EP1817438B1 - Migrationsarme kupferlegierung - Google Patents

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EP1817438B1
EP1817438B1 EP06840971A EP06840971A EP1817438B1 EP 1817438 B1 EP1817438 B1 EP 1817438B1 EP 06840971 A EP06840971 A EP 06840971A EP 06840971 A EP06840971 A EP 06840971A EP 1817438 B1 EP1817438 B1 EP 1817438B1
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EP
European Patent Office
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weight
alloy
components
copper alloy
copper
Prior art date
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Revoked
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EP06840971A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1817438A1 (de
Inventor
Katrin Müller
Patrik Zeiter
Frank Leistritz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JRG Gunzenhauser AG
R NUSSBAUM AG METALLGIESSEREI und ARMATURENFABRIK
Viega GmbH and Co KG
Gebr Kemper GmbH and Co KG
Original Assignee
JRG Gunzenhauser AG
R NUSSBAUM AG METALLGIESSEREI und ARMATURENFABRIK
Viega GmbH and Co KG
Gebr Kemper GmbH and Co KG
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Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=36499302&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1817438(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by JRG Gunzenhauser AG, R NUSSBAUM AG METALLGIESSEREI und ARMATURENFABRIK, Viega GmbH and Co KG, Gebr Kemper GmbH and Co KG filed Critical JRG Gunzenhauser 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
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
    • 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
    • C22C9/10—Alloys based on copper with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to the use of a copper alloy.
  • the present invention relates to the use of a low-migration copper alloy for the production of components for gas and sanitary installation, especially for components that are used in drinking water installation and directly with the in the components, usually pipes, fittings and fittings, led drinking water get in touch.
  • the GB-1 443 090 discloses a dezincification-enhanced copper alloy having between 80 and 90 weight percent copper, between 6.3 and 17.5 weight percent zinc, and between 2.8 and 4.75 weight percent silicon as essential alloying ingredients between 0.03 and 0.05% by weight of arsenic.
  • 443,090 proposed a heat treatment of the cast parts. In this heat treatment, the cast parts are annealed at temperatures between 600 ° C and 750 ° C for a period of 5 to 10 days and then quenched. This heat treatment is carried out with the aim of obtaining the ⁇ and ⁇ phases to be preferred in view of the corrosion. By quenching in particular the formation of phases is to be avoided, the corrosion resistance is low, so the ⁇ - and ⁇ -phase.
  • a copper alloy containing up to 10% by weight of aluminum is known and up to 5 wt .-% iron and which is used for the production of water-bearing components of water installations.
  • this alloy shows inadequate corrosion behavior and, in particular, excessive migration of metal ions into the water.
  • the invention seeks to provide an advantageous use of a low-migration copper alloy, as well as components which correspond to this use.
  • the copper alloy used is particularly suitable for the production of media-carrying gas or water pipes and their parts and has a good corrosion resistance to the media, good strength and good machinability and castability. In terms of machinability, in particular, the chipping properties of the copper alloy are important.
  • a copper alloy with the features of claim 1 is proposed with this.
  • This copper alloy comprises between 2 and 4.5% by weight of silicon, between 1 and 15% by weight of zinc and between 0.05 and 2% by weight of manganese.
  • the copper alloy may contain between 0.05 and 0.5% by weight of aluminum and / or between 0.05 and 2% by weight of tin.
  • the remainder of the alloy contains copper and unavoidable impurities. These impurities are preferably limited to a content of 0.5% by weight. Most preferably, the upper limit for the impurities is 0.25%. This upper limit applies in particular to the cumulative nickel and lead content in the alloy, which has proven to be a particularly effective measure for suppressing the migration of lead or nickel.
  • the alloy is preferably free of lead and / or nickel.
  • a lead-free alloy an alloy is considered in which the content of lead is less than 0.25%.
  • the nickel-free alloy is considered to be an alloy in which the nickel content is less than 0.15%.
  • the alloy should contain between 0.01 and 0.05 wt% zircon.
  • the zirconium content should be between 0.01% and 0.03% by weight; more preferably, the upper limit is set at 0.02 wt%. This interval essentially applies all cast components except sand castings. Grain refining usually results only from 0.01% by weight; above 0.02% by weight, the risk of zirconium formation in the grain boundary region increases. Zircon improves the solidification morphology and reduces the formation of hot cracks, especially during chill casting. In particular, in castings, which are made by sand casting, however, can be dispensed with a deliberate addition of zirconium. In these components, the zirconium content may be below 0.01 wt%, preferably even below 5 ppm (0.0005%).
