DE102022122831A1 - Lead-free brass alloy and machine element made therefrom - Google Patents
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Abstract
Bleifreie Messinglegierung, enthaltend: 55 bis 59 Gew-% Cu, 2,0 bis 2,5 Gew-% Mn, 0,65 bis 1,5 Gew-% Si, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Daneben wird ein Maschinenelement vorgeschlagen, das aus der bleifreien Messinglegierung hergestellt ist.Lead-free brass alloy, containing: 55 to 59% by weight Cu, 2.0 to 2.5% by weight Mn, 0.65 to 1.5% by weight Si, less than 0.1% by weight Pb, the balance Zn and unavoidable contamination. In addition, a machine element is proposed that is made of lead-free brass alloy.
Description
Die Erfindung betrifft eine bleifreie Messinglegierung.The invention relates to a lead-free brass alloy.
In der Vergangenheit wurde zur Verbesserung der Zerspanung von Messinglegierungen Pb in einem Umfang von bis zu 4 Gew-% zugesetzt. Der Zusatz von Pb wird wegen absehbarer gesetzlicher Vorgaben zukünftig jedoch stark eingeschränkt werden.In the past, Pb was added to an extent of up to 4% by weight to improve the machining of brass alloys. However, the addition of Pb will be severely restricted in the future due to foreseeable legal requirements.
Es besteht daher Bedarf an einer bleifreien Messinglegierung. Derartige Legierungen sind an sich bekannt, es wird beispielsweise auf die folgenden Druckschriften verwiesen:
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Messinglegierung anzugeben, die gut zerspanbar ist.The invention is therefore based on the object of providing a lead-free brass alloy that is easy to machine.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine bleifreie Messinglegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.To solve this problem, a lead-free brass alloy with the features of claim 1 is provided.
Die erfindungsgemäße Messinglegierung enthält: 55 bis 59 Gew-% Cu, 2,0 bis 2,5 Gew-% Mn, 0,65 bis 1,5 Gew-% Si, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.The brass alloy according to the invention contains: 55 to 59% by weight of Cu, 2.0 to 2.5% by weight of Mn, 0.65 to 1.5% by weight of Si, less than 0.1% by weight of Pb, the balance Zn and unavoidable contamination.
Die erfindungsgemäße Messinglegierung besitzt weniger als 0,1 Gew-% Pb und gilt daher als bleifrei. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Messinglegierung trotz des geringen Bleigehalts von weniger als 0,1 Gew-% eine zufriedenstellende Zerspanbarkeit zeigt. Insbesondere bilden sich beim Zerspanen keine unerwünschten langen Spiralspäne. Darüber hinaus sind die Reibeigenschaften der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung mit denjenigen einer bleihaltigen Messinglegierung vergleichbar.The brass alloy according to the invention has less than 0.1% by weight of Pb and is therefore considered lead-free. It has been shown that the brass alloy according to the invention shows satisfactory machinability despite the low lead content of less than 0.1% by weight. In particular, no unwanted long spiral chips are formed during machining. In addition, the friction properties of the lead-free brass alloy according to the invention are comparable to those of a lead-containing brass alloy.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verhältnis der Gewichtsprozente von Mn zu Si der Ungleichung 2,0 ≤ Mn/Si ≤ 2,9 entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass dieses Verhältnis zwischen Mangan und Silizium zu einer optimalen chemischen Zusammensetzung und zur Ausbildung von Mangan-Siliziden führt.An advantageous embodiment of the invention provides that the ratio of the weight percent of Mn to Si corresponds to the inequality 2.0 ≤ Mn/Si ≤ 2.9. It has been found that this ratio between manganese and silicon leads to an optimal chemical composition and the formation of manganese silicides.
Bei der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung beträgt das Kupferäquivalent 53 bis 66 %.In the lead-free brass alloy according to the invention, the copper equivalent is 53 to 66%.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung weniger als 0,2 Gew-% Fe enthalten.The lead-free brass alloy according to the invention preferably contains less than 0.2% by weight of Fe.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung weniger als 0,5 Gew-% Sn enthalten.The lead-free brass alloy according to the invention preferably contains less than 0.5% by weight of Sn.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung 1,5 bis 2,6 Gew-% Ni enthalten.The lead-free brass alloy according to the invention preferably contains 1.5 to 2.6% by weight of Ni.
Die folgende Zusammensetzung der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung wird besonders bevorzugt: 57 Gew-% Cu, 2,3 Gew-% Mn, 1,0 Gew-% Si, 0,1 Gew-% Fe, 0,1 Gew-% Sn, 2,0 Gew-% Ni, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.The following composition of the lead-free brass alloy according to the invention is particularly preferred: 57% by weight Cu, 2.3% by weight Mn, 1.0% by weight Si, 0.1% by weight Fe, 0.1% by weight Sn, 2 .0% by weight Ni, less than 0.1% by weight Pb, balance Zn and unavoidable impurities.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die bleifreie Messinglegierung weniger als 0,1 Gew-% Al enthält.A preferred embodiment of the invention provides that the lead-free brass alloy contains less than 0.1% by weight of Al.
Bei der bleifreien Messinglegierung kann es auch vorgesehen sein, dass weniger als 0,25 Gew-% Cr und/oder weniger als 0,25 Gew-% Ti und/oder weniger als 0,25 Gew-% Co enthalten ist.The lead-free brass alloy can also contain less than 0.25% by weight of Cr and/or less than 0.25% by weight of Ti and/or less than 0.25% by weight of Co.
Daneben betrifft die Erfindung ein Maschinenelement, das aus der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung hergestellt ist. Aufgrund ihrer guten Reibeigenschaften ist die bleifreie Messinglegierung optimal für die Herstellung von Maschinenelementen geeignet, die mit einem Schmiermittel verwendet werden.In addition, the invention relates to a machine element which is made from the lead-free brass alloy according to the invention. Due to its good friction properties, the lead-free brass alloy is ideal for the production of machine elements that are used with a lubricant.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
-
1 ein durch Zerspanen einer Referenzlegierung erzeugtes Spanbild; und -
2 ein durch Zerspanen einer erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung erzeugtes Spanbild.
-
1 a chip image produced by machining a reference alloy; and -
2 a chip image produced by machining a lead-free brass alloy according to the invention.
Ein Ausführungsbeispiel der bleifreien Messinglegierung hat die folgende Zusammensetzung: 57 Gew-% Cu; 2,3 Gew-% Mn; 1,0 Gew-% Si; 0,1 Gew-% Fe; 0,1 Gew-% Sn; 2,0 Gew-% Ni; weniger als 0,1 Gew-% Pb; Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.An embodiment of the lead-free brass alloy has the following composition: 57% by weight Cu; 2.3% by weight Mn; 1.0% by weight Si; 0.1% by weight Fe; 0.1% by weight Sn; 2.0% by weight Ni; less than 0.1% by weight Pb; Rest of Zn and unavoidable impurities.
Das Kupferäquivalent (CuÄq) der bleifreien Messinglegierung beträgt zwischen 53 % und 66 % und kann folgendermaßen anhand der Legierungsbestandteile berechnet werden:
- 1) Wenn: Sifrei = Si·3,26 - (Fe+Mn) < 0 und Sifrei2 = Si·3,26 - (Fe+Mn+Ni) < 0 dann
- 2) Wenn Sifrei = Si·3,26 - (Fe+Mn) > 0 und Sifrei2 = Si·3,26 - (Fe+Mn+Ni) < 0
- 3) Wenn Sifrei = Si·3,26 - (Fe+Mn) > 0 und Sifrei2 = Si·3,26 - (Fe+Mn+Ni) > 0
- 1) If: Si free = Si·3.26 - (Fe+Mn) < 0 and Si free2 = Si·3.26 - (Fe+Mn+Ni) < 0 then
- 2) If Si free = Si·3.26 - (Fe+Mn) > 0 and Si free2 = Si·3.26 - (Fe+Mn+Ni) < 0
- 3) If Si free = Si·3.26 - (Fe+Mn) > 0 and Si free2 = Si·3.26 - (Fe+Mn+Ni) > 0
Die Abkürzungen bedeuten:
- Cu: Gew.-% Kupfer
- Fe: Gew.-% Eisen
- Mn: Gew.-% Mangan
- Si: Gew-% Silizium
- Ni: Gew-% Nickel
- Cu: wt.% copper
- Fe: wt.% iron
- Mn: wt.% manganese
- Si: wt% silicon
- Ni: wt% nickel
Die bleifreie Messinglegierung kann zu Halbzeugen wie Platten, Rohren oder Stangen verarbeitet werden, aus denen Maschinenelemente hergestellt werden können, die mit einem Schmiermittel verwendet werden. Ein Beispiel dafür sind durch Reibung beaufschlagte Komponenten von Axialkolbenpumpen. Die bleifreie Messinglegierung weist Mangan-Silizide auf, die für die guten Reibeigenschaften verantwortlich sind.The lead-free brass alloy can be made into semi-finished products such as plates, pipes or bars, which can be used to make machine elements that are used with a lubricant. An example of this are components of axial piston pumps subjected to friction. The lead-free brass alloy contains manganese silicides, which are responsible for the good friction properties.
Die Zerspanbarkeit der bleifreien Messinglegierung wird mit einer Referenzlegierung verglichen. In der nachfolgenden Tabelle sind die Zusammensetzungen der bleifreien Messinglegierung und der Referenzlegierung dargestellt:
Bei dem Zerspanungsversuch wurde eine Wendeschneidplatte vom Typ CNMG120404FP HC5010 benutzt, die Drehzahl betrug 3.000 U/min, der Vorschub pro Umdrehung betrug 0,25 mm, die Schnitttiefe betrug 1,25 mm.
Für beide Legierungen wurde der Reibkoeffizient in identischen Versuchen ermittelt. Es wurde herausgefunden, dass sowohl die bleifreie Messinglegierung als auch die bleihaltige Referenzlegierung nahezu identische Reibkoeffizienten besitzen. Der Reibkoeffizient beträgt etwa 0,012.The coefficient of friction was determined in identical tests for both alloys. It was found that both the lead-free brass alloy and the lead-containing reference alloy have almost identical coefficients of friction. The coefficient of friction is approximately 0.012.
Diese Versuche haben ergeben, dass die bleifreie Messinglegierung ohne Einschränkungen als Ersatz für die bleihaltige Referenzlegierung verwendet werden kann.These tests have shown that the lead-free brass alloy can be used as a replacement for the lead-containing reference alloy without any restrictions.
Die bleifreie Messinglegierung kann für die Herstellung unterschiedlicher Maschinenelemente verwendet werden, insbesondere Maschinenelemente, die mit Reibung beaufschlagt sind und mit einem Schmiermittel verwendet werden. Ein Beispiel dafür sind Komponenten von Axialkolbenpumpen oder Gleitschuhe.The lead-free brass alloy can be used for the production of various machine elements, especially machine elements that are subjected to friction and are used with a lubricant. An example of this are components of axial piston pumps or sliding shoes.
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