EP1652946A1

EP1652946A1 - Kupferlegierung

Info

Publication number: EP1652946A1
Application number: EP04023568A
Authority: EP
Inventors: Frank Leistritz; Jürg E. Gunzenhauser; Balthasar Gysin; Katrin Müller
Original assignee: R Nussbaum AG; JRG Gunzenhauser AG; Viega GmbH and Co KG; Gebr Kemper GmbH and Co KG
Current assignee: R Nussbaum AG; JRG Gunzenhauser AG; Viega GmbH and Co KG; Gebr Kemper GmbH and Co KG
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2006-05-03
Also published as: NO20054557L; NO20054557D0

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hoch kupferhaltige korrosionsbeständige Legierung, die sich insbesondere zur Herstellung von Bauteilen für medienführende Gas- bzw. Wasserleitungen eignet und die eine gute Zerspanbarkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie eine sehr geringe Abgabe von Blei- und Nickelionen an das Medium, insbesondere an das in der Leitung geführte Trinkwasser zeigt. Die erfindungsgemäße Kupferlegierung umfasst - in Gew.-% - Zn ≤ 10,0; Sn ≤ 13;0; Mn ≤ 3,0; wenigstens einen von Al und Si mit einem Anteil von zwischen 0,01 und 5,0; Ni ≤ 2,0; P ≤ 0,04; Pb ≤ 3,0; Fe ≤ 0,5; S ≤ 0,04; Sb ≤ 0,1; As ≤ 0,03; wenigstens ein Seltenerdenelement ≤ 3,0; und als Rest mehr als 80% Cu und unvermeidbare Verunreinigungen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupferlegierung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Kupferlegierung zur Herstellung von Bauteilen für die Gas- und Sanitärinstallation, speziell für Bauteile, die bei der Trinkwasserinstallation Anwendung finden und unmittelbar mit dem in den Bauteilen, in der Regel Rohre, Fittings und Armaturen, geführten Trinkwasser in Kontakt kommen.
Werkstoffe zur Herstellung von Bauteilen für die Gas- und Wasserinstallation unterliegen besonderen Anforderungen, die insbesondere an trinkwasserführende Leitungen und ihre Komponenten gestellt werden. Hier ist zuvorderst die Korrosionsbeständigkeit der Bauteile zu nennen, denn die eingesetzten Bauteile sollen auch bei einem langjährigen Einsatz nicht korrodieren. Darüber hinaus werden besondere Anforderungen an die Herstellbarkeit und die Verarbeitbarkeit gestellt, wobei sich die Legierungen nicht nur einfach und wirtschaftlich gießen lassen müssen, sondern darüber hinaus auch das Erfordernis besteht, dass die gegossenen Bauteile einfach mechanisch zu bearbeiten sind. Dabei ist insbesondere auf eine gute Zerspanbarkeit zu achten. Schließlich müssen die aus der Kupferlegierung hergestellten Bauteile auch für den Einsatzbereich erforderlichen mechanischen Beanspruchungen Stand halten. So wird regelmäßig bei Kupfer-Zinn-Zink-Legierungen eine Zugfestigkeit von mehr als 180 N/mm² bei einer 0,2%-Dehngrenze von 85 N/mm² für erforderlich erachtet. Bei Bronzen (Kupfer-Zinn-Legierungen) sollten die Zugfestigkeit bei 240 N/mm² und die 0,2%-Dehngrenze bei 130 N/mm² und mehr liegen.
Von besonderem Interesse ist ferner das Verhalten der Werkstoffe hinsichtlich der Abgabe von Ionen der Legierungskomponenten der Werkstoffe bzw. von Reaktionsprodukten mit Wasserinhaltsstoffen. Hier sind zum Schutz der Verbraucher sehr enge Grenzen hinsichtlich der erlaubten Abgabe von Metallionen aus den Bauteilen in das Trinkwasser einzuhalten.
Üblicherweise werden heutzutage hoch kupferhaltige Buntmetall-Legierungen, wie Bronze oder Rotguss zur Herstellung der medienführenden Bauteile von Gas- und Wasserleitungen eingesetzt. Im Hinblick auf eine gute maschinelle Bearbeitbarkeit werden diesen Buntmetall-Legierungen gewisse Mengen an Blei zugesetzt. Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und der Festigkeit ist die Zugabe von Nickel zu bevorzugen.
