EP0622468B1 - Verwendung einer Kupfer-Aluminium Legierung zur Herstellung von nickelfreien Gebrauchsgegenständen - Google Patents

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EP0622468B1
EP0622468B1 EP19940105831 EP94105831A EP0622468B1 EP 0622468 B1 EP0622468 B1 EP 0622468B1 EP 19940105831 EP19940105831 EP 19940105831 EP 94105831 A EP94105831 A EP 94105831A EP 0622468 B1 EP0622468 B1 EP 0622468B1
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EP
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copper
production
nickel
alloy
iron
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EP19940105831
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Hans-Achim Dr.-Ing. Kuhn
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Wieland Werke AG
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Wieland Werke AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/01—Alloys based on copper with aluminium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the use of a copper-aluminum alloy with manganese and iron as further constituents for the production of nickel-free everyday objects, in particular glasses, jewelry, cutlery, donrdashery, etc., which do not trigger any allergic reactions.
  • Spectacle parts are to be understood in particular as spectacle arms, spectacle frames, eye edge profiles and spectacle hinges.
  • Nickel-free copper alloys should be able to replace conventional nickel-containing alloys such as nickel silver (such as CuNil8Zn20). This can be achieved if the properties of the alternative nickel-free alloys meet or can be surpassed the requirements that are also placed on the nickel-containing alloys.
  • a good alloy of glasses is sufficient high mechanical strength (tensile strength> 600 MPa, hardness 180 to 300 HV), sufficient softening temperature (after brief annealing for 30 seconds at 650 ° C at least 150 HV), an attractive appearance and good polishability expected. Esp. the softening behavior is of interest since the parts of the glasses should still have residual hardnesses of> 150 HV after connection work with hard solder.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a copper alloy for the abovementioned use which, with inexpensive producibility and sufficient mechanical parameters, has no nickel.
  • EP-A-568 094 is a non-ferrous metal alloy for jewelry and metal objects with more than 5.0 to 15.00% Mn, 4.0 to 7.50% Al, 1.0 to 2.80% Fe, the rest Cu known.
  • EP-A-532 929 describes a layer for the production of jewelry and spectacle frames with 86.0 to 90.0% Cu, 2.8 to 4.5% Al, 0.4 to 1.3% Mn, 1.0 up to 2.5% Fe 0 to 0.5% Si, rest Zn known.
  • Alloys of 2 to 10% aluminum, up to about 8% manganese, chromium, iron and / or cobalt, alone or in groups, the rest of copper are known from DE-PS 757,956, but these alloys are used for the production of objects with high Long-term fatigue strength, such as of pipes for preheaters on ships, turbine blades, sea water-cooled mufflers, etc. Like. Used.
  • the alloy can be derived from the known ⁇ / ⁇ multicomponent aluminum bronzes CuA110NiFe (alloy designation according to DIN 17.665) by replacing manganese with the element nickel and reducing aluminum so that there is only an ⁇ -phase structure for further processing of the pressed semi-finished product.
  • Iron is present as Fe particles because of its poor solubility.
  • the alloy can be conventionally continuously cast and hot pressed.
  • Hot-pressed semi-finished products, such as wires can be cold-formed sufficiently well for optical wire production because of the ⁇ -phase-free structure that is always present after the hot-pressing process.
  • Iron has a grain refining effect, so that a smooth surface desirable for optical quality can be drawn.
  • the average grain size in wire sections recrystallized at 700 ° C. is 10 ⁇ m. After temper hardening at 300 to 400 ° C, the softening starts at 500 ° C, but at 700 ° C, residual hardnesses of HV 10 out of 200 are still registered if the annealing time does not exceed 30 seconds. This short-term annealing is intended to simulate the temperature conditions during the connection work with hard solder between 620 and 680 ° C. After 3 hours of annealing at 750 ° C, residual hardnesses of 150 are still measured.
  • the use of a copper alloy according to the compositions according to claims 2 to 4 is recommended.
  • the optional addition of lead is essential for machining in the manufacture of everyday items.

