DE889984C

DE889984C - Use of copper-zinc alloys for workpieces to be machined

Info

Publication number: DE889984C
Application number: DEW7260D
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr-Ing Kaestner
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 1944-02-11
Filing date: 1944-02-11
Publication date: 1953-09-14

Description

Verwendung von Kupfer-Zink-Legierungen für spanabhebend zu bearbeitende Werkstücke Es ist bekannt, sowohl Bronzen auf Kupfergrundlage als auch Messinglegierungen, insbesondere Sondermessinglegierungen, für spanabhebend zu bearbeitende Werkstücke zu verwenden. Man hat diesen bekannten Werkstoffen schon einen Bleigehalt bis zu io °/o zugegeben, um ihre Zerspanungseigenschaften zu erhöhen, mußte aber hierbei die Erfahrung machen, daß ein über 3 % hinausgehender Gehalt an Blei infolge der bekannten Nesterbildung in der übrigen Grundmasse die spanlose Warmverformung dieser Werkstoffe meistens unmöglich macht, so daß sie zweckmäßig nur als Gußlegierungen angewandt werden können, wobei aber auch hier noch der Nachteil auftritt, daß diese bekannten Werkstoffe infolge der Nesterbildung von bleireichen Verbindungen oder Bleieinlagerungen starke Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften über den Querschnitt aufweisen.Use of copper-zinc alloys for machining Workpieces It is known to use both copper-based bronzes and brass alloys, in particular special brass alloys, for workpieces to be machined to use. These known materials already have a lead content of up to 10% added in order to increase their machining properties, but had to be used here experience that a lead content exceeding 3% as a result of the known nest formation in the rest of the base mass, the non-cutting hot deformation of this Materials mostly makes impossible, so that they are only useful as cast alloys can be used, but here too the disadvantage arises that this known materials as a result of the formation of nests of lead-rich compounds or Lead deposits show strong differences in mechanical properties over the Have cross-section.

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Kupfer-Zink-Legierungen für spanabhebend zu bearbeitende Werkstücke, wobei die Legierungen im wesentlichen durch folgende Gehalte gekennzeichnet sind: mehr als 5o % und weniger als 78 °/o Kupfer, mehr als o,5 bis zu io °/o Blei.The invention relates to the use of copper-zinc alloys for workpieces to be machined, the alloys being essentially characterized by the following contents: more than 50 % and less than 78% copper, more than 0.5 up to 10 ° / o lead.

Erfindungsgemäß werden nun außer Blei eines oder mehrere Metalle eingebracht, die mit dem Blei eine leichtflüssige Legierung bilden, welche als selbständige Phase mit niedrigem Schmelzpunkt in der übrigen Grundmasse auftritt. Diese niedrigschmelzende Phase kann erfindungsgemäß aus Legierungen des Bleies mit 0,05 bis 504 Wismut oder/und o,or bis 20/0 Thallium bestehen. Ist bei der erfindungsgemäßen Legierung die Verteilung der niedrigschmelzenden Phase in der Grundmasse möglichst fein und gleichmäßig über den Querschnitt in allen Richtungen, dann hat sie optimale Zerspanungseigenschaften. Diese feine und gleichmäßige Dispersion der niedrigschmelzenden Phase in der übrigen Grundmasse, die man- ihrer Art nach auch als eine Emulsion ansprehen kann, läßt sich wirkungsvoll in bekannter Weise durch eine Beschallung, vorzugsweise Ultrabeschallung, der die beschränkt löslichen Zusätze enthaltenden Schmelze herbeiführen.According to the invention, in addition to lead, one or more metals are now introduced which form a low-viscosity alloy with the lead, which occurs as an independent phase with a low melting point in the rest of the base material. According to the invention, this low-melting phase can consist of alloys of lead with 0.05 to 504 bismuth and / and 0.1 to 20/0 thallium. If in the alloy according to the invention the distribution of the low-melting phase in the base material is as fine and uniform as possible over the cross-section in all directions, then it has optimal machining properties. This fine and uniform dispersion of the low-melting phase in the rest of the base mass, which, depending on its nature, can also be sputtered as an emulsion, can be brought about effectively in a known manner by sonication, preferably ultrasound, of the melt containing the additives with limited solubility.

