DE2758822A1

DE2758822A1 - Verfahren zur herstellung eines kupfer-zink-werkstoffs

Info

Publication number: DE2758822A1
Application number: DE19772758822
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Ruchel
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1977-12-30
Publication date: 1979-07-05
Also published as: GB2011948B; GB2011948A; US4238249A; FR2413476B1; DE2758822C2; FR2413476A1; SE7812963L; SE449109B

Description

Fa. D I E H L, Stephanstr. 49, 8500 Nürnberg

Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Zink-Werkstoffs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Zink-Werkstoffs geringer Korngröße.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der US-PS 2 676 123 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird eine Legierung mit 5 bis 40 Gew.-% Zink,Rest Kupfer sowie Verunreinigungen, zunächst gegossen und auf beliebige Weise, ggf. unter Zwischenglühen, verformt. Die Legierung wird dann bei 500 bis 600 C geglüht und anschließend ohne Zwischenglühen kaltverformt. Eine abschließende Glühung bei Temperaturen um 375° C soll so lange erfolgen, bis die Legierung vollständig rekristallisiert ist, wobei die Korngröße oberhalb 5yum liegt.

Dieses bekannte Verfahren liefert einen Werkstoff, der sich aufgrund seines relativ feinkörnigen Gefüges und seiner daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften gut für spezielle Weiterverarbeitungsverfahren, unter anderem auch für eine weitere Kaltverformung, eignet. So läßt sich dieser Werkstoff mit gutem Erfolg plastisch verformen. Dennoch ist das Gefüge dieses bekannten Werkstoffs noch nicht feinkörnig genug, um auch superplastische Umformungen, die mit außerordentlich großen Dehnungen verbunden sind, zu ermöglichen. Ferner reicht die Feinkörnigkeit des bekannten Werkstoffs noch nicht aus, um die für vide Anwendungsgebiete erforderliche Festigkeit, Dauerschwingfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit, zumindest gegenüber den meisten Korrosionsarten, zu gewährleisten.

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Hinzu kommt, daß der nach dem bekannten Verfahren hergestellte Werkstoff im überwiegenden Bereich der angegebenen Legierungszusammensetzung, und zwar bei 5 bis ca. 37 Gew.-96 Zink, als einphasiges Gefüge, in diesem Fall als cc-Phase, vorliegt. Dieses ct-Gefüge neigt zu Kornvergröberung, insbesondere bei Temperaturerhöhungen. Dies ist auch der Grund, weshalb die Durchführung des bekannten Verfahrens in der Praxis relativ problematisch ist. Bereits eine geringfügige Überschreitung der Glühdauer kann hier zu einer beträchtlichen Vergröberung des Korns und damit zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Zink-Werkstoffs mit einem besonders feinkörnigen Gefüge zu schaffen. Dabei soll einerseits die Erzielung des feinkörnigen Gefüges möglichst unkritisch hinsichtlich der exakten Einhaltung der Glühzeiten sein, andererseits soll dieses Gefüge auch bei einer etwaigen Weiterverarbeitung des Werkstoffs möglichst beständig gegenüber Temperaturerhöhungen sein.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, einen Kupfer-Zink-Werkstoff herzustellen, der über eine einheitliche Korngröße von 5 jum oder weniger verfügt. Aufgrund dieser extrem feinkörnigen Struktur, einem sogenannten Mikroduplex-Gefüge, ist der so hergestellte Werkstoff nahezu beliebig stark kaltverformbar und es lassen sich außergewöhnlich hohe Werte hinsichtlich Härte und Festigkeit erzielen. Wegen seines fast unbegrenzten Formänderungsvermögens ist dieser Werkstoff zugleich besonders gut für zusätzliche Formgebungsprozesse geeignet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei durch eine überraschend geringe Anzahl von Arbeitsgängen sowie durch die Tatsache aus, daß bei seiner Durchführung keinerlei Warmverformungen erforderlich sind. Bei dem nach dem erfindungsgemäßen

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Verfahren hergestellten Kupfer-Zink-Werkstoff ist die ^1-Phase in eine zusammenhängende, durch Korngrenzen unterteilte Matrix aus «.-Mischkristall eingebettet. Da sich aufgrund dieser Gefügestruktur die beiden Phasen gegenseitig am Kornwachstum, z. B. bei Erwärmung, hindern, ist dieses Gefüge besonders beständig sowohl gegenüber einer Überschreitung der Glühdauer bei seiner Herstellung als auch gegenüber Temperaturerhöhungen bei der Weiterverarbeitung. Letzteres wirkt sich insbesondere günstig bei einer eventuell anschließenden Weiterverarbeitung mittels solcher Umformungen aus, die bei erhöhten Temperaturen erfolgen, wie z. B. superplastische Umformungen.

