DE4006410A1 - Halbzeug aus kupfer oder einer kupferlegierung mit kohlenstoffzusatz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Halbzeug aus Kupfer oder einer Kupferle­ gierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Halbzeuge aus Kupferlegierungen mit Zink und Blei werden ver­ breitet für die Herstellung von solchen Teilen eingesetzt, bei welchen Zerspanungsarbeiten, wie Drehen, Bohren und Fräsen durchgeführt werden müssen. Diese Legierungen enthalten in der Regel zwischen 5 und 40% Zink, sowie zwischen 0,1 und 4% Blei, Rest Kupfer. Der Bleigehalt wirkt als Spanbrecher und erleichtert die wirtschaftliche Bearbeitung von Halbzeug in Form von Rohren, Stangen, Blechen oder Bändern aus den genannten Legierungen zu Kleinteilen.

Aus hygienischen Gründen wird versucht, den Bleigehalt bei solchen Teilen zu begrenzen, welche z. B. mit Trinkwasser in Versorgungsleitungen usw. in Berührung kommen. Innerhalb der Kupfer-Halbzeug-Industrie wurden viele Überlegungen aufgenommen, die Gefahr der Aufnahme des Bleis in das Trinkwasser aus solchen Teilen einzuschränken oder zu vermeiden. Eine gewisse Einschrän­ kung soll z. B. durch eine Absenkung des Bleigehalts in den Legierungen erreicht werden, wobei eine gewisse Erschwernis der Zerspanungsarbeiten durch schlechte Spanbildung in Kauf genommen würde.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Halbzeug der genannten Art aus einem für Zerspanungsarbeiten geeigneten Kupferwerkstoff bereitzustellen, das hygienisch einwandfrei ist und sich insbe­ sondere auch wirtschaftlich herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kupfer oder die Kupferlegierung 0,01-10% Kohlenstoff, vorzugsweise 0,01-2% Kohlenstoff, enthält (Die Prozentangaben beziehen sich dabei auf das Gewicht).

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß auf den Bleizusatz ganz verzichtet werden kann, wenn man den üblichen Kupferlegierungen anstelle von Blei Kohlenstoff beigibt. Es ist zwar bekannt, daß Kohlenstoffbeimengungen das Gleitver­ halten von Sinterkörpern auf Kupferbasis günstig beeinflussen, alle bisher bekannten kohlenstoffhaltigen Legierungen sind aber nicht für den Einsatz als Halbzeuge sondern lediglich für den Einsatz als Gleitelemente wie Gleitlager, Gleitschienen und ähnliches entwickelt worden (vgl. beispielsweise DE-PS 25 45 876). Als Fertigungsverfahren für diese Gemische sind ausschließlich Verfahren der Pulvermetallurgie genannt - wie Herstellen einer Pulvermischung, Pressen und Sintern dieser Mischung zu fertigen Einzelteilen. Dieser Weg ist teuer und nur für wenige Spezialpro­ dukte geeignet, nicht aber für solche Massenerzeugnisse, wie sie heute aus den bleihaltigen Messing-Werkstoffen in großer Zahl und Vielfalt gefertigt werden.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält das Kupfer oder die Kupferlegierung den Kohlenstoff in Form von Graphit - oder Rußpartikeln, deren Größe vorzugsweise im Bereich von etwa 0,01 bis 1500µm liegt. Der untere Korngrößenbereich wird dabei vorzugsweise von Ruß, der obere von Graphit belegt. Wird Ruß in voragglomerierter Form eingesetzt, so liegt auch hier die mittlere Größe der Agglomerate zwischen etwa 10 und 1500µm.

Erfindungsgemäß kommen vorzugsweise Messing- und Bronzelegie­ rungen für Zerspanungsarbeiten zum Einsatz, jedoch ist die Anwendung der Erfindung auf andere Kupferlegierungen bei Bedarf ohne weiteres möglich.

