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Die Erfindung betrifft eine Messinglegierung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Entsprechende Messinglegierungen werden als Halbfertigprodukte häufig in Bändern, Drahtform, Stangen, Blechen oder Platten hergestellt und anschließend zu Endprodukten weiterverarbeitet. Die Weiterverarbeitung erfolgt vielfach durch Anwendung von Zerspanungsvorgängen.
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Bei der Zerspanung von Messing hat es sich in der Vergangenheit als vorteilhaft erwiesen, der Legierung Blei (Pb) in einem Umfang von bis zu vier Gewichtsprozent zuzusetzen. Das Blei hat eine positive Wirkung als Spanbrecher, verlängert die Werkzeugstandzeiten und vermindert die Zerspanungskräfte. Wichtige Materialparameter, wie Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, werden durch einen Bleizusatz nicht negativ beeinflusst.
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Trotz der positiven Eigenschaften des Bleis gibt es Bestrebungen, unter anderem gestützt durch die EG-Richtlinie 2011/65/EU (RoHS II) und deren Vorläufer 2002/95/EG (RoHS I), Richtlinie 2000/53/EG über Altfahrzeuge und Richtlinie 2002/96/EG über Elektro- und Elektronik-Altgeräte, das Blei als Zerspanungselement in Messing zu ersetzen.
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Bei der Herstellung von Messinglegierungen wird angestrebt, sowohl eine gute Zerspanbarkeit als auch eine gute Verformbarkeit zu erreichen. Eine gleichzeitige optimale Erfüllung beider Anforderungen erweist sich als schwierig, da in der Regel alle Maßnahmen, die eine gewünschte Eigenschaft positiv unterstützen, zu einer Verschlechterung der zweiten Eigenschaft führen. Ein Kompromiss wird typischerweise derart gewählt, dass eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig ausreichendem Formänderungsvermögen vorgegeben wird.
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Neben einem Anteil einer spröden Phase (β-Phase) ist ein möglichst feinkörniges Gefüge der Messinglegierung eine weitere Grundlage für eine gute Zerspanbarkeit der Legierung.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2015 212 937 A1 ist es ferner bekannt, der Legierung statt des Bleis Indium (In) zuzusetzen, was aber den Nachteil hat, dass dadurch die Herstellungskosten erhöht werden, da Indium ein vergleichsweise seltenes und damit teures Element ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Messinglegierung mit einem möglichst feinkörnigen Gefüge zu schaffen, welche eine gute Zerspanbarkeit, hinreichende mechanische Eigenschaften aufweist und einen möglichst geringen Verschleiß an den eingesetzten Zerspanungswerkzeugen bewirkt.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe eine Messinglegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird nach Anspruch 1 vorgeschlagen, dass die Legierung
- -einen Fe-Gehalt von 0,001 bis 0,03 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 0,001 bis 0,015 Gewichtsprozent und
- -einen Ni-Gehalt von 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent und
- -einen P-Gehalt von 0,002 bis 0,03 Gewichtsprozent und/oder einen Mn-Gehalt von 0,002 bis 0,03 Gewichtsprozent aufweist.
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Dabei sind in der Messinglegierung selbstverständlich neben diesen zur Feinkornbildung vorgesehenen Bestandteilen auch noch nicht zu vermeidende Verunreinigungen oder weitere Bestandteile vorhanden, welche anderen Funktionen dienen aber nicht nachteilig für die zu erzielenden Eigenschaften hinsichtlich der Feinkornbildung sind.
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Grundsätzlich unterstützt der Fe (Eisen)-Gehalt die Feinkornbildung in dem Gefüge und ist demnach von Vorteil für die Zerspanbarkeit. So weist eine aus der
DE 10 2015 212 937 A1 bekannten Legierung einen Fe-Gehalt von 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent auf.
