WO2014135181A1 - Kupfer-zink-legierung für eine sanitärarmatur sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Kupfer-zink-legierung für eine sanitärarmatur sowie verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2014135181A1
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Thomas Schröder
Olaf Petzoldt
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Grohe Ag
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • 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
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
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    • 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
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    • E03C1/021—Devices for positioning or connecting of water supply lines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K17/00—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K51/00—Other details not peculiar to particular types of valves or cut-off apparatus
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E03C—DOMESTIC PLUMBING INSTALLATIONS FOR FRESH WATER OR WASTE WATER; SINKS
    • E03C1/00—Domestic plumbing installations for fresh water or waste water; Sinks
    • E03C1/02—Plumbing installations for fresh water
    • E03C1/04—Water-basin installations specially adapted to wash-basins or baths

Definitions

  • Copper-zinc alloy for a sanitary fitting and process
  • the present invention relates to a copper-zinc alloy (or brass alloy) for a sanitary fitting and a method for their production.
  • it is a casting alloy with which water-conducting and / or water-contacting components of a sanitary fitting can be manufactured.
  • the material should be suitable for the production of the sometimes very complex designed components of a sanitary fitting. This applies on the one hand to the good castability or demoulding, but also to the machinability in the event that these components must be reworked by means of spa- nend manufacturing processes.
  • cost aspects also play an important role here.
  • dezincification resistance which can be determined in particular according to a material test in accordance with ISO 6509. The material is heated to 75 ° C for a period of 24 hours.
  • a copper-zinc alloy which solves the problems described at least partially.
  • a copper-zinc alloy should be suitable for use in a sanitary fitting.
  • an advantageous sanitary fitting and a method for their preparation should be specified.
  • the copper-zinc alloy consists of:
  • the residual constituents particular emphasis is given to nickel, whose proportion of the alloy is less than 0.02% by weight.
  • the indicated lead content (Pb) is very small or even no lead is present in the alloy.
  • the copper content (Cu) is also low compared to known alloys.
  • the copper-zinc alloy has only a (negligibly) small amount of silicon (Si). It has surprisingly been found that this copper-zinc alloy is cheaper on the one hand due to the composition chosen here and also has an excellent Entzinkungsbe pretechnik, namely with a zincation depth of less than 200 ⁇ [micrometers], in particular even less than 100 ⁇ .
  • the copper-zinc alloy specified here is, in particular, a so-called cast alloy.
  • the copper-zinc alloy has the following, more precisely specified alloying elements:
  • the copper-zinc alloy has the following, more precisely specified alloying elements:
  • lead content Pb
  • Pb lead content
  • the lead content is known to have a positive effect on dezincification resistance. It has been found that there is a pronounced grain-fining effect in the specified range. Grain refining causes the portion of the less acid resistant beta brass contained in the brass to be finely and insularly dispersed in the dezincification resistant alpha brass matrix. It is preferred that the lead content is in a range close to the upper limit, that is, for example, in a range of 0.19 to 0.2 wt%.
  • the aluminum (AI) increases the strength of the alpha phase and beta phase in particular by solid solution hardening, without significantly affecting the thermoformability. It also improves resistance to erosion corrosion as well as tarnish and weathering resistance. In addition, aluminum increases the strength and especially for castings to achieve a high surface quality.
  • Aluminum showed in experiments a negative effect on the property of Entzinkungsbe Partix. A relatively small proportion of aluminum results in a lower proportion of less acid-resistant beta brass in the area. The thus reduced beta-brass solid solution will be better shaped-isolated distributed in the dezincification-resistant alpha-brass matrix. Above the stated upper limit, there was a significant deterioration in the dezincification resistance values. If the specified lower limit is not reached, the physically and economically positive effects of aluminum are no longer fully exploited.
  • the aluminum content described for the composition additionally ensures a sufficiently good shape-filling behavior (flowability) of the casting material, which admits from the described copper-zinc alloys. In addition, the specified aluminum content increases the corrosion resistance in slightly alkaline waters and thus contributes to increasing the service life as a corrosion inhibitor.
  • Arsenic (As) promotes here in the specified small amounts that the copper-zinc alloy with the uniform (alpha phase) does not significantly zinc. Arsenic also had a positive effect on the characteristic of defrosting resistance in test series. The arsenic fraction, which is increased in comparison with the conventional standard brass, results in a lower formation of the less acid-resistant beta brass in terms of area.
  • One explanation for the positive effects of arsenic on dezincification resistance may be its effect as an inhibitor of the chemical attack of the acids used in the dezincification test.
  • the upper limit of 0, 14 wt .-%, or in particular 0, 13 wt .-% was chosen in particular also taking into account the target parameters mentioned above.
  • the lower limit of 0.04 wt .-%, or in particular 0.11 wt .-% is the result of series of experiments. Below this limit there was a significant deterioration in dezincification resistance. It is preferred that the arsenic fraction is in a partial range which is close to the upper limit, that is to say for example in a range from 0.12 to 0.13% by weight.
  • the proposed iron content (Fe) in particular supports grain refining by primary precipitated iron crystals and thus improves the mechanical properties of the components. Iron had a positive effect on the characteristic of dezincification resistance in test series. This can be explained by the proven grain-refining effect.
  • Grain refining means that the iron content of the less acid-resistant beta brass contained in the brass is finely and insularly dispersed in the dezincification-resistant alpha-brass matrix.
  • the upper limit of 0.3% by weight, or in particular 0.2% by weight, has been established because higher iron values can cause the formation of hard inclusions.
  • the explanation lies in the relatively high melting point of iron. Hard inclusions lead to surface defects that are not accepted in exposed fittings.
