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Die
Erfindung betrifft eine Kupfer-Zink-Silizium-Legierung.
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Die
vordringliche Anforderung an Kupfer-Zink-Silizium-Legierungen ist,
dass diese entzinkungsbeständig
und zerspanbar sind. Eine gute Zerspanbarkeit derartiger Messinglegierungen
wurde bislang durch die Zugabe von Blei realisiert, wie beispielsweise
in der
EP 1 045 041
A1 beschrieben. Neuerdings sind jedoch auch bleifreie Messinglegierungen
mit guten Zerspanungseigenschaften entwickelt worden, wie sie beispielsweise
die
EP 1 038 981 A1 und
die
DE 103 08 778
B3 beschreiben. Sowohl die bleifreien als auch bleihaltigen Cu-Zn-Si-Legierungen
neigen dazu, bei Temperaturen zwischen 300°C und 800°C zu oxidieren und eine Zunderschicht
auszubilden. Diese Zunderschicht haftet nur lose am Metall, löst sich
leicht ab und verteilt sich über die
Produktionsanlagen, was zur Folge hat, dass diese störend verunreinigt
werden. Die Reinigung der Produktionsanlagen ist aufwändig, wodurch
die Produktionskosten hoch sind. Nachteilig an den bisher bekannten Cu-Zn-Si-Legierungen
ist auch, dass sich die mechanischen Eigenschaften des Materials über lange
Werkstücke
hinweg verändern,
da das Material nicht homogen ist.
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In
Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung deshalb
die Problemstellung zugrunde, eine Kupfer-Zink-Silizium-Legierung
anzugeben, die bezüglich
ihrer Homogenität
verbessert ist und darüber
hinaus eine geringere Neigung zur Zunderbildung aufweist, sowie
eine Verwendung und eine Herstellung einer derartigen Messinglegierung
anzugeben.
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Die
erstgenannte Aufgabe hinsichtlich einer Legierung wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Kupfer-Zink-Silizium-Legierung, umfassend in Gewichtsprozent
70 bis 80 % Kupfer, 1 bis 5 % Silizium, 0,0001 bis 0,5 % Bor, 0
bis 0,2 Phosphor und/oder Arsen sowie Rest Zink nebst unvermeidbaren
Verunreinigungen.
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Der
Kupfergehalt liegt zwischen 70 und 80 %, denn Kupfergehalte unter
70 bzw. oberhalb von 80 % würden
die Zerspanbarkeit der Legierung nachteilig beeinflussen. Gleiches
gilt beim Verlassen des angegebenen Silizium-Konzentrationsbereiches von 1 % bis
5 %. Die Borkonzentration in der Legierung liegt zwischen 0,0001
bis 0,5 %. Überraschender
Weise wurde jetzt gefunden, dass durch Zugabe von Bor entsprechend
des beanspruchten Konzentrationsbereichs einerseits erreicht wird,
dass die Zunderbildung geringer ist und gleichzeitig die Haftung
des restlichen Zunders am Material deutlich erhöht wird. Andererseits überrascht
es auch, dass die Zugabe von Bor bewirkt, dass sich die Homogenität des Gefüges verbessert
und so Schwankungen der mechanischen Eigenschaften vermieden werden.
Phosphor und Arsen können
jeweils mit einem Konzentrationsgehalt von bis zu 0,2 % in der Legierung
enthalten sein und sind gegeneinander substituierbar. Durch Phosphor
und Arsen wird die Ausbildung des anfänglichen Gussgefüges und
die Korrosionseigenschaften günstig
beeinflusst, wobei darüber
hinaus das Fließvermögen der
Schmelze erhöht
und die Anfälligkeit
gegenüber
Spannungsrisskorrosion vermindert wird. Der restliche wesentliche
Legierungsanteil ist Zink.
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Neben
den oben erwähnten
Vorteilen, dass sich leicht lösende,
die Produktionskosten erhöhende
Zunderschichten vermieden werden und die mechanischen Eigenschaften
verbessert werden sowie darüber
hinaus eine gute Zerspanbarkeit und gute Formbarkeit in Verbindung
mit hoher Korrosionsbeständigkeit
gegeben ist, ist bei der Erfindung gerade auch die Beständigkeit
gegenüber
Entzinkung und Spannungsrisskorrosion besonders ausgeprägt. Entzinkungstests
nach ISO 6509 ergeben Entzinkungstiefen von lediglich bis zu 26 μm.
