EP3985136A1 - Bleifreie kupferlegierung sowie verwendung der bleifreien kupferlegierung - Google Patents

Bleifreie kupferlegierung sowie verwendung der bleifreien kupferlegierung Download PDF

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EP3985136A1
EP3985136A1 EP21201428.6A EP21201428A EP3985136A1 EP 3985136 A1 EP3985136 A1 EP 3985136A1 EP 21201428 A EP21201428 A EP 21201428A EP 3985136 A1 EP3985136 A1 EP 3985136A1
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EP
European Patent Office
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weight
copper alloy
free copper
lead
lead free
Prior art date
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Pending
Application number
EP21201428.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Gaag
Florian Seuss
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Diehl Brass Solutions Stiftung and Co KG
Original Assignee
Diehl Metall Stiftung and Co KG
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Publication date
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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
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a lead-free copper alloy.
  • copper alloys with Sn and Al are known. Zr must also be added to these for grain refinement.
  • Such copper alloys are, for example, in EP 1 777 305 B1 , EP 1 502 964 B1 as well as the EP 1 777 308 B1 described.
  • the DE 103 08 778 B3 discloses a lead-free copper alloy which can be used in the field of drinking water and sanitary installations.
  • the well-known copper alloy necessarily contains Fe and/or Co as well as Ni and Mn.
  • the EP 1 600 516 A2 , EP 1 559 802 A1 , EP 1 600 517 A2 , EP 1 045 041 A1 as well as the EP 1 508 626 A1 each disclose lead-free copper alloys in which the content of Sn is at least 0.3% by weight.
  • the Al content is at least 0.1%.
  • the aforementioned lead-free alloys do not always form a sufficiently corrosion-inhibiting top layer or oxide layer when they come into contact with drinking water. As a result, undesired corrosion occurs due to selective leaching of Zn from the alloy (so-called "dezincification").
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art.
  • a lead-free copper alloy is to be specified whose corrosion resistance is improved, particularly when used in the drinking water sector.
  • a lead-free copper alloy comprising 70.0 to 83.0% by weight of Cu, 2.0 to 2.9% by weight of Si, 0.05 to 0.10% by weight of P, 0.01 to less than 0.30% by weight of Sn, balance: Zn and unavoidable impurities.
  • the proposed lead-free copper alloy is characterized by improved corrosion resistance, especially when it comes into contact with drinking water.
  • the improved corrosion resistance is attributed to the formation of a top layer or oxide layer with improved adhesion.
  • the improved adhesion is already achieved with a Sn content of less than 0.30% by weight.
  • the corrosion resistance can surprisingly be increased by adding less than 0.1% by weight of Al.
  • the Cu content is advantageously 73.3 to 76.8% by weight.
  • the copper alloy according to the invention comprises 0.01 to less than 0.1% by weight of Al.
  • the proposed addition of Al improves the adhesion of the top layer.
  • the proportion of Si is 2.40 to 2.90% by weight, preferably 2.60 to 2.80% by weight, advantageously 2.60 to 2.78% by weight.
  • the proposed addition of Si helps to reduce the kappa phase to a maximum proportion of 25% by weight. It has been observed that reducing the level of kappa phase also contributes to improved corrosion resistance.
  • the proportion of kappa phase is preferably at most 25% by weight, in particular 5 to 20% by weight.
  • the proportion of Al is advantageously 0.01 to 0.05% by weight.
  • the proportion of P can be 0.08 to 0.10% by weight. The proposed proportions enable the production of a particularly corrosion-resistant alloy.
  • the proposed lead-free copper alloy is particularly suitable for the production of installation components for the drinking water sector, for example for the production of fittings, fittings, pipes and the like.
  • Table 1 shows the composition of experimental alloys.
  • Table 1 Alloy No. Alloying Elements (wt%) Cu si P sn Al 2737 76.43 3.35 0.091 0.003 0.002 2838 76.42 3.02 0.091 0.003 0.002 2839 76.45 2.72 0.091 0.003 0.001 2840 75.99 2.73 0.093 0.003 0.001 2841 76.44 2.75 0.052 0.002 0.001 2842 76.46 2.71 0.09 0.103 0.001 2843 76.52 2.71 0.093 0.287 0.001 2845 76.33 3.1 0.092 0.019 0 2846 76.16 3.4 0.048 0.005 0 2858 76.6 2.61 0.095 0.288 0.042
  • test specimens were produced as follows: A melt formed from the alloying elements was poured into sand molds with a diameter of 40 mm at a temperature of 1020°C to 1050°C. The solidified specimens were then turned to a diameter of 24 mm. The specimens were then reduced to a diameter of 8 mm at a temperature of 700 °C using an extrusion simulation. Finally, the specimens were annealed at 550°C to 580°C for 2 hours and then cooled in air.
