EP3581667B1 - Formteile aus einer korrosionsbeständigen und zerspanbaren kupferlegierung - Google Patents

Formteile aus einer korrosionsbeständigen und zerspanbaren kupferlegierung Download PDF

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EP3581667B1
EP3581667B1 EP19179717.4A EP19179717A EP3581667B1 EP 3581667 B1 EP3581667 B1 EP 3581667B1 EP 19179717 A EP19179717 A EP 19179717A EP 3581667 B1 EP3581667 B1 EP 3581667B1
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EP
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alloy
weight
hot forming
copper
less
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EP3581667A2 (de
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Andreas Hansen
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Gebr Kemper GmbH and Co KG
Original Assignee
Gebr Kemper GmbH and Co KG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
    • B21D22/022—Stamping using rigid devices or tools by heating the blank or stamping associated with heat treatment
    • 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
    • C22C9/02—Alloys based on copper with tin as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to the use of a copper alloy for the production of molded parts and a method for the production of molded parts.
  • Water is a valuable raw material and indispensable for daily use.
  • the drinking water must therefore be microbiologically constituted when it is taken from the supply system in such a way that subsequent consumption does not lead to any illness in humans.
  • high demands are placed on materials that come into direct contact with drinking water.
  • Copper is the noblest commodity and is considered an indispensable material for water-bearing systems in industry and technology. Because copper has bacteriostatic properties and also offers excellent corrosion resistance. Copper also shows positive properties in terms of shape. Copper casting alloys are easy to cast, and the material is particularly valued for plasto-mechanical shaping due to its high strength and toughness.
  • Gunmetal is one of the cast copper alloys and is characterized by the combination of good castability with optimal machinability and high strength. Due to its good corrosion resistance, gunmetal is particularly suitable for water-bearing systems such as fittings and sanitary technology. Common gunmetal alloys contain tin to increase strength and corrosion resistance. Zinc is added as an inexpensive substitute for copper. In order to be able to process the products made of gunmetal economically at all, the heavy metal lead is added, which acts as a chip breaker in the alloy and enables machining on CNC machines and conventional lathes.
  • the ideal gunmetal would be free of lead and other questionable substances, with the same or better economy in production and without impairing the corrosion resistance, the high mechanical strength and the good workability.
  • the EP 2290114 A1 describes a lead-free gunmetal alloy containing 4 to 6% by weight tin, 4 to 6% by weight zinc and less than 0.25% by weight lead. With this alloy, lead-free components can be manufactured using casting processes. Subsequent mechanical processing to create the functional surfaces of these components is not taken into account. Without lead, the specified composition shows a homogeneous ⁇ -MK structure, which tends to form long chips and cannot be machined economically. Due to the process, the assumed casting process also requires more material to produce the molded part than alternative forming processes.
  • the US 2012/0082588 A1 , the EP 2 241 643 A1 , the EP 3 225 707 A1 and the US 9,181,606 B2 disclose copper alloys.
  • a method is described for preconditioning a gunmetal alloy with 2 to 8% by weight tin, 2.5 to 13% by weight zinc and less than 0.25% by weight lead, which is suitable for hot pressing and at the end of the hot pressing process shows a homogeneous structure.
  • Hot forming enables the economical production of molded parts with little use of material. Although the process sequence up to the shaping of the blank is explained, the subsequent machining process required to carve out the functional surfaces of the components is not taken into account here either. Due to the chemical composition and the subsequent hot forming, a homogeneous structure is formed and here too, due to the lack of a chip breaker, long chips can be expected during machining, which makes economical processing of the components more difficult.
  • the EP 1 801 250 A1 describes low-migration components made from a copper alloy that has a relatively high proportion of Si, in addition to lower but significant proportions of Mn, Al and Zr. Similar copper alloys are also in the WO 2007/068470 A1 disclosed.
  • the JP 2013-199699 A discloses a copper alloy containing 0.5 to 11.0% by mass of Sn, 0.03 to 0.70% by mass of P and 0.02 to 1.0% by mass of S, the balance being Cu and unavoidable impurities .
  • a sulfide is dispersed in the copper alloy, the mean diameter of the sulfide being 0.1 to 10 ⁇ m and the area ratio of the sulfide being 0.1 to 10%.
  • the present invention makes it possible to produce molded parts with high mechanical strength, high dimensional accuracy and high corrosion resistance from a gunmetal alloy, which has a chip breaker in its structure, via hot forming with little use of material, which can then also be economically machined after the hot pressing process can be subjected to.
  • the hot-workable gunmetal alloy does not require any elements such as Al, Si, Pb, Sb, Te, Se, C and Bi in the structure to form a chip breaker and is therefore easily reusable.
