DE112004002639T5

DE112004002639T5 - Bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierungen

Info

Publication number: DE112004002639T5
Application number: DE112004002639T
Authority: DE
Inventors: Ming Zhang; Siqi Zhang; Haorong Lou; Xiao Xie; Jihua Cai
Original assignee: NINGBO POWERWAY GROUP CO
Current assignee: Ningbo Powerway Alloy Material Co Ltd
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2006-11-23
Also published as: US7628872B2; CN1291051C; WO2005071123A1; JP2007517981A; US20060289094A1; CN1557981A

Abstract

Bleifreie freischneidende Antimon-Kupfer-Legierung, umfassend (in Gew.-%): 55 bis 65% Cu, 0,3 bis 2,0% Sb, 0,2 bis 1,0% Mn und mindestens zwei Elemente in einer Menge von 0,1 bis 1,0% und ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Ni, B, Fe, Se, Mg, Si, Sn, P, Re, und wobei der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97% und weniger als 100%, ist, wobei der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft bleifreie Kupferlegierungen im Allgemeinen und insbesondere bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierungen mit ausgezeichneter spanabhebender Eigenschaft, Verarbeitbarkeit und hoher Korrosionsbeständigkeit. Die vorliegende Erfindung betrifft auch bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierungen, die insbesondere zur Verwendung auf dem Gebiet von Gussbauteilen, sanitären Einrichtungsgegenständen, Rohrverbindern, Ansatzrohrverlängerungen, Ventilen in Wasserversorgungssystemen und für Stecker oder Steckerkontakte in elektrischen und elektronischen Vorrichtungen, Spielzeug und Befestigungsmittel bei der Kraftfahrzeugherstellung geeignet sind. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung können auch gegenwärtiges, Blei enthaltendes Messing, das derzeit weitgehend eingesetzt wird, welches die Gesundheit des menschlichen Körpers stark beeinträchtigt und die Sicherheit der Umwelt bedroht, ersetzen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bekanntlich sind Blei enthaltende Kupferlegierungen ein wichtiges Grundmaterial, das in großem Umfang in der spanabhebenden Industrie, z.B. für Trinkwasserinstallationen, insbesondere zur Herstellung von Armaturen, verbindende Gusserzeugnisse und deren Ersatzteile, die kontinuierlich mit Trinkwasser für den Verbrauch durch den Menschen in Kontakt kommen, eingesetzt werden. Vor einigen Jahren haben Medizinsachverständige in verschiedenen Staaten herausgefunden, dass Blei enthaltendes Messing die Gesundheit des menschlichen Körpers stark beeinträchtigt und die Sicherheit der Umwelt bedroht. Die Akademie- und Forschungsinstitute auf dem Gebiet der Medizin in Nordeuropa, Amerika, Japan und China teilten Bedenken, die sich auf Blei enthaltendes, die menschliche Umgebung bedrohendes Messing konzentrieren, in den letzten Jahren mit.
Die Aufnahme von Blei durch Menschen ist schädlich, daher ist die Verwendung von Blei aufgrund der Sorge um die Gesundheit und die Umwelt strikt untersagt worden. Trinkwasser gehört dazu und Vorschriften wurden vorgeschlagen, die Bleikonzentration, insbesondere im Zusammenhang mit Trinkwassersystemen, Sanitäreinrichtungen und Armaturen, zu vermindern und somit die Bleimenge, die in das Wasser ausgelaugt wird, zu senken. Folglich wurden Versuche unternommen, um den Bleigehalt von Legierungen zu vermindern, und eine Vielzahl von Elementen wurde als Ersatz für Blei vorgeschlagen.
Die chinesische Patentschrift Nr. 02121991.5 offenbart eine solche Legierung, die von der Mitsukoshi Ltd., Japan, entwickelt wurde, welche 60 bis 62,0% Cu, 0,5 bis 2,2% Bi, 0,01 bis 0,1% Al, 0,5 bis 1,6% Sn, 0,04 bis 0,15% P und als Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen enthält. Die Legierung wird 30 Minuten bis 4 Stunden im Bereich von 460°C bis 600°C geglüht und dann mit einer Geschwindigkeit unter 70°C/Stunde gekühlt. Sie ist eine bleifreie Cu-Zn-Bi-Legierung. Weil aber Bi als Element darin enthalten ist, ist die bleifreie freischneidende Legierung, die Wismut enthält, kein Wettbewerbsprodukt, da Bi die Herstellungskosten erhöht und seine Ressourcen weltweit erschöpft sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer bleifreien freischneidenden Kupfer-Antimon-Legierung, welche nicht das schädliche Element Blei enthält oder nur eine sehr geringe Menge Blei zur Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit enthält. Die erfindungsgemäße Legierung ist ausgezeichnet in der spanabhebenden Bearbeitbarkeit, Kalt- und Warmformbarkeit, weist gute Schweißbarkeit, spanabhebende Eigenschaften, gute Korrosionsbeständigkeit auf und kann Blei enthaltende Kupferlegierung beim Einsatz weitgehend ersetzen. Die bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierung ermöglicht die Vermeidung von Umweltverschmutzung. Sie ist tatsächlich eine umweltfreundliche Kupfer-Antimon- Legierung.
Die vorliegende Erfindung wurde durch Bereitstellung von vier Kupferlegierungen auf der Basis von Kupfer, Zink, Antimon und anderen Elementen verwirklicht.
ERSTE LEGIERUNG
Die erste erfindungsgemäße Legierung umfasst (in Gew.-%): 55 bis 65% Cu, 0,3 bis 2,0% Sb, 0,2 bis 1,0% Mn, und die weiteren Elemente 0,1 bis 1,0% (wobei die weiteren Elemente mindestens zwei Elemente, ausgewählt aus Ti, Ni, B, Fe, Se, Mg, Si, Sn, P und Seltenerdenelementen, umfassen), wobei der Rest Zn und unvermeidliche Verunreinigungen sind. Die auf Kupfer basierende Legierung enthält (Cu% + Zn%) mit mehr als 97% und nicht gleich 100%, wobei innerhalb dessen der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt.
Eine besonders bevorzugte Legierung der ersten Erfindung umfasst in Gew.-%: 57 bis 62% Cu, 0,5 bis 1,5% Sb, 0,2 bis 0,8% Mn, und die weiteren Elemente 0,2 bis 1,0% (wobei die weiteren Elemente mindestens zwei Elemente, ausgewählt aus Ti, Ni, B, Fe, Se, Mg, Si, Sn, P, Re, umfassen) und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97,5% liegt und 99% nicht übersteigt und der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt.
Die Phasenkomponenten der erfindungsgemäßen bleifreien Kupferlegierung haben eine hart-spröde Phasenstruktur, die hauptsächlich α-Phase und β-Phase und geringe Mengen an Antimon-Intermetall-Verbindung, die gleichförmig im Grenzbereich der Kristallkörner oder in Kristall dispergiert ist, einschließt.
Es wird durch die erste erfindungsgemäße Legierung ausgenutzt, dass Antimon mit einem niedrigeren Schmelzpunkt eine gewisse Feststofflöslichkeit in der Matrix von Kupfer aufweist und Eigenschaften zur Aggregation im Grenzbereich der Kristallkörner aufweist. Sie begünstigt, dass intermetallische Verbindungen in dem Grenzbereich der Kristallkörner gleichförmig dispergieren. Sie ermöglicht der Antimon ent haltenden Legierung, dass sie gute spanabhebende Eigenschaften in der Güte von Blei enthaltendem Messing besitzt und ausgezeichnete Entzinkungsbeständigkeit besitzt. (Es ist gut bekannt, dass bei 630°C die maximale Feststofflöslichkeit von Antimon in der Matrix von Kupfer 5,9% ist, während sie bei 210°C 1,1% beträgt.) (Es ist auch dem Fachmann gut bekannt, dass, da Antimon in einer Legierung in Form einer Festlösungsphase vorliegt, es nicht in Wasser auflösbar ist, sodass es nicht toxisch ist, und dass Blei in einer Legierung in Form einer toxischen dissoziierenden Phase vorliegt, die dazu neigt, in das Wasser zu emittieren. Die Verwendung von Pb enthaltender Kupferlegierung in Trinkwasserversorgungsanlagen ist umweltunfreundlich.)
Außerdem werden einige weitere Elemente, die die Kristallkörner verfeinern und die Entzinkung zurückdrängen, zusammen mit Antimon zugegeben, was ermöglicht, dass die harten spröden Antimon-Intermetall-Verbindungen feiner und gleichförmiger dispergiert werden und effizient die durch Zugabe von Antimon hervorgerufene Tendenz zum spröden Bruch und zur Bildung von diskontinuierlichen Spänen, die während der spanabhebenden Behandlung begünstigt würde, zurückdrängen. Die spanabhebende Bearbeitbarkeit, Festigkeit, Plastizität, Entzinkung und Korrosionsbeständigkeit werden stark verbessert. Es wird ermöglicht, dass eine Antimon-Kupfer-Legierung eine gute spanabhebende Eigenschaft und andere ausgezeichnete Bearbeitungseigenschaften erzielt.
Es sollte angemerkt werden, dass im Fall eines Antimongehalts von weniger als 0,3 Gew.-% die Bildung von Aggregation im Grenzbereich der Kristallkörner nicht die industriellen Erfordernisse für Hochgeschwindigkeitsschneidarbeiten erfüllen kann und keinen Beitrag zum Zurückdrängen einer Entzinkung leistet. Wenn allerdings der Gehalt an Antimon Sb 2 Gew.-% übersteigt, erhöht sich die Neigung zum spröden Bruch und die Warmformbarkeit und Kaltformbarkeit nehmen stark ab.
Mn ist erforderlich, um die Festigkeit der festen Lösung zu beeinflussen und Entzinkung zurückzudrängen, insbesondere im Fall von vorliegendem Si und Fe würde eine Intermetallverbindung Mn₅Si₃ und eisenreiche Intensivierungsphase im Grenzbe reich der Kristallkörper gebildet werden. Wenn der Gehalt an Mn weniger als 0,2 Gew.-% beträgt, würde die Intensivierung abnehmen. Wenn der Gehalt an Mn 1 Gew.-% übersteigt, würde der Effekt der Intensivierung zunehmen, aber die Schneidbarkeit würde beeinflusst und die diskontinuierlichen Späne für die sich herausziehenden Späne werden kaum gebildet. Wenn allerdings der Gehalt an Mn im Bereich von 0,2 bis 1,0% liegt, würde nicht nur die Intensivierung im Grenzbereich der Kristallkörner erhöht, sondern auch das Schneidvermögen und die Verschleißfestigkeit der Legierung würden erhöht.
Wenn der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt, würde das Inkrement der Schneidbarkeit begünstigt werden, aber der Gesamtgehalt an Zn würde eine negative Wirkung auf die Kaltformbarkeit der Legierung ausüben.