  • alloy Nos. 2842, 2843 and 2858 correspond to alloys according to the invention.
  • the other alloys are comparison alloys.
  • Table 2 shows results of structural analysis.
  • Table 2 Alloy No. alloying elements structure Cu si P sn Al Kappa MK Gamma MK 2737 76.43 3.35 0.091 0.003 0.002 44% 1% 2838 76.42 3.02 0.091 0.003 0.002 31% 1% 2839 76.45 2.72 0.091 0.003 0.001 22% 1% 2840 75.99 2.73 0.093 0.003 0.001 24% 1% 2841 76.44 2.75 0.052 0.002 0.001 19% ⁇ 1% 2842 76.46 2.71 0.09 0.103 0.001 15% 1% 2843 76.52 2.71 0.093 0.287 0.001 16% 1% 2845 76.33 3.1 0.092 0.019 0 26% ⁇ 1% 2846 76.16 3.4 0.048 0.005 0 42% ⁇ 1% 2858 76.6 2.61 0.095 0.288 0.042 10% ⁇ 1%
  • the only figure shows the maximum depth of dezincification [ ⁇ m] for the 3 alloys Nos. 2842, 2843 and 2858 according to the invention in comparison to alloy No. 2846 (prior art).
  • the "maximum depth of dezincification” is the depth up to which Zn was detectable according to the following test protocol.
  • the samples were sawn.
  • the sawing surface was brought into contact with drinking water for a period of 8 weeks.
  • the drinking water was changed twice a week.
  • the hardness of the drinking water was adjusted to a value of 25°dH by adding NaCl and MgSO 4 .
  • the chloride content was 250 mg/l
  • the sulfate content was also 250 mg/l.
  • the exposure test took place under room conditions.
  • the sample was cut perpendicular to the surface, polished and then optically analyzed using a reflected light microscope. The depth of the dezincification was evident from the characteristic color of the zinc-free sponge copper.
  • alloys Nos. 2842, 2843 and 2858 according to the invention exhibit a drastically reduced maximum depth of dezincification compared to alloy No. 2846 (prior art). In particular, no dezincification could be observed with alloy no. 2843 according to the invention.
  • the alloy according to the invention is characterized by a drastically improved corrosion resistance when in contact with drinking water.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine bleifreie Kupferlegierung, umfassend: 70,0 bis 83,0 Gew.% an Cu, 2,0 bis 2,9 Gew.% an Si, 0,05 bis 0,10 Gew.% an P, 0,01 bis weniger als 0,30 Gew.% an Sn, Rest: Zn und unvermeidbare Verunreinigungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine bleifreie Kupferlegierung.
  • Nach dem Stand der Technik sind Kupferlegierungen mit Sn und Al bekannt. Diesen wird zur Kornfeinung zusätzlich zwingend Zr zulegiert. Solche Kupferlegierungen sind beispielsweise in der EP 1 777 305 B1 , EP 1 502 964 B1 sowie der EP 1 777 308 B1 beschrieben.
  • Die DE 103 08 778 B3 offenbart eine bleifreie Kupferlegierung, welche im Bereich der Trinkwasser- und Sanitärinstallation anwendbar ist. Die bekannte Kupferlegierung enthält zwingend Fe und/oder Co sowie Ni und Mn.
  • Eine ähnliche Legierung ist aus der EP 1 600 515 A2 bekannt.
  • Die EP 1 600 516 A2 , EP 1 559 802 A1 , EP 1 600 517 A2 , EP 1 045 041 A1 sowie die EP 1 508 626 A1 offenbaren jeweils bleifreie Kupferlegierungen, bei denen der Gehalt an Sn zumindest 0,3 Gew.% beträgt. Der Gehalt an Al beträgt zumindest 0,1 %.
  • Die vorgenannten bleifreien Legierungen bilden im praktischen Einsatz bei Kontakt mit Trinkwasser nicht immer eine ausreichend korrosionshemmende Deck- bzw. Oxidschicht aus. Infolgedessen kommt es zu einer unerwünschten Korrosion durch ein selektives Herauslösen von Zn aus der Legierung (sogenannte "Entzinkung").
