WO2020187758A1 - Cu-zn alloy - Google Patents
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Abstract
The invention relates to the use of a Cu-Zn alloy of the following composition (stated as wt.%): Cu: 80 - 85, Si: 2.0 - 6.0, Al: 0.55 - 2.0, Fe: maximum 0.8, Ni: maximum 0.5, Sn: maximum 0.5, Mn: maximum 0.1, Pb: maximum 0.3, remainder Zn and unavoidable impurities for producing a cavitation resistant product, the surface of which in proper use comes into contact with fluids flowing past.
Description
Cu-Zn-Legierung Cu-Zn alloy
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Cu-Zn-Legierung. The invention relates to the use of a Cu-Zn alloy.
Bei vielen Anwendungsfällen einer Cu-Zn-Legierung werden neben Cu und Zn weitere Legierungselemente in diese eingebracht, um bestimmte Legie rungseigenschaften erzielen zu können. Derartige Legierungen werden auch als Sondermessinglegierungen angesprochen. Das Einsatzgebiet von Sondermessinglegierungen ist sehr umfangreich. Eingesetzt werden derar tige Messinglegierungen beispielsweise zum Herstellen von in Ölumgebun gen, wie beispielsweise Getrieben eingesetzten Bauteilen, auch solche, die in thermisch anspruchsvoller Umgebung eingesetzt werden, wie beispiels weise als Ventilführung bei einem Verbrennungsmotor. Bekannt ist aus DE 10 2014 101 346 A1 eine Messinglegierung, die in besonderer Weise an die Anforderungen eines in einer Ölumgebung eingesetzten Bauteils, ausgelegt ist. Konkret ist in diesem Stand der Technik ein Synchronring als derartiges Bauteil beschrieben. Die Ölumgebung, in der sich der Synchron ring befindet, kann sich in Abhängigkeit von dem Öl und insbesondere des sen Additiven ändern, was Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und die thermische Belastbarkeit haben kann. Begründet liegt dieses darin, dass in Abhängigkeit von den im Öl befindlichen Additiven diese einen un terschiedlichen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit des Synchronrings als beispielhaftes Sondermessinglegierungsprodukt haben. In many applications of a Cu-Zn alloy, in addition to Cu and Zn, other alloy elements are introduced into them in order to be able to achieve certain alloy properties. Such alloys are also referred to as special brass alloys. The field of application of special brass alloys is very extensive. Such brass alloys are used, for example, to manufacture components used in oil environments, such as transmissions, including those that are used in thermally demanding environments, such as, for example, as valve guides in an internal combustion engine. A brass alloy is known from DE 10 2014 101 346 A1, which is specially designed for the requirements of a component used in an oil environment. In this prior art, a synchronizer ring is specifically described as such a component. The oil environment in which the synchronizer ring is located can change as a function of the oil and, in particular, its additives, which can affect the mechanical properties and the thermal load capacity. The reason for this is that, depending on the additives in the oil, they have a different influence on the corrosion resistance of the synchronizer ring as an exemplary special brass alloy product.
Neben einer Beständigkeit gegen Korrosion und wie im Falle der DE 10 2014 101 346 A1 auch gegenüber unterschiedlichen Ölumgebun gen ist in aller Regel gefordert, dass ein solches Sondermessinglegierungs produkt auch bestimmte mechanische Festigkeitswerte aufweist. Bei ande ren Anwendungen wird anstelle oder auch zusätzlich eine Entzinkungsbe ständigkeit gefordert. Auch spielt die Möglichkeit einer spanenden Bearbei tung eines solchen Messinglegierungsproduktes oftmals eine entschei dende Rolle.
