DE3834460A1

DE3834460A1 - Legierung

Info

Publication number: DE3834460A1
Application number: DE3834460A
Authority: DE
Inventors: William Rushton
Original assignee: IMI Yorkshire Fittings Ltd
Current assignee: Aalberts Integrated Piping Systems Ltd
Priority date: 1987-10-16
Filing date: 1988-10-10
Publication date: 1989-04-27
Also published as: AU613411B2; IT1231485B; NL192686C; SE8803677L; ES2009353A6; DE3834460C2; BE1001816A3; NL8802520A; AU2375388A; GB8724311D0; IT8822305A0; SE8803677D0; GB2211206A; FI884725A0; FI90998C; GB2211206B; SE500698C2; NO884582D0; KR910009499B1; NL192686B

Description

Die Erfindung betrifft eine Legierung, insbesondere eine Gußlegierung, die besonders, aber nicht ausschließlich, bei der Herstellung von Bauteilen Verwendung findet, die für Versorgungssysteme geeignet sind, die Wasser für den mensch lichen Verbrauch führen (im folgenden als "Trinkwasser" be zeichnet).

Bislang war es üblich, solche Bauteile, wie z. B. Zapfhähne, Ven tile, Meßgeräte und Rohrverbindungsstücke, aus Gußlegierungen auf Kupferbasis, wie z. B. Geschützbronze, herzustellen. Da es notwendig ist, das Legierungsgußstück spanabhebend zu be arbeiten, um das Endprodukt zu formen, muß eine Legierung für hohe Maßgenauigkeit verwendet werden. Geschützbronze und andere Gußlegierungen auf Kupferbasis werden herkömm licherweise durch den Zusatz von Bleimengen, typischerweise zwischen ungefähr 1 und 9 Gew.-%, gewöhnlich ungefähr 5 Gew.-%, für eine hohe Maßgenauigkeit geeignet gemacht. In den letzten paar Jahren sorgte man sich aber allgemein über die schäd liche zunehmende Wirkung von Blei im Trinkwasser. Bestimmte bleilösende Wasserarten laugen Blei aus solchen Legierungen ohne weiteres aus. Eine zusätzliche Gefahr entsteht dadurch, daß die Luft in Gießereien, in denen solche Legierungen her gestellt und verarbeitet werden, zwangsläufig Blei enthält. Auch enthält der Gießereiabfall, wie z. B. gebrauchter Sand, Blei und stellt somit Beseitigungsprobleme dar.

In der neueren Zeit hat man sich deshalb darum bemüht, im wesentlichen bleifreie Legierungsbauteile zum Gebrauch bei Trinkwasser und für andere Zwecke zu entwickeln, es ist uns aber bis heute nicht bekannt, daß eine kommerziell und tech nisch geeignete Ersatzlegierung gefunden worden wäre. In diesem Zusammenhang und insbesondere im Zusammenhang mit Bauteilen für Trinkwasserversorgungssysteme sollte jede Er satzlegierung vorzugsweise mit den herkömmlichen bleihaltigen Legierungen kostenmäßig vergleichbar sein und natürlich akzeptable Verarbeitungs-, mechanische und korrosionsbestän dige Eigenschaften haben. Insbesondere sollten sie in gute, druckdichte Formstücke gießbar sein, die ohne weiteres in fertige Bauteile spanend verarbeitet werden können, die u. a. akzeptable Festigkeits- und Lecksicherheitseigenschaften haben. Außerdem sollten sie in den Fällen, in denen die Legierung Zink enthält, widerstandsfähig gegen eine Entzin kung gemacht werden können oder von Natur aus immun gegen eine Entzinkung sein.

Wir haben nun überraschenderweise festgestellt, daß eine im wesentlichen bleifreie, für eine hohe Maßgenauigkeit geeignete und entzinkungsimmune Gußlegierung, die beispielsweise für die Herstellung von Bauteilen für die Trinkwasserversorung geeignet ist und die keine bedeutenden Umweltverschmutzungs probleme hervorruft, durch Einmischung von Wismut weitgehend oder vollständig anstelle von Blei in bestimmte Kupferlegie rungen hergestellt werden kann.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird daher eine Legierung bereitgestellt, die 1,5 bis 7 Gew.-% Wismut, 5 bis 15 Gew.-% Zink und 1 bis 12 Gew-% Zinn enthält, wobei der Rest neben Verunreinigungen und kleineren Mengen von Elementzusätzen Kupfer ist.

