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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Automatenkupferlegierungen.
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2. Stand der Technik
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Zu
den gut zu bearbeitenden Kupferlegierungen zählen Bronzelegierungen, wie
beispielsweise die nach der JIS-Norm mit H5111 BC6 bezeichnete Legierung,
oder Messinglegierungen, wie die nach der JIS-Norm mit H3250-C3604
und C3771 bezeichneten Legierungen. Diese Legierungen werden hinsichtlich
ihrer Bearbeitbarkeit durch Zusatz von 1,0 bis 6,0 Gewichtsprozent
Blei derart optimiert, dass ein für die Industrie zufrieden stellendes
Ergebnis, nämlich
eine einfach zu bearbeitende Kupferlegierung, erzielt ist. Augrund
ihrer hervorragenden Bearbeitbarkeit haben sich diese Kupferlegierungen
zu einem wichtigen Grundmaterial für die Herstellung einer Reihe
von Produkten, wie beispielsweise von Wasserhähnen, Metallarmaturen und -Ventilen für die Wasserzufuhr
und den Wasserabfluss, entwickelt.
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In
diesen herkömmlichen
Automatenkupferlegierungen (engl.: free-cutting copper alloys),
bildet das Blei keine feste Lösung
in der Matrix, sondern dispergiert in granulärer Form, was zu einer verbesserten
Bearbeitbarkeit dieser Legierungen führt. Um dieses gewünschte Ergebnis
zu erzielen, muss Blei zu mehr als 2,0 Gewichtsprozent zugegeben
werden. Wenn die Zugabe an Blei weniger als 1,0 Gewichtsprozent
beträgt,
führt dies
zur Bildung von spiralförmigen
Spänen
wie in der Darstellung (D) der 1 gezeigt.
Aufgrund derartiger Späne
entstehen unterschiedliche Probleme, wie beispielsweise ein Verheddern
mit dem Werkzeug. Wenn andererseits der Bleigehalt über 1,0
Gewichtsprozent liegt und 2,0 Gewichtsprozent nicht überschreitet,
wird die geschnittene Fläche
rau sein, obgleich dies beispielsweise zu einem verringerten Schneidewiderstand
führt. Daher
ist es unüblich,
Blei in einem Anteil von weniger als 2,0 Gewichtsprozent beizufügen. Manche
gestreckten Kupferlegierungen (engl.: expanded copper alloys), bei
denen hervorragende Schneideeigenschaften benötigt werden, werden mit 3,0
oder mehr Gewichtsprozent Blei gemischt. Ferner haben manche Bronzegüsse einen
Bleigehalt von mehr als 5,0 Gewichtsprozent. Beispielsweise enthält die nach
der JIS-Norm als H 5111 BC6 bezeichnete Legierung 5,0 Gewichtsprozent
Blei.
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In
den letzten Jahren wurden die Blei-Mischlegierung jedoch stark reduziert,
da das darin enthaltene Blei als Umweltschadstoff dem Menschen Schaden
zufügen
kann. Schließlich
sind die Blei enthaltenden Legierungen gesundheitsschädigend und
stellen eine Gefahr für
die Umwelt dar, da das Blei sich im Metalldampf befindet, der während der
Herstellungsschritte derartiger Legierungen bei hohen Temperaturen
entsteht, wie beispielsweise beim Schmelzen und Gießen, und
es besteht weiterhin die Gefahr, dass das in den Metallarmaturen
und Hähnen
von Wassersystemen befindliche Blei ins Trinkwasser übergeht.
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Aus
diesen Gründen
sind die Vereinigten Staaten sowie andere entwickelte Nationen in
den letzten Jahren dazu übergegangen,
die Standards für
Blei enthaltende Kupferlegierungen zu verschärfen, um den zulässigen Anteil
an Blei in Kupferlegierungen drastisch zu verringern. Auch in Japan
wurde die Verwendung von Blei enthaltenden Legierungen zunehmend
eingeschränkt
und es besteht eine steigende Nachfrage nach der Entwicklung von
Automatenkupferlegierungen mit geringem Bleigehalt.
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In
der Veröffentlichung
von R. Mannheim et al. "Silicon
brass: an alternative for lead-free faucets and fittings", Jahreskongress – Associaco
Brasileira de Metalurgia e Materials (1998), Ausgabe 1997, 52ste
(II Congresso International de Tecnologia Metalurgica e de Materials)
wird eine Bewertung der Legierung C87800 (ein Si-Messing) als Alternative
für bleifreies
Messing vorgenommen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Automatenkupferlegierung
anzugeben, die einen äußerst geringen
Anteil (0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent) an Blei als ein die Bearbeitbarkeit
verbesserndes Element enthält
und dennoch über
eine hervorragende Bearbeitbarkeit verfügt und als sicherer Ersatz
für eine
herkömmliche
leicht zu schneidende Bleilegierung mit hohem Bleigehalt eingesetzt
werden kann und dabei keine Umweltprobleme mit sich bringt, während das
Wiederverwertung von Spänen
ermöglicht
ist, und die somit eine zeitgemäße Antwort
auf den steigenden Bedarf an Produkten mit verringertem Bleigehalt
darstellt.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Automatenkupferlegierung
anzugeben, die zuhöchst
korrosionsresistent ist, dabei über
eine hervorragende Bearbeitbarkeit verfügt und sich als Grundmaterial
für Schneid-, Schmied-
und Gussarbeiten und dergleichen eignet, was der Legierung einen
hohen praktischen Wert verleiht. Zu den Schneid-, Schmied und Gussarbeiten
zählen
Wasserhähne,
Metallarmaturen für
die Wasserzufuhr, den Wasserablauf, Ventile, Schlaucharmaturen,
Heißwasserzufuhrrohrarmaturen, Schacht-
und Wärmetauscherteile.
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Weiterhin
ist es ein Ziel der Erfindung, eine Automatenkupferlegierung anzugeben,
die eine hohe Festigkeit aufweist und unempfindlich gegenüber Abnutzung
und dabei leicht zu schneiden ist, wobei sich ein Material mit diesen
Eigenschaften als Grundmaterial zum Herstellen von Schneid-, Schmied-
und Gussarbeiten und dergleichen eignet, das einer hohen Festigkeit
und Abnutzungsresistenz bedarf, so wie dieses beispielsweise zum
Herstellen von Lagern, Bolzen, Muttern, Buchsen, Getrieben, Nähmaschinen
und Teilen von Hydrauliksystemen eingesetzt wird, wodurch der Legierung
ein hoher praktischer Wert verliehen ist.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, eine Automatenkupferlegierung
anzugeben, die eine hervorragende Oxidationsresistenz bei hohen
Temperaturen hat und dabei leicht zu schneiden ist, wobei sich ein Material
mit diesen Eigenschaften als Grundmaterial zum Herstellen von Schneid-,
Schmied- und Gussarbeiten und dergleichen eignet, bei denen eine
starke Oxidationsresistenz äußerst wichtig
ist, so wie beispielsweise zum Herstellen von Lagern, Bolzen, Muttern,
Buchsen, Getrieben, Nähmaschinen
und Teilen von Hydrauliksystemen, wodurch der Legierung ein hoher
praktischer Wert verliehen ist.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden gelöst durch
die folgenden Kupferlegierungen:
- 1. Eine Automatenkupferlegierung,
die leicht zu schneiden ist und 69 bis 79 Gewichtsprozent Kupfer,
2,0 bis 4,0 Gewichtsprozent Silicium, 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Blei umfasst, wobei die übrigen
gewichtsmäßigen Anteile
aus Zink bestehen und wobei die Metallstruktur der Automatenkupferlegierung
zumindest eine Phase ausgewählt
aus der γ (Gamma)-Phase
und der κ (Kappa)-Phase
hat. Zum Zwecke der Vereinfachung wird diese Kupferlegierung im
Folgenden als "erste
Legierung" bezeichnet.