  • the present invention therefore provides the use of a copper alloy which is particularly suitable for the production of molded parts from at least one hot forming process with subsequent machining, which has the following composition in % by weight: Sn: 2 to 4 % Zn: 0.1 to less than 1.5% S: 0.05 to 0.45% pb: less than 0.25% Ni: less than 0.6% Sb: less than 0.2%, optionally further containing phosphorus up to a maximum of 0.06% by weight, B up to a maximum of 0.03% by weight, Zr up to a maximum of 0.03% by weight and unavoidable impurities, and the remainder being Cu.
  • the alloy used according to the invention contains in particular no elements from the group Al, Si, Sb, Te, Se, C and Bi and in preferred embodiments also no Pb.
  • the copper content in the alloy is preferably 88% by weight or more, more preferably 90% by weight or more.
  • the molded parts obtained in this way can also be further processed in an economical manner, since in particular the undesirable formation of long chips does not occur. It is thus evident that, despite the processes taking place during hot forming, chip-breaking components are still present in the microstructure of the alloy, although the alloy used according to the invention does not have typical chip-breaking components such as Pb or Si.
  • the present invention provides the use of a copper alloy that has an excellent balance of desired properties. Molded parts can therefore be produced from this alloy, in particular by hot forming, possibly combined with further processing steps as described here, without fearing that the other desired properties of the copper alloy and its suitability for use in hot forming will be compromised.
  • the alloy used according to the invention can therefore be used advantageously for the production of molded parts, with these production processes including hot forming, possibly combined with other processing processes, for example subsequent machining.
  • these production processes including hot forming, possibly combined with other processing processes, for example subsequent machining.
  • the individual alloying components alone but also in their interaction, enable good and reproducible control of the alloy properties.
  • Tin acts as a solid solution strengthener in the alloy and thus increases the tensile strength, yield point and hardness, but reduces the elongation at break. Furthermore, tin increases the corrosion resistance, with the corrosion resistance increasing with increasing tin contents.
  • tin causes strong segregations in the structure, which lead to the formation of zone crystals during solidification. At the beginning of the solidification, copper crystals with a lower tin content are precipitated and the residual melt is enriched with a tin content that is above the average content of the alloy.
  • Sulfur is almost insoluble in solid copper and the original properties of the material, such as corrosion resistance, are not affected by the addition of sulphur. Due to its insolubility in solid copper, sulfur leads to a constitution behavior that influences the solidification process of copper-tin alloys in a similar way to lead. Unlike lead, however, sulfur is not present in the structure as an element at the end of solidification, but in the form of an intermetallic metal-sulphur compound that is evenly distributed in the structure. It could be recognized that this phase is incoherent and brittle in the microstructure and thus creates a chip-breaking mechanism.
  • the properties of the sulfides influence the mechanical, plastic behavior of the gunmetal material.
  • the influence is determined via the proportions of the sulfide phases in the material. From a sulfur content of more than 0.6% by weight, the stress-transmitting ⁇ -Cu matrix is so severely impaired by the sulfides that a hot pressing process is made very difficult.
  • the sulfur content of 0.05% by weight to 0.45% by weight, particularly preferably 0.1% by weight to 0.45% by weight, ensures that there are sufficient sulfide inclusions in the structure for a chip-breaking To generate mechanism and to ensure a hot forming process.
  • Zinc is added to the alloy as an economical substitute for copper. It was recognized that there is a close connection between the zinc content and the sulfur content via the point in time and the type of distribution of the sulfide formation. The higher the zinc content, the earlier the sulfide inclusions form in the structure during the solidification of the casting. If the zinc content is more than 5% by weight, the sulphide formation is shifted to temperatures in the range of the solidification temperature of the gunmetal alloy. In this temperature range, there are still high levels of molten material in the cast structure, which are connected to one another in places.
  • a high zinc content then leads to an early formation of sulfides. These sulphides are inhomogeneous and concentrated in places in the structure and thus make the hot pressing process more difficult due to a local weakening of the ⁇ -MK matrix. If the zinc content is low, the formation is shifted to lower temperatures and the sulphides are in former residual melt areas separately and homogeneously distributed.
  • the zinc content of 0.1 to less than 1.5% by weight ensures that sulfide formation at higher temperatures is avoided.
  • the copper alloy used according to the invention has a particular suitability for use in a manufacturing process for molded parts due to its specific composition, this process comprising at least one hot forming step. Due to the special composition of the alloy, further processing steps can also be carried out without any problems after hot forming, for example subsequent machining.
  • Hot forming according to the invention can be a hot pressing process, for example. According to the invention, however, other hot forming processes are also possible, which are known to those skilled in the art. Before hot forming, for example a hot pressing process, the blank is heated to 600°C to 950°C. Above 600 °C, the yield point is sufficiently low to plastically deform the gunmetal material using a hot forming process. According to the invention, hot working can be carried out at any suitable temperature within the above temperature window, for example at 700 to 900°C. The respective temperature is selected by a person skilled in the art as a function of the type of molding, the desired speed of forming, etc.