Übliche Vertreter von Bronze-Guss-Legierungen sind in DIN EN 1982 zusammengestellt. Beispielhaft soll hier die Rotguss-Legierung CuSn5Zn5Pb5 mit jeweils zwischen 4 bis 6 Gew.-% Zinn, Zink und Blei bei einem Gehalt von bis zu 2,0 Gew.-% Nickel und bis zu 0,1 Gew.-% Phosphor sowie als Beimengungen bis zu 03 Gew.-% Eisen und bis zu 0,25 Gew.-% Antimon genannt werden. Dieser Werkstoff zeichnet sich zwar durch eine gute Gießbarkeit sowie Korrosionsbeständigkeit auch gegenüber Meerwasser aus. Hinsichtlich der Abgabe von Metallionen in das Wasser muss dieser Werkstoff indes vor dem Hintergrund der künftig zu erwartenden Grenzwerte als nicht zufriedenstellend angesehen werden. Hier wird insbesondere der hohe Bleigehalt von CuSn5Zn5Pb5 bemängelt.
Mit der EP-1 045 041 ist bereits eine bleifreie Kupferlegierung vorgeschlagen worden, die eine zufriedenstellende Zerspanbarkeit aufweisen soll und welche bis zu 79 Gew.-% Kupfer, zwischen 2 und 4 Gew.-% Silicium und als Rest Zink aufweist. Diese Legierung bekommt speziell zur Herstellung von Armaturen, Fittings und dergleichen Teile für wasserführende Rohrleitungssysteme in Frage. Die Legierung verhält sich indes nicht Rotguss und kann folglich diesen nicht substituieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Kupferlegierung anzugeben, die den oben erwähnten Anforderungen bestmöglich gerecht wird und insbesondere eine geringere Abgabe von in der Legierung enthaltenen Metallionen an das Medium zeigt, welches in aus der Kupferlegierung gebildeten Bauteilen geführt wird und diese direkt benetzt. Dabei soll sich die Kupferlegierung besonders zur Herstellung von Gas- oder Wasserleitungen, speziell zur Herstellung von Trinkwasserleitungen und deren Teile (z.B. Fittings und Armaturen) eignen und aufgrund ihrer Eigenschaften die Eignung mit sich bringt, Rotguss zu ersetzen. Dabei soll die Legierung im Hinblick auf ihre Korrosionsbeständigkeit jedenfalls nicht schlechter als Rotguss sein. Hinsichtlich der Herstellbarkeit soll die Kupferlegierung sich wirtschaftlich und zuverlässig mittels Gießen verarbeiten lassen.
Zur Lösung des obigen Problems wird mit der vorliegenden Erfindung eine Kupferlegierung angegeben, die - in Gew.-% - nicht mehr als 10% Zink, nicht mehr als 13% Zinn, nicht mehr als 3% Mangan und wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Aluminium und Silicium mit einem Anteil von zwischen 0,01 und 5% enthält. Der maximale Gehalt an Nickel der erfindungsgemäßen Legierung wird mit 2,0%, vorzugsweise mit 0,6% bestimmt. Phosphor ist mit nicht mehr als 0,04% enthalten. Der obere Grenzwert für den Bleigehalt ist auf 3,0% festgelegt. Eisen ist mit nicht mehr als 0,5%, vorzugsweise nicht mehr als 0,3% enthalten. Der Anteil von Schwefel liegt bei nicht mehr als 0,04%. Der Gehalt an Antimon liegt bei nicht mehr als 0, 1 %. Der obere Grenzwert für den Arsengehalt ist mit 0,03% festgelegt. Als Rest enthält die Legierung Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen. Der Gehalt an Kupfer liegt jedoch bei mehr als 80 Gew.-%. Die erfindungsgemäße Legierung kann zur Verbesserung des Korrosionsschutzes ferner wenigstens ein Element der Seltenen Erden mit einem Anteil von bis zu 3 Gew.-% enthalten. Cerium (Ce) wird derzeit insofern als bevorzugtes Legierungselement angesehen.
Es hat sich herausgestellt, dass durch Zugabe von Silicium und/oder Aluminium innerhalb der beanspruchten Grenzen die Abgabe von Metallionen an das Medium deutlich vermindert werden kann. Darüber hinaus wird die Abgabe von Blei- und Nickelionen nicht zuletzt dadurch vermindert, dass für diese Elemente obere Grenzwerte festgelegt werden. Mit diesen Obergrenzen wird der Tatsache Rechnung getragen, dass beide Legierungselemente die insgesamt zu fordernden Eigenschaften einer hoch kupferhaltigen Buntmetall-Legierung begünstigen. Sofern die Zerspanbarkeit der kupferhaltigen Buntmetall-Legierung von Bedeutung ist, kann für Blei eine Untergrenze für den Legierungsbestandteil von etwa 0,5% von Vorteil sein. In gleicher Weise kann auch vorzugsweise ein gewisser Anteil von 0,5 Gew.