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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spritzguss-Messinglegierung
mit Entzinkungsresistenz nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die
Entzinkung stellt ein Problem für
Messingwasserarmaturen dar, wenn die Wasserqualität variiert und
möglicherweise
stark ätzend
ist.
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Es
ist bekannt, dass es möglich
ist, die kupferreiche Alpha-Phase in Messing mit geringen Zusätzen von
Arsen oder Antimon gegen Entzinkung zu behandeln, während die
zinkreiche Beta-Phase nicht entzinkungsbeständig ist.
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Daher
wäre es
logisch, einen hohen Kupferanteil in einer Messinglegierung entzinkungsbeständig zu halten
(wie eine Legierung 1 in 1, worin eine
Portion des Phasendiagramms Cu-Zn, Hansen, Aufbau von binären Legierungen,
New York 1958 dargestellt ist), um die Menge der weniger korrosionsbeständigen Beta-Phase
zu minimieren oder vollständig
zu vermeiden. Das Problem mit einer solchen Legierung liegt darin, dass
es zu einer Primärerstarrung
der Alpha-Phase in Form von langen erstarrten Kristallen führt, die
sogenannten Dendriten, d.h. dass sich in der Beta-Phase lange Bänder zwischen
den Alpha-Dendriten
formen. Dies führt
zu zwei negativen Folgen:
- a) Das Material wird
durch die Hitze spröde;
und
- b) Das Material wird eine tiefe Entzinkung erreichen, da die
Entzinkung in den langen Bändern
der Beta-Phase folgen wird.
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Dieses
Phänomen
ist im nachstehenden wissenschaftlichen Artikel näher beschrieben:
Arno
Louvo, Tapio Rantala, Veijo Tauta, "The Effect of Composition on as-cast
Microstructure of alfa/beta-Brass and its Control by Microcomputer", LISBOA 84, 51 st
International Foundry Congress (Die Wirkung der Zusammensetzung
Alpha/Beta-Messing als Spritzguss-Mikrostruktur und deren Überwachung über Mikrocomputer", Lissabon 84, 51.
Internationaler Gießerei-Kongress).
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2 ist
ein Auszug aus diesem Artikel und beschreibt das Problem der durch
die Hitze entstandenen Sprödigkeit
und 3 ist ein Auszug desselben Artikels und beschreibt
das Phänomen
mit zunehmenden Entzinkungstiefen mit einem steigenden Kupfergehalt.
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Um
die obengenannten Probleme zu vermeiden, muss die Legierung primär in der
Beta-Phase wie eine
Legierung 2 in 1 erstarren, was folgende Vorteile
bietet:
- a) Die Beträge von Mikro- und Makro-Seigerungen
werden für
eine Legierung, die primär
in der Beta-Phase erstarrt, wesentlich niedriger sein. Dies wird
dadurch hervorgerufen, dass die Diffusionsgeschwindigkeit in der
Beta-Phase etwa 1000 mal höher
ist als in der Alpha-Phase, was ein Ergebnis davon ist, dass deren Kristallstruktur
eine kubisch raumzentrierte (k. r. z.) Atomanordnung im Vergleich
zur kubisch flächenzentrierten
(k. f. z.) Atomanordnung der Alpha-Phase aufweist.
- b) Die während
der Erstarrung entstandenen Kristalle können mit Bor feinkornbehandelt
werden, wodurch sehr wirksam Feinkörner gebildet und nur äußerst kleine
Beträge
dieser Substanz benötigt
werden, um eine Feinkornbildungs-Wirkung zu erreichen.
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Erfahrungsgemäß hat Bor
keine Feinkornbildungs-Wirkung auf Messing, das primär in der
Alpha-Phase erstarrt, während
es sehr wirksam ist, insoweit es die Keimbildung von Beta-Kristallen
betrifft.
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Der
Nachteil liegt darin, dass sich der Beta-Phasen-Betrag in der Endgießstruktur
erhöht
und ohne eine Wärmebehandlung
wird es schwer fallen, den härtesten
Entzinkungsanforderungen gemäß BS 2872
zu entsprechen, was eine maximale Entzinkungstiefe von 100 μm als einen
getrennten Wert erfordert. Dies ist vor allem bei schweren Materialdicken
wahr, wie in 3 dargestellt.
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Obige
Informationen entsprechen bekannten Grundlagen.
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Zusätzliche,
schon bekannte Techniken sind in der WO 89/08725 A1,
EP 0 572 959 A1 und im MNC – Handbuch
Nr. 8, Ausgabe 2, September 1987, "Specialmässing", Seite 43 beschrieben.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist, eine Methode vorzuschlagen, um die
obengenannten Nachteile zu beseitigen.
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Dieses
Ziel wird erfindungsgemäß durch
die Entwicklung einer Legierung mit den folgenden Merkmalen erreicht.
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Durch
einen geschickten Ausgleich von Kupfer, Zink, Silikon und Aluminium
ist es möglich,
in der Beta-Phase eine Erstarrung zu erreichen und dennoch die Entwicklung
von kontinuierlichen Beta-Phasen-Zonen im Endprodukt zu vermeiden.
Die Beta-Phase wird in isolierten Agglomeraten in einer Matrize
der Alpha-Phase gefunden, die infolge der Arsenzugabe gegen eine
Entzinkung geschützt
wird. Die Primärerstarrung
in der Beta-Phase mit der erfindungsgemäßen Legierungskombination,
in Verbindung mit der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit des Spritzgusses,
begrenzt die Größe der Agglomerate
der Beta-Phase in
der Endgießstruktur, wobei
die Agglomerate auch in einem dicken Spritzguss-Material mit einer
niedrigen Erstarrungs-Geschwindigkeit eine deutlich unter 100 μm liegende
Ausdehnung erreichen.
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Über eine
Feinkorn-Behandlung mit Bor kann die Größe der Agglomerate und folglich
auch die Entzinkungstiefe zusätzlich
verringert werden.
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Diese
Schlussfassungen sind durch die Ergebnisse einer weitgehenden Entwicklungsbemühung im Laufe
von mehreren Jahren bestätigt
worden, was das Ziel gewesen ist, um angemessene Legierungskombinationen
zu finden. Dies wird in den folgenden Zeichnungen gezeigt:
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4 zeigt,
wie die Menge von peritektisch erstarrenden Materialien (Primärerstarrung
in der Alpha-Phase) schnell verringert wird, wenn der Kupfergehalt
in der Legierung sinkt, wobei die Erhöhung der Menge in der Beta-Phase
in der Endstruktur verhältnismäßig langsam
erfolgt.
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5 zeigt
das Ergebnis aus Forschungen der Entzinkungstiefe gemäß dem internationalen
Standard ISO 6509 für
Spritzguss-Werkstücke
mit einer Materialdicke von 6 mm hinsichtlich Legierungen mit einem
variierenden Kupfergehalt. Das Ergebnis ist eindeutig. Ein Entzinkungsminimum
wird genau in der Zone erreicht, wo die peritektische Erstarrung
aufhört,
zur gleichen Zeit wie die Menge von der Beta-Phase noch nicht zu
groß wurde.
Das Bild zeigt eine Entzinkungstiefe für einen maximalen getrennten
Wert sowie Durchschnittswerte für
eine Anzahl von Messungen, die auf demselben Versuchsobjekt vorgenommen
wurden. Das Ergebnis ist, dass in einer verhältnismäßig breiten Zone das erhaltene
Resultat unterhalb den Anforderungen bezüglich des Entzinkungswiderstandes
gemäß BS 2872
von höchstens
100 μm für einen
getrennten Wert liegt.
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Ziel
der Erfindung ist, eine Legierung vorzuschlagen, welche auch die
Entzinkungsanforderungen für dicke
Spritzgussmaterialien erfüllt,
und 6 zeigt das Ergebnis für die entsprechende Untersuchung
mit einer Materialstärke
von 16 mm. Auch für
diese Materialstärke
sind die Anforderungen erfüllt,
und zwar höchstens 100 μm für einen
getrennten Wert, jedoch innerhalb eines schmaleren Abstands.
- – Bei
einem niedrigeren Kupfergehalt als 63.6% werden Agglomerate der
Beta-Phase so groß,
dass sie nun beginnen, zusammenwachsen, was zu einer zu großen Entzinkung
führt.
- – Bei
einem höheren
Kupfergehalt als 64.1% wird die Menge der Primärerstarrung in der Alpha-Phase
so groß,
dass sich lange Bänder
der Beta-Phasen zwischen den Alpha-Kristallen entwickeln und folglich eine tiefe
Entzinkung erreicht wird.
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Die
positiven Ergebnisse dieser Ausgleichung der Legierungszugaben werden
wie folgt zusammengefasst:
- 1) Spritzgussmaterial,
das aus der Legierung hergestellt wurde, erfüllt ohne eine folgende Wärmebehandlung
die Anforderungen gemäß BS 2872
hinsichtlich einer maximalen Entzinkungstiefe von 100 μm für einen
getrennten Wert.
- 2) Die Legierung kann auf eine wirksame Art mit Bor feinkornbehandelt
werden, was zu einer feinsten Körner-Struktur
im Fertigprodukt führt,
was zwei Vorteile bietet:
– Der
Entzinkungswiderstand wird weiter verbessert, weil die Größe der Beta-Phasen-Agglomerate
weiter verringert wird; und
– die Porosität im Spritzgussmaterial
wird gleichmäßiger verteilt
und die getrennte Größe wird
kleiner, was das Risiko eines undichten Spritzgussmaterials verringert
und folglich werden die Rückweisungskosten
für Produkte,
welche die Druckundurchdringlichkeits-Anorderungen erfüllen müssen, auch
verringert.
- 3) Der Aluminiumgehalt muss auf einem niedrigen Stand gehalten
werden, nämlich
0.03–0.1
Gewichts-%, das heißt,
dass die positive Wirkung der Aluminiumzugabe zu einer Spritzgusslegierung
benutzt wird, jedoch die negativen Auswirkungen vermieden werden.
– Positive
Auswirkungen umfassen die starke Aluminiumzugabe-Entzinkungswirkung, das heißt, dass
auch bei einem niedrigen Aluminiumgehalt der Sauerstoffgehalt in
der Schmelze stabil und sehr niedrig ist. Aluminium übt so auch
eine niedrigere Reinigungswirkung aus, dass hier ein Zinkoxyd-Überzug auf Schüttgefäßen, Formwerkzeugen
und Kernen reduziert wird; und
– Negative Auswirkungen umfassen
die Bildung in Legierungen, die Silikon enthalten und in welchen
der Aluminiumgehalt größer als
0.1 Gewichts-% ist, von einer klebrigen Schlacke, die aus Aluminiumsilikaten besteht.
Wenn eine Schmelze mit einem Gefäß aufgetragen
wird, wird eine Portion dieser Schlacke in das Produkt eingeführt, worin
sich "Dünste" und "Kugeln" bilden. Diese Zugaben
beeinträchtigen
die mechanischen Eigenschaften des Fertigprodukts, schlechter ist
es jedoch, dass sie als Kapillare fungieren, was bedeutet, dass
nach diesen Einschlüssen
die Entzinkung erfolgt, wenn sie die Oberfläche erreichen, was zu tiefen
Entzinkungen führt,
was bei weitem über
die Anforderungen hinsichtlich des Entzinkungswiderstandes gemäß der BS
2872 einer Entzinkung von höchstens
100 μm für einen
getrennten Wert hinaus geht.
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Diesbezüglich weicht
die vorliegende Erfindung von der feinkornbehandelten Legierung
gemäß DE-A 43
18 377 A1 ab, welche einen Aluminiumgehalt von 0.3–0.7 Gewichts-%
empfiehlt und einen Silikongehalt von 0.–0.7 Gewichts-%.
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Eine
entzinkungsbeständige
Legierung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet:
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Ein
Beispiel einer präzisierten
Legierung, die in großem
Maßstab
erzeugt worden ist, ist so ausgefallen, dass sie die erfindungsgemäßen Anforderungen
recht gut erfüllt:
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Die
Erfindung ist nicht auf die obigen Vorzugslösungen beschränkt, kann
aber im Rahmen der Patentansprüche
abgeändert
werden. Dies ist besonders wahr in Bezug auf den Bleigehalt, da
Blei nicht in der Legierung gelöst
wird sondern als eine getrennte Phase verbleibt, die den Entzinkungswiderstand
nicht beeinflusst.
