DE69838115T2

DE69838115T2 - Bleifreie Automatenkupferlegierung

Info

Publication number: DE69838115T2
Application number: DE69838115T
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Oishi
Original assignee: Sambo Copper Alloy Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: AU744335B2; EP1600516A3; EP1559802B1; EP1045041A1; KR100352213B1; EP1600516A2; EP1600516B1; JP3734372B2; EP1600517B1; AU1054199A; KR20010033073A; DE69839830D1; DE69840585D1; EP1600515B8; EP1600517A3; CA2314144C; DE69838115D1; EP1600515A2; TW421674B; EP1559802A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft bleifreie Kupfer-Automatenlegierungen.
2. Stand der Technik
Unter den Kupferlegierungen mit guter Bearbeitbarkeit befinden sich Bronzelegierungen, beispielsweise die unter der JIS-Bezeichnung H5111 BC6, und Messinglegierungen, beispielsweise die unter den JIS-Bezeichnungen H-3250-C3604 und C3771. Diese Legierungen werden durch Zusetzen von 1,0 bis 6,0 Gewichtsprozent Blei in der Bearbeitbarkeit verbessert und stellen eine industriell befriedigende Bearbeitbarkeit bereit. Auf Grund ihrer sehr guten Bearbeitbarkeit sind diese Blei enthaltenden Kupferlegierungen ein wichtiges Grundmaterial für viele verschiedene Gegenstände, beispielsweise Stadtwasserhähne, sowie metallische Armaturen und Ventile zur Wasserversorgung und -abführung.
Jedoch wurde die Anwendung dieser mit Blei gemischten Legierungen in den letzten Jahren stark eingeschränkt, da das darin enthaltene Blei ein für Menschen gefährlicher Umweltschadstoff ist. Das heißt, die Blei enthaltenden Legierungen stellen eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit und die Umwelthygiene dar, weil das Blei in Metalldampf enthalten ist, der in den Bearbeitungsschritten für diese Legierungen wie dem Schmelzen und dem Gießen erzeugt wird, und es wird auch befürchtet, dass Blei, das in den metallischen Armaturen, den Ventilen und anderen aus diesen Legierungen bestehenden Teilen des Wassersystems enthalten ist, in Lösung in das Trinkwasser geht.
Aus diesem Grund haben die Vereinigten Staaten und andere fortgeschrittene Länder gehandelt, um die Standards für Blei enthaltende Kupferlegierungen zu verschärfen, um den zulässigen Grad des Bleis in Kupferlegierungen in den letzten Jahren drastisch einzuschränken. Auch Japan hat die Verwendung von Blei enthaltenden Legierungen immer mehr eingeschränkt, und es wird zunehmend gefordert, Kupfer-Automatenlegierungen mit einem niedrigen Bleigehalt zu entwickeln.
In dem Dokument GB-A-359 570 ist eine Kupfer-Silicium-Zink-Legierung mit einem Gehalt von 65 bis 80% Kupfer und 2 bis 6% Silicium offenbart.
In dem Dokument US-A-1 954 003 ist eine Legierung offenbart, bestehend aus 65% bis zu 94% Kupfer, 2% bis 6% Silicium, 3 bis 28% Zink und höchstens 2% Aluminium.
In dem Dokument GB-A-354 966 sind Kupfer-Silicium-Zink-Legierungen mit bis zu 6% Silicium und bis zu 20% Zink offenbart.
In dem Dokument US-A-3 900 349 ist eine Silicium-Messing-Legierung offenbart, bestehend aus 3-21 Gew.-% Zink und 2,5 bis 7 Gew.-% Silicium, wobei die Zink- und die Siliciummengen ausreichen, um eine Struktur herzustellen, die aus Alpha- plus Zeta-Phasen im Messing besteht, und 0,030 Gew.-% bis zu dem Gewichtsprozentsatz der Feststofflöslichkeit bei einem oder mehreren Elementen der Gruppe bestehend aus Arsen, Antimon und Phosphor, wobei der Rest Kupfer ist.
In dem Dokument GB-A-1 443 090 ist eine Silicium-Messing-Legierung offenbart, bestehend aus 3-21 Gewichtsprozent Zink, 2,5 bis 6 Gewichtsprozent Silicium, wobei die Zink- und die Siliciummengen ausreichen, um eine Struktur herzustellen, die aus Alpha- plus Zeta-Phasen im Messing besteht, und 0,030 Gewichtsprozent bis zu dem Gewichtsprozentsatz der Feststofflöslichkeit bei einem oder mehreren Elementen der Gruppe bestehend aus Arsen, Antimon und Phosphor, wobei der Rest Kupfer ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Kupferlegierung zu schaffen, die nicht das die Bearbeitbarkeit verbessernde Element Blei enthält, sich jedoch sehr gut bearbeiten lässt und sich als sicherer Ersatzstoff für die herkömmliche Kupfer-Automatenlegierung mit einem hohen Gehalt an Umwelthygieneprobleme aufweisendem Blei verwenden lässt, und welche ein problemloses Recycling der Späne und mithin eine zeitgemäße Antwort auf den zunehmenden Ruf nach einer Beschränkung für Blei enthaltende Produkte ermöglicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die andere Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Kupferlegierung zu schaffen, die hohe Korrosionsfestigkeit sowie sehr gute Bearbeitbarkeit aufweist und sich als Grundmaterial für Spanformungsstücke, Schmiedestücke, Gussstücke und andere eignet und mithin sehr hohen praktischen Wert besitzt. Die Spanformungsstücke, Schmiedestücke, Gussstücke und andere umfassen Stadtwasserhähne, metallische Armaturen zur Wasserversorgung und -abführung, Ventile, Spindeln, Rohrarmaturen zur Heißwasserversorgung sowie Schaft- und Wärmetauscherteile.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die andere Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und Verschleißfestigkeit sowie Bearbeitbarkeit zu schaffen, die sich als Grundmaterial zur Herstellung von Spanformungsstücken, Schmiedestücken, Gussstücken und zu anderen Zwecken eignet, welche eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit erfordern, beispielsweise Lager, Schrauben, Muttern, Buchsen, Zahnräder, Nähmaschinenteile und Hydrauliksystemteile, und die daher sehr hohen praktischen Wert aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt noch die weitere Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Kupferlegierung mit sehr guter Hochtemperatur-Oxidationsfestigkeit sowie Bearbeitbarkeit zu schaffen, die sich als Grundmaterial für die Herstellung von Spanformungsstücken, Schmiedestücken, Gussstücken und zu anderen Zwecken eignet, bei denen eine hohe Wärmeoxidationsfestigkeit wesentlich ist, beispielsweise Düsen für Kerosinöl- und Gasheizgeräte, Brennerköpfe und Gasdüsen für Heißwasserspender, und die daher sehr hohen praktischen Wert aufweist.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden mit der vorliegenden Erfindung erfüllt, und mithin:
