WO1994024325A1

WO1994024325A1 - Messinglegierung

Info

Publication number: WO1994024325A1
Application number: PCT/DE1994/000368
Authority: WO
Inventors: Helmut Waschke
Original assignee: Ideal-Standard Gmbh
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1994-04-01
Publication date: 1994-10-27

Abstract

Eine Legierung auf Kupferbasis enthält 57 bis 65 Gew.% Kupfer, bis 3 Gew.% sonstige Legierungsbestandteile, als die spangebende Bearbeitung ermöglichenden Zusatz Wismut und als Rest Zink.

Description

Beschreibung

Messinglegierung

Die Erfindung betrifft eine Legierung auf Kupferbasis mit Zink als nächst- häufigerem Legierungsbestandteil. Derartige Legierungen, im allgemeinen als Messing bezeichnet, werden für die Herstellung sehr unterschiedlicher technischer Geräte und Bauteile verwendet. Je nach Verwendungszweck werden den Messing-Legierungen unterschiedliche Legierungsbestand- teile zugemengt, um ganz bestimmte, dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechende Eigenschaften zu erhalten. Sollen beispielsweise Legie- rungen bereitgestellt werden, die zur spangebenden Bearbeitung geeignet sind, so wird diesen üblicherweise das Element Blei in Mengen von etwa 1 bis 3 Gew% zugesetzt. Das Blei bewirkt, daß die bei der zerspanenden Bearbeitung entstehenden Späne kurzbrüchig sind. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei der Bearbeitung von Werkstücken auf automatischen Maschinen unabdingbar.

Bei der Verwendung derartiger, bleihaltiger Legierungen für die Herstel- lung von Bauteilen für die Trinkwasserversorgung besteht nun die Gefahr, daß der Legierungsbestandteil Blei ins Trinkwasser übertritt. Das Blei gelangt mit dem Trinkwasser über den Magen-Darm-Trakt in den menschlichen Organismus, wird dort v.a. in den Knochen kumuliert und führt zu den bekannten Schädigungen. Eine Gefährdung durch das Blei ist aber auch in Betrieben gegeben, die beihaltiges Messing erschmelzen oder damit hergestellte Produkte weiterverarbeiten. Hier kann das Blei durch Einnahme, Inhalation oder Hautresorption in den Körper gelangen.

Aus der DE 38 34460 C2 ist es bekannt, eine Legierung für die Herstel- lung von Bauteilen für Wasserversorgungsinstallationen zu verwenden, die 1 ,5 bis 7 Gew% Wismut, 5 bis 15 Gew% Zink, 1 bis 12 Gew% Zinn und Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen enthält. Es handelt sich hier um eine Rotguß-Legierung, also eine Zinnbronze mit Zink als zusätzlichen Legierungsbestandteil. Derartige Legierungen haben den Nachteil, daß sie aufgrund der Bildung eines Substitutionsmischkristalls zwischen Kupfer und Zinn einen sehr breiten Erstarrungsbereich aufweisen. Dies ist insofern ein großer Nachteil, als diese Legierungen für das Kokillengießverfahren nur wenig geeignet sind. Dies liegt vor allem daran, daß sie eine relativ hohe Schmelztemperatur aufweisen. Die Folge davon ist, daß bereits nach wenigen Gießvorgängen die Kokiilenformen aufgrund der starken thermischen Belastung unbrauchbar werden. Außerdem weisen diese Legierungen einen vergleichsweise breiten Erstarrungsbereich von etwa 150° C auf. Dies führt in Verbindung mit den relativ hohen Abkühlgeschwindigkeiten beim Kokillenguß zu einer erhöhten Warmbrüchigkeit der Gußteile. Deshalb können die genannten Legierungen praktisch nur für Sandgußverfahren verwendet werden.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Legierung besteht darin, daß ein rela- tiv hoher Anteil von Wismut notwendig ist, um eine spanende Bearbeitung zu ermöglichen.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine bleiarme bzw. bleifreie, für die Herstellung von Bauteilen für Trinkwasser-Installationen geeignete Legierung bereitzustellen, die die obengenannten Nachteile nicht aufweist. Die Legierung soll weiterhin die für den vorgesehenen Ver- wendungszweck notwendigen Gieß- und mechanischen Eigenschaften aufweisen. Wasserarmaturen sollen beispielsweise eine polierbare Ober- fläche und eine für die in Trinkwasser- Versorgungssystemen vorherr- sehenden Druckbereiche ausreichende Druckdichtigkeit aufweisen, Ei- genschaften, die direkt von der Feinkömigkeit der Gefügestruktur der Gußteile abhängen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspru- ches 1 gelöst. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß eine Legierung, deren Cu-Gehalt auf 57 - 65 Gew. % eingestellt wird und deren weitere Legierungsbestandteile 3 Gew.% nicht überschreiten, sich problemlos in der Kokille vergießen läßt und darüber hinaus relativ feinkörnig und damit praktisch lunkerfrei aus der Schmelze erstarrt. Letzteres ist vor allem dann von Vorteil, wenn damit Formteile gegossen werden, die eine glatte und polierbare Oberfläche aufweisen sollen, wie dies bei hochwertigen Armaturen für den Küchen- und Sanitärbereich der Fall ist. Die mit der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Armaturen weisen außerdem eine sehr gute Druckdichtigkeit auf, was auf die Abwesenheit von Lunkern bzw. "schwammartigen" Bereichen in unterschiedliche Druckbereiche voneinander trennenden Innenwänden oder Dichtflächen zurückzuführen ist. Unter schwammartigen Bereichen sind dabei Gefügebereiche zu verstehen, die eine aufgelockerte, nach Art eines Schwammes Hohlräume enthaltende Struktur aufweisen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung ist, daß sie gute Fließeigenschaften aufweist, was insbesondere bei der Herstellung von kompliziert aufgebauten Formteilen von Bedeutung ist.