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Die vorliegende Erfindung geht demgegenüber einen diesem Grundsatz zuwiderlaufenden Weg, indem mit einem Fe-Gehalt von 0,001 bis 0,03 Gewichtsprozent, vorzugsweise von 0,001 bis 0,015 Gewichtsprozent bewusst ein erheblich geringerer Anteil von Eisen in der Legierung vorgesehen ist. Die Feinkornbildung wird in diesem Fall durch den vorgeschlagenen Ni (Nickel)-Gehalt in Verbindung mit dem vorgesehen P (Phosphor)-Gehalt und/oder Mn (Mangan)-Gehalt erreicht. Nickel bildet in Verbindung mit dem Phosphor und/oder dem Mangan hier einen hervorragenden Feinkornbildner z.B. in der Ausbildung von Nickelphosphiden, welche das Eisen in der Funktion als Feinkornbildner der Messinglegierung ersetzen. Darüber hinaus schafft die Erfindung den Vorteil einer Messinglegierung mit erheblich geringeren ferromagnetischen Eigenschaften, so dass die Messinglegierung auch gezielt in Anwendungsfällen, wie z.B. in sehr hochwertigen Uhren, vorgesehen werden kann, in denen diese bewusst möglichst keine oder nur sehr geringe ferromagnetische Eigenschaften aufweisen soll. Ferner kann die vorgeschlagene Messinglegierung auch vorteilhaft in Schreibgeräten angewandt werden, da der Fe-Gehalt in der Messinglegierung grundsätzlich nachteilig bei einem Kontakt mit Tinte ist und zu ungewollten Reaktionen zwischen der Tinte und dem Eisen führt, welche durch die Reduzierung des Fe-Gehaltes folglich auch verringert werden. Da der Fe-Gehalt zwar erheblich reduziert aber bewusst nicht vollständig auf Null reduziert ist, wird durch den noch vorhandenen aber sehr geringen Restanteil von Eisen die Bildung von Eisenphosphiden ermöglicht, welche ihrerseits die Kornfeinung in der Messinglegierung begünstigen.
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Ferner weist die durch die erfindungsgemäße Lösung geschaffene kostengünstige Kornfeinung der Messinglegierung den Vorteil auf, dass feinkörnige Strukturen auch in Bauteilen mit größeren Querschnitten kostengünstig realisiert werden können. Dadurch kann auch bei Bauteilen mit großen Querschnitten und Oberflächen eine qualitativ hochwertige Oberflächengüte durch entsprechende Bearbeitungsverfahren erzielt werden. Dies liegt daran, dass bei der Bearbeitung des feinkörnigen Gefüges z.B. durch Polieren mit Diamantschleifpaste immer nur Körner mit einem vergleichsweise kleinen Durchmesser aus der Oberfläche herausgelöst werden. Bei einem grobkörnigeren Gefüge wären die durch das Herauslösen der gröberen also größeren Körner entstehenden Unebenheiten in der Oberfläche erheblich größer. Da die vorgeschlagene Messinglegierung aufgrund der kostengünstigeren Kornfeinung grundsätzlich kostengünstiger ist, können damit auch große Bauteile mit großen Querschnitten und Oberflächen wirtschaftlich mit einer hohen Oberflächengüte hergestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Messinglegierung ist neben der verbesserten Oberflächengüte in der verbesserten Kaltumformbarkeit der Messinglegierung z.B. beim Crimpen durch eine verbesserte Homogenität des Gefüges zu sehen.
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Dabei kann die erfindungsgemäße Messinglegierung bevorzugt gegossen und ohne ein nachfolgendes oder zwischengeschaltetes Rekristallisationsglühen warmumgeformt und anschließend ggf. kaltumgeformt werden. Die finale Mikrostruktur stellt sich dabei in dem Warmumformprozess ein, und die gezielte Ausscheidungsbildung findet bevorzugt während des Aufheizens im Warmumformprozess statt.
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Die bewusst gewollte Kornfeinung in dem Gefüge der Messinglegierung kann weiter begünstigt werden, indem die Legierung einen Sn (Zinn)-Gehalt von 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent, einen Pb (Blei)-Gehalt von 0,002 bis 0,1 bevorzugt bis 0,05 Gewichtsprozent, einen Si-(Silizium) Gehalt von 0,0001 bis 0,2 Gewichtsprozent oder einen In (Indium)-Gehalt von 0,0001 bis 0,5 Gewichtsprozent aufweist.
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Die erfindungsgemäße Legierung ermöglicht darüber hinaus eine stabile, homogene Mikrostruktur des gesamten Halbzeuges, was bei Messinglegierungen ohne kornfeinende Anteile aufgrund von Temperaturverlusten bzw. -unterschieden im jeweiligen Warmumformprozess (z.B. Warmwalzen, Pressen) nicht gegeben ist.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Messinglegierung eine α-Phase und eine β-Phase in einer Gefügestruktur mit mindestens 40 % und maximal 60 % α- Phasenanteil aufweist. Dabei liegen die α- und β- Phase bevorzugt in einer globolitischen Kornform vor, wodurch die Verformbarkeit der Legierung bei einer gleichzeitig guten Zerspanbarkeit verwirklicht werden kann.
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Die α-Phase ermöglicht dabei eine gute Verformbarkeit während die sprödere β-Phase durch einen begünstigten Spanbruch die gleichzeitig bessere Zerspanbarkeit ermöglicht.
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Dabei kann die Messinglegierung in der α- Phase bevorzugt eine Nanohärte von mindestens 1,0 GPa bei einer Last von 50 mN aufweisen und in der β- Phase eine Nanohärte von mindestens 1,5 GPa bei einer Last von 50 mN aufweisen.
