DE4139063C2

DE4139063C2 - Verfahren zur Verbesserung der Zerspanbarkeit von Halbzeug aus Kupferwerkstoffen

Info

Publication number: DE4139063C2
Application number: DE4139063A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Duerrschnabel; Isabell Dipl Ing Dr Re Buresch; Dieter Dr Ing Stock; Hilmar R Dr Ing Mueller
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 1991-11-28
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2011-11-29
Also published as: EP0545145B1; EP0545145A1; DE59206853D1; ES2090462T3; DE4139063A1; JPH06192772A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Zerspanbarkeit von Halbzeug aus Kupferwerkstoffen in Form von Stangen, Rohren, Profilen, Drähten, Blechen oder Bändern.

Halbzeuge aus Kupferlegierungen werden verbreitet für die Herstellung von solchen Teilen eingesetzt, bei welchen Zerspanungsarbeiten, wie Drehen, Bohren und Fräsen durchgeführt werden müssen. Diese Legierungen enthalten in der Regel Zusätze von beispielsweise Blei oder Tellur, die als Spanbrecher wirken und gleichzeitig die wirtschaftliche Bearbeitung von Halbzeug in Form von Rohren, Stangen, Blechen oder Bändern aus den genannten Legierungen zu Kleinteilen erleichtern.

Aus hygienischen Gründen wird versucht, den Bleigehalt bei solchen Teilen zu begrenzen, welche z. B. mit Trinkwasser in Versorgungsleitungen usw. in Berührung kommen.

Andererseits stößt die Zugabe der beschriebenen Spanbrecher auf Schwierigkeiten, weil hierdurch auch die Erzeugung der Vorerzeugnisse, wie z. B. Stangen, Rohre und Profile, durch die üblichen Fertigungsschritte Warm- und Kaltverformung eingeschränkt wird. Grund hierfür ist die unvermeidliche Nebenwirkung dieser Spanbrecher-Zusätze, welche eine versprödende Wirkung auf den Grundwerkstoff ausüben.

Es ist auch bekannt, daß Poren enthaltende Kupferwerkstoffe schon für spanende Bearbeitung verwendet wurden; die Poren sind dabei z. B. beim Sintern oder Gießen entstanden (vgl. insbesondere US 2 393 906). Die bisherigen Anstrengungen sind allerdings stets darauf gerichtet gewesen, die Poren möglichst vollständig zu beseitigen, um möglichst gute Eigenschaften des Kupferwerkstoffs zu erzielen (vgl. beispielsweise WO 90/11 852).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zerspanbarkeit von Halbzeug aus Kupferwerkstoffen zu verbessern, ohne die schädlichen Spanbrecher-Zusätze wie Blei oder Tellur zuzusetzen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß durch ein pulvermetallurgisches Verfahren eine poröse Vorform aus Kupferpulver oder Kupferlegierungspulver hergestellt und gesintert wird und daß aus dieser Vorform durch Kalt- und/oder Warmumformen das Halbzeug mit einem Volumenanteil an Poren an 0,05 bis 10% erzeugt wird. Vorzugsweise beträgt die mittlere Teilchengröße des Kupfer- bzw. Kupferlegierungspulvers 2 bis 3000 µm.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß eine poröse Vorform nach dem Sprühkompaktierverfahren hergestellt wird, indem eine Metallschmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Zerstäubung in Metalltröpfchen zerlegt wird und die Metalltröpfchen auf eine Unterlage aufgesprüht werden, wobei ein Gas-Metall-Verhältnis von 0,05 Nm³/kg bis 1,5 Nm³/kg eingehalten wird, und daß aus dieser Vorform durch Kalt- und/oder Warmumformen das Halbzeug mit einem Volumenanteil an Poren von 0,05 bis 10% erzeugt wird. Vorzugsweise beträgt der mittlere Tröpfchendurchmesser 5 bis 200 µm.