Derartige Messinglegierungsprodukte werden allerdings auch in Umgebun gen eingesetzt, in denen eine Kavitationsbeständigkeit gefordert wird. Ka vitation tritt an solchen Messinglegierungsteilen ein, an deren Oberfläche Fluide vorbeiströmen, wie beispielsweise bei Schiffsschrauben, Pumpen, wie etwa Kreiselpumpen oder Zahlradpumpen oder dergleichen ein. Die Ka vitation an der Oberfläche macht sich in Form von kurzzeitigen, sehr starken Druckstößen bemerkbar, die zu einer sogenannten Kavitationserosion (Ka vitationsfraß) führen. Eine dauerhafte Beanspruchung durch Kavitation führt dazu, dass aus der Oberfläche Partikel herausbrechen, was zu einer Be- Schädigung und damit zu einer Schwächung oder sogar zu einer vollständi gen Zerstörung des Bauteils führen kann. Aus diesem Grunde werden Bau teile, die möglichst kavitationsbeständig sein sollen, aus ganz speziellen Messinglegierungen hergestellt. Die derzeit als besonders kavitationsbe ständig angesehene Cu-Zn-Legierung ist die Legierung CuZn16Si4-C. Hier- bei handelt es sich um eine Gusslegierung. Eine vergleichbare Kavitations beständigkeit (Kavitationserosionsresistenz) bieten nur Aluminiumbronzen (CuAI10Ni5Fe5). Die Kavitationsbeständigkeit der CuZn16Si4-C-Legierung ist in "Entwicklung einer kavitationserosionsresistenten pseudoelastischen CuZnSi-Legierung", veröffentlicht in der Zeitschrift METALL, 72. Jahrgang, Ausgabe 11/2018, beschrieben. In addition to resistance to corrosion and, as in the case of DE 10 2014 101 346 A1, also to different oil environments, it is generally required that such a special brass alloy product also have certain mechanical strength values. For other applications, resistance to dezincification is required instead or in addition. The possibility of machining such a brass alloy product also often plays a decisive role. Such brass alloy products are also used in environments in which cavitation resistance is required. Cavitation occurs on brass alloy parts on the surface of which fluids flow, such as ship propellers, pumps such as centrifugal pumps or number wheel pumps or the like. Ka vitation on the surface becomes noticeable in the form of brief, very strong pressure surges, which lead to so-called cavitation erosion (Ka vitationsfraß). Permanent stress through cavitation leads to particles breaking out of the surface, which can lead to damage and thus to a weakening or even to a complete destruction of the component. For this reason, components that should be as cavitation-resistant as possible are made from very special brass alloys. The Cu-Zn alloy currently regarded as particularly resistant to cavitation is the alloy CuZn16Si4-C. This is a cast alloy. Only aluminum bronzes (CuAI10Ni5Fe5) offer comparable cavitation resistance (cavitation erosion resistance). The cavitation resistance of the CuZn16Si4-C alloy is described in "Development of a cavitation erosion-resistant pseudoelastic CuZnSi alloy", published in the METALL magazine, volume 72, issue 11/2018.
Um die Kavitationserosionsbeständigkeit von Silizium-Messinglegierungen weiter zu verbessern, wird gemäß dieser Veröffentlichung versucht, eine bei Raumtemperatur pseudoelastische, feinkörnige Legierung bereit zu stellen. Eine besonders gute Kavitationserosionsresistenz konnte mit der Legierung CuZn35Si1 nachgewiesen werden. Allerdings genügt diese Legierung bzw. das daraus hergestellte Produkt nicht den üblicherweise an ein solches Pro dukt gestellten Temperaturanforderungen. Die Werkstoffanforderungen an ein kavitationserosionsbeständiges Produkt sind hochkomplex. Einerseits soll die Messinglegierung eine gewisse Ver formbarkeit aufweisen, damit bei dem Kavitationsangriff das Material ver schoben werden kann. Allerdings darf dieses nicht herausbrechen. Ande rerseits darf sich die Messinglegierung nicht zu schnell an Hindernissen auf- bauen, weil sonst Material von der Oberfläche hervorsteht und beim nächs ten Kavitationsangriff entfernt werden kann, was zu einem Masseverlust