wird in einer ersten Ausgestaltung mit der vorliegenden Erfindung eine bleifreie Kupfer-Automatenlegierung geschaffen, welche 70 bis 80 Gewichtsprozent an Kupfer, 1,8 bis 3,5 Gewichtsprozent an Silicium, 0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent an Phosphor und die restlichen Gewichtsprozentanteile an Zink umfasst, und wobei die Metallstruktur der Kupfer-Automatenlegierung mindestens eine Phase aufweist, die ausgewählt ist aus der γ-Phase (Gamma-Phase) und der κ-Phase (Kappa-Phase) ausgewählt ist.
Zinn wirkt in der gleichen Weise wie Silicium. Das heißt, dass sich eine Gamma-Phase ausbildet, wenn in eine Cu-Zn-Legierung Zinn eingebracht wird, und sich die Bearbeitbarkeit der Cu-Zn-Legierung verbessert. Beispielsweise würde durch das Einbringen von Zinn in einer Menge von 1,8 bis 4,0 Gewichtsprozent eine hohe Bearbeitbarkeit in der Cu-Zn-Legierung mit 58 bis 70 Gewichtsprozent Kupfer darin selbst dann zustande gebracht, wenn kein Silicium eingebracht wird. Deshalb könnte durch das Einbringen von Zinn in die Cu-Zn-Legierung die Ausbildung einer Gamma-Phase leichter werden und sich die Bearbeitbarkeit der Cu-Zn-Legierung weiter verbessern. Die Gamma-Phase bildet sich aus, wenn Zinn in einer Menge von 1,0 oder mehr Gewichtsprozent eingebracht wird, und die Ausbildung erreicht bei 3,5 Gewichtsprozent Zinn den Sättigungspunkt. Wenn das Zinn 3,5 Gewichtsprozent übersteigt, fällt stattdessen die Duktilität ab. Dagegen bildet sich beim Einbringen von Zinn in weniger als 1,0 Gewichtsprozent keine Gamma-Phase aus. Wenn die zugesetzte Menge 0,3 Gewichtsprozent oder mehr beträgt, dann wirkt das Zinn derart, dass es die durch das Silicium entstandene Gamma-Phase gleichmäßig verteilt. Durch diese Verteilungswirkung für die Gamma-Phase verbessert sich die Bearbeitbarkeit ebenfalls. Mit anderen Worten, durch das Zusetzen von Zinn in wenigstens 0,3 Gewichtsprozent verbessert sich die Bearbeitbarkeit.
Aluminium wirkt ebenfalls derart, dass es die Entstehung der Gamma-Phase fördert. Durch Einbringen von Aluminium zusammen mit Zinn oder an Stelle von Zinn könnte sich die Bearbeitbarkeit von Cu-Si-Zn weiter verbessern. Aluminium wirkt auch derart, dass es die Festigkeit, die Verschleißfestigkeit und die Hochtemperatur-Oxidationsfestigkeit sowie die Bearbeitbarkeit verbessert und auch die relative Dichte niedrig hält. Wenn überhaupt die Bearbeitbarkeit verbessert werden soll, muss Aluminium in mindestens 1,0 Gewichtsprozent eingegeben werden. Jedoch könnten durch Zusetzen von mehr als 3,5 Gewichtsprozent die proportionalen Ergebnisse nicht erzielt werden. Statt dessen könnte sich das wie bei Aluminium auf die Duktilität auswirken.
Was Phosphor betrifft, so besitzt dieser keine Eigenschaft zur Ausbildung der Gamma-Phase wie Zinn und Aluminium. Der Phosphor wirkt jedoch derart, dass er die Gamma-Phase, die infolge des Einbringens von Silicium allein oder mit Zinn oder Aluminium oder mit beiden entstanden ist, gleichmäßig dispergiert und verteilt. Auf diese Weise wird die Verbesserung in der Bearbeitbarkeit durch die Entstehung der Gamma-Phase weiter verstärkt. Phosphor verteilt nicht nur die Gamma-Phase, sondern trägt auch zum Verfeinern der Kristallkörner in der Alpha-Phase in der Matrix bei, verbessert die Heißbearbeitbarkeit wie auch die Festigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion. Weiterhin erhöht Phosphor wesentlich den Metallschmelzestrom beim Gießen. Um solche Ergebnisse zu erzielen, muss Phosphor in einer Menge von mindestens 0,02 Gewichtsprozent zugesetzt werden. Wenn die eingegebene Menge jedoch 0,25 Gewichtsprozent übersteigt, lässt sich kein proportionaler Effekt erzielen. Stattdessen würde ein Absturz der Heißschmiedeigenschaft und der Strangpressbarkeit eintreten.
Unter Betrachtung dieser Feststellungen weist die Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung verbesserte Bearbeitbarkeit auf, da in die Cu-Si-Zn-P-Legierung mindestens ein Element eingebracht wird, das aus 0,3 bis 3,5 Gewichtsprozent an Zinn und 1,0 bis 3,5 Gewichtsprozent an Aluminium ausgewählt ist.
Mittlerweile sollen Zinn, Aluminium und Phosphor die Bearbeitbarkeit durch Ausbildung einer Gamma-Phase oder durch Verteilung dieser Phase verbessern, und arbeiten eng mit dem Silicium zusammen, um die Verbesserung der Bearbeitbarkeit durch die Gamma-Phase zu fördern. In der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung in Mischung mit Silicium zusammen mit Zinn oder mit Aluminium verbessert sich deshalb die Bearbeitbarkeit nicht nur durch Silicium, sondern auch durch Zinn oder Aluminium. Selbst wenn die eingebrachte Siliciummenge weniger als 2,0 Gewichtsprozent beträgt, kann Silicium zusammen mit Zinn oder mit Aluminium die Bearbeitbarkeit auf ein industriell befriedigendes Niveau verbessern, solange der Prozentsatz an Silicium 1,8 oder mehr Gewichtsprozent beträgt. Selbst dann, wenn die eingebrachte Siliciummenge nicht größer als 4,0 Gewichtsprozent ist, wird durch das Einbringen von Zinn oder Aluminium die Wirkung des Siliciums bei der Verbesserung der Bearbeitbarkeit jedoch abgesättigt, wenn der Siliciumgehalt größer als 3,5 Gewichtsprozent ist. Aus diesem Grund wird in der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung die eingebrachte Siliciummenge auf 1,8 bis 3,5 Gewichtsprozent festgelegt.
Die Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren mindestens ein Element umfassen, das aus 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent an Wismut, 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent an Tellurium und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent an Selen ausgewählt ist.