Nach beiden Lösungen dienen die im Kupferwerkstoff erzeugten Poren als Spanbrecher. Die Poren bedeuten lokal begrenzte Schwächungen des Materials, welche zu einem Zerbrechen der Späne während des Zerspanungsvorganges führen. Die Poren können, wie üblich, dreidimensionale Ausdehnung besitzen; sie können jedoch auch durch mechanische Verformung der Matrix zu nahezu zweidimensionalen Gebilden verdrückt sein.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Poren gasgefüllt sind, da bei der Weiterverarbeitung des porösen Kupferwerkstoffs die zurückbleibenden Poren zwar ihre Form verändern, sich jedoch nicht vollständig verschließen, weil die Hohlräume durch das Gas stabilisiert sind. Insbesondere empfiehlt es sich, wenn die Poren mit einem in Kupfer oder einer Kupferlegierung nicht löslichen Gas, wie etwa Stickstoff, Edelgas, Helium oder Kohlendioxid, gefüllt sind. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren sind daher dadurch gekennzeichnet, daß im Fall eines pulvermetallurgischen Verfahrens die Vorform in einer Atmosphäre gesintert wird, welche in Kupfer und Kupferlegierungen nicht lösliche, gasförmige Anteile enthält, und im Fall eines Sprühkompaktierverfahrens als Sprühgas ein in Kupfer oder in der Kupferlegierung nicht lösbares Gas eingesetzt wird.

Für die erfindungsgemäßen Verfahren kommen vorzugsweise Messing- und Bronzelegierungen zum Einsatz, jedoch ist die Anwendung der Erfindung auf andere Kupferlegierungen bei Bedarf ohne weiteres möglich.

Eine geeignete Messinglegierung enthält insbesondere 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 Festigkeitseigenschaften einzeln und in Kombination zugegeben werden können, sind Titan, Chrom, Zirkon, Beryllium, Magnesium, Phosphor, Antimon bis jeweils maximal 1%.

Eine geeignete 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 Eigenschaften die Elemente Phosphor, Chrom, Zirkon, Titan, Magnesium (jeweils maximal 1%).

Eine ebenfalls für die erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Aluminiumbronzelegierung 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 für die erfindungsgemäßen Verfahren geeignete 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 Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a den Längsschliff einer gesinterten Kupferprobe,

Fig. 1b den Querschliff einer gesinterten Kupferprobe,

Fig. 2 Spanformen der gesinterten Kupferprobe nach Fig. 1,

Fig. 3 Spanformen von einer konventionell hergestellten Kupferprobe

Fig. 4 den Querschliff einer weiteren, gesinterten Kupferprobe und

Fig. 5 Spanformen der gesinterten Kupferprobe der Fig. 4.

Beispiel 1

Durch Zerstäuben gewonnenes Pulver aus Kupfer mit einer Korngröße von 25 µm wird in üblicher Weise mit einem Schmiermittel (Stearinsäure) versetzt und zu einem Grünling von 95% Dichte verpreßt. Der Grünling wird nach einem Temperaturprogramm so bis zur Sintertemperatur geführt, daß das Schmiermittel ausgetrieben wird. Die Sintertemperatur beträgt 1000°C, die Sinterzeit 2,5 h.

Als Sinteratmosphäre wird aus Ammoniak gewonnenes Spaltgas bei Atmosphärendruck verwendet. Nach dem Sintern hat der Körper jetzt eine Dichte von 98,5% der theoretischen und enthält geschlossene Poren.

Der Sinterkörper wird bei Raumtemperatur durch Walzen um etwa 30% kaltverformt, wobei die Poren verstreckt werden. Hierdurch entsteht ein Gefüge wie es in Fig. 1a an einem Längsschliff und in Fig. 1b an einem Querschliff charakte risiert ist (Vergrößerung 200:1). Das Material ist von gleichmäßig feinen Porenkanälchen durchsetzt.

Beim Drehversuch auf einer Drehbank entstehen wesentlich kürzere Späne (Fig. 2/L: Längsdrehversuch, P: Stirndreh versuch) als bei solchen Stangen, welche aus vollkommen dichten, stranggegossenen Bolzen durch Pressen und Ziehen gefertigt wurden (Fig. 3).

Beispiel 2

Die Vorgehensweise ist ebenso wie bei Beispiel 1, mit der Abweichung, daß jetzt gröberes Pulver mit einer Korngröße von 25 bis 50 µm eingesetzt wird. Hierdurch entsteht nach dem Kaltverformen eine etwas gröbere Porenstruktur, wie sie aus dem Querschliff in Fig. 4 hervorgeht. Beim Drehversuch auf einer Drehbank entstehen auch in diesem Fall günstige kurze Späne, wie Fig. 5 (L: Längsdrehversuch, P: Stirndreh versuch) zeigt.