führt. Die Unterschiedlichkeit der vorbeschriebenen und als kavitationsbe ständig angesehenen Messinglegierungen zeigt, wie schwierig das Auffin den von kavitationserosionsbeständigen Messinglegierungen ist. Noch schwieriger ist es, solche Messinglegierungen aufzufinden, deren Kavitati- onserosionsbeständigkeit gegenüber herkömmlichen sogar noch verbes sert ist. In order to further improve the cavitation erosion resistance of silicon brass alloys, an attempt is made according to this publication to provide a fine-grained alloy which is pseudo-elastic at room temperature. A particularly good resistance to cavitation erosion could be demonstrated with the alloy CuZn35Si1. However, this alloy or the product made from it does not meet the temperature requirements usually placed on such a product. The material requirements for a cavitation erosion-resistant product are highly complex. On the one hand, the brass alloy should have a certain deformability, so that the material can be displaced ver during the cavitation attack. However, this must not break out. On the other hand, the brass alloy must not build up too quickly on obstacles, because otherwise material protrudes from the surface and can be removed during the next cavitation attack, resulting in a loss of mass leads. The differences between the above-described brass alloys, which are regarded as being kavitationsbe constantly, shows how difficult it is to find the cavitation erosion-resistant brass alloys. It is even more difficult to find those brass alloys whose resistance to cavitation erosion is even better than conventional ones.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, eine Messinglegierung vorzuschlagen, die gegenüber der bereits als besonders kavitationsbeständig angesehenen Legierung CuZn16Si4-C eine verbesserte Kavitationserosionsbeständigkeit aufweist und die zudem den an ein solches Werkstück gestellten Tempera turanforderungen genügt, vor allem ohne dass zu diesem Zweck ein auf wendiges bzw. kompliziertes Herstellungsverfahren bemüht werden müsste. Zudem soll sich die Legierung als Knetlegierung eignen, damit aus der Legierung auch Produkte hergestellt werden können, die mit einer Gusslegierung nicht oder nicht mit den gewünschten Anforderungen herge stellt werden können. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Cu-Zn-Legierung mit folgender Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%): Based on this discussed prior art, the invention is therefore based on the object of proposing a brass alloy that has improved cavitation erosion resistance compared to the CuZn16Si4-C alloy, which is already considered to be particularly cavitation-resistant, and which also meets the temperature requirements placed on such a workpiece all without having to use an elaborate or complicated manufacturing process for this purpose. In addition, the alloy should be suitable as a wrought alloy so that products can also be produced from the alloy which cannot be produced with a cast alloy or cannot be produced with the desired requirements. This object is achieved according to the invention by using a Cu-Zn alloy with the following composition (data in% by weight):
Cu: 80 - 85, Cu: 80 - 85,
Si: 2,0 - 6,0, Si: 2.0 - 6.0,
AI: 0,55 - 2,0, AI: 0.55 - 2.0,
Fe: max. 0,8, Fe: max. 0.8,
Ni: max. 0,5, Ni: max. 0.5,
Sn: max. 0,5, Sn: max. 0.5,
Mn: max. 0,1 , Mn: max. 0.1,
Pb: max. 0,3, Pb: max. 0.3,
Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen Remainder Zn and unavoidable impurities
zum Herstellen eines kavitationsbeständigen Produktes, dessen Oberflä che bei bestimmungsgemäßer Anwendung in Kontakt zu vorbeiströmenden Fluiden gelangt. Vor dem Hintergrund der Erkenntnisse aus dem Stand der Technik war es für die am Zustandekommen der Erfindung beteiligten Personen überaus
überraschend, dass die prinzipiell aus DE 102014 101 346 A1 vorbekannte Legierung innerhalb der beanspruchten Gehalte der Legierungselemente eine sogar gegenüber der CuZn16Si4-C deutlich verbesserte Kavitations beständigkeit aufweist. Unerwartet war dieses Ergebnis deswegen, da die Entwicklung ausgehend von CuZn16Si4-C zum Bereitstellen kavitationsbe ständiger Legierungen den Cu-Anteil signifikant reduziert und dementspre chend den Zn-Anteil signifikant angehoben hat, wie das Beispiel CuZn35Si1 als Weiterentwicklung der CuZn16Si4-C-Legierung deutlich macht. Die er findungsgemäße kavitationsbeständige Legierung verfügt demgegenüber über einen gegenüber CuZn16Si4-C höheren Cu-Gehalt und setzt auf das Element Aluminium als Legierungsbestandteil. Aluminium wirkt bekannter maßen in einer Cu-Zn-Legierung festigkeitssteigernd. Daher war nicht zu erwarten, dass diese Legierung die für erforderlich gehaltenen pseudoelas tischen Eigenschaften aufweist, durch die diese besondere Kavitationsbe- ständigkeit dieser Legierung begründet ist. Hingegen liegt in Bezug auf die Legierung CuZn