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung mit Mangan und Eisen als weiteren Bestandteilen zur Herstellung von nickelfreien Gebrauchsgegenständen, insbes. Brillenteilen, Schmuckgegenständen, Eßbestecken, Kurzwaren etc, die keine allergische Reaktionen auslösen.
  • Unter Brillenteilen sollen dabei insbes. Brillenbügel, Brillengestelle, Augenrandprofile und Brillenscharniere verstanden werden.
  • Nickelhaltige metallische Gebrauchsgegenstände können bei Hautkontakten Allergien auslösen. Die Anzahl der Menschen, die unter sogenannten Nickelallergien zu leiden haben, wächst ständig. Um nicht erst durch eine im Verfahren aufwendige Beschichtung Kontaktallergien zu vermeiden, sollen nickelfreie Kupferlegierungen die herkömmlichen nickelhaltigen Legierungen wie z.B. Neusilber (wie etwa CuNil8Zn20) substituieren können. Das gelingt dann, wenn die Eigenschaften der alternativen nickelfreien Legierungen den Anforderungen, die auch an die nickelhaltigen Legierungen gestellt werden, entsprechen oder übertroffen werden können. Von einer guten Brillenlegierung werden u.a. ausreichend hohe mechanische Festigkeit (Zugfestigkeit > 600 MPa, Härte 180 bis 300 HV), ausreichende Entfestigungstemperatur (nach Kurzzeitglühungen von 30 Sekunden Dauer bei 650 °C mind. Härten von 150 HV), ein ansprechendes Aussehen und gute Polierbarkeit erwartet. Insbes. das Entfestigungsverhalten ist von Interesse, da die Brillenteile nach Verbindungsarbeiten mit Hartlot immer noch Resthärten von > 150 HV aufweisen sollten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für den obengenannten Verwendungszweck eine Kupfer-Legierung vorzuschlagen, die bei kostengünstiger Herstellbarkeit und ausreichenden mechanischen Kenngrößen kein Nickel aufweist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung mit Mangan und Eisen als weiteren Bestandteilen gelöst, die aus
    • 4 bis 9 % Aluminium,
    • 2 bis 5 % Mangan,
    • 1 bis 3 % Eisen,
    • wahlweise 0,5 bis 1,5% Blei,
    • Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen besteht (die %-Angaben beziehen sich dabei auf das Gewicht).
  • Aus EP-A-568 094 ist eine Buntmetallegierung für Schmuck- und Metallgegenstände mit mehr als 5,0 bis 15,00 % Mn, 4,0 bis 7,50 % Al, 1,0 bis 2,80 % Fe, Rest Cu bekannt.
  • Aus EP-A-532 929 ist eine Lagierung zur Herstellung von Schmuck und Brillengestellen mit 86,0 bis 90,0 % Cu, 2,8 bis 4,5 % Al, 0,4 bis 1,3 % Mn, 1,0 bis 2,5 % Fe 0 bis 0,5 % Si, Rest Zn bekannt.
  • Aus der DE-PS 757.956 sind zwar Legierungen aus 2 bis 10 % Aluminium, bis zu etwa 8 % Mangan, Chrom, Eisen und/oder Kobalt, allein oder zu mehreren, Rest Kupfer bekannt, diese Legierungen werden jedoch zur Herstellung von Gegenständen mit hoher Warmdauerstandfestigkeit, wie z.B. von Rohren für Vorwärmer auf Schiffen, Turbinenschaufeln, seewassergekühlten Auspufftöpfen u. dgl. verwendet.
  • Die Legierung läßt sich aus den bekannten α/β-Mehrstoffaluminiumbronzen CuA110NiFe (Legierungsbezeichnung nach DIN 17.665) ableiten, indem Mangan das Element Nickel ersetzt und Aluminium so reduziert wird, daß für eine Weiterverarbeitung des gepreßten Halbzeugs nur ein α-phasenhaltiges Gefüge vorliegt.
  • Eisen liegt wegen seiner schlechten Löslichkeit als Fe-Teilchen vor. Die Legierung läßt sich konventionell stranggießen und warmverpressen. Warmverpreßtes Halbzeug, wie z.B. Drähte, lassen sich wegen des β-phasenfreien Gefüges, das nach dem Warmpreßvorgang immer vorliegt, für eine Optikdrahtfertigung ausreichend gut kaltumformen. Eisen wirkt kornfeinend, so daß eine für Optikqualität wünschenswerte glatte Oberfläche gezogen werden kann. Die mittlere Korngröße in bei 700 °C rekristallisierten Drahtabschnitten beträgt 10 um. Nach einer Anlaßhärtung bei 300 bis 400 °c setzt die Entfestigung zwar bei 500 °C ein, bei 700 °C werden aber immer noch Resthärten von HV 10 von 200 registriert, wenn die Glühdauer 30 Sekunden nicht überschreitet. Mit dieser Kurzzeitglühung sollen die Temperaturverhältnisse bei den Verbindungsarbeiten mit Hartlot zwischen 620 und 680 °C nachgestellt werden. Nach 3-stündigen Glühungen bei 750 °C werden immer noch Resthärten von 150 gemessen.
  • Als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wird die Verwendung einer Kupferlegierung entsprechend den Zusammensetzungen nach den Ansprüchen 2 bis 4 empfohlen. Der wahlweise Zusatz von Blei ist für die zerspanende Bearbeitung bei der Herstellung der Gebrauchsgegenstände unerläßlich.
  • Die erfindungsgemäßen Legierungen zeichnen sich gegenüber bisher eingesetzten nickelhaltigen Legierungen z.B. Neusilber (CuNil8Zn20) und Monel (NiCu28Fe2) durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus:
    • 1.
    Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Legierungen sind die erfindungsgemäßen Legierungen nickelfrei. Somit können beim Gebrauch von Gegenständen keine Nickelallergien ausgelöst werden.
    2.
    Die erfindungsgemäßen Legierungen weisen einen deutlich niedrigeren statischen Elastizitätsmodul (E-Modul) auf als die bisher eingesetzten Neusilberlegierungen:
    • z.B. CuA17,5Mn3,0Fe2,5: E = 110 GPa
    • CuNil8Zn20 : E = 125 GPa