Der Wismutgehalt beträgt vorzugsweise 1,5 bis 5 Gew.-%, besser jedoch 2 bis 5 Gew.-% und noch besser 2 bis 3 Gew.-%. Der Zinkgehalt beträgt vorzugsweise 5 bis 12 Gew.-%, besser jedoch 5 bis 10 Gew.-% und noch besser 6 bis 8 Gew.-%. Der Zinn gehalt beträgt vorzugsweise 2,5 bis 5 Gew.-%. Eine besonders bevorzugte Legierung nach der Erfindung weist 2 bis 3 Gew.-% Wismut, 5 bis 8 Gew.-% Zink und 2,5 bis 5 Gew.-% Zinn, beson ders aber 2 bis 2,2 Gew.-% Wismut, 7,1 bis 7,8 Gew.-% Zink und 3,3 bis 3,6 Gew.-% Zinn auf.

Die Legierung kann kleine Mengen an Verunreinigungen und/oder Elementzusätzen, besonders solche, die gewöhnlich in Gußle gierungen auf Kupferbasis vorhanden sind, enthalten, voraus gesetzt ihre Anwesenheit beeinträchtigt nicht in erheblichem Maße die erforderlichen Eigenschaften der Legierungen und sie werden nicht in bedeutenden Mengen aus der Legierung durch das Trinkwasser ausgelaugt, falls sie toxisch sind und die Legierung für Trinkwasserbauteile verwendet wird. In diesem Zusammenhang wird angenommen, daß Wismut im wesentlichen in dem Maße nicht toxisch ist, in dem es aus den erfindungsgemäßen Legierungen durch das Trinkwasser ausgelaugt werden könnte. Die Gesamtmenge der Verunreinigungen sollte vorzugs weise ungefährt 1 Gew.-% nicht übersteigen, und im allgemeinen werden jegliche absichtliche Zusätze ungefähr 3, vorzugs weise 2 Gew.-%, nicht übersteigen. Im folgenden werden Bei spiele von zulässigen Verunreinigungen und/oder Zusätzen und von ihren bevorzugten Höchstwerten genannt:

Nickel
0 bis 2 Gew.-% einschließlich
Blei	0 bis 0,4 Gew.-% einschließlich
Eisen/Antimon/Arsen	0 bis 0,75 Gew.-% einschließlich
	insgesamt
Aluminium	0 bis 0,01 Gew.-% einschließlich
Silicium	0 bis 0,02 Gew-% einschließlich
Schwefel	0 bis 0,01 Gew.-% einschließlich
Mangan	0 bis 0,5 Gew.-% einschließlich

Von den Vorgenannten können beispielsweise Nickel und/oder Eisen und/oder Mangan absichtlich hinzugefügt werden, um die Eigenschaften der Legierungen leicht zu verändern, statt dessen können sie aber auch als Verunreinigungen vorhanden sein.

Es sei hervorgehoben, daß die Legierungen kleine Bleimengen (gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise, als zufällige Verun reinigung) enthalten könnten, daß aber diese Mengen sehr viel kleiner als diejenigen Mengen sind, die bislang den Kupfer legierungen hinzugefügt wurden, um ihre Zerspanbarkeit zu verbessern.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bauteil für Trinkwasserinstallationen, z. B. Zapfhahn, Ventil, Meßgerät oder Rohrverbindungsstück, bereitgestellt, das eine erfindungs gemäße Legierung aufweist.

Der Hauptkörper eines solchen Zapfhahns oder der anderen Teile wird hauptsächlich aus der Legierung hergestellt, allerdings schließen wir in den Begriff "Bauteil" jedes Metallteil und insbesondere solche Teile ein, die im Gebrauch dem Trinkwasser ausgesetzt sind, wie z. B. die inneren Metallteile von Zapfhähnen, Ventilen, Wasserzählern usw.

Die erfindungsgemäßen Legierungen können durch herkömmliche Mittel hergestellt und verarbeitet werden. Insbesondere können sie gegossen werden und sind dann sogleich spanend be arbeitbar.