Es ist für die erfindungsgemäßen Legierungen wesentlich, daß die emulsionsartige Verteilung der in der Grundmasse nur beschränkt löslichen Legierungen des Bleies mit anderen Metallen nicht nur im flüssigen Zustand vorhanden, sondern auch nach der Erstarrung im wesentlichen erhalten geblieben ist. Dies kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung besonders zweckentsprechend dadurch erreicht werden, daß die mit dem Blei legierten Zusatzmetalle in Form einer oder mehrerer Vorlegierungen von vorzugsweise eutektischer Zusammensetzung in die Grundmasse eingebracht werden, wobei die eutektischen Vorlegierungen gegebenenfalls auch noch solche Elemente enthalten können, die sowohl mit Kupfer und/oder Zink als auch mit- dem in Kupfer und/oder Zink im festen Zustand nur begrenzt mischbaren Blei im flüssigen Zustand echte Lösungen bilden und somit in bekannter Weise als Überträgermittel für das Metall Blei oder die mit ihm legierten Metalle fungieren und unter Umständen auch zur Herabsetzung des Schmelzpunktes der eutektischen Legierungen gebraucht werden können. Es wurde nämlich erkannt, daß zwischen dem Schmelzpunkt der aus Blei mit anderen Metallen bestehenden Phase einerseits und den Zerspanungseigenschaften andererseits eine Beziehung in dem Sinne vorhanden sein muß, daß die Berührungsflächen der in der Grundmasse feinst und gleichmäßig verteilten Teilchen der niedrigschmelzenden Bleilegierung bei der spanabhebenden Bearbeitung eine zusätzliche Wirkung an dem Schneidstahl ausüben, was von einer wesentlichen Bedeutung ist. Es konnte festgestellt werden, daß bei einer unzulässig starken Erwärmung des Schneidstahis die niedrigschmelzende Phase fast teigig-flüssig oder gar flüssig wird und in diesem Zustand eine zusätzliche spanbrechende Wirkung auch schon bei verhältnismäßig niedrigen Zerspanungstemperaturen ausübt. Dieses Teigigflüssig- oder gar Flüssigwerden der in der übrigen Grundmasse enthaltenen bleihaltigen und niedrigschmelzenden Phase tritt, wie festgestellt wurde, um so sicherer ein, je kleiner die Teilchengröße und je niedriger deren Schmelzpunkt- ist. Aus dieser Erkenntnis ergibt sich für spanabhebend zu bearbeitende Werkstoffe auf Kupfer-Zink-Grundlage die allgemeine Lehre, die Zerspanungseigenschaften solcher Werkstoffe dadurch zu verbessern, daß man der Grundmasse Bestandteile zusetzt, die von der Grundmasse nicht in feste Lösungen aufgenommen werden, sondern als selbständige und niedrigschmelzende Phase in der übrigen Grundmasse auftreten, und zwar in einer möglichst feinen und gleichmäßigen Verteilung über den Querschnitt in allen Richtungen.It is essential for the alloys according to the invention that the emulsion-like Distribution of the lead alloys with only limited solubility in the base material with other metals not only present in the liquid state, but also after the solidification is essentially retained. This can according to a further Formation of the invention can be achieved particularly appropriately in that the additional metals alloyed with the lead in the form of one or more master alloys of preferably eutectic composition are introduced into the base mass, where the eutectic master alloys may also contain such elements can, which both with copper and / or zinc and with the in copper and / or Zinc in the solid state only mixes to a limited extent, lead in the liquid state real solutions form and thus in a known manner as a transfer medium for the metal or lead the metals alloyed with it act and possibly also for degradation the melting point of the eutectic alloys can be used. It was namely recognized that between the melting point of lead with other metals existing phase on the one hand and the machining properties on the other hand Relationship must exist in the sense that the contact surfaces of the Base mass finely and evenly distributed particles of the low-melting lead alloy an additional effect on the cutting steel during machining exercise what is of essential importance. It could be determined that in the event of an impermissibly strong heating of the cutting steel, the low-melting point Phase becomes almost doughy-liquid or even liquid and in this state an additional one Chip-breaking effect even at relatively low machining temperatures exercises. This dough becomes liquid or even liquid in the rest of the base mass contained lead-containing and low-melting phase occurs, as has been determined the safer a, the smaller the particle size and the lower its melting point is. This knowledge results in materials to be machined on a copper-zinc basis the general teaching, the machining properties of such To improve materials by adding ingredients to the base material are not absorbed by the matrix in solid solutions, but as independent solutions and low-melting phase occur in the rest of the matrix, namely in one as fine and even distribution as possible over the cross-section in all directions.

