DE202016101661U1

DE202016101661U1 - Bauteil für medienführende Gas- oder Wasserleitungen

Info

Publication number: DE202016101661U1
Application number: DE202016101661.4U
Authority: DE
Original assignee: Geberit International AG; Rehau AG and Co; Gebr Kemper GmbH and Co KG
Current assignee: Geberit International AG; Gebr Kemper GmbH and Co KG; Rehau Industries SE and Co KG
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2017-06-30
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: EP3225707B1; WO2017167441A2; EP3225707A1; DK3225707T3; WO2017167441A3; PL3225707T3; RU2712161C1

Abstract

Bauteil für medienführende Gas- oder Wasserleitungen, insbesondere Fitting oder Armatur für Trinkwasserleitungen, wobei das Bauteil zumindest teilweise aus einer bleifreien Kupferlegierung besteht, die die folgenden Legierungskomponenten in Gew.-% aufweist: 3,5 Gew.-% ≤ Sn ≤ 4,8 Gew.-%; 1,5 Gew.-% ≤ Zn ≤ 5,0 Gew.-%; 0,25 Gew.-% ≤ S ≤ 0,65 Gew.-%; 0,015 Gew.-% ≤ P ≤ 0,1 Gew.-%; unvermeidbare Verunreinigungen sowie zum Rest Kupfer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil für medienführende Gas- oder Wasserleitungen, insbesondere Fitting oder Armatur für Trinkwasserleitungen, wobei das Bauteil zumindest teilweise aus einer bleifreien Kupferlegierung besteht.
An metallische Werkstoffe für den Einsatz in Bauteilen für wasserführende, insbesondere trinkwasserführende Gewerke, wie beispielsweise Fittings, Armaturen, Rohre, Pressverbinder, Dach- oder Ablaufrinnen, sind besondere Anforderungen zu stellen. Insbesondere im Falle von mit Trinkwasser in Kontakt stehenden Bauteilen ist dabei die Korrosionsbeständigkeit zu nennen. Insbesondere stark kupferhaltige Buntmetall-Legierungen wie Bronze, Messing oder Rotguss enthalten auch einen gewissen Anteil an Blei, weil Blei die Bearbeitbarkeit derartiger Legierungen verbessert. In der Praxis ist in solchen Legierungen auch Nickel vorhanden, um die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Legierungen zu erhöhen. Aufgrund der Toxizität dieser Metalle müssen solche Werkstoffe allerdings eine geringe Migrationsneigung von Metallionen in das Medium aufweisen, d.h. eine geringe Abgabe von Ionen der Legierungskomponenten an das Medium. Hierzu sind durch die Werkstoffe zum Schutz der Verbraucher sehr enge Grenzen einzuhalten, die durch die Trinkwasserordnung geregelt sind. Dazu ist aus der EP 1 798 298 A1 eine weitgehend blei- und nickelfreie Kupferlegierung bekannt, die neben Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen 2 Gew.-% bis 4,5 Gew.-% Silizium, 1 Gew.-% bis 15 Gew.-% Zink, 0,05 Gew.-% bis 2 Gew.-% Mangan sowie optional 0,05 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Aluminium und 0,05 Gew.-% bis 2 Gew.-% Zinn umfasst. Die in der EP 1 798 298 A1 beschriebene Legierung zeigt ein gegenüber einem herkömmlichen Rotguss verbessertes Migrationsverhalten für Blei-, Nickel-, Kupfer- und Zinkionen. Die Legierung kann nach dem Gießen einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um einen hohen Anteil an α-Mischkristall und damit ein besonders günstiges Migrationsverhalten der Legierung zu erzielen.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Kupferlegierung zur Herstellung von Bauteilen für medienführende Gas- oder Wasserleitungen anzugeben, die eine gegenüber Standardmessing und entzinkungsbeständigem Messing verbessertes Korrosionsverhalten zeigt. Darüber hinaus soll die bleifreie Kupferlegierung ein gutes Gießverhalten besitzen.