  • the preferred zirconia upper limit of 0.02% should be maintained to avoid zirconia formation in the grain boundary region of the microstructure leading to increased tool wear during machining of the alloyed water-pipe components.
  • phosphorus should be provided with certain proportions.
  • Phosphorus is preferably present at a level of from 0.01% to 0.2% by weight.
  • Phosphorus is controlled in particular with a view to improving the castability (flow and feeding behavior of the alloy) within the limits specified.
  • phosphorus reduces the dezincification of the alloy and improves the corrosion resistance.
  • the alloy shows a good casting behavior.
  • the components produced by casting can be easily machined. Tests on specimens have shown that the strength meets the requirements to be met.
  • the corrosion resistance of the alloy is high. It has been shown that by controlling the phosphorus content in the alloy, the scrap rate in the castings can be limited. Accordingly, the degree of impurity of phosphorus is preferably controlled in a range of 0.01 to 0.05% by weight.
  • the aluminum content of the copper alloy used is set with respect to the corrosion resistance thereof. At present, it is considered that good corrosion resistance can be obtained with an aluminum content of between 0.05 and 0.5% by weight. Without significant loss of quality, the upper limit of the aluminum content may be set to 0.4% by weight.
  • the components in question for media-carrying lines easily with the usual casting process, for example in sand, mold, spin or continuous casting can be produced.
  • the cooling conditions from the melt there are no special requirements.
  • the casting thus obtained can be processed well spanariad.
  • the casting is preferably annealed at between 400 ° C and 800 ° C for at least half an hour.
  • the heat treatment is carried out in a temperature interval of between 600 ° C and 700 ° C.
  • the glow time can be any length. In terms of economic constraints, however, this is set at between 2 and 16 hours. In this glow time, the Aufzeitphase is not included.
  • the annealing takes place in particular with the aim of adjusting the ⁇ -phase in the cast component, which, according to the present inventions, enables the combination of different properties to be achieved. It should be noted, however, that even the vast majority of the necessary alloying elements copper, zinc and silicon solidifies in a natural cooling from the melt without separate heat treatment in the form of ⁇ -mixed crystals.
  • the upper limit of the silicon content is set to 4.5 wt% not least in view of the machinability of the alloy.
  • the zinc content used in the copper alloy used is limited to 15% by weight.
  • a minimum content of 1% by weight of zinc guarantees a minimum of machinability.
  • Manganese is added to the alloy within the limits of 0.05 to 2% by weight in order to improve the microstructure. Manganese refines the microstructure and positively influences the solidification behavior of the copper alloy. However, the manganese content is limited to 2% by weight in consideration of the migration tendency of manganese.
  • Limiting the sum of the impurities to a maximum of 0.5% by weight limits the content of ingredients that may possibly migrate into the drinking water to a minimum that is also economically desirable. With a further limited upper limit of the unavoidable impurities of 0.25% by weight, a higher security against migration, but at the expense of manufacturing costs, can be achieved.
  • the alloy used contains between 5 and 15% by weight of zinc. In this limited interval, the best possible combination of corrosion resistance and machinability can be achieved.
  • the silicon content is set at between 2.8% by weight and 4% by weight.
  • the content is preferably set at 0.2 to 0.6 wt .-%.
  • the alloy preferably contains no nickel or lead at all for the same reasons.
  • the copper content in the alloy should be at least 80 and not more than 96.95% by weight.
  • Water pipes proposed. These include, in particular, such components Understand which drinking water pipes form, in particular fittings and fittings and parts thereof.
  • a compression connector made of the copper alloy according to the invention is preferably a compression connector made of the copper alloy according to the invention.
  • the compression connectors can either be designed as separate components or be provided with material or positive fit to the fitting or the fitting.
  • the press connectors can be realized as integral components in the casting of the fitting or the fitting of the copper alloy according to the invention.
  • the cast alloy used is particularly suitable for producing an element of a press connection arrangement, as for example from the EP 0 343 395 or the DE 10 2004 031 247 is known.
  • the Fig. 1 to 4 show the time course of the release of certain metal ions in a measurement arrangement according to DIN 50931-1 over a total period of 26 weeks.
  • the DIN specifies the examination arrangement and the examination conditions, with the help of which the corrosion likelihood of materials for metallic components of a drinking water installation can be determined in case of corrosive contamination of drinking water.
  • the measurement results with the exemplary embodiment of the related copper alloy according to the invention are marked with A.
  • the comparison measurement with the gunmetal alloy with B.
