzlich wenigstens ein Element in Gew.-% mit bis zu 0,5% Silber, bis zu 0,5% Aluminium, bis zu 0,5% Magnesium, bis zu 0,5% Antimon, bis zu 0,5% Titan und bis zu 0,5% Zirkon, vorzugsweise aus der Gruppe aus 0,01 bis 0,1% Silber, 0,01 bis 0,1% Aluminium, 0,01 bis 0,1% Magnesium, 0,01 bis 0,1% Antimon, 0,01 bis 0,1% Titan und 0,01 bis 0,1% Zirkon.
• In einer vorteilhaften Alternative umfasst die Cu-Zn-Si-Legierung zusätzlich wenigstens ein Element in Gew.-% aus der Gruppe aus bis 0,3% Cadmium, bis 0,3% Chrom, bis 0,3% Selen, bis 0,3% Tellur und bis 0,3% Wismut, vorzugsweise aus der Gruppe aus 0,01–0,3% Cadmium, 0,01–0,3% Chrom, 0,01–0,3% Selen, 0,01–0,3% Tellur und 0,01–0,3% Wismut.
• Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung und anhand der nachstehenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen
• 1 die Ausbildung einer Zunderschicht nach einer Glühung von 2h bei 600°C an einer CuZn21Si3P-Legierung ohne Borzusatz (a), einer CuZn21Si3P-Legierung mit 0,0004% Bor (b) und einer CuZn21Si3P-Legierung mit 0,009% Bor (c) und
• 2 die Ausbildung des Gussgefüges einer CuZn21Si3P-Legierung ohne Borzusatz (a), einer CuZn21Si3P-Legierung mit 0,0004% Bor (b) und einer CuZn21Si3P-Legierung mit 0,009% Bor (c).
• Die dem Ausführungsbeispiel zugrunde liegende CuZn21Si3P-Legierungen weisen Konzentrationsvariationen der Anteile auf, mit Kupfer zwischen 75,8 und 76,1%, Silizium zwischen 3,2 und 3,4% und Phosphor zwischen 0,07 und 0,1 nebst Zink als restlichem Anteil und unvermeidlichen Verunreinigungen. Die Legierungsbeispiele zeigen einen unterschiedlichen Borgehalt von 0%, 0,004 und 0,009%. Die Herstellung der Legierungen erfolgt durch Stranggießen, anschließendem Strangpressen bei Temperaturen unterhalb 760°C, bevorzugt zwischen 650 und 680°C, und schneller Abkühlung.
• Alle Legierungen weisen eine hervorragende Entzinkungsbeständigkeit auf. Ein Entzinkungstest nach ISO 6509 ergibt Entzinkungstiefen von lediglich weniger als 26 μm.
• Werden CuZn21Si3P-Legierungen, beispielsweise bei der Warmverformung, Temperaturen von 300–800°C ausgesetzt, bildet sich Zunder aus, der sich leicht ablöst und die Produktionsanlagen verunreinigt. Eine stark verzunderte Oberfläche einer borfreien CuZn21Si3P-Legierung ist in 1a dargestellt. Die Oberfläche der Probe erscheint in 1a zum überwiegenden Teil grau. Diese graue Färbung gibt die verzunderte Oberfläche der CuZn21Si3P-Legierung wieder. Es sind lediglich einige wenige, vereinzelte helle Flecken auf der Legierungsoberfläche zu erkennen, die nicht regelmäßig verteilt sind. Im Gegensatz dazu zeigt die CuZn21Si3P-Legierung mit einem Boranteil von 0,0004% in 1b eine sehr viel größere Anzahl weiß erscheinender Flecken auf der Oberfläche der Legierung als die borfreie Legierung. Diese weißen Flecken geben metallisch blanke Bereiche der Legierung wieder. Diese metallisch blanken Bereiche, also Bereiche, die nicht verzundert sind, sind gleichmäßig über die Oberfläche der Legierung verteilt. Der Anteil der venzunderten Oberfläche ist deutlich reduziert, und der verbliebene Zunder haftet fester am Metall als bei der borfreien Legierung. Eine CuZn21Si3P-Legierung, die 0,009% Bor aufweist, ist in 1c dargestellt. Hier ist deutlich zu erkennen, dass die Anzahl der metallisch blanken Flächen, also der weißen Flecken, weiter zugenommen hat. Teilweise liegen größere zusammenhängende Bereiche metallisch blanken Materials vor, und eine sehr regelmäßige Verteilung auf der Oberfläche der Legierung ist zu erkennen. Der verzunderte Oberflächenanteil hat weiter abgenommen und der verbleibende Zunder haftet fest am Metall. Es hat sich also überraschender Weise gezeigt, dass geringe Borkonzentrationen von 0,0001–0,5% die Zunderbildung bei Cu-Zn-Si-Legierungen einschränken und gleichzeitig die Haftung des Zunders am Metall deutlich erhöhen, wodurch eine unerwünschte Verunreinigung der Produktionsanlagen vermieden wird.
• Ein vergleichbares Ergebnis wurde auch für Cu-Zn-Si-P-Legierungen gefunden, die unterschiedliche Gehalte von Blei aufweisen, wie beispielsweise 0,01%, 0,05%, 0,1% oder 2,5%.