Durch den Ersatz des bisher verwendeten Legierungsbestandteiles Blei durch Wismut können die mit der erfindungsgemäßen Legierung herge- stellten Bauteile praktisch als toxikologisch unbedenklich eingestuft wer- den. Eine dem Blei entsprechende kumulative toxische Wirkung ist von Wismut nicht bekannt. Die Toxizitat von Wismut gegenüber Blei ist gemäß DAB wesentlich geringer, so daß bei den durch den Übertritt von Wismut ins Trinkwasser auftretenden Konzentrationen ein vergleichsweise nur sehr geringes gesundheitliches Gefährdungspotentiai entstehen dürfte. Wie an Mikroorganismen und Kleintieren gezeigt werden konnte, wirkt Wismut auf diese Organismen etwa 10 mal weniger toxisch als Blei. Ein weiteres Indiz für die relative Ungiftigkeit von Wismut ist in der Tatsache zu sehen, daß Wismut in der DE-Gefahrstoffverordnung als nicht gesundheitsschädlich eingestuft und darüber hinaus in Standard- Vorschriften wie der TVO nicht erwähnt ist, im Gegensatz zu Blei.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung kann es in Abhängigkeit von dem Reinheitsgrad der verwendeten Legierungsbestandteile gegebenenfalls zu geringfügigen Verunreinigungen mit Blei kommen. Diese erreichen jedoch üblicherweise Werte nur von höchstens etwa 0,3 Gew.% und sind daher im Vergleich zu den bewußt beigemengten Bleizusätzen bleihaltiger Messinglegierungen eher vernachlässigbar.

In den Unteransprüchen 2 und 3 sind vorteilhafte Zusammensetzungen einer erfindungsgemäßen Legierung angegeben. Hervorzuheben ist hier insbesondere, daß durch eine Zugabe von Bor in einer Menge von 5 bis 15 ppm die mittlere Korngröße des Gefüges verringert werden kann.

Der Vorteil der Legierungen gemäß den Ansprüchen 4 und 5 besteht darin, daß sie entzinkungsbeständig sind. Aufgrund dieser Eigenschaft können beispielsweise damit hergestellte Trinkwasser-Armaturen auch in Gebieten mit hoher Wasseraggressivität eingesetzt werden und weisen ganz allgemein eine höhere Lebensdauer auf.

Um ausgehend von herkömmlichen Messinglegierungen wie Ms 60 Fk zu entzinkungsbeständigen Messinglegierungen zu gelangen, ist es notwendig den Cu-Gehalt zu erhöhen, beispielsweise auf 64 %. Derartige Legierungen sind jedoch für viele Anwendungen, insbesondere für die Herstellung von Armaturen für den Sanitärbereich nicht geeignet, da sie ein zu grobes Gefüge aufweisen, was die bekannten negativen Begleiterscheinungen wie verstärkte Lunkerbildung nach sich zieht. Versuche, bei Messinglegierungen mit einem erhöhten Cu-Gehalt eine Kornfeinung mit dem üblicherweise dafür verwendeten Bor durchzuführen mißlangen bisher. Deshalb wurden für den angesprochenen Verwendungszweck praktisch nur die bekannten, nicht entzinkungsbeständigen Legierungen verwendet.

Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß trotz eines gegenüber den bekannten Legierungen erhöhten Cu-Gehaltes eine Kornfeinung mit Bor möglich ist, wenn die Elemente Mn, Si und Sb in erfindungsgemäßen Mengen zulegiert werden und gleichzeitig der Fe-Gehalt auf maximal 0,25 Gew.% begrenzt wird. Es stellte sich weiterhin überraschenderweise heraus, daß die Legierung eine verbesserte Warmbrüchigkeit aufweist, wenn der Gehalt an Sn möglichst gering ist, zumindest aber 0,25 Gew. % nicht überschreitet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Auftreten von Harteinschlüssen stark zurückgedrängt ist. Harteinschlüsse, die vor allem bei der Oberfächenbearbeitung störend sind, treten bei herkömmlichen bleihaltigen Messinglegierungen vor allem dann verstärkt auf, wenn sie mit Bor gefeint sind.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im folgenden näher erläutert:

Beispiel 1 :

Durch Zusammenschmelzen der entsprechenden Legierungsbestandteile wurde eine Schmelze erhalten, die 59,78 Gew% Cu, 0,60 Gew% AI, 1 ,00 Gew% Bi, 13 ppm B, als erschmelzungsbedingte Verunreinigungen 0,02 Gew% Pb, 0,01 Gew% Sn, 0,02 Gew% Fe, 0,01 Gew% Sb und Zn als Rest enthält. Die Schmelze wurde zu Probeblöcken und fertigen Gußteilen (Armaturen) vergossen. Mit Teilen der Gußblöcke bzw. den Fertigteilen wurden verschiedene Standard-Untersuchungen durchgeführt:

Um die Polierfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung zu überprüfen, wurde eine Reihe von Polierproben durchgeführt. Das Ergebnis dieser Versuchsreihe war, daß die mit der erfindungsgemäßen Legierung herge- stellten Formteile die bei Qualitätsarmaturen erforderliche Oberflächenpo- lierbarkeit aufweisen. Ebenso wurden bei sämtlichen Probestücken Bruchproben durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, daß praktisch keine Fremdeinschlüsse oder "Schwammbereiche" vorhanden waren. Vor allem letztere sind häufig die Ursache von Undichtigkeit, wenn sie sich in Trennwänden zwischen Räumen mit unterschiedlicher Druckbeaufschla- gung oder etwa in Dichtungssitzen befinden. Das Gefüge der untersuchten Probestücke war durchwegs im wesentlichen globulitisch und wies eine mittlere Korngröße von etwa 30 μm auf. Als Maß für die Fließfähigkeit der Legierung wurde die Gießspirallänge (nach Schneider) bei einer Temperatur von 1000°C bis 1005°C bestimmt. Die ermittelten Werte lagen zwischen 522 mm und 531 mm und somit im Bereich der von Gk Ms 60 Fk bekannten Werte (500 mm - 600 mm).

Es wurden mehrere Fertigteile einer spangebenden Bearbeitung auf au- tomatischen Maschinen unterzogen, indem wie im normalen Fertigungs- prozeß Gewinde und Dichtungsplanflächen hergestellt wurden. Es zeigte sich, daß die mit der erfindungsgemäßen Legierung gegossenen Formteiie ebensogut spanend bearbeitet werden konnten, wie solche aus der her- kömmlichen Messinglegierung Gk Ms 60 Fk. Die von den Formteilen ab- gedrehten Späne waren ebenso wie bei den bleihaltigen Messinglegie- rungen kurzbrüchig.

Auch bei Schleifversuchen, bei denen der Materialabtrag innerhalb einer vorbestimmten Zeit bestimmt wurde, ergaben sich keine signifikanten Un- terschiede zum herkömmlichen Messing. Ebenso wurden hinsichtlich der Galvanisierbarkeit der aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestell- ten Gußteile keine Unterschiede zu herkömmlichen Messing-Gußteilen festgestellt.

