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Die Erfindung betrifft eine Messinglegierung zur Herstellung von Halbzeugen für eine spanende Bearbeitung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Halbzeugs, das für eine spanende Bearbeitung vorgesehen ist.
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Messing ist eine Legierung von Kupfer mit Zink. Gebräuchlich sind Zinkanteile von 5 - 45 Gew.-%. Zur Verbesserung der Zerspanbarkeit kann die Legierung Blei enthalten sowie weitere Legierungselemente wie Aluminium, Eisen, Mangan, Nickel, Silizium oder Zinn, die vorwiegend der Festigkeitssteigerung sowie der Verbesserung der Gleiteigenschaften und Korrosionsbeständigkeit dienen. Die zugefügten Legierungselemente bestimmen die Verarbeitungsmöglichkeiten und Fertigungsprozesse, wobei die Herstellung als Knetlegierung die in der Praxis bedeutendste Form darstellt. Die übliche Verarbeitung folgt dabei durch Urformen in kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Gießanlagen und Umformen mit Strangpressen oder Walzen und Ziehen, sowie anschließender Thermobehandlung. Auf diese Weise werden Halbzeuge in Form von Stangen, Hohlstangen oder Bändern hergestellt, die zu unterschiedlichen Geometrien, wie z.B. auch zu Drähten weiterverarbeitet werden. Mit den spezifisch eingestellten Werkstoffeigenschaften werden daraus Produkte, z.B. für Sanitärbereiche, Elektroanwendungen und im Maschinenbau und Fahrzeugbau, erzeugt. Kupfer-Zink-Gusslegierungen werden als Sand-, Kokillen-, Schleuder-, Strang- und Druck-Guss hergestellt.
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Messinglegierungen mit weniger als 37% Zink zeigen bei Raumtemperatur ein homogenes alpha-Gefüge mit einem kubisch-flächenzentrierten Raumgitter. Bei Legierungen mit mehr als 37 Gew.-% Zink tritt zusätzlich beta-Gefüge als zweite Phase auf. In der beta-Phase sind die Atome des Kristallgitters kubisch-raumzentriert angeordnet. Kubisch-raumzentrierte Raumgitter haben weniger Gleitebenen, so dass dieser Gefügebestandteil eine geringere Plastizität aufweist. Bei 37-46 Gew.-% Zink enthält der Messingwerkstoff sowohl alpha- als auch beta-Phasen. Der Anteil der beta-Phase am Gesamtgefüge (alpha- + beta-Gefüge) nimmt mit dem Zinkgehalt zu. Durch das beta-Gefüge werden die Materialeigenschaften der Messinglegierung wesentlich verändert. Daneben kann die gamma-Phase auftreten, deren Sprödigkeit bei größeren Anteilen im Gefüge zu beachten ist.
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Die zuvor genannte Einteilung der Gefüge ergibt sich auch bei Zugabe von ca. 1,5 - 3,5 Gew.-% Blei zur Legierung. Blei in diesen Mengen ist in einer Kupfer-Zinklegierung unlöslich. Es bilden sich Bleieinschlüsse, die als Spanbrecher fungieren, wodurch die Spanbarkeit verbessert wird. Messinge mit höheren Zinkgehalten werden hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften, insbesondere vom Gehalt an weiteren Legierungselementen, beeinflusst, wie z.B. durch Zusetzen von Aluminium, Zinn, Nickel, Eisen, Silizium und Mangan. Die genannten Zusätze verschieben die Phasengrenzen des Kupfer-Zinksystems mit ihren alpha- und beta-Anteilen. Sie beeinflussen die Zusammensetzung und die Eigenschaften des Gefüges. Grundsätzlich dienen die Legierungselemente ganz allgemein der Verbesserung der Festigkeit, sowie der Gleit- und Verschleißeigenschaften sowie der Korrosionsbeständigkeit.
