DE4214304A1 - Nickelfreie buntmetallegierung und deren verwendung - Google Patents
Nickelfreie buntmetallegierung und deren verwendungInfo
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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- C22C9/05—Alloys based on copper with manganese as the next major constituent
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Description
Die Erfindung betrifft im wesentlichen nickelfreie
Buntmetallegierungen und ihre Verwendung als Werkstoff für
Schmuck- und Metallgegenstände, die bei normaler Anwendung in
engem Kontakt mit der Haut stehen, insbesondere
Brillengestelle und Teile von Brillengestellen.
Zur Herstellung von Augenranddrähten und anderen Teilen für
Brillengestelle werden nickelhaltige Werkstoffe verwendet.
Als Beispiele sind die in Tabelle 1 aufgeführten
Buntmetallegierungen mit entsprechenden Werkstoffnummern
gemäß DIN und Zusammensetzungen zu nennen:
Bei der Verwendung solcher Legierungen kann bedingt durch den
Nickelgehalt eine allergische Reaktion bei einem längeren
Hautkontakt auftreten. Ähnliche Probleme können entstehen,
wenn solche nickelhaltigen Legierungen zur Herstellung von
Schmuck- oder Metallgegenständen verwendet werden und diese
üblicherweise in engem Hautkontakt getragen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Werkstoff für Schmuck- und Metallgegenstände, die bei
normaler Anwendung in engem Kontakt mit der Haut stehen, zur
Verfügung zu stellen, bei dem das Problem möglicher
allergischer Reaktionen nicht auftritt.
Damit verbunden ist die Aufgabe, Buntmetallegierungen für
Brillengestelle und Teile von Brillengestellen zur Verfügung
zu stellen, die neben der Hautverträglichkeit eine hohe
Stabilität und Festigkeit aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine nickelfreie
oder im wesentlichen nickelfreie Buntmetallegierung mit der
folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent gelöst:
Mn: | |
5,0 bis 15,0% | |
Al: | 4,0 bis 7,50% |
Fe: | 1,0 bis 2,80% |
Si: | 0,0 bis 0,30% |
Ni: | 0,0 bis 0,15% |
C: | 0,0 bis 0,08% |
S: | 0,0 bis 0,03% |
P: | 0,0 bis 0,03% |
B: | 0,0 bis 0,01% |
und Kupfer mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als
Rest.
Die Legierung läßt sich nach üblichen metallurgischen
Verfahren herstellen.
Der Werkstoff und daraus gefertigte Gegenstände, z. B. Brillen
und Brillenteile, rufen bei längerem Kontakt mit menschlicher
Haut keine Nickel-allergische Reaktion hervor. Diese
wesentliche Bedingung wird erfindungsgemäß durch die
Buntmetallegierung gemäß Anspruch 1 erfüllt, die bis auf
maximal 0.15% frei von Nickel ist. In Tabelle 2 sind die im
Korrosionsversuch ermittelten Nickelabgaben von
erfindungsgemäßen Legierungen angegeben.
Die erfindungsgemäße Legierung läßt sich als Werkstoff zur
Herstellung von Schmuck- und Metallgegenständen einsetzen,
die bei normaler Anwendung in engem Kontakt mit der Haut
stehen. Beispiele hierfür sind Ohrschmuck und Ohrenstecker,
Halsschmuck, Armbänder und -ketten, Fußketten, Fingerringe,
Haarspangen, Böden von Armbanduhren, Uhrarmbänder, -ketten
und -spangen, Knöpfe, Spangen, Nieten, Reißverschlüsse und
Metallanhänger. Insbesondere ist die erfindungsgemäße
Buntmetallegierung für Brillengestelle und Teile von
Brillengestellen geeignet.
Werkstoffe für Brillengestelle oder Teilen davon werden bei
der Herstellung durch Kaltverformung verfestigt. Dies bedingt
eine gute Kaltumformbarkeit. Diese Forderung wird
erfindungsgemäß dadurch erfüllt, daß eine aufgrund ihrer
chemischen Zusammensetzung homogene, insbesondere einphasige
Kupfermischkristallegierung verwendet wird. Beispiele von
erfindungsgemäßen Legierungen sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Bei der Herstellung von Brillengestellen werden die einzelnen
Teile miteinander verbunden. Die Verbindung solcher
Einzelteile erfolgt u. a. mittels Schweißen, vorzugsweise
Widerstandsschweißen, aber auch durch andere Verfahren, die
sehr geringe Wärmemengen in die zu verbindenden Teile
einleiten. Das Verbinden kann auch durch Löten, vorzugsweise
Hart-, Widerstands- oder Hochfrequenzlöten erfolgen. Die
Verbindungen können auch verklebt sein.