Diese und andere Aufgaben werden durch ein Bauteil für medienführende Gas- oder Wasserleitungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bauteils sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß der vorliegend Erfindung wurde überaschenderweise erkannt, dass eine bleifreie Kupferlegierung, die als Legierungskomponenten in Gew.-% neben Kupfer (Cu) und unvermeidbare Verunreinigungen noch 3,5 Gew.-% ≤ Zinn (Sn) ≤ 4,8 Gew.-%, 1,5 Gew.-% ≤ Zink (Zn) ≤ 5,0 Gew.-%, 0,25 Gew.-% ≤ Schwefel (S) ≤ 0,65 Gew.-% und 0,015 Gew.-% ≤ Phosphor (P) ≤ 0,1 Gew.-% umfasst, bei Kontakt mit Wassern verschiedener Wasserqualität eine gegenüber Standardmessing und entzinkungsbeständigem Messing verbesserte Deckschichtbildung zeigt, was durch geeignete Warmauslagerungsversuche belegt ist. Aufgrund dieser verbesserten Deckschichtbildung zeigt die bleifreie Kupferlegierung keinerlei Entzinkung oder ähnliche selektive Korrosionsangriffe. Daher verfügt die bleifreie Kupferlegierung über eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit über den gesamten, durch die Trinkwasserverordnung (nachstehend als „TWVO“ bezeichnet) vorgegebenen Rahmen. Darüber hinaus zeigt die bleifreie Kupferlegierung aufgrund eines geringen Abbrands (d.h. in der Schmelze geht nur ein geringer Anteil der Legierung durch Hitze verloren) ein gutes Gießverhalten. Die bleifreie Kupferlegierung ist mit Ausnahme der darin enthaltenen dispersen Partikeln einphasig ausgebildet, so dass eine zusätzliche Wärmebehandlung nach dem Gießen nicht erforderlich ist. In der bleifreien Kupferlegierung beläuft sich der Anteil an Zinn (Sn) erfindungsgemäß auf 3,5 Gew.-% bis 4,8 Gew.-%. Unterhalb von 3,5 Gew.-% Zinn erfolgt keine wirksame Korrosionsinhibierung, während ein Gehalt an Zinn von mehr als 4,8 Gew.-% nicht wirtschaftlich wäre. Unter diesen Gesichtspunkten liegt der Gewichtsanteil an Zinn in der bleifreien Kupferlegierung bevorzugt im Bereich von 3,8 Gew.-% bis 4,6 Gew.-%. Der Anteil an Zink (Zn) in der bleifreien Kupferlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich von 1,5 Gew.-% bis 5,0 Gew.-%. Ein Anteil von mindestens 1,5 Gew.-% Zink ist in der bleifreien Kupferlegierung erforderlich, um die Gießbarkeit zu gewährleisten, während ein Anteil an Zink von mehr als 5,0 Gew.-% die Gefahr der Ausbildung zinkreicher Bereiche in der bleifreien Kupferlegierung erhöhen, was die Gefahr einer lokalen Korrosion innerhalb der bleifreien Kupferlegierung erhöhen würde. Vorzugsweise ist Zink (Zn) in der bleifreien Kupferlegierung mit einem Gewichtsanteil von 2,0 Gew.-% bis 4,5 Gew.-%, besonders bevorzugt 2,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% enthalten. In der bleifreien Kupferlegierung beläuft sich der Anteil an Schwefel (S) erfindungsgemäß auf 0,25 Gew.-% bis 0,65 Gew.-%. In diesem Bereich des Schwefelanteils stehen die Anteile von Kupfersulfid und Zinksulfid in einem für die Bearbeitbarkeit der Legierung besonders günstigen Verhältnis. Bevorzugt liegt unter diesem Gesichtspunkt der Gewichtsanteil an Schwefel in der bleifreien Kupferlegierung im Bereich von 0,3 Gew.-% bis ≤ 0,6 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 0,35 Gew.-% bis ≤ 0,55 Gew.-%. Der Anteil an Phosphor (P) in der bleifreien Kupferlegierung beträgt erfindungsgemäß auf 0,015 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%. Unterhalb von 0,015 Gew.-% Phosphor erfolgt keine ausreichende Desoxidation der Kupferlegierung in der Schmelze, was sich auf den Zinnanteil in der Legierung negativ auswirken würde. Hingegen neigt die bleifreie Kupferlegierung bei einem Phosphoranteil von mehr als 0,1 Gew.-% zur Ausbildung eines übermäßig dichten Gefüges, was sich negativ auf die Warmverformbarkeit der bleifreien Kupferlegierung auswirkt. Unter diesen Gesichtspunkten liegt der Gewichtsanteil an Phosphor in der bleifreien Kupferlegierung vorzugsweise im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 0,08 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 0,02 Gew.