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu überwinden. Es soll insbesondere eine bleifreie Kupferlegierung angegeben werden, deren Korrosionsbeständigkeit insbesondere bei einer Verwendung im Trinkwasserbereich verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
  • Nach Maßgabe der Erfindung wird eine bleifreie Kupferlegierung vorgeschlagen, umfassend 70,0 bis 83,0 Gew.% an Cu, 2,0 bis 2,9 Gew.% an Si, 0,05 bis 0,10 Gew.% an P, 0,01 bis weniger als 0,30 Gew.% an Sn, Rest: Zn und unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Die vorgeschlagene bleifreie Kupferlegierung zeichnet sich durch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei Kontakt mit Trinkwasser, aus. Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit wird auf die Ausbildung einer Deck- bzw. Oxidschicht mit verbesserter Haftung zurückgeführt. Die verbesserte Haftung wird überraschenderweise bereits bei einem Gehalt an Sn von weniger als 0,30 Gew.% erreicht. Abgesehen davon wurde gefunden, dass die Korrosionsbeständigkeit durch einen Zusatz von überraschenderweise bereits weniger als 0,1 Gew.% Al erhöht werden kann.
  • Der Gehalt an Cu beträgt vorteilhafterweise 73,3 bis 76,8 Gew.%.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Kupferlegierung 0,01 bis weniger als 0,1 Gew.% an Al. Der vorgeschlagene Zusatz an Al verbessert die Haftfähigkeit der Deckschicht.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Anteil an Si 2,40 bis 2,90 Gew.%, vorzugsweise 2,60 bis 2,80 Gew.%, vorteilhafterweise 2,60 bis 2,78 Gew.%. Der vorgeschlagene Zusatz an Si trägt dazu bei, dass die Kappa-Phase auf einen Anteil von höchstens 25 Gew.% reduziert wird. Es ist beobachtet worden, dass auch die Reduzierung des Anteils der Kappa-Phase zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit beiträgt. Vorzugsweise beträgt der Anteil an Kappa-Phase höchstens 25 Gew.%, insbesondere 5 bis 20 Gew.%.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Anteil an Al vorteilhafterweise 0,01 bis 0,05 Gew.%. Ferner kann der Anteil an P 0,08 bis 0,10 Gew.% betragen. Die vorgeschlagenen Anteile ermöglichen die Herstellung einer besonders korrosionsbeständigen Legierung.
  • Die vorgeschlagene bleifreie Kupferlegierung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Installationskomponenten für den Trinkwasserbereich, beispielsweise zur Herstellung von Fittingen, Armaturen, Rohren u. dgl.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Versuchsergebnissen näher erläutert.
  • Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung von Versuchslegierungen. Tabelle 1
    Legierung Nr. Legierungselemente (Gew.%)
    Cu Si P Sn Al
    2737 76,43 3,35 0,091 0,003 0,002
    2838 76,42 3,02 0,091 0,003 0,002
    2839 76,45 2,72 0,091 0,003 0,001
    2840 75,99 2,73 0,093 0,003 0,001
    2841 76,44 2,75 0,052 0,002 0,001
    2842 76,46 2,71 0,09 0,103 0,001
    2843 76,52 2,71 0,093 0,287 0,001
    2845 76,33 3,1 0,092 0,019 0
    2846 76,16 3,4 0,048 0,005 0
    2858 76,6 2,61 0,095 0,288 0,042
  • Zur Herstellung der in der Tabelle 1 ausgewiesenen Versuchslegierungen wurden Probekörper wie folgt hergestellt:
    Eine aus den Legierungselementen gebildete Schmelze wurde bei einer Temperatur von 1.020 °C bis 1.050 °C in Sandformen mit einem Durchmesser von 40 mm gegossen. Die erstarrten Probekörper wurden sodann auf einen Durchmesser von 24 mm abgedreht. Sodann wurden die Probekörper bei einer Temperatur von 700 °C auf einen Durchmesser von 8 mm durch eine Strangpresssimulation reduziert. Schließlich wurden die Probekörper bei 550 °C bis 580 °C für 2 Stunden geglüht und dann an Luft abgekühlt.
  • In der Tabelle 1 entsprechen die Legierungen Nrn. 2842, 2843 sowie 2858 erfindungsgemäßen Legierungen. Die übrigen Legierungen sind Vergleichslegierungen.