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Die
zweitgenannte Aufgabe hinsichtlich einer Verwendung einer solchen
Kupfer-Zink-Silizium-Legierung
ist gelöst
durch eine Verwendung für
elektrotechnische Bauteile, für
sanitärtechnische
Bauteile, für
Behältnisse
zum Transport oder zur Lagerung von Flüssigkeiten oder Gasen, für torsionsbeanspruchte
Bauteile, für
recyclebare Bauteile, für
Gesenkschmiedeteile, für
Halbzeuge, für
Bänder,
für Bleche,
für Profile,
für Platten oder
als Knet- Walz- oder Gusslegierungen.
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Die
Cu-Zn-Si-Legierung findet Verwendung für Kontakte, Stifte oder Befestigungselemente
in der Elektrotechnik, beispielsweise als ruhende Kontakte oder
Festkontakte zu denen auch Klemm- und Steckverbindungen oder Steckerkontakte
gehören.
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Die
Legierung weist gegenüber
flüssigen
und gasförmigen
Medien eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
Zudem ist sie gegenüber
Entzinkung und Spannungsrisskorrosion äußerst beständig. Infolgedessen eignet
sich die Legierung besonders für
einen Einsatz für
Behältnisse
zum Transport oder zur Lagerung von Flüssigkeiten oder Gasen, insbesondere
für Behältnisse
in der Kältetechnik
oder für
Rohre, Wasserarmaturen, Hahnverlängerungen,
Rohrverbinder und Ventile in der Sanitärtechnik.
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Die
geringen Korrosionsraten gewährleisten
auch, dass die Metalllässigkeit,
das heißt
die Eigenschaft durch Einwirkung von flüssigen oder gasförmigen Medien
Legierungsanteile auszutragen, an sich gering ist. Insofern eignet
sich der Werkstoff für
Einsatzgebiete, die niedrige Schadstoffemission zum Schutz der Umwelt erfordern.
Damit liegt die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung auf dem Gebiet
recycelbarer Bauteile.
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Die
Unempfindlichkeit gegenüber
Spannungsrisskorrosion empfiehlt die Legierung für eine Verwendung in Schraub-
bzw. Klemmverbindungen, in denen technisch bedingt große elastische
Energien gespeichert werden. Besonders geeignet ist damit die Verwendung
der Legierung für
alle zug- und/oder torsionsbeanspruchten Bauteile, insbesondere
für Schrauben
und Muttern. Nach Kaltumformung erreicht der Werkstoff hohe Werte
für die
Dehngrenze. Somit können
in Schraubverbindungen, die sich nicht plastisch verformen dürfen, größere Anziehdrehmomente
realisiert werden. Das Streckgrenzenverhältnis der Cu-Zn-Si- Legierung ist kleiner
als bei Automatenmessing. Schraubverbindungen, die nur einmal angezogen
und dabei bewusst überdehnt
werden, erreichen damit besonders hohe Haltekräfte.
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Verwendungsmöglichkeiten
der Cu-Zn-Si-Legierung ergeben sich sowohl für rohrförmige als auch bandförmige Ausgangsmaterialien.
Sie eignet sich auch gut für
fräs- oder
stanzbare Bänder,
Bleche und Platten, insbesondere für Schlüssel, Gravuren, für dekorative
Zwecke oder für
Stanzgitteranwendungen.
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Die
drittgenannte Aufgabe hinsichtlich einer Herstellung einer solchen
Kupfer-Zink-Silizium-Legierung ist
gelöst
durch konventionellen Strangguss und Warmwalzen zwischen 600 bis
760°C mit
anschließendem Umformen,
insbesondere Kaltwalzen, bevorzugt ergänzt durch weitere Glüh- und Umformschritte.
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Die
Aufgabe hinsichtlich einer Herstellung einer solchen Kupfer-Zink-Silizium-Legierung ist auch
gelöst
durch konventionellen Strangguss und Strangpressen bei bis zu 760°C, bevorzugt
zwischen 650 und 680°C
und Abkühlung
an Luft.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Cu-Zn-Si-Legierung umfasst
diese 75 bis 77 % Kupfer, 2,8 bis 4 % Silizium und 0,001 bis 0,1
% Bor sowie 0,03 bis 0,1 % Phosphor und/oder Arsen, neben Zink als
Restelement sowie unvermeidbaren Verunreinigungen.