  • the sulphides are again distributed in the structure and are brittle, which means that they act as chip breakers. It could be determined that even in the case of hot-formed molded parts with a low sulfur content of 0.05% by weight, stick-slipping of the tool occurs during mechanical processing due to changes in the friction conditions between the chip and the tool over time. These changed friction conditions are due to the inhomogeneous microstructure, which consists of a copper-containing ⁇ -MK matrix with embedded sulfides after the hot pressing process. Due to the stick-slip shearing bands are created in the chip, which lead to lamellar chips and shearing chips and in the further course of processing when discharged via a Break the chip breaker in the tool. This prevents long chips and enables economical machining.
  • the average grain size present in the cast state should not be more than 2 mm.
  • the necessary measures to ensure such an average grain size are known to the person skilled in the art.
  • Grain refinement is possible, for example, by using chemical additives such as zirconium and boron up to levels of 0.005 to 0.03% by weight or other alternative methods for grain refinement such as electromagnetic stirring, ultrasonic excitation, vibration, blowing in gas or by means of strong supercooling of the Melt during casting.
  • the copper alloy described above is particularly suitable for use in the production of molded parts, with the production comprising at least one hot forming operation. It is also possible to use it to produce molded parts, in which further processing steps take place after the at least one hot forming, for example subsequent machining.
  • the corresponding manufacturing process is particularly suitable for the manufacture of components, such as media, e.g. gas or water-carrying lines and components to be connected, such as fittings, etc. Molded parts that are particularly in focus are components of domestic plumbing pipe systems, including pipes, fittings, end caps and connectors .
  • the basic process steps for producing such moldings are known to the person skilled in the art and are therefore not described in detail here.
  • a molded part for the drinking water installation was produced from lead-free gunmetal in a grain-refined state by means of hot forming with subsequent machining. It turned out that chip breakers were present in the structure of the alloy after the hot pressing process, so that economical, fully automated mechanical processing was possible.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupferlegierung zur Herstellung von Formteilen und ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen.
    • Stand der Technik
  • Wasser ist ein wertvoller Rohstoff und für den täglichen Gebrauch unentbehrlich. Daher muss das Trinkwasser bei der Entnahme aus dem Versorgungssystem mikrobiologisch so beschaffen sein, dass der spätere Genuss zu keiner Erkrankung des Menschen führt. Um dies zu erreichen werden hohe Anforderungen an Werkstoffe, die in den unmittelbaren Kontakt mit dem Trinkwasser kommen, gestellt. Kupfer ist das edelste Gebrauchsmaterial und gilt in der Industrie und Technik für wasserführende Systeme als ein unverzichtbarer Werkstoff. Denn Kupfer besitzt bakteriostatische Eigenschaften und bietet außerdem eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Kupfer zeigt auch in der Formgebung positive Eigenschaften auf. So lassen sich Kupfergusslegierungen gut vergießen und durch die hohe Festigkeit und Zähigkeit wird der Werkstoff auch bei der plastomechanischen Formgebung besonders geschätzt.
  • Jedoch bereitet gerade diese plastische Verformbarkeit bei der spanabhebenden mechanischen Bearbeitung Probleme. Hier neigen homogene Kupferwerkstoffe zu einer Langspanbildung. Diese Spanart hemmt den Arbeitsablauf beim vollautomatisierten Drehen, bzw. Bohren, und führt zu einem starken Verschleiß an den Werkzeugschneiden. Oftmals ist die Spanbildung des Kupfers die limitierende Größe bei der mechanischen Bearbeitung und nimmt daher direkten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Werkstücke.
  • Rotguss gehört zu den Kupfergusslegierungen und zeichnet sich durch die Kombination einer guten Gießbarkeit mit optimaler Spanbarkeit und hoher Festigkeit aus. Durch die gute Korrosionsbeständigkeit ist Rotguss besonders für wasserführende Systeme wie die Armaturen- und Sanitärtechnik geeignet. Übliche Rotgusslegierungen enthalten Zinn um die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu steigern. Zink wird als kostengünstiges Substitutionsmittel für Kupfer hinzugefügt. Um die erzeugten Produkte aus Rotguss überhaupt wirtschaftlich bearbeiten zu können, wird das Schwermetall Blei hinzugegeben, welches in der Legierung als Spanbrecher wirkt und eine spanabhebende Bearbeitung auf CNC-Automaten und herkömmlichen Drehautomaten möglich macht.
  • Stagniert das Trinkwasser über längere Zeit in handelsüblichen bleihaltigen Armaturen, besteht die Möglichkeit, dass Blei durch eine Metallionenmigration an das Leitungswasser abgegeben wird. Hohe Bleikonzentrationen gelten als gesundheitsschädlich. Daher werden weltweit immer strengere Auflagen an die Bleigehalte der Werkstoffe, die in Kontakt mit Trinkwasser kommen, gestellt. Auch innerhalb von Deutschland wurde über die gesetzliche Trinkwasserverordnung seit dem 01.12.2013 der Bleigehalt auf 10 µg Blei/l gesenkt. Der Druck, Bleigehalte im Trinkwasser weiter zu reduzieren, ist weltweit angestiegen und wird weiter wachsen. So verlangen gesetzliche Vorgaben aus den USA, dass Bleigehalte in Kupferlegierungen einen durchschnittlichen Bleigehalt von 0,25 % nicht überschreiten dürfen, unabhängig von der eigentlichen Bleikonzentration im Trinkwasser.