Beispiel 3

Eine Schmelze aus CuFe2P mit der Zusammensetzung 2,3% Eisen, 0,022% Phosphor, Rest Kupfer und übliche Verunreini gungen wird mit Hilfe des Sprühkompaktierverfahrens (OSPREY- Verfahren) zu einer ca. 30 mm dicken Platte gesprüht. Als Sprühgas wird Reinstickstoff eingesetzt. Durch geeignete Wahl der Sprühverfahren insbesondere des Gas-Metall-Verhält nisses 0,42 in der Verdüsungsstufe, wird erreicht, daß die konsolidierte Platte eine Dichte von 85% der theoretischen aufweist.

Die Platte wird auf der Außenseite überfräst, anschließend auf 930°C aufgeheizt und um 40% warm abgewalzt. Aus dem gewalzten Blech wird ein Stück für Drehversuche herausgear beitet. Dieser Stab hat eine Dichte von 98,5% der theore tischen.

Beim Stirndrehversuch ergibt die Stange wieder wesentlich kürzere Späne als solche, welche nach dem üblichen Verfahren von einer Probe aus gegossener und warmgewalzter Platte erzeugt wurden.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Zerspanbarkeit von Halbzeug aus Kupferwerkstoffen in Form von Stangen, Rohren, Profilen, Drähten, Blechen oder Bändern, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein pulvermetallurgisches Verfahren eine poröse Vorform aus Kupferpulver oder Kupferlegierungspulver hergestellt und gesintert wird und daß aus dieser Vorform durch Kalt- und/oder Warmumformen das Halbzeug mit einem Volumenanteil an Poren von 0,05 bis 10% erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Teilchengröße des Kupfer- bzw. Kupferlegierungspulvers 2 bis 3000 µm beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform in einer Atmosphäre gesintert wird, welche in Kupfer und Kupferlegierungen nicht lösliche, gasförmige Anteile enthält.

4. Verfahren zur Verbesserung der Zerspanbarkeit von Halbzeug aus Kupferwerkstoffen in Form von Stangen, Rohren, Profilen, Drähten, Blechen oder Bändern, dadurch gekennzeichnet, daß eine poröse Vorform nach dem Sprühkompaktierverfahren hergestellt wird, indem eine Metallschmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Zerstäubung in Metalltröpfchen zerlegt wird und die Metalltröpfchen auf eine Unterlage aufgesprüht werden, wobei ein Gas-Metall-Verhältnis von 0,05 Nm³/kg bis 1,5 Nm³/kg eingehalten wird, und daß aus dieser Vorform durch Kalt- und/oder Warmumformen das Halbzeug mit einem Volumenanteil an Poren von 0,05 bis 10% erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Tröpfchendurchmesser 5 bis 200 µm beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Sprühgas ein im Kupfer oder in der Kupferlegierung nicht lösbares Gas eingesetzt wird.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf eine Messinglegierung mit 1 bis 45% Zink.

8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 7, 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.

9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messinglegierung als weitere Wahlkomponente eines oder mehrere der Elemente Titan, Chrom, Zirkonium, Beryllium, Magnesium, Phosphor, Antimon bis jeweils maximal 1% enthält.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf eine Bronzelegierung mit 0,1 bis 12% Zinn.

11. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bronzelegierung als Wahlkomponenten maximal 6% Zink, maximal 5% Nickel sowie maximal 4% Eisen einzeln oder in Kombination enthält.

12. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bronzelegierung als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Phosphor, Chrom, Zirkonium, Titan, Magnesium bis jeweils maximal 1% enthält.

13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf eine Aluminiumbronze mit 0,1 bis 10% Aluminium.

14. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumbronze als Wahlkomponente maximal 5% Eisen, maximal 8% Nickel, maximal 4% Silizium, maximal 5% Mangan sowie maximal 3% Zinn einzeln oder in Kombination enthält.

15. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumbronze als weitere Wahlkomponente eines oder mehrere der Elemente Chrom, Titan, Zirkonium, Magnesium, Phosphor bis jeweils maximal 1% enthält.

16. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf eine niedriglegierte Kupferlegierung, die als Wahlkomponenten maximal 0,5% Phosphor, 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.

17. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferlegierung als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Titan, Zirkonium, Magnesium, Mangan, Arsen, Zink bis jeweils maximal 1% enthält.