-% bis 0,06 Gew.-%. Aufgrund der Legierungszusammensetzung liegen die Metallsulfide in der bleifreien Kupferlegierung als inkohärente, fein verteilte, disperse Phase vor. Damit bilden die Metallsulfide in der bleifreien Kupferlegierung Partikel im Legierungsgefüge. Eine eventuell in geringem Umfang auftretende Korrosion erfolgt daher nur lokal an den Partikeln und nicht entlang des Legierungsgefüges.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Bauteil für medienführende Gas- oder Wasserleitungen, insbesondere Fitting oder Armatur für Trinkwasserleitungen, wobei das Bauteil zumindest teilweise aus einer bleifreien Kupferlegierung besteht, die als Legierungskomponenten in Gew.-% neben Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen noch 3,5 Gew.-% ≤ Zinn ≤ 4,8 Gew.-%, 1,5 Gew.-% ≤ Zink ≤ 5,0 Gew.-%, 0,25 Gew.-% ≤ Schwefel ≤ 0,65 Gew.-% sowie 0,015 Gew.-% ≤ Phosphor ≤ 0,1 Gew.-% umfasst.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „bleifreie Kupferlegierung“ eine Kupferlegierung, die Blei als unvermeidbare Verunreinigung in einer Menge von nicht mehr als 0,25 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 0,05 Gew.-% umfasst.
Erfindungsgemäß sind die unvermeidbaren Verunreinigungen vorzugsweise auf einen Anteil von insgesamt nicht mehr als 1,0 Gew.-%, besonders bevorzugt nicht mehr 0,5 Gew.-% in der bleifreien Kupferlegierung enthalten. In ganz besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bauteile sind die unvermeidbaren Verunreinigungen in der bleifreien Kupferlegierung auf einen Anteil von insgesamt nicht mehr als 0,25 Gew.-% beschränkt. Dies gilt insbesondere für den gemeinsamen Anteil an Blei und Nickel in der bleifreien Kupferlegierung, um die Möglichkeit zur Migrationsneigung dieser beiden Metalle aus der bleifreien Kupferlegierung gering zu halten. Ferner ist Blei in der bleifreien Kupferlegierung als unvermeidbare Verunreinigung in einer Menge von nicht mehr als 0,25 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr als 0,05 Gew.-% vorhanden. Alternativ oder zusätzlich ist Nickel in der bleifreien Kupferlegierung als unvermeidbare Verunreinigung in einer Menge von insgesamt nicht mehr als 0,7 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr 0,5 Gew.-% enthalten.
Vorzugsweise beträgt der Kupfergehalt der bleifreien Kupferlegierung mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 91 Gew.-%.
In bevorzugten Ausführungsformen kann die bleifreie Kupferlegierung auch Anteile der Elemente Eisen (Fe), Zirconium (Zr) und/oder Bor (B) allein oder in einer Kombination von mindestens zwei der genannten Elemente als Kornfeiner enthalten. Dabei ist es bevorzugt, dass Eisen in einem Gewichtsanteil von bis zu 0,3 Gew.-%, Zirconium in einem Gewichtsanteil von bis zu 0,01 Gew.-% und/oder Bor in einem Gewichtsanteil von bis zu 0,01 Gew.-% in der bleifreien Kupferlegierung enthalten sind. Das Vorliegen dieser als Kornfeiner fungierenden Elemente in der bleifreien Kupferlegierung beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der bleifreien Kupferlegierung positiv.
Es hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn das erfindungsgemäße Bauteil zumindest abschnittsweise eine Wandstärke im Bereich von 0,5 mm bis 5,0 mm aufweist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die bleifreie Kupferlegierung bei geringen Wandstärken in diesem Bereich eine feinere Verteilung der Cu₂S-Phasen, woraus eine verbesserte Spanbarkeit und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit der bleifreien Kupferlegierung resultiert. Eine Wandstärke unterhalb von 0,5 mm könnte die mechanische Festigkeit des erfindungsgemäßen Bauteils negativ beeinflussen. Unter diesen Gesichtspunkten ist es bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Bauteil zumindest abschnittsweise eine Wandstärke im Bereich von 1,0 mm bis 4,0 mm aufweist. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das gesamte erfindungsgemäße Bauteil eine Wandstärke innerhalb der genannten Bereiche von 0,5 mm bis 5,0 mm besitzt.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, wenn das Kupfersulfid-zu-Zinksulfid-Verhältnis in der bleifreien Kupferlegierung in einem Bereich von 10–0,1 vorzugsweise in einem Bereich von 5–0,4 liegt. Wie hierin verwendet bedeutet der Begriff „Kupfersulfid-zu-Zinksulfid“ den Quotienten des Volumenanteils der Kupfersulfid-Partikel zum Volumenanteils der Zinksulfid-Partikel in einer Legierung. Bei einem relativen Anteil von Kupfersulfid-Partikeln zu Zinksulfid-Partikeln in diesem Bereich verfügt das aus der bleifreien Kupferlegierung hergestellte erfindungsgemäße Bauteil über eine hohe Druckfestigkeit.
In Gussversuchen konnte belegt werden, das die erfindungsgemäßen Bauteile für medienführende Gas- oder Wasserleitungen mit den herkömmlichen Gussverfahren, wie Sand-, Kokillen-, oder Stranggussverfahren herstellbar sind. Keine speziellen Anforderungen gelten hierbei für die Bedingungen zum Abkühlen der Schmelze. Das durch derartige Gussverfahren hergestellte Gussteil lässt sich gut spanhebend bearbeiten.
Hierin verwendet wird unter dem Begriff „Bauteil für medienführende Gas- oder Trinkwasserleitungen“ insbesondere solche Bauteile zu verstehen, die einem Hausinstallationsrohrsystem mit Wasser, insbesondere mit Trinkwasser in Verbindung kommen, wobei Fitting und Armaturen derartiger Hausinstallationsrohrsysteme erfindungsgemäß bevorzugt sind. Als Beispiel für ein derartiges Fitting ist insbesondere das aus der EP 2 250 421 A1 bekannte Verbindungsstück zu nennen.
Nachstehend soll die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele und damit durchgeführte Tests näher erläutert werden. Es versteht sich, dass diese Beispiele nicht als die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend zu betrachten sind. Sofern nichts anderes angegeben ist, sind in der vorliegenden Anmeldung einschließlich der Ansprüche sämtliche Prozentangaben und Anteilsangaben auf das Gewicht bezogen.
Warmauslagerungstests zur Korrosionsbeständigkeit von Legierungen
Zur Beurteilung der Korrosionsbeständigkeit von Kupferlegierungen wurde ein Warmauslagerungstest entwickelt, der das Langzeitkorrosionsverhalten von Legierungen in einem fünfmonatigen Versuchszeitraum simulieren soll. Aufbau und Durchführung des Tests lehnen sich an die seit Jahrzehnten etablierten auf Diagrammen basierenden Korrosionstest von Turner („The Influence of Water Composition on the Dezincification of Duplex Brass Fittings"; 1965) und den weiterführenden Untersuchungen durch Ladenburg („Untersuchungen von Entzinkungserscheinungen an Fittings aus Kupferlegierungen"; 1966) an. In diesen Untersuchungen wurden Korrosionskurven für die Entzinkung der Werkstoffe aufgenommen. Dabei wurde die Oberfläche der Bauteile nach einem Monat Auslagerungszeit in verschiedenen Wässern beurteilt und daraus Rückschlüsse auf die Entzinkungsbeständigkeit der Legierung gezogen. In den durchgeführten Tests wurde zusätzlich eine abschließende lichtmikroskopische Untersuchung durchgeführt, um Rückschlüsse auf die Korrosionstiefe und die Korrosionsart treffen zu können.
Für die Warmauslagerungstests wurden die folgenden bleifreien Kupferlegierungen eingesetzt, wobei die Anteile der Komponenten in nachstehender Tabelle 1 in Gew.-% angegeben sind und die Summe aller unvermeidbaren Verunreinigungen als Rest zusammengefasst ist: Tabelle 1:

Legierung Cu Sn Zn S P Rest

1 91,16 4,52 3,48 0,31 0,02 0,51

2 92,63 3,82 2,47 0,62 0,02 0,44
Zur Herstellung von Prüfkörpern wurden aus den Legierungen 1 und 2 Halbzylinder mit einer Wandstärke von 5 mm gegossen und mit einer Durchgangsbohrung versehen. Die Oberfläche der Prüfkörper wurde mit Aceton gereinigt. Anschließend wurden die Prüfkörper frei hängend in Schnappdeckelgläser als Prüfbehältnis eingebracht. Die Prüfbehältnisse wurden dann zu 75 % ihrer Höhe mit den Testmedien befüllt, luftdicht mit einem Deckel verschlossen und für fünf Monate in einen Wärmeschrank bei 90°C eingestellt, wobei das Prüfmedium jeweils in Intervallen von sieben Tagen gewechselt wurde. Als Prüfmedien wurden jeweils 21 verschiedene Prüfwasser mit unterschiedlichen Gehalten an Chloridionen, Wasserhärten und pH-Werten eingesetzt. Nach Abschluss des fünfmonatigen Testzeitraums werden die Prüfbehältnis aus dem Wärmeschrank entnommen, auf Raumtemperatur abgekühlt, die Prüfkörper aus den jeweiligen Prüfbehältnissen entnommen, getrocknet, aufgeschnitten und die Schnittfläche nach entsprechender Aufarbeitung lichtmikroskopisch untersucht.
Die Legierungen 1 und 2 zeigten über den gesamten geprüften Bereich eine herausragende Deckschichtbildung und sind frei von selektiven Korrosionsangriffen (z. B. Entzinkungsbeständigkeit und Spannungsrisskorrosion).
Einfluss der Wandstärke auf die Kupfersulfidpartikel im Legierungsgefüge
Zur Untersuchung des Einflusses der Wandstärke von erfindungsgemäßen Bauteilen auf die Größe und Verteilung von Kupfersulfidpartikeln im Legierungsgefüge wurden aus der in nachstehender Tabelle 2 angegebener Legierung verschiedenen Wandstärken gegossen, wobei die Anteile der Komponenten in nachstehender Tabelle 2 in Gew.-% angegeben sind und die Summe aller unvermeidbaren Verunreinigungen als Rest zusammengefasst ist. Tabelle 2:

Legierung Cu Sn Zn S P Rest

1 91,16 4,52 3,48 0,31 0,02 0,51
Zur Herstellung von Prüfkörpern wurden aus der Legierung 1 erfindungsgemäße Bauteile mit verschiedenen Wandstärken gegossen. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur aufgeschnitten und die Schnittfläche nach entsprechender Aufarbeitung lichtmikroskopisch untersucht. Dabei hat es sich erwiesen, dass die Legierung bei einer Wandstärke unterhalb von 5 mm eine sehr feine Verteilung der Kupfersulfidpartikel zeigt, woraus eine verbesserte Spanbarkeit und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit der bleifreien Kupferlegierung resultiert.
Voranstehend wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben. Für den Fachmann ist es jedoch ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf diese Beispiele eingeschränkt ist, sondern sich der Umfang der vorliegenden Erfindung aus den beiliegenden Ansprüchen ergibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1798298 A1 [0002, 0002]
EP 2250421 A1 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„The Influence of Water Composition on the Dezincification of Duplex Brass Fittings“; 1965 [0016]
„Untersuchungen von Entzinkungserscheinungen an Fittings aus Kupferlegierungen“; 1966 [0016]

Claims

Bauteil für medienführende Gas- oder Wasserleitungen, insbesondere Fitting oder Armatur für Trinkwasserleitungen, wobei das Bauteil zumindest teilweise aus einer bleifreien Kupferlegierung besteht, die die folgenden Legierungskomponenten in Gew.-% aufweist: 3,5 Gew.-% ≤ Sn ≤ 4,8 Gew.-%; 1,5 Gew.-% ≤ Zn ≤ 5,0 Gew.-%; 0,25 Gew.-% ≤ S ≤ 0,65 Gew.-%; 0,015 Gew.-% ≤ P ≤ 0,1 Gew.-%; unvermeidbare Verunreinigungen sowie zum Rest Kupfer.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kupfer in der bleifreien Kupferlegierung in einer Menge von mehr als 90 Gew.-% enthalten ist
Bauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unvermeidbare Verunreinigungen in einer Menge von insgesamt nicht mehr als 1,0 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr 0,5 Gew.-% in der bleifreien Kupferlegierung enthalten sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Blei in der bleifreien Kupferlegierung als unvermeidbare Verunreinigung in einer Menge von insgesamt nicht mehr als 0,25 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr 0,05 Gew.-% enthalten ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Nickel in der bleifreien Kupferlegierung als unvermeidbare Verunreinigung in einer Menge von insgesamt nicht mehr als 0,7 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr 0,5 Gew.-% enthalten ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest abschnittsweise eine Wandstärke im Bereich von 0,5 mm bis 5,0 mm, vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 4,0 mm aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfersulfid-zu-Zinksulfid-Verhältnis in der bleifreien Kupferlegierung in einem Bereich von 10–0,1 vorzugsweise in einem Bereich von 5–0,4 liegt.