DE102020127317A1

DE102020127317A1 - Bleifreie Kupferlegierung sowie Verwendung der bleifreien Kupferlegierung

Info

Publication number: DE102020127317A1
Application number: DE102020127317.7A
Authority: DE
Inventors: Norbert Gaag; Florian Seuss
Original assignee: Diehl Metall Stiftung and Co KG
Current assignee: Diehl Brass Solutions Stiftung and Co KG
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-04-21
Also published as: CN114369743A; JP2022066187A; US20220119920A1; MX2021012641A; EP3985136A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine bleifreie Kupferlegierung, umfassend: 70,0 bis 83,0 Gew.% an Cu, 2,0 bis 2,9 Gew.% an Si, 0,05 bis 0,10 Gew.% an P, 0,01 bis weniger als 0,30 Gew.% an Sn, Rest: Zn und unvermeidbare Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine bleifreie Kupferlegierung.
Nach dem Stand der Technik sind Kupferlegierungen mit Sn und AI bekannt. Diesen wird zur Kornfeinung zusätzlich zwingend Zr zulegiert. Solche Kupferlegierungen sind beispielsweise in der EP 1 777 305 B1 , EP 1 502 964 B1 sowie der EP 1 777 308 B1 beschrieben.
Die DE 103 08 778 B3 offenbart eine bleifreie Kupferlegierung, welche im Bereich der Trinkwasser- und Sanitärinstallation anwendbar ist. Die bekannte Kupferlegierung enthält zwingend Fe und/oder Co sowie Ni und Mn.
Eine ähnliche Legierung ist aus der EP 1 600 515 A2 bekannt.
Die EP 1 600 516 A2 , EP 1 559 802 A1 , EP 1 600 517 A2 , EP 1 045 041 A1 sowie die EP 1 508 626 A1 offenbaren jeweils bleifreie Kupferlegierungen, bei denen der Gehalt an Sn zumindest 0,3 Gew.% beträgt. Der Gehalt an AI beträgt zumindest 0,1 %.
Die vorgenannten bleifreien Legierungen bilden im praktischen Einsatz bei Kontakt mit Trinkwasser nicht immer eine ausreichend korrosionshemmende Deck- bzw. Oxidschicht aus. Infolgedessen kommt es zu einer unerwünschten Korrosion durch ein selektives Herauslösen von Zn aus der Legierung (sogenannte „Entzinkung“).
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu überwinden. Es soll insbesondere eine bleifreie Kupferlegierung angegeben werden, deren Korrosionsbeständigkeit insbesondere bei einer Verwendung im Trinkwasserbereich verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
Nach Maßgabe der Erfindung wird eine bleifreie Kupferlegierung vorgeschlagen, umfassend 70,0 bis 83,0 Gew.% an Cu, 2,0 bis 2,9 Gew.% an Si, 0,05 bis 0,10 Gew.% an P, 0,01 bis weniger als 0,30 Gew.% an Sn, Rest: Zn und unvermeidbare Verunreinigungen.
Die vorgeschlagene bleifreie Kupferlegierung zeichnet sich durch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei Kontakt mit Trinkwasser, aus. Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit wird auf die Ausbildung einer Deck- bzw. Oxidschicht mit verbesserter Haftung zurückgeführt. Die verbesserte Haftung wird überraschenderweise bereits bei einem Gehalt an Sn von weniger als 0,30 Gew.% erreicht. Abgesehen davon wurde gefunden, dass die Korrosionsbeständigkeit durch einen Zusatz von überraschenderweise bereits weniger als 0,1 Gew.% AI erhöht werden kann.
Der Gehalt an Cu beträgt vorteilhafterweise 73,3 bis 76,8 Gew.%.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Kupferlegierung 0,01 bis weniger als 0,1 Gew.% an Al. Der vorgeschlagene Zusatz an Al verbessert die Haftfähigkeit der Deckschicht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Anteil an Si 2,40 bis 2,90 Gew.%, vorzugsweise 2,60 bis 2,80 Gew.%, vorteilhafterweise 2,60 bis 2,78 Gew.%. Der vorgeschlagene Zusatz an Si trägt dazu bei, dass die Kappa-Phase auf einen Anteil von höchstens 25 Gew.% reduziert wird. Es ist beobachtet worden, dass auch die Reduzierung des Anteils der Kappa-Phase zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit beiträgt. Vorzugsweise beträgt der Anteil an Kappa-Phase höchstens 25 Gew.%, insbesondere 5 bis 20 Gew.%.
Nach einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Anteil an Al vorteilhafterweise 0,01 bis 0,05 Gew.%. Ferner kann der Anteil an P 0,08 bis 0,10 Gew.% betragen. Die vorgeschlagenen Anteile ermöglichen die Herstellung einer besonders korrosionsbeständigen Legierung.
Die vorgeschlagene bleifreie Kupferlegierung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Installationskomponenten für den Trinkwasserbereich, beispielsweise zur Herstellung von Fittingen, Armaturen, Rohren u. dgl.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Versuchsergebnissen näher erläutert.

Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung von Versuchslegierungen. Tabelle 1

Legierung Nr.	Legierungselemente (Gew.%)
	Cu	Si	P	Sn	Al
2737	76,43	3,35	0,091	0,003	0,002
2838	76,42	3,02	0,091	0,003	0,002
2839	76,45	2,72	0,091	0,003	0,001
2840	75,99	2,73	0,093	0,003	0,001
2841	76,44	2,75	0,052	0,002	0,001
2842	76,46	2,71	0,09	0,103	0,001
2843	76,52	2,71	0,093	0,287	0,001
2845	76,33	3,1	0,092	0,019	0
2846	76,16	3,4	0,048	0,005	0
2858	76,6	2,61	0,095	0,288	0,042

Zur Herstellung der in der Tabelle 1 ausgewiesenen Versuchslegierungen wurden Probekörper wie folgt hergestellt:

Eine aus den Legierungselementen gebildete Schmelze wurde bei einer Temperatur von 1.020 °C bis 1.050 °C in Sandformen mit einem Durchmesser von 40 mm gegossen. Die erstarrten Probekörper wurden sodann auf einen Durchmesser von 24 mm abgedreht. Sodann wurden die Probekörper bei einer Temperatur von 700 °C auf einen Durchmesser von 8 mm durch eine Strangpresssimulation reduziert. Schließlich wurden die Probekörper bei 550 °C bis 580 °C für 2 Stunden geglüht und dann an Luft abgekühlt.

In der Tabelle 1 entsprechen die Legierungen Nrn. 2842, 2843 sowie 2858 erfindungsgemäßen Legierungen. Die übrigen Legierungen sind Vergleichslegierungen.

Die Tabelle 2 zeigt Ergebnisse von Gefügeanalysen. Tabelle 2

Legierung Nr.	Legierungselemente					Gefüge
	Cu	Si	P	Sn	Al	Kappa-MK	Gamma-MK
2737	76,43	3,35	0,091	0,003	0,002	44%	1%
2838	76,42	3,02	0,091	0,003	0,002	31%	1%
2839	76,45	2,72	0,091	0,003	0,001	22%	1%
2840	75,99	2,73	0,093	0,003	0,001	24%	1%
2841	76,44	2,75	0,052	0,002	0,001	19%	<1%
2842	76,46	2,71	0,09	0,103	0,001	15%	1%
2843	76,52	2,71	0,093	0,287	0,001	16%	1%
2845	76,33	3,1	0,092	0,019	0	26%	<1%
2846	76,16	3,4	0,048	0,005	0	42%	<1%
2858	76,6	2,61	0,095	0,288	0,042	10%	<1%