    Dadurch ertragen die erfindungsgemäßen Legierungen beim Gebrauch der z.B. aus ihnen hergestellten Brillenbügel Biegespannungen besser, da keine oder nur geringe Verformungen zurückbleiben.
    3.
    Das Entfestigungsverhalten nach kurzen und nach langen Glühzeiten im Temperaturbereich der Verbindungsarbeiten mit Hartlot, also zwischen 620 und 680 °C ist gegenüber Neusilber wesentlich verbessert. Diese Legierung kann in ihren Entfestigungseigenschaften auch Monel ersetzen.
    4.
    Wegen der geringen spezifischen Dichte von nur 7,71 g/cm3 können bei gleichen Dimensionen um ca. 12 % leichtere Gebrauchsgegenstände gefertigt werden als mit herkömmlichen Neusilberlegierungen.
  • Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:
  • Aus Cu-Mn-Vorlegierungen, Al und Fe wurden bei 1100 °C in einer Standkokille 8"-Bolzen aus CuA17,2Mn2,9Fe2,5 vergossen. Die Gußbolzen wurden im überdrehten Zustand bei 850 °C mit einem Verpressungsverhältnis von 50 : 1 im Mehrlochverfahren verpreßt. Über mehrere Zwischenglühungen bei 750 °C wurden dann Vierkantdrähte gefertigt. Dabei konnte ein Umformgrad von 64 % erreicht werden. Im ziehharten Zustand wurden folgende Kennwerte erreicht:
    • E-Modul: 106 GPa
    • Zugfestigkeit Rm: 1026 MPa
    • Bruchdehnung A10: 5,5 %
    • Härte HV 10: 265

Claims (4)

  1. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung mit Mangan und Eisen als weiteren Bestandteilen, bestehend aus (in Gew.%)
    4 bis 9 % Aluminium,
    2 bis 5 % Mangan,
    1 bis 3 % Eisen,
    wahlweise 0,5 bis 1,5% Blei
    Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen,
    zur Herstellung von nickelfreien Gebrauchsgegenständen, insbes. Brillenteilen, Schmuckgegenständen, Eßbestecken, Kurzwaren etc, die keine allergischen Reaktionen auslösen.
  2. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 mit 6,5 bis 8 % Aluminium für den Zweck nach Anspruch 1.
  3. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2 mit 2 bis 3,5 % Mangan für den Zweck nach Anspruch 1.
  4. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 mit 2 bis 2,5 % Eisen für den Zweck nach Anspruch 1.
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