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Aus Umweltaspekten soll der Bleianteil in den Messingen möglichst gering gehalten werden. Der Werkstoff CuZn21 Si3 verzichtet auf z. B. die Zulegierung von Blei. Stattdessen werden Silizium und die sich daraus bildenden Silizide als Spanbrecher eingesetzt. Es handelt sich um ein Sondermessing mit geringem Zn-Gehalt und relativ hohem Si-Gehalt. Dadurch wird eine eigene Werkstoffklasse geschaffen mit zwingend gesondertem Materialkreislauf. Die Verarbeitung dieser Werkstoffe erfordert einen geänderten Herstellungsprozess und zeigt in der Weiterverarbeitung eine bessere Zerspanbarkeit, allerdings nur bei erheblichen Prozessanpassungen.
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Des Weiteren kann die Zerspanbarkeit von Messing-Werkstoffen durch die Beimengung von Wismut (Bi) erhöht werden. Die Beimengung von Wismut wird allerdings in der Verarbeitung kritisch gesehen. Wismut kann zu sehr starken Versprödungseffekten führen. Selbst bei Spurenverunreinigungen in anderen Kupfer-Zink-Knetwerkstoffen kann dies zu katastrophalen Ausfällen führen. Die Beimengung von Wismut findet daher in Europa keine Akzeptanz, so dass kaum Bi-haltige Werkstoffe eingesetzt werden.
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Es ist bekannt, dass Tellur über die Bildung hochschmelzender Telluride in Kupfer-Zinklegierungen als Spanbrecher fungiert und damit bessere Zerspanungseigenschaften mit sich bringt. Allerdings ist Tellur auch ein in anderen technologischen Bereichen stark gefragter Werkstoff, so dass sich Tellur zur Verbesserung der Zerspanbarkeit von Messing-Werkstoffen nicht wirtschaftlich verwenden lässt.
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Die
DE 10 2009 038 657 A offenbart eine Messinglegierung, die im Wesentlichen bleifrei ist, allerdings eine zwingende Kombination von Eisen, Nickel und Zinn vorsieht. Die obligatorischen Nickelanteile können bei Kontakt mit der Haut zu der häufigsten Form der Kontaktallergie, der sogenannten Nickelallergie führen. Die Nickelallergie ruft einen Ausschlag hervor, so dass Legierungen aus diesen Werkstoffen nicht für Anwendungsfälle zum Einsatz kommen können, bei denen Hautkontakt nicht ausgeschlossen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messinglegierung zur Herstellung von Halbzeugen für eine spanende Bearbeitung aufzuzeigen, die ein ausreichendes Zerspanungsvermögen besitzt und mithin eine hinreichende Festigkeit, hinreichende Duktilität und hinreichend elektrische Leitfähigkeit besitzt. Die besagte Messinglegierung soll wirtschaftlich herstellbar sein und trotz der ausreichenden Zerspanbarkeit hohe Siliziumgehalte vermeiden und möglichst frei von Wismut sein, damit die Legierung nicht zu Spurenverunreinigungen in anderen Kupfer-Zink-Knetwerkstoffen führt und ferner soll sie künftig geplante Umweltauflagen einhalten, d. h. insbesondere bleifrei oder im Wesentlichen bleifrei (Pb < 0,1 Gew.-%) sein.
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Diese Aufgabe ist mit einer Messinglegierung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges, das für eine spanende Bearbeitung vorgesehen ist, ist Gegenstand des Patentanspruchs 13.
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Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird eine Messinglegierung zur Herstellung von Halbzeugen für eine spanende Bearbeitung vorgeschlagen, wobei die Messinglegierung aus folgenden Legierungselementen in Gew.-% besteht:
| Cu | 54,0 | - | 59,0 |
| Zn | 40,5 | - | 46,0 |
| Pb | 0,02 | - | 0,10 |
| Fe | 0,10 | - | 0,50 |
| Mn | 0,10 | - | 0,50 |
| Sn | 0,10 | - | 0,60 |
| P | | < | 0,20 |
optional
| S | 0,010 | - | 0,030 |
| Si | 0,020 | - | 0,20 |
| Co | 0,10 | - | 0,30 |
| Te | | < | 0,50 |
sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen unter 0,20, wobei der Anteil von Ni in den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen kleiner als 0,080 ist.