  • Der ideale Rotguss wäre frei von Blei und anderen bedenklichen Substanzen, bei gleichbleibender oder besserer Wirtschaftlichkeit in der Fertigung und ohne die Korrosionsbeständigkeit, die hohen mechanischen Festigkeiten und die gute Verarbeitbarkeit zu beeinträchtigen.
  • Die EP 2290114 A1 beschreibt eine bleifreie Rotgusslegierung mit 4 bis 6 Gew.-% Zinn, 4 bis 6 Gew.-% Zink und weniger als 0,25 Gew.-% Blei. Mit dieser Legierung können bleifreie Bauteile mittels Gießverfahren hergestellt werden. Die nachträgliche mechanische Bearbeitung zur Erzeugung der Funktionsflächen dieser Bauteile bleibt aber unberücksichtigt. Ohne Blei zeigt die angegebene Zusammensetzung ein homogenes α-MK Gefüge auf, welches zur Langspanbildung neigt und sich nicht wirtschaftlich spanabhebend bearbeiten lässt. Auch das vorausgesetzte Gießverfahren benötigt prozessbedingt einen höheren Materialeinsatz zur Erzeugung des Formteils als alternative Umformungsprozesse. Die US 2012/0082588 A1 , die EP 2 241 643 A1 , die EP 3 225 707 A1 und die US 9,181,606 B2 offenbaren Kupferlegierungen.
  • Einen Umformprozess einer bleifreien Rotguss-Legierung beschreibt die EP 2 872 660 B1 . Beschrieben wird ein Verfahren zur Vorkonditionierung einer Rotgusslegierung mit 2 bis 8 Gew.- % Zinn, 2,5 bis 13 Gew.-% Zink und weniger als 0,25 Gew.-% Blei die zum Warmpressen geeignet ist und am Ende des Warmpressvorgangs ein homogenes Gefüge vorweist. Die Warmumformung ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung von Formteilen mit geringem Materialeinsatz. Zwar wird der Verfahrensablauf bis zur Formgebung des Rohlings erläutert, unberücksichtigt bleibt aber auch hier der anschließende notwendige Zerspanvorgang zur Herausarbeitung von Funktionsflächen der Bauteile. Durch die chemische Zusammensetzung und das anschließende warmumformen entsteht eine homogene Gefügeausbildung und auch hier ist durch das Fehlen eines Spanbrechers eine Langspanbildung bei der spanabhebenden Bearbeitung zu erwarten, die eine wirtschaftliche Bearbeitung der Bauteile erschwert.
  • Die EP 1 801 250 A1 beschreibt migrationsarme Bauteile aus einer Kupferlegierung, die einen relativ hohen Anteil an Si aufweist, zusätzlich zu geringeren aber wesentlichen Anteilen an Mn, Al und Zr. Ähnliche Kupferlegierungen sind auch in der WO 2007/068470 A1 offenbart.
  • Die JP 2013-199699 A offenbart eine Kupferlegierung, enthaltend 0,5 bis 11,0 Masse-% Sn, 0,03 bis 0,70 Masse-% P und 0,02 bis 1,0 Masse-% S, wobei der Rest aus Cu sowie unvermeidlichen Verunreinigungen besteht. In der Kupferlegierung ist ein Sulfid dispergiert, wobei der mittlere Durchmesser des Sulfids 0,1 bis 10 µm und das Flächenverhältnis des Sulfids 0,1 bis 10% beträgt.
  • Trotz der vielen inzwischen bekannten Kupferlegierungen im Stand der Technik besteht immer noch eine Herausforderung darin, Rotguss Kupferlegierungen anzugeben, die einerseits ohne den Einsatz der aus Umwelt- und Gesundheitssichtpunkten problematischen Komponente Blei (Pb) auskommen, andererseits Umformungsprozesse ermöglichen, ohne dass die mechanischen Kennwerte und die Korrosionsbeständigkeit leiden. Als besonders anspruchsvoll hat sich hier die Bereitstellung von Kupferlegierungen herausgestellt, die eine gute Warmumformbarkeit zeigen (also ohne wesentlichen Abfall mechanischer Kennwerte) und vorzugsweise ebenfalls gut spanabhebend zu bearbeiten sind.