  • FIGS. 1 to 3 In addition to the aforementioned comparison contain the FIGS. 1 to 3 also a limit value according to the German Drinking Water Ordinance (TrinkwV) for the delivery of certain ions to water and the parameter value W (15) to be observed during migration experiments.
  • This parameter value W (15) must be adhered to if it is intended to avoid exceeding the value of the TrinkwV when using the tested component.
  • the parameter value W (15) results from the product of the limit value according to the TrinkwV and the ratio of the form factors A and B.
  • the form factor A results according to DIN 50931-1 from the ratio of the water-wetted surface of the material to the water-contacting surface of the entire test section.
  • the form factor B is a standardization factor in accordance with DIN 50930-6, which takes into account the type of components.
  • Fig. 1 clarifies that the lead release quantity of the gunmetal alloy from a very high value, greater than 50 ⁇ g / l, drops almost exponentially within the first four weeks of the test to a value which is just above the limit of the German PrincipalwV of 10 ⁇ g / l after 12 until 26 weeks of trial. At the beginning of the tests, this significant excess is attributed to the fact that lead, which had been introduced to the surface of the component to be tested, migrated into the drinking water as a result of the processing and production of the test part. After the first few weeks, the near-surface lead has migrated out of the sample and the amount of discharged lead remains approximately constant.
  • the embodiment of the invention A are on the drinking water as good as no lead. Even an increased value at the beginning of the experiments can not be seen. Since the measured values are at the limit of the resolution of the measurement analysis, the fluctuations in the measured values are attributed to the measuring accuracy of the measuring apparatus. Essentially, the measured value for the lead release for the sample used remains well below the limit value of the drinking water consumption of 10 ⁇ g / l.
  • the comparison sample from the gunmetal alloy shows a typical course in which the conventional alloy after nine weeks exceeds the limit according to the German TrinkwV, after a maximum in about the 18th Week slowly back to the limit value of the TrinkwV.
  • the increase in the nickel concentration in drinking water can not be explained exactly by the gunmetal alloy B so far. The increase is reproducible.
  • the limit issued by the TrinkwV is not met.
  • the copper alloy used A no significant nickel ions from the drinking water.
  • the measured values of about 2 ⁇ g / l are in the range of the resolution of the analysis related to the measuring instruments.
  • Fig. 4 the amount of zinc released by the alloy into the drinking water.
  • no limit is set according to the TrinkwV.
  • the course for the zinc release in the copper alloy A used differs considerably from the corresponding course for the comparative alloy B.
  • the migration of the embodiment A of the alloy used of zinc is below 100 ⁇ g / l at all times.
  • the conventional alloy B exceeds this value many times.
  • the in the Fig. 1 to 4 The diagrams shown illustrate the advantages of the copper alloy used, in particular the influence of silicon to suppress unwanted metal ion migration into the drinking water.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupferlegierung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer migrationsarme 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.
  • Neben anderen Legierungen werden heutzutage auch 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 0,3 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 die hohe Bleiabgabe 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 kommt speziell zur Herstellung von Armaturen, Fittings und dergleichen Teile für wasserführende Rohrleitungssysteme in Frage. Die Legierung verhält sich indes insbesondere im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit nicht wie Rotguss und kann folglich diesen nicht substituieren.
  • Die GB-1 443 090 offenbart eine im Hinblick auf Entzinkung verbesserte Kupferlegierung mit zwischen 80 und 90 Gew.-% Kupfer, zwischen 6,3 und 17,5 Gew.-% Zink und zwischen 2,8 und 4,75 Gew.-% Silicium als wesentliche Legierungsbestandteile mit zwischen 0,03 und 0,05 Gew.-% Arsen. Zur Verbesserung der Korrosionseigenschaften wird nach dem Lösungsvorschlag der GB-1, 443 090 eine Wärmebehandlung der gegossenen Teile vorgeschlagen. Bei dieser Wärmebehandlung werden die gegossenen Teile bei Temperaturen zwischen 600°C und 750°C über die Dauer von 5 bis 10 Tagen geglüht und nachfolgend abgeschreckt. Diese Wärmebehandlung wird mit dem Ziel durchgeführt, die im Hinblick auf die Korrosion zu bevorzugende α- und ξ-Phase zu erhalten. Durch das Abschrecken soll insbesondere die Ausbildung von Phasen vermieden werden, deren Korrosionswiderstand gering ist, so der µ- und χ-Phase.