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Es handelt sich um eine Kupfer-Zinklegierung mit einem Kupferanteil von 54 - 59 % und einem Zinkanteil von 40,5 - 46 % als wesentliche Legierungsbestandteile. Der Werkstoff ist im Wesentlichen bleifrei, da der Anteil von Blei auf einem Anteil von max. 0,10 Gew.-% beschränkt ist. Der Mindestanteil beträgt 0,02 Gew.-%.
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Ein weiteres Kennzeichen der erfindungsgemäßen Messinglegierung ist die Kombination mit geringen Anteilen von weiteren Legierungselementen, die der gleichzeitigen bzw. optionalen Stabilisierung des beta-Gefügeanteils dienen, mit dem Ziel, die Zerspanbarkeit zu fördern. Der beta-Gefügeanteil ist maßgeblich für die Festigkeit und Zerspanbarkeit des Werkstoffes, aufgrund seiner kubischraumzentrierten Kristallstruktur, die spanbrechend und damit im Hinblick auf die Zerspanbarkeit förderlich wirkt.
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Die Zugabe der Legierungselemente nutzt sowohl die Mischkristallverfestigung als auch die Ausscheidungshärtung als Verfestigungsmechanismen. Die Zerspanbarkeit wird gegenüber bleifreien Messinglegierungen ohne Zugabe dieser Legierungselemente maßgeblich verbessert.
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Die Stabilisierung der beta-Phase wird durch eine Absenkung des alphastabilisierenden Nickelanteils erreicht. Nickel wird weitestgehend vermieden und soll im Rahmen der unvermeidbaren erschmelzungsbedingten Verunreinigungen einen Anteil von max. 0,08 Gew.-% nicht überschreiten und wird nicht gezielt zulegiert. Die Stabilisierung der beta-Phase kann ferner über eine gezielte Temperaturführung während des ersten Warmumformprozessschrittes erfolgen. Die Absenkung des Nickelanteils hat ferner den Effekt, dass die erfindungsgemäße Legierung keine Nickelallergie auslösen kann. Dadurch wird die Handhabung und auch der anwendungsbezogene Nutzen der Messinglegierung gesteigert.
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Die Legierungselemente Eisen und Mangan werden gezielt zulegiert, um die Festigkeitsgrundwerte Dehngrenze und Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen Messinglegierung zu steigern; weiterhin werden die Materialkennwerte durch nachfolgende Kaltumformungen und Wärmebehandlungen bestimmt. Eisen wird als gefügefeinendes Element genutzt, was sich zunächst positiv auf ein homogenes, wenig grobkörniges Gefüge auswirkt. Ferner zeigt Eisen einen günstigen Einfluss auf die Zerspanbarkeit, insbesondere in Kombination mit anderen Effekten. Der Mindestanteil von 0,10 Gew.-% sollte nicht unterschritten werden, um in der Summe mit anderen Legierungselementen einen nennenswerten Stabilitätseinfluss auf das Gefüge zu erhalten. Zu hohe Anteile größer als 0,5 Gew.-% Eisen könnten je nach Wahl insbesondere der thermischen Verarbeitungsparameter in negativer Weise zu größeren Ausscheidungen, insbesondere in Kombination mit Mangan, führen.