    • Aufgabe der vorliegenden Erfindung
  • Aufgrund der vorstehend geschilderten Nachteile im Stand der Technik, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verwendung einer Kupferlegierung zur Herstellung von Formteilen und ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen zur Verfügung zu stellen, die diese Nachteile überwindet. Wünschenswert wäre dabei insbesondere die Verwendung einer Kupferlegierung, die möglichst wenig Komponenten umfasst, bleifrei oder im wesentlichen bleifrei ist und darüber hinaus auf teure Metallkomponenten und/oder schwierig einzumischende Metallkomponenten verzichten kann.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1, sowie das Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach Anspruch 2 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden zunächst im Hinblick auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung beschrieben. Es ist dem Fachmann allerdings klar, dass die in diesem Zusammenhang beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sich auch auf das beschriebene Herstellungsverfahren übertragen lassen und auch für diese Aspekte der Erfindung als bevorzugte Ausführungsformen anzusehen sind.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, aus einer Rotguss-Legierung, die im Gefüge einen Spanbrecher aufweist, über eine Warmumformung mit geringem Materialeinsatz Formteile mit hohen mechanischen Festigkeiten, mit hoher Maßhaltigkeit und mit hoher Korrosionsbeständigkeit erzeugen, die anschließend nach dem Warmpressvorgang auch noch einer wirtschaftlichen Zerspanung unterzogen werden können. Die warmumformbare Rotguss-Legierung benötigt für die Ausbildung eines Spanbrechers im Gefüge keine Elemente wie Al, Si, Pb, Sb, Te, Se, C und Bi und ist daher gut wiederverwendbar.
  • Die vorliegende Erfindung stellt also die Verwendung einer Kupferlegierung zur Verfügung, die insbesondere zur Herstellung von Formteilen aus mindestens einem Warmumformungsvorgang mit anschließender spanabhebender Bearbeitung geeignet ist, die folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist:
    Sn: 2 bis 4 %
    Zn: 0, 1 bis weniger als 1,5 %
    S: 0,05 bis 0,45 %
    Pb: weniger als 0,25 %
    Ni: weniger als 0,6 %
    Sb: weniger als 0,2 %,
    optional weiter enthaltend Phosphor bis maximal 0,06 Gew.-%, B bis maximal 0,03 Gew.-%, Zr bis maximal 0,03 Gew.-% sowie unvermeidbare Verunreinigungen, und wobei der Rest Cu ist.
  • Wie bereits vorstehend ausgeführt, enthält die erfindungsgemäß verwendete Legierung insbesondere keine Elemente der Gruppe Al, Si, Sb, Te, Se, C und Bi und in bevorzugten Ausführungsformen ebenfalls kein Pb.
  • Bevorzugte Gehalte an erfindungsgemäß einzusetzenden Legierungskomponenten sind wie folgt, wobei diese jeweils einzeln als auch in jeder Kombination erfindungsgemäß offenbart und beansprucht werden (jeweils erneut in Gew.-%):
    • Sn: 2 bis 4 %, in Ausführungsformen 2 bis weniger als 3,5 %, wie 2 bis 3,25%
    • Zn: 0,1 bis weniger als 1,5 %
    • S: 0, bis 0,45 % und in Ausführungsformen 0,1 bis weniger als 0,25 %, wie 0,1 bis 0,2%
    • Ni: weniger als 0,5%, wie von 0 bis 0,4%, von 0 bis 0,25%
  • Der Kupferanteil in der Legierung ist bevorzugt 88 Gew.-% oder mehr, stärker bevorzugt 90 Gew.-% oder mehr.
  • Es hat sich unerwartet gezeigt, dass mit den hier offenbarten Kupferlegierungen die bekannten Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können. Insbesondere können aus der Kupferlegierung hergestellte Halbzeuge/Zwischenprodukte sehr gut einer Warmumformung unterworfen werden. Trotz des bei einer Warmumformung (typischer Weise bei Temperaturen von etwa 600 bis 950°C) häufig auftretenden Abbaus von Kaltverfestigungen, ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung der Legierung die Herstellung von Formteilen (die ggf. dann noch weiterbearbeitet werden, z.B. durch spanabhebende Bearbeitung), die immer noch ausgezeichnete mechanische Kennwerte aufweisen und auch keinen Abbau der Korrosionsbeständigkeit zeigen.
  • Weiterhin hat sich gezeigt, dass die so erhaltenen Formteile (also nach Warmumformung) auch in wirtschaftlicher Art weiterbearbeitet werden können, da insbesondere die unerwünschte Langspanbildung unterbleibt. Es zeigt sich also, dass trotz der bei einer Warmumformung ablaufenden Prozesse in der Gefügestruktur der Legierung immer noch spanbrechende Komponenten vorliegen, obwohl die erfindungsgemäß verwendete Legierung auf typische spanbrechende Komponenten, wie Pb oder Si verzichtet. Also stellt die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Kupferlegierung zur Verfügung, die eine ausgezeichnete Balance an gewünschten Eigenschaften aufweist. Es können also aus dieser Legierung Formteile hergestellt werden, insbesondere durch Warmumformung, ggf. verbunden mit weiteren Bearbeitungsschritten wie hier beschrieben, ohne dass Abstriche an die weiteren, erwünschten Eigenschaften der Kupferlegierung und deren Eignung zum Einsatz in der Warmumformung zu befürchten sind.