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Besonders gute Gefügeeigenschaften hinsichtlich der beiden Anforderungen der Verformbarkeit und der Zerspanbarkeit der Legierung können dann erreicht werden, wenn die Gefügestruktur eine monomodale Korngrößenverteilung aufweist, die Standardabweichung der Korngrößendurchmesser von dem Mittelwert maximal 10 bis 50 µm beträgt, und/oder er Mittelwert der Korngrößendurchmesser kleiner als 50 µm bevorzugt kleiner als 25 µm ist.
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Besonders stabile und homogene Gefügeeigenschaften (wie Härte, Festigkeit, Dehnung, Streckgrenze, damit direkter Einfluss auf die Eigenschaften wie Gleichmäßigkeit der Zerspanbarkeit, Verformbarkeit, etc.) über die Länge des Halbzeuges können dadurch erreicht werden, indem sich das Gefüge in Bezug auf die spez. Aderlänge um max. 10 % ausgehend vom Beginn der Warmumformung bis zum Ende der Warmumformung verändert. Diese verbesserte Homogenität des Gefüges hat den Vorteil, dass keine bzw. geringere Abweichungen der einzustellenden Prozessparameter und Werkzeugeinstellungen bei einer nachfolgenden Bearbeitung erforderlich sind. Solche Bearbeitungen können z.B. weitere Warm- oder Kaltumformprozesse, spanende Bearbeitungen oder dergleichen sein.
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In den 1 bis 4 ist jeweils ein Schliffbild (Längsschliff) einer Messinglegierung mit einem reduzierten Fe-Anteil mit und ohne Zugabe von Phosphor dargestellt. Dabei geben die 1 und 2 den Gefügezustand direkt zu Beginn des Warmumformverfahrens (hier: indirektes Pressen) wieder, während die 3 und 4 den Gefügezustand am Ende des Pressverfahrens, nach einem prozessbedingten Temperaturabfall wiedergeben.
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In der 1 ist ein Schliffbild einer CuZn42 Messinglegierung mit einem Nickelanteil von 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent und einem erfindungsgemäß reduzierten Fe-Anteil aber ohne einen Phosphoranteil zu Beginn eines Pressvorganges zu erkennen. Das Gefüge weist erkennbar eine vergleichsweise grobe und inhomogene Gefügestruktur auf, welche darauf zurückzuführen ist, dass der Anteil an Fe, welches als Feinkornbildner wirkt, reduziert wurde.
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In der 2 ist ein Schliffbild einer Messinglegierung mit einem Anteil an Phosphor von 0,002 bis 0,03 Gewichtsprozent und einer ansonsten identischen Zusammensetzung wie die Messinglegierung der 1 zu erkennen. Der Anteil an Phosphor bewirkt die Bildung von Nickelphosphiden, welche hier als Feinkornbildner in der Messinglegierung wirken. Dadurch kann eine Messinglegierung mit einem reduzierten Fe-Anteil aber mit einer dennoch feinkörnigen Gefügestruktur verwirklicht werden.
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In den 3 und 4 sind dieselben Messinglegierungen zum Ende eines Pressvorganges zu erkennen. Das in der 3 gezeigte Schliffbild der Messinglegierung aus der 1 zeigt, dass die während des Pressvorganges insbesondere in einer Anfangsphase des Pressvorganges eingebrachte Temperatur der durch den Pressvorgang bewirkten Warmumformung zu einer weiter vergröberten Gefügestruktur mit einer nadelförmigen Ausbildung der α-Phase kommt, welche in eine Matrix aus einer β-Phase eingebettet ist.
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Das in der 4 gezeigte Schliffbild der Messinglegierung aus der 2 zeigt, dass durch den Phosphorgehalt ein erheblich feinkörnigeres Gefüge erreicht werden kann. Dies ist unter anderem dadurch bedingt, dass der Phosphorgehalt im Warmumformprozess aufgrund der Nickelphosphidbildung als Fremdkeim während des dynamischen Rekristallisationsvorganges fungiert,was in einer feinkörnigeren Gefügeausbildung resultiert, was anhand eines Vergleiches der 4 mit der 3 zu erkennen ist. Wie anhand eines Vergleiches der 2 und 4 zu erkennen ist, fällt die prozesstechnische Veränderung der Gefügestruktur aufgrund des Phosphorgehaltes deutlich geringer aus, als dies bei der Legierung ohne den Phosphorgehalt nach den 1 und 3 der Fall ist, und es kann ein deutlich höherer Grad der Gefügehomogenität erreicht werden. Dieser Effekt ist auf den erfindungsgemäßen Anteil an Phosphor zurückzuführen. Denselben Effekt wie die Zugabe von Phosphor hätte eine Zugabe von Mangan innerhalb der vorgeschlagenen Grenzen des Gewichtsanteil von 0,002 bis 0,03 Gewichtsprozent.