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In
der Matrix bildet Blei keine feste Lösung sondern dispergiert in
granulärer
Form, wodurch die Bearbeitbarkeit verbessert ist. Silicium verbessert
die Schneideeigen schaften, indem es in der Metallstruktur eine Gammaphase
(in manchen Fällen
eine Kappaphase) produziert. Somit sind beide Elemente darin gleich,
dass sie die Bearbeitbarkeit verbessern, obgleich sie sich in ihrem
Beitrag zu den Eigenschaften der Legierung sehr unterscheiden. Diesem
Wissen Rechnung tragend wird der ersten erfindungsgemäßen Legierung
Silicium zugeführt,
um eine von der Industrie geforderte gute Bearbeitbarkeit zu erzielen,
während
der Bleigehalt stark reduziert werden kann. Somit verfügt die erste
erfindungsgemäße Legierung über eine
verbesserte Bearbeitbarkeit durch das Bilden einer Gammaphase durch
Zuführen
von Silicium.
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Bei
Zugabe von weniger als 2,0 Gewichtsprozent Silicium kann keine Gammaphase
gebildet werden, die ausreichend wäre, um ein für die Industrie
zufriedenstellendes Ergebnis hinsichtlich der Bearbeitbarkeit zu erzielen.
Mit erhöhter
Zugabe von Silicium ist eine verbesserte Bearbeitbarkeit erreicht.
Ab einem Anteil von mehr als 4,0 Gewichtsprozent Silicium verbessert
sich die Bearbeitbarkeit allerdings nicht mehr proportional. Das
Problem ist jedoch, dass Silicium einen hohen Schmelzpunkt und ein
geringes spezifisches Gewicht hat und auch oxidationsempfindlich
ist. Wenn Silicium in einfacher Form beim Schmelzen in den Ofen
gegeben wird, wird das Silicium auf dem geschmolzenen Metall schwimmen
und zu Oxiden von Silicium oder zu Silicium-Oxid oxidieren, wodurch
die Produktion einer siliciumhaltigen Kupferlegierung problematisch
ist. Beim Herstellen eines Gussblocks aus einer siliciumhaltigen
Kupferlegierung wird Silicium daher meist in der Form einer Cu-Si-Legierung
zugeführt,
was zu erhöhten
Herstellungskosten führt.
Auch hinsichtlich der Kosten zur Herstellung der Legierung ist es
nicht wünschenswert,
Silicium in einer Menge über
dem Sättigungspunkt
oder -plateau einer verbesserten Bearbeitbarkeit – 4,0 Gewichtsprozent – beizufügen. Ein
Experiment hat gezeigt, dass, wenn Silicium in einer Menge von 2,0
bis 4,0 Gewichtsprozent zugeführt
wird, es wünschenswert
ist, den Kupfergehalt bei 69 bis 79 Gewichtsprozent zu halten, wobei
die Relation zum Zinkgehalt berücksichtigt
ist, um die intrinsischen Eigenschaften der Cu-Zn-Legierung zu erhalten.
Aus diesem Grund ist die erste erfindungsgemäße Legierung zusammengesetzt
aus 69 bis 79 Gewichtsprozent Kupfer und 2,0 bis 4,0 Gewichtsprozent
Silicium. Die Zugabe von Silicium führt nicht nur zu einer verbesserten
Bearbeitbarkeit sondern auch zu verbesserten Fließeigenschaften
des Schmelzmetalls beim Gießen,
mehr Festigkeit, Abnutzungsresistenz, verbesserter Resistenz gegenüber Spannungsrisskorrosion
(engl.: stress corrosion cracking), Oxidationsresistenz bei hohen
Tempera turen. Aber auch die Formbarkeit und Entzinkungskorrosionsresistenz
wird zu einem gewissen Grad erhöht.
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Daher
wird die Zugabe von Blei mit 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent festgelegt.
Bei der ersten erfindungsgemäßen Legierung
ist eine ausreichend gute Bearbeitbarkeit erzielt durch das Zuführen von
Silicium, das die oben genannte Wirkung hat, auch wenn die Zugabe
von Blei reduziert ist. Dennoch muss Blei zu nicht weniger als 0,02
Gewichtsprozent zugeführt
werden, wenn die Legierung hinsichtlich der Bearbeitbarkeit gegenüber herkömmlichen
Automatenkupferlegierungen besser sein soll, während die Zugabe von Blei über 0,4
Gewichtsprozent sich nachteilig auswirken und zu einer rauen Oberfläche führen würde sowie
zu einer schlechten Bearbeitbarkeit unter Wärmeeinwirkung, wie beispielsweise
beim Schmieden, und zu einer geringeren Formbarkeit im kalten Zustand.
Inzwischen kann davon ausgegangen werden, dass ein derartig geringer
Bleigehalt von nicht mehr als 0,4 Gewichtsprozent den Vorschriften
zum zulässigen
Bleigehalt trotz aller Strenge der Formulierung dieser Vorschriften
in den hochentwickelten Staaten, darunter auch Japan, auch in Zukunft
entspricht. Daher wird der Bleigehalt auf 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
für die
erste und zweite bis achte Legierung, die im Folgenden noch beschrieben
sind, festgesetzt.
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Die
erste Legierung kann ferner ein Element ausgewählt aus 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Bismut, 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Tellur und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Selen umfassen, wobei die restlichen Gewichtsprozentanteile aus
Zink bestehen. Diese zweite Kupferlegierung wird im Folgenden als "zweite Legierung" bezeichnet.
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Somit
besteht die zweite Legierung aus der der ersten erfindungsgemäßen Legierung
und aus einem zusätzlichen
Element ausgewählt
aus 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Bismut, 0,02 bis 04 Gewichtprozent
Tellur und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Selen.
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Bismut,
Tellur und Selen bilden ebenso wie Blei keine feste Lösung mit
der Matrix sondern dispergieren in granulärer Form, wodurch die Bearbeitbarkeit
verbessert ist. Dies schafft einen Ausgleich zum verringerten Bleigehalt.