  • Die erfindungsgemäß verwendete Legierung kann also vorteilhaft zur Herstellung von Formteilen eingesetzt werden, wobei diese Herstellungsverfahren eine Warmumformung umfassen, ggf. kombiniert mit weiteren Bearbeitungsverfahren, beispielsweise eine anschließende spanabhebende Bearbeitung.
    Im Hinblick auf den Erhalt der erwünschten Eigenschaften der hier beschriebenen Kupferlegierung ermöglichen die einzelnen Legierungsbestandteile jeweils allein, aber auch in ihrem Zusammenwirken, eine gute und reproduzierbare Steuerung der Legierungseigenschaften.
  • Zinn wirkt in der Legierung als Mischkristallverfestiger und erhöht damit die Zugfestigkeit, Dehngrenze und Härte, vermindert aber die Bruchdehnung. Des Weiteren erhöht Zinn die Korrosionsbeständigkeit, wobei die Korrosionsbeständigkeit mit steigenden Zinngehalten zunimmt. Bei der Herstellung der Rohlinge zur Warmumformung konnte erkannt werden, dass durch Zinn im Gefüge starke Segregierungen auftreten, die bei der Erstarrung zur Bildung von Zonenkristallen führen. Am Anfang der Erstarrung werden zinnärmere Kupferkristalle ausgeschieden und die Restschmelze reichert sich mit einem Zinngehalt an, der über den Durchschnittsgehalt der Legierung liegt. Abweichend vom stabilen Zustandsdiagramm Kupfer-Zinn kann bei Gehalten von über 7 Gew.-% Zinn im Gefüge bei Raumtemperatur ein (α + δ) - Eutektoid vorliegen, das unter Gleichgewichtsbedingungen erst bei max. 15,8 Gew.-% Zinn entsteht. Die mögliche δ Phase kristallisiert im kfz Gitter und müsste somit an sich gut verformbar sein, die Phase besitzt aufgrund ihrer voluminösen Elementarzelle von 416 Atomen aber ein sprödes Verhalten. Dies erschwert den späteren Warmumformprozess. Durch eine Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen mit ausreichender Zeit lässt sich das (α + δ) - Eutektoid zwar beseitigen, eine Wärmebehandlung ist aber mit hohem Energieaufwand verbunden.
  • Des Weiteren besteht die Gefahr einer Kornvergrößerung des Gefüges während der Behandlung. Dies würde zu einer Reduzierung der Dehnung führen womit der spätere Warmumformprozess erschwert wird. Mit einem Gehalt von 2 bis 4 Gew.-% Zinn wird eine hohe mechanische Festigkeit mit hoher Dehnung gewährleistet und eine Ausbildung des (α + δ) - Eutektoids im Gusszustand vermieden.
  • Schwefel ist nahezu unlöslich im festen Kupfer und die ursprünglichen Eigenschaften des Werkstoffs, wie etwa die Korrosionsbeständigkeit, werden durch die Zugabe von Schwefel nicht beeinflusst. Durch die Unlöslichkeit im festen Kupfer führt Schwefel zu einem Konstitionsverhalten, dass den Erstarrungsverlauf von Kupfer-Zinn Legierung ähnlich wie Blei beeinflusst. Anders als Blei liegt Schwefel am Ende der Erstarrung aber nicht elementar im Gefüge vor, sondern in Form einer intermetallischen Metall-Schwefel Verbindung die gleichmäßig im Gefüge verteilt ist. Es konnte erkannt werden, dass diese Phase inkohärent und spröde im Gefüge vorliegt und somit einen spanbrechenden Mechanismus erzeugt.
  • Die Eigenschaften der Sulfide beeinflussen das mechanische, plastische Verhalten des Rotguss-Werkstoffs. Der Einfluss wird über die Mengenanteile der Sulfidphasen im Werkstoff bestimmt. Ab Schwefelgehalten von über 0,6 Gew-.% wird die spannungsübertragende α-Cu Matrix durch die Sulfide so stark beeinträchtigt, dass ein Warmpressvorgang stark erschwert ist. Der Schwefelgehalt von 0,05 Gew.-% bis 0,45 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 0,45 Gew.-%, stellt sicher, dass ausreichend Sulfideinschlüssen im Gefüge vorhanden sind um einen spanbrechenden Mechanismus zu erzeugen und ein Warmumformungsvorgang zu gewährleisten.
  • Zink wird der Legierung als wirtschaftliches Substitionsmittel gegenüber Kupfer hinzugefügt. Es wurde erkannt, dass zwischen dem Zinkgehalt und dem Schwefelgehalt ein enger Zusammenhang über den Zeitpunkt und über die Art der Verteilung der Sulfidausbildung besteht. Je höher der Zinkgehalt vorliegt, umso früher bilden sich die Sulfideeinschlüsse während der Gussteilerstarrung im Gefüge aus. Liegt der Zinkgehalt über 5 Gew.-%, wird die Sulfidausbildung zu Temperaturen im Bereich der Erstarrungstemperatur der Rotgusslegierung verschoben. In diesem Temperaturbereich liegen noch hohe schmelzflüssige Anteile im Gussgefüge vor, die stellenweise miteinander verbunden sind.