  • the preferred lower limit of 0.16 wt% is the result of series of experiments. Below this limit there was a significant deterioration in terms of dezincification resistance. It is preferred that the iron content in a partial range of 0.16 wt .-% to 0.24 wt .-%, particularly preferably 0.18 wt .-% to 0.20 wt .-% is.
  • the lower limit of 0.0% by weight is the result of test series and the fact that, depending on the feedstock, very little or no tin can be present. It has also been shown that the addition of tin is a positive Influence on the machinability of workpieces made of the alloy has. It is therefore advantageous if the tin content is at least 0.1% by weight.
  • the manganese content proposed here improves the mechanical properties and the corrosion resistance, in particular against weathering or moisture.
  • the upper limit of 0.1% by weight, in particular 0.02% by weight, has been established in order then to avoid any problems with hard inclusions which may occur.
  • the determination was made on the basis of experience in the melting-adjusting levels.
  • residual components may still be provided, which may include specific alloying elements as well as (unavoidable) impurities.
  • Each of these residual constituents is allowed with a maximum content of 0.02 wt .-%.
  • the sum of all residual components should in particular not exceed the value 0.2% by weight.
  • nickel should be emphasized.
  • Ni nickel
  • a release of nickel from water in contact with a workpiece made of the alloy can be minimized.
  • the copper-zinc alloy is to be selected with the content ranges indicated here so that the sum of the alloy components 100 wt .-% results.
  • the following composition is proposed for the copper-zinc alloy:
  • the relationships described above for the alloy with 0.17 to 0.2 wt.% Pb also apply to this alloy with less than 0.17 wt. -% Pb.
  • the Pb content has (as described above) the purpose of achieving grain refining of the copper-zinc alloy and in particular to improve the machinability of the alloy and to improve the workability of workpieces made of the alloy. It has surprisingly been found that the material can also be produced with a lead content of less than 0.17% by weight.
  • the lead content is even less than 0.169 wt .-%, or even less than 0.165 wt .-% and is most preferably even less than 0.1 wt .-%.
  • RoH's Electronic Equipment Directive Directive 2002/95 / EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment
  • the lead content may thus be at least 0.07 wt .-% in particular.
  • the tin content (Sn) is of particular importance for the variant embodiment of the alloy with reduced lead content. Therefore, the preferred composition of the other embodiment of the alloy having less than 0.17 weight percent lead has a tin content greater than 0.2 weight percent.
  • the tin content improves the corrosion resistance and the machinability of the alloy.
  • the comparison with the embodiment with a lead content of 0.17 wt .-% to 0.2 % By weight reduced lead content of less than 0.17 wt .-% can be at least partially offset by an increased tin content, with respect to the properties mentioned or effects of the alloy comparable good results can be achieved.
  • the tin content is therefore preferably above 0.2 wt .-%. Particularly preferably, the tin content is even more than 0.21% by weight.
  • the lead test for alloys applies the lead release to water which is in contact with workpieces produced from the alloys Limits for the lead levy significantly below.
  • a material is placed in a solution, the solution acting on the material for a given (relatively long) period of time. This period can be, for example, 26 weeks. Subsequently, the amount of alloying ingredients that the workpiece has delivered to the solution is measured.
  • Tests are known for the dezincification resistance of alloys for brass plumbing fixtures in which the alloy is placed in solution for a predetermined period of time and it is tested to what depth dezincification of the material has taken place.
  • An example of this is the test according to GSO 481.1.110 (Australia Standard 2345 - 2006).
  • a sample of the alloy is stored for 24 hours in a test solution containing copper chloride at 75 ° C.
  • grindings are made and the depth of dezincing is optically measured under the microscope.
  • the depth of dezincing may amount to a maximum of 100 ⁇ [micrometers] on average.
  • These requirements consist of both the specified alloys with a lead content of 0.17 wt .-% to 0.2 wt .-% and the alloys with a lead content of less than 0.17 wt .-%.
  • the copper-zinc alloy does not contain silicon (Si).
  • this silicon-free alloy can possibly be recycled together with other copper-zinc alloys after use.
  • the proposed copper-zinc alloy finds particular use in a sanitary fitting.
  • there water-containing components and / or water-exposed components are provided with such a copper-zinc alloy. These may in particular be cast components. Examples of such components are housing components, rings, sleeves, and the like.
  • a sanitary fitting comprising a housing member forming at least one outer surface or including an inner surface for a watercourse is configured to mold at least the outer surface or the inner surface with the copper-zinc alloy. So here are especially wetted with water and / or the Water leading surfaces of the housing component addressed. It is also possible that with the copper-zinc alloy, both the outer surface and the inner surface of the housing member is formed, for example, when the housing member is integrally molded. Regardless, it is possible to provide a protective layer on the outer surface and / or the inner surface, in particular with regard to the optical design and / or the additional improvement of the corrosion protection.
  • Cooling the copper-zinc alloy is specified, wherein the cast component is subsequently subjected to a heat treatment.
  • the retention time is in the range from 40 minutes to 70 minutes, very particularly preferably in the range from 50 to 65 minutes.
  • the heat treatment described is particularly advantageous when the stated copper-zinc alloy is used with less than 0.17 wt .-% Pb.
  • a grain refining of the copper-zinc alloy can be achieved, which leads to an improved machinability and an improved dezincification resistance.
  • the heat treatment described therefore makes it possible to reduce the lead content while maintaining the machinability and dezincification resistance.
  • Embodiment 2 is a diagrammatic representation of Embodiment 1:
  • the examples given are characterized by a very good dezincification resistance, at the same time having a composition which is easily recyclable with other brass components.
  • the copper-zinc alloy according to the embodiment 2 is suitable for further processing with the described method for producing a cast component. Due to the heat treatment described, properties of the cast component can be achieved, in particular with regard to machinability and dezincification resistance, in which it was previously assumed that these properties can only be achieved by increasing the lead contents above 0.2% by weight.
