DE102018212942B4

DE102018212942B4 - Verfahren zum Erzeugen einer Schmelze einer Kupfergusslegierung und Gussstück, hergestellt aus dieser Schmelze

Info

Publication number: DE102018212942B4
Application number: DE102018212942.8A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Glanz
Original assignee: L B Metallservice oHG; L+b Metallservice oHG
Current assignee: L B Metallservice oHG; L+b Metallservice oHG
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2038-08-03
Also published as: DE102018212942A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen einer Schmelze einer Kupfergusslegierung, aufweisend folgende Schritte:- Erzeugen einer Grundschmelze durch Einschmelzen von kupferhaltigem Einsatzmaterial mit einem Bleianteil von 0,0 bis 0,3 Gew.%; dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschmelze mit einer Mischung aus mindestens zwei verschiedenen kristallisationskeimbildenden Oxiden, jeweils in Form von Nanopartikeln geimpft wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schmelze einer Kupfergusslegierung. Die Erfindung betrifft weiterhin aus der erfindungsgemäß hergestellten Kupfergusslegierung hergestellte, insbesondere gegossene Gussstücke oder Bauteile. Dazu zählen beispielsweise Kupferguss-Blöcke aus Metallschmelzwerken oder Armaturengießereien, Kupferguss-Armaturen jeglicher Art, die mit Trinkwasser in Berührung kommen oder auch Kupferlegierungsbauteile aus Rotguss oder aus Silizium-haltigen bleifreien Legierungen, die aufgrund ihrer Bauteilgeometrie zu Lunkern und Rissen neigen. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gussstücks.
Traditionell werden solche Kupfergusslegierungs-Blöcke und -Armaturen aus bleihaltigen Legierungen bzw. Schmelzen hergestellt. Diese Legierungen bzw. Schmelzen werden bis zu 100 % aus einem Schrottmix herstellt, der aus unterschiedlichem Altmessing besteht. Dabei agieren Oxidanhaftungen an diesem Altmessing als viele Keimbildner und eine kontrollierte Zugabe von Bor oder Zirkon lässt das Feinkorn bei der Kristallisation wachsen.
Die Vorgaben an die Qualität des Trinkwassers werden immer höher. Das hat zur Folge, dass der Bleigehalt insbesondere in bleihaltigen Messinglegierungen, aus denen Sanitär-Armaturen hergestellt werden, zunehmend reduziert werden muss.
Ziel ist es, den Bleigehalt im Trinkwasser auf max. 5 µg pro Liter Wasser oder darunter zu begrenzen.
Es ist damit zu rechnen, dass mittelfristig Blei komplett aus Legierungen für Bauteile im Trinkwasserbereich verschwinden muss, weil bleihaltige Legierungen für Trinkwasser hygienisch bedenklich sind.
Es werden deshalb heute bereits bleifreie oder zumindest bleiarme Legierungen zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere Armaturen im Trinkwasserbereich verwendet. Dabei handelt es sich beispielsweise um Ms 60 oder Alpha Messing Ms 63 As. Sofern in der vorliegenden Beschreibung keine anderen Mengen-Einheiten angegeben sind, handelt es sich um Gew.%.

Ms 60

Cu 58,0 - 60,8

Fe 0,0 - 0,25

Ni max - 0,15

Pb 0,0 - 0,30

Sn 0,0 - 0,20

Al 0,60 - 0,80

B 1 - 14 ppm

Ti max - 0,010

Zn Rest

Ms 63 As

Cu 62,0 - 64,0

Fe 0,0 - 0,20

Ni max - 0,20

Pb 0,0 - 0,30

As 0,09 - 0,154

Sn 0,0 - 0,20

Al 0,20 - 0,80

B 1 - 20 ppm

Zn Rest
Weitere Beispiele für Kupferlegierungen finden sich in folgenden Druckschriften aus dem Stand der Technik:

Die DE 694 17 553 T2 offenbart eine spezielle Kupferlegierung für Sanitärinstallationen, wobei diese Kupferlegierung einen Bleigehalt von 4 % oder weniger, einen Bismut-Anteil von 0,1 bis 7 % und einen Cereisenanteil von 0,1 bis 1 % oder dessen Seltene-Erden-Equivalent enthält.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 026 535 A1 offenbart ein Verfahren zum Vergießen von Kupfer und kupferhaltigen Legierungen, umfassend folgende Schritte:

a) Bereitstellen einer Kokille,
b) Applikation einer Schlichte auf die Innenwand der Kokille zur Herstellung einer Beschichtung, wobei die Schlichte mindestens ein anorganisches Oxid und ein Bindemittel umfasst,
c) Verfestigen der Schlichte zu einer Beschichtung,
d) Einfüllen einer Schmelze von Kuper oder der kupferhaltigen Legierung in die Kokille, wobei die Kokille vor dem Einfüllen auf 60°C bis 200°C temperiert wird, und
e) Herauslösen des entstandenen Gussteils aus der Kokille.

Schließlich betrifft die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2016 008 758 A1 eine hochfeste Kuper-Nickel-Zinn-Legierung mit ausgezeichneter Gießbarkeit, Warmumformbarkeit und Kaltumformbarkeit, hoher Festigkeit gegen abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und Fretting-Verschleiß sowie verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Spannungsrelaxationsbeständigkeit.
Bei diesen und anderen bleiarmen bzw. bleifreien Legierungen besteht das Einsatzmaterial fast ausschließlich aus Kupfergranulat, Reinkupferblechen, bleifreien Halbzeugmessingschrotten, Hüttenzink und geringen Mengen Hüttenaluminium.
Man kann die Schmelze fast als keimfrei, steril bezeichnen. Diese Keimfreiheit hat den Nachteil, dass kaum Keimbildner für Kornwachstum vorliegen, so dass das erhaltene Gussgefüge regelmäßig zu grobkörnig ausfällt. Eine erhöhte Zugabe von Bor oder Zirkon hat diesbezüglich keine Abhilfe geschaffen. Wo keine Kristallisationskeime vorhanden sind, kann auch kein Feinkorn wachsen.
Bei der Herstellung von bleifreien bzw. bleiarmen Legierungen wurde festgestellt, dass Gussfehler wie Lunker, Mikrolunker und Risse stark ansteigen. Dafür sind die zwei folgenden wesentliche Gründe bekannt:

1. Ursache: Bleimangel: Aufgrund des Bleimangels fehlt es bei diesen Legierungen - anders als bei den traditionellen bleihaltigeren Legierungen - zumindest an einem ausreichenden Anteil Blei, welches aus der Schmelze ausscheidet und bei seiner Erstarrung die Gussfehler verschließt. Der Mangel an Blei ist jedoch bei den Legierungen, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, ausdrücklich gewünscht, so dass eine Behebung der besagten Gussfehler durch eine Erhöhung des Bleianteils nicht in Frage kommt.
2. Ursache: zu grobes Korn: Aufgrund des Fehlens von Kristallisationskeimen ist eine Kornfeinung nicht mehr gewährleistet. In dem entstehenden Gefüge bilden sich überwiegend nur noch große bzw. grobe Körner aus, die ein Nachspeisen der Schmelze und damit ein Schließen der Gussfehler behindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein bekanntes Verfahren zum Erzeugen einer Schmelze einer zumindest bleiarmen Kupfergusslegierung, insbesondere für Armaturen im Trinkwasserbereich, ein bekanntes Gussstück aus einer Kupfergusslegierung, ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines solchen Gussstücks sowie ein bekanntes Impfmittel zum Impfen einer Schmelze einer Kupfergusslegierung dahingehend weiterzubilden, dass die Körner in dem Gussgefüge nach der Erstarrung der Schmelze feiner ausgebildet werden.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beanspruchte Verfahren zum Erzeugen einer Schmelze einer Kupfergusslegierung gelöst. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschmelze mit einer Mischung aus mindestens zwei verschiedenen kristallisationskeimbildenden Oxiden, jeweils in Form von Nanopartikeln geimpft wird.
Die Nanopartikel fungieren in der Schmelze vorteilhafterweise als externe Keime bzw. Keimbildner. Je mehr Nanopartikel in die Schmelze eingebracht werden, desto mehr Körner werden gebildet und desto feiner wird das Korn.
Der Begriff „Nanopartikel“ schließt auch „Kleinstteile“ oder „Kleinstpartikel“ mit ein.
Durch die so erreichte geringe Korngröße werden vorteilhafterweise klassische Gussfehler wie Lunker und Risse bzw. Leckagen stark reduziert. Das Speisungsverhalten ist vorteilhafterweise deutlich verbessert und Ausschuss wird reduziert.
Dieses erfindungsgemäße Vorgehen empfiehlt sich grundsätzlich für alle Kupfergusslegierungen, aber insbesondere für bleiarme bzw. bleifreie Kupferlegierungen, die im Bereich Trinkwasser eingesetzt werden.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Nanooxidpartikeln um Fe-Oxid, Pb-Oxid oder Cu-Oxid oder andere, beispielsweise auch nichtmetallische Oxide.
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn Cu Bor (98-2) 1-20 ppm in die Schmelze als Katalysator zugegeben wird.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch das Gussstück nach Anspruch 9, das Verfahren nach Anspruch 11 und das Impfmittel nach Anspruch 13. Die Vorteile dieser Lösungen entsprechen den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren nach Anspruch 1 genannten Vorteilen.
Bei dem Gussteil beträgt die mittlere Korngröße beispielsweise nur 100 - 300 µm. Insbesondere beträgt sie nur 100- 250 µm bei Ms 60 und nur 180-300 µm bei Ms63 As.
Das Impfmittel wird vorzugsweise in Form von Tabletten oder in Form einer Vorlegierung auf Basis von Zink oder Kupfer in die Schmelze eingebracht, andere Formen sind ebenfalls denkbar.
Es ist bekannt, dass Alpha Messing sich nicht gut kornfeinen lässt. Deshalb ist es erforderlich, möglichst viele Nanopartikel als Keimbildner einzubringen und die Schmelze so einzustellen, dass eine geringe Menge Beta vorhanden ist.
Es wurde festgestellt, dass eine geringe Menge Beta keinen negativen Einfluss auf die Entzinkung hat.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Schmelze einer Kupfergusslegierung, aufweisend folgende Schritte: - Erzeugen einer Grundschmelze durch Einschmelzen von kupferhaltigem Einsatzmaterial mit einem Bleianteil von 0,0 bis 0,3 Gew.%; dadurch gekennzeichnet, dass die Grundschmelze mit einer Mischung aus mindestens zwei verschiedenen kristallisationskeimbildenden Oxiden, jeweils in Form von Nanopartikeln geimpft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bei den Oxiden um solche Oxide handelt, deren Schmelztemperatur größer als die Schmelztemperatur der Grundschmelze ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Oxiden beispielsweise um Fe-Oxid, Pb-Oxid oder Cu-Oxid handelt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung der Nanopartikel in Form von Tabletten und/oder Barren und/oder als Bestanteil einer Vorlegierung auf Basis von Zink oder Kupfer in die Schmelze eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem kupferhaltigen Einsatzmaterial beispielsweise um Kupfergranulat, Reinkupferbleche und/oder bleifreien Halbzeug-Messingschrott handelt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzmaterial zusätzlich Hüttenzink und/oder Hüttenaluminium enthält.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze Cu Bor (98-2) 1-20 ppm als Katalysator zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass des sich bei der Kupfergusslegierung um eine Messinglegierung handelt.
Gussstück aus einer Kupfergusslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück aus einer Schmelze hergestellt ist, welche nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt ist.
Gussstück nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück eine mittlere Korngröße von 100 - 300 µm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Gussstücks aus einer Kupfer-Guss-Legierung, aufweisend folgende Schritte: - Erzeugen einer Schmelze für die Kupfer-Guss-Legierung; und - Vergießen der Schmelze in eine Gussform zum Erzeugen des Gussstücks; dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussstück eine mittlere Korngröße von 100 - 300 µm aufweist.
Impfmittel zum Impfen einer Schmelze einer Kupfergusslegierung, die mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 erzeugt wird, aufweisend: - ein Trägermaterial; gekennzeichnet durch - eine Mischung aus mindestens zwei verschiedenen kristallisationskeimbildenden Oxiden, jeweils in Form von Nanopartikeln zur Herstellung eines feinkörnigen globulitischen Gefüges von Kupfergusslegierungen.
Impfmittel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Oxiden um beispielsweise Fe-Oxid, Pb-Oxid oder Cu-Oxid handelt.
Impfmittel nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Trägermaterial um ein metallisches Trägermaterial handelt.