Wismut, Tellurium und Selen sowie Blei bilden kein Mischkristall in der Matrix, sondern verteilen sich in granularer Form, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern, und das durch einen anderen Mechanismus als dem bei Silicium. Daher könnte sich durch das Einbringen dieser Elemente zusammen mit Silicium die Bearbeitbarkeit weiter über das Niveau hinaus verbessern, das man durch das Einbringen von Silicium allein erhält. Auf Grund dieser Erkenntnis kann die Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung außerdem mindestens ein Element umfassen, das ausgewählt ist aus Wismut, Tellurium und Selen, die gemischt werden, um die durch die erste Legierung gemäß der Erfindung erhaltene Bearbeitbarkeit weiter zu verbessern. Durch das Einbringen von Wismut, Tellurium und Selen zusätzlich zu Silicium entsteht eine derartig hohe Bearbeitbarkeit, dass komplizierte Formen mit hoher Geschwindigkeit auf Automaten hergestellt werden könnten. Jedoch lässt sich durch das Zusetzen von Wismut, Tellurium und Selen in einer Menge von weniger als 0,02 Gewichtsprozent keine Verbesserung der Bearbeitbarkeit zustande bringen. Inzwischen sind diese Elemente im Vergleich zu Kupfer kostspielig. Selbst wenn die zugesetzte Menge 0,4 Gewichtsprozent übersteigt, ist die proportionale Verbesserung der Bearbeitbarkeit so klein, dass sich ein Zusetzen darüber hinaus ökonomisch nicht rentiert. Wenn überdies die zugesetzte Menge mehr als 0,4 Gewichtsprozent beträgt, verschlechtert sich die Heißbearbeitbarkeit der Legierung, beispielsweise die Schmiedbarkeit, und die Kaltbearbeitbarkeit, beispielsweise die Duktilität. Während zu befürchten wäre, dass Schwermetalle wie Wismut Probleme ähnlich denen bei Blei verursachten, ist eine zugesetzte Menge in einer sehr kleinen Menge von weniger als 0,4 Prozent zu vernachlässigen und würde keine besonderen Probleme bieten. Das Zusetzen dieser Elemente, die auf die Bearbeitbarkeit der Kupferlegierung durch einen anderen Mechanismus als denjenigen bei Silicium in der oben genannten Weise einwirken, würde sich auf die richtigen Gehalte an Kupfer und Silicium nicht auswirken.
Mit der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Bildung einer bleifreien Automatenlegierung mit einer Metallstruktur geschaffen, welche mindes tens eine Phase aufweist, die aus der χ-Phase (Gamma-Phase) und der κ-Phase ausgewählt ist, und welches das Legieren von Kupfer, Silicium, Phosphor und Zink in einer Menge von 70 bis 80 Gewichtsprozent, von 1,8 bis 3,5 Gewichtsprozent an Silicium; von 0,02 Gewichtsprozent bis 0,25 Gewichtsprozent an Phosphor und den restlichen Gewichtsprozent an Zink umfasst.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann außerdem auch umfassen, dass die bleifreie Automatenlegierung einer Wärmebehandlung über 30 Minuten bis zu 5 Stunden bei 400°C bis 600°C unterzogen wird.
Die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten die Bearbeitbarkeit verbessernde Elemente wie Silicium und weisen auf Grund des Einbringens dieser Elemente eine sehr gute Bearbeitbarkeit auf. Von diesen erfindungsgemäßen Legierungen können sich die Legierungen mit einem hohen Kupfergehalt, die große Mengen von anderen Phasen, hauptsächlich Kappa-Phasen, als die Alpha-, Beta-, Gamma- und Delta-Phasen aufweisen, durch eine Wärmebehandlung in ihrer Bearbeitbarkeit weiter verbessern. Bei der Wärmebehandlung wandelt sich die Kappa-Phase in eine Gamma-Phase um. Die Gamma-Phase wird fein verteilt und abgeschieden, um die Bearbeitbarkeit weiter zu verbessern. Die Legierungen mit einem hohen Kupfergehalt weisen eine hohe Duktilität der Matrix und eine niedrige absolute Menge der Gamma-Phase auf und besitzen deshalb eine sehr gute Kaltbearbeitbarkeit. Wenn jedoch eine Kaltbearbeitung wie ein Abdichten und ein spanendes Formen erforderlich wird, ist die vorgenannte Wärmebehandlung sehr nützlich. Mit anderen Worten, diejenigen Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen hohen Kupfergehalt mit kleinen Mengen der Gamma-Phase und großen Mengen der Kappa-Phase (im Folgenden als "Legierung mit hohem Kupfergehalt" bezeichnet) aufweisen, erfahren bei einer Wärmebehandlung eine Phasenumwandlung von der Kappa-Phase in die Gamma-Phase. Infolgedessen wird die Gamma-Phase fein verteilt und abgeschieden, und die Bearbeitbarkeit verbessert sich. In dem Fertigungsverfahren für Gussteile, Streckmetalle und Warmschmiedeteile werden die Materialien praktisch abhängig von den Schmiedebedingungen, der Produktivität nach der Warmbearbeitung (dem Warmstrangpressen, dem Warmschmieden usw.), dem Arbeitsmilieu und anderen Faktoren oft mit Luft zwangsgekühlt oder mit Wasser gekühlt. In solchen Fällen weisen unter den Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung diejenigen mit einem niedrigen Kupfergehalt (im Folgenden "die Legierung mit niedrigem Kupfergehalt" genannt) einen ziemlich niedrigen Gehalt an der Gamma-Phase auf und enthalten die Beta-Phase. Bei einer Wärmebehandlung ändert sich die Beta-Phase in die Gamma-Phase, und die Gamma-Phase wird fein verteilt und abgeschieden, wodurch sich die Bearbeitbarkeit verbessert. Experimente haben gezeigt, dass die Wärmebehandlung insbesondere bei Legierungen mit hohem Kupfergehalt, bei denen das Mischverhältnis von Kupfer und Silicium zu anderen zugesetzten Elementen A (mit Ausnahme von Zink) als 67 ≤ Cu – 3Si + aA gegeben ist, oder bei Legierungen mit niedrigem Kupfergehalt bei einer solchen Zusammensetzung als 64 ≥ Cu – 3Si + aA wirksam ist. Man beachte, dass a ein Koeffizient ist. Der Koeffizient ist in Abhängigkeit von dem zugesetzten Element A verschieden. Bei Zinn beträgt a beispielsweise –0,5; bei Aluminium –2; bei Phosphor –3; bei Antimon 0, bei Arsen 0, bei Mangan +2,5; und bei Nickel +2,5.