  • Aus der GB-1 385 411 ist eine Kupferlegierung bekannt, die bis zu 10 Gew.-% Aluminium und bis zu 5 Gew.-% Eisen hat und die zur Herstellung von wasserführenden Bauteilen von Wasserinstallationen zum Einsatz kommt. Diese Legierung zeigt indes ein unzureichendes Korrosionsverhalten und insbesondere eine zu hohe Migration von Metallionen in das Wasser.
  • Die Erfindung will eine vorteilhafte Verwendung einer migrationsarmen Kupferlegierung, angeben, sowie Bauteile, die dieser Verwendung entsprechen. Die verwendete Kupferlegierung eignet sich insbesondere zur Herstellung von medienführenden Gas- bzw. Wasserleitungen und deren Teile und hat eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber den Medien, eine gute Festigkeit und eine gute Bearbeitbarkeit und Gießbarkeit. Bei der Bearbeitbarkeit kommt es insbesondere auf die Zerspanungseigenschaften der Kupferlegierung an.
  • Im Hinblick auf den stoffbezogenen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird mit dieser eine Kupferlegierung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Diese Kupferlegierung umfasst zwischen 2 und 4,5 Gew.-% Silicium, zwischen 1 und 15 Gew.-% Zink und zwischen 0,05 und 2 Gew.-% Mangan. Neben diesen notwendigen Elementen kann die Kupferlegierung zwischen 0,05 und 0,5 Gew.-% Aluminium und/oder zwischen 0,05 und 2 Gew.-% Zinn enthalten. Als Rest sind in der Legierung Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen enthalten. Diese Verunreinigungen sind vorzugsweise auf einen Anteil von 0,5 Gew.-% beschränkt. Besonders bevorzugt liegt die Obergrenze für die Verunreinigungen bei 0,25 %. Diese Obergrenze gilt insbesondere für den kumulativen Anteil an Nickel und Blei in der Legierung, was sich als besonders wirksame Maßnahme zur Unterdrückung der Migration von Blei bzw. Nickel erwiesen hat. Im Hinblick darauf ist die Legierung vorzugsweise frei von Blei- und/oder Nickel. Als bleifreie Legierung wird eine Legierung angesehen, bei welcher der Anteil an Blei weniger als 0,25 % beträgt. Als nickelfreie Legierung wird eine Legierung angesehen, bei welcher der Anteil an Nickel weniger als 0,15 % beträgt.
  • Die Legierung sollte zwischen 0,01 und 0,05 Gew.-% Zirkon enthalten. Vorzugsweise sollte der Zirkon-Anteil bei zwischen 0,01 Gew.-% und 0,03 Gew.-% liegen; besonders bevorzugt wird die Obergrenze mit 0,02 Gew.-% festgelegt. Dieses Intervall gilt für im wesentlichen alle Gussbauteile außer Sandgussteile. Eine Kornfeinung ergibt sich üblicherweise erst ab 0,01 Gew.-%; oberhalb von 0,02 Gew.-% erhöht sich die Gefahr einer Zirkonbildung in Korngrenzbereich. Zirkon verbessert die Erstarrungsmorphologie und vermindert die Ausbildung von Warmrissen vor allem beim Kokillenguss. Insbesondere bei Gussteilen, die mittels Sandguss hergestellt sind, kann auf eine bewusste Zugabe von Zirkon allerdings verzichtet werden. Bei diesen Bauteilen kann der Zirkon-Anteil unterhalb von 0,01 Gew.-%, vorzugsweise sogar bei unterhalb von 5ppm (0,0005%) liegen.
  • Die bevorzugt angegebene Obergrenze für Zirkon von 0,02% sollte eingehalten werden, um eine Zirkonbildung im Korngrenzenbereich des Gefüges zu vermeiden, die bei der spanenden Bearbeitung der aus der Legierung gegossenen Bauteilen für wasserführende Leitungen zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß führt.
  • Optional sollte auch Phosphor mit gewissen Anteilen vorgesehen sein. Phosphor liegt vorzugsweise mit einem Anteil von 0,01 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% vor. Phosphor wird insbesondere im Hinblick auf eine Verbesserung der Gießbarkeit (Fluss- und Speisungsverhalten der Legierung) in genannten Grenzen kontrolliert. Des weiteren vermindert Phosphor die Entzinkung der Legierung und verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Allerdings hat sich gezeigt, dass bei einem Phosphorgehalt von mehr als 0,2 Gew.-% die Legierung zunehmend härter wird, was zu Problemen bei der spanenden Bearbeitung gegossener Bauteile führt.