  • Durch einen hohen Zinkgehalt kommt es dann zu einer frühzeitigen Ausbildung der Sulfide. Diese Sulfide liegen inhomogen und stellenweise konzentriert im Gefüge vor und erschweren somit den Warmpressvorgang durch eine lokale Schwächung der α-MK Matrix. Ist der Zinkgehalt niedrig, wird die Ausbildung zu niedrigeren Temperaturen verschoben und die Sulfide liegen in ehemaligen Restschmelzebereichen getrennt voneinander und homogen verteilt vor. Der Zinkgehalt von 0,1 bis weniger als 1,5 Gew.-% sichert, dass eine Sulfidausbildung bei höheren Temperaturen vermieden wird.
  • Untersuchungen haben gezeigt, dass die erfindungsgemäß verwendete Kupferlegierung durch die spezifische Zusammensetzung eine besondere Eignung zum Einsatz in einem Herstellungsverfahren für Formteile aufweist, wobei dieses Verfahren mindestens eine Warmumformung umfasst. Durch die besondere Zusammensetzung der Legierung können nach der Warmumformung auch problemlos weitere Bearbeitungsschritte erfolgen, beispielsweise eine anschließende spanabhebende Bearbeitung.
  • Eine erfindungsgemäße Warmumformung kann beispielsweise ein Warmpressvorgang sein. Erfindungsgemäß sind aber auch andere Warmumformungen möglich, die dem Fachmann bekannt sind. Vor einer Warmumformung, beispielsweise einem Warmpressvorgang wird der Rohling auf 600 °C bis 950 °C erhitzt. Ab 600 °C ist die Dehngrenze ausreichend tief um den Rotgusswerkstoff über einen Warmumformungsvorgang plastisch zu verformen. Erfindungsgemäß kann eine Warmumformung bei irgend einer geeigneten Temperatur in dem vorstehend genannten Temperaturfenster durchgeführt werden, beispielsweise bei 700 bis 900°C. Die jeweilige Temperatur wird in Abhängigkeit von der Art des Formteils, der gewünschten Schnelligkeit der Umformung etc. vom Fachmann ausgewählt.
  • Es wurde erkannt, dass in dem angegebenen Temperaturbereich auch die Atombindungen der Sulfide schwächer werden, so dass Versetzungsbewegungen in diesen Überstrukturen erleichtert werden. Die Phasen verlieren in diesem Temperaturbereich ihre Sprödigkeit und werden verformbar und hemmen somit den Warmumformungsprozess nicht. Unmittelbar nach der Umformung findet dann eine dynamische Rekristallisation der α-MK Matrix statt, die den vorher im Gusszustand bestehenden Zonenmischkristall mit unterschiedlicher Zinnkonzentration beseitigt und über den Querschnitt eine homogene Konzentration und damit gleichbleibender mechanische Kennwerte und Korrosionseigenschaften gewährleistet.
  • Die Sulfide liegen aber nach dem Verformungsprozess bei Raumtemperatur im Gefüge wieder verteilt und spröde vor, womit sie als Spanbrecher fungieren. Es konnte ermittelt werden, dass auch bei warmverformten Formteilen mit niedrigen Schwefelgehalten ab 0,05 Gew.-% es zu einem Ruckgleiten des Werkzeugs bei der mechanischen Bearbeitung durch zeitlich veränderte Reibungsverhältnisse zwischen Span und Werkzeug kommt. Diese veränderten Reibungsverhältnisse sind auf den inhomogenen Gefügeaufbau zurückzuführen, der nach dem Warmpressvorgang aus einer kupferhaltigen α-MK Matrix mit darin eingebetteten Sulfiden besteht. Durch das Ruckgleiten entstehen Scherbänder im Span die zu Lamellenspänen und Scherspänen führen und im weiteren Verlauf der Bearbeitung bei Abführung über eine Spanleitstufe im Werkzeug brechen. Dadurch werden lange Späne verhindert und eine wirtschaftliche spanabhebende Bearbeitung ermöglicht.
  • Um den erfindungsgemäß vorgesehenen Warmpressvorgang zu ermöglichen, sollte die im Gusszustand vorliegende mittlere Korngröße nicht mehr als 2 mm betragen. Die notwendigen Maßnahmen zur Sicherstellung einer derartigen mittleren Korngröße sind dem Fachmann bekannt. Eine Kornfeinung ist beispielsweise möglich über den Einsatz chemische Zusätze wie Zirkon und Bor bis zu Gehalten von 0,005 bis 0,03 Gew.-% oder andere alternative Verfahren zur Kornfeinung wie elektromagnetisches Rühren, Ultraschallanregung, Vibration, Einblasen von Gas oder mittels einer starken Unterkühlung der Schmelze während des Gießens.