  • This alloy has a very high copper content (approx. 76% by weight) and is therefore very expensive.
  • the also very high silicon content of about 4 wt .-% leads to immense problems with mixing with conventional alloys, in particular there is a risk of inclusions including silicon oxide.
  • the recycling material must therefore be strictly separated and it may be used only pure materials. In practice, blends of CuZn21Si3P and other materials in a foundry will require either separate furnaces or crucible furnaces with interchangeable inserts.
  • This brass has a lead content of up to 1.6 wt .-% and therefore can not be classified as a lead-free brass.
  • FIG. 1 shows an integrally molded housing part 2 for a sanitary fitting.
  • the housing component 2 forms an outer surface 3, which, for example, is visible to the operator.
  • the housing component 2 forms an inner surface 4, with which the watercourse 5 is formed.
  • the housing component 2 is very particularly preferably a cast component made of the copper-zinc alloy according to the invention.
  • the copper-zinc alloy as well as components produced with it allow a particularly environmentally friendly and cost-effective provision of sanitary fittings.
  • the copper-zinc alloy and the cast-zinc components made from the copper-zinc alloy comply with all currently known hygiene requirements, in particular with regard to the heavy metal content and the Heavy metal release, corrosion resistance and Entzinkungsbesta--.

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Abstract

Kupfer-Zink-Legierung, insbesondere für die Bereitstellung von Bauteilen einer Sanitärarmatur, bestehend aus (in Gew.-%): 63,0 bis 64,5 % Cu, 33,8 bis 36,8 % Zn, 0,0 bis 0,20 % Pb, 0,2 bis 0,7 % AI, 0,04 bis 0,14 % As, 0,00 bis 0,3 % Fe, 0,0 bis 0,3 % Sn, 0,0 bis 0,1 % Mn, sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 %.Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils mit einer solchen Kupfer- Zink-Legierung angegeben. Die Kupfer-Zink-Legierung sowie damit hergestellte Bauteile erlauben eine besonders umweltfreundliche und kostengünstige Bereit- Stellung von Sanitärarmaturen.

Description

Kupfer-Zink-Legierung für eine Sanitärarmatur sowie Verfahren
zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupfer-Zink-Legierung (bzw. Messing- Legierung) für eine Sanitärarmatur sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere handelt es sich um eine Gusslegierung, mit der wasserführende und/oder mit Wasser in Kontakt kommende Bauteile einer Sanitärarmatur gefertigt werden können. Bei der Herstellung von Bauteilen einer Sanitärarmatur sind unterschiedlichste Anforderungen zu berücksichtigen. Generell gilt, dass der Werkstoff für die Herstellung der teilweise sehr komplex gestalteten Bauteile einer Sanitärarmatur geeignet sein soll. Dies betrifft einerseits die gute Gießbarkeit bzw. Entformbar- keit, aber auch die Zerspanbarkeit für den Fall, dass diese Bauteile durch spa- nende Fertigungsverfahren nachbearbeitet werden müssen. Selbstverständlich spielen hierbei auch Kostenaspekte eine wesentliche Rolle.
Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass diese Bauteile ebenfalls zur Trinkwasserförderung eingesetzt werden. Hierfür bestehen weltweit unterschiedliche gesetzliche Anforderungen, die einen dauerhaften Einsatz solcher Bauteile ohne Kontaminierung des Trinkwassers, insbesondere durch Schwermetalle, sicherstellen sollen.
Eine besonders wichtige Anforderung ist hierbei die Entzinkungsbeständigkeit, die insbesondere nach einem Materialtest gemäß ISO 6509 bestimmt werden kann. Dabei wird der Werkstoff für eine Dauer von 24 Stunden in ein 75 °C hei-
- 1 -
BESTÄTIGUNGSKOPI E ßes Kupfer-Chlorid-Bad (CuCI2) mit einer Konzentration von 12,7 Gramm CuCI2 auf einen Liter Wasser (H20) getaucht. Bestimmt wird dann, bis zu welcher Tiefe Zinkionen ausgetragen wurden. Je geringer diese Entzinkungstiefe ist, umso besser ist dieser Werkstoff für die Trinkwasserförderung geeignet.
Eine weitere Anforderung ist, dass die unterschiedlichen Bauteile einer Sanitärarmatur möglichst zusammen recycelt werden können. Zu diesem Zweck wird als vorteilhaft angesehen, dass eine solche Kupfer-Zink-Legierung einen möglichst geringen Anteil von Silizium (Si) aufweist. Damit kann sichergestellt werden, dass die Legierung im Standardherstellungsprozess mit den Standardmessinglegierungen vermischt und somit recycelt werden kann.
Daraus kann entnommen werden, dass bei der Auswahl eines geeigneten Werkstoffs für Bauteile einer Sanitärarmatur eine Vielzahl unterschiedlicher Zielvorga- ben vorliegen, die teilweise auch in Konflikt zueinander stehen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kupfer-Zink- Legierung anzugeben, die die eingangs geschilderten Probleme zumindest teilweise löst. Insbesondere soll eine Kupfer-Zink-Legierung zur Verwendung für eine Sanitärarmatur geeignet sein. Darüber hinaus soll auch eine vorteilhafte Sanitärarmatur sowie ein Verfahren zu deren Herstellung angegeben werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Kupfer-Zink-Legierung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung erläutert diese Merkmale und gibt weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung an.
Erfindungsgemäß besteht die Kupfer-Zink-Legierung aus:
- 63,0 bis 64,5 Gew.-% Kupfer (Cu),
33,8 bis 36,8 Gew.-% Zink (Zn),
- 0,0 bis 0,20 Gew.-% Blei (Pb),
- 0,20 bis 0,70 Gew.-% Aluminium (AI),
0,04 bis 0,14 Gew.- % Arsen (As),
0,0 bis 0,30 Gew.-% Eisen (Fe),
0,0 bis 0,30 Gew.-% Zinn (Sn),
0,0 bis 0,10 Gew.-% Mangan (Mn),
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 Gew.-%.