  • Es hat sich gezeigt, dass mit einer solchen Kupferlegierung bestmöglich den an Bauteile für medienführende Gas- bzw. Wasserleitungen zu stellenden Anforderungen entsprochen werden kann. So zeigt die Legierung ein gutes Gießverhalten. Die durch Gießen hergestellten Bauteile lassen sich gut spanend bearbeiten. Versuche an Probestücken haben gezeigt, dass die Festigkeit den zu stellenden Anforderungen entspricht. Darüber hinaus ist die Korrosionsbeständigkeit der Legierung hoch. Es hat sich gezeigt, dass durch Kontrolle des Phosphorgehaltes in der Legierung die Ausschussquote bei den Gussteilen begrenzt werden kann. Dementsprechend wird der Verunreinigungsgrad für Phosphor vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 bis 0,05 Gew.-% kontrolliert.
  • Der Aluminium-Gehalt der verwendeten Kupferlegierung wird mit Rücksicht auf die Korrosionsbeständigkeit desselben festgelegt. Derzeit wird davon ausgegangen, dass bei einem Aluminium-Gehalt von zwischen 0,05 und 0,5 Gew.-% eine gute Korrosionsbeständigkeit erreicht werden kann. Ohne erhebliche Qualitätseinbußen kann der obere Grenzwert für den Aluminium-Gehalt auf 0.4 Gew.-% festgelegt sein.
  • In praktischen Versuchen konnte bestätigt werden, dass die in Rede stehenden Bauteile für medienführende Leitungen ohne Weiteres mit den üblichen Gussverfahren, beispielsweise im Sand-, Kokillen-, Schleuder- oder Stranggussverfahren, hergestellt werden können. Hinsichtlich der Abkühlbedingungen aus der Schmelze gelten keine besonderen Anforderungen. Das so gewonnene Gussteil kann gut spanhebend bearbeitet werden. Zur Verminderung der Migrationsneigung des Gussteils kann dieses vorzugsweise vor einer spanhebenden Bearbeitung einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dabei wird das Gussteil vorzugsweise bei zwischen 400°C und 800°C für mindestens eine halbe Stunde geglüht. Vorzugsweise erfolgt die Wärmebehandlung in einem Temperaturintervall von zwischen 600°C und 700°C. Die Glühzeit kann beliebig lang sein. Im Hinblick auf wirtschaftliche Randbedingungen wird diese indes mit zwischen 2 und 16 Stunden festgelegt. In diese Glühzeit ist die Aufzeitphase nicht einbezogen.
  • Das Glühen erfolgt insbesondere mit dem Ziel, in dem gegossenen Bauteil die α-Phase einzustellen, die nach der derzeitigen Vorstellen der Erfinder die zu erzielende Kombination unterschiedlicher Eigenschaften ermöglicht. Es sei aber darauf hingewiesen, dass bereits der überwiegende Teil der notwendigen Legierungselemente Kupfer, Zink und Silicium bei einer natürlichen Abkühlung aus der Schmelze ohne gesonderte Wärmebehandlung in Form von α-Mischkristallen erstarrt.
  • Eine Zugabe von Silicium innerhalb des angegebenen Intervalls begünstig ferner den Spanbruch bei der Bearbeitung. Mit zunehmendem Silicium-Gehalt erhöht sich jedoch auch der Werkzeugverschleiß bei der spanabhebenden Bearbeitung von aus der Legierung hergestellten Bauteilen. Dementsprechend wird die Obergrenze für den Silicium-Gehalt nicht zuletzt auch im Hinblick auf die mechanische Bearbeitbarkeit der Legierung auf 4,5 Gew.-% festgelegt.
  • Im Hinblick auf die geforderte Korrosionsbeständigkeit ist bei der verwendeten Kupferlegierung der Zinkgehalt auf 15 Gew.-% beschränkt. Ein Mindestgehalt von 1 Gew.-% Zink garantiert hingegen ein Mindestmaß an Zerspanbarkeit.
  • Mangan wird der Legierung in den Grenzen von 0,05 bis 2 Gew.-% zugegeben, um die Gefügestruktur zu verbessern. Mangan verfeinert das Gefüge und beeinflusst das Erstarrungsverhalten der Kupferlegierung positiv. Der Mangangehalt ist allerdings mit Rücksicht auf die Migrationsneigung von Mangan auf 2 Gew.-% beschränkt.
  • Mit einer Beschränkung der Summe der Verunreinigungen auf maximal 0,5 Gew.-% wird der Gehalt an Inhaltsstoffen, die möglicherweise in das Trinkwasser migrieren können, auf ein auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten gewähltes Minimum beschränkt. Mit einem weiter eingeschränkten oberen Grenzwert für die unvermeidbaren Verunreinigungen von 0,25 Gew.-% kann eine höhere Sicherheit gegen Migration, jedoch zu Lasten der Herstellungskosten erreicht werden.