Jedoch ist eine Wärmebehandlung bei weniger als 400°C weder ökonomisch noch praktisch, weil die vorstehende Phasenumwandlung langsam vor sich geht und viel Zeit dazu vonnöten ist. Bei Temperaturen über 600° wächst dagegen die Kappa-Phase, oder die Beta-Phase tritt auf, was keine Verbesserung der Bearbeitbarkeit bringt. Vom praktischen Standpunkt aus ist es deshalb erwünscht, die Wärmebehandlung 30 Minuten bis 5 Stunden lang bei 600°C vorzunehmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt perspektivische Ansichten von Drehspänen, die beim spanenden Formen eines Rundstabs aus Kupferlegierung auf der Drehmaschine entstehen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beispiel 1
Als erste Reihe von Beispielen für die vorliegende Erfindung wurden zylindrische Rohblöcke mit Zusammensetzungen, die in den Tabellen 1 bis 4 angegeben sind, von jeweils 100mm Außendurchmesser und 150mm Länge, bei 750°C zu ei nem Rundstab mit 15mm Außendurchmesser stranggepresst, um die folgenden Prüfstücke herzustellen: erfindungsgemäße Legierungen Nr. 3004 bis 3007 und 3010 bis 3012 und 4022 bis 4049.
Als Vergleichsbeispiele wurden zylindrische Rohblöcke mit den Zusammensetzungen, die in Tabelle 5 angegeben sind, von jeweils 100mm Außendurchmesser und 150mm Länge, bei 750°C zu einem Rundstab mit 15mm Außendurchmesser stranggepresst, um die folgenden runden, stranggepressten Prüfstücke herzustellen: Nr. 14001 bis 14006 (im Folgenden als "herkömmliche Legierungen" bezeichnet). Nr. 14001 entspricht den Legierungen "JIS C 3604", Nr. 1002 der Legierung "CDA C 36000", Nr. 14003 der Legierung "JIS C 3771" und Nr. 14004 der Legierung "CDA C69800". Nr. 14005 entspricht der Legierung "JIS C 6191". Diese Aluminiumbronze ist die hervorragendste unter den Streckkupferlegierungen unter den Bezeichnungen JIS, was Festigkeit und Verschleißfestigkeit betrifft. Nr. 14006 entspricht der Marinemessinglegierung "JIS C 4622" und ist die hervorragendste unter den Streckkupferlegierungen unter den Bezeichnungen JIS, was die Korrosionsfestigkeit betrifft.
Zur Untersuchung der Bearbeitbarkeit der Legierungen gemäß der Erfindung im Vergleich zu den herkömmlichen Legierungen wurden Spanungstests ausgeführt. Bei den Tests wurden Bewertungen auf der Basis von Abspanungskraft, Zustand der Späne und Schnittflächenzustand vorgenommen.
Die Tests wurden folgendermaßen ausgeführt: Die stranggepressten Prüfstücke, die man in der oben genannten Weise erhielt, wurden an der Umfangsfläche mit einer Drehmaschine, die mit einem geraden Spitznasen-Drehmeißel in einem Spanwinkel von –8 Grad befestigt war, und einer Abspanungsgeschwindigkeit von 50 Metern/Minute, einer Spanungstiefe von 1,5mm und einem Vorschub von 0,11mm/U gespant. Signale von einem Dreikomponenten-Dynamometer, das an dem Drehmeißel angebracht war, wurden in elektrische Spannungssignale umgewandelt und auf einem Registriergerät aufgenommen. Aus den Signalen wurde dann der Abspanungswiderstand berechnet. Man beachte, dass zwar ein Betrag des Abspanungswiderstands, um vollkommen genau zu sein, durch drei Kraftbestandteile, die Abspanungskraft, die Vorschubkraft und die Schubkraft, beurteilt werden sollte, die Beurteilung in dem vorliegenden Beispiel jedoch auf der Basis der Abspanungskraft (N) von den drei Kraftbestandteilen erfolgte. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 bis Tabelle 10 gezeigt.
Weiterhin wurden die Späne von dem Abspanungsvorgang untersucht und in der in 1 gezeigten Weise in vier Formen (A) bis (D) eingeteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 bis Tabelle 10 aufgeführt. Dabei sind die Späne in Form einer Spirale mit drei oder mehr Windungen wie in (D) in 1 schwer zu bearbeiten, d.h. rückzugewinnen oder wieder aufzubereiten, und könnten Schwierigkeiten bei dem Abspanungsvorgang hervorrufen, sich beispielsweise mit dem Drehmeißel verheddern und die abgespante Metalloberfläche beschädigen. Späne in Form eines Kreisbogens mit einer halben Windung zu einer Spirale mit etwa zwei Windungen, die in (C) in 1 gezeigt sind, bewirken nicht solche ernstlichen Schwierigkeiten wie die Späne in Form einer Spirale mit drei oder mehr Windungen, sind jedoch nicht leicht zu entfernen und könnten sich mit dem Drehmeißel verheddern oder die abgespante Metallfläche beschädigen. Dagegen weisen Späne in Form einer feinen Nadel wie in (A) gemäß 1 oder in Form eines Kreisbogens wie in (B) nicht solche oben genannten Probleme auf und sind nicht sperrig wie die Späne in (C) und (D), und sind leicht bearbeitbar. Jedoch könnten feine Späne (A) immer noch in die Gleitflächen einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer Drehmaschine, kriechen und zu mechanischen Schwierigkeiten führen, oder könnten gefährlich sein, weil sie in den Finger, das Auge oder andere Körperteile des Arbeiters stechen. Wenn das berücksichtigt wird, ist es angebracht, die Späne gemäß (B) als die besten zu betrachten, und die zweitbesten sind die Späne gemäß (A). Diejenigen gemäß (C) und (D) sind nicht gut. In Tabelle 6 bis Tabelle 10 sind die zur Darstellung in (B), (A), (C) und (D) beurteilten Späne jeweils mit den Symbolen
"o", "Δ" und "x" bezeichnet.
Des Weiteren wurde der Oberflächenzustand der abgespanten Metallfläche nach dem Abspanungsvorgang geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 bis Tabelle 10 gezeigt. Dabei ist die gewöhnlich verwendete Basis zum Anzeigen der Oberflächenrauheit die maximale Rauheit (R_max). Zwar sind die Anforderungen in Abhängigkeit von dem Anwendungsbereich der Messinggegenstände verschieden, jedoch gelten die Legierungen mit R_max < 10 Mikrometer im Allgemeinen als sehr gut bearbeitbar. Die Legierungen mit 10 Mikrometern ≤ R_max < 15 Mikrometer werden als industriell akzeptabel bewertet, während diejenigen mit R_max ≥ 15 Mikrometern als schlecht bearbeitbar betrachtet werden. In Tabelle 6 bis Tabelle 9 sind die Legierungen mit R_max < 10 Mikrometer mit "o" gekennzeichnet, diejenigen mit 10 Mikrometern ≤ R_max < 15 Mikrometer sind mit "Δ" bezeichnet, und die mit R_max ≥ 15 Mikrometer sind mit dem Symbol "x" dargestellt.