Durch Zugabe eines jeden dieser Elemente zusammen mit Silicium und
Blei kann die Bearbeitbarkeit noch weiter verbessert werden als
durch das Zufügen
von Silicium und Blei erhofft. Aus dieser Erkenntnis heraus wurde
die zweite Legierung entwickelt, in die ein Element ausgewählt aus
Bismut, Tellur und Selen eingemischt wird. Durch Zugabe von Bismut,
Tellur oder Selen sowie Silicium und Blei kann die Kupferlegierung
so gut zu bearbeiten sein, dass komplizierte Formen mit hoher Geschwindigkeit
frei herausgeschnitten werden können.
Es kann jedoch keine verbesserte Bearbeitbarkeit erzielt werden,
wenn Bismut, Tellur oder Selen in einer Menge unter 0,02 Gewichtsprozent
zugeführt
werden. Weiterhin sind diese Elemente im Vergleich zu Kupfer recht
teuer. Wenn auch nur über
0,4 Gewichtsprozent hinzugefügt
werden, ist die Verbesserung der Bearbeitbarkeit proportional so
gering, dass eine Zugabe über
dieser Menge sich wirtschaftlich gesehen nicht auszahlt. Darüber hinaus
verschlechtert sich die Legierung bei einer Zugabe über 0,4
Gewichtsprozent hinsichtlich der Bearbeitbarkeit unter Wärmeeinwirkung,
wie beispielsweise beim Schmieden, und im kalten Zustand, wie beispielsweise
beim Formen. Es könnte
zwar angenommen werden, dass Schwermetalle wie Bismut ein ähnliches
Problem wie Blei verursachen, eine geringe Zugabe von weniger als
0,4 Gewichtsprozent ist jedoch vernachlässigbar und stellt kein größeres Problem
dar. Aus diesen Erwägungen
heraus wird die zweite Legierung derart zubereitet, dass der Zusatz
von Bismut, Tellur oder Selen auf 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent festgesetzt
wird. Hierbei ist es wünschenswert,
den gemeinsamen Anteil von Blei und Bismut, Tellur oder Selen 0,4
Gewichtsprozent nicht übersteigen
zu lassen. Dies rührt
daher, dass, wenn der gemeinsame Gehalt auch nur gering über 0,4
Gewichtsprozent liegt, die Bearbeitbarkeit unter Wärmeeinwirkung
sowie die Formbarkeit im kalten Zustand leidet. Weiterhin ist zu
befürchten,
dass sich die Form der Späne
von (B) nach (A) der 1 entwickelt. Dennoch ist durch
Zugabe von Bismut, Tellur oder Selen, wodurch die Bearbeitbarkeit der
Kupferlegierung, wenn auch ein wenig anders als im oben beschriebenen
Fall von Silicium, verbessert ist, nicht der geeignete Gehalt an
Kupfer und Silicium betroffen. Daher wird der Gehalt an Kupfer und
Silicium bei der zweiten Legierung wie bei der ersten Legierung
beibehalten.
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Gewicht,
von Zink. Diese vierte Kupferlegierung wird im Folgenden als "vierte erfindungsgemäße Legierung " bezeichnet.
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Die
vierte Legierung enthält
zusätzlich
zu den in der dritten Legierung enthaltenen Komponenten ein Element
ausgewählt
aus 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Bismut, 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Tellur und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Selen. Die Gründe für das Einmischen
dieser zusätzlichen
Elemente und das Festsetzen dieser hinzuzufügenden Menge sind die gleichen
wie auch bei der zweiten erfindungsgemäßen Legierung.
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Die
erste Legierung kann ferner zumindest ein Element ausgewählt aus
0,3 bis 3,5 Gewichtsprozent Zinn, 0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent
Phosphor, 0,02 bis 0,15 Gewichtsprozent Antimon, und 0,02 bis 0,15
Gewichtsprozent Arsen umfassen, wobei die übrigen gewichtsmäßigen Anteile
aus Zink bestehen. Diese dritte Kupferlegierung wird im Folgenden
als "dritte Legierung" bezeichnet.
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Die
dritte Legierung hat zusätzlich
zur ersten Legierung zumindest ein Element ausgewählt aus
0,3 bis 3,5 Gewichtsprozent Zinn, 0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent
Phosphor, 0,02 bis 0,15 Gewichtsprozent Antimon und 0,02 bis 0,15
Gewichtsprozent Arsen.
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Zinn
verbessert nicht nur die Bearbeitbarkeit sehr effizient sondern
fördert
auch die Korrosionsresistenz-Eigenschaften (Entzinkungskorrosionsresistenz
(engl.: dezincification corrosion resistance]) und Schmiedbarkeit.
In anderen Worten verbessert Zinn die Korrosionsresistenz in der
Alphaphasenmatrix und durch das Dispergieren der Gammaphase die
Korrosionsresistenz, die Schmiedbarkeit und die Resistenz gegenüber Spannungsrisskorrosion.
Die dritte Legierung weist somit aufgrund der Eigenschaften von
Zinn eine verbesserte Korrosionsresistenz auf und hauptsächlich aufgrund
des Silcium-Zusatzes eine verbesserte Bearbeitbarkeit. Daher ist
der Anteil an Silicium und Kupfer in dieser Legierung ebenso festgelegt
wie in der ersten erfindungsgemäßen Legierung.
Um die Korrosionsresistenz und auch die Schmiedbarkeit zu verbessern, müsste jedoch
Zinn in einer Menge von mindestens 0,3 Gewichtsprozent zugefügt werden.
Wenn jedoch mehr als 3,5 Gewichtsprozent hinzugefügt werden,
verbessern sich Korrosionsresistenz und Schmiedbarkeit nicht proportional
zur beigefügten
Menge Zinn. Dies ist in wirtschaftlicher Hinsicht nicht sinnvoll.
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Phosphor
dispergiert die Gammaphase einheitlich und verfeinert zugleich die
Kristallkörner
in der Alphaphase in der Matrix, wodurch eine verbesserte Bearbeitbarkeit
erzielt ist und auch die Korrosionsresistenz (Entzinkungskorrosion),
Schmeidbarkeit, die Resistenz gegenüber Spannungsrisskorrosion
und die mechanische Festigkeit erhöht wird. Die dritte Legierung
weist somit durch die Wirkung von Phosphor eine verbesserte Korrosionsresistenz
sowie weitere positive Eigenschaften auf und führt insbesondere aufgrund der
Zufuhr von Silicium zu einer besseren Bearbeitbarkeit. Durch das
Zuführen
von Phosphor in sehr geringen Mengen, d. h. 0,02 oder mehr Gewichtsprozent,
kann zu einem Ergebnis führen.
Doch durch Zuführen
von mehr als 0,25 Gewichtsprozent ist kein so effektives Ergebnis
zu erzielen wie die zugeführte
Menge erhoffen lässt.