  • Vorzugsweise enthält die verwendeten Legierung zwischen 5 und 15 Gew.-% Zink. In diesem eingeschränkten Intervall kann eine bestmögliche Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und Zerspanbarkeit erzielt werden.
  • Zur Optimierung der Festigkeit bei ausreichenden Dehnungseigenschaften des Materials in Kombination mit guten Migrationswerten wird der Siliciumgehalt auf zwischen 2,8 Gew.-% und 4 Gew.-% festgelegt.
  • Zur weiteren Verminderung der Migrationsneigung von Mangan wird dessen Gehalt vorzugsweise auf 0,2 bis 0,6 Gew.-% festgelegt. Die Legierung enthält aus gleichen Gründen vorzugsweise überhaupt kein Nickel bzw. Blei. Der Kupfergehalt in der Legierung soll mindestens 80 und maximal 96,95 Gew.-% betragen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung der Kupferlegierung zur Herstellung von Bauteilen für medienführende Gas-bzw. Wasserleitungen vorgeschlagen. Hierunter sind insbesondere solche Bauteile zu verstehen, welche Trinkwasserleitungen bilden, wie insbesondere Fittings und Armaturen sowie Teile hiervon. Nicht zuletzt aufgrund der guten Spannungs-DehnungsEigenschaften der verwendeten Kupferlegierung soll vorzugsweise ein Pressverbinder aus der erfindungsgemäßen Kupferlegierung hergestellt werden. Die Pressverbinder können entweder als separate Bauteile ausgebildet sein oder stoff- oder formschlüssig an dem Fitting bzw. der Armatur vorgesehen sein. Auch können die Pressverbinder als integrale Bestandteile beim Gießen der Armatur bzw. des Fittings aus der erfindungsgemäßen Kupferlegierung verwirklicht werden. Die verwendete Gusslegierung eignet sich insbesondere zur Herstellung eines Elementes einer Pressverbindungsanordnung, wie sie beispielsweise aus der EP 0 343 395 oder der DE 10 2004 031 247 bekannt ist.
  • Die vorliegende Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung verdeutlicht werden. Die Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1
    ein Schaubild mit einem Vergleich der Bleimigration eines Ausführungsbeispiels der verwendeten Kupferlegierung gegenüber einer konventionellen Rotguss-Legierung;
    Fig. 2
    ein Schaubild mit einem Vergleich der Nickelmigration eines Ausführungsbeispiels der verwendeten Kupferlegierung gegenüber einer konventionellen Rotguss-Legierung;
    Fig. 3
    ein Schaubild mit einem Vergleich der Kupfermigration eines Ausführungsbeispiels der verwendeten Kupferlegierung gegenüber einer konventionellen Rotguss-Legierung; und
    Fig. 4
    ein Schaubild mit einem Vergleich der Zinkmigration eines Ausführungsbeispiels der verwendeten Kupferlegierung gegenüber einer konventionellen Rotguss-Legierung.
  • Die Fig. 1 bis 4 zeigen den zeitlichen Verlauf der Abgabe von bestimmten Metallionen bei einer Messanordnung gemäß DIN 50931-1 über eine Zeit von insgesamt 26 Wochen. Die DIN legt dabei die Prüfungsanordnung und die Prüfungsbedingungen fest, mit deren Hilfe die Korrosionswahrscheinlichkeit von Werkstoffen für metallische Komponenten einer Trinkwasserinstallation bei Korrosionsbelastung bei Trinkwasser ermittelt werden kann.
  • Dargestellt ist jeweils der zeitliche Verlauf bei Verwendung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen verwandten Kupferlegierung mit folgender Zusammensetzung:
    • Si: 3,5 Gew.-%;
    • Zn: 1,6 Gew.-%;
    • Mn: 0,5 Gew.-%;
    • unvermeidbare Verunreinigungen in Summe: max. 0,5 Gew.-%;
    • und als Rest Kupfer.
  • Die Ergebnisse werden in den jeweiligen Darstellungen der Fig. 1 bis 4 mit denjenigen Messwerten verglichen, die bei einer konventionellen Rotguss-Legierung bei gleichen Versuchsbedingungen erzielt werden können. Die Rotguss-Legierung hat folgende Zusammensetzung:
    • Zn: 5,5 Gew.-%;
    • Sn: 4,5 Gew.-%;
    • Pb: 3,0 Gew.-%;
    • Ni: 0,5 Gew.-%;
    • Rest: Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Die Messergebnisse mit dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen verwandten Kupferlegierung sind mit A gekennzeichnet. Die Vergleichsmessung mit der Rotguss-Legierung mit B.