Wie aus den in Tabelle 6 bis Tabelle 10 gezeigten Ergebnissen der Abspanungstests hervorgeht, gleichen die erfindungsgemäßen Legierungen 3004 bis 3007 und 3010 bis 3012 in der Bearbeitbarkeit alle den herkömmlichen, Blei enthaltenden Legierungen Nr. 14001 bis Nr. 14004. Insbesondere was die Bildung der Späne betrifft, lassen sich diese erfindungsgemäßen Legierungen vorteilhaft nicht nur mit den herkömmlichen Legierungen Nr. 14004 bis Nr. 14006 mit einem Bleigehalt von höchstens 0,1 Gewichtsprozent vergleichen, sondern auch mit Nr. 14001 bis Nr. 14004, die große Bleimengen enthalten.
In einer anderen Testreihe wurden die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den herkömmlichen Legierungen in Bezug auf Warmbearbeitbarkeit und mechanische Eigenschaften untersucht. Zu diesem Zweck wurden in der folgenden Weise Warmkomprimierungs- und Zugtests ausgeführt.
Zuerst wurden zwei Prüfstücke, ein erstes und ein zweites Prüfstück, in der gleichen Form mit 15mm Außendurchmesser und 25mm Länge von jedem in der oben beschriebenen Weise erhaltenen, stranggepressten Prüfstücke abgeschnitten. Bei den Warmkomprimierungstests wurde das erste Prüfstück 30 Minuten lang auf 700°C gehalten und dann in der Achsenrichtung um 70 Prozent komprimiert, um die Länge von 25mm auf 7,5mm zu verkleinern. Der Oberflächenzustand nach dem Komprimieren (Verformbarkeit bei 700°C) wurde visuell bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 bis Tabelle 10 angegeben. Die Bewertung der Verformbarkeit erfolgte durch visuelle Prüfung auf Risse an der Seite des Prüfstücks. In Tabelle 6 bis Tabelle 10 sind die Prüfstücke ohne festgestellte Risse mit "o" gekennzeichnet, diejenigen mit kleinen Rissen sind mit "Δ" bezeichnet, und diejenigen mit großen Rissen sind mit dem Symbol "x" dargestellt.
Die zweiten Prüfstücke wurden mit dem gewöhnlich praktizierten Prüfverfahren einem Zugtest unterworfen, um die Zugfestigkeit in N/mm² und die Längsdehnung in % zu ermitteln.
Wie die Testergebnisse der Warmkomprimierungs- und Zugtests in Tabelle 6 bis Tabelle 10 anzeigen, hat sich bestätigt, dass die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung in der Warmbearbeitbarkeit und den mechanischen Eigenschaften gleich den herkömmlichen Legierungen Nr. 14001 bis Nr. 14004 und Nr. 14006 oder besser als diese sind und sich zum industriellen Gebrauch eignen.
Weiterhin wurden die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung Entzinkungs- und Spannungskorrosionsreißtests jeweils gemäß den unter "ISO 6509" und "JIS H 3250" festgelegten Testverfahren unterworfen, um die Korrosionsfestigkeit und die Spannungskorrosionsrissfestigkeit im Vergleich zu den herkömmlichen Legierungen zu untersuchen.
Bei dem Entzinkungstest mit dem Verfahren "ISO 6509" wurde eine aus jedem stranggepressten Prüfstück entnommene Probe in einer solchen Weise in ein Material aus Phenolharz eingelagert, dass ein Teil der Seitenfläche der Probe freilag und die freiliegende Fläche senkrecht zu der Strangpressrichtung des stranggepressten Prüfstücks lag. Die Oberfläche der Probe wurde mit Schmirgelpapier Nr. 1200 poliert und dann mit Ultraschall in reinem Wasser gewaschen und getrocknet. Die auf diese Weise präparierte Probe wurde in eine 12,7g/l betragende wässrige Lösung von Kupferdichloriddihydrat (CuCl₂ × 2H₂O) getaucht und 24 Stunden lang bei 75°C stehengelassen. Die Probe wurde aus der wässrigen Lösung entnommen, und es wurde die maximale Entzinkungstiefe bestimmt. Die Messungen der maximalen Entzinkungstiefe sind angegeben.
Wie aus den in Tabelle 6 bis Tabelle 10 gezeigten Ergebnissen der Entzinkungstests deutlich wird, weisen die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung sehr gute Korrosionsfestigkeit auf und sind günstig mit den herkömmlichen Legierungen Nr. 14001 bis 14003 vergleichbar, die große Bleimengen enthalten.
Bei den Spannungskorrosionsrissfestigkeitstest gemäß dem in "JIS H 3250" beschriebenen Verfahren wurde von jedem stranggepressten Prüfstück eine 150mm lange Probe abgeschnitten. Die Probe wurde gebogen, wobei ihre Mitte in einer solchen Weise auf einem kreisbogenförmigen Prüfgerät mit einem Radius von 40mm aufgelegt war, dass das eine Ende und das andere Ende in einem Winkel von 45 Grad zueinander lagen. Die auf diese Weise mithin einer Zugrestspannung unterworfene Prüfprobe wurde entfettet und getrocknet und dann in ein Ammoniakmilieu in dem Entfeuchter mit einem 12,5%-igen wässrigen Ammoniak (Ammoniak in Verdünnung im Äquivalent zu reinem Wasser) eingebracht. Genau gesagt, die Prüfprobe wurde etwa 80mm über der Oberfläche des wässrigen Ammoniaks in dem Entfeuchter gehalten. Nachdem die Prüfprobe zwei Stunden, 8 Stunden und 24 Stunden lang in dem Ammoniakmilieu stehengelassen worden war, wurde die Prüfprobe aus dem Entfeuchter herausgenommen, in 10%-iger Schwefelsäurelösung gewaschen und unter einem Vergrößerungsgerät mit 10-facher Vergrößerung auf Risse untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 bis Tabelle 10 angegeben. In diesen Tabellen sind die Legierungen, die beim Belassen in dem Ammoniakmilieu über zwei Stunden deutliche Risse entwickelt hatten, mit "xx" bezeichnet. Die Prüfproben, die nach einem Durchlauf von zwei Stunden keine Risse aufwiesen, jedoch nach 8 Stunden als deutliche Risse aufweisend befunden wurden, sind mit "x" bezeichnet. Die Prüfproben, die nach 8 Stunden keine Risse aufwiesen, jedoch nach 24 Stunden als deutliche Risse aufweisend befunden wurden, wurden mit "Δ" bezeichnet. Den Prüfproben, die nach mindestens 24 Stunden überhaupt keine Risse aufwiesen, wurde das Symbol "o" gegeben.