  • Die Tabelle 2 zeigt Ergebnisse von Gefügeanalysen. Tabelle 2
    Legierung Nr. Legierungselemente Gefüge
    Cu Si P Sn Al Kappa-MK Gamma-MK
    2737 76,43 3,35 0,091 0,003 0,002 44% 1%
    2838 76,42 3,02 0,091 0,003 0,002 31% 1%
    2839 76,45 2,72 0,091 0,003 0,001 22% 1%
    2840 75,99 2,73 0,093 0,003 0,001 24% 1%
    2841 76,44 2,75 0,052 0,002 0,001 19% <1%
    2842 76,46 2,71 0,09 0,103 0,001 15% 1%
    2843 76,52 2,71 0,093 0,287 0,001 16% 1%
    2845 76,33 3,1 0,092 0,019 0 26% <1%
    2846 76,16 3,4 0,048 0,005 0 42% <1%
    2858 76,6 2,61 0,095 0,288 0,042 10% <1%
  • Die erfindungsgemäßen Legierungen Nrn. 2842, 2843 und 2858 zeichnen sich durch einen geringen Gehalt an Kappa-Phase (= Kappa-MK) von 10 bis 16 Gew.% aus.
  • Die einzige Figur zeigt die maximale Tiefe der Entzinkung [µm] für die 3 erfindungsgemäßen Legierungen Nrn. 2842, 2843 und 2858 im Vergleich zu der Legierungen Nr. 2846 (Stand der Technik). Bei der "maximalen Tiefe der Entzinkung" handelt es sich um die Tiefe, bis zu welcher nach dem folgenden Versuchsprotokoll ein Herauslösen von Zn nachweisbar war.
  • Die Proben wurden gesägt. Die Sägefläche wurde für einen Zeitraum von 8 Wochen mit Trinkwasser in Kontakt gebracht. Das Trinkwasser wurde zweimal pro Woche gewechselt. Die Härte des Trinkwassers wurde durch die Zugabe von NaCl und MgSO4 auf einen Wert von 25°dH eingestellt. Der Chlorid-Gehalt betrug 250 mg/l, der Gehalt an Sulfat betrug ebenfalls 250 mg/l. Der Auslagerungsversuch fand unter Raumbedingungen statt.
  • Zur Bestimmung der Tiefe der Entzinkung wurde die Probe senkrecht zur Oberfläche geschnitten, poliert und dann mit einem Auflichtmikroskop optisch analysiert. Die Tiefe der Entzinkung war an der charakteristischen Farbe des zinkfreien Kupferschwamms erkennbar.
  • Die Zugabe von Al führt zu verstärkter Oxidbildung. Bereits geringe Mengen Aluminiums (ab 0,04 Gew.%) zeigen überraschenderweise in einem Zundertest (Glühung bei 800 °C) festhaftende Oxidschichten gegenüber aluminiumfreien Proben, bei denen die Oxidschicht stark abblättert. Dem Oxid wird allgemein eine schützende Wirkung zugesprochen. Je besser das Oxid anhaftet, desto besser die Schutzwirkung.
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weisen die erfindungsgemäßen Legierungen Nrn. 2842, 2843 und 2858 im Vergleich zu der Legierung Nr. 2846 (Stand der Technik) eine drastisch verminderte maximale Tiefe der Entzinkung auf. Insbesondere bei der erfindungsgemäßen Legierung Nr. 2843 konnte keine Entzinkung beobachtet werden.
  • Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich durch eine drastisch verbesserte Korrosionsbeständigkeit bei Kontakt mit Trinkwasser aus.

Claims (9)

  1. Bleifreie Kupferlegierung, umfassend:
    70,0 bis 83,0 Gew.% an Cu,
    2,0 bis 2,9 Gew.% an Si,
    0,05 bis 0,10 Gew.% an P,
    0,01 bis weniger als 0,30 Gew.% an Sn,
    Rest: Zn und unvermeidbare Verunreinigungen.
  2. Bleifreie Legierung nach Anspruch 1,
    wobei der Anteil an Cu 73,3 bis 76,8 Gew.% beträgt.
  3. Bleifreie Kupferlegierung nach Anspruch 1,
    weiterhin umfassend
    0,01 bis weniger als 0,1 Gew.% an Al.
  4. Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Anteil an Si 2,40 bis 2,90 Gew.% beträgt.
  5. Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Anteil an Si 2,60 bis 2,80 Gew.%, vorzugsweise 2,60 bis 2,78 Gew.%, beträgt.
  6. Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    mit einem Anteil an Kappa-Phase von höchstens 25 Gew.%.
  7. Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Anteil an Al 0,01 bis 0,05 Gew.% beträgt.
  8. Bleifreie Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil an P 0,08 bis 0,10 Gew.% beträgt.
  9. Verwendung der bleifreien Kupferlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Installationskomponenten für den Trinkwasserbereich.
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