Die mechanischen Eigenschaften wurden gemäß DIN 1709 Abs. 5 ermit- telt. Aus den normgemäß gegossenen Keilproben wurde der unterste Abschnitt für die "Rundprobe" entnommen. Die Rundproben wurden nach DIN 50150 angefertigt und gezogen. Die ermittelten Werte sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben: Tabelle 1 :

erf.gem. Gk Ms60 Fk Legierung

Dehngrenze Rp 0,2 (N/mm2): 157,0 153,7

Zugfestigkeit Rm (N/mm2): 360,8 396

Bruchdehnung A10 (%): 12,6 19,7

Brinellhärte 2,5/62,5 (HB): 121 107

Zur Bestimmung der Entzinkungsbeständigkeit wurde eine Entzinkungs- probe nach der ISO-Norm 6509-1981 (E) gefertigt. Der Entzinkungstest selbst wurde nach dem australischen Standard Nr. 2345-1980 durchge¬ führt. Die festgestellten Entzinkungstiefen waren durchwegs größer als 100μm, lagen jedoch in den von Gk Ms 60 Fk her bekannten Bereichen.

Beispiel 2:

Dieses Ausführungsbeispiel betrifft eine Legierung mit folgender Zusammensetzung (Gew. %):

Cu: 63,00 %, Bi: 0,8 %, Mn: 0,45 %, Si: 0,5 %, AI: 0,5 %, Sb: 0,1 %, B: 10 ppm, Pb: < 0,10 %, Sn: < 0,10 %, Fe: < 0,10 %, Ni: < 0,10 %, Zn: Rest

Zur Bestimmung der Entzinkungsbeständigkeit wurden von mit der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Wasserarmaturen (Probe P III in Tabelle 2) Querschliffe kalt herausgetrennt und einer Prüfung nach ISO 6509 (Corrosion of metals and alloys/Determination of dezincification resistance of brass -, Ausgabe 1981) unterzogen. Die Gießtemperatur betrug 1000°C. Zum Vergleich wurden 2 Proben (Pl und Pll) mit folgender bekannter Zusammensetzung getestet (Angaben in Gew.%):

Cu: 60,06 %, Zn: 37,38 %, Ni: 0,030 %, AI: 0,65 %, Mn: < 0,010 %, Sn: 0,10 %, Sb: 0,020 %, Si: 0,010 %, Fe: 0,080 %, Pb: 1 ,65 %, B: 0,0008 %. Das Ergebnis der Entzinkungsbeständigkeitsprüfung geht aus der fol- genden Tabelle 1 hervor:

Tabelle 2:

Probe Entzinkungstiefe (μm) P l 550 P ll 220 P lll 60

Bei der Probe III wurde eine Entzinkungstiefe von 60 μ festgestellt, wäh- rend die aus herkömmlichem Gk Ms 60 Fk bestehenden Proben wesentlich höhere Entzinkungstiefen aufwiesen. Entsprechend der Normen BS 2872 (BS = Britischer Standard), BS 2974, SS 11710 (SS = Schwedischer Standard) bzw. schwedischer Baunorm R 8 ist die Probe Plll entzinkungsbeständig. Die zulässige Entzinkungstiefe nach BS für Gußstücke beträgt 100 μm, nach der schwedischen Baunorm R 8 200 μm.

Die nun folgenden Versuche wurden mit Proben PIV und PV mit folgenden Zusammensetzungen (Angaben in Gew.%) durchgeführt:

PIV: Cu: 64,81 %, Bi: 0,33 %, Mn: 0,44 %, Fe: 0,039 %, B: 0,0015 %, Ni: < 0,01 %, Si: 0,53 %, Sn: < 0,01 %, Pb: < 0,01 %, AI: 0,53 %, Zn: Rest.

PV: Cu: 64,83 %, Bi: 0,53 %, Fe: 0,049 %, Mn: 0,40 %. Die restlichen Le¬ gierungsbestandteile stimmen mit denen von PIV überein.