Die Erfindung erteilt dabei die Lehre, daß die Legierung, aus der der Kupfer-Zink-Werkstoff hergestellt wird, einen theoretischen Kupfergehalt von 61 bis 65 Gew.-% aufweisen muß. In diesem Legierungsbereich besitzt das Zweistoffsystem Kupfer-Zink ein Löslichkeitsmaximum der /?/ p^-Phase im oL-Mischkristall und es kommt, bei Durchführung der nach der Erfindung vorgesehenen Ausscheidungs-und Rekristallisationsglühung und unter der Voraussetzung einer vorangegangenen Ka^Itverformung von mindestens 70 %_t zu einer Ausscheidung der /?i-Phase aus dem «.-Mischkristall. Aufgrund dieser extrem feinen Ausgangsverteilung der /?i-Phase in der ot-Mutterphase stellt sich nach beendeter Rekristallisation das superfeine, zweiphasige Gefüge mit weniger als 5 /im, bei den bevorzugten Arbeitsbedingungen unter 2 juun Korngröße ein.

Innerhalb des in der Erfindung angegebenen Legierungsbereichs besteht die Möglichkeit, daß die Legierung aufgrund ihrer Zusammensetzung bereits nach dem Guß ein reines et-Gefüge aufweist. In diesem Fall kann die od-stabilisierende Glühung entfallen und es kann unmittelbar im Anschluß an das Gießen die Kaltverformung erfolgen, so daß sich die Anzahl der notwendigen Verfahrensschritte weiter verringert. Die bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß diese Kaltverformung mittels hydrostatischem Strangpressen erfolgt. Dabei ist es

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einerseits möglich, die gesamte Kaltverformung in einem Arbeitsgang aufzubringen, andererseits können auf diese Weise Werkstücke in einer Größe hergestellt werden, die sie für einen weiten Anwendungsbereich geeignet macht.

Infolge der zur ß<\-Ausscheidung und Rekristallisation erforderlichen Wärmebehandlung geht ein Teil der Materialhärte, die sich bei der hohen Kaltverformung ergibt, zwar wieder verloren, zugleich wird aber eine erheblich höhere Weichfestigkeit als bei den bisher bekannten Messing-Legierungen erzielt. Sofern ein Werkstoff größerer Härte angestrebt wird, ist eine erneute Kaltverformung im Anschluß an die Ausscheidungs- und Rekristallisationsglühung möglich, wobei die Festigkeit schneller als bei normalem Gefüge ansteigt. Der Umformungsgrad richtet sich dabei nach der gewünschten Endhärte. Wegen des extrem feinkörnigen Gefüges und der daraus resultierenden exzellenten Kaltverformbarkeit sind bei dieser abschließenden Kaltverformung Umformungsgrade von über 99 % möglich, ohne daß eine merkliche Materialsprödigkeit auftritt.

Es 1st aber auch möglich, bei dieser abschließenden Kaltverformung eine oder mehrere Zwischenglühungen einzulegen, ohne daß es dadurch zu einem nennenswerten Anstieg der Korngröße kommt.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Legierung zur Verbesserung der Zerspanbarkeit einen Bleizusatz mit einem Legierungsanteil von bis zu 3 Gew.-96 erhalten. Das Blei wird dabei in Form isolierter Ausscheidungen in das Mikroduplex-Gefüge eingelagert.

Ferner kann der Legierung ein Nickelzusatz von bis zu 5 Gew.-90 beigefügt werden. Dieser Zusatz wirkt in bekannter Weise rekristallisationshemmend und trägt daher sowohl zum Zustandekommen eines besonders feinkörnigen Gefüges als auch zu einer weiteren Verbesserung der Verarbeitbarkeit und der Festigkeit

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des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffs bei. Für den gleichen Zweck können auch bis zu 0,1 Gew.-% Zirkonium, Silber, Niob oder Vanadium oder aber andere, ebenfalls rekristallisationshemmend wirkende Zusätze in Anteilen von bis zu 0,1 Gew.-% der Legierung beigefügt werden. Weiterhin kann die Legierung auch Zusätze von bis zu 0,1 Gew.-% Arsen, Antimon oder Phosphor bzw. eine Kombination dieser Elemente erhalten, die in bekannter Weise die X-Phase vor Entzinkung schützen.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Zink-Werkstoffs beschrieben.