Von großer Bedeutung für die Funktionserfüllung von
Brillengestellen oder Brillenteilen ist deren Stabilität bzw.
Steifigkeit. Diese wird üblicherweise durch die Verwendung
von durch Umformung verfestigten, vorzugsweise
kaltverfestigten Werkstoffen erreicht. Diese Kaltverfestigung
muß zwingend auch nach einer der vorstehend beschriebenen
Verbindungsarbeiten erhalten bleiben und darf auch punktuell
nur wenig abfallen, damit die Gesamtstabilität des
Brillengestells erreicht wird.
Überraschenderweise zeigt sich, daß diese wesentliche
Forderung durch die erfindungsgemäßen Brillengestelle und
Teile von Brillengestellen gemäß Anspruch 2, und insbesondere
gemäß den Ansprüchen 3 oder 4 aus einer homogenen,
einphasigen Buntmetallegierung erfüllt wird. Diese
Erscheinung ist von entscheidender Bedeutung, da eine
homogene, einphasige Buntmetallegierung aufgrund fehlender
Ausscheidungsmöglichkeiten keiner festigkeitssteigernden
Aushärtebehandlung unterzogen werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung der homogenen,
einphasigen, im wesentlichen nickelfreien Legierung gemäß
Anspruch 1 bis 4 ergibt sich zudem, bedingt durch den Wegfall
einer Wärmebehandlung, ein wirtschaftlicher Vorteil bei der
Herstellung von Brillengestellen und Teilen davon im
Vergleich mit zwei- oder mehrphasigen Buntmetallegierungen.
Diese müssen nämlich im Anschluß an Verbindungsarbeiten,
bedingt durch starken Festigkeitsabfall im
Verbindungsbereich, noch einer teuren Aushärteglühbehandlung
zur Erzielung einer für die Gesamtstabilität der Brille
notwendigen Festigkeit unterzogen werden.
Überraschend zeigte sich, daß die erfindungsgemäße Verwendung
die wirtschaftliche Herstellung aller metallischen Teile
eines Brillengestells und deren Verbindung aus einer einzigen
Buntmetallegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4
ermöglicht.
Bei der Fertigung werden die Brillengestelle oder
Brillengestellteile verschiedenen Oberflächenbehandlungen
unterzogen und/oder mit Beschichtungen mit nickelfreien
metallischen und nicht-metallischen Stoffen versehen. Zu
nennen sind u. a. das Polieren und das Galvanisieren. Die
erfindungsgemäßen Legierungen erfüllen die Forderung der
Galvanisier- und Polierfähigkeit.
Im folgenden sind Erläuterungen zur Begrenzung des Gehalts
der einzelnen Legierungselemente gemäß Anspruch 1 bis 4
gegeben:
Reines Kupfer kann durch Kaltverformung nicht auf eine für die Brillengestell- oder Brillenteilefertigung notwendige Festigkeit gebracht werden. Ferner ist die Korrosionsbeständigkeit für die genannte Verwendung als nicht ausreichend zu bezeichnen.
Reines Kupfer kann durch Kaltverformung nicht auf eine für die Brillengestell- oder Brillenteilefertigung notwendige Festigkeit gebracht werden. Ferner ist die Korrosionsbeständigkeit für die genannte Verwendung als nicht ausreichend zu bezeichnen.
Zusätze von Aluminium bewirken eine wesentliche Verbesserung
der Korrosionsbeständigkeit sowie eine Steigerung der
Festigkeit und Härte durch Mischkristallverfestigung. Eine
merkliche Verbesserung dieser Eigenschaften wird aber erst
durch Zusätze oberhalb von ca. 4% erreicht. Dagegen darf ein
Gehalt von 7,5% Al im Kupfer in Abhängigkeit von weiteren
Zusatzelementen nicht überschritten werden, um in allen
Temperaturbereichen bis zum Erreichen der Solidustemperatur
ein einphasiges homogenes Gefüge zu gewährleisten. Oberhalb
von 7,5% Al erfolgt ein deutlicher und für den
erfindungsgemäßen Verwendungszweck unerwünschter
Dehnungsabfall.