Bei den Restbestandteilen ist insbesondere Nickel hervorzuheben, dessen Anteil an der Legierung bei weniger als 0,02 Gew.-% liegt. Bei dieser Kupfer-Zink-Legierung ist hervorzuheben, dass der angegebene Bleigehalt (Pb) sehr klein ist oder sogar kein Blei in der Legierung vorhanden ist. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass der Kupfergehalt (Cu) ebenfalls gegenüber bekannten Legierungen niedrig ist. Ebenso ist herauszustellen, dass die Kupfer- Zink-Legierung nur einen (vernachlässigbar) kleinen Gehalt an Silizium (Si) hat. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass diese Kupfer-Zink-Legierung aufgrund der hier gewählten Zusammensetzung einerseits kostengünstiger ist und zudem eine hervorragende Entzinkungsbeständigkeit aufweist, nämlich mit einer Ent- zinkungstiefe von weniger als 200 μιη [Mikrometer], insbesondere sogar weniger als 100 μιη. Bei der hier angegebenen Kupfer-Zink-Legierung handelt es sich insbesondere um eine sogenannte Gusslegierung.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kupfer-Zink-Legierung folgende, genauer spezifizierte Legierungselemente:
- 63,0 bis 64,5 Gew.-% Kupfer (Cu),
- 33,8 bis 36,8 Gew.-% Zink (Zn),
- 0,017 bis 0,20 Gew.-% Blei (Pb),
0,20 bis 0,70 Gew.-% Aluminium (AI),
0,04 bis 0,14 Gew.- % Arsen (As),
- 0,0 bis 0,30 Gew.-% Eisen (Fe),
0,0 bis 0,30 Gew.-% Zinn (Sn),
0,0 bis 0,10 Gew.-% Mangan (Mn),
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 Gew.-%. Ganz besonders bevorzugt hat die Kupfer-Zink-Legierung folgende, noch genauer spezifizierte Legierungselemente:
63,5 bis 63,8 Gew.-% Cu,
35,2 bis 35,6 Gew.-% Zn,
- 0,17 bis 0,20 Gew.-% Pb,
- 0,32 bis 0,40 Gew.-% AI,
- 0,11 bis 0,13 Gew.- % As, 0, 16 bis 0,20 Gew.-% Fe,
0,0 bis 0,20 Gew.-% Sn,
0,0 bis 0,02 Gew.-% Mn,
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 Gew.-%.
Bezüglich des Blei-Anteils (Pb) ist anzumerken, dass dieser eine ausreichende Verbesserung der Spanbarkeit der Gusslegierung bewirkt. Weiterhin ist bekannt, dass Blei eine positive Wirkung auf die Entzinkungsbeständigkeit hat. Es wurde festgestellt, dass in dem angegebenen Bereich eine hervorzuhebende korn- feinende Wirkung vorliegt. Die Kornfeinung bewirkt, dass der im Messing enthaltene Anteil des weniger säureresistenten Beta-Messings fein und inselförmig- isoliert in der entzinkungsbeständigen Alpha-Messing-Matrix verteilt wird. Bevorzugt ist, dass der Blei-Anteil in einem Teilbereich liegt, der nahe der Obergrenze liegt, also beispielsweise in einem Bereich von 0,19 bis 0,2 Gew.-%.
Das Aluminium (AI) erhöht insbesondere durch Mischkristallhärtung die Festigkeit der Alpha-Phase und Beta-Phase, ohne wesentlich das Warmformvermögen zu beeinflussen. Ferner verbessert es den Widerstand gegen Erosionskorrosion sowie die Anlauf- und Witterungsbeständigkeit. Außerdem erhöht Aluminium die Festigkeit und speziell bei Gusserzeugnissen eine hohe Oberflächenqualität zu erreichen.
Aluminium zeigte in Versuchsreihen eine negative Wirkung auf die Eigenschaft der Entzinkungsbeständigkeit. Ein relativ geringer Aluminiumanteil bewirkt eine flächenanteilmäßig geringere Ausbildung des weniger säureresistenten Beta- Messings. Der so reduzierte Beta-Messing-Mischkristallanteil wird besser insel- förmig-isoliert in der entzinkungsbeständigen Alpha-Messing-Matrix verteilt. Oberhalb der angegebenen Obergrenze kam es zu einer deutlichen Verschlechterung der Entzinkungsbeständigkeitswerte. Falls die angegebene Untergrenze unterschritten wird, werden die physikalisch und wirtschaftlich positiven Wir- kungen des Aluminiums nicht mehr umfassend genutzt. Der für die Zusammensetzung beschriebene Aluminiumgehalt sorgt zusätzlich für ein ausreichend gutes Formfüllungsverhalten (Fließfähigkeit) des Gießwerkstoffes, der aus den beschriebenen Kupfer-Zink-Legierungen gesteht. Der angegebene Aluminiumgehalt erhöht darüber hinaus die Korrosionsbeständigkeit in leicht alkalischen Wässern und trägt somit als Korrosionsinhibitor zur Erhöhung der Lebensdauer bei.