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Selbstverständlich kann die feinkörnige Gefügestruktur auch dadurch erreicht werden, indem sowohl Phosphor als auch Mangan innerhalb der vorgeschlagenen Gewichtsanteile zugegeben werden.
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Insgesamt können dadurch Bänder durch Warmwalzen und Drähte oder Stangen durch Extrudieren (Pressen) aus Messinglegierungen mit einer feinkörnigen Gefügestruktur hergestellt werden, ohne dass diese nachfolgend noch einer Gefügenachbehandlung wie z.B. Rekristallisationsglühen unterzogen werden müssen. Dies kann a) einen wirtschaftlichen Vorteil haben und b) zu einer verbesserten Gefügehomogenität von großen Querschnitten genutzt werden, welche anlagenbedingt nicht geglüht werden können.
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Da die feine Gefügestruktur allein durch die Reduzierung des Fe-Anteils und durch die ersatzweise als Feinkornbildner zugegebenen Anteile von Phosphor bzw. Mangan erreicht wird, ist die Messinglegierung sehr kostengünstig herzustellen und erfüllt aufgrund des nicht erforderlichen bzw. sehr geringen Bleianteils auch die Anforderungen der EU-Richtlinie.
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Dabei kann die Messinglegierung in der α- Phase bevorzugt eine Nanohärte von mindestens 1,0 GPa bei einer Last von 50 mN aufweisen und in der β- Phase eine Nanohärte von mindestens 1,5 GPa bei einer Last von 50 mN aufweisen. Die Nanohärte wird dabei mittels eines Berkovich-Eindringkörpers gemessen. Die vorgeschlagene Nanohärte hat den Vorteil, dass sie die Voraussetzung für eine besonders hohe Oberflächengüte nach entsprechenden Weiterverarbeitungsvorgängen (z.B. Polieren) schafft. Diese hohe Oberflächengüte und Nanohärte wird durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung der vorgeschlagene Messinglegierung erzielt und ist auf die besonders feinkörnige Gefügestruktur zurückzuführen.
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In den 5 und 6 ist das Gefüge einer erfindungsgemäßen Messinglegierung nochmals vor dem Pressen und nach dem Pressen im Querschliff zu erkennen.
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Das in der 5 zu erkennende Gefüge der erfindungsgemäßen Messinglegierung vor dem Pressen zeichnet sich durch folgende Kenngrößen aus: kleinster Korngrößendurchmesser 1,5 µm, größer Korngrößendurchmesser 83,9 µm, Mittelwert des Korngrößendurchmessers 24,0 µm und Standardabweichung der Korngrößendurchmesser von dem Mittelwert 14,3 µm. Nach dem Pressen weist dieselbe Messinglegierung das in der 6 gezeigte Gefüge mit den folgenden Kenngrößen auf: kleinster Korngrößendurchmesser 1,4 µm, größter Korngrößendurchmesser 104,5 µm, Mittelwert des Korngrößendurchmessers 19,1 µm und Standardabweichung der Korngrößendurchmesser von dem Mittelwert 12,6 µm.
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Das Gefüge weist damit bereits vor dem Pressen eine sehr homogene und feinkörnige Gefügestruktur auf, was anhand der niedrigen, gemittelten Korngröße von 24,0 µm und der vergleichsweise niedrigen Standardabweichung von 14,3 µm zu erkennen ist. Diese homogene feine Gefügestruktur wird durch den Temperaturabfall während des Pressens also während der Warmumformung weiter verfeinert, was anhand des weiter reduzierten Mittelwertes des Korngrößendurchmessers von 19,1 µm und der weiter reduzierten Standardabweichung von 12,6 µm zu erkennen ist.
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Im Gegensatz dazu führt der Pressvorgang bei einer herkömmlichen Messinglegierung zu einer erheblichen Vergröberung des Gefüges was anhand der 7 (Querschliff) zu erkennen ist. Das Gefüge der herkömmlichen Messinglegierung weist nach dem Pressen folgende Kenngrößen auf: kleinster Korngrößendurchmesser 9,7 µm, größter Korngrößendurchmesser 1159,2 µm, Mittelwert der Korngrößendurchmesser 387,8 µm, und Standardabweichung der Korngrößendurchmesser von dem Mittelwert 224,6 µm.
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Die Messungen der 5, 6 und 7 beziehen sich auf dieselbe Fläche eines Gefügeschliffes (Querschliff).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015212937 A1 [0007, 0012]