-% und mehr an Nickel in der Buntmetall-Legierung enthalten sein. Aber insbesondere im Hinblick auf die Abgabe von Nickel in das geführte Medium ist der Nickel-Gehalt mit 2,0 Gew.-% nach oben begrenzt. Unter diesem Gesichtspunkt kann der in der Legierung enthaltene Anteil von Nickel und/oder Blei in der Legierung auf ein notwendiges Minimum reduziert werden. Es hat sich gezeigt, dass bei den aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Bauteilen unter praktischen Bedingungen korrosions- und spannungsinduzierte Risse, ggf. auch Entzinkung auf ein tolerables Maß reduziert sind. Die Legierung kann durch Gießen erfolgreich zu Bauteilen und Halbzeugen verarbeitet werden. Insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von Armaturen sind sämtliche Gussverfahren geeignet, wie beispielsweise der Sandguss, der Schleuderguss, der Niederdruckguss sowie der Kokillenguss. Der Sandguss kann dabei vorzugsweise unter Schutzgas durchgeführt werden.
Die Anteile von Arsen, Antimon, Eisen, Phosphor und Schwefel sind indes bei der erfindungsgemäßen Kupferlegierung als obere Grenzwerte zu verstehen und können bis auf Null abgesenkt werden, sofern dies unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten vertretbar ist.
Die ansonsten in der Legierung enthaltenen unvermeidbaren Verunreinigungen bewegen sich im Rahmen heute üblicher Verunreinigungsanteile unter Berücksichtigung der zunehmenden Verwendung von Schrott. Diese Anteile werden indes gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Gusslegierung dadurch weiter eingeschränkt, dass die Verunreinigungen insgesamt nicht mehr als 0,25 Gew.-% ausmachen sollen, wobei jedes einzelne, als Verunreinigung enthaltene und nicht ausdrücklich in Anspruch 1 spezifizierte Element mit nicht mehr als 0,02 Gew.-% vorhanden sein soll. Diese Beschränkung gilt insbesondere für eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Gusslegierung mit einem Mangananteil von nicht mehr als 0,2 Gew.-% und Aluminium in den Grenzen zwischen 0,01 Gew.-% und 5 Gew.-%, bei der Silicium allerhöchstens als Verunreinigung enthalten ist.
Wird indes gemäß einer alternativen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung statt Aluminium Silicium mit zwischen 0,01 und 5 Gew.-% eingesetzt, wobei in dieser alternativen Legierung Zinn mit bis zu 3,0 Gew.-% und Zink mit bis zu 5 Gew.-% enthalten sein kann, können die unvermeidbaren Verunreinigungen bis zu 1 Gew.-% der Legierung einnehmen. Bei dieser Alternative kann Aluminium allerhöchstens als Verunreinigung enthalten sein.
Weitere bevorzugte Weiterbildungen der ersten Alternative, bei der zur Verbesserung der Migrationsneigung allein Aluminium als Legierungselement zugegeben wird, sind in den Unteransprüchen 4 bis 18 angegeben. Bevorzugte Weiterbildungen zu der zweiten Alternative sind den Unteransprüchen 20 bis 22 zu entnehmen.
Die in den Unteransprüchen, insbesondere in den Unteransprüchen 3 bis 18 angegebenen Weiterbildungen geben jeweils Unterintervalle, insbesondere für den Gehalt an Kupfer, Zinn und Zink an, die aufgrund ihrer Kombination zu einer Legierung mit sehr guten Eigenschaften hinsichtlich Zerspanbarkeit, Migrationsneigung, Korrosionsbeständigkeit und Gießbarkeit führen.
Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße hoch kupferhaltige Legierung durch die spezielle kombinatorische Wirkung der enthaltenen Einzelelemente, insbesondere aufgrund des zugegebenen Anteils an Aluminium und/oder Silicium eine gute Korrosionsbeständigkeit, eine gute Zerspanbarkeit bei deutlich geringerer Abgabe von Ionen, insbesondere Blei- und Nickelionen, speziell an das Trinkwasser zeigt als heute gängige Rotguss- und Bronze-Legierungen.