Außerdem haben sie im allgemeinen Eigenschaften, die sie für die Verwendung bei der Herstellung von Bauteilen geeignet machen, die für die Verwendung bei Trinkwasser geeignet sind, wie Absperrventile, Zapfhähne, Wasserzähler, Absperrschieber, Rückschlagventile und Rohrverbindungsstücke des Kapillar lötungstyps oder des mechanischen (z. B. Druck, Flansch oder Schraubengewinde) Typs. Einige der wichtigeren Eigenschaften solcher Bauteile sind die folgenden:

Druckdichtheit (eine Anzeige von u. a. geringer Porosität)
Zugeigenschaften
Ermüdungseigenschaften
Stoßeigenschaften
Korrosionsbeständigkeit (einschließlich Immunität gegen Entzinkung
Alterungseigenschaften
Lötbarkeit (insbesondere im Fall von Kapillarlötverbindungsstücken)

Die obengenannten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legie rungen entsprechen tatsächlich im wesentlichen denen der all gemein verwendeten bleihaltigen Geschützbronze, die eine Nennzusammensetzung von Zinn mit 3 Gew.-%, Blei mit 5 Gew.-%, Zink mit 8 Gew.-% und der Rest Kupfer (im folgenden als "LG 1" nach BS 1400 (1985) Tabelle 5 bezeichnet) oder Zinn mit 5 Gew.-%, Blei mit 5 Gew.-% und Zink mit 5 Gew.-% und der Rest Kupfer (im folgenden als "LG 2" nach BS 1400 (1985) Tabelle 5 bezeichnet) hat.

Bezüglich Korrosionsbeständigkeit wurde insbesondere fest gestellt, daß die erfindungsgemäßen Legierungen von Natur aus immum gegen eine Entzinkung sind.

Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung.

Beispiele 1 bis 5

Eine Reihe von Legierungen, die die in der Tabelle 1 ange gegebenen Nennzusammensetzungen haben, wurden durch Zusammen schmelzen der aufgeführten Bestandteile hergestellt. Um ein Ausgasen des Zinkbestandteils zu vermeiden, wurde der Zink in Form von Messing zugegeben.

Tabelle 1

Die Legierungen wurden dann in eine Anzahl von Proben ge gossen, um die Porosität in Vol.-% und die Zug- und Stoß eigenschaften bestimmen zu können.

Die Tabellen II, III, IV und V geben die Mittelwerte der er haltenen Ergebnisse zusammen mit entsprechenden Vergleichs daten für die Legierungen LG 1 und/oder LG 2 an.

Die Porositätsmaße wurden mit einem Quantimet-Bildanalysator unter Verwendung von polierten und ungeätzten Proben bestimmt.

Die Zugversuche wurden an Proben in zwei Größen, nämlich Stäben mit einem Durchmesser von 6,04 mm und 7,98 mm, und bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt.

Die Stoßversuche wurden bei verschiedenen Temperaturen mit einer Izod-Maschine an spanend bearbeiteten und gekerbten Proben durchgeführt.

Tabelle II
Beispiel Nr.
Porosität (Vol.-%)
1
0,2
2	3,4
3	0,25
4	5,1
5	1,2
LG 1	1,6
LG 2	1,1

Tabelle III

Zugversuche an Proben mit kleinerem Durchmesser

Tabelle IV

Zugversuche an Proben mit größerem Durchmesser

Stoßversuche

Angesichts der bekannten Schwierigkeiten bei mechanischen Versuchen mit kleinen Gußteilen und der allgemeinen akzeptier ten breiten Streuung der Ergebnisse dieser Versuche zeigen die obengenannten Ergebnisse, daß jede der Legierungen der Beispiele 1 bis 5 günstig gegenüber der bekannten bleihaltigen Geschützbronze LG 1 und, wo angegeben, LG 2 abschneidet.

Außerdem ist die spanende Bearbeitbarkeit von jeder von ihnen mit der der LG 1 und LG 2 vergleichbar, wobei jede die Bewertung "Ausgezeichnet" gemäß BS 1400 (1985) erreicht.

Ferner ist ihre Lötbarkeit mit Zinn/Blei- oder Zinn/Kupfer- Weichlötmittel oder Zinn/Silber-Hartlötlegierungen, d. h. solche die allgemein im Installationshandwerk verwendet werden, ohne weiteres akzeptabel und mit der Lötbarkeit von LG 1 und LG 2 wieder vergleichbar.

Schließlich wurde festgestellt, daß jede von Natur aus immun gegen Entzinkung ist, wie sie in BS 2872 definiert ist.

Außerdem wurden mit jeder der Legierungen der Beispiele 1 bis 4 und LG 2 ähnliche Zugversuche bei erhöhten Temperaturen zwischen 150°C und 350°C durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle VI angegeben.

