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Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung, insbesondere eine blei- und tellurfreie Kupferlegierung, sowie Halbzeuge aus einer solchen Kupferlegierung.
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In vielen Bereichen von Industrie und Technik ist Kupfer aufgrund seiner natürlichen Qualitäten ein unverzichtbarer Werkstoff. Vor allem dort, wo Werkstoffe höchster elektrischer und thermischer Leitfähigkeit gefordert werden, sind Kupfer und Kupferlegierungen von großer Bedeutung. Der Einsatz von reinem Kupfer bereitet jedoch dann Schwierigkeiten, wenn Teile spanabhebend bearbeitet werden sollen. Die hohe Zähigkeit des Kupfers, die bei spanloser Formgebung besonders geschätzt wird, erweist sich hier als nachteilige Werkstoffeigenschaft. Wesentlich hierfür ist die Langspanbildung, die den Arbeitsablauf beim Bohren und Drehen hemmt und zu einem starken Verschleiß der Werkzeugschneiden führt. Auf CNC-gesteuerten, aber auch auf herkömmlichen Drehautomaten, lässt sich reines Kupfer im Normalfall nur mit unwirtschaftlich hohem Aufwand an Zeit, Personal und Werkzeug ver- bzw. bearbeiten.
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Bekannt sind zerspanbare Kupferwerkstoffe mit Zusätzen von Blei, Bismut, Schwefel und Tellur. Bereits in der
US-A-1,959,509 wurde der günstige Einfluss des Zulegierens von Bismut auf die Zerspanbarkeit von Kupferlegierungen erläutert. Die vorteilhaften Eigenschaften von Tellur in Kupferlegierungen gehen aus der
US-A-2,027,807 hervor.
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Als Spanbrecher wirken Blei und Bismut in metallischer Form, Schwefel und Tellur hingegen als intermetallische Phase in Form von Kupfersulfid (Cu2S) bzw. Kupfertellurid (Cu2Te). Die niedrigen Schmelzpunkte von Blei und Bismut schränken jedoch die Warmumformbarkeit, z. B. durch Strangpressen, erheblich ein, so dass eine wirtschaftliche Verarbeitbarkeit auf konventionellen Fertigungseinrichtungen nicht, bzw. nur beschränkt gegeben ist. Zusätzlich bestehen hinsichtlich Blei in Kupferlegierungen gesundheitliche und umweltgefährdende Bedenken.
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Kupferwerkstoffe mit Zusätzen von Schwefel oder Tellur in Form von CuSP oder CuTeP hingegen zeichnen sich durch eine günstige Kombination von guter Zerspanbarkeit sowie sehr hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit aus. Allerdings ist gerade Tellur in Folge von Rohstoffverknappung in der Verfügbarkeit begrenzt und vergleichsweise teuer. Bei einer zunehmenden Ressourcenverknappung von Tellur ist daher eine Alternative wünschenswert.
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Der Erfindung liegt daher, ausgehend vom Stand der Technik, die Aufgabe zu Grunde, eine Kupferlegierung aufzuzeigen, die gegenüber den bekannten Kupferlegierungen CuTeP und CuSP eine zumindest gleiche oder bessere Zerspanbarkeit sowie Kalt- und Warmumformbarkeit aufweist.
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Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Kupferlegierung gemäß Anspruch 1.
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Erfindungsgemäß wird eine Kupferlegierung vorgeschlagen auf Basis von Kupfer mit Zusätzen von Mangan und Schwefel sowie Begleitelementen, die ohne Blei oder Tellur auskommt, jedoch eine gute Zerspanbarkeiit aufweist.
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Die Kupferlegierung besteht aus Kupfer, die als Legierungsbestandteile 0,05 bis 0,80 Gew.-% Mangan (Mn), 0,10 bis 0,80 Gew.-% Schwefel (S), optional einem oder mehrerer Elemente, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus 0,002 bis 0,05 Gew.-% Phosphor (P), 0,01 bis 0,5 Gew.-% Chrom (Cr), 0,01 bis 0,5 Gew.-% Aluminium (Al), 0,01 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) besteht, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
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Als Spanbrecher in der erfindungsgemäßen CuSMn-Legierung wirkt eine Mischphase, bestehend aus Kupfersulfid (Cu2S) und Mangansulfid (MnS).