  • Neben dem vorerwähnten Vergleich enthalten die Figuren 1 bis 3 auch einen Grenzwert gemäß der deutschen Trinkwasserverordnung (TrinkwV) für die Abgabe bestimmter Ionen an Wasser und den bei Migrationsversuchen einzuhaltenden Parameterwert W(15). Dieser Parameterwert W(15) muss eingehalten werden, wenn eine Überschreitung des Wertes der TrinkwV bei der Verwendung des geprüften Bauteils vermieden werden soll. Der Parameterwert W(15) ergibt sich aus dem Produkt des Grenzwertes nach der TrinkwV und dem Verhältnis der Formfaktoren A und B. Der Formfaktor A ergibt sich nach DIN 50931-1 aus dem Verhältnis der wasserberührten Oberfläche des Werkstoffs zur wasserberührten Oberfläche der gesamten Versuchsstrecke. Der Formfaktor B ist ein Normierungsfaktor gemäß DIN 50930-6, welcher die Art der Bauteile berücksichtigt.
  • Fig. 1 verdeutlicht, dass die Bleiabgabemenge der Rotguss-Legierung von einem sehr hohen Wert, größer als 50 µg/l, innerhalb der ersten vier Versuchswochen nahezu exponentiell auf einen Wert abfällt, welcher sich knapp oberhalb des Grenzwertes der deutschen TrinkwV von 10 µg/l nach 12 bis 26 Versuchswochen einstellt. Man führt diese deutliche Überschreitung zu Beginn der Versuche darauf zurück, dass durch die Bearbeitung und Herstellung des Versuchsteils an die Oberfläche des zu prüfenden Bauteils gelangtes Blei in das Trinkwasser migriert. Nach den ersten Wochen ist das oberflächennahe Blei aus dem Probenkörper migriert und die Menge des abgegebenen Bleis bleibt in etwa konstant.
  • Das Ausführungsbeispiel nach der Erfindung A gibt dagegen an das Trinkwasser so gut wie kein Blei ab. Auch ein erhöhter Wert zu Beginn der Versuche ist nicht zu erkennen. Da die gemessenen Werte an der Grenze der Auflösung der Messanalytik liegt, werden die Schwankungen der Messwerte auf die Messgenauigkeit der Messapparatur zurückgeführt. Im Wesentlichen bleibt der Messwert für die Bleiabgabe bei der verwendeten Probe deutlich unterhalb des Grenzwertes der TrinkwV von 10 µg/l.
  • Entsprechendes gilt für die Fig. 2 dargestellte Nickelabgabe der verglichenen Proben. Die Vergleichsprobe aus der Rotguss-Legierung zeigt einen typischen Verlauf, bei dem die konventionelle Legierung nach neun Wochen den Grenzwert nach der deutschen TrinkwV überschreitet, um nach einem Maximum in etwa in der 18. Woche langsam wieder in Richtung des Grenzwertes der TrinkwV zu fallen. Zwar kann das Ansteigen der Nickelkonzentration im Trinkwasser durch die Rotguss-Legierung B bisher nicht genau erklärt werden. Der Anstieg ist aber reproduzierbar. Der durch die TrinkwV ausgegebene Grenzwert wird nicht eingehalten.
  • Im Vergleich dazu gibt die verwendeten Kupferlegierung A keine nennenswerte Nickel-lonen an das Trinkwasser ab. Auch hier liegen die gemessenen Werte von etwa 2 µg/l im Bereich der Auflösung der bei den Messgeräten verwandten Analytik.
  • Bei der Kupferabgabe (Fig. 3) zeigen die beiden verglichenen Legierungen im Wesentlichen den gleichen Verlauf. Die verwendete Legierung A nimmt aber jeweils innerhalb der zeitlich aussagekräftigen Versuchsergebnisse geringere Werte für die Kupferabgabe in µg/l ein. Das Maximum für beide Legierungen liegt bei dem Messwert nach 18 Versuchswochen. Danach fällt die Kupferabgabe für beide Legierungen ab. Die besseren Migrationswerte für das Element Kupfer gegenüber konventionellem Rotguss belegen die verbesserte Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Legierung und waren zunächst nicht zu erwarten, da die verwendete Legierung einen höheren KupferAnteil als konventioneller Rotguss hat. Es zeigte sich jedoch, dass gerade dieser hoher Kupferanteil von 80 % und höher die wesentliche Ursache für das verbesserte Migrationsverhalten darstellt. Beide Legierungen halten im Übrigen selbst in ihrem Maximum einen hinreichenden Abstand zu dem W (15-Wert) ein. Unter Berücksichtigung des Versuchsaufbaus ergibt sich damit eine Einhaltung der Grenzwerte nach TrinkwV. Im Vergleich fällt allerdings auf, dass die verwendete Legierung A sich gegenüber der konventionellen Legierung B mit einem Differenzbetrag von etwa 500 µg/l, entsprechend 20 bis 25 % günstiger, verhält.