Wie die in Tabelle 6 bis Tabelle 10 angegebenen Ergebnisse des Spannungskorrosionsrisstests anzeigen, hat sich bestätigt, dass die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung, in denen nichts Besonderes zur Verbesserung der Korrosionsfestigkeit getan wurde, in der Spannungskorrosionsrissfestigkeit gleich der herkömmlichen Legierung Nr. 14005 waren, also einer Aluminiumbronze mit keinem Zink darin, wie auch in der Spannungskorrosionsrissfestigkeit besser als die herkömmliche Marinemessinglegierung Nr. 14006 waren, also als diejenige, welche die höchste Korrosionsfestigkeit sämtlicher Streckkupferlegierungen unter der Bezeichnung JIS aufweist. [Tabelle 1]

Nr.	Zusammensetzung der Legierung (Gewichtsprozent)
Nr.	Cu	Si	Sn	Al	P	Zn
3001*	71,8	2,4	3,1			Rest
3002*	78,2	2,3		3,3		Rest
3003*	75,0	1,9	1,5	1,4		Rest
3004	74,9	3,2			0,09	Rest
3005	71,6	2,4	2,3		0,03	Rest
3006	76,5	2,7		2,4	0,21	Rest
3007	76,5	3,1	0,6	1,1	0,04	Rest
3008*	77.5	3,5	0,4			Rest
3009*	75,4	3,0	1,7			Rest
3010	76,5	3,3			0,21	Rest
3011	73,8	2,7			0,04	Rest
3012	75,0	2,9	1,6		0,10	Rest
* außerhalb des Umfangs der Erfindung