Zusätze von Eisen bewirken neben einer Erhöhung der
Zugfestigkeit durch Mischkristallverfestigung eine starke
Kornfeinung des Gefüges, welche sich positiv auf die
Kaltumformeigenschaften auswirkt. Eine merkliche Verbesserung
dieser Eigenschaften wird erst durch Zusätze oberhalb von ca.
1% erreicht, während ein Gehalt von 2,8% Fe zur
Gewährleistung eines einphasigen, homogenen Gefüges nicht
überschritten werden darf.
Manganzusätze bewirken in den erfindungsgemäß verwendbaren
Legierungen eine Steigerung der Festigkeitseigenschaften
durch Mischkristallverfestigung sowohl bei Raumtemperatur als
auch bei höheren Temperaturen. Weiterhin verbessern sie die
bereits erwähnte notwendige Kaltumformbarkeit, insbesondere
der homogenen alpha-Kupferlegierungen. Durch Mangan-Zusätze
wird die Schweißeignung merklich verbessert.
Von entscheidender Bedeutung für die erfindungsgemäßen
Legierungen ist die Erscheinung, daß sich durch die
Einlagerung von Manganatomen im homogenen, einphasigen alpha-
Kupfergitter die Rekristallisationstemperatur gegenüber
manganfreiem Kupfer stark erhöht und somit ein träges
Rekristallisationsverhalten erreicht wird.
Diese wesentliche Erscheinung wird bei der Verwendung der
Legierung zur Fertigung von Brillen- oder Brillenteilen
ausgenutzt, daß Verbindungsarbeiten, insbesondere diverse
Löt- und Schweißverfahren, durchgeführt werden können und so
die durch Kaltverformung erreichte Festigkeit auch nach eben
diesen Verbindungsarbeiten weitgehend erhalten bleibt. Die
metallkundliche Erklärung einer nur geringen
Festigkeitsverminderung im Wärmeeinflußbereich einer Lötung
von kaltverfestigten erfindungsgemäßen Buntmetallegierungen
liegt in der geringen Temperaturdifferenz, d. h. einer nur
geringen thermischen Aktivierung als treibender Kraft der
primären Rekristallisation, zwischen der Arbeitstemperatur
des Lötverfahrens und der hohen Rekristallisationstemperatur
der verwendeten Legierung.
Die Begrenzung auf 5 bis 15% Mangangehalt ergibt sich
daraus, daß die vorstehend beschriebene Erscheinung mit
steigenden Mn-Gehalten erst ab etwa 5% wirksam wird, während
hingegen Mn-Gehalte über 15% keinen nennenswerten Beitrag
mehr liefern, sondern eine deutliche Absenkung der ebenfalls
wesentlichen Dehnungseigenschaften bewirken. Bei der
Begründung für die Begrenzung des Mangangehaltes auf maximal
15% muß auch die Wechselwirkung mit Aluminium berücksichtigt
werden. Steigende Mangangehalte verringern die Löslichkeit
von Aluminium im homogenen alpha-Kupfermischkristall,
welcher, wie bereits vorstehend beschrieben, erfindungsgemäß
zwingend notwendig ist. Abgesenkte Aluminiumgehalte aber
verschlechtern bekanntlich die Festigkeits- und
Korrosionseigenschaften. Somit ergibt sich vorteilhaft ein
Streubereich mit für die Brillen- und Brillenteilefertigung
günstigen Werkstoff- und Verarbeitungseigenschaften, welcher
für die Wechselwirkung zwischen Mangan- und Aluminiumgehalten
durch folgende Beziehungen beschrieben wird:
%Al <= - 0,2 × %Mn + 8,5
%Al <= - 0,2 × %Mn + 7.
%Al <= - 0,2 × %Mn + 7.
Der Siliziumgehalt wird gemäß Anspruch 1 auf maximal 0,3%
begrenzt, da ein höherer Gehalt in der erfindungsgemäßen
Legierung mit 5,0 bis 15,0% Mangan, 4,0 bis 7,5% Aluminium
und 1,0 bis 2,8% Eisen zu Ausscheidungen führen und somit
kein homogener alpha-Kupfermischkristall vorliegen würde.
Ferner wird durch höhere Siliziumgehalte über 0,3% die
notwendige sehr gute Schweißeignung verschlechtert.
Die Schwefel- und Phosphorgehalte werden jeweils auf maximal
0,03% begrenzt, da höhere Gehalte in
Kupfermischkristallegierungen zu Warmbrüchigkeit führen und
insbesondere die geforderte gute Schweißeignung wesentlich
verschlechtern.