  • Schließlich zeigt Fig. 4 die durch die Legierung an das Trinkwasser abgegebene Menge an Zink. Für Zink ist nach der TrinkwV kein Grenzwert festgelegt. Der Verlauf für die Zinkabgabe bei der verwendeten Kupferlegierung A unterscheidet sich erheblich von dem entsprechenden Verlauf für die Vergleichslegierung B. Die Migration des Ausführungsbeispiels A der verwendeten Legierung von Zink liegt zu jeder Zeit bei unter 100 µg/l. Die konventionelle Legierung B übersteigt diesen Wert um das Vielfache.
  • Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Diagramme verdeutlichen die Vorteile der verwendeten Kupferlegierung, insbesondere den Einfluss des Siliciums zur Unterdrückung von unerwünschter Metallionenmigration in das Trinkwasser.

Claims (17)

  1. Verwendung einer Kupferlegierung zur Herstellung von Bauteilen für mediumführende Gas- bzw. Wasserleitungen, insbesondere Trinkwasserleitungen sowie Fittings und Armaturen derselben, wobei die Kupferlegierung umfasst, in Gew.-%:
    2,8 ≤ Si ≤ 4,5;
    1 ≤ Zn ≤ 15;
    0,05 ≤ Mn ≤ 2;
    80 ≤ Cu ≤ 96,95
    optional ferner umfassend;
    0,05 ≤ Al ≤ 0,5;
    0,05 ≤ Sn ≤ 2;
    0,0005 ≤ Zr ≤ 0,05
    0,01 ≤ P ≤ 0,2
    und unvermeidbare Verunreinigungen.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung zur Herstellung von Pressverbinder verwendet wird.
  3. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Armaturen mit festem Pressanschluss verwendet wird.
  4. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 5 Gew.-% ≤ Zu ≤ 15 Gew.-%.
  5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass 0,2 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,6 Gew.-%.
  6. Verwendung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die unvermeidbaren Verunreinigungen insgesamt mit nicht mehr als 0,5 Gew.-% enthalten sind.
  7. Verwendung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die unvermeidbaren Verunreinigungen insgesamt mit nicht mehr als 0,25 Gew.-% enthalten sind.
  8. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass Ni und/oder Pb als unvermeidbare Verunreinigungen mit insgesamt nicht mehr als 0,25 Gew.-% enthalten sind.
  9. Bauteile für medienführende Gas- bzw. Wasserleitungen, insbesondere Trinkwasserleitungen sowie Fittings und Armaturen derselben, zumindest teilweise bestehend aus einer Kupferlegierung, die umfasst in Gew.-%:
    2,8 ≤ Si ≤ 4,5;
    1 ≤ Zn ≤ 15;
    0,05 ≤ Mn ≤ 2;
    80 ≤ Cu ≤ 96,95
    optional ferner umfassend;
    0.05 ≤ Al ≤ 0,5;
    0,05 ≤ Sn ≤ 2;
    0,0005 ≤ Zr ≤ 0,05
    0,01 ≤ P ≤ 0,2
    und unvermeidbare Verunreinigungen.
  10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente Cu, Zn und Si zu mehr als 98 Gew.-% in Form eines α-Mischkristalls vorliegen.
  11. Bauteile nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile Pressverbinder sind.
  12. Bauteile nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile Armaturen mit festem Pressanschluss sind.
  13. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass 5 Gew.-% < Zn < 15 Gew.-%.
  14. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, 0,2 Gew.-% < Mn < 0,6 Gew.-%
  15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die unvermeidbaren Verunreinigungen insgesamt mit nicht mehr als 0,5 Gew.-% enthalten sind.
  16. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die unvermeidbaren Verunreinigungen insgesamt mit nicht mehr als 0,25 Gew.-% enthalten sind.
  17. Bauteil nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass Ni und/oder Pb als unvermeidbare Verunreinigungen mit insgesamt nicht mehr als 0,25 Gew.-% enthalten sind.
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