Die Wirkung der Zugabe von mindestens zwei Elementen, ausgewählt aus Ti, Ni, B, Fe, Se, Mg, Si, Sn, P, Re, ist zunächst Desoxidation zur Verfeinerung der Kristallkörner, zweitens die Bildung einer harten spröden Phase, mit den Elementen einschließlich Antimon, um zu ermöglichen, dass die harte spröde Phase von Sn enthaltenden Intermetallverbindungen feiner und gleichförmiger dispergiert wird, wodurch die Neigung zum spröden Bruch, hervorgerufen durch die Aggregation von Antimon in der Legierung, wirksam zurückgedrängt wird, die Legierung während des Schneidens beim Vorschub diskontinuierliche Späne bilden kann. Folglich werden die industriellen Erfordernisse für ausgezeichnetes Schneidvermögen, Warm- und Kaltformbarkeit und Schweißbarkeit erzielt. Drittens wird die Entzinkung zurückgedrängt und die Korrosionsbeständigkeit wird erhöht. Wenn der Gesamtgehalt von mindestens 2 der vorstehend genannten Elemente weniger als 0,1% beträgt, würden die Intensivierungswirkung im Grenzbereich der Kristallkörner und eine zufrieden stellende Schneidwirkung nicht erreicht werden. Wenn der Gesamtgehalt von mindestens zwei der vorstehend genannten Elemente 0,1% übersteigt, werden die Kristallkörner weiter verfeinert, was die Schneidbarkeit verbessern kann, aber die Kaltformbarkeit würde im Nachhinein durch die Bildung von weiterer harter spröder Phase nicht befriedigend sein und folglich würden die Herstellungskosten ansteigen, was die Verbreitung des Einsatzes der Legierung negativ beeinflussen würde.
Die Zugabe von Ti, Ni und Mg könnte das geschmolzene Metall desoxidieren, die Kristallkörner verfeinern, die Entwicklung von säulenförmigen Kristallen verhindern, mit dem Element Antimon, das einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, zur Bildung von Intermetallverbindungen mit hohem Schmelzpunkt kombinieren, welche vorzugsweise im Grenzbereich der Kristallkörner dispergieren, und ermöglichen, dass die Antimon-Intermetall-Verbindungen fein und gleichförmig im Grenzbereich der Kristallkörner und in den Kristallkörnern dispergiert sind, die Tendenz zum spröden Bruch der Legierung zurückdrängen und die Bildung von diskontinuierlichen Spänen während der spanabhebenden Bearbeitung unterstützen. Folglich wird ausgezeichnete Schneidbarkeit der Legierung erreicht, wobei auch die Festigkeit und Plastizität und Korrosionsbeständigkeit und Belastungs-Korrosions-Beständigkeit und Oxidationsbeständigkeit verbessert sind.
Im Allgemeinen liegt die Gesamtmenge der Zugabe von den drei vorstehend genannten Elementen im Bereich von 0,01 bis 0,6 Gew.-%. Ni liegt im mittleren bis unteren Bereich und der Gehalt an Ti und Mg kann im unteren Bereich liegen. Die Herstellungskosten würden erhöht, wenn die Zugabemenge von Ti und Ni 0,6 Gew.-% übersteigt. Wenn der Gehalt an Mg 0,2 Gew.-% übersteigt, würde die Kaltformbarkeit beeinträchtigt. Fe, B und Re unterstützen die Verfeinerung der Kristallkörner, hindern die Körner am Weiterwachsen, begrenzen die Menge an Umwandlungs-β-Phase zur Bildung von Intermetallverbindungen und erhöhen den Erweichungspunkt zur Verbesserung von Festigkeit und erhöhen die Warmformbarkeit und Kaltformbarkeit. Insbesondere ist der Atomradius von B geringer als jener von Zn (der Atomradius von B ist 0,88 × 10^–10 m, während der Atomradius von Zn 1,33 × 10^–10 m ist). Wenn Messing korrodiert, neigen B-Atome daher eher zum Diffundieren als Zn-Atome. Das heißt, B-Atome haben die Chance, vorzugsweise die Leerstellen einzunehmen und die Diffusionswege von Zn-Atomen zu blockieren, dann wird der Diffusionswiderstand von Zn-Atomen erhöht und schließlich ein Schutzfilm gebildet, um es vor Korrosion zu schützen, wobei somit die ausgezeichnete Wirkung zum Zurückdrängen der Entzinkung von Messing, wie es nur das Element Arsen kann, erreicht wird. Wenn der Gehalt an B weniger als 0,012 Gew.-% beträgt, zeigt B zufrieden stellende Entzinkung.
Das Element B dient der Förderung der dynamischen Rekristallisierung in der Legierung und Verbesserung der Formbarkeit der Legierung, wobei der geeignete Gehalt an B im Bereich von 0,0001 bis 0,12% liegt.
Seltenerdenmetall ist ein gutes Impfmittel und Verfeinerungsmittel und bildet kaum Festlösung in Kupfer. Re kombiniert mit Bi und Sb in der Matrix zur Bildung von hochschmelzenden Intermetallverbindungen, wobei die Kristallkörner zum Erhöhen von Plastizität und Verschleißfestigkeit dispergiert sind, die Tendenz zum spröden Bruch der Legierung zurückdrängen und die Kristallkörner verfeinern. Beziehungsweise verfeinern. Der Gehalt an Re liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,003 bis 0,3 Gew.-%. Die optimale Wirkung zeigt sich, wenn gemischte Seltenerden auf der Basis von Lanthan zugegeben werden. Zugabe von Re kann auch die elektrische Leitfähigkeit, Entzinkung und Korrosionsbeständigkeit erhöhen, ein zu hoher Gehalt an Re wird jedoch den Fluss von geschmolzenem Metall beim Gießen vermindern.
Der Anteil an Si ist hauptsächlich zur Desoxidierung des geschmolzenen Metalls und zur Verbesserung des Flusses des geschmolzenen Metalls beim Gießen, zur Bildung von Intermetallverbindungen und zur Erhöhung der Festigkeit der Legierung, anstatt der Bildung der siliziumreichen γ-Phase in der Matrix, vorgesehen, wobei die Zugabemenge im Bereich von 0,2 bis 0,8% liegt. Es begünstigt die gleichförmige Dispergierung der Antimon enthaltenden Metallverbindungen und die Verbesserung des Schneidvermögens und der Schweißbarkeit und unterstützt die Bildung von diskontinuierlichen Spänen während des spanabhebenden Bearbeitens. Der Gehalt an Se, Sn und P richtet sich auf die Verbesserung der Schneidbarkeit. Insbesondere weisen Sn und P eine wichtige Wirkung beim Zurückdrängen der Entzinkung auf. Der Gehalt an Se und Sb muss im Bereich von 0,005 bis 0,2 Gew.-% gesteuert werden, der Gehalt an Sn ist 0,2 bis 0,4 Gew.-%, wobei ein zu hoher Gehalt davon die Kaltverarbeitbarkeit beeinträchtigen wird und die Produktionskosten erhöht.
Wie vorstehend beschrieben, ist die erfindungsgemäße erste Legierung eine blei freie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierung mit ausgezeichneter Warmformbarkeit und Kaltformbarkeit und mechanischen Eigenschaften und günstiger spanabhebender Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit.
ZWEITE LEGIERUNG
Die zweite bleifreie freischneidende Kupferlegierung umfasst (in Gew.-%): 55 bis 65 Cu, 0,3 bis 1,5% Sb, 0,1 bis 0,6% Ni, 0,0004 bis 0,12% B, wenn der Sb-Gehalt weniger als die Mitte des Bereichs beträgt, kann Ni nicht als Hauptbestandteil verwendet werden und 0,2 bis 1,0% weitere Elemente (die weiteren Elemente umfassen mindestens zwei Elemente, ausgewählt aus Ti, Fe, Sn, Al, Li, Mg, Re, P) und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97%, jedoch nicht gleich 100% ist, und der Zn-Gehalt oberhalb 35 liegt.
Eine besonders bevorzugte Legierung der zweiten Erfindung umfasst (in Gew.-%): 58 bis 63% Cu, 0,4 bis 1,0% Sb, 0,2 bis 0,4% Ni, 0,0005 bis 0,015% B, wenn der Gehalt an Sb weniger als die Mitte des Bereichs beträgt, kann Ni nicht als Hauptbestandteil verwendet werden, andere Elemente sind 0,35 bis 0,8% (die anderen Elemente umfassen mindestens zwei Elemente, ausgewählt aus Ti, Fe, Sn, Al, Li, Mg, Re, P) und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen. Der Gehalt an (Cu + Zn%) liegt oberhalb 97,5%, übersteigt aber nicht 99%, und der Gehalt an Zn liegt oberhalb 35%.
Die Legierung der zweiten Erfindung weist eine Metallstruktur mit einer α-Phase und einer β-Phase in den Hauptmengen und eine harte spröde Phase von Antimon enthaltenden Intermetallverbindungen, die fein und gleichförmig in granulärer Form in dem Grenzbereich der Metallkörner dispergiert sind, in einer geringen Menge auf.
Es ist der durch die zweite Legierung genutzte Mechanismus, dass Sb ein Metall mit geringem Schmelzpunkt ist und welches eine bestimmte Feststofflöslichkeit in der Matrix Cu aufweist (bei 630°C ist seine maximale Feststofflöslichkeit 5,9 Gew.-%, während seine maximale Feststofflöslichkeit bei 210°C 1,1 Gew.-% ist. Sb existiert in der Legierung in Form einer nicht toxischen Feststofflösung. Und Sb ist nicht in Wasser löslich, nicht wie Pb, das in der Legierung in Form von freiem toxischem Element vorliegt und dazu neigt, in Wasser gelöst zu werden) und auch aufgrund der Eigenschaft der Aggregatbildung in dem Grenzbereich der Kristallkörner sind die Antimon-Intermetall-Verbindungen, die gleichförmig in dem Grenzbereich von und in den Kristallkörnern dispergiert sind, begünstigt. Folglich besitzt die Antimon enthaltende Kupferlegierung nicht nur ausgezeichnete spanabhebende Verarbeitbarkeit, wie sie Blei enthaltende Kupferlegierungen besitzen, sondern besitzt auch insbesondere günstige Entzinkungskorrosionsbeständigkeit.
Im Hinblick auf die vorstehend genannten Gründe könnte die Zugabe gewisser anderer Elemente, die die Kristallkörner verfeinern und die Entzinkung zurückdrängen würde, zusammen mit Antimon die harte spröde Phase der Antimon-Intermetall-Verbindungen feiner und gleichförmiger dispergieren, wodurch es möglich ist, die Tendenz zum spröden Bruch, der durch die Zugabe von Antimon hervorgerufen wird, wirksam zurückzudrängen und daher die Bildung von diskontinuierlichen Spänen während der spanabhebenden Bearbeitung zu unterstützen. Die spanabhebende Verarbeitung und Festigkeit und Plastizität und die Entzinkungskorrosionsbeständigkeit der Legierung werden erhöht, während ermöglicht wird, dass die bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierung ausgezeichnete Schneidbarkeit, wie sie Blei enthaltende Kupferlegierungen besitzen, und einige weitere ausgezeichnete Eigenschaften annimmt.
Wenn der Antimongehalt weniger als 0,3 Gew.-% beträgt, kann er den industriellen Anforderungen für günstige spanabhebende Verarbeitung nicht genügen und kann nicht die Entzinkung zurückdrängen. Wenn aber die Zugabemenge von Sb 1,5 Gew.-% übersteigt, steigt die Tendenz zum spröden Bruch und folglich wird die Kaltformbarkeit beeinflusst.
Die Zugabe von Ni hat die Wirkungen einer Verfestigung der Matrix und das Zurückdrängen von Entzinkung. Die Zugabe von Ni hat auch die Wirkungen der Erhöhung der Festigkeit und Plastizität und Korrosionsbeständigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit der Legierung. Wenn der Gehalt an Ni weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, wird dem industriellen Erfordernis für verschiedene Eigenschaften kaum genügt. Die Massenproduktionskosten würden steigen, wenn die Zugabe von Ni 0,6 Gew.-% übersteigt. Somit wird die Zugabe von Ni in dem Bereich von 0,1 bis 0,6 Gew.-% eingestellt, wobei Element B zu der Legierung als Hauptkomponente gegeben wird.
Es ist anzumerken, dass der Atomradius von B kleiner ist als von Zn (der Atomradius von B ist 0,88 × 10^–10 m, während der Atomradius von Zn 1,33 × 10^–10 m beträgt}. Wenn Messing daher erodiert, neigen die B-Atome eher zum Diffundieren als Zn-Atome. Das heißt, B-Atome haben die Gelegenheit, bevorzugte Leerstellen zu halten und den Diffusionsweg der Zn-Atome zu blockieren, somit den Diffusionswiderstand von Zn-Atomen zu erhöhen, und schließlich wird der Schutzfilm gebildet, um die Entzinkung zurückzudrängen. Hierdurch könnte die Zugabe von B dieselbe optimale Wirkung des Zurückdrängens von Entzinkung erreichen wie die Zugabe von As (Arsen).
Neben der Zugabe von B würde die Zugabe von Sn und einigen anderen Elementen die Entzinkung und Korrosionsbeständigkeit der Legierung weiter verbessern, welche dem vorliegenden internationalen Standard hinsichtlich Auslaugungsmenge von Cu, Zn und Sb in Trinkwasser genügen. Wenn der Gehalt an Zn oberhalb 35 Gew.-% liegt, würde die Verbesserung der spanabhebenden Verarbeitbarkeit begünstigt, jedoch würde ein zu hoher Gehalt eine negative Wirkung auf die Kaltformbarkeit der Legierung ausüben.
Hinsichtlich der Funktion der Zugabe von mindestens zwei Elementen, ausgewählt aus Ti, Fe, Sn, Al, Li, Mg, Re, P, sind zunächst die Desoxidation des geschmolzenen Metalls und das Zurückdrängen der Entzinkung und Verfeinerung der Kristallkörner favorisiert. Zweitens könnten sie zur Bildung der hochschmelzenden harten spröden Phase der Antimon-Intermetall-Verbindungen mit hohem Schmelzpunkt mit Antimon kombiniert werden und zur effizienten Steuerung der Weichheit und Härte der Legie rung verteilt werden, wodurch die Sb-enthaltenden Körner in die Lage versetzt werden, im Grenzbereich des Kristalls oder im Kristall feiner und gleichförmiger dispergiert zu werden, wodurch während des spanabhebenden Bearbeitens diskontinuierliche Späne gebildet werden. Folglich hat die Legierung eine ausgezeichnete spanabhebende Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Entzinkung, Schweißbarkeit, günstige Warm- und Kaltformbarkeit. Wenn der Gesamtgehalt von anderen Elementen weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, werden die zufrieden stellende Festigkeitswirkung und die günstige spanabhebende Bearbeitbarkeit nicht verwirklicht. Wenn der Gesamtgehalt von anderen Elementen 1,0 Gew.-% übersteigt, wird, obwohl die Kristallkörner weiter verfeinert werden, die Schneidbarkeit verbessert, aber die Kaltverformbarkeit würde nicht begünstigt, was negative Wirkung auf das Inkrement der Massenproduktionskosten haben wird, wodurch die Verbreitung beeinträchtigt würde.
Die Zugabe von Ti, Mg und Li könnte das geschmolzene Metall desoxidieren, die Kristallkörner verfeinern und die Entwicklung von säulenförmigen Kristallen verhindern, mit dem Element Antimon, das einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, und ähnlichen Substanzen kombinieren zur Erzeugung von Intermetallverbindungen mit einem hohen Schmelzpunkt und vorzugsweise im Grenzbereich der Kristallkörner dispergieren, die Antimon-Intermetall-Verbindungen zur gleichförmigen Dispersion in dem Grenzbereich von und in den Kristallkörnern veranlassen, die Tendenz zum spröden Bruch der Legierung zurückdrängen. Folglich wird ausgezeichnete Schneidbarkeit der Legierung erreicht, auch sind die Festigkeit und Plastizität und Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessert. Der Gesamtgehalt der drei Elemente liegt im Bereich von 0,001 bis 0,14 Gew.-%. Wenn die Menge der drei Elemente auf der niederen Seite des Bereiches liegt, nehmen verschiedene günstige Eigenschaften ab. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Menge der drei Elemente auf der hohen Seite des Bereichs liegt, die Plastizität abnehmen, und dies ist unwirtschaftlich.
Fe begünstigt auch die Verfeinerung der Kristallkörner, die Verbesserung der Plastizität und Festigkeit, vermindert allerdings die Korrosionsbeständigkeit. Wenn Fe in einer Menge von weniger als 0,1 Gew.-% zugegeben wird, kann das Erfordernis der Intensivierungsfestigkeit nicht erreicht werden, und wenn die Zugabe 0,3 Gew.-% übersteigt, wird die Korrosionsbeständigkeit abnehmen. So wird die Zugabemenge an Fe im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% eingestellt.
Der Zweck der Zugabe der Elemente Sn, Al, P und Re gilt hauptsächlich dem Erreichen einer optimalen Übereinstimmung mit B zur Verbesserung der Entzinkung, Korrosionsbeständigkeit, Spannungskorrosionsbeständigkeit und Festigkeit und auch der Desoxidierung des geschmolzenen Metalls und Erhöhung der Schneidbarkeit.
Die Zugabe von Sn hat die Wirkungen einer Verfestigung der festen Lösung und eines Zurückdrängens der Entzinkung. Die Zugabe von Sn zusammen mit B, Al und P könnte die Matrix verstärken, unter Begünstigung von unterschiedlichen Phasen mit einer gleichförmigen Dispersion in der Matrix, Verbesserung von Festigkeit und Verschleißbeständigkeit und spanabhebender Verarbeitbarkeit, insbesondere Erhöhen der Entzinkung, Korrosionsbeständigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit. Die Zugabe von Sn wird vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,5 Gew.-% eingestellt.
Die Zugabe von Al und P unterstützt nicht nur die Desoxidation des geschmolzenen Metalls und drängt die Entzinkung zurück, sondern erhöht auch den Fluss von geschmolzenem Metall beim Gießen und unterstützt darüber hinaus die Bildung von diskontinuierlichen Spänen während des spanabhebenden Bearbeitens. Die Zugabe von Al wird gewöhnlich im Bereich von 0,15 bis 0,4 Gew.-% eingestellt. Wenn Al in einer Menge von weniger als 0,15 Gew.-% oder über 0,4 Gew.-% eingestellt wird, wird die Spannungskorrosionsbeständigkeit der Legierung geschwächt.
Vorzugsweise wird die Zugabe von P im Bereich von 0,005 bis 0,3 Gew.-% eingestellt. Ein zu hoher Gehalt an P und N würde die Kaltverarbeitbarkeit im anschließenden Vorgang vermindern.
Seltenerdenmetall ist ein gutes Impfmittel und ein gutes Verfeinerungs-Reinigungsmittel und könnte in der Kupfermatrix mit Verunreinigungen, wie Bi, zur Bildung von hochschmelzenden Intermetallverbindungen kombinieren und in den Kristallkörnern dispergieren zur Erhöhung der Plastizität und Verschleißbeständigkeit und die Tendenz zum spröden Bruch der Legierung zurückdrängen, außerdem die Kristallkörner verfeinern. Vorzugsweise wird die Zugabe von Re im Bereich von 0,003 bis 0,3 Gew.-% eingestellt. Die optimale Wirkung zeigt sich, wenn Seltenerden auf der Basis von Lanthan, das zugegeben wird, vermischt werden. Die Zugabe von Re ist auch in der Lage, die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, allerdings wird ein zu hoher Anteil an Re den Fluss von geschmolzenem Metall beim Gießen vermindern.
Wie vorstehend beschrieben, ist die zweite erfindungsgemäße Legierung weitestgehend eine bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierung mit ausgezeichneter spanabhebender Verarbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit und Entzinkungskorrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und günstiger Warmformbarkeit und Kaltformbarkeit.
DRITTE LEGIERUNG
Die dritte erfindungsgemäße Legierung umfasst (in Gew.-%): 55 bis 65% Cu, 0,4 bis 1,8% Sb, 0,3 bis 1,5% Si, 0,0004 bis 0,12% B und mindestens zwei weitere Elemente 0,2 bis 1,2% (die mindestens zwei weiteren Elemente sind ausgewählt aus Fe, Sn, Ni, Re, P, Mn, Al, Li) und den Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97% ist, nicht gleich 100%, und der Gehalt an Zn oberhalb 33% ist.
Eine besonders bevorzugte Legierung der dritten Erfindung umfasst (in Gew.-%): 57 bis 64% Cu, 0,6 bis 1,2% Sb, 0,3 bis 1,0% Si, 0,0005 bis 0,015% B und mindestens zwei weitere Elemente (0,2 bis 1,0%, ausgewählt aus Fe, Sn, Ni, Re, P, Mn, Al, Li) und den Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97% liegt, 99% nicht übersteigt, und der Gehalt an Zn oberhalb 33% liegt.
Die dritte erfindungsgemäße Legierung hat eine Metallphasenstruktur mit einer α-Phase und einer β-Phase in größeren Mengen und einer harten spröden Phase von Antimon enthaltenden Intermetallverbindungen, die fein und gleichmäßig in einer geringen Menge dispergieren.
Es ist der Mechanismus, der von der dritten Legierung genutzt wird, dass Sb ein Metall mit niederem Schmelzpunkt ist und eine bestimmte Feststofflöslichkeit in der Matrix Cu besitzt (bei 630°C ist seine maximale Feststofflöslichkeit 5,9% auf das Gewicht, während seine maximale Feststofflöslichkeit bei 210°C 1,1% auf das Gewicht ist. Sb liegt in der Legierung in der Form von nicht toxischer Feststofflösung vor. Und Sb ist in Wasser nicht löslich, es liegt nicht wie Pb in der Legierung in Form von freiem toxischem Element und mit der Neigung, sich in Wasser zu lösen, vor.) Und besitzt die Eigenschaft der Aggregation im Grenzbereich der Kristallkörner. Es ermöglicht, die Antimon enthaltenden Intermetallverbindungen gleichförmig in dem Grenzbereich von Kristall und in den Kristallkörnern selbst dispergiert zu werden, womit die Antimon enthaltende Kupferlegierung ausgezeichnete Schneidbarkeit, die Messing aufweist, besitzen würde.
Gleichzeitig werden die weiteren Elemente zugegeben, um das Vorliegen von feinerem Kristallkorn zu ermöglichen, wobei die Entzinkung zurückgedrängt werden kann. Daher würde die Antimon enthaltende harte spröde Phase gleichförmiger und feiner dispergiert. Die Neigung zum spröden Bruch, hervorgerufen durch die Zugabe des Elements Sb, würde zurückgedrängt und würde die Bildung von diskontinuierlichen Spänen während des spanabhebenden Bearbeitens unterstützen. Daher ist die Legierung der dritten Erfindung in der spanabhebenden Verarbeitbarkeit und in der mechanischen Festigkeit und Plastizität verbessert. Die bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierung nimmt nicht nur ausgezeichnete spanabhebende Verarbeitbarkeit, wie bei Blei enthaltenden Kupferlegierungen, sondern auch einige andere ausgezeichnete Eigenschaften an. Außerdem wird auch die Neigung zur Entzinkung wirksam zurückgedrängt.
Es wird angemerkt, dass Antimon in einer Menge von weniger als 0,4 Gew.-% das industrielle Erfordernis für günstige spanabhebende Verarbeitbarkeit nicht erfüllen kann und das Zurückdrängen von Entzinkung würde nicht bewirkt. Wenn allerdings der Gehalt an Sb 1,8 Gew.-% übersteigt, nimmt die Tendenz zum spröden Bruch zu und die spanabhebende Verarbeitbarkeit und andere Eigenschaften werden schwächer.
Der Zweck der Zugabe von Si ist hauptsächlich die Desoxidation von geschmolzenem Metall und die Verbesserung des Flusses des geschmolzenen Metalls beim Gießen, Bilden von Intermetallverbindungen, Erhöhen der Festigkeit und Verschleißfestigkeit der Legierung anstatt der Bildung der siliziumreichen γ-Phase in der Matrix. Die Zugabe von Si wird im Bereich von 0,3 bis 1,0 Gew.-% eingestellt. Es begünstigt die Verbesserung der spanabhebenden Verarbeitbarkeit und der Schweißbarkeit und könnte die Verdampfung von Zink während des Schweißens zurückdrängen, und die Schlackeverunreinigungen und die schweißtechnologischen Eigenschaften werden stark verbessert.
B wird zu der Legierung als Hauptbestandteil zugegeben. Es wird angemerkt, dass der Atomradius von B kleiner als jener von Zn ist (der Atomradius von B ist 0,88 × 10^–10 m, während der Atomradius von Zn 1,33 × 10^–10 m ist). Dadurch neigen, wenn Messing erodiert, B-Atome mehr zur Diffusion als Zn-Atome. Das heißt, B-Atome haben die Möglichkeit, bevorzugt freie Stellen zu halten und den Diffusionsweg von Zn-Atomen zu blockieren, erhöhen den Diffusionswiderstand von Zn-Atomen. Und schließlich wird der Schutzfilm gebildet, um die Entzinkung zurückzudrängen. Auf diese Weise könnte die Zugabe von B dieselbe optimale Wirkung vom Zurückdrängen der Entzinkung von Messing, wie die Zugabe von As dies könnte, erzielen. Neben der Zugabe von B würde die Zugabe von Sn und von anderen Elementen außerdem die Entzinkung, Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessern, was ermöglicht, dem gegenwärtigen internationalen Standard hinsichtlich der Auslaugungsmenge von Cu, Zn und Sb in Trinkwasser zu genügen.
B dient auch dem Antrieb der dynamischen Rekristallisation und verbessert die Formbarkeit der Legierung. Die Zugabe von B wird gewöhnlich im Bereich von 0,0004 bis 0,12 Gew.-% eingestellt.
Wenn der Gehalt an Zn oberhalb 33 Gew.-% eingestellt wird, wird er die Verbesserung der spanabhebenden Verarbeitbarkeit begünstigen, jedoch bei einer zu großen Menge wird er eine negative Wirkung auf die Kaltformbarkeit der Legierung ausüben.
Die Wirkung der Zugabe von mindestens zwei Elementen, ausgewählt unter Fe, Sn, Ni, Re, P, Mn, Al, Li, ist jene: Zunächst unterstützen sie die Desoxidation des geschmolzenen Metalls und verfeinern die Kristallkörner; zweitens könnten sie mit Antimon kombinieren zur Bildung von hochschmelzenden spröden Antimon-Intermetall-Verbindungen und wirksam den Grad von Erweichen und Sprödigkeit steuern und dazu dienen, die spröde Antimon-Intermetall-Verbindungen feiner und gleichförmiger dispergiert zu erzeugen. Folglich hat die Legierung eine ausgezeichnete spanabhebende Verarbeitbarkeit und Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit und günstige Warmformbarkeit und Kaltformbarkeit. Wenn die vorstehend genannten mindestens zwei Elemente in einer Menge von weniger als 0,1 Gew.-% zugegeben werden, werden zufrieden stellende Verfestigungswirkung und ausgezeichnete spanabhebende Verarbeitbarkeit geschwächt. Wenn die Zugabe allerdings 1,0 Gew.-% übersteigt, werden die Kristallkörner weiter verfeinert, was die Verbesserung der spanabhebenden Verarbeitung unterstützen kann, allerdings auch negative Wirkung auf die anschließende Kaltformbarkeit ausüben könnte, und dies ist unwirtschaftlich, in anderen Worten, wird die Anwendung der Legierung im Allgemeinen beeinträchtigt.
Die Zugabe von Mangan hat die Wirkung der Verfestigung von fester Lösung und des Zurückdrängens der Entzinkung. Insbesondere würde die Zugabe von Mn zusammen mit Si und Fe eine Intermetallverbindung Mn₅Si₃ und eine eisenreiche Phase im Grenzbereich der Kristallkörner bilden. Es zeigt sich eine abnehmende Verfestigungswirkung, wenn Mn in einer Menge von weniger als 0,2 Gew.-% zugegeben wird. Wenn die Zugabe von Mn 1,0 Gew.-% übersteigt, wird verbesserte Verfestigung bewirkt, aber verminderte spanabhebende Verarbeitbarkeit zeigt sich, die Späne ziehen sich in die Länge und diskontinuierliche Späne werden kaum gebildet. So wird die geeignete Zugabemenge von Mn im Bereich von 0,2 bis 1,0 Gew.-% eingestellt, um den Grenzbereich der Kristallkörner zu festigen und um die spanabheben de Verarbeitbarkeit zu verbessern, und auch die Verschleißfestigkeit der Legierung, die Korrosionsbeständigkeit in Salznebelatmosphäre und in Chlormedien könnte verbessert werden.
Die Zugabe von Ni hat die Wirkungen einer Verfestigung der Matrix und des Zurückdrängens von Entzinkung. Die Zugabe von Ni hat auch die Wirkungen der Erhöhung von Festigkeit und Plastizität und Korrosionsbeständigkeit. Ni in einer Menge von weniger als 0,1 Gew.-% kann nicht dem industriellen Erfordernis für verschiedene Eigenschaften genügen. Die Massenproduktionskosten erhöhen sich, wenn der Gehalt an Ni 0,6 Gew.-% übersteigt. Fe und Re helfen bei der Verfeinerung der Kristallkörner, verhindern die weitere Ausbildung von Körnern, schränken die Umwandlungsmengen von β-Phase ein, bilden Intermetallverbindungen, erhöhen den Erweichungspunkt, verbessern die Festigkeit und Warm- und Kaltformbarkeit der Legierung. Die Zugabe von Fe wird im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% gesteuert. Wenn die Zugabe 0,3 Gew.-% übersteigt, wird die Korrosionsbeständigkeit abnehmen. Seltenerdenmetall ist ein gutes Impfmittel und ein Verfeinerungs-Reinigungsmittel und besitzt kaum Feststofflöslichkeit in Kupfer. Re kombiniert mit Bi und Sb in der Matrix zur Bildung von hochschmelzenden Metallverbindungen und dispergiert in den Körnern zur Erhöhung von Plastizität und Verschleißfestigkeit, drängt die Tendenz zum spröden Bruch der Legierung zurück, verfeinert die Kristallkörner. Der Gehalt an Re wird gewöhnlich im Bereich von 0,003 bis 0,3 Gew.-% eingestellt. Die optimale Wirkung zeigt sich, wenn gemischte Seltenerden auf der Basis von Lanthan zugegeben werden. Die Zugabe von Re ermöglicht auch die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und der Entzinkungsbeständigkeit, allerdings wird eine zu hohe Menge an Re die Fließfähigkeit von geschmolzenem Metall beim Gießen senken.
Die Zugabe von Li könnte das geschmolzene Metall desoxidieren, die Kristallkörner verfeinern, die Entwicklung von säulenförmigen Kristallen verhindern, mit dem Element Antimon mit niedrigem Schmelzpunkt zur Bildung von Intermetallverbindungen mit hohem Schmelzpunkt kombinieren und vorzugsweise in dem Grenzbereich der Kristallkörner dispergieren und ermöglichen, dass die Antimon-Intermetall-Verbindungen fein und gleichförmig im Grenzbereich der Kristallkörner und darin dispergiert werden, auch um die Tendenz zum spröden Bruch der Legierung zurückzudrängen. Folglich wird ausgezeichnete spanabhebende Verarbeitbarkeit der Legierung erreicht, auch sind die Festigkeit, Plastizität, Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessert. Die Zugabe von Li wird im Bereich von 0,001 bis 0,014 Gew.-% eingestellt. Wenn die Menge an Li zu niedrig eingestellt wird, nehmen verschiedene günstige Eigenschaften ab. Im Gegensatz dazu wird, wenn die Menge an Li zu hoch eingestellt wird, die Plastizität abnehmen, und dies ist unwirtschaftlich. Die Zugabe von Sn, Al und P erfolgt hauptsächlich, um optimal mit B übereinzustimmen zur Verbesserung der Entzinkung, Korrosionsbeständigkeit, Spannungskorrosionsbeständigkeit und Festigkeit. Wenn B in einer Menge von weniger als 0,012 Gew.-% zusammen mit Sn, Al und P zugegeben wird, wird die Entzinkung und Korrosionsbeständigkeit der Legierung weiter erhöht, welche dem gegenwärtigen internationalen Standard genügen könnte hinsichtlich der Auslaugungsmenge von Cu, Zn und Sb in Trinkwasser (Standard über die Auslaugungsmenge von Cu, Zn und Sb in Wasserversorgungssystemen für den Verbrauch durch den Menschen ist: Cu ≤ 0,2 mg/l, Zn ≤ 0,2 mg/l, Sb ≤ 0,0005 mg/l). Außerdem könnte die Zugabe von B, Sn, P und Al das geschmolzene Metall desoxidieren und die spanabhebende Verarbeitbarkeit verbessern und die Legierung fester machen. Sn kann die feste Lösung fester machen und die Entzinkung zurückdrängen. Die Zugabe von Sn zusammen mit B, Al und P kann die Matrix verfestigen, unterschiedliche Phasen ermöglichen, gleichförmig in der Matrix zu dispergieren und die Intensivierungsphase zu bilden, verbesserte Festigkeit, Verschleißfestigkeit, spanabhebende Verarbeitbarkeit, insbesondere Erhöhung der Entzinkung, Korrosionsbeständigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit. Die Zugabe von Sn wird im Bereich von 0,2 bis 0,5 Gew.-% eingestellt.
Die Zugabe von Al und P unterstützt nicht nur die Desoxidierung des geschmolzenen Metalls und drängt die Entzinkung zurück, sondern erhöht auch den Strom an geschmolzenem Metall beim Gießen, darüber hinaus unterstützt sie die Bildung von diskontinuierlichen Spänen während des spanabhebenden Verarbeitens. Der Gehalt an Al wird gewöhnlich im Bereich von 0,15 bis 0,4 Gew.-% eingestellt. Wenn Al in einer Menge von weniger als 0,15 Gew.-% oder oberhalb 0,4 Gew.-% zugegeben wird, wird die Spannungskorrosionsbeständigkeit der Legierung geschwächt. Der bevorzugte Gehalt an P wird im Bereich von 0,005 bis 0,3 Gew.-% eingestellt. Ein zu hoher Gehalt an P und Sn würde die Kaltverarbeitbarkeit in dem nachfolgenden Vorgang senken.
Seltenerdenmetall ist ein gutes Impfmittel und Verfeinerungs-Reinigungsmittel und es könnte mit den Verunreinigungen Bi usw. zur Bildung von hochschmelzenden Intermetallverbindungen in der Cu-Matrix kombinieren und in den Körnern dispergieren zur Erhöhung der Plastizität, Verschleißfestigkeit, Zurückdrängen der Tendenz zum spröden Bruch der Legierung und Verfeinerung der Kristallkörner. Der Gehalt an Re wird im Bereich von 0,003 bis 0,3 Gew.-% eingestellt. Die optimale Wirkung zeigt sich, wenn gemischte Seltenerden auf der Basis von Lanthan zugegeben werden. Die Zugabe von Re ermöglicht auch das Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit, jedoch wird ein zu hoher Gehalt an Re den Fluss von geschmolzenem Metall beim Gießen senken.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Legierung der dritten Erfindung eine bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierung mit ausgezeichneter spanabhebender Verarbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit und Entzinkungs- Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit und mit günstiger Warmformbarkeit und Kaltformbarkeit und mechanischen Eigenschaften. Sie ist wirklich ein gutes Legierungsmaterial, das beim Bau von Trinkwasserversorgungen einzusetzen ist.
VIERTE LEGIERUNG
Die vierte erfindungsgemäße Legierung umfasst 55 bis 65 Gew.-% Cu, 0,3 bis 1,5 Gew.-% Sb, 0,16 bis 0,45 Gew.-% Bi, mindestens zwei weitere Elemente ausgewählt aus Sn, B, Li, Ti, Cr, Mg, Fe, P, Re, wobei die anderen Elemente unter 0,1 bis 1,2 Gew.-% sind, und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen, wobei Gewichtsprozent von (Cu% + Zn%) in der Kupferlegierung oberhalb 97% und nicht gleich 100% ist, der Gehalt an Zn liegt oberhalb 35%.
Eine besonders bevorzugte Legierung der vierten Erfindung umfasst (in Gew.-%) 57 bis 63% Cu, 0,5 bis 1,2% Sb, 0,2 bis 0,40 Bi, mindestens zwei Elemente ausgewählt aus Sn, B, Li, Ti, Cr, Mg, Fe, P, Re; darunter 0,3 bis 1,2% und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97,5% liegt, jedoch nicht geringer als 99%, während Zn größer als 35% ist.
Die vierte erfindungsgemäße Legierung hat eine Metallstruktur mit einer α-Phase und einer β-Phase in großen Mengen und eine harte spröde Phase von Antimon enthaltenden Intermetallverbindungen und Wismut-Antimon-Verbindungen, die fein und gleichförmig in granulärer Form in kleinen Mengen dispergiert sind.
Es ist der Mechanismus, der durch die Legierung der vierten Erfindung genutzt wird, der auf Antimon zurückgeht, das eine Feststofflöslichkeit in der Matrix aufweist (bei 630°C ist seine maximale Feststofflöslichkeit 5,9%, auf das Gewicht, während seine maximale Feststofflöslichkeit bei 210°C 1,1% auf das Gewicht ist) (Antimon liegt nicht wie Blei in der Matrix in Form von einem freien toxischen Zustand vor, sondern in Form einer nicht toxischen festen Lösung, Antimon löst sich nicht in dem Wasser, während Blei zum Auflösen in Wasser neigt), und aufgrund der Antimon-Eigenschaften der Aggregierung im Grenzbereich der Kristallkörner sind die Antimon-Intermetall-Verbindungen gleichförmig in dem Grenzbereich von und in den Kristallkörnern dispergiert. Folglich weist die Antimon enthaltende Kupferlegierung eine ausgezeichnete spanabhebende Verarbeitbarkeit, wie Blei enthaltende Kupferlegierungen, auf. Die Zugabe von einigen anderen Elementen, welche die Kristallkörner verfeinern und die Entzinkung zusammen mit Antimon zurückdrängen würden, könnte die spröden Antimon-Intermetall-Verbindungen feiner und gleichförmiger dispergieren und die Tendenz zum spröden Bruch, hervorgerufen durch die Zugabe von Antimon, effizient zurückdrängen. Das heißt, die Antimon enthaltende Kupferlegierung weist ausgezeichnete spanabhebende maschinelle Verarbeitung, wie Blei enthaltende Kupferlegierung, auf und die Festigkeit und Plastizität sind verbessert und die ausgezeichnete Schweißbarkeit, Gießeigenschaften, günstige Warm- und Kaltformbarkeit und einige andere verschiedene Eigenschaften sind erhöht.
Es wird angemerkt, dass, wenn der Gehalt an Antimon geringer als 0,3 Gew.-% ist, er nicht dem industriellen Erfordernis für günstige spanabhebende Verarbeitung genügen kann. Wenn allerdings der Gehalt an Sb 1,5 Gew.-% übersteigt, insbesondere 2 Gew.-% übersteigt, wird die Menge an schädlichem sprödem Bruch erhöht und die Kaltformbarkeit wird beeinträchtigt.
Wismut bildet keine feste Lösung in dem Kupfer, sondern könnte mit Antimon zur Bildung von Intermetallverbindungen kombinieren und gleichförmig in der Matrix und im Grenzbereich der Kristallkörner dispergieren. Bessere spanabhebende Verarbeitbarkeit zeigt sich, wenn Wismut zusammen mit Antimon zugegeben wird. Wenn Wismut in einer Menge von 0,45 Gew.-% zugegeben wird, werden Warm- und Kaltformbarkeit abnehmen und die Produktionskosten werden zunehmen. Wenn die Zugabe von Wismut geringer als 0,16 Gew.-% ist, kann sie dem Erfordernis für verbesserte spanabhebende Verarbeitung nicht genügen.
Die Zugabe von Zn wird oberhalb 35 Gew.-% eingestellt, wobei die Verbesserung der spanabhebenden Verarbeitung günstig ist, aber der zu hohe Gehalt an Zink wird eine negative Wirkung auf die Kaltverarbeitung der Legierung ausüben.
Wie vorstehend beschrieben, werden mindestens zwei Elemente aus Sn, B, Li, Ti, Cr, Mg, Fe, P und Re ausgewählt. Die Funktion der Zugabe dieser mindestens zwei Elemente ist zunächst jene, dass sie bei der Desoxidation des geschmolzenen Metalls und bei der Verfeinerung der Kristallkörner unterstützen, zweitens dass sie mit Antimon zur Bildung von einer hochschmelzenden harten spröden Phase von Antimon-Intermetall-Verbindungen kombinieren könnten und der Steuerung des Grads der Erweichung und der Sprödigkeit der Legierung dienen, Antimon-Intermetall-Verbindungen im Grenzbereich der Kristallkörner und in dem Korn feiner und gleichförmiger dispergieren. Folglich besitzt die Legierung günstige spanabhebende Verarbeitbarkeit und Warm- und Kaltverarbeitbarkeit, ausgezeichnete Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Wenn die vorstehend genannten mindestens zwei Elemente in einer Menge von weniger als 0,1 Gew.-% zugegeben werden, wird eine zufrieden stellende Verfestigungswirkung und ausgezeichnete spanabhebende Verarbeitbarkeit schwächer. Wenn die Zugabe allerdings 1,0 Gew.-% übersteigt, werden die Kristallkörner weiter verfeinert, was bei der Verbesserung der spanabhebenden Verarbeitbarkeit unterstützen mag, aber auch negative Wirkung bei der Verbesserung der Kaltformbarkeit haben kann und unwirtschaftlich ist, in anderen Worten, die Verbreitung und Anwendung der Legierung werden beeinträchtigt.
Die Zugabe von Sn hat die Wirkungen der Verfestigung der festen Lösung und des Zurückdrängens von Entzinkung. Die Zugabe von Sn zusammen mit P könnte die Matrix verfestigen, regt verschiedene Phasen, gleichmäßig in der Matrix zu dispergieren, an, verbessert die Festigkeit, Verschleißfestigkeit und spanabhebende Verarbeitbarkeit. Die Zugabe von Sn wird im Bereich von 0,2 bis 0,5 Gew.-% eingestellt. Ein zu hoher Gehalt an Sn wird die Kaltverarbeitbarkeit vermindern.
Die Zugabe von Li, Mg, Ti und Cr könnte das geschmolzene Metall desoxidieren, Kristallkörner verfeinern, Säulenkornwachstum verhindern, mit dem niedrigen Schmelzpunkt des Elements Antimon zur Bildung von Intermetallverbindungen mit hohem Schmelzpunkt zu kombinieren und in dem Grenzbereich von und in den Kristallkörnern dispergieren, die Antimon-Intermetall-Verbindung anregen, fein und gleichförmig in dem Grenzbereich der Kristallkörner und in dem Korn zu dispergieren und auch die Tendenz zum spröden Bruch der Legierung zurückdrängen.
Folglich wird günstige spanabhebende Verarbeitbarkeit der Legierung erhalten, auch Festigkeit und Plastizität und Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit der Legierung sind verbessert. Die Gesamtzugabe der vier Elemente wird im Bereich von 0,003 bis 0,6 Gew.-% eingestellt.
Die Zugabe von Li, Zr und Ti kann im mittleren Bereich oder unteren Bereich des vorstehend genannten Bereiches liegen, während, wenn die Zugabe oberhalb des oberen Grads liegt, die Produktionskosten steigen werden. Der Gehalt an Mg kann bei mittleren Werten liegen.
Fe, B, P und Re unterstützen auch bei der Verfeinerung der Kristallkörner, unterdrücken Entzinkung, bilden Intermetallverbindungen, erhöhen den Erweichungs punkt, verbessern die Festigkeit und Warm- und Kaltformbarkeit.
Die Zugabe von Fe wird im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% eingestellt. Wenn die Zugabe 0,3 Gew.-% übersteigt, wird die Korrosionsbeständigkeit abnehmen. Es wird auch festgestellt, dass der Atomradiums von B geringer als jener von Zn ist (der Atomradius von B ist 0,88 × 10^–10 m, während der Atomradius von Zn 1,33 × 10^–10 m ist). Daher werden, wenn Messing erodiert, B-Atome eher dazu neigen zu diffundieren als Zn-Atome. Das heißt, B-Atome haben die Möglichkeit, vorzugsweise die offenen Stellen zu halten und den Diffusionsweg der Zn-Atome zu blockieren, den Diffusionswiderstand von Zn-Atomen zu erhöhen. Und schließlich wird der korrosionsbeständige Schutzfilm gebildet, um Entzinkung zurückzudrängen. Hierdurch könnte die Zugabe von B die gleiche optimale Wirkung des Zurückdrängens von Entzinkung erreichen wie die Zugabe von As. Wenn die Zugabe von B geringer als 0,012 Gew.-% ist, können die zufrieden stellende Entzinkung und Korrosionsbeständigkeit erhalten werden. B dient der Begünstigung der dynamischen Rekristallisation der Legierung und Verbesserung der Formbarkeit der Legierung.
Die Zugabe von B wird gewöhnlich im Bereich von 0,0001 bis 0,12 Gew.-% eingestellt. P wird hauptsächlich zugegeben, um das geschmolzene Metall zu desoxidieren, den Fluss des geschmolzenen Metalls beim Gießen zu verbessern, die spanabhebende Verarbeitbarkeit der Legierung zu erhöhen, und die Zugabe von P wird im Bereich von 0,05 bis 0,3 Gew.-% eingestellt.
Seltenerdenmetall ist ein gutes Impfmittel und ein Verfeinerungs-Reinigungsmittel und löst sich kaum in Kupfer. Re kombiniert mit Bi und Sb in einer Kupfermatrix zur Bildung von hochschmelzenden Intermetallverbindungen und dispergiert gleichförmig in Körner zur Erhöhung der Plastizität, Zurückdrängen der Tendenz zum spröden Bruch der Legierung, Verfeinerung der Kristallkörner. Die Zugabe von Re wird gewöhnlich im Bereich von 0,003 bis 0,3 Gew.-% eingestellt. Die optimale Wirkung zeigt sich, wenn gemischte Seltenerden auf der Basis von Lanthan zugegeben werden. Es ist auch möglich, die elektrische Leitfähigkeit und Entzinkung, Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, jedoch wird eine zu hohe Menge von Re den Fluss von ge schmolzenem Metall beim Gießen vermindern.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Legierung der vierten Erfindung eine bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierung mit ausgezeichneter spanabhebender Verarbeitbarkeit, günstiger Warm- und Kaltformbarkeit und Oxidationsbeständigkeit.
Die Legierungen der ersten bis vierten Erfindung haben größtenteils verbesserte spanabhebende Verarbeitbarkeit und Entzinkungsbeständigkeit aufgrund der Zugabe von Antimon.
Die Legierung der ersten bis vierten Erfindung, jene Legierungen, die niedrig im Kupfergehalt sind, haben hauptsächlich eine Metallstruktur von α-Phase und β-Phase und eine gewisse andere Antimon-Intermetall-Verbindungen mit harter spröder Phase in geringen Mengen. Die Antimon-Intermetall-Verbindungen mit harter spröder Phase dispergieren fein und gleichförmig und präzipitieren im Grenzbereich von Körnern und im Kristall granulär und spielen die Rolle der Verfestigungspräzipitation. Die spanabhebende Verarbeitbarkeit wird erhöht. Und diskontinuierliche Späne werden leicht während des spanabhebenden Bearbeitens gebildet. Außerdem werden Korrosionsbeständigkeit und Entzinkungskorrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Kalt- und Warmformbarkeit erhöht.
In der Legierung der ersten bis vierten Erfindung übersteigt, selbst wenn Blei in der Legierung als unvermeidliche Verunreinigung vorliegt, der Gehalt an Pb 0,03 Gew.-% nicht.
Die erfindungsgemäße Legierung, welche zusammengesetzt ist aus (Gew.-%): 55 bis 65% Cu, 0,3 bis 2,0% Sb, 0,2 bis 1,0% Mn, anderen Elementen 0,1 bis 1,0 und Rest Zn und unvermeidlichen Verunreinigungen, welche in dieser Weise hergestellt wird: Spezialvorgang von Antimonzugabe und Abdecken von Schutzverfahren, die von der Messingherstellung übernommen werden, es könnte Antimon-Metall-Schnelllösung in geschmolzenem Messing hergestellt werden und Intermetallverbindungen bilden, kann kontinuierliches Gießen bei einer Temperatur von etwa 1030°C vorangetrieben werden (bekanntlich ist die höchste Temperatur des gesamten Schmelzvorgangs von Antimon-Kupfer-Legierungen 1100°C, ohne den Verdampfungspunkt von 1675°C zu erreichen, sodass dies sicher in der Umgebung ist), die Extrusion mit einer hohen Vorschubrate im Bereich von 630 bis 720°C und Wärmebehandlung im Bereich von 420°C bis 700°C vorangetrieben und Entspannungsglühen voranschreitend bei einer Temperatur von weniger als 400°C.
Verglichen mit bekannter Technologie hat die vorliegende Erfindung eigene Vorteile, zunächst die Legierungen der ersten bis vierten Erfindung sind bleifreie Kupferlegierungen mit ausgezeichneter spanabhebender Verarbeitbarkeit und Entzinkung, Korrosionsbeständigkeit, günstiger Schweißbarkeit, Korrosions- und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit, zur Nutzung als Werkstück, das spanabhebend zu bearbeiten ist, und beim Schmieden und Gießen sehr geeignet. Zweitens ist sie aufgrund der geringeren Herstellungskosten fast äquivalent mit den Kosten gegenwärtig hergestellter Pb enthaltender Kupferlegierung. So hat sie augenscheinlich eine große Wettbewerbskapazität. Drittens ermöglicht sie, die Ressource von Antimon in unserem Land voll auszunutzen und in der Industrie zu nutzen, die nachfolgende Industrie von Antimonmetall würde sich rasch entwickeln, der Weltmarkt würde davon profitieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt die Formen von Schneidspänen, hergestellt beim Schneiden bzw. Drehen eines Rundstabs aus Kupferlegierung mit einer Drehmaschine bei einer Schneidtiefe von 0,5 mm.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN IM EINZELNEN
Nun ergeht eine genaue Beschreibung der Erfindung nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung.
BEISPIELE
Zylindrische Rohlinge, hergestellt aus Legierungen der ersten bis vierten Erfindung, mit Zusammensetzungen, die in Tabelle 11 bis Tabelle 14 angegeben sind, wurden heiß zu einem Rundstab extrudiert zu einer erforderlichen Größe zur Herstellung von Prüfstücken, während ein Stab, hergestellt aus Pb enthaltender Kupferlegierung, C36000, hergestellt in USA, ein bekanntes Messing mit bester Schneidbarkeit als Kontrast zum Prüfstück hergenommen wurde.
Die Tests verlaufen als Vergleich zwischen den Legierungen der ersten bis vierten Erfindung und der Blei enthaltenden C36000-Legierung, wobei Letztere der gleichen Behandlung zu einem extrudierten Prüfstück auch unterworfen wird.
Der Herstellungsvorgang der erfindungsgemäßen Legierungen ist wie nachstehend: Zubereitung von Rohstoffen, kontinuierliches Gießen zur Herstellung von Rohlingen, Erhitzen der Gussrohlinge – Extrudieren – Ziehen – Wärmebehandlung – Säurewaschen – Ziehen – Glätten und Polieren – Glühen und Spannungsfreimachen – Produktbegutachtung und Verpackung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist Entspannungsglühen bei einer Temperatur von weniger als 400°C wesentlich. Die Temperatur der Zwischenwärmebehandlung muss im Licht der Bedingung für unterschiedliche Kaltformbarkeit variiert werden, es muss allerdings die Mitteltemperatur einer spröden Zone vermieden werden.
Die Abmessung des Rohlinggießlings der erfindungsgemäßen Legierung ist ⌀ 170 mm Außendurchmesser und 400 bis 500 mm Länge. Die Rohlinggießlinge werden bei verschiedenen Temperaturen von 630°C bis 720°C heiß extrudiert, unter denselben Bedingungen einer Extrusionsvorrichtung werden die Rohlinge zu Drähten oder Stäben mit einem Durchmesser von ⌀ 8 mm und einem Durchmesser von ⌀ 25 mm Außendurchmesser extrudiert. Die speziellen Zusammensetzungen von Beispielen 1 – 001 bis 1 – 005 der Legierungen der ersten Erfindung sind in Tabelle 11 dargestellt und die Zusammensetzungen von Beispielen 2 – 006 bis 2 – 010 der Le gierungen der zweiten Erfindung sind in Tabelle 2 dargestellt und die Zusammensetzungen der Beispiele 3 – 011 bis 3 – 015 der Legierungen der dritten Erfindung sind in Tabelle 13 dargestellt und die Zusammensetzungen der Beispiele 4 – 016 bis 4 – 020 der Legierungen der vierten Erfindung sind in Tabelle 14 dargestellt.
Tests wurden unternommen, um verschiedene Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen zu bewerten.
Zur Untersuchung der spanabhebenden Verarbeitung der Legierungen der ersten bis vierten Erfindung im Vergleich mit üblicher Blei enthaltender Legierung C36000 wurden Schneidtests ausgeführt. Tabelle 11 Zusammensetzung der ersten Erfindung, Pb-freie freischneidende Legierung
Tabelle 12 Zusammensetzung der zweiten Erfindung, Pb-freie freischneidende Legierung
Tabelle 13 Zusammensetzung der Pb-freien freischneidenden Legierung der dritten Erfindung
Tabelle 14 Zusammensetzung der Pb-freien freischneidenden Legierung der vierten Erfindung
Die erfindungsgemäßen bleifreien Legierungen weisen wie in den nachstehenden Tabellen angezeigte Ergebnisse auf.
1. Schneidbarkeitstest
Er wird durch Drehen und Bohren der Prüfstücke zur Bewertung der Schneidbarkeit der Legierungen ausgeführt. Unter denselben Arbeitsbedingungen der Vorrichtung (siehe Tabelle 15) werden dieselben Schneidkraftdaten durch die Testvorrichtung erzielt und die Schneidindizes entsprechend dem Prüfstück C36000 berechnet. Das C36000-Material ist allgemein bekanntes Blei enthaltendes Messing mit ausgezeichneter Schneidbarkeit, dessen Schneidbarkeit bekanntlich 100% war. Die Testergebnisse sind in Tabelle 15 dargestellt. Die Schneidspäne haben die in 1 veran schaulichte Form. Tabelle 15 Maschinenbedingungen an der Vorrichtung zur Bewertung der Schneidbarkeit
Tabelle 16 Ergebnisse der Bewertung der Schneidbarkeit

Anmerkung: Schneidindex = (Schneidwiderstand von C36000/Schneidwiderstand einer erfindungsgemäßen Legierung) × 100%. Wobei jeder Schneidwiderstandswert als Mittelwert gemessen wird.

Die Ergebnisse von Tabelle 16 liefern uns die Information, dass die spanabhebende Bearbeitbarkeit der Legierungen der zweiten Erfindung sehr nahe der üblichen Messinglegierung (C36000) und der spanabhebenden Bearbeitbarkeit der Legierung der dritten Erfindung ist. Neben C36000 wurden die erfindungsgemäßen Legierungen mit jenen der Cu-Zn-Bi-Legierungen, die von NAKAYAMA Co aus Amerika erzeugt wurden, und jenen von den Cu-Zn-Si-Legierungen, die von Sambo Copper Alloy Co., Ltd. aus Japan erzeugt wurden, durch Dreh- und Bohrbearbeitung verglichen. Die Ergebnisse über die allgemeinen Schneidbarkeiten, die durch die Vergleiche erhalten werden, sind in Tabelle 17 angeführt. Tabelle 17 Vergleich der allgemeinen Schneidbarkeiten zwischen Vergleichslegierungen und Legierungen der vorliegenden Erfindung
Die Ergebnisse von Tabelle 17 weisen aus, dass die Schneidbarkeiten der erfindungsgemäßen Legierungen nahe der üblichen Blei enthaltenden Legierung C36000 sind und gegenüber den in Japan und Amerika erzeugten Legierungen ausgezeichnet sind.
2. Warmkompressionstest
Bei dem Warmkompressionstest werden die Proben aus den fertigen Produkten der Legierungen der ersten bis vierten Erfindungen genommen und die Vergleichsproben werden in gleicher Weise gestaltet und geformt, 8 mm im Außendurchmesser und 20 mm in der Länge. Während des Verlaufs des Tests werden die Proben unter der Temperatur von 670°C 30 Minuten erhitzt, dann zu 70% entlang der axialen Richtung gepresst, wodurch die Länge von 20 mm auf 6 mm abnimmt. Das anschließende Verfahren ist die Begutachtung der Rissbildung unter der Verformung unter Verwendung eines Vergrößerungsglases mit einer Vergrößerung von 5- bis 10-fach.
Im Ergebnis der Warmkompressionstests wird bestätigt, dass die Legierungen der ersten bis vierten Erfindung gleich oder besser als die übliche Legierung C36000 in der Warmbearbeitbarkeit sind, weil keine Risse bei den Testproben der Legierung der vorliegenden Erfindung beobachtet wurden und bei der Probe der Legierung C36000. Somit sind die Legierungen der ersten bis vierten Erfindung gleich oder besser als die Blei enthaltende Vergleichskupferlegierung in der Warmbearbeitbarkeit. Und alle sind für die industrielle spanabhebende Bearbeitung geeignet.
3. Entzinkungstest
Die Entzinkungstests wurden ausgeführt, um die Entzinkung der Legierungen der ersten bis vierten Erfindung im Vergleich mit der üblichen Legierung C36000 auszuführen. Die Entzinkungstests wurden in nachstehender Weise ausgeführt: Die Proben der fertigen Produkte wurden zubereitet mit einer Form von 4,75 mm im Außendurchmesser und 15 mm Länge. Die Proben wurden in Trichlorethylen getaucht und dann mit Schleiftuch Nr. 1200 poliert, schließlich in destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet. Dann wurde jede Testprobe mit einem Faden versehen und in einen Erlenmeyer-Kolben, der mit CuCl₂-Lösung mit einer Konzentration von 1% gefüllt war, gehängt. Die für jede Probe erforderliche Menge liegt im Bereich von 250 ml bis 500 ml. Der Erlenmeyer-Kolben wurde mit einem Gummistopfen verschlossen, die Sauerstoffversorgung in abgedichteter Weise wird übernommen, was dann in ein Konstanttemperaturbad für 24 Stunden gestellt und bei 75°C gehalten wird. Nach Aufbewahren der Proben im Bad wurden sie herausgenommen und durch Geben in Salzsäure zum Reinigen ihrer Oberfläche mit Salzsäure gewaschen, bis die Kupfermatrixoberfläche beobachtet werden kann, dann wurde das Waschen gestoppt. Dann wurde die Waschlösung zurück in den Erlenmeyer-Kolben gegossen. Das anschließende Verfahren ist Messen des Gehalts an Cu, Zn und Berechnen des Ent zinkungskoeffizienten. Der berechnete Entzinkungskoeffizient ist in Tabelle 18 angeführt. Tabelle 18 Vergleich des Entzinkungskoeffizienten
Bekanntlich gilt, je höher der Entzinkungskoeffizient, desto besser ist die Entzinkungskorrosionsbeständigkeit einer Legierung. Wie aus Tabelle 18 deutlich wird, sind die Legierungen der ersten bis vierten Erfindung der üblichen Legierung C36000 in der Entzinkungskorrosionsbeständigkeit überlegen.
4. Spannungskorrosionsrisstests
Die Spannungskorrosionsrisstests wurden ebenfalls ausgeführt, um die Spannungskorrosionsbeständigkeit der Legierungen der ersten bis vierten Erfindung im Vergleich mit der üblichen Legierung C36000 zu bewerten. Die Spannungskorrosionsrisstests wurden in nachstehender Weise ausgeführt: Die fertigen Produkttestproben der Legierung der ersten bis vierten Erfindung wurden 4,75 mm im Außendurchmesser und 150 mm in der Länge gestaltet, zubereitet und zunächst mit Trichlorethylen gewaschen und dann mit Schwefelsäure bei einer Konzentration von 5% gewaschen und mit destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet. Danach wurden die Proben in einer Ammoniakumgebung bedampfen lassen, der pH-Wert des wässrigen Ammoniaks ist 9,5, die Bedampfungszeit ist 24 Stunden. Nach Beendigung der Bedampfung wurden die Proben wiederum mit Schwefelsäure bei einer Konzentration von 5% gewaschen, dann mit destilliertem Wasser gewaschen und zur Trockne erhitzt und hinsichtlich der Risse mit einer Lupe mit einer Verstärkung von 10 begutachtet.
Hinsichtlich der Ergebnisse der Spannungskorrosionsrisstests wurde festgestellt, dass die Legierungen der ersten bis vierten Erfindung gleich oder überlegen der üblichen Legierung C36000 sind, da keine Risse auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen Legierungen und C36000 beobachtet wurden.
5. Tests für Zugfestigkeitseigenschaften bei Normaltemperatur
Die Standardproben von fertigem Produkt der erfindungsgemäßen Legierung und der Blei enthaltenden Kupferlegierung C36000 mit einem Außendurchmesser von 12,5 mm und 140 mm Länge werden dem Test zur Messung der Zugfestigkeit und der Schmiedbarkeit bzw. Streckbarkeit oder Dehnbarkeit unterzogen. Die Messdaten in dem Test sind in Tabelle 19 angeführt. Tabelle 19 Vergleich der mechanischen Eigenschaften
Wie in Tabelle 19 ausgewiesen, wurde festgestellt, dass die Legierungen der zweiten und der dritten und der vierten Erfindung ausgezeichnet gegenüber der üblichen Legierung C36000 in ihrer Zugrate und auch in ihrer Zugfestigkeit sind. Die zweite erfindungsgemäße Legierung ist gleich der üblichen Legierung C36000 in ihrer Zugfestigkeit.
6. Test für Leitfähigkeit
Die Proben der erfindungsgemäßen Legierung und der Blei enthaltenden Kupferlegierung C36000 wurden einem Leitfähigkeitstest unterzogen, wobei die bei Raumtemperatur gemessene Leitfähigkeit in Tabelle 20 aufgelistet ist. Tabelle 20 Vergleich der elektrischen Leitfähigkeit
7. Differenzialthermoanalyse (DTA)
Die Proben der erfindungsgemäßen Legierung und der Blei enthaltenden Kupferlegierung C36000 werden den Tests von DTA unterzogen, die gemessenen Schmelzpunkte sind in Tabelle 21 aufgelistet: Tabelle 21 Vergleich der Schmelzpunkte
8. Verschleißfestigkeitstests
Verschleißfestigkeitstests wurden im Vergleich mit der üblichen Blei enthaltenden Legierung C3604 in dieser Weise ausgeführt: Zugstabteststücke (fertige Produkte) der Legierungen der ersten bis vierten Erfindung wurden in dem Test im Vergleich mit C3604 mit 7,8 mm Außendurchmesser verwendet. Die in Tabelle 22 angeführten Daten werden als Mittelwerte der absorbierten Energie, Reibungskoeffizient, Grad an Verschleiß nach Ausführen von 1000 Umdrehungen erhalten, alle 2000 Umdrehungen wird als Testperiode berücksichtigt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 22 dargestellt. Tabelle 22 Vergleich der Verschleißfestigkeit
Wie die Ergebnisse der Verschleißtests, die in Tabelle 22 wiedergegeben werden, ausweisen, wird festgestellt, dass die Legierungen der ersten bis vierten Erfindung gegenüber der üblichen Legierung C36000 in der Verschleißfestigkeit ausgezeichnet sind.
9. Elektrochemische Korrosionstests
Elektrochemische Korrosionstests wurden ausgeführt, um die Korrosionsfestigkeit der Legierungen der ersten bis vierten Erfindung im Vergleich mit der üblichen Pb-enthaltenden Legierung C3604 zu vergleichen. Die Tests wurden in dieser Weise ausgeführt: Der Zugstab mit einem Außendurchmesser von 7,8 mm wurde als Prüfstücke der Legierung der ersten bis vierten Erfindung verwendet. Die Laborvorrichtung ist eine Station, hergestellt von Solartron Ltd., Großbritannien, die eine elektrochemische Laborstation mit dem Modell SII278 darstellt, das korrosive Medium war eine 3,5%ige wässrige Lösung von Natriumchlorid, während die Raumtemperatur 15°C war. Die Ergebnisse sind in Tabelle 23 dargestellt. Tabelle 23 Vergleich der Korrosion verglichen mit C3604
Wie die Ergebnisse der elektrochemischen Korrosionstests, mitgeteilt in Tabelle 23, ausweisen, wurde festgestellt, dass die Legierungen der ersten bis vierten Erfindung gegenüber der üblichen Legierung C3604 in der Korrosionsbeständigkeit ausgezeichnet sind.
10. Hygienesicherheitstests
Gemäß der Trinkwasservorschrift hinsichtlich der Bewertung der Hygienesicherheit bei Rohrinstallationen und Materialien für die Trinkwasserversorgung (2001) wurden Tests und Prüfungen für die dritte Legierung der Erfindung ausgeführt. Es ist ein Auslaugungstest ausgeführt, um die Auslaugungsmenge von Cu, Zn und Sb in Trinkwasser zu prüfen, die Ergebnisse sind in Tabelle 24 dargestellt. Tabelle 24 Ergebnisse der Hygienesicherheitstests
Hinsichtlich der Ergebnisse der verschiedenen vorstehend beschriebenen Tests wird festgestellt, dass verglichen mit üblicher Legierung die Legierungen der ersten bis vierten Erfindung ähnliche spanabhebende Verarbeitbarkeit liefern können und gegenwärtigem Wismut enthaltendem, Silizium enthaltendem (Gehalt an Si ist 3%) Messing hinsichtlich der Schneidbarkeit gleich oder überlegen sind. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung werden auf der Basis eines besonderen, die spanabhebende Bearbeitbarkeit verstärkenden Mechanismus entwickelt. Die Zusammensetzung der Phasen unterscheidet sich auch von anderen Legierungen.
Es wird festgestellt, dass durch die Ergebnisse der verschiedenen beschriebenen Tests die vorliegende Erfindung bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierungen mit ausgezeichneter spanabhebender Bearbeitbarkeit und mechanischen Eigenschaften, Verschleißfestigkeit und Korrosionsfestigkeit sind. Verglichen mit derselben Klasse von bleifreien Cu-Zn-Bi-Legierungen, die in Amerika hergestellt sind, sind die Materialkosten für die Massenproduktion um 5% gesenkt. Verglichen mit der bleifreien Cu-Zn-Si-Kupferlegierung, die von Sanbao KK in Japan hergestellt wird, sind die Kosten geringer als etwa 10%. Sie sind jedoch um 2% etwas höher als die Kosten der üblichen Blei enthaltenden Messinglegierung C36000.
Daher sind die bleifreien freischneidenden Kupfer-Antimon-Legierungen der vorliegenden Erfindung in der spanabhebenden Bearbeitbarkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsfestigkeit ausgezeichnet und haben günstige Festigkeit. Sie könnten in breitem Maße in Hardwareteilen, Schmiedeteilen, Gussteilen und anderen Befestigungen, die hohe Festigkeit und gute Verschleißfestigkeit erfordern, in Teilen von hydraulischen Vorrichtungen, Gießlingen, Ventilen, Wasserhähnen, Anschlüssen für die Wasserversorgung und Verbindungsteilen und Wärmetauschern, Beleuchtungseinrichtungen, Düsen von Gasöfen usw. eingesetzt werden.
Zusammenfassung
Eine bleifreie freischneidende Kupfer-Antimon-Legierung, umfassend in Gew.-%: 55 bis 65% Cu, 0,3 bis 2,0% Sb, 0,2 bis 1,0% Mn, mindestens zwei Elemente ausgewählt aus der Gruppe Ti, Ni, B, Fe, Se, Mg, Si, Sn, P und Seltenerdenmetall in einer Menge von 0,1 bis 1,0% sowie als Rest Zn und unvermeidliche Verunreinigungen, wird bereitgestellt. Die erfindungsgemäßen Messinglegierungen besitzen ausgezeichnete Schneideigenschaft, Schweißbarkeit, Korrosionsfestigkeit, Entzinkungsbeständigkeit und hohe Temperaturoxidationsbeständigkeit und sind zur Verwendung in Trinkwasserinstallationen, Haushaltsgeräten, Kinderspielzeug, Befestigung usw. geeignet. Das Herstellungsverfahren solcher Legierungen wird auch vorgeschlagen.

Claims

Bleifreie freischneidende Antimon-Kupfer-Legierung, umfassend (in Gew.-%): 55 bis 65% Cu, 0,3 bis 2,0% Sb, 0,2 bis 1,0% Mn und mindestens zwei Elemente in einer Menge von 0,1 bis 1,0% und ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Ni, B, Fe, Se, Mg, Si, Sn, P, Re, und wobei der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97% und weniger als 100%, ist, wobei der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt.
Bleifreie freischneidende Antimon-Kupfer-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung umfasst (in Gew.-%): 57 bis 62% Cu, 0,5 bis 1,5% Sb, 0,2 bis 0,8% Mn und mindestens zwei Elemente im Bereich von 0,2 bis 1,0% liegen und ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Ni, B, Fe, Se, Mg, Si, Sn, P, Re, und wobei der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97,5% und weniger als 99% ist, wobei der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt.
Bleifreie freischneidende Antimon-Kupfer-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung umfasst (in Gew.-%): 55 bis 65% Cu, 0,3 bis 1,5% Sb, 0,1 bis 0,6% Ni, 0,0004 bis 0,12% B, während der Gehalt an Sb im Bereich unter dem mittleren Anteil liegt, Ni nicht als ein Hauptbestandteil vor liegt, und wobei mindestens zwei Elemente im Bereich von 0,2 bis 1,0% vorliegen und ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Fe, Sn, Al, Li, Mg, Re, P, und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97% und weniger als 100% ist, wobei der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt.
Bleifreie freischneidende Antimon-Kupfer-Legierung nach Anspruch 3, wobei die Legierung umfasst (in Gew.-%): 58 bis 63% Cu, 0,4 bis 1,0% Sb, 0,2 bis 0,4% Ni, 0,0005 bis 0,015% B, während der Gehalt an Sb im Bereich unter dem mittleren Anteil liegt, Ni nicht als ein Hauptbestandteil vor liegt, und wobei mindestens zwei Elemente, ausgewählt aus Ti, Fe, Sn, Al, Li, Mg, Re, P, im Bereich von 0,35 bis 0,8% vorliegen und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) von 97,5% bis 99% ist, wobei der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt.
Bleifreie freischneidende Antimon-Kupfer-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung umfasst (in Gew.-%): 55 bis 65% Cu, 0,4 bis 1,8% Sb, 0,3 bis 1,5% Si, 0,0004 bis 0,12% B, mindestens zwei Elemente im Bereich von 0,2 bis 1,2% liegen und ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Fe, Sn, Ni, Re, P, Mn, Al, Li, und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) oberhalb 97% und weniger als 100% ist, wobei der Gehalt an Zn oberhalb 33% liegt.
Bleifreie freischneidende Antimonlegierung nach Anspruch 5, wobei die Legierung umfasst (in Gew.-%): 57 bis 64% Cu, 0,6 bis 1,2% Sb, 0,3 bis 1,0% Si, 0,0005 bis 0,015% B, mindestens zwei Elemente zwischen 0,2 bis 1,0% liegen und ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Fe, Sn, Ni, Re, P, Mn, Al, Li, und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) von 97% bis 99% ist, wobei der Gehalt an Zn oberhalb 33% liegt.
Bleifreie freischneidende Antimon-Kupfer-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung umfasst (in Gew.-%): 55 bis 65% Cu, 0,3 bis 1,5% Sb, 0,16 bis 0,45% Bi, mindestens zwei Elemente zwischen 0,1 bis 1,2% liegen und ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Sn, B, Li, Ti, Cr, Mg, Fe, P, Re, und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) von 97% bis 100% ist, wobei der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt.
Bleifreie freischneidende Antimon-Kupfer-Legierung nach Anspruch 7, wobei die Legierung umfasst (in Gew.-%): 57 bis 63% Cu, 0,5 bis 1,2% Sb, 0,2 bis 0,40% Bi, mindestens zwei Elemente zwischen 0,3 bis 1,2% liegen und ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Sn, B, Li, Ti, Cr, Mg, Fe, P, Re, und der Rest Zn mit unvermeidlichen Verunreinigungen ist, wobei der Gehalt an (Cu% + Zn%) von 97,5% bis 99% ist, wobei der Gehalt an Zn oberhalb 35% liegt.
Bleifreie freischneidende Antimon-Kupfer-Legierung nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3, Anspruch 4, Anspruch 5, Anspruch 6, Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei Pb als unvermeidliche Verunreinigungen vorliegt, wobei der Pb-Gehalt 0,03 Gew.-% nicht übersteigt.
Verfahren zur Herstellung der bleifreien freischneidenden Antimon-Kupfer-Legierung nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3, Anspruch 4, Anspruch 5, Anspruch 6, Anspruch 7 oder Anspruch 8, umfassend: das Verwenden eines bedeckenden Schutzverfahrens, um zu ermöglichen, dass sich Antimon rasch in geschmolzenem Messing zur Bildung von Intermetallverbindungen löst; dann kontinuierliches Gießen, durchgeführt bei einer Temperatur von etwa 1030°C zur Bildung von Antimon-Messing-Gießrohlingen, wobei die höchste Verarbeitungstemperatur des Gießlings 1100°C nicht übersteigt; dann ein Extrusionsverfahren mit einer hohen Extrusionsrate, durchgeführt bei einer Temperatur im Bereich von 630 bis 720°C; anschließend Wärmebehandlung, durchgeführt im Bereich von 420 bis 700°C; eine anschließende Zwischenwärmebehandlung, durchgeführt bei einer Temperatur im Bereich von 420°C bis 700°C; und schließlich Glühen, durchgeführt bei einer Temperatur von weniger als 400°C.