Arsen (As) fördert hier in den angegebenen, geringen Mengen, dass die Kupfer- Zink-Legierung mit der einheitlichen (Alpha-Phase) nicht wesentlich zinkt. Arsen hatte in Versuchsreihen auch eine positive Wirkung auf das Merkmal Entzin- kungsbeständigkeit. Der gegenüber dem herkömmlichen Standardmessing erhöhte Arsen-Anteil bewirkt eine flächenanteilmäßig geringere Ausbildung des weniger säureresistenten Beta-Messings. Eine Erklärung für die positiven Auswirkungen von Arsen auf die Entzinkungsbeständigkeit kann seine Wirkung als Inhibitor gegen den chemischen Angriff der beim Entzinkungstest verwendeten Säuren sein. Die Obergrenze von 0, 14 Gew.-%, bzw. insbesondere 0, 13 Gew.-% wurde insbesondere auch unter Berücksichtigung der eingangs genannten Zielparameter gewählt. Die Untergrenze von 0,04 Gew.-%, bzw. insbesondere 0,11 Gew.-% ist das Ergebnis von Versuchsreihen. Unterhalb dieser Grenze gab es eine deutliche Verschlechterung der Entzinkungsbeständigkeit. Bevorzugt ist, dass der Arsen-Anteil in einem Teilbereich liegt, der nahe der Obergrenze liegt, also beispielsweise in einem Bereich von 0,12 bis 0,13 Gew.-%. Der vorgeschlagene Eisengehalt (Fe) unterstützt insbesondere eine Kornfeinung durch primär ausgeschiedene Eisenkristalle und verbessert damit die mechanischen Eigenschaften der Bauteile. Eisen hatte in Versuchsreihen eine positive Wirkung auf das Merkmal Entzinkungsbeständigkeit. Dies kann durch die nach- gewiesene kornfeinende Wirkung erklärt werden. Die Kornfeinung bewirkt, dass der im Messing enthaltene Eisen-Anteil des weniger säureresistenten Beta- Messings fein und inselförmig- isoliert in der entzinkungsbeständigen Alpha- Messing-Matrix verteilt wird. Die Obergrenze von 0,3 Gew.-%, bzw. insbesondere 0,2 Gew.-% wurde festgelegt, weil höhere Eisenwerte die Bildung von Hartein- Schlüssen hervorrufen können. Die Erklärung hierfür liegt im relativ hohen Schmelzpunkt des Eisens. Harteinschlüsse führen zu Oberflächenfehlern, die bei Aufputz-Armaturen nicht akzeptiert werden. Die bevorzugte Untergrenze von 0,16 Gew.-% ist das Ergebnis von Versuchsreihen. Unterhalb dieser Grenze gab es eine deutliche Verschlechterung im Hinblick auf die Entzinkungsbeständigkeit. Bevorzugt ist, dass der Eisen-Anteil in einem Teilbereich von 0,16 Gew.-% bis 0,24 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,18 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% liegt.
Der Zinngehalt (Sn) erhöht insbesondere in einphasigen (Alpha-) Kupfer-Zink- Legierungen den Korrosionswiderstand (durch Deckschichtbildung) und verbes- sert insbesondere die Festigkeits- und/oder Gleiteigenschaften. Die Obergrenze von 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,2 Gew.-% wurde festgelegt, weil darüber hinaus keine positiven Effekte auf den Korrosionswiderstand festgestellt werden konnten. Die Untergrenze von 0,0 Gew.-% ist das Ergebnis von Versuchsreihen und der Tatsache, dass je nach Einsatzmaterial nur sehr wenig oder kein Zinn enthal- ten sein kann. Weiter hat sich gezeigt, dass die Zugabe von Zinn einen positiven Einfluss auf die Bearbeitbarkeit von Werkstücken aus der Legierung hat. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Zinngehalt bei mindestens 0,1 Gew.- liegt.
Der hier vorgeschlagene Mangangehalt verbessert die mechanischen Eigenschaf- ten und die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegen Witterungseinflüsse bzw. Feuchtigkeit. Die Obergrenze von 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,02 Gew.-% wurde festgelegt, um dann ggf. auftretende Probleme mit Harteinschlüssen zu vermeiden. Die Festlegung erfolgte außerdem auf Grundlage der sich erfahrungsgemäß beim Schmelzen einstellenden Gehalte.
Darüber hinaus können noch Restbestanteile vorgesehen sein, wobei diese konkrete Legierungselemente sowie (unvermeidbare) Verunreinigungen umfassen können. Jeder dieser Restbestandteile ist mit einem Maximalgehalt von jeweils 0,02 Gew.-% erlaubt. Die Summe aller Restbestanteile solle insbesondere den Wert 0,2 Gew.-% nicht überschreiten.
Bei den Restbestandteilen ist insbesondere Nickel (Ni) hervorzuheben. Durch einen Nickelgehalt von weniger als 0,02 Gew.-% kann eine Abgabe von Nickel an Wasser, das mit einem aus der Legierung gefertigten Werkstück in Kontakt ist, minimiert werden.
Klar ist, dass die Kupfer-Zink-Legierung mit den hier angegebenen Gehaltsbereichen so zu wählen ist, dass die Summe der Legierungsbestandteile 100 Gew.-% ergibt. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante zur weiter oben beschriebenen Spezifikation einer Legierung mit einem Anteil von 0,17 bis 0,2 Gew.-% Pb, wird für die Kupfer-Zink-Legierung folgende Zusammensetzung vorgeschlagen:
63,0 bis 64,5 Gew.-% Cu,
- 33,8 bis 36,8 Gew.-% Zn,
weniger als 0,17 Gew. -% Pb,
- 0,2 bis 0,7 Gew.-% AI,
- 0,04 bis 0,14 Gew.- % As,
0,0 bis 0,3 Gew.-% Fe,
- 0,0 bis 0,3 Gew.-% Sn,
0,0 bis 0,1 Gew.-% Mn,
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 %.