Es wurde weiter gefunden, daß die Metalle Wismut oder/und Thallium das Blei in den erfindungsgemäßen Werkstoffen ganz oder teilweise ersetzen können, so daß auch die Legierungen dieser Metalle untereinander ohne Blei dieselbe Wirkung hervorrufen können wie eine bleihaltige niedrigschmelzende Phasenlegierung.It was also found that the metals bismuth and / or thallium can completely or partially replace the lead in the materials according to the invention, so that the alloys of these metals with one another without lead have the same effect like a lead-containing low-melting phase alloy.

Es ist zwar bekannt, daß Blei allein auch schon die Zerspanbarkeit wesentlich verbessert. Doch sind zur Erreichung dieses Zieles dann auch verhältnismäßig hohe Bleigehalte notwendig. Wird nun bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen auch außer Blei noch Wismut oder/und Thaläum zugesetzt, so erreicht man die gleiche gute Zerspanbarkeit dieser Werkstoffe schon mit einer wesentlich niedrigeren Gesamtmenge dieser Zusatzmetalle im Vergleich zu einer Legierung auf gleicher Grundlage, die nur Blei allein enthält. Durch hohe Zusätze von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt verschlechtert sich bekanntlich die Warmverformbarkeit der Messing- und Tombaklegierungen. Bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen tritt jedoch keine Verschlechterung der Warmverformbarkeit durch das Vorhandensein einer oder :mehrerer niedrigschmelzender Phasen in der übrigen Grundmasse ein, weil die angestrebte gute Zerspanbarkeit schon mit einer verhältnismäßig kleinen Gesamtmenge der niedrigschmelzenden Phase erzielt wird, was wiederum vorteilhaft ist.It is well known that lead alone also improves machinability much improved. But are then also proportionate to the achievement of this goal high lead levels necessary. Is now also used in the materials according to the invention in addition to lead, bismuth and / or thalaumum are added, the same good result is obtained Machinability of these materials with a significantly lower total amount these additional metals compared to an alloy on the same basis that contains only lead alone. Due to the high addition of metals with a low melting point As is known, the hot formability of brass and tombac alloys deteriorates. In the case of the materials according to the invention, however, there is no deterioration in the hot deformability by the presence of one or more low-melting phases in the rest Basic mass, because the desired good machinability with a relatively small total amount of the low-melting phase is achieved, which in turn is advantageous is.