In diesem Fall leidet die Schmiedbarkeit und Extrudierbarkeit eher.
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Ebenso
wie Phosphor sind Antimon und Arsen in sehr kleinen Mengen – 0,02 oder
mehr Gewichtsprozent – sehr
geeignet, um die Resistenz gegenüber
Entzinkungskorrosion und weitere Eigenschaften zu verbessern. Die
Zugabe von über
0,15 Gewichtsprozent führt
hier zu keinem im Verhältnis
zur zugefügten
Menge stehendem Ergebnis. Stattdessen sind eher die Eigenschaften
beim Schmieden unter Wärmeeinwirkung
und die Extrudierbarkeit bei Zugabe von großen Mengen Phosphor betroffen.
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Diese
Beobachtungen zeigen, dass die dritte Legierung durch Zuführen zumindest
eines Elements ausgewählt
aus Zinn, Phosphor, Antimon und Arsen (wodurch die Korrosionsresistenz
verbessert ist) in den zuvor beschrieben maximalen Mengen zusätzlich zur
derselben Menge an Kupfer und Silicium wie in der ersten Legierung
eine verbesserte Bearbeitbarkeit und Korrosionsresistenz sowie weitere
positive Eigenschaften aufweist. Bei der dritten Legierung wird
der Zusatz von Kupfer und Silicium auf 69 bis 79 Gewichtsprozent
und 2,0 bis 4,0 Gewichtsprozent festgelegt – ebenso wie bei der ersten
Legierung, bei der neben Silicium und einer kleinen Menge Blei kein
weiteres Element zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit hinzugefügt wird,
da Zinn und Phosphor wie Antimon und Arsen hauptsächlich zum
Verbessern der Korrosionsresistenz dienen.
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Die
erste Legierung kann ferner zumindest ein Element ausgewählt aus
0,3 bis 3,5 Gewichtsprozent Zinn, 0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent
Phosphor, 0,02 bis 0,15 Gewichtsprozent Antimon und 0,02 bis 0,15
Gewichtsprozent Arsen umfassen; ein Element ausgewählt aus
0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Bismut, 0,02 bis 0,4 Ge wichtsprozent
Tellur und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Selen; wobei die übrigen gewichtsmäßigen Anteile aus
Zink bestehen. Diese sechste Kupferlegierung wird im Folgenden als "vierte Legierung" bezeichnet.
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Die
vierte Legierung umfasst zusätzlich
zu den in der fünften
erfindungsgemäßen Legierung
enthaltenen Komponenten nur ein Element ausgewählt aus 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Bismut, 0,02 bis 0,4 Gewichtprozent Tellur und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Selen. Zusätzlich
zu dem Silicium und Blei ist die Bearbeitbarkeit verbessert durch
die Zugabe von einem Element ausgewählt aus Bismut, Tellur und
Selen wie bei der zweiten Legierung und die Korrosionsresistenz
und andere Eigenschaften sind verbessert durch Zugabe von zumindest
einem Element ausgewählt
aus Zinn, Phosphor, Antimon und Arsen wie bei der fünften erfindungsgemäßen Legierung.
Daher wird die Zugabe von Kupfer, Silicium, Bismut, Tellur und Selen
auf die gleichen Mengen festgelegt wie im Fall der zweiten erfindungsgemäßen Legierung,
während
die Zugabe von Zinn, Phosphor, Antimon und Arsen an die Zugabe bei
der fünften
erfindungsgemäßen Legierung
angepasst wird.
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Die
erste Legierung kann weiterhin 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent Aluminium
und 0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent Phosphor enthalten, wobei die übrigen gewichtsmäßigen Anteile
aus Zink bestehen. Die fünfte Kupferlegierung
wird im Folgenden als "fünfte Legierung" bezeichnet.
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Aluminium
ist ein Element, das die Festigkeit, Bearbeitbarkeit, und die Abnutzungsresistenz
sowie die Oxidationsresidenz bei hohen Temperaturen verbessert.
Auch durch die Eigenschaften von Silicium wird die Bearbeitbarkeit,
die Festigkeit, die Abnutzungsresistenz und die Resistenz gegenüber Spannungsrisskorrosion
und Oxidation bei hohen Temperaturen verbessert. Aluminium trägt in Verbindung
mit Silicium dazu bei, die Oxidationsresistenz bei hohen Temperaturen
zu verbessern, wobei kein geringerer gewichtsmäßiger Anteil als 0,1 Prozent
vorliegen darf. Auch wenn über
1,5 Gewichtsprozent Aluminium zugeführt werden, sind keine proportional
verbesserten Ergebnisse zu erwarten. Daher wird die Zugabe von Aluminium
auf 0,1 to 1,5 Gewichtsprozent festgelegt.
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Es
wird Phosphor zugegeben, um die Fließeigenschaften des Schmelzmetalls
beim Gießen
zu verbessern. Phosphor dient auch dazu, zusätzlich zu den verbesserten
Fließeigenschaften
des Schmelzmetalls auch die zuvor genannten Eigenschaften Bearbeitbarkeit,
Resistenz gegenüber
Entzinkunskorrosion und Oxi dation bei hohen Temperaturen zu verbessern.
Diese Wirkung ist zu beobachten, wenn Phosphor in einer Menge von
nicht weniger als 0,02 Gewichtsprozent zugefügt wird. Wenn Phosphor jedoch
in einer Menge über
0,25 Gewichtsprozent zugeben wird, ist kein proportionaler Anstieg
dieser Wirkung festzustellen, sondern eher eine Schwächung der
Wirkung. Daher wird die Zugabe von Phosphor auf 0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent
festgelegt.
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Während Silicium
zugefügt
wird, um die erwähnte
Bearbeitbarkeit zu verbessern, kann dieses Element auch die Fließeigenschaften
des Schmelzmetalls beim Gießen
verbessern. Die Wirkung von Silicium beim Verbessern der Fließeigenschaften
des Schmelzmetalls zeigt sich, wenn es in einer Menge von nicht
weniger als 2,0 Gewichtsprozent zugegeben wird. Die Zugabemenge
zur Verbesserung der Fließeigenschaften
liegt über der
Menge zum Verbessern der Bearbeitbarkeit. In Anbetracht dessen wird
die Zugabe von Silicium auf 2,0 bis 4,0 Gewichtsprozent festgelegt.
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Die
erste Legierung kann ferner 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent Aluminium,
0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent Phosphor; ein Element ausgewählt aus
0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Bismut, 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Tellur und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Selen umfassen, wobei die übrigen gewichtsmäßigen Anteile
aus Zink bestehen. Diese sechste Kupferlegierung wird im Folgenden
als "sechste Legierung" bezeichnet.