  • Die vorstehend beschriebene Kupferlegierung eignet sich insbesondere zur Verwendung zur Herstellung von Formteilen, wobei die Herstellung mindestens eine Warmumformung umfasst. Möglich ist auch die Verwendung zur Herstellung von Formteilen, bei der nach der mindestens einen Warmumformung weitere Bearbeitungsschritte erfolgen, beispielsweise eine anschließende spanabhebende Bearbeitung. Das damit korrespondierende Herstellungsverfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Bauteilen, beispielsweise Medien-, z.B. Gas oder Wasser führenden Leitungen und damit zu verbindenden Bauteilen, wie Fittings etc. Besonders im Fokus stehende Formteile sind Bestandteile von Hausinstallationsrohrsystemen, einschließlich Rohre, Fittings, Endkappen und Verbindungsstücke. Die prinzipiellen Verfahrensschritte zur Herstellung derartiger Formteile sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht detailliert beschreiben.
  • Erfindungswesentlich ist in diesem Zusammenhang, dass durch die vorstehend beschriebene spezifische Zusammensetzung der einzusetzenden Kupferlegierung ein Abfall mechanischer Kennwerte und der Korrosionsbeständigkeit auch nach einer Warmumformung ausbleibt. Zusätzlich hat sich gezeigt, dass sowohl vor als auch nach einer Warmumformung die erhaltenen Formteile ohne Probleme anderen Bearbeitungen unterworfen werden können. Insbesondere ist eine spanabhebende Bearbeitung möglich, da die problematische und unerwünschte Langspanbildung unterbleibt. So kann ein Formteil in einer wirtschaftlichen Weise hergestellt werden (da insbesondere die anderen, wünschenswerten Eigenschaften der Kupferlegierung, wie gute Warmumformbarkeit, Inertheit gegenüber den mit den Werkstücken in Kontakt kommenden Stoffen, insbesondere Trinkwasser, und Korrosionsbeständigkeit, nicht beeinträchtigt werden). Besonders hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang, dass die hier beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung erreicht werden, obwohl auf den Einsatz der ansonsten im Stand der Technik vielfach als notwendig erachteten Komponenten Pb, Si etc. verzichtet wird.
  • Dieser unerwartete Vorteil der hier beschriebenen Kupferlegierung ermöglicht deren wirtschaftliche Verwendung zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Formteile.
    • Beispiel
  • Aus einem bleifreien Rotguss wurde im korngefeinten Zustand mittels einer Warmumformung mit anschließender spanabhebender Bearbeitung ein Formteil für die Trinkwasserinstallation hergestellt. Dabei zeigte sich, dass nach dem Warmpressvorgang Spanbrecher im Gefüge der Legierung vorlagen, so dass eine wirtschaftliche vollautomatisierte mechanische Bearbeitung möglich wurde.

Claims (5)

  1. Verwendung einer Kupferlegierung zur Herstellung von Formteilen durch ein Verfahren mit mindestens einem Warmumformungsvorgang, wobei die Legierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist: Sn: 2 bis 4 % Zn: 0,1 bis weniger als 1,5 % S: 0,05 bis 0,45 % Pb: weniger als 0,25 % Ni: weniger als 0,6 % Sb: weniger als 0,2 %
    und optional Phosphor bis maximal 0,06 Gew.-%, B bis maximal 0,03 Gew.-%, Zr bis maximal 0,03 Gew.-%, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen, und wobei der Rest Cu ist.
  2. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einer Kupferlegierung, wobei die Legierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist: Sn: 2 bis 4 % Zn: 0,1 bis weniger als 1,5 % S: 0,05 bis 0,45 % Pb: weniger als 0,25 % Ni: weniger als 0,6 % Sb: weniger als 0,2 %
    und optional Phosphor bis maximal 0,06 Gew.-%, B bis maximal 0,03 Gew.-%, Zr bis maximal 0,03 Gew.-%, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen, und wobei der Rest Cu ist; wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    mindestens einen Warmumformungsvorgang der Kupferlegierung zur Herstellung eines Formteils.
  3. Verwendung oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwefelgehalt 0,1 bis 0,2 Gew.-% beträgt.
  4. Verwendung oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Legierung keine Elemente der Gruppe Al, Si, Sb, Te, Se, C und Bi enthält und /oder wobei die Legierung kein Pb enthält.
  5. Verwendung oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kupferlegierung geeignet ist zur Herstellung von Formteilen durch ein Verfahren weiter umfassend eine spanabhebende Bearbeitung nach der mindestens einen Warmumformung, wobei das Verfahren den weiteren Schritt einen spanabhebenden Bearbeitung nach der mindestens einen Warmumformung umfasst; oder wobei die Verwendung eine auf die Warmumformung folgende spanabhebende Bearbeitung umfasst.
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