Eine Zugabe von Bor in Gehalten von 0,001 bis 0,01% zu
homogenen alpha-Kupfermischkristallegierungen wirkt sich
vorteilhaft in einer merklichen Verbesserung der
Warmverformbarkeit bzw. Reduzierung der Warmbrüchigkeit aus.
Eine Begrenzung auf maximal 0,010% soll das Auftreten von
unerwünschten Borausscheidungen vermeiden.
Nach der dänischen Rechtsverordnung Nr. 472 vom 27. Juni 1989
rufen Werkstoffe und daraus gefertigte Gegenstände dann keine
Nickel-allergische Reaktion hervor, wenn sie während eines
Korrosionsversuches in einer Prüflösung aus künstlichem
Schweiß, bestehend aus:
Natriumchlorid | |
0,5 Gew.-% | |
Milchsäure | 0,1 Gew.-% |
Harnstoff | 0,1 Gew.-% |
Wasser ad | 100 Gew.-% |
pH-Wert | 6,5 |
(mit 2,5 Gew.-% Ammoniakwasser eingestellt) |
nicht mehr als 0,5 µg Nickel pro cm2 und pro Woche abgeben.
Diese Forderung gilt für den verwendeten Werkstoff und die
daraus gefertigten Gegenstände im unbeschichteten und im
beschichteten Zustand.
Vier erfindungsgemäße Buntmetallegierungen (1 bis 4) und eine
üblicherweise für Brillengestelle verwendete nickelhaltige
Vergleichslegierung (5) mit den in Tabelle 2 angegebenen
Zusammensetzungen wurden dem Korrosionsversuch gemäß der
dänischen Rechtsverordnung Nr. 472 unterzogen. Die Werte für
die ermittelte Nickelabgabe sind in Tabelle 2 wiedergegeben.
Die Nickelabgabe der erfindungsgemäßen Legierungen liegt
unter dem geforderten Grenzwert von 0,5 µg pro cm2 und pro
Woche und ist deutlich geringer als die Nickelabgabe der
Vergleichslegierung.
Claims (7)
1. Legierung, gekennzeichnet durch die folgende
Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
Mn:
5,0 bis 15,0%
Al: 4,0 bis 7,50%
Fe: 1,0 bis 2,80%
Si: 0,0 bis 0,30%
Ni: 0,0 bis 0,15%
C: 0,0 bis 0,08%
S: 0,0 bis 0,03%
P: 0,0 bis 0,03%
B: 0,0 bis 0,01%
und Kupfer mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
als Rest.
2. Brillengestell oder Brillengestellteil, dadurch
gekennzeichnet, daß es aus einem Werkstoff mit folgender
Zusammensetzung in Gewichtsprozent gefertigt ist:
Mn:
5,0 bis 15,0%
Al: 4,0 bis 7,50%
Fe: 1,0 bis 2,80%
Si: 0,0 bis 0,30%
Ni: 0,0 bis 0,15%
C: 0,0 bis 0,08%
S: 0,0 bis 0,03%
P: 0,0 bis 0,03%
B: 0,0 bis 0,01%
und Kupfer mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
als Rest.
3. Brillengestell oder Brillengestellteil, dadurch
gekennzeichnet, daß es aus einem Werkstoff mit folgender
Zusammensetzung in Gewichtsprozent gefertigt ist:
Mn:
5,0 bis 15,0%
Al: 4,0 bis 7,50%
Fe: 1,0 bis 2,80%
Si: 0,0 bis 0,20%
Ni: 0,0 bis 0,05%
C: 0,0 bis 0,05%
S: 0,0 bis 0,03%
P: 0,0 bis 0,03%
B: 0,001 bis 0,01%
und Kupfer mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
als Rest.
4. Brillengestell oder Brillengestellteil nach Anspruch 2
oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehungen:
%Al <= - 0,2 × %Mn + 8,5
%Al <= - 0,2 × %Mn + 7für den verwendeten Werkstoff erfüllt sind.
%Al <= - 0,2 × %Mn + 7für den verwendeten Werkstoff erfüllt sind.
5. Brillengestell oder Brillengestellteil nach einem der
Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
verwendeten Werkstoffteile durch Schweißen, Löten
und/oder Verkleben miteinander verbunden sind.
6. Brillengestell oder Brillengestellteil nach einem der
Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit
nickelfreien metallischen und nichtmetallischen Stoffen
beschichtet sind.
7. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 zur
Herstellung von Schmuck- und Metallgegenständen,
insbesondere von Brillengestellen und
Brillengestellteilen.
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