In der folgenden Tabelle sind an sich bekannte eutektische Legierungen zusammengestellt, die der übrigen Grundmasse zur Herstellung der erfindungsgemäßen Werkstoffe zugesetzt werden können. Wie aus der Tafel ersichtlich, können hierbei auch bleifreie Phasenlegierungen angewandt werden, bei denen entweder das Wismut und/oder das Thallium die Rolle des Bleies ganz oder teilweise übernehmen. Außerdem können die der übrigen Grundmasse zuzusetzenden Legierungen des Bleies, Wismuts oder Thalliums untereinander gegebenenfalls auch noch solche Elemente enthalten, die zwar allein, ohne eines der Metalle Blei, Wismut, Thallium, nicht die gewünschte Verbesserung der Zerspanungseigenschaften bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen bringen würden, jedoch in Verbindung mit einem oder mehreren der Metalle Blei, Wismut, Thallium geeignet sind, in vorteilhafter Weise den Schmelzpunkt der die Zerspanungseigenschaften fördernden, niedrigschmelzenden Phase zu senken. Solche Metalle sind beispielsweise Kadmium, Zink, Antimon oder Indium. Es ist aber hierbei zu berücksichtigen, daß bei der Einführung der letzteren Metalle als Bestandteile der Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt als eutektische Legierung sich ein Gleichgewichtszustand einstellen wird, derart, daß ein Teil der insgesamt zugesetzten Menge eines solchen Metalls, z. B. Kadmium, in der niedrigschmelzenden Phase verbleibt, während ein anderer Teil dieses Metalls in der die Grundmasse bildenden Basislegierung aufgenommen wird. So wird beispielsweise bei dem Zusatz einer Legierung, die aus 6o °/o Wismut plus 39,3 °/o Kadmium plus o,7 °/o Zink besteht, der Anteil des Zinks restlos und außerdem ein Teil des Kadmiums von der Grundmasse aufgenommen, während der übrige Teil des Kadmiums in der niedrigschmelzenden Phase verbleibt. Durch einfache Versuche kann ermittelt werden, welche Zusammensetzung die zur Einführung der Metalle Blei, Wismut, Thallium benötigte Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt, vor allem in eutektischer Zusammensetzung, aufweisen muß, damit in der fertigen Legierung die niedrigschmelzende Phase der gewünschten Zusammensetzung und mit dem gewünschten Schmelzpunkt verbleibt. Schmelz- Blei Wismut Kadmium Sonstiges Punkt °/o 0/0 11/0 0/0 915 40,2 51,7 8,1 - 125 43,5 56,5 - - 143 - 6o 39,3 0,7 Zink 144 - 6o 40 - 188 - 47,5 - 52.5 Thallium 244 87 - - i2,5 Antimon-f- o,5 Zink 245 81,7 - 17,3 i,o Zink 245 8o - 16 4 Antimon 247 87 - - 13 Antimon 248 82,5 - 17,5 - Die Gütewerte der erfindungsgemäßen Werkstoffe können sowohl hinsichtlich der mechanischen Werte als auch der Zerspanungseigenschaften noch weiterhin durch andere Zusätze verbessert werden, sei es daß die Grundmasse durch mischkristallbildende Zusätze härter gemacht werden soll oder daß man zu dem an sich bekannten Hilfsmittel greift, in die Grundmasse harte Kristalle einzulagern. Als mischkristallbildender Zusatz kommt vor allem Nickel oder Mangan in Betracht, wobei ersteres den erfindungsgemäßen Werkstoffen allein bis zu 25 % und letzteres bis zu io % zugesetzt wird. Bei einem Aluminiumzusatz sollte man zweckmäßig über 6 % nicht hinausgehen. Bei anderen Metallen, die in geringer Menge Mischkristalle mit der Grundmasse bilden; bei höheren Zusätzen jedoch Sonderbestandteile in der Grundmasse hervorrufen, wird man vor allem dann Wert darauf legen, die erfindungsgemäßen Werkstoffe nicht zu hart zu machen, wenn nicht nur eine spanlose Verformung in der Wärme, sondern auch in der Kälte stattfinden soll. So wurde gefunden, daß man bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen Eisen oder Silicium bis zu io % vorteilhaft anwenden kann, wobei es aber zweckentsprechend ist, bei einem gleichzeitigen Zusatz dieser Metalle den Gesamtgehalt 6 °/o nicht übersteigen zu lassen.The following table lists eutectic alloys known per se which can be added to the rest of the base material for the production of the materials according to the invention. As can be seen from the table, lead-free phase alloys can also be used in which either bismuth and / or thallium take over the role of lead in whole or in part. In addition, the alloys of lead, bismuth or thallium to be added to the rest of the base material can also contain elements which alone, without one of the metals lead, bismuth or thallium, would not bring about the desired improvement in the machining properties of the materials according to the invention, but in combination with one or more of the metals lead, bismuth, thallium are suitable for lowering the melting point of the low-melting phase which promotes the machining properties in an advantageous manner. Such metals are, for example, cadmium, zinc, antimony or indium. However, it must be taken into account here that when the latter metals are introduced as components of the alloy with a low melting point as a eutectic alloy, a state of equilibrium will be established such that part of the total added amount of such a metal, e.g. B. cadmium, remains in the low-melting phase, while another part of this metal is absorbed in the base alloy forming the matrix. For example, if an alloy is added that consists of 60% bismuth plus 39.3% cadmium plus 0.7% zinc, the amount of zinc is completely absorbed and part of the cadmium is also absorbed by the base mass, while the remainder of the cadmium remains in the low-melting phase. By means of simple experiments it can be determined which composition the alloy with a low melting point required for the introduction of the metals lead, bismuth and thallium, especially in eutectic composition, must have so that the low-melting phase of the desired composition and with the desired melting point in the finished alloy remains. Enamel lead bismuth cadmium other Point ° / 0/0 11/0 0/0 915 40.2 51.7 8.1 - 1 25 43.5 56.5 - - 143 - 6o 39.3 0.7 zinc 144 - 6o 40 - 188 - 47.5 - 52.5 thallium 244 87 - - i2.5 antimony-f- 0.5 zinc 245 81.7 - 17.3 i, o zinc 245 8o - 16 4 antimony 247 87 - - 13 antimony 248 82.5 - 17.5 - The quality values of the materials according to the invention can be further improved both with regard to the mechanical values and the machining properties by other additives, be it that the base mass is to be made harder by solid solution-forming additives or that one resorts to the aid known per se, which hardens the base mass To store crystals. As solid solution-forming additions, nickel or manganese come into consideration, the former being added to the materials according to the invention alone up to 25 % and the latter up to 10 % . When adding aluminum, it is advisable not to go beyond 6%. In the case of other metals which, in small quantities, form mixed crystals with the base material; with higher additions, however, cause special constituents in the base mass, it is particularly important not to make the materials according to the invention too hard if not only chipless deformation is to take place in the heat, but also in the cold. It has been found that up to 10 % iron or silicon can advantageously be used in the materials according to the invention, although it is appropriate not to allow the total content to exceed 6% when these metals are added at the same time.