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Die
sechste Legierung umfasst zusätzlich
zu den Komponenten der fünften
Legierung ein Element ausgewählt
aus 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Bismut, 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Tellur und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Selen. Während die Oxidationsresidenz
bei hohen Temperaturen ebenso gut wie im Fall der fünften Legierung
ist, wird die Bearbeitbarkeit noch weiter verbessert, indem ein
Element ausgewählt
aus Bismut oder anderen Elementen, die hinsichtlich der verbesserten
Bearbeitbarkeit ebenso effektiv sind wie Blei, hinzugefügt wird.
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Die
erste Legierung kann ferner 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent Aluminium;
0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent Phosphor; zumindest ein Element ausgewählt aus
0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Chrom und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Titan umfassen, wobei die übrigen
gewichtsmäßigen Anteile
aus Zink bestehen. Die zehnte Kupferlegierung wird im Folgenden
als "siebte Legierung" bezeichnet.
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Chrom
und Titan dienen der Verbesserung der Oxidationsresistenz bei hohen
Temperaturen. Besonders gute Ergebnisse hierbei werden erzielt,
wenn diese mit Aluminium gemischt werden, um einen Synergieeffekt
zu erzielen. Dieses Ergebnis ist zu beobachten, wenn die Zugabe
unter 0,02 Gewichtsprozent liegt, ungeachtet dessen, ob das jeweilige
Element allein oder in Kombination zugegeben wird. Der Sättigungspunkt liegt
bei 0,4 Gewichtsprozent. Aufgrund dieser Beobachtungen hat die siebte
Legierung zusätzlich
zu den Komponenten der fünften
Legierung ein Element ausgewählt
aus 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Chrom und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Titan, wodurch sie gegenüber
der fünften
Legierung hinsichtlich der Oxidationsresistenz bei hohen Temperaturen
verbessert ist.
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Die
erste Legierung kann ferner 0,1 bis 1,5 Gewichtsprozent Aluminium;
0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent Phosphor; zumindest ein Element ausgewählt aus
0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Chrom und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Titan; ein Element ausgewählt
aus 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Bismut, 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Selen umfassen, wobei die übrigen
gewichtsmäßigen Anteile
aus Zink bestehen. Die achte Legierung wird im Folgenden als "achte Legierung" bezeichnet.
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Die
achte Legierung umfasst zusätzlich
zu den Komponenten der siebten Legierung ein Element ausgewählt aus
0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Bismut und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
Tellur und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Selen. Während die Oxidationsresistenz
bei hohen Temperaturen wie im Fall der zehnten Legierung sichergestellt
ist, ist die erfindungsgemäße elfte
Legierung hinsichtlich der Bearbeitbarkeit verbessert durch die
Zugabe von einem Element ausgewählt
aus Bismut oder anderen Elementen, die beim Erzielen einer verbesserten
Bearbeitbarkeit ebenso effektiv wie Blei sind.
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Eine
Automatenkupferlegierung mit einer weiterhin verbesserten Bearbeitbarkeit
wird erzielt, indem eine der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Legierungen
30 Minuten bis 5 Stunden lang einer Hitzebehandlung bei 400 bis
600°C unterzogen
wird.
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Die
neunte Legierung wird im Folgenden als "neunte Legierung" bezeichnet.
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Die
Legierungen von der ersten bis zur achten Liegerung enthalten Elemente,
welche die Bearbeitbarkeit verbessern, wie beispielsweise Silicium,
und haben aufgrund der Zugabe derartiger Elemente eine hervorragende
Bearbeitbarkeit. Die Wirkung dieser die Bearbeitbarkeit verbessernden
Elemente kann durch eine Hitzebehandlung noch verstärkt werden.
So unterliegen die Legierungen von der ersten bis achten erfindungsgemäßen Legierung,
die einen hohen Kupfergehalt aufweisen und in geringen Mengen Gammaphasen
und in hohen Mengen Kappaphasen haben, bei einer Hitzebehandlung
einem Wechsel von der Kappa- zur Gammaphase. Im Ergebnis wird die
Gammaphase fein dispergiert und abgeschieden und die Bearbeitbarkeit
verbessert. Beim Prozess der Herstellung von Gussstücken, Streck-Metallen
(engl.: expanded metals) und Heiß-Schmiedstücken werden die Materialien
in der Praxis oft druckluftgekühlt
oder wassergekühlt
in Abhängigkeit
von den Schmiedebedingungen und der Produktivität nach der Hitzebehandlung
(Extrusion unter Hitzeeinwirkung, Heißschmeiden etc.), der Arbeitsumgebung
und anderen Faktoren. In derartigen Fällen haben die erste bis elfte
erfindungsgemäße Legierung,
insbesondere die mit geringem Kupfergehalt, eine geringe Gammaphase
und eine Betaphase. Bei einer Hitzebehandlung wird die Betaphase
in eine Gammphase umgewandelt und die Gammaphase wird fein dispergiert
und abgeschieden, wobei sich die Bearbeitbarkeit verbessert.
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Eine
Hitzebehandlung bei weniger als 400°C ist jedoch nicht in jedem
Fall ökonomisch
und praktisch, da die zuvor beschriebene Phasenumwandlung langsam
voran geht und viel Zeit benötigt
wird. Bei Temperaturen über
600°C steigt
die Kappaphase jedoch an oder die Betaphase erscheint, so dass hinsichtlich
der Bearbeitbarkeit kein verbessertes Ergebnis erzielt wird. Aus
praktischer Sicht ist es daher wünschenswert,
die Hitzebehandlung 30 Minuten bis 5 Stunden lang bei 400 bis 600°C durchzuführen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
Perspektivansichten des Schneidabfalls, der beim Schneiden eines
runden Kufperlegierungsblocks in einer Drehbank gebildet wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Beispiel 1
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Als
erste Beispielsreihe der vorliegenden Erfindung wurden zylindrische
Gussblöcke
mit den in den Tabellen 1 bis 15 gezeigten Zusammensetzungen und
mit jeweils einem Außendurchmesser
von 100 mm und einer Länge
von 150 mm bei 750°C
zu einem runden Block mit einem Außendurchmesser von 15 mm extru diert,
um die folgenden Teststücke
zu bilden: erste Legierungen Nr. 1001 bis 1007, zweite Legierungen
Nr. 2001 bis 2006, dritte Legierungen Nr. 5001 bis 5020, vierte
Legierungen Nr. 6001 bis 6045, fünfte
Legierungen Nr. 8001 bis 8008, sechste Legierungen Nr. 9001 bis
9006, siebte Legierungen Nr. 10001 bis 10008 und achte Legierungen
Nr. 11001 bis 11011. Ferner wurden zylindrische Gussblöcke mit
den in Tabelle 16 angegebenen Zusammensetzungen und einem Außendurchmesser
von 100 mm und einer Länge
von 150 mm bei 750°C
zu einem runden Block mit 15 mm Außendurchmesser extrudiert,
um die folgenden Teststücke
zu bilden: neunte Legierungen Nr. 12001 bis 12004. Das bedeutet
Nr. 12001 ist ein Legierungsteststück, das durch 30-minütige Hitzebehandlung
bei 580°C
eines extrudierten Teststücks
mit derselben Zusammensetzung wie die erfindungsgemäße erste
Legierung 1006 erzielt ist. Nr. 12002 ist ein Legierungsteststück, das
durch zweistündige Hitzebehandlung
bei 450°C
eines extrudierten Teststücks
mit derselben Zusammensetzung wie Nr. 1006 erzielt ist. Nr. 12003
ist ein Legierungsteststück,
das wie im Falle der Legierung Nr. 12001 durch 30-minütige Hitzebehandlung
bei 580°C
eines extrudierten Teststücks
mit derselben Zusammensetzung wie die erfindungsgemäße erste
Legierung 1007 erzielt ist. Nr. 12004 ist ein Legierungsteststück, das
wie im Falle der Legierung Nr. 12002 durch zweistündige Hitzebehandlung
bei 450°C
eines extrudierten Teststücks
mit derselben Zusammensetzung wie die erfindungsgemäße erste
Legierung 1007 erzielt ist.