Eine Messinglegierung enthält insbesondre 1 bis 45% Zink, als Wahlkomponenten einzeln oder in Kombination empfehlen sich Aluminium (maximal 10%), Nickel (maximal 20%), Zinn (maximal 6%) , Silizium (maximal 4%), Eisen (maximal 2%), Mangan (maximal 8%). Weitere Wahlkomponenten, welche zur Erzielung besonderer Festig­ keitseigenschaften einzeln und in Kombination zugegeben werden können, sind Chrom, Zirkon, Titan, Magnesium, Phosphor, Antimon (jeweils maximal 1%).

Eine Bronzelegierung enthält insbesondere 0 1 bis 12% Zinn, als Wahlkomponenten einzeln oder in Kombination empfehlen sich hier Zink (maximal 6%), Nickel (maximal 5%), Eisen (maximal 4%) sowie als weitere Wahlkomponenten zur Einstellung besonderer Eigen­ schaften die Elemente Phosphor, Chrom, Zirkon, Titan, Magnesium (jeweils maximal 1%).

Eine Aluminiumbronze enthält insbesondere 1 bis 10% Aluminium sowie als Wahlkomponenten einzeln oder in Kombination Eisen (maximal 5%), Nickel (maximal 8%), Silizium (maximal 4%), Mangan (maximal 5%), Zinn (maximal 3%) sowie als weitere Wahlkomponenten Chrom, Titan, Zirkon, Magnesium, Phosphor, bis maximal 1% einzeln oder in Kombination.

Eine niedriglegierte Kupferlegierung enthält als Wahlkomponenten einzeln oder in Kombination Phosphor (maximal 0,5%), Eisen (maximal 4%), Zinn (maximal 3%), Nickel (maximal 4%), Silizium (maximal 2%), Chrom (maximal 2%), Kobalt (maximal 2%), Beryllium (maximal 2%) sowie als weitere Wahlkomponenten Titan, Zirkon, Magnesium, Mangan, Arsen, Zink bis maximal 1% einzeln oder in Kombination.

Die oben erwähnten erfindungsgemäßen Halbzeuge können dann mit den in vielen Halbzeugwerken vorhandenen Einrichtungen zur Warm- und Kaltumformung hergestellt werden, wenn die für die Herstel­ lung benötigten Rohlinge, also Preßbolzen für die Umformung auf Strangpressen bzw. Brammen für das Warmwalzen, aus einer wirt­ schaftlichen Vorstufe der Fertigung bereitstehen.

Für diese Vorstufe wird vorzugsweise das Verfahren der Sprüh­ kompaktierung eingesetzt (vgl. EP-OS 01 98 613). Bei dieser Methode wird eine Schmelze durch einen Gasstrahl in einer geeig­ neten Düse in Tröpfchen zerlegt und die Tropfen auf einer Unter­ lage wieder zu einem massiven Körper gesammelt. In den Schmelz­ tröpfchenstrahl lassen sich Dispersionspartikel einbringen und auf diese Weise massive Bolzen und Brammen mit dispergierten Teilchen erzeugen. Zur Zerstäubung der Schmelze wird dabei vorzugsweise ein vor Oxidation schützendes Schutzgas oder Gasge­ misch verwendet.

Erfindungsgemäß werden in den auf eine Unterlage gerichteten Schmelzetröpfchenstrahl eines kohlenstofffreien Kupfers oder einer kohlenstofffreien Kupferlegierung Kohlenstoffpartikel eingeblasen. Die Partikel können aus Ruß oder Graphitpulver bestehen. Besonders bei Ruß ist eine Voragglomerierung der Rußpartikel in eine besser rieselfähige kugelige Form sinnvoll. Die Zudosierung der Ruß- oder Graphitpartikel in den Hilfsgas­ strahl geschieht entweder über eine mechanische Dosiervorrichtung (z. B. Schnecke) oder über eine Rüttelrinne. Als Trägergas für die Partikel wird zweckmäßigerweise wieder ein Schutzgas oder ein vor Oxidation schützendes Gasgemisch benutzt.

Um eine gute Vermengung des Partikelstrahles mit dem Tröpfchen­ strahl zu erreichen, ist eine bestimmte Neigung der Zentrallinien der gebildeten Strahlkegel zueinander wichtig. Der Neigungswinkel α zwischen den beiden Zentrallinien der Strahlkegel beträgt zwi­ schen 10° und 90°, vorzugsweise zwischen 20° und 70°.

Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Kohlenstoffpartikel auch durch mechanische Mittel in den auf eine Unterlage gerichteten Schmelzetröpfchenstrahl eines kohlenstoff­ freien Kupfers oder einer kohlenstofffreien Kupferlegierung eingebracht werden.

Die erfindungsgemäßen Halbzeuge werden bevorzugt zur Herstellung solcher Teile verwendet, bei denen Zerspanungsarbeiten durchge­ führt werden müssen. Hierzu zählen insbesondere Bohr-, Dreh- oder Frästeile wie beispielsweise Armaturen-, Gewinde-, Uhrenteile, Stifte usw.

Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip des Sprühkompaktierens und

Fig. 2 im vergrößerten Maßstab schematisch die Neigung von Schmelztröpfchenstrahl 6 und Partikelstrahl 10.

Auf die Oberseite einer Sprühkompaktierkammer 1 wird ein Tiegel 2 mit einer Kupfer-Zink-Schmelze 3, welche 30% Zink, Rest Kupfer neben den technisch üblichen Verunreinigungen enthält, aufgesetzt und die Schmelze 3 über ein Stopfenventil 2′ in eine Düse 4 eingeführt. In der Düse 4 trifft das Zerstäubungsgas 5 auf die Schmelze 3 und zerlegt den Schmelzestrahl in einen kegelförmigen Tröpfchenstrahl 6. Der Tröpfchenstrahl 6 trifft auf eine sich drehende Unterlage 7, welche z. B. der Teil eines gebildeten Bolzens sein kann, und erstarrt dort. Durch die Düse 4 werden 820 kg Schmelze pro Stunde geleitet.

In die Flugbahn des Tröpfchenstrahls 6 wird über eine Dosierdüse 8 (eingezeichnet sind zwei mögliche Positionen) durch einen Gasstrom 9 ein Strahl 10 aus kugelig agglomerierten Rußpartikeln mit einer mittleren Korngröße von 200µm eingeblasen. Der Hilfs­ gasstrahl 10 transportiert 4 kg Rußpartikel pro Stunde in die Zerstäubungskammer 1.

Kurz über der Erstarrungszone vermengen sich die beiden Strahlen 6, 10, so daß die 4 kg/h Rußpartikel gleichmäßig in die von oben zuströmenden 400 kg/h Metalltröpfchen eingemischt werden. Die Ausbeute der Schmelze beträgt 80%, die des eingeblasenen Rußes 60%.

Es bildet sich dann ein Bolzen, welcher 0,36% Kohlenstoff in Partikelform enthält.

Fig. 2 zeigt den Neigungswinkel α zwischen der Zentrallinie 6′ des Schmelzetröpfchenstrahls 6 und der Zentrallinie 10′ des Partikelstrahls 10 (Hilfsgasstrahl).

Die anhand des Beispiels erläuterten Rohlinge in Bolzen- oder Brammenform haben noch eine gewisse Restporosität von höchstens 5%. Durch die nachfolgenden Warm- und Kaltumformschritte (wie Strangpressen, Warmwalzen, Kaltwalzen und Ziehen) wird diese Restporosität abgebaut, so daß im Verhältnis zu den bekannten Sinterkörpern mit hoher Porosität ein dichtes, mechanisch hoch beanspruchbares Halbzeug entsteht.

Der entsprechend dem o. g. Beispiel gefertigte Strangpreßbolzen mit 0,36% Kohlenstoff, 29,9% Zink, Rest Kupfer und technisch üblichen Beimengungen wird nach Entnahme aus der Verdichtungsvor­ richtung auf die erforderliche Länge gesägt und in einer Strang­ presse z. B. zu einer Messingstange verpreßt. Die Verpressungstem­ peratur wird zwischen 650 und 750°C gewählt. Die Messingstange hat z. B. einen Außendurchmesser von 20 mm. Im gepreßten Zustand weist die Stange Festigkeitswerte zwischen 320 und 400 N/mm² und eine Brinell-Härte von etwa 72 bis 105 HB auf. Ein Abschnitt der Stange wird auf einer Drehbank mit einem Drehstuhl üblicher Ausführung einem Stirn-Drehversuch unterworfen. Hierbei entstehen kurze, spritzige Späne.