Claims

Kupferlegierung umfassend, in Gew.-%:
Zn ≤ 10,0;

Sn ≤ 13,0;

Mn ≤ 3,0;
wenigstens einen von Al und Si mit einem Anteil von zwischen 0,01 und 5,0.

Ni ≤ 2,0;

P ≤ 0,04;

Pb ≤ 3,0;

Fe ≤ 0,5;

S ≤ 0,04;

Sb ≤ 0,1;

As ≤ 0,03;
wenigstens ein Element der Seltenen Erden ≤ 3,0;
und als Rest mehr als 80% Cu und unvermeidbare Verunreinigungen.
Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
Mn≤ 0,2 Gew.-%;
und dass die unvermeidbaren Verunreinigungen jeweils mit nicht mehr als 0,02 Gew.-% enthalten sind, jedoch insgesamt nicht mehr als 1,00 Gew.-%.
Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unvermeidbaren Verunreinigung insgesamt mit nicht mehr als 0,25 Gew.-%. enthalten sind.
Kupferlegierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 80 Gew.-% < Cu ≤ 90 Gew.-%.
Kupferlegierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Zn≤ 2,0 Gew.-%; und
9,0 Gew.-% ≤ Sn ≤ 13 Gew.-%;.
Kupferlegierung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 83 Gew.-% ≤ Cu ≤ 91 Gew.-%; Zn ≤ 0,5 Gew.-%. und Pb ≤ 1,0 Gew.-%.
Kupferlegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Zn ≤ 0,25 Gew.-%.
Kupferlegierung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 83,5 Gew.-% ≤ Cu ≤ 87 Gew.-%; und 10,5 Gew.-% ≤ Sn ≤ 12,5 Gew.-%.
Kupferlegierung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 84 ≤ Cu ≤ 88,5 Gew.-%; Pb ≤ 0,6 Gew.-%. und 11,0 Gew.-% ≤ Sn ≤ 13 Gew.-%.
Kupferlegierung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 84 Gew.-% ≤ Cu ≤ 87,5 Gew.-% und Pb ≤ 0,3 Gew.-%.
Kupferlegierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Zn:≤ 10,0 Gew.-%; und
2,0 Gew.-% ≤ Sn ≤ 8,0 Gew.-%.
Kupferlegierung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass 81 Gew.-% ≤ Cu ≤ 86 Gew.-%, 2,0 Gew.-% ≤ Sn ≤ 3,5 Gew.-%; 7,0 Gew.-% ≤ Zn: ≤ 10,0 Gew.-% und Mn als Verunreinigung enthalten ist.
Kupferlegierung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass 5,5 Gew.-% ≤ Sn ≤ 8,0 Gew.-%; 1,5 Gew.-% ≤ Zn: ≤ 5,0 Gew.-% und Mn als Verunreinigung enthalten ist.
Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass 85 Gew.-% ≤ Cu ≤ 89 Gew.-%; 6,0 Gew.-% ≤ Sn ≤ 8,0 Gew.-% und 1,5 Gew.-% ≤ Zn: ≤ 3,2 Gew.-%.
Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass 81 Gew.-% ≤ Cu ≤ 85 Gew.-%, 6,0 Gew.-% ≤ Sn ≤ 8,0 Gew.-%; und 2,0 Gew.-% ≤ Zn: ≤ 5,0 Gew.-%.
Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass 86 Gew.-% ≤ Cu ≤ 90 Gew.-%, 5,5 Gew.-% ≤ Sn ≤ 6,5 Gew.-%; und 3,0 Gew.-% ≤ Zn: ≤ 5,0 Gew.-%.
Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass 80 Gew.-% ≤ Cu ≤ 87 Gew.-%, 4,0 Gew.-% ≤ Sn ≤ 6,0 Gew.-%; und Zn: ≤ 2,0 Gew.-%.
Kupferlegierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Sn:≤ 3,0 Gew.-% und Zn: ≤ 5,0 Gew.-%.
Kupferlegierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 0,01 Gew.-% ≤ Al ≤ 5,0 Gew.-% und dass Si lediglich als Verunreinigung enthalten ist.
Kupferlegierung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Al ≤ 1,0 Gew.-%.
Kupferlegierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Legierungselemente lediglich wenigstens eines der folgenden enthalten ist: Sn, Zn, Mn.
Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass 0,01 ≤ Si ≤ 5,0 Gew.-% und dass Al lediglich als Verunreinigung enthalten ist.
Kupferlegierung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass Si ≤ 1,0 Gew.-%.
Kupferlegierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element der Seltenen Erden mit einem Anteil von ≤ 1,0 Gew.-% enthalten ist.
Kupferlegierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ni und/oder Pb mit einem Anteil von zwischen 0,05 und 0,2 Gew.-% enthalten sind.
Verwendung der Legierung nach einem der vorherigen Ansprüche zur Herstellung von Bauteilen für mediumführende Gas- bzw. Wasserleitungen, insbesondere Trinkwasserleitungen sowie Fittings und Armaturen derselben.