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Die erfindungsgemäße Messinglegierung enthält optional Silizium, allerdings in sehr begrenzten Anteilen. Gegenüber den bekannten Messinglegierungen mit hohem Siliziumanteil von 2-3 Gew.-% soll der Anteil von Si auf 0,020 - 0,20 Gew.-% begrenzt sein. Dieser sehr kleine Zusatz von Silizium führt zur Bildung einiger weniger Silizide insbesondere in Form von Eisensiliziden. Eisensilizide beeinflussen die Zerspanbarkeit positiv. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, dass die Kombination mit den genannten anderen Maßnahmen zu relativ guter Zerspanbarkeit führt, auch wenn der Siliziumanteil auf Werte unter 0,20 begrenzt ist. Das Legierungselement Mangan ist wegen seiner großen Ähnlichkeit vollständig in Kupfer löslich und trägt über den Effekt der Mischkristallbildung zur Erhöhung der Festigkeit der Messinglegierung bei. Dies ist in Abwesenheit von Silizium insofern überraschend, da in Anbetracht der nicht vorhandenen oder sehr geringen Siliziumanteile von max. 0,20 % nur sehr wenige Mangansilizide gebildet werden können.
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Durch den zielgerichteten Verzicht auf Nickel wird optional ein geringer Anteil an Kobalt zulegiert, der jedoch auf max. 0,30 Gew.-% begrenzt ist und bevorzugt 0,1 Gew.-% nicht überschreitet, um in der Wechselwirkung mit Mangan keine zu starke Rekristallisationshemmung zu bewirken.
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Die erfindungsgemäße Messinglegierung enthält Zinn. Zinn besitzt eine gute Löslichkeit mit Kupfer und Zink. Zwar wird Zinn üblicherweise als ein das Korrosionsverhalten günstig beeinflussendes Element zulegiert, was allerdings bei der erfindungsgemäßen Messinglegierung nur eine untergeordnete Rolle spielt. Vielmehr wird durch die Zulegierung von Zinn erreicht, dass Zinn im Mischkristall aufgenommen wird, da durch den Wegfall von Nickel weniger Kupferatome direkt im Gitter der Kristalle ersetzt werden. Daher ist der Zinnanteil mit bis zu 0,6 Gew.-% relativ hoch.
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Es wird betont, dass insbesondere die Kombination von Mangan, Eisen und Zinn eine festigkeitssteigernde Wirkung hat, die wegen fehlender größerer Silizidanteile gerade in den erfindungsgemäß beanspruchten Konzentrationsbereichen von Fe mit 0,10 - 0,50 Gew.-%, Mn mit 0,10 - 0,50 Gew.-% und Sn mit 0,10 - 0,60 Gew.-% als besonders günstig für die später einzustellenden Werkstoffeigenschaften erkannt wurde.
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Überraschenderweise hat insbesondere die Abwesenheit von Nickel die Möglichkeit verstärkt, dass die drei Elemente Mn, Fe und Sn sich in ihrer Kombination positiv auf ein dadurch relativ höherfestes alpha-beta-Gefüge auswirken. Diese höhere Mikrostrukturfestigkeit kann dabei offensichtlich quasi alternativ, wenn auch nicht in ganz gleicher Ausprägung, den sonst über Gefügepartikel wie Blei, Nickel induzierte Mischkristalle oder Silizide wirksamen Zerspanungseffekt ersetzen.
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Aus regulatorischen bzw. Umweltschutzgründen orientiert sich der Anteil von Blei an einer maximalen Obergrenze von 0,10 Gew.-%. Blei hat auch bei kleinerem Gehalt einen relativ positiven Einfluss auf die Zerspanbarkeit, wobei der Einfluss mit abnehmendem Bleianteil geringer wird.
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Die erfindungsgemäße Legierung enthält Phosphor bis max. 0,20 Gew.-%. Phosphor wirkt beim Gießprozess günstig auf die Schmelzflüssigkeit und spielt bei Abwesenheit von Nickel und Silizium überraschenderweise eine positive Rolle durch Bildung von feinsten Phosphiden, die sich in Ergänzung der anderen Legierungselementeffekte additiv positiv auf das zur Bewertung der Legierung beurteilte Zerspanungsverhalten auswirken.
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Arsen wird aus umweltbezogenen Gründen nicht eingesetzt.
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Die erfindungsgemäße Messinglegierung enthält erschmelzungsbedingte Verunreinigungen bzw. herstellungsbedingte Beimengungen mit einem Anteil von insgesamt weniger als 0,20 Gew.-%, wobei der Anteil von Ni aufgrund der besonderen Legierungszusammensetzung den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen zuzurechnen ist und hierbei weniger als 0,080 Gew.-% beträgt. Die erschmelzungsbedingten Verunreinigungen bzw. herstellungsbedingten Beimengungen sind lediglich in derart kleinen Anteilen enthalten, die unerwünschte Nebeneffekte vermeiden.
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Alle Elementkonzentrationen der erfindungsgemäßen Messinglegierung sind so ausgelegt, dass sie als besonders umwelt- und anwenderfreundlich eingestuft werden können. Die Zusammensetzungen orientieren sich grob an den in der Normenreihe DIN EN 12164 - 12168 angegebenen Werten, können sich aber mit ihren genannten Bereichen der Elementkombinationen auch außerhalb des dort definierten Rahmens befinden.
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Aufgrund der vorstehend beschriebenen Auswirkungen der Legierungselemente auf die erfindungsgemäße Messinglegierung liegt der Anteilvon Zn vorzugsweise in einem Bereich von 41,50 - 42,50 Gew.-%. Der Anteil an Fe liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,20 - 0,40 Gew.-%. Der Anteil an Sn liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,20 - 0,40 Gew.-%. Der Anteil an Mn liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,10 - 0,30 Gew.-%. Der Anteil von Si liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,080 - 0,150 Gew.-%. Der Anteil an Co beträgt max. 0,1 Gew.-%.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Summe von Fe + Mn + Sn mindestens 0,450 Gew.-% beträgt, da durch die Kombination dieser Legierungselemente insbesondere die Festigkeit der Legierungen gesteigert wird und auf Silizidanteile verzichtet werden kann. Die erfindungsgemäße Messinglegierung besitzt einen Anteil von beta-Mischkristall über 71 % und weniger als 78 %. Vorzugsweise liegt er um 75 %; bei beta-Mischkristallanteilen von bis 70% wird der zerspanungsfördernde Effekt dieses Gefügeanteils bei dann relativ höherem alpha-Gefügeanteil nicht deutlich genug genutztDie erfindungsgemäße Messinglegierung besitzt vorzugsweise einen Anteil Ni von 0 Gew.-%, ist also nickelfrei.
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Eine bevorzugte Messinglegierung mit den vorgenannten Eigenschaften besitzt folgende Zusammensetzung (Angaben aller Angaben in Gewichtsprozent):
| Cu | 57,60 | - | 58,00 |
| Zn | 41,50 | - | 42,50 |
| Pb | 0,02 | - | 0,10 |
| Fe | 0,20 | - | 0,40 |
| Mn | 0,10 | - | 0,30 |
| Sn | 0,20 | - | 0,40 |
| P optional | | < | 0,20 |
| S | 0,010 | - | 0,030 |
| Si | 0,080 | - | 0,150 |
| Co | 0,10 | - | 0,30 |
| Te | | < | 0,50 |
sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen unter 0,20,
wobei der Anteil von Ni in den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen kleiner als 0,080 ist.
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Optional besitzt die erfindungsgemäße Messinglegierung folgende Zusammensetzung (alle Angaben in Gewichtsprozent):
| Cu | 57,60 | - | 58,00 |
| Zn | 41 ,50 | - | 42,50 |
| Pb | 0,02 | - | 0,10 |
| Fe | 0,26 | - | 0,34 |
| Mn | 0,10 | - | 0,15 |
| Sn | 0,26 | - | 0,34 |
| P | | < | 0,20 |
| Si | 0,030 | - | 0,060 |
optional
| S | 0,010 | - | 0,030 |
| Co | 0,10 | - | 0,30 |
| Te | | < | 0,50 |
sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen unter 0,20,
wobei der Anteil von Ni in den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen kleiner als 0,080 ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Halbzeuges, das für eine spanende Bearbeitung vorgesehen ist, unter Verwendung einer Messinglegierung gemäß den vorstehenden Merkmalen, wobei die Messinglegierung bei der Temperatur zwischen 550 °C und 750 °C stranggepresst wird. Auf das Strangpressen sollte generell keine längere Haltezeit mit stehender Wärme bzw. zu geringer Abkühlung folgen, sondern innerhalb weniger Minuten intensiv abgekühlt werden. Es kann optional ein beschleunigtes Abkühlen auf eine Temperatur unter 450 °C innerhalb von 3 Sekunden erfolgen, wie es z. B mit einem Luft-/Wassergemisch realisiert werden kann.
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Durch die zusätzliche Abkühlung wird ein besser bearbeitbares Gefüge eingestellt, je nach den Anforderungen im späteren Zerspanungsprozess. Durch die relativ hohe Abschreckgeschwindigkeit ausgehend von der Strangpresstemperatur wird insbesondere ein Gefüge mit hohem beta-Gefüge-Anteil von ca. 75 % eingestellt. Durch die Abschreckgeschwindigkeit wird sowohl eine Ausscheidungs- als auch eine Mischkristallverfestigung bewirkt, die zu dem gewünschten, ausreichend gut zerspanbaren Werkstoff führt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff wird dabei erstmals durch die gezielte gleichzeitige Bleifreiheit (Pb < 0,1 Gew.-%) und Nickelfreiheit (Ni < 0,080 Gew.-%) bei relativ guter Zerspanbarkeit ein umweltfreundlicher bzw. anwenderfreundlicher Werkstoff geschaffen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich unter Verwendung der erfindungsgemäßen Messinglegierung insbesondere Geometrien in Form von Stangen, Hohlstangen und Profilen erzeugen.
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Die 1 zeigt eine Abbildung von Wirrspänen einer binären Messinglegierung CW510L bzw. CuZn42. Sie stellen quasi den Ausgangspunkt der erfindungsgemäßen Messinglegierung dar und belegen eine ungünstige Spanbildung, die zu Problemen in der Abfuhr der Späne führt und damit eine störanfälligei spanende Bearbeitung verursacht, sofern höhere Ansprüche an die Zerspanungsleistung gestellt werden.
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Unter gleichen Zerspanungsparametern zeigt die 2 das Verhalten des erfindungsgemäßen Werkstoffes in der Bearbeitung, hier am Beispiel des Außendrehens. Es liegen günstige, kurzbrechende Späne vor, die in diesem direkten Vergleich im Wesentlichen den reinen Werkstoffeffekt bezüglich der Zerspanbarkeit positiv belegen.
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Der erfindungsgemäße Werkstoff wurde mit den üblichen Zerspanungsparametern bewertet. Die Bearbeitung mit Außendrehen von Rundstangen als Teil einer routinemäßigen Fertigung erfolgt exemplarisch bei dem Beispiel der 1 und 2 auf denselben Maschinen, unter gleichen Bedingungen, ohne spezifische Anpassung der Zerspanungsparameter wie Werkzeug-Werkstoff, Geometrien und Bearbeitungsparametern, wie z.B. Schnittzustellung, Geschwindigkeit und Kühl-Schmierstoffstrategie. Der Vergleich soll lediglich eine relative Bewertung der Werkstoffe im gezeigten Einzelfall ermöglichen, ohne eine absolute Aussage zur Zerspanbarkeit zu treffen. Der erfindungsgemäße, bleifreie und damit umweltfreundlichere und aufgrund der Nickelfreiheit zudem in der Handhabung verbesserte Werkstoff eignet sich deutlich besser für eine spanende Bearbeitung als der Vergleichswerkstoff.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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