Besonders bevorzugt hat die Kupfer-Zink-Legierung gemäß der anderen Ausfüh- rungsvariante folgende Zusammensetzung:
63,0 bis 64,5 Gew.-% Cu,
- 33,8 bis 36,8 Gew.-% Zn,
weniger als 0,17 Gew.-% Pb,
- 0,2 bis 0,7 Gew.-% Al,
- 0,04 bis 0,14 Gew.- % As,
0,0 bis 0,3 Gew.-% Fe,
mehr als 0,2 Ges.-% bis maximal 0,3 Gew.-% Sn,
0,0 bis 0,1 Gew.-% Mn,
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 %. Hinsichtlich der Bestandteile Cu, Zn, AI, As, Fe, Sn und Mn gelten die weiter oben für die Legierung mit 0,17 bis 0,2 Gew.-% Pb beschriebenen Zusammenhänge auch für diese Legierung mit weniger als 0,17 Gew.-% Pb. Der Pb-Anteil hat (wie auch weiter oben beschrieben) den Zweck, eine Kornfei- nung der Kupfer-Zink-Legierung zu erreichen und insbesondere die Spanbarkeit der Legierung zu verbessern sowie die Bearbeitbarkeit von Werkstücken aus der Legierung zu verbessern. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass der Werkstoff auch mit einem Blei-Gehalt von weniger als 0,17 Gew.- herstellbar ist. Besonders bevorzugt ist der Blei-Gehalt sogar kleiner als 0,169 Gew.-%, bzw. sogar kleiner als 0,165 Gew.-% und liegt ganz besonders bevorzugt sogar unter 0,1 Gew.-%. Gemäß der Elektronikverordnung RoHs (Richtlinie 2002/95/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 27. Januar 2003 zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten) und diverser nationaler Anforderungen (bspw. in Schweden) gilt ein Werkstoff bei einem Blei-Gehalt von unter 0,1 Gew.-% als bleifrei. Gegebenenfalls kann der Blei- Gehalt somit insbesondere mindestens 0,07 Gew.-% betragen.
Der Zinngehalt (Sn) ist für die Ausführungsvariante der Legierung mit reduziertem Bleigehalt von besonderer Bedeutung. Deshalb hat die bevorzugte Zusammensetzung der anderen Ausführungsvariante der Legierung mit weniger als 0,17 Gew.-% Blei einen Zinngehalt von mehr als 0,2 Gew.-%. Der Zinngehalt ver- bessert die Korrosionsbeständigkeit und die Spanbarkeit der Legierung. Der gegenüber der Ausführungsvariante mit einem Bleigehalt von 0,17 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% reduzierte Bleigehalt von weniger als 0,17 Gew.-% kann durch einen erhöhten Zinngehalt zumindest teilweise ausgeglichen werden, wobei mit Bezug auf die angesprochenen Eigenschaften bzw. Effekte der Legierung vergleichbar gute Ergebnisse erreichbar sind. Der Zinngehalt liegt daher bevorzugt oberhalb von 0,2 Gew.-%. Besonders bevorzugt liegt der Zinngehalt sogar bei mehr als 0,21 Gw.-%.
Für beide der hier beschriebenen Legierungen gilt, dass im Zulassungstest für Legierungen (Leachingtest gemäß DIN EN 15664-1 zur Materialzulassung - soge- nannte 4 Memberstates - Positivliste) die Bleiabgabe an Wasser, welches mit aus den Legierungen gefertigten Werkstücken in Kontakt ist, die vorgegebenen Grenzwerte für die Bleiabgabe deutlich unterschreitet. Bei diesem Test wird ein Material in eine Lösung gebracht, wobei die Lösung für einen vorgegebenen (verhältnismäßig langen) Zeitraum auf das Material einwirkt. Dieser Zeitraum kann beispielsweise 26 Wochen betragen. Anschließend wird die Menge an Legierungsbestandteilen gemessen, die das Werkstück an die Lösung abgegeben hat.
Es sind Tests für die Entzinkungsbeständigkeit von Legierungen für Messing- Sanitärarmaturen bekannt, bei dem die Legierung einen vorbestimmten Zeitraum in eine Lösung eingelegt wird und geprüft wird, bis in welche Tiefe eine Entzinkung des Materials stattgefunden hat. Ein Beispiel hierfür ist die Prüfung nach GSO 481.1.110 (Australien Standard 2345 - 2006). Bei diesem Test wird eine Probe der Legierung für 24 Stunden in einer Testlösung mit Kupferchlorid bei 75°C gelagert. Anschließend werden Schliffe angefertigt und die Entzinkungstiefe wird unter dem Mikroskop optisch vermessen. An 25 Messpunkten an der Probe darf die Entzinkungstiefe im Mittel maximal 100 μητι [Mikrometer] betragen. Diese Anforderungen bestehen sowohl die angegebenen Legierungen mit einem Blei-Gehalt von 0,17 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% als auch die Legierungen mit einem Bleigehalt von weniger als 0,17 Gew.-%
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Kupfer-Zink-Legierung kein Silicium (Si) enthält.
Neben Kostenvorteilen führt dies dazu, dass diese siliziumfreie Legierung nach dem Gebrauch ggf. mit anderen Kupfer-Zink-Legierungen zusammen recycelt werden kann. Dadurch, dass die Legierung frei von Silizium ist, können insbesondere Effekte durch Harteinschlüsse und lokale Ausfällungen vermieden werden, die beim Einschmelzen der Legierung auftreten könnten. Die vorgeschlagene Kupfer-Zink-Legierung findet insbesondere Verwendung bei einer Sanitärarmatur. Insbesondere werden dort Wasser führende Bauteile und/oder Wasser ausgesetzte Bauteile mit einer solchen Kupfer-Zink-Legierung bereitgestellt. Hierbei kann es sich insbesondere um gegossene Bauteile handeln. Beispiele für solche Bauteile sind Gehäusebauteile, Ringe, Hülsen, und der- gleichen.