[Tabelle 2]*

Nr.	Zusammensetzung der Legierung (Gewichtsprozent)
Nr.	Cu	Si	Sn	Al	Bi	Te	Se	Zn
4001	70,8	1,9	3,4		0,36			Rest
4002	76,3	3,4	1,3			0,03		Rest
4003	73,2	2,5	1,9				0,15	Rest
4004	72,3	2,4	0,6		0,29	0,23		Rest
4005	74,2	2,7	2,0		0,03		0,26	Rest
4006	75,4	2,9	0,4			0,31	0,03	Rest
4007	71,5	2,1	2,6		0,11	0,05	0,23	Rest
4008	79,1	1,9		3,3	0,28			Rest
4009	76,3	2,7		1,2		0,13		Rest
4010	77,2	2,5		2,0			0,07	Rest
4011	79,2	3,1		1,1	0,04	0,06		Rest
4012	76,3	2,3		1,3	0,13		0,04	Rest
4013	77,4	2,6		2,6		0,22	0,03	Rest
4014	77,9	2,2		2,3	0,09	0,05	0,11	Rest
4015	73,5	2,0	2,9	1,2	0,23			Rest
4016	76,3	2,5	0,7	3,2		0,04		Rest
4017	75,5	2,3	1,2	2,0			0,12	Rest
4018	77,1	2,1	0,9	3,4	0,03	0,03		Rest
4019	72,9	3,2	3,3	1,7	0,11		0,04	Rest
4020	74,2	2,8	2,7	1,1		0,33	0,03	Rest
* Legierungen von Tabelle 2 außerhalb der Erfindung

[Tabelle 3]