Tabelle VI

Zugversuche bei erhöhter Temperatur

Diese Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Legierun gen bei erhöhten Temperaturen Zugeigenschaften haben, die den Vergleich mit den der LG 2 nicht scheuen brauchen. Bei der Verwendung in Trinkwasseranlagen haben die Zugeigenschaften bei erhöhter Temperatur natürlich keine Bedeutung für die eingesetzten Bauteile, weil die Höchsttemperatur, die in der Praxis wahrscheinlich erreicht wird, um 20°C herum liegt, obwohl solche Bauteile ebenso in Heißwasseranlagen verwendet werden können; selbst hier ist jedoch wahrscheinlich, daß die maximale Arbeitstemperatur ungefähr 70°C übersteigt.

Die Zugeigenschaften von bestimmten erfindungsgemäßen Legie rungen bei erhöhter Temperatur zeigen jedoch Warmbrüchigkeit an, d. h. eine Neigung dafür, bei Temperaturen über ihrem nor malen Arbeitsbereich weniger duktil zu sein. Dies ist für die Verarbeitung von Bedeutung und bedeutet insbesondere, daß es in bestimmten Fällen wünschenswert ist, die Gußstücke ver hältnismäßig langsam abkühlen zu lassen, um die Bildung von Fehlern in den gegossenen Bauteilen zu verhindern.

Beispiel 6

Eine Legierung, die die folgende Zusammensetzung hat (genau bis auf ±1% der angegebenen Mengen):

Kupfer
86,00 Gew.-%
Zink	7,70 Gew.-%
Zinn	3,35 Gew.-%
Wismut	2,08 Gew.-%
Blei (als Verunreinigung)	0,35 Gew.-%
Andere Verunreinigungen	0,52 Gew.-%
Insgesamt	100%

wurde in einer Charge, die ungefähr 165,5 kg wog, geschmolzen und in 1358 BSP-Rückenplattenwinkelfittinge von 15 mm×1/2" ("Nr. 15"-Fittinge der IMI Yorkshire Fittings Ltd.) im Masken formverfahren gegossen und spanend verarbeitet. Ein solches Fitting hat einen 1/2" BSP Abschnitt mit Innengewinde, eine 15 mm Kapillarmuffe an einer integrierten Rückenplatte zum Befestigen des Fittings z. B. an einer Wand. Einige der Fit tinge wurde für Versuchszwecke routinemäßig installiert, und die Fittingskörper, die Schraubenverbindungen und die Kapillar lötverbindungen ware alle dicht bei einem Versuchswasserdruck von 5 bar. Außerdem hatte jedes Fitting (und insbesondere die Verbindung zwischen dem Hauptkörper und der Rückenplatte) eine durchaus akzeptable Festigkeit.

Eine weitere Charge von 24,5 kg der obengenannten Legierung wurde in 35 54 mm×2" BSP-Winkelrohrverbindungsstücke mit Außengewinde ("Nr. 13"-Fittinge der IMI Yorkshire Fittings Ltd.) im Maskenformverfahren gegossen und spanend verarbeitet. Ein solches Verbindungsstück eine 54 mm Kapillarmuffe und eine 2" BSP-Abschnitt mit Außengewinde. Die Fittinge wurden für Versuchszwecke routinemäßig installiert, und die Körper und Verbindungen waren dicht bei einem Versuchswasserdruck von 5 bar.

Beipsiel 7

Eine Legierung, die die folgende Zusammensetzung hat (genau bis auf ±1% der angegebenen Mengen)

Kupfer
86,00 Gew.-%
Zink	7,25 Gew.-%
Zinn	3,55 Gew.-%
Wismut	2,15 Gew.-%
Blei (als Verunreinigung)	0,34 Gew.-%
Andere Verunreinigungen	0,71 Gew.-%
Insgesamt	100%

wurde in ähnlichen Chargengrößen wie die Legierung von Bei spiel 6 geschmolzen und die gleichen Fittinge wurden daraus durch Gießen im Maskenformverfahren und spanende Bearbeitung hergestellt. Eine ähnlich gute Dichtheit (bei einem Wasser druck von 5 bar) und ähnlich gute Festigkeitswerte wurden er halten.

Vorzugsweise haben die erfindungemäßen Gußlegierungen einen Kupfer- +Zink- +Zinn-Gehalt von mindestens 90 Gew.-% und noch besser von mindestens 95 Gew.-%, d. h. einen minimalen Kupfer- Gehalt von vorzugsweise 63 Gew.-% und noch besser von 68 Gew.-%.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kupfer- +Zink- +Zinn- Gehalt zwischen ungefährt 95,7 und 97,5 Gew.-% liegt, wobei der Kupfer-Gehalt in vorteilhafter Weise zwischen 80 und 90 Gew.-% liegt.