Demgemäß wird auch vorgeschlagen, dass eine Sanitärarmatur, ausweisend ein Gehäusebauteil, das zumindest eine Außenoberfläche bildet oder eine Innenoberfläche für einen Wasserlauf umfasst, so gestaltet ist, dass zumindest die Au- ßenoberfläche oder die Innenoberfläche mit der Kupfer-Zink-Legierung ausgeformt wird. Damit sind hier insbesondere die mit Wasser benetzten und/oder die Wasser führenden Oberflächen des Gehäusebauteils angesprochen. Es ist auch möglich, dass mit der Kupfer-Zink-Legierung sowohl die Außenoberfläche als auch die Innenoberfläche des Gehäusebauteils gebildet wird, bspw. wenn das Gehäusebauteil einstückig gegossen ist. Ungeachtet dessen ist möglich, auf der Außenoberfläche und/oder der Innenoberfläche noch eine Schutzschicht vorzusehen, insbesondere im Hinblick auf die optische Gestaltung und/oder die zusätzliche Verbesserung des Korrosionsschutzes.
Darüber hinaus wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils aus einer Kupfer-Zink-Legierung vorgeschlagen, umfassend wenigstens die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Kupfer-Zink-Legierung,
Erhitzen der Kupfer-Zink-Legierung, so dass diese in flüssiger Form vorliegt, Gießen der Kupfer-Zink-Legierung in eine vorgegebene Form,
- Abkühlen der Kupfer-Zink-Legierung, so dass diese erstarrt,
Erwärmen der erstarrten Kupfer-Zink-Legierung auf eine Temperatur von 430 °C bis 470 °C für eine vorgegebene Haltezeit,
Abkühlen der Kupfer-Zink-Legierung. Hiermit ist insbesondere ein Gießverfahren angegeben, wobei das gegossene Bauteil nachträglich noch einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Ganz besonders bevorzugt ist, dass die Haltezeit im Bereich von 40 min bis 70 min liegt, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 65 min. Mit der hier vorgeschlagenen Wärmenachbehandlung wird insbesondere eine Gefügeveränderung erreicht, bei der ein Großteil des im Gussteil befindlichen Beta-Messings in entzinkungsbeständiges Alpha-Messing umgewandelt wird. Die beschriebene Wärmebehandlung ist insbesondere vorteilhaft, wenn die angege- bene Kupfer-Zink-Legierung mit weniger als 0,17 Gew.-% Pb verwendet wird. Durch die beschriebene Wärmebehandlung kann insbesondere eine Kornfeinung der Kupfer-Zink-Legierung erreicht werden, welche zu einer verbesserten Span- barkeit und einer verbesserten Entzinkungsbeständigkeit führt. Die beschriebene Wärmebehandlung ermöglicht daher eine Reduktion des Blei-Gehalts bei gleich- bleibender Spanbarkeit und Entzinkungsbeständigkeit.
Zur Veranschaulichung der Erfindung werden nachfolgend drei Beispiele für konkrete Kupfer-Zink-Legierungen angegeben. Zudem wird als Vergleichsbeispiele die Werkstoffe CuZn21Si3P und MS63 aufgeführt, anhand derer die Unterschiede zu der erfindungsgemäßen Kupfer-Zink-Legierung veranschaulicht werden.
Ausführungsbeispiel 1:
63,60 Gew.-% Cu; 35,50 Gew.-% Zn; 0,177 Gew.-% Pb;
0,382 Gew.-% AI; 0,128 Gew.-% As; 0,187 Gew.-% Fe;
0,017 Gew.-% Sn; 0,001 Gew.-% Mn;
0,008 Gew.-% Restbestandteile
Ausführungsbeispiel 2:
63,29 Gew.-% Cu; 35,57 Gew.-% Zn; 0,168 Gew.-% Pb; 0,459 Gew.-% AI; 0,135 Gew.-% As; 0,163 Gew.-% Fe;
0,212 Gew.-% Sn; 0,001 Gew.-% Mn;
0,002 Gew.-% Restbestandteile Ausführungsbeispiel 3:
63,38 Gew.-% Cu; 35,51 Gew.-% Zn; 0,148 Gew.-% Pb;
0,433 Gew.-% AI; 0,125 Gew.-% As; 0,164 Gew.-% Fe;
0,239 Gew.-% Sn; 0,001 Gew.-% Mn
Die angegebenen Beispiele zeichnen sich durch eine sehr gute Entzinkungsbeständigkeit aus, wobei gleichzeitig eine Zusammensetzung vorliegt, die mit anderen Messingbauteilen einfach wiederverwertbar ist. Insbesondere die Kupfer- Zink-Legierung gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 ist dafür geeignet, mit dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils weiterverarbeitet zu werden. Durch die beschriebene Wärmebehandlung können insbesondere hinsichtlich der Spanbarkeit und der Entzinkungsbeständigkeit Eigenschaften des Gussbauteils erreicht werden, bei denen vormals davon ausgegangen wurde, dass diese Eigenschaften nur durch erhöhte Blei-Gehalte oberhalb von 0,2 Gew.- % erreichbar sind.
Vergleichswerkstoffe: CuZn21Si3P:
Diese Legierung hat einen sehr hohen Kupfergehalt (ca.: 76 Gew.-%) und ist daher sehr teuer. Der ebenfalls sehr hohe Siliziumgehalt von ca. 4 Gew.-% führt zu immensen Problemen bei der Vermischung mit herkömmlichen Legierungen, insbesondere besteht die Gefahr von Einschlüssen umfassend Siliziumoxyd. Das Kreislaufmaterial muss also streng getrennt werden und es dürfen nur sortenreine Einsatzstoffe verwandt werden. In der Praxis müssen bei Mischungen von CuZn21Si3P und anderen Materialien in einer Gießerei entweder separate Öfen oder Tiegelöfen mit Wechseleinsätzen verwendet werden.