• Neben der Reduzierung der Neigung zur Venzunderung von Cu-Zn-Si-Legierungen wirkt sich Bor auch positiv auf die mechanischen Eigenschaften aus, da durch Bor das Legierungsgefüge homogener wird. Diese Veränderung des Legierungsgefüges ist in 2 in Abhängigkeit von der Borkonzentration dargestellt. Während eine CuZn21Si3P-Legierung ohne Zusatz von Bor ein grobes, inhomogenes Gefüge zeigt (2a), weist eine CuZn21Si3P-Legierung mit 0,0004% Bor ein deutlich homogeneres Gefüge auf, das bereits sehr gleichmäßige Korngrößen zeigt (2b). Eine weitere Erhöhung des Borgehalts auf 0,009% bewirkt, dass eine CuZn21Si3P-Legierung noch gleichmäßiger ist bzw. die Homogenität noch größer geworden ist, wobei die Gefügekörnung mit dem bloßen Auge nicht mehr erkennbar ist (2c).
• Neben optischen Veränderungen des Gefüges wirkt sich die Zugabe von Bor auch positiv auf die mechanischen Eigenschaften aus. Dies ist besonders an Stangen, die aus Cu-Zn-Si-Legierungen gepressten wurden, zu erkennen. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wurden am Anfang und am Ende solcher Stangen Proben entnommen. Die Zugfestigkeit einer Stange aus einer CuZn21Si3P-Legierung ohne Borzusatz weicht am Anfang im Vergleich zum Ende der Stange um mehr als 60 N/mm² ab. Eine entsprechende Legierung mit einem Boranteil von 0,0004% weist im Gegensatz dazu zwischen Anfang und Ende der Stange nur noch einen Unterschied in der Zugfestigkeit von unter 40 N/mm² auf. Durch eine Zugabe von 0,009% Bor zu einer CuZn21Si3P-Legierung liegt die Abweichung in der Zugfestigkeit zwischen Stangenanfang und -ende unter 5 N/mm².
• Das Material weist also durchgängig identische mechanische Eigenschaften auf. Es wird demnach eine gleichmäßige Festigkeit über die gesamte Presslänge hinweg erreicht. Ursache hierfür ist die kornfeinende Wirkung des Bors.
• In der Tabelle ist der Zusammenhang zwischen Borgehalt einer Cu-Zn-Si-Legierung und der zunehmenden Homogenität des Legierungsgefüges bzw. den abnehmenden Festigkeitsunterschieden innerhalb eines gepressten Werkstücks zusammengefasst.
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Claims (9)

1. Cu-Zn-Si-Legierung umfassend in Gew.-% 70 bis 80% Kupfer, 1 bis 5 Silizium und 0,0001 bis 0,5 % Bor sowie 0 bis 0,2% Phosphor und/oder Arsen sowie Rest Zink nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
2. Cu-Zn-Si-Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in Gew.-% 75 bis 77% Kupfer, 2,8 bis 4% Silizium und 0,0001 bis 0,01% Bor sowie 0,03 bis 0,1% Phosphor und/oder Arsen.
3. Cu-Zn-Si-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zusätzlich wenigstens ein Element in Gew.-% aus der Gruppe aus 0,01 bis 2,5% Blei, 0,01 bis 2% Zinn, 0,01 bis 0,3% Eisen, 0,01 bis 0,3% Kobalt, 0,01 bis 0,3% Nickel, 0,01 bis 0,3% Mangan.
4. Cu-Zn-Si-Legierung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zusätzlich wenigstens ein Element in Gew.-% aus der Gruppe aus 0,01 bis 0,1% Blei, 0,01 bis 0,2% Zinn, 0,01 bis 0,1% Eisen, 0,01 bis 0,1% Kobalt, 0,01 bis 0,1% Nickel und 0,01 bis 0,1% Mangan.
5. Cu-Zn-Si-Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzlich wenigstens ein Element in Gew.-% aus der Gruppe aus bis zu 0,5 Silber, bis zu 0,5% Aluminium, bis zu 0,5% Magnesium, bis zu 0,5% Antimon, bis zu 0,5% Titan und bis zu 0,5% Zirkon, vorzugsweise aus der Gruppe aus 0,01 bis 0,1% Silber, 0,01 bis 0,1% Aluminium, 0,01 bis 0,1% Magnesium, 0,01 bis 0,1% Antimon, 0,01 bis 0,1% Titan und 0,01 bis 0,1% Zirkon.
6. Cu-Zn-Si-Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzlich wenigstens ein Element in Gew.-% aus der Gruppe aus bis 0,3% Cadmium, bis 0,3% Chrom, bis 0,3% Selen, bis 0,3% Tellur und bis 0,3% Wismut, vorzugsweise aus der Gruppe aus 0,01 bis 0,3% Cadmium, 0,01 bis 0,3% Chrom, 0,01 bis 0,3% Selen, 0,01 bis 0,3% Tellur und 0,01 bis 0,3% Wismut.
7. Verwendung einer Cu-Zn-Si-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für elektrotechnische Bauteile, für sanitärtechnische Bauteile, für Behältnisse zum Transport oder zur Lagerung von Flüssigkeiten oder Gasen, für torsionsbeanspruchte Bauteile, für recycelbare Bauteile, für Gesenkschmiedeteile, für Halbzeuge, für Bänder, für Bleche, für Profile, für Platten oder als Knet-, Walz- oder Gusslegierung.
8. Verfahren zur Herstellung einer Cu-Zn-Si-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durch konventionellen Strangguss und Warmwalzen zwischen 600 bis 760°C mit anschließendem Umformen, insbesondere Kaltwalzen, bevorzugt ergänzt durch weitere Glüh- und Umformschritte.
9. Verfahren zur Herstellung einer Cu-Zn-Si-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durch konventionellen Strangguss und Strangpressen bei bis zu 760°C, bevorzugt zwischen 650 und 680°C und Abkühlung an Luft.