Alle im Rahmen der Erfindung liegenden Gußlegierungen haben im Vergleich zu den ausgeschlossenen Legierungen, die haupt sächlich Kupfer, Zink, Zinn und Wismut außerhalb dieses Rahmens enthalten, Eigenschaften, die sie für die Verwendung bei der Herstellung insbesondere von Bauteilen für Trink wasserinstallationen durch Gießen (besonders unter Verwendung von Sand- oder Maskenformen) und, falls erwünscht, eine an schließende spanende Bearbeitung geeignet machen. Jede Ab weichung von den breitesten Bestandteilsbereichen führt im wesentlichen zu einer merklichen Verschlechterung von einer oder mehreren der vorgenannten Eigenschaften. Somit führt bei einem Wismutgehalt von weniger als 1,5 Gew.-% die Span bildung während der spanenden Bearbeitung zu langen Schilfern, die von automatischen Werkzeugmaschinen schwierig zu entfernen sind (anders ausgedrückt würden Legierungen mit weniger als 1,5 Gew.-% Wismut nicht die Bewertung "Ausgezeichnet", wie in BS 1400 definiert, erhalten). Mit einem Wismut-Gehalt von über 7 Gew.-% würde die Warmbrüchigkeit während des Gießens zu einem Problem werden, und auch der Stromverbrauch während der spanenden Bearbeitung nimmt zu, wobei dies höhere Werkzeugbelastungen und eine höhere Werkzeugabnutzung anzeigt, d. h. daß wieder eine Schmälerung der Bearbeitbarkeitsbewer tung "Ausgezeichnet" gemäß BS 1400 auftritt.

Ein Minimum von 5 Gew.-% Zink ist notwendig, um die Korn grenzenauswirkungen des Wismutbestandteils zu begrenzen, wobei diese Auswirkungen die sich ergebenden mechanischen Eigen schaften der Gußstücke erheblich schmälern. Die Anwesenheit von mehr als 15 Gew.-% Zink führt zu unakzeptablen Porositäten und zu einer merklichen Erhöhung der Anfälligkeit für die Entzinkung.

Ein Minimum von 1 Gew.-% Zinn ist erforderlich, um eine akzeptable Korrosionsbeständigkeit zu gewähren, inbesondere im Zusammenhang mit Trinkwasser, und um ein ausreichendes Fließ vermögen der Legierung während des Gießvorgangs zu liefern. Bei über 12 Gew.-% Zinn ist es aber wahrscheinlich, daß inter metallische Phasen gebildet werden, die nachteilige Auswir kungen auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung haben.

Claims

1. Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1,5 bis 7 Gew.-% Wismut, 5 bis 15 Gew.-% Zink und 1 bis 12 Gew.-% Zinn enthält und daß der Rest neben Verunreinigungen und kleineren Mengen von Zusätzen Kupfer ist.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1,5 bis 5 Gew.-% enthält.

3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 2 bis 3 Gew.-% Wismut enthält.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie 5 bis 12 Gew.-% Zink enthält.

5. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie 6 bis 8 Gew.-% Zink enthält.

6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie 2,5 bis 5 Gew.-% Zinn enthält.

7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie 2 bis 2,2 Gew.-% Wismut, 7,1 bis 7,8 Gew.-% Zink und 3,3 bis 3,6 Gew.-% Zinn enthält.

8. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge der Verunreinigungen un gefähr 1 Gew.-% nicht übersteigt.

9. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bleigehalt, falls vorhanden, ungefähr 0,4 Gew.-% nicht übersteigt.

10. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge der Zusätze, falls vor handen, ungefähr 3 Gew.-% nicht übersteigt.

11. Legierung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Zusatz/Verunreinigung bis zu 2 Gew.-% Nickel ent hält.

12. Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zusam mensetzung, im wesentlichen wie in irgendeinem der Beispiele 1 bis 7 angegeben, hat.

13. Bauteil für eine Wasserversorgungsinstallation, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.

14. Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes bestehend aus einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 oder einem Bauteil gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Legierung in eine Form gegossen wird, die gegossene Legierung verfestigt wird und, falls erwünscht, das verfestigte Gußstück anschließend spanend bearbeitet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Form eine Sandform oder eine Maskenform (d. h. Sand/Harz) ist.