MS 63:
Dieses Messing hat einen Bleigehalt von bis zu 1,6 Gew.-% und kann daher nicht als bleifreies Messing eingestuft werden.
Ein bevorzugter Anwendungsbereich, auf den die Erfindung jedoch nicht beschränkt sein soll, ist in der beiliegenden Fig. 1 veranschaulicht. Die Figur zeigt ein einstückig ausgeformtes Gehäusebauteil 2 für eine Sanitärarmatur. Das Gehäusebauteil 2 bildet dabei eine Außenoberfläche 3 aus, die bspw. vom Bediener sichtbar ist. Zudem bildet das Gehäusebauteil 2 eine Innenoberfläche 4 aus, mit der der Wasserlauf 5 gebildet ist. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Gehäusebauteil 2 um ein Gussbauteil aus der erfindungsgemäßen Kupfer- Zink-Legierung.
Die Kupfer-Zink-Legierung sowie damit hergestellte Bauteile erlauben eine besonders umweltfreundliche und kostengünstige Bereitstellung von Sanitärarmaturen. Insbesondere entsprechen die Kupfer-Zink-Legierung und aus der Kupfer- Zink-Legierung hergestellte Gussbauteile sämtlichen derzeit bekannten Hygiene- anforderungen, insbesondere hinsichtlich des Schwermetallgehalts sowie der Schwermetallabgabe, der Korrosionsbeständigkeit und der Entzinkungsbestän- digkeit.
Bezugszeichenliste Sanitärarmatur
Gehäusebauteil
Außenoberfläche
Innenoberfläche
Wasserlauf

Claims

Patentansprüche
1. Kupfer-Zink-Legierung bestehend aus:
- 63,0 bis 64,5 Gew.-% Cu,
- 33,8 bis 36,8 Gew.-% Zn,
- 0,0 bis 0,20 Gew.-% Pb,
- 0,2 bis 0,7 Gew.-% AI,
- 0,04 bis 0,14 Gew.- % As,
- 0,0 bis 0,3 Gew.-% Fe,
- 0,0 bis 0,3 Gew.-% Sn,
- 0,0 bis 0,1 Gew.-% Mn,
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 %.
2. Kupfer-Zink Legierung nach Patentanspruch 1, bestehend aus:
- 63,0 bis 64,5 Gew.-% Cu,
- 33,8 bis 36,8 Gew.-% Zn,
- 0,17 bis 0,20 Gew.-% Pb,
- 0,2 bis 0,7 Gew.-% AI,
- 0,04 bis 0,14 Gew.- % As,
- 0,0 bis 0,3 Gew.-% Fe,
- 0,0 bis 0,3 Gew.- Sn,
- 0,O bis O,l Gew.-% Mn,
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 %. Kupfer-Zink Legierung nach Patentanspruch 2, bestehend
63,5 bis 63,8 Gew.-% Cu,
35,2 bis 35,6 Gew.-% Zn,
0,17 bis 0,20 Gew.-% Pb,
0,32 bis 0,40 Gew.-% AI,
0,11 bis 0,13 Gew.- % As,
0,16 bis 0,20 Gew.-% Fe,
0,0 bis 0,20 Gew.-% Sn,
0,0 bis 0,02 Gew.-% Mn,
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 %.
4. Kupfer-Zink Legierung nach Patentanspruch 1, bestehend aus:
- 63,0 bis 64,5 Gew.-% Cu,
- 33,8 bis 36,8 Gew.-% Zn,
- weniger als 0,17 Gew.-% Pb,
- 0,2 bis 0,7 Gew.-% AI,
- 0,04 bis 0,14 Gew.- % As,
- 0,0 bis 0,3 Gew.-% Fe,
- 0,0 bis 0,3 Gew.-% Sn,
- 0,0 bis 0,1 Gew.-% Mn,
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 %.
5. Kupfer-Zink Legierung nach Patentanspruch 4, bestehend aus:
- 63,0 bis 64,5 Gew.-% Cu,
- 33,8 bis 36,8 Gew.- Zn,
- weniger als 0,17 Gew.-% Pb, 0,2 bis 0,7 Gew.-% AI,
0,04 bis 0,14 Gew.- % As,
0,0 bis 0,3 Gew.-% Fe,
mehr als 0,2 Ges.-% bis maximal 0,3 Gew.-% Sn,
0,0 bis 0,1 Gew.-% Mn,
sowie Restbestandteile bis maximal je 0,02 %.
Kupfer-Zink-Legierung gemäß einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei kein Si enthalten ist.
Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung gemäß einem der vorherstehenden Patentansprüche für eine Sanitärarmatur (1).
Sanitärarmatur (1), ausweisend ein Gehäusebauteil (2), das zumindest eine Außenoberfläche (3) bildet oder eine Innenoberfläche (4) für einen Wasserlauf (5) umfasst, wobei zumindest die Außenoberfläche (3) oder die Innenoberfläche (4) mit der Kupfer-Zink-Legierung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 6 ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils aus einer Kupfer-Zink- Legierung, umfassend wenigstens die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Kupfer-Zink-Legierung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 6,
Erhitzen der Kupfer-Zink-Legierung, so dass diese in flüssiger Form vorliegt,
Gießen der Kupfer-Zink-Legierung in eine vorgegebene Form, - Abkühlen der Kupfer-Zink-Legierung, so dass diese erstarrt,
Erwärmen der erstarrten Kupfer-Zink-Legierung auf eine Temperatur von 430 °C bis 470°C für eine vorgegebene Haltezeit,
- Abkühlen der Kupfer-Zink-Legierung.
Verfahren nach Patentanspruch 9, bei der die Haltezeit im Bereich von 40 min bis 70 min liegt.
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