Das Verfahren geht aus von einer Legierung mit einem theoretischen Kupfergehalt von 61 bis 65, vorzugsweise etwa 62 Gew.-%, Rest Zink und übliche Verunreinigungen.

Der theoretische Kupfergehalt ist dabei derjenige Kupfergehalt, den eine Legierung mit dritten Komponenten, wie Verunreinigungen und Zusätzen, aufzuweisen scheint, wenn man das <Χ-Ιβ·\-Verhältnis der Legierung beim Gleichgewichtszustand auf das «/^-Verhältnis einer Legierung bezieht, die ausschließlich aus Kupfer und Zink besteht.

Der für einen geforderten theoretischen Kupfergehalt, d. h. zur Erzielung eines angestrebten Gefüges erforderliche wahre Kupfer gehalt läßt sich über bekannte Koeffizienten berechnen. Der wahre Kupfergehalt kann dabei je nach Wirkung und Vorhandensein dritter Komponenten sowohl innerhalb des angegebenen Bereiches für den theoretischen Kupfergehalt liegen als auch darunter oder darüber.

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Die Legierung mit der oben angegebenen Zusammensetzung wird zunächst mittels eines beliebigen Gußverfahrens, ζ. Β. Stranggießen, gegossen. Sofern die Legierung nach dem Guß nicht bereits aufgrund ihrer Zusammensetzung ein reines ot-Gefüge aufweist, erfolgt im Anschluß an den Guß zunächst eine Oi-stabilisierende Glühung. Diese wird bei Temperaturen zwischen 450 und 700° C, bevorzugt bei etwa 500° C, und bei einer Glühdauer zwischen 15 Minuten bei 700° C und etwa 100 Stunden bei 450° C durchgeführt. Wichtig ist, daß die Legierung in jedem Fall vor dem Beginn des Kaltumformprozesses in der Λ-Phase vorliegt und keine /?-Phase mehr enthält.

Die Kaltverformung erfolgt dann mit einem Verfahren, das geeignet ist, hohe Kaltumformgrade in möglichst wenigen Arbeitsgängen aufzubringen. Bevorzugt wird hierbei die Kaltverformung mittels hydrostatischem Strangpressen, jedoch sind auch andere Verfahren, wie konventionelles Strangpressen, Abrollwalzen, Pilgern oder Rundhämmern, denkbar. Der Umformungsgrad, der dabei aufzubringen ist, beträgt mindestens 70, vorzugsweise mehr als 85 %. Der Grad der Kaltverformung ist dabei zugleich maßgebend für die Intensität der anschließenden Wärmebehandlung, die die Ausscheidung der ^-|-Phase sowie die Rekristallisation des Gefüges bewirken soll.

Bei einer voraufgegangenen Kaltverformung von etwa 90 % ist die Rekristallisation nach einer Glühdauer von vier Stunden bei einer Glühtemperatur von 275° C abgeschlossen. Die Legierung liegt jetzt als superfeines, zweiphasiges Gefüge mit einer einheitlichen Korngröße von 1 bis 2yum vor.

Es ist nunmehr beispielsweise möglich, den Werkstoff bei Temperaturen bis zu 350° C einer superplastischen Umformung zu unterwerfen, wobei es infolge der guten Temperaturstabilität des Mikroduplex-Gefüges zu keiner wesentlichen Kornvergröberung kommt. Das superfeine Korn gestattet es, mit geringen Umformkräften relativ große Umformungen, auch zu komplizierteren Formen, zu erzietei.

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Soll andererseits eine definierte Materialhärte eingestellt werden, z. B. für eine Verwendung des Kupfer-Zink-Werkstoffs bei der Herstellung von Schrauben oder Federn, so kann der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Werkstoff nunmehr aber auch erneut kaltverformt werden.

Zur Realisierung schwieriger herzustellender Formen durch eine abschließende Kaltverformung, z. B. durch Tiefziehen, kann diese auch durch eine oder mehrere Zv/i schenglühungen unterbrochen werden. Die Glühtemperatur, die dabei aufzubringen ist, um die erforderliche Materialerweichung zu erzielen, liegt bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoff mit etwa 275° C deutlich unterhalb der üblichen Weichglühtemperaturen von ca. 500° C, bei etwas verlängerter Glühdauer. Dadurch ist es sowohl möglich, das Mikroduplex-Gefüge während des gesamten Tiefziehprozesses beizubehalten, als auch ein bei höheren Glühtemperaturen u. U. erforderlich werdendes nachfolgendes Beizen zu vermeiden.