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Als
Vergleichsbeispiele wurden zylindrische Gussblöcke mit den in Tabelle 17 dargestellten
Zusammensetzungen und einem Außendurchmesser
von 100 mm und einer Länge
von 150 mm derart unter Hitzeeinwirkung bei 750°C zu einem runden Block mit
einem Außendurchmesser
von 15. mm extrudiert, dass sie die folgenden runden extrudierten
Teststücke
lieferten: Nr. 13001 bis 13006 (im Folgenden als "herkömmliche Legierungen" bezeichnet). Nr.
13001 entspricht der Legierung "JIS
C 3604", Nr. 13002
der Legierung "CDA
C 36000", No. 13003
der Legierung "JIS
C 3771" und Nr.
13004 der Legierung "CDA
C 69800". Nr. 13005
entspricht der Legierung "JIS
C 6191". Diese Aluminumbronze
ist hinsichtlich ihrer Festigkeit und Abnutzungsresistenz die beste
unter den gestreckten Kupferlegierungen der JIS-Norm. Nr. 13006
entspricht der Marinemessinglegierung "JIS C 4622" und ist hinsichtlich ihrer Korrosionsresistenz
die beste unter den JIS-Legierungen.
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Um
die Bearbeitbarkeit der ersten bis neunten Legierungen im Vergleich
zu den herkömmlichen
Legierungen zu testen, wurden Schnitttests durchgeführt. In
den Tests wurden Wertungen auf der Basis der Schneidkraft, des Zustands
der Späne
und der Schnittoberfläche
abgegeben. Die Tests wurden wie folgt durchgeführt: Das extrudierte Teststück wurde
in einer Drehbank mit spitz zulaufendem, geradem Drehmeißel (engl.:
lathe provided with a point noise straight tool) an der Umfangsfläche mit
einem Spanwinkel von 8 Grad und einer Schneidegeschwindigkeit von
50 Meter/Minute, einer Schneidetiefe von 1,5 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit
von 0,11 mm/rev. geschnitten. Die von einem Dreikomponenten-Dynamometer, das
an dem Werkzeug montiert ist, abgegebenen Signale wurden in elektrische
Spannungssignale umgewandelt und in einem Aufzeichnungselement aufgezeichnet.
Die Signale wurde sodann in den Schneidewiderstand umgewandelt.
Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl, um genau zu sein, die quantitative
Beschaffenheit des Schneidewiderstands anhand von drei Komponenten – Schneidkraft,
Vorschubkraft und die Schubkraft betrachtet werden sollte – die Beurteilung
im vorliegenden Beispiel auf der Basis der Schneidkraft (N) dieser
drei Komponenten gemacht wurde. Die Ergebnisse sind in den Tabellen
18 bis 33 dargestellt.
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Weiterhin
wurden die beim Schneiden entstehenden Späne untersucht und wie in 1 dargestellt
in vier Formen (A) bis (D) eingeteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle
18 bis Tabelle 33 aufgelistet. Es wurde festgestellt, dass die Späne in Form
einer Spirale mit drei oder mehr Windungen wie in (D) der 1 schwer
zu verarbeiten, bzw. zur Rückgewinnung
oder Wiederverwertung einzusetzen sind und beim Schneidevorgang hinderlich
sein können,
wenn sie beispielsweise mit dem Werkzeug verheddern oder die Oberfläche des
geschnittenen Metalls beschädigen.
Späne in
Form einer bogenförmigen
Spirale, die eine halbe Windung bis zu zwei Windungen hat, so wie
diese in (C) der 1 dargestellt sind, verursachen
keine derart gravierenden Probleme wie die Späne in Form einer Spirale mit
drei oder mehr Windungen, sind aber dennoch nicht leicht zu beseitigen
und können
sich mit dem Werkzeug verheddern oder die Oberfläche des geschnittenen Metalls
beschädigen.
Im Gegensatz hierzu verursachen Späne in Form von feinen Nadeln
wie in (A) der 1 dargestellt oder in Form von
bogenförmigen
Stücken
wie in (B) dargestellt, keine der soeben genannten Probleme und sind
nicht voluminös
wie die Späne
aus (C) und (D) und leicht zu verarbeiten. Dennoch können Späne wie die in
(A) in die Gleitfläche
des Bearbeitungswerkzeugs, wie beispielsweise einer Drehbank, eindringen
und ein mechanisches Problem darstellen, oder sie können sich
in den Finger, das Auge oder andere Körperteile des Arbeiters stechen.
In Anbetracht dessen ist bei der Beurteilung der Bearbeitbarkeit
die Le gierung mit den Spänen
(B) als beste anzusehen, wobei die zweitbeste die mit den Spänen aus
(A) ist. Die Legierungen, bei denen die Späne aus (C) und (D) erzeugt
werden, sind nicht gut. In Tabelle 18 bis 33 sind die Legierungen
mit den in (B), (A), (C) und (D) dargestellten Spänen jeweils
mit den Symbolen "⊗", "O", "Δ" und "x" bezeichnet.
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Weiterhin
wurde die Oberflächenbeschaffenheit
des geschnittenen Metalls nach dem Schneiden überprüft. Die Ergebnisse hierzu sind
in Tabelle 18 bis Tabelle 33 dargestellt. In diesem Zusammenhang
ist die für gewöhnlich verwendete
Basis zur Angabe der Oberflächenrauhigkeit
die maximale Rauhigkeit (Rmax). Während die Anforderungen je
nach Anwendungsbereich der Messingartikel unterschiedlich sind,
werden Legierungen mit Rmax < 10
Mikronen allgemein als hervorragend in ihrer Bearbeitbarkeit angesehen.