Zunächst wurden Gußteile unter üblichen Herstellungsbedingungen gegossen. Diese Gußteile wurden zunächst einem maschinellen Rund- schleifen, einem Fertig- und Feinschleifen per Hand und schließlich einer sowohl maschinell als auch von Hand ausgeübten Polierung unterzogen. Die Teile wurden dabei in die normale Fertigung eingeschleust und im Rohzustand und nach jedem der genannten Vorgänge gewogen. Dabei ergab sich, daß im Vergleich zu aus herkömmlichem Messing Gk Ms 60 Fk hergestellten Gußteilen der Materialabtrag durch das maschinelle Schleifen signifikant geringer war. Die Oberflächengüte der mit der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Teile war gegenüber den herkömmlichen Gußteilen besser, was sich aus einer geringeren Beanstandungszahl nach dem ersten Schleif- bzw. Poliervorgang ergab. Die obengenannten Proben PIV und PV wurden auch Bruchproben un- terzogen, um die Gefügestruktur auf Lunker und "Schwammbereiche" hin zu untersuchen. Sämtliche Proben waren frei von derartigen Gefügefeh- lern.

Mit übligen metallographischen Methoden wurde die MikroStruktur der PIV und PV entsprechenden Legierung bestimmt. Das Gefüge wies eine im wesentlichen globulitische Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße von etwa 35 μm auf. Die maximale Korngröße lag unterhalb von 100 μm.

Zur Bestimmung der Maschinierbarkeit wurden 60 Gußkörper (Armaturen) auf automatischen Maschinen bearbeitet. Es wurden beispielsweise Dichtflächen und Gewinde hergestellt. Dabei zeigte sich, daß die Maschi- nierbarkeit ohne nennenswerte Veränderung der von herkömmlichen Gußteiien gewohnten Bearbeitungsparameter erfolgen kann.

Nach den üblichen standardisierten Methoden wurden die mechanischen Parameter Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Brinellhärte bestimmt. Das Ergebnis dieser Versuchsreihen war, daß die genannten mechanischen Werte mit jenen der bekannten Messinglegierung Gk Ms 60 Fk vergleichbar waren.

Claims

Ansprüche

1. Legierung mit

- 57 bis 65 Gew% Kupfer,

- bis 3 Gew% sonstigen Legierungsbestandteilen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen

- einem die spangebende Bearbeitung ermöglichenden Zusatz, und

- Zink als Rest, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz Wismut ist.

gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (Gew%):

Cu: 57 - 62 %

Bi: 0,3 - 1 ,5 %

AI: 0,4 - 0,8 %

B: 5 - 15 ppm

Verunreinigungen: 0 - 1 %

Zn: Rest

3. Legierung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (Gew%):

Cu 59,78

AI: 0,60

Bi: 1 ,00

B: 13 ppm

Pb 0,02

Sn 0,01

Fe 0,02

Sb 0,01 Si: 0,01 Zn: Rest

4. Legierung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (Gew.%):

Cu: 62 - 65% Bi: 0,3 - 1,5% Mn: 0,3 - 0,7% Si: 0,3 - 0,7% AI: 0,3 - 0,7% Sb: 0,05 - 0,15% B: 5 - 15 ppm Sonstige: < 1 % Zn: Rest

5. Legierung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (Gew.%):

Cu: 62 - 65% Bi: 0,5 - 1,5% Mn: 0,3 - 0,5% Si: 0,5 - 0,7% AI: 0,3 - 0,7% Sb: 0,05 - 0,1 % B: 5 - 15 ppm Pb: 0 - 0,3% Sn: 0 - 0,25% Fe: 0 - 0,20% Ni: 0 - 0,5% Zn: Rest 6. Legierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende . Zusammensetzur

Cu: 63,0 %

Bi: 0,8 %

Mn: 0,45 %

Si: 0,5 %

AI: 0,5 %

Sb: 0,1 %

B: 10 ppm

Pb: < 0,1 %

Sn: < 0,1 %

Fe: < 0,1 %

Ni: < 0,1 %

Zn: Rest

7. Legierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende . ^' Zusammensetzuπ

Cu: 64,81 %

Bi: 0,33 %

Mn: 0,44 %

Fe: 0,039 %

B: 15 ppm

Ni: < 0,01 %

Si: 0,53 %

Sn: < 0,01 %

Pb: < 0,01 %

AI: 0,53 %

Zn: Rest

8. Legierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgendi s Zusammensetzung (Gew.%)

Cu: 64,83 %

Bi: 0,53 %

Fe: 0,049 %

Mn: 0,40 %

B: 15 ppm

Ni: < 0,01 %

Si: 0,53 %

Sn: < 0,01 %

Pb: < 0,01 %

AI: 0,53 %

Zn: Rest

9. Verwendung einer Legierung gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 für die

Herstellung von Bauteilen für Trinkwasser-Installationen.