Abschließend sei das erfindungsgemäe Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Beispiel:

Eine Legierung mit 61 Gew.-% Kupfer, 2 Gew.-% Blei, 0,03 Gew.-% Arsen, Rest Zink und Verunreinigungen wird im Strangguß gegossen, wobei das Gefüge nach dem Guß ca. 15 % /^-Phase aufweist. Anschließend wird der Werkstoff 48 Stunden bei 500° C geglüht, so daß nur noch <x-Phase vorliegt, und dann nach Säuberung der Oberfläche mittels Abdrehen in einer geschmierten konischen Matrize bei Raumtemperatur von 70 mm Durchmesser auf 25 mm Durchmesser strangepreßt. Der Strang wird anschließend 8 Stunden einer Glühung von 275° C unterzogen und weist danach ein Mikroduplex-Gefüge mit einer einheitlichen Korngröße von 1-2 um auf.

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Claims

P 492 Die/Lu Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Zink-Werkstoffs geringer Korngröße,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Legierung mit einem theoretischen Kupfergehalt von 61 bis 65, vorzugsweise etwa 62 Gew.-%, Rest Zink und übliche Verunreinigungen zunächst gegossen wird, anschließend bei einer Temperatur zwischen 450 und 700° C und einer Glühdauer zwischen 15 Minuten und 100 Stunden einer öl-stabilisierenden Glühung unterzogen wird, dann mittels eines Verfahrens, das hohe Kaltumformgrade in einem oder wenigen Arbeitsgängen aufzubringen ermöglicht, mit einem Verformungsgrad von mindestens 70, vorzugsweise über 85 % kaltverformt wird und nachfolgend bei Temperaturen zwischen 200 und 350, vorzugsweise zwischen 250 und 300° C und einer Glühdauer zwischen einer Minute und 500 Stunden, vorzugsweise zwischen einer und acht Stunden, einer zu fa-Ausscheidung und Rekristallisation führenden Wärmebehandlung derart unterzogen wird, daß der Kupfer-Zink-Werkstoff ein Gefüge aufweist, in dem die rekristallisierten Phasen oc und J3^ als direktes feines Gemisch vorliegen, wobei der Anteil der /?1 -Phase 10 bis 50, vorzugsweise etwa 30 bis 40 % beträgt und diese Phase in Form diskreter Teilchen in den Korngrenzen der οι-Phase angeordnet ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Kupfer-Zink-Werkstoffs geringer Korngröße,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Legierung mit einem theoretischen Kupfergehalt von

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61 bis 65, vorzugsweise etwa 62 Gew.-%, Rest Zink und übliche Verunreinigungen zunächst gegossen wird, dann mittels eines Verfahrens, das hohe Kaltumformgrade in einem oder wenigen Arbeitsgängen aufzubringen ermöglicht, mit einem Verformungsgrad von mindestens 70, vorzugsweise über 85 % kaltverformt wird und nachfolgend bei Temperaturen zwischen 200 und 350, vorzugsweise zwischen 250 und 300° C und einer Glühdauer zwischen einer Minute und 500 Stunden, vorzugsweise zwischen einer und acht Stunden, einer zu ß-\- Ausscheidung und Rekristallisation führenden Wärmebehandlung derart unterzogen wird, daß der Kupfer-Zink-Werkstoff ein Gefüge aufweist, in dem die rekristallisierten Phasen et und /9-j als diskretes feines Gemisch vorliegen, wobei der Anteil der /?i-Phase 10 bis 50, vorzugsweise etwa 30 bis 40 % beträgt und diese Phase in Form diskreter Teilchen in den Korngrenzen der *x-Phase angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung mittels hydrostatischem Strangpressen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung im Anschluß an die Ausscheidungsund Rekristallisationsglühung erneut kaltverformt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der abschließenden erneuten Kaltverformung wenigstens eine Zwischenglühung bei einer Temperatur von 200 bis 350° C und einer Glühdauer von einer Minute bis 500 Stunden vorgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung ein Bleizusatz von bis zu 3 Gew.-% beigefügt wird.

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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung ein Nickelzusatz von bis zu 5 Gew.-% und/oder ein Zusatz von bis zu 0,1 Gew.-96 eines oder mehrerer der Elemente Zirkonium, Silber, Niob oder Vanadium beigefügt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung ein Zusatz von bis zu 0,1 Gew.-# eines oder mehrerer der Elemente Arsen, Antimon und Phosphor beigefügt wird.

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