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In
einer bevorzugten Alternative umfasst die Kupfer-Zink-Silizium-Legierung
wenigstens ein Element in Gew.-% aus der Gruppe Blei mit 0,01 bis
2,5 %, Zinn mit 0,01 bis 2 %, Eisen mit 0,01 bis 0,3 %, Kobalt mit 0,01
bis 0,3 %, Nickel mit 0,01 bis 0,3 % und Mangan mit 0,01 bis 0,3
%. Durch die Zugabe von Blei, lässt
sich die Zerspanbarkeit positiv beeinflussen.
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Dabei
umfasst die Legierung in vorteilhafter Weise wenigstens ein Element
in Gew.-% aus der Gruppe 0,01 bis 0,1 % Blei, 0,01 bis 0,2 % Zinn,
0,01 bis 0,1 % Eisen, 0,01 bis 0,1 % Kobalt, 0,01 bis 0,1 % Nickel
und 0,01 bis 0,1 % Mangan.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Cu-Zn-Si-Legierung zusätzlich wenigstens
ein Element in Gew.-% mit bis zu 0,5 % Silber, bis zu 0,5 % Aluminium,
bis zu 0,5 % Magnesium, bis zu 0,5 % Antimon, bis zu 0,5 % Titan
und bis zu 0,5 % Zirkon, vorzugsweise aus der Gruppe aus 0,01 bis
0,1 % Silber,0,01 bis 0,1 % Aluminium, 0,01 bis 0,1 % Magnesium,
0,01 bis 0,1 % Antimon, 0,01 bis 0,1 % Titan und 0,01 bis 0,1 % Zirkon.
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In
einer vorteilhaften Alternative umfasst die Cu-Zn-Si-Legierung zusätzlich wenigstens
ein Element in Gew.-% aus der Gruppe aus bis 0,3 % Cadmium, bis
0,3 % Chrom, bis 0,3 % Selen, bis 0,3 % Tellur und bis 0,3 % Wismut,
vorzugsweise aus der Gruppe aus 0,01 – 0,3 % Cadmium, 0,01 – 0,3 %
Chrom, 0,01 – 0,3
% Selen, 0,01 – 0,3
% Tellur und 0,01 – 0,3
% Wismut.
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Ein
Ausführungsbeispiel
wird anhand nachstehenden Beschreibung näher erläutert.
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Die
dem Ausführungsbeispiel
zugrunde liegende CuZn21Si3P-Legierungen weisen Konzentrationsvariationen
der Anteile auf, mit Kupfer zwischen 75,8 und 76,1 %, Silizium zwischen
3,2 und 3,4 % und Phosphor zwischen 0,07 und 0,1 % nebst Zink als
restlichem Anteil und unvermeidlichen Verunreinigungen. Die Legierungsbeispiele
zeigen einen unterschiedlichen Borgehalt von 0 %, 0,004 % und 0,009
%. Die Herstellung der Legierungen erfolgt durch Stranggießen, anschließendem Strangpressen
bei Temperaturen unterhalb 760°C, bevorzugt
zwischen 650 und 680°C,
und schneller Abkühlung.
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Alle
Legierungen weisen eine hervorragende Entzinkungsbeständigkeit
auf. Ein Entzinkungstest nach ISO 6509 ergibt Entzinkungstiefen
von lediglich weniger als 26 μm.
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Werden
CuZn21Si3P-Legierungen, beispielsweise bei der Warmverformung, Temperaturen
von 300 – 800°C ausgesetzt,
bildet sich Zunder aus, der sich leicht ablöst und die Produktionsanlagen
verunreinigt. Die Ausbildung der Zunderschicht wurde nach einer
Glühung
von 2h bei 600°C
an einer CuZn21Si3P-Legierung ohne Borzusatz, einer CuZn21Si3P-Legierung
mit 0,0004 % Bor und einer CuZn21Si3P-Legierung mit 0,009 % Bor
untersucht . Die borfreie Legierung zeigt eine stark verzunderte
Oberfläche.
Es sind lediglich einige wenige, vereinzelte zunderfreie Flecken
auf der Legierungsoberfläche
zu erkennen, die nicht regelmäßig verteilt sind.