Claims (19)

1. Halbzeug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in Form von Stangen, Rohren, Profilen, Blechen oder Bändern, hergestellt aus einem Rohling durch Warm- und Kaltumformschritte, wobei das Kupfer oder die Kupferlegierung einen span­ brechenden Zusatz enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer oder die Kupferlegierung 0,01-10% Kohlen­ stoff als spanbrechenden Zusatz enthält.

2. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer oder die Kupferlegierung 0,01-2% Kohlen­ stoff enthält.

3. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer oder die Kupferlegierung den Kohlenstoff in Form von Graphitpartikeln mit einer mittleren Korngrößen­ verteilung von 0,5 bis 1000µm enthält.

4. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer oder die Kupferlegierung den Kohlenstoff in Form von Rußpartikeln mit einer mittleren Korngrößenvertei­ lung von 0,01 bis 1500µm enthält.

5. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferlegierung eine Messinglegierung mit 1 bis 45% Zink ist.

6. Halbzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messinglegierung als Wahlkomponenten maximal 10% Aluminium, maximal 20% Nickel, maximal 6% Zinn, maximal 4% Silizium, maximal 8% Mangan sowie maximal 2% Eisen einzeln oder in Kombination enthält.

7. Halbzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messinglegierung als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Titan, Chrom, Zirkon, Beryllium, Magnesium, Phosphor, Antimon bis jeweils maximal 1% enthält.

8. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferlegierung eine Bronzelegierung mit 0,1 bis 12% Zinn ist.

9. Halbzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bronzelegierung als Wahlkomponenten maximal 6% Zink, maximal 5% Nickel sowie maximal 4% Eisen einzeln oder in Kombination enthält.

10. Halbzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bronzelegierung als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Phosphor, Chrom, Zirkon, Titan, Magnesium bis jeweils maximal 1% enthält.

11. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferlegierung eine Aluminiumbronze mit 0,1 bis 10% Aluminium ist.

12. Halbzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumbronze als Wahlkomponenten maximal 5% Eisen, maximal 8% Nickel, maximal 4% Silizium, maximal 5% Mangan sowie maximal 3% Zinn einzeln oder in Kombination enthält.

13. Halbzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumbronze als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Chrom, Titan, Zirkon, Magnesium, Phosphor bis jeweils maximal 1% enthält.

14. Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine niedriglegierte Kupferlegierung als Wahlkomponenten maximal 0,5% Posphor, maximal 4% Eisen, maximal 3% Zinn, maximal 4% Nickel, maximal 2% Silizium, maximal 2% Chrom, maximal 2% Kobalt sowie maximal 2% Beryllium einzeln oder in Kombination enthält.

15. Halbzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferlegierung als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Titan, Zirkon, Magnesium, Mangan, Arsen, Zink bis jeweils maximal 1% enthält.

16. Verfahren zur Herstellung des Rohlings für das Halbzeug nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling durch Sprühkompaktieren hergestellt wird, indem in den auf eine Unterlage (7) gerichteten Schmelz­ tröpfchenstrahl (6) eines kohlenstofffreien Kupfers oder einer kohlenstofffreien Kupferlegierung Kohlenstoffpartikel durch mechanische Mittel eingebracht werden.

17. Verfahren zur Herstellung des Rohlings für das Halbzeug nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling durch Sprühkompaktieren hergestellt wird, indem in den auf eine Unterlage (7) gerichteten Schmelze­ tröpfchenstrahl (6) eines kohlenstofffreien Kupfers oder einer kohlenstofffreien Kupferlegierung Kohlenstoffpartikel seitlich durch einen Hilfsgasstrahl (10) eingeblasen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α zwischen der Zentrallinie (6′) des Schmelzetröpfchenstrahls (6) und der Zentrallinie (10′) des Kohlenstoffpartikelstrahls (10) zwischen 10° und 90°, insbesondere zwischen 20° und 70°, beträgt.

19. Bohr-, Dreh- oder Frästeile, hergestellt aus dem Halbzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15.