Bei der erfindungsgemäßen Legierung wirkt sich ein Silberzusatz bis zu 5 °/o auch bei Anwesenheit anderer der vorgenannten Zusatzmetalle günstig aus.In the case of the alloy according to the invention, an addition of silver has an effect of up to 5 ° / o is favorable even in the presence of other of the aforementioned additional metals.

Die erfindungsgemäßen Werkstofflegierungen sind auch teilweise aushärtbar. Zur Steigerung der Aushärtbarkeit kann man diesen Werkstoffen in bekannter Weise auch noch einen Berylliumzusatz, zweckentsprechend bis zu 2 °/o, geben.The material alloys according to the invention can also be partially hardened. To increase the hardenability, these materials can be used in a known manner also add beryllium, appropriately up to 2%.

Claims

PATENT CLAIMS: x. The use of copper-zinc alloys with more than 50 % and less than 78% copper, more than 0.5 up to 10 % lead, in which the lead contains 0.05 to 5% bismuth and / or o, oi to 2 % thallium alloyed and contained as a low-melting phase in the base material, as a material for workpieces to be machined.

2. The Use of alloys according to claim i, in which the lead wholly or partially is replaced by bismuth and / or thallium, for the purpose according to claim i.

3. The use of alloys according to claims i and 2 with an addition of nickel up to 25% and / or an addition of manganese up to 10% and / or an addition of aluminum up to 6 % for the purpose according to claim i.

4. The use of alloys according to Claims i to 3 with an addition of iron or silicon up to io%, with simultaneous Addition of iron and silicon, the total addition not exceeding 6%, for the purpose according to claim i.

5. The use of alloys according to claim i to 4 with a Silver addition up to 5% for the purpose according to claim i.

6. The use of alloys according to claim i to 5 with an addition of beryllium up to 2 ° / a for the purpose according to Claim i.