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Besonders bevorzugt beträgt der Mangan-Anteil 0,10 bis 0,20 Gew.-%. Ebenfalls bevorzugt ist ein Schwefelanteil, der zwischen 0,20 bis 0,60 Gew.-% liegt.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Legierung auf Kupferbasis gemäß Anspruch 4 gelöst. Diese besteht aus 0,30 bis 1,50 Gew.-% Calcium (Ca), optional einem oder mehreren Elementen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus 0,005 bis 0,05 Gew.-% Mangan (Mn), 0,005 bis 0,05 Gew.-% Schwefel (S), 0,002 bis 0,05 Gew.-% Phosphor (P), 0,01 bis 0,5 Gew.-% Chrom (Cr), 0,01 bis 0,5 Gew.-% Aluminium (Al), 0,01 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) besteht sowie dem Rest Kupfer (Cu) und unvermeidbaren Verunreinigungen.
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Bevorzugt liegt der Calciumanteil bei der vorgenannten Kupferlegierung zwischen 0,5 bis 1,0 Gew.-%.
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Als Spanbrecher wirkt in der CuCa-Legierung die sich bildende eutektische Phase Cu5Ca.
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Phosphor dient als Desoxidationsmittel, die den in der Schmelze gelösten freien Sauerstoff an sich bindet und somit Gasblasen (Wasserstoffkrankheit) und Oxidationen von Legierungsbestandteilen verhindert. Des Weiteren wird Phosphor zugegeben, um die Fließeigenschaften der Kupferlegierung beim Gießen zu verbessern.
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Mangan verfeinert das Korn und verbessert in der Kombination mit Schwefel die Zerspanbarkeit.
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Aluminium erhöht die Härte und Steckgrenze ohne Verminderung der Zähigkeit. Aluminium ist ein Element, das die Festigkeit, Bearbeitbarkeit und die Abnutzungsresistenz sowie die Oxidationsresistenz bei hohen Temperaturen verbessert.
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Chrom und Magnesium dienen zur Verbesserung der Oxidationsresistenz bei hohen Temperaturen. Besonders gute Ergebnisse hierbei werden erzielt, wenn diese mit Aluminium gemischt werden, um einen Synergieeffekt zu erzielen.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen beiden Kupferwerkstoffe CuSMn und CuCa weisen eine Zerspanbarkeit auf, die gleich oder besser ist, als CuSP. In Versuchen wurde ein Zerspanbarkeitsindex von 90% für CuSMn, 86% für CuCa und 76 bzw. 79% für die Referenzwerkstoffe CuTeP und CuSP ermittelt.
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Die Werkstoffe besitzen eine elektrische Leitfähigkeit, die zwischen 35 bis 55 MS/m liegt, insbesondere in einem Bereich von 48 bis 53 MS/m. Weiterhin sind die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kupferlegierungen frei von toxischen Legierungselementen und kostengünstig, da die Legierungselemente kostengünstig zur Verfügung stehen. Wesentlich hervorzuheben ist darüber hinaus, dass die Schrotte wiederverwendbar sind. Besonderes Kriterium der beiden vorgeschlagenen Kupferlegierungen ist, dass eine Verarbeitbarkeit mit konventionellen Fertigungs- und Bearbeitungsmaschinen möglich ist, insbesondere weisen die Legierungen sowohl eine ausreichende Kaltverformbarkeit als auch eine sehr gute Warmverformbarkeit auf.
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Aus den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kupferlegierungen können daher Halbzeuge in Form von Walzprodukten, Press-/Ziehprodukten, Schmiedeprodukten oder Gussprodukten zur Verfügung gestellt werden.
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Ausführungsbeispiele und Vergleichsbetrachtungen:
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Anhand von 2 Ausführungsbeispielen seien die erfindungsgemäß vorteilhaften Eigenschaften der neuen blei- und tellurfreien Legierungen im Vergleich zu den bekannten und genormten Werkstoffen CuTeP (= EN-Werkstoff CW118C, ASTM-Werkstoff C14500) und CuSP (= EN-Werkstoff CW114C, ASTM-Werkstoff C14700) erläutert.
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In einem Tiegelinduktionsofen wurden jeweils CuSMn, CuCa und die Referenzwerkstoffe CuTeP und CuSP erschmolzen und im Stranggussverfahren zu Pressbolzen vergossen. Die Zusammensetzung der Werkstoffe ist in der Tabelle 1 wiedergegeben. Die Zusammensetzung von CuSMn entspricht Patentanspruch 1, 2 und 3, CuCa erfüllt den Anspruch 4 und 5. Die Zusammensetzung der Referenzwerkstoffe entspricht den Vorgaben der EN und ASTM-Normen für die Werkstoffe CuTeP und CuSP. Die stranggegossenen Rundbolzen wurden im Strangpressverfahren mit einer Anwärmtemperatur ≥ 850°C ohne Probleme zu Pressstangen verpresst und anschließend mit einer Querschnittsabnahme von 10 bis 15% an die Endabmessung von ϕ 35 mm gezogen. Mit der Querschnittsabnahme von 10 bis 15% wird der für zerspanbares Kupfer am häufigsten verwendete Lieferzustand R250 nach EN 12164 bzw. H02 nach ASTM B301 eingestellt. In der Tabelle 2 sind die mechanisch-technologischen Kennwerte, Brinellhärte und spez. elektrische Leitfähigkeit der so fertig gezogenen Stangen wiedergegeben. Wie die Prüfergebnisse zeigen, weisen die neuen erfindungsgemäßen Werkstoffe mit den Standardwerkstoffen CuTeP bzw. CuSP vergleichbare mechanische Kennwerte und eine gleichermaßen gute elektrische Leitfähigkeit auf. Der Werkstoff CuSMn bietet aufgrund der noch günstigeren Festigkeits-/Bruchdehnungskombination im Vergleich zum Standardwerkstoff CuSP noch den Vorteil einer besseren Kaltumformbarkeit (z. B. für die Fertigung „gehämmerter” Brennerdüsen).
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Zerspanbarkeitsuntersuchungen:
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An den in Tabelle 2 aufgelisteten Stangen wurden vergleichende Zerspanbarkeitsprüfungen in Form von Bohrtests durchgeführt. Der Bearbeitung durch Bohren wurde der Bearbeitung durch Drehen oder Gewindeschneiden der Vorzug gegeben, weil die Herstellung kleiner Bohrungen (z. B. in Brennerdüsen) die schwierigste spanende Bearbeitungsform darstellt. Zeigt ein Werkstoff hier positive Ergebnisse, so stellt die Bearbeitung durch Drehen oder Gewindeschneiden ebenfalls kein Problem dar.
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Für die Bohrtests wurden folgende in modernen CNC-Bearbeitungsmaschinen übliche Parameter verwendet:
| • Bohrwerkzeug: | 2 mm Φ Vollhartmetallbohrer mit Innenkühlung Spitze beschichtet mit AlTiN Typ Gühring WNRN15XD |
| • Bohrstrategie: | stirnseitig 45 Bohrungen in Stangenabschnitte einbringen: Schnittgeschwindigkeit: 100 m/min Vorschub: 0,04 mm/Umdrehung Bohrtiefe: 33 mm Innenkühlung Bohrer: Emulsion 40 bar |
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Bewertet wurden:
- • die Spanform in Anlehnung an das Stahleisenprüfblatt 1178–90
- • die mittlere Spanmasse über Gewichtsmessung von jeweils 100 Spänen
- • der Werkzeugverschluss als Freiflächenverschluss nach 270 Bohrungen
- • die erforderliche mittlere Vorschubkraft
- • die Bohrungsqualität anhand der Kriterien:
– Zylindrizität (Konizität) der Bohrung über der Länge
– Rundheit der Bohrung über den Umfang
– Durchmesserabweichung über die Länge
– Rauheit Rz der Bohrungsoberfläche
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Um eine quantitative vergleichende Bewertung der Werkstoffe mit den Referenzwerkstoffen zu ermöglichen, wurden die Einzelmessergebnisse mit einem Punktesystem von 0 bis 10 Punkten bewertet, wobei 0 Punkte für extrem schlecht und 10 Punkte für optimal = sehr gut stehen.
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Die Einzelbewertungen wurden addiert, wobei maximal 80 Punkte erreichbar sind. Diese Gesamtbewertung der Zerspanbarkeit soll hier als Zerspanbarkeitsindex definiert werden, wobei 80 Punkte dann einem maximal erreichbarem Zerspanbarkeitsindex von 100% entsprechen. Die neuen erfindungsgemäßen Werkstoffe CuCa und CuSMn erreichen im Vergleich zu den Referenzwerkstoffen folgende Zerspanbarkeitsindexe:
CuSMn: 90%
CuCa: 86%
CuTeP: 76%
CuSP: 79%
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Zur Verdeutlichung der guten kurzbrüchigen Zerspanbarkeit aller Werkstoffe sind in die Bohrspäne aus den Zerspanbarkeitsuntersuchungen dargestellt. Die etwas längeren Wendelspanstücke treten nur vereinzelt auf. Die sehr ausführlichen und aufwendigen Zerspanbarkeitsuntersuchungen haben gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Werkstoffe in der Zerspanbarkeit den bisher zur Verfügung stehenden Referenzwerkstoffen CuSP und CuTeP mindestens gleichwertig sind bzw. sogar leichte Vorteile aufweisen.
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Die Erfinder haben in sorgfältigen Untersuchungen einen Kupferwerkstoff geschaffen, der die derzeitige Angebotspalette mit CuTeP und CuSP ergänzt und die folgenden Qualitätsmerkmale aufweist:
- – Zerspanbarkeit gleich oder besser als CuTeP/CuSP;
- – Elektrische Leitfähigkeit ≥ 35 MS/m;
- – Frei von toxischen Legierungselementen;
- – Kostengünstige Verfügbarkeit der Legierungselemente;
- – Wiederverwendbarkeit der Schrotte;
- – Verarbeitbarkeit mit konventionellen Fertigungsschritten und -maschinen.
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In Untersuchungen wurden jeweils das Legierungselement Aluminium (Al), Calcium (Ca), Kobalt (Co), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Zinn (Sn) und Zink (Zn) in Kombination mit Schwefel (S) und Calcium (Ca) als alleiniger Zusatz zu Kupfer im Hinblick auf erreichbare elektrische Leitfähigkeit und Zerspanbarkeit getestet. Als Vergleichsproben für die Zerspanbarkeitstests dienten die bewährten Werkstoffe CuSP und CuTeP. Qualitativ bewertet wurden die Spanform beim Bohren von 3 mm-Löchern und das Auftreten von Bohrerbrüchen.
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Die angestrebten Werkstoffeigenschaften bzw. -eigenschaftskombinationen wurden erreicht durch die Zulegierung von Mangan, und zwar zu einem Anteil von 0,05 bis 0,80 Gew.-%, vorzugsweise 0,10 bis 0,30 Gew.-%, insbesondere 0,10 bis 0,20 Gew.-% sowie Schwefel in einem Anteil von 0,10 bis 0,80 Gew.-%, insbesondere 0,20 bis 0,60 Gew.-%.
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Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass die angestrebten Werkstoffeigenschaften bei einer Legierung auf Kupferbasis erreicht werden, die als Legierungsbestandteil Calcium mit einem Anteil von 0,30 bis 1,50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,0 Gew.-% enthält.
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Als erfindungswesentlich wurde erkannt, dass die beiden aufgezeigten Kupferwerkstoffe CuSMn und CuCa die vorgenannten eigenständigen spanbrechenden Phasen aufweisen, nämlich die Mischphase besehend aus Cu2S und MnS bzw. der eutektischen Phase Cu5Ca.
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Bei der Verarbeitung und Prüfung von Werkstoffproben der erfindungsgemäßen Kupferlegierungen zeigte sich, dass insbesondere die Kupferlegierung CuSMn eine mit der Kupferlegierung CuSP oder der Kupferlegierung CuTeP-vergleichbare oder sogar leicht bessere Warm- und Kaltumformbarkeit besitzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1959509 A [0003]
- US 2027807 A [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN-Werkstoff CW118C [0022]
- ASTM-Werkstoff C14500 [0022]
- EN-Werkstoff CW114C [0022]
- ASTM-Werkstoff C14700 [0022]
- EN 12164 [0023]
- H02 [0023]
- ASTM B301 [0023]