Nr.	Zusammensetzung der Legierung (Gewichtsprozent)
Nr.	Cu	Si	Sn	Al	Bi	Te	Se	P	Zn
4021*	74,2	23	1,5	2,3	0,07	0,05	0,09		Rest
4022	70,9	21			0,11			0,11	Rest
4023	74,8	31				0,07		0,06	Rest
4024	76,3	32					0,05	0,02	Rest
4025	78,1	31			0,26	0,02		0,15	Rest
4026	71,1	22			0,13		0,02	0,05	Rest
4027	74,1	27			0,03	0,06	0,03	0,03	Rest
4028	70,6	19	3,2		0,31			0,04	Rest
4029	73,6	24	2,3			0,03		0,04	Rest
4030	73,4	26	1,7				0,31	0,22	Rest
4031	74,8	29	0,5		0,03	0,02		0,05	Rest
4032	73,0	26	0,7		0,09		0,02	0,08	Rest
4033	74,5	28				0,03	0,12	0,05	Rest
4034	77,2	33	1,3			0,03	0,12	0,04	Rest
4035	74,9	31	0,4		0,02	0,05	0,05	0,08	Rest
4036	79,2	33		2,5	0,05			0,12	Rest
4037	74,2	26		1,2		0,12		0,05	Rest
4038	77,0	28		1,3			0,05	0,20	Rest
4039	76,0	24		3,2	0,10	0,04		0,05	Rest
4040	74,8	24		1,1	0,07		0,04	0,03	Rest
* außerhalb des Umfangs der Erfindung

[Tabelle 4]

Nr.	Zusammensetzung der Legierung (Gewichtsprozent)
Nr.	Cu	Si	Sn	Al	Bi	Te	Se	P	Zn
4041	77,2	2,7		2,1		0,33	0,05	0,05	Rest
4042	78,0	2,6		2,5	0,03	0,02	0,10	0,14	Rest
4043	72,5	2,4	1,9	1,1	0,12			0,03	Rest
4044	76,0	2,6	0,5	2,0		0,20		0,07	Rest
4045	77,5	2,6	0,7	3,1			0,21	0,12	Rest
4046	75,0	2,6	0,8	2,2	0,04	0,05		0,06	Rest
4047	71,0	1,9	3,1	1,0	0,15		0,02	0,04	Rest
4048	73,3	2,1	2,6	1,2		0,04	0,03	0,05	Rest
4049	74,8	2,5	0,6	1,1	0,03	0,03	0,04	0,07	Rest

[Tabelle 5]

Nr.	Zusammensetzung der Legierung (Gewichtsprozent)
	Cu	Si	Sn	Al	Mn	Pb	Fe	Ni	Zn
14001	58,8		0,2			3,1	0,2		Rest
14001a
14002	61,4		0,2			3,0	0,2		Rest
14002a
14003	59,1		0,2			2,0	0,2		Rest
14003a
14004	69,2	1,2				0,1			Rest
14004a
14005	Rest			9,8	1,1		3,9	1,2
14005a
14006	61,8		1,0			0,1			Rest
14006a

[Tabelle 6]

[Tabelle 7]

[Tabelle 8]

[Tabelle 9]

Claims

Bleifreie Kupfer-Automatenlegierung, welche 70 bis 80 Gewichtsprozent an Kupfer, 1,8 bis 3,5 Gewichtsprozent an Silikon, 0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent an Phosphor, optional mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus 0,3 bis 3,5 Gewichtsprozent an Zinn und 1,0 bis 3,5 Gewichtsprozent an Aluminium, und/oder optional mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent an Wismut, 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent an Tellurium und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent an Selen, und die restlichen Gewichtsprozentanteile an Zink umfasst, wobei die Metallstruktur der Kupfer-Automatenlegierung mindestens eine Phase aufweist, die ausgewählt ist aus der γ(gamma)-Phase und der κ(kappa)-Phase.
Bleifreie Kupfer-Automatenlegierung nach Anspruch 1, wobei, wenn diese auf einer umlaufenden Oberfläche mit einem Drehmeißel, der als gerades Werkzeug mit scharfer Spitze bereitgestellt ist, mit einem Spanwinkel von –8 (minus 8) und einer Schnittrate von 50 m/min, einer Schnitttiefe von 1,5 mm und einer Vorschubrate von 0,11 mm/U geschnitten wird, sich Späne ergeben, welche eine oder mehrere Formen aufweisen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus einer Bogenform und einer feinen Nadelform besteht.
Bleifreie Kupfer-Automatenlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche für 30 Minuten bis zu 5 Stunden einer Hitzebehandlung bei 400 bis 600°C unterzogen ist.
Verfahren zur Bildung einer bleifreien Automatenlegierung mit einer Metallstruktur, welche mindestens eine Phase aufweist, die aus der γ(gamma)-Phase und der κ(kappa)-Phase ausgewählt ist, welche Legierungen aus Kupfer, Silikon, Phosphor und Zink in einer Menge von 70 bis 80 Gewichtsprozent an Kupfer, 1,8 bis 3,5 Gewichtsprozent an Silikon, 0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent an Phosphor, optional Legierungen mit mindestens einem Element, welches ausgewählt ist aus Zinn und Aluminium in einer Menge von 0,3 bis 3,5 Gewichtsprozent an Zinn und 1,0 bis 3,5 Gewichtsprozent an Aluminium, und/oder optional Legierungen mit mindestens einem Element, welches ausgewählt ist aus Wismut, Tellurium und Selen in einer Menge von 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent an Wismut, 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent an Tellurium und 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent an Selen und den restlichen Gewichtsprozentanteil an Zink umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Silikon als eine Cu-Si-Legierung bereitgestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die bleifreie Automatenlegierung für 30 Minuten bis zu 5 Stunden einer Hitzebehandlung bei 400 bis 600°C unterzogen ist.