Die erfindungsgemäßen Legierungen Nrn. 2842, 2843 und 2858 zeichnen sich durch einen geringen Gehalt an Kappa-Phase (= Kappa-MK) von 10 bis 16 Gew.% aus.
Die einzige Figur zeigt die maximale Tiefe der Entzinkung [µm] für die 3 erfindungsgemäßen Legierungen Nrn. 2842, 2843 und 2858 im Vergleich zu der Legierungen Nr. 2846 (Stand der Technik). Bei der „maximalen Tiefe der Entzinkung“ handelt es sich um die Tiefe, bis zu welcher nach dem folgenden Versuchsprotokoll ein Herauslösen von Zn nachweisbar war.
Die Proben wurden gesägt. Die Sägefläche wurde für einen Zeitraum von 8 Wochen mit Trinkwasser in Kontakt gebracht. Das Trinkwasser wurde zweimal pro Woche gewechselt. Die Härte des Trinkwassers wurde durch die Zugabe von NaCl und MgSO₄ auf einen Wert von 25°dH eingestellt. Der Chlorid-Gehalt betrug 250 mg/l, der Gehalt an Sulfat betrug ebenfalls 250 mg/l. Der Auslagerungsversuch fand unter Raumbedingungen statt.
Zur Bestimmung der Tiefe der Entzinkung wurde die Probe senkrecht zur Oberfläche geschnitten, poliert und dann mit einem Auflichtmikroskop optisch analysiert. Die Tiefe der Entzinkung war an der charakteristischen Farbe des zinkfreien Kupferschwamms erkennbar.
Die Zugabe von Al führt zu verstärkter Oxidbildung. Bereits geringe Mengen Aluminiums (ab 0,04 Gew.%) zeigen überraschenderweise in einem Zundertest (Glühung bei 800 °C) festhaftende Oxidschichten gegenüber aluminiumfreien Proben, bei denen die Oxidschicht stark abblättert. Dem Oxid wird allgemein eine schützende Wirkung zugesprochen. Je besser das Oxid anhaftet, desto besser die Schutzwirkung.
Wie aus 1 ersichtlich ist, weisen die erfindungsgemäßen Legierungen Nrn. 2842, 2843 und 2858 im Vergleich zu der Legierung Nr. 2846 (Stand der Technik) eine drastisch verminderte maximale Tiefe der Entzinkung auf. Insbesondere bei der erfindungsgemäßen Legierung Nr. 2843 konnte keine Entzinkung beobachtet werden.
Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich durch eine drastisch verbesserte Korrosionsbeständigkeit bei Kontakt mit Trinkwasser aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1777305 B1 [0002]
EP 1502964 B1 [0002]
EP 1777308 B1 [0002]
DE 10308778 B3 [0003]
EP 1600515 A2 [0004]
EP 1600516 A2 [0005]
EP 1559802 A1 [0005]
EP 1600517 A2 [0005]
EP 1045041 A1 [0005]
EP 1508626 A1 [0005]

Claims

Bleifreie Kupferlegierung, umfassend: 70,0 bis 83,0 Gew.% an Cu, 2,0 bis 2,9 Gew.% an Si, 0,05 bis 0,10 Gew.% an P, 0,01 bis weniger als 0,30 Gew.% an Sn, Rest: Zn und unvermeidbare Verunreinigungen.
Bleifreie Legierung nach Anspruch 1, wobei der Anteil an Cu 73,3 bis 76,8 Gew.% beträgt.
Bleifreie Kupferlegierung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend 0,01 bis weniger als 0,1 Gew.% an Al.
Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil an Si 2,40 bis 2,90 Gew.% beträgt.
Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil an Si 2,60 bis 2,80 Gew.%, vorzugsweise 2,60 bis 2,78 Gew.%, beträgt.
Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Anteil an Kappa-Phase von höchstens 25 Gew.%.
Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil an Al 0,01 bis 0,05 Gew.% beträgt.
Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil an P 0,08 bis 0,10 Gew.% beträgt.
Verwendung der bleifreien Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Installationskomponenten für den Trinkwasserbereich.