Legierungen mit 10 Mikronen ≤ Rmax < 15 Mikronen werden
als industriell akzeptabel angesehen, während Legierungen mit Rmax ≥ 15 Mikronen
als schlecht zu bearbeiten angesehen werden. In den Tabellen 18
bis 33 sind die Legierungen mit < 10
Mikronen mit "O" gekennzeichnet;
diejenigen mit 10 Mikronen ≤ Rmax < 15 Mikronen mit "Δ" und die Legierungen mit Rmax ≥ 15 Mikronen
sind mit einem Symbol "x" dargestellt.
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Wie
sich aus den Ergebnissen der in den Tabellen 18 bis 33 verdeutlichten
Schneidetests ergibt, entsprechen die folgenden erfindungsgemäßen Legierungen
in ihrer Bearbeitbarkeit allesamt den herkömmlichen bleihaltigen Legierungen
Nr. 13001 bis 13003: die ersten Legierungen Nr. 1001 bis 1007, die
zweiten Legierungen Nr. 2001 bis 2006, die dritten Legierungen Nr.
5001 bis 5020, die vierten Legierungen Nr. 6001 bis 6045, die fünften Legierungen
Nr. 8001 bis 8008, die sechsten Legierungen Nr. 9001 bis 9006, die
siebten Legierungen Nr. 10001 bis 10008, die achten Legierungen
Nr. 11001 bis 11011, die neunten Legierungen Nr. 12001 bis 12004.
Insbesondere im Hinblick auf die Form der Späne sind diese erfindungsgemäßen Legierungen
nicht nur gegenüber
den herkömmlichen
Legierungen Nr. 13004 bis 13006 mit einem Bleigehalt von nicht über 0,1
Gewichtsprozent, sonder auch gegenüber den Legierungen Nr. 13001
bis 13003, die große
Mengen Blei beinhalten, zu bevorzugen. Es ist auch festzustellen,
dass die neunten Legierungen Nr. 12001 bis 12004, die durch Hitzebehandlung
der ersten Legierungen Nr. 1006 und 1007 erzielt werden, gegenüber den
ersten Legierungen eine bessere Bearbeitbarkeit aufweisen. Es ist
festzustellen, dass eine geeignete Hitzebehandlung je nach Legierungszusammensetzung
und anderen Bedingungen die Bearbeitbarkeit der ersten bis achten
Legierungen weiter verbessert.
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In
einer weiteren Testreihe wurden die ersten bis neunten Legierungen
im Vergleich zu den herkömmlichen
Legierungen hinsichtlich ihrer Formbarkeit unter Hitzeinwirkung
und ihren mechanischen Eigenschaften untersucht. Zu diesem Zweck
wurden wie folgt Warmdrucktests und Tests zur Bestimmung der mechanischen Festigkeit
durchgeführt.
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Zuerst
wurden zwei Teststücke,
ein erstes und ein zweites Teststück, mit einem gleichen Außendurchmesser
von 15 mm und einer Länge
von 25 mm aus jedem der zuvor beschriebenen extrudierten Teststücke geschnitten.
Bei den Warmdrucktests wurde das erste Teststück 30 Minuten lang einer Temperatur
von 700°C ausgesetzt
und sodann mit einer Kompressionsrate von 70 Prozent in Achsenrichtung
zusammengedrückt,
um die Länge
von 25 mm auf 7,5 mm zu reduzieren. Die Oberflächenbeschaffenheit nach dem
Zusammendrücken (700°C-Verformbarkeit)
wurde visuell ausgewertet. Die Ergebnisse hierzu sind in den Tabellen
18 bis 33 aufgezeigt. Die Auswertung der Verformbarkeit wurde durch
visuelle Überprüfung nach
Rissen auf der Innenseite des Teststücks durchgeführt. In
den Tabellen 18 bis 33 wurden die Teststücke, bei denen keine Risse
festgestellt werden konnten, mit "O" markiert,
diejenigen mit kleinen Rissen mit "Δ" und die mit großen Rissen
anhand des Symbols "x" dargestellt.
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Die
zweiten Teststücke
wurden mittels der allgemein angewandten Testmethode zum Bestimmen
der Zugfestigkeit, N/mm2 und der Dehnung
in% einem Festigkeitstest unterzogen.
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Wie
die in den Tabellen 18 bis 33 dargestellten Ergebnisse der Wärmedruck-
und Festigkeitstests zeigen, wurde bestätigt, dass die erfindungsgemäßen ersten
bis neunten Legierungen in ihrer Formbarkeit unter Hitzeeinwirkung
und in ihren mechanischen Eigenschaften gleich oder besser als die
herkömmlichen
Legierungen Nr. 13001 bis 13004 und Nr. 13006 und für die Verwendung
in der Industrie geeignet sind.
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Die
ersten bis dritten Legierungen wurden Tests zur Bestimmung der Entzinkungskorrosion
und der Spannungsrisskorrosion gemäß den Verfahren "ISO 6509" und "JIS H 3250" unterzogen, um die
Korrosionsresistenz bzw. die Spannungsrisskorrosionsresistenz im
Vergleich zu herkömmlichen
Legierungen zu untersuchen.
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Im
Entzinkungskorrosionstest mittels des "ISO 6509"-Verfahrens wurde das jedem extrudierten
Teststück
entnommene Stück
derart in ein Phenolharzmaterial eingebettet, dass die freiliegende
Oberfläche
des Teststücks
senkrecht zur Extrusionsrichtung des extrudierten Teststücks verlief.
Die Oberfläche
des Teststücks wurde
mit dem Schmirgelpapier Nr. 1200 poliert und dann einer Ultraschallwäsche in
reinem Wasser unterzogen und getrocknet. Das derart behandelte Teststück wurde
in eine wässrige
Lösung
eines 12,7 g/l Cuprichlorid-Dihydrats (CuCl2·2H2O) 1,0% getaucht und 24 Stunden lang bei
750°C stehen
gelassen. Das Teststück wurde
aus der wässrigen
Lösung
genommen und die maximale Tiefe der Entzinkungskorrision wurde bestimmt.
Die gemessenen Werte der maximalen Entzinkungskorrosionstiefe sind
in den Tabellen 18 bis 25 und 28 bis 33 wiedergegeben.
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Wie
den in den Tabellen 18 bis 25 und 28 bis 33 aufgeführten Ergebnissen
der Entzinkungskorrosionstests zu entnehmen ist, haben die ersten
bis vierten und die fünften
bis neunten Legierungen im Vergleich zu den herkömmlichen Legierungen Nr. 13001
bis 13003, die große
Mengen Blei enthalten, eine hervorragende Korrosionsresistenz. Es
wurde ferner bestätigt,
dass insbesondere die dritten und vierten Legierungen, deren Bearbeitbarkeit
und Korrosionsresistenz sich verbessern sollte, im Vergleich zu
der herkömmlichen
Legierung Nr. 13006, einem Marinemessing, das von allen gestreckten
Legierungen nach der JIS-Norm eine sehr hohe Korrosionsresistenz
hat, sehr korrosionsresistent sind.
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Im
Spannungsrisskorrosionstest mittels des "JIS H 3250"-Verfahrens wurde aus jedem extrudierten Material
ein 150 mm langes Teststück
geschnitten. Das Teststück
wurde gebogen, wobei der Mittelpunkt derart auf einem bogenförmigen Tester
mit einem Radius von 40 mm angeordnet wurde, dass ein Ende gegenüber dem
anderen Ende einen Winkel von 45° bildete.
Das Teststück,
das so einer inneren Zugspannung ausgesetzt war, wurde entfettet
und getrocknet und sodann in einer Ammoniak-Umgebung im Desikkator
mit einer 12,5%igen Ammoniaklösung
(Ammoniak in einer entsprechenden Menge reinem Wasser) angeordnet.
Genau gesagt, wurde das Teststück
etwa 80 mm oberhalb der Fläche
des wässrigen
Ammoniaks im Desikkator gehalten. Nachdem das Teststück 2 Stunden,
8 Stunden und 24 Stunden in der Ammoniakumgebung belassen wurde,
wurde es aus dem Desikkator herausgenommen, in einer 10%igen Schwefelsäurelösung gewaschen und
unter einem Vergrößerungsglas
mit 10facher Vergrößerung auf
Risse hin untersucht. Die Ergebnisse können den Tabellen 18 bis 25
und 28 bis 33 ent nommen werden. In diesen Tabellen wurden die Legierungen,
die deutliche Risse entwickelten, während sie zwei Stunden lang
in die Ammoniaklösung
gehalten wurden, mit "xx" bezeichnet. Die
Teststücke,
die nach zwei Stunden keine Risse aufwiesen, aber nach acht Stunden
deutliche Risse zeigten, sind mit "x" gekennzeichnet.
Die Teststücke,
die nach acht Stunden keine Risse hatte, aber nach 28 Stunden deutliche
Risse aufwiesen, wurden mit dem Symbol "Δ" gekennzeichnet.
Die Teststücke,
die auch nach 24 Stunden keinerlei Risse aufwiesen, wurden mit dem
Symbol "O" bezeichnet.
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Wie
die Ergebnisse des Spannungsrisskorrosionstests, wie in den Tabellen
18 bis 25 und 28 bis 33 angegeben, zeigen, wurde bestätigt, dass
nicht nur die fünften
und sechsten erfindungsgemäßen Legierungen,
deren Bearbeitbarkeit und Korrosionsresistenz sich verbessern sollte,
sondern auch die ersten bis vierten und fünften bis neunten erfindungsgemäßen Legierungen,
bei denen nichts erwähnenswertes
zur Verbesserung der Korrosionsresistenz beigetragen wurde, eine
gleiche Spannungsrisskorrosionsresistenz wie die herkömmliche
Legierung Nr. 13005, einer Aluminiumbronze ohne Zink, aufwiesen.
Diese Legierungen waren hinsichtlich ihrer Spannungsrisskorrosionsresistenz
gegenüber
der herkömmlichen
Marinemessinglegierung Nr. 13006, welche unter den gestreckten Kupferlegierungen
nach der JIS-Norm am korrosionsresistentesten ist, überlegen.
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Weiterhin
wurden Oxidationstests durchgeführt,
um die Oxidationsresistenz der fünften
bis achten Legierungen im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen zu untersuchen.
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Teststücke in Form
eines runden Blocks, dessen Oberfläche derart geschnitten wurde,
dass er einen Außendurchmesser
von 14 mm und eine Länge
von 30 mm hat, wurden aus den jeweiligen nachfolgenden extrudierten
Materialien erzeugt: Nr. 8001 bis Nr. 8008, Nr. 9001 bis Nr. 9006,
Nr. 10001 bis Nr. 10008, Nr. 11001 bis Nr. 11011 und Nr. 13001 bis
Nr. 13006. Jedes Teststück
wurde sodann gewogen, um das Gewicht vor der Oxidation zu bestimmen.
Daraufhin wurde das Teststück
in einen Porzellantiegel gegeben und in einen Elektroofen mit einer
Temperatur von 500°C
gehalten. Nach dem Durchlaufen von 100 Stunden wurde das Teststück aus dem
Elektroofen genommen und gewogen, um das Gewicht nach der Oxidation
zu bestimmen. Aus den Messungen vor und nach der Oxidation wurde
die durch die Oxidation verursachte Gewichtszunahme errechnet. Es
versteht sich, dass die durch die Oxidation verursachte Gewichtszunahme
die Menge in mg des zusätzlichen
Gewichts durch die Oxidation pro 10 cm2 der
Oberfläche
des Teststücks
ist und durch die folgende Gleichung errechnet wird: durch die Oxidation
verursachte Gewichtszunahme, mg/10 cm2 =
(Gewicht, mg, nach Oxidation – Gewicht,
mg, vor der Oxidation) × (10
cm2/Oberfläche, cm2,
des Teststücks.
Das Gewicht jedes Teststücks
war nach der Oxidation erhöht.
Diese Zunahme ist auf die Oxidation bei hohen Temperaturen zurückzuführen. Unter
hohen Temperaturen verbindet sich Sauerstoff mit Kupfer, Zink und
Silicium und bildet Cu2O, ZnO, SiO2. Dies bedeutet, dass durch den Sauerstoff
eine Gewichtszunahme erfolgt. Es ist somit festzustellen, dass die
Legierungen, bei denen eine geringere Gewichtszunahme durch die
Oxidation zu verzeichnen ist, eine bessere Oxidationsresistenz bei
hohen Temperaturen haben. Die so ermittelten Ergebnisse sind den
Tabellen 28 bis 31 und Tabelle 33 zu entnehmen.
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Aus
den in den Tabellen 23 bis 31 und Tabelle 33 dargestellten Ergebnissen
wird deutlich, dass die fünften
bis achten erfindungsgemäßen Legierungen
gegenüber
der herkömmlichen
Legierung Nr. 13005, eine Aluminumbronze, die unter den gestreckten
Kupferlegierungen nach der JIS-Norm eine sehr gute Oxidationsresistenz
bei hohen Temperaturen aufweist, hinsichtlich der durch Oxidation
verursachten Gewichtszunahme identisch und sehr viel kleiner als
andere herkömmliche
Kupferlegierungen sind. Auf diese Weise konnte bestätigt werden,
dass die fünften
bis achten erfindungsgemäßen Legierungen
eine hervorragende Bearbeitbarkeit sowie Resistenz gegenüber der
Oxidation bei hohen Temperaturen aufweisen.
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[Tabelle
1] (Fortsetzung)
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[Tabelle
4] (Fortsetzung)
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[Tabelle
5] (Fortsetzung)
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[Tabelle
7] (Fortsetzung)
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[Tabelle
9] (Fortsetzung)
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[Tabelle
13) (Fortsetzung)
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[Tabelle
16] (Fortsetzung)
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[Tabelle
21] (Fortsetzung)
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[Tabelle
22] (Fortsetzung)
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[Tabelle
23] (Fortsetzung)
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