Im Gegensatz dazu zeigt die Oberfläche der CuZn21Si3P-Legierung
mit einem Boranteil von 0,0004 % eine sehr viel größere Anzahl
zunderfreier Flecken auf der als die borfreie Legierung. Diese zunderfreien
Flecken geben metallisch blanke Bereiche der Legierung wieder. Diese
metallisch blanken Bereiche, also Bereiche, die nicht verzundert
sind, sind gleichmäßig über die
Oberfläche
der Legierung verteilt. Der Anteil der verzunderten Oberfläche ist
deutlich reduziert, und der verbliebene Zunder haftet fester am
Metall als bei der borfreien Legierung. Eine CuZn21Si3P-Legierung,
die 0,009 % Bor aufweist, zeigt an ihrer Oberfläche, dass die Anzahl der metallisch
blanken Flächen,
also der zunderfreien Flecken, weiter zugenommen hat. Teilweise
liegen größere zusammenhängende Bereiche
metallisch blanken Materials vor, und eine sehr regelmäßige Verteilung
auf der Oberfläche
der Legierung ist zu erkennen. Der verzunderte Oberflächenanteil
hat weiter abgenommen und der verbleibende Zunder haftet fest am
Metall. Es hat sich also überraschender
Weise gezeigt, dass geringe Borkonzentrationen von 0,0001 – 0,5 %
die Zunderbildung bei Cu-Zn-Si-Legierungen
einschränken
und gleichzeitig die Haftung des Zunders am Metall deutlich erhöhen, wodurch
eine unerwünschte
Verunreinigung der Produktionsanlagen vermieden wird.
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Ein
vergleichbares Ergebnis wurde auch für Cu-Zn-Si-P-Legierungen gefunden,
die unterschiedliche Gehalte von Blei aufweisen, wie beispielsweise
0,01 %, 0,05 %, 0,1 % oder 2,5 %.
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Neben
der Reduzierung der Neigung zur Verzunderung von Cu-Zn-Si-Legierungen wirkt
sich Bor auch positiv auf die mechanischen Eigenschaften aus, da
durch Bor das Legierungsgefüge
homogener wird. Diese Veränderung
des Legierungsgefüges
ist in Abhängigkeit
von der Borkonzentration erkennbar. Während eine CuZn21Si3P-Legierung
ohne Zusatz von Bor ein grobes, inhomogenes Gefüge zeigt, weist eine CuZn21Si3P-Legierung
mit 0,0004 % Bor ein deutlich homogeneres Gefüge auf, das bereits sehr gleichmäßige Korngrößen zeigt.
Eine weitere Erhöhung
des Borgehalts auf 0,009 % bewirkt, dass eine CuZn21Si3P-Legierung
noch gleichmäßiger ist
bzw. die Homogenität
noch größer geworden
ist, wobei die Gefügekörnung mit dem
bloßen
Auge nicht mehr erkennbar ist.
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Neben
optischen Veränderungen
des Gefüges
wirkt sich die Zugabe von Bor auch positiv auf die mechanischen
Eigenschaften aus. Dies ist besonders an Stangen, die aus Cu-Zn-Si-Legierungen
gepressten wurden, zu erkennen. Zur Bestimmung der mechanischen
Eigenschaften wurden am Anfang und am Ende solcher Stangen Proben
entnommen. Die Zugfestigkeit einer Stange aus einer CuZn21Si3P-Legierung
ohne Borzusatz weicht am Anfang im Vergleich zum Ende der Stange
um mehr als 60 N/mm2 ab. Eine entsprechende Legierung
mit einem Boranteil von 0,0004 % weist im Gegensatz dazu zwischen
Anfang und Ende der Stange nur noch einen Unterschied in der Zugfestigkeit
von unter 40 N/mm2 auf. Durch eine Zugabe
von 0,009 % Bor zu einer CuZn21Si3P-Legierung liegt die Abweichung
in der Zugfestigkeit zwischen Stangenanfang und -ende unter 5 N/mm2.
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Das
Material weist also durchgängig
identische mechanische Eigenschaften auf. Es wird demnach eine gleichmäßige Festigkeit über die
gesamte Presslänge
hinweg erreicht. Ursache hierfür
ist die kornfeinende Wirkung des Bors.
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In
der Tabelle ist der Zusammenhang zwischen Borgehalt einer Cu-Zn-Si-Legierung und der
zunehmenden Homogenität
des Legierungsgefüges
bzw. den abnehmenden Festigkeitsunterschieden innerhalb eines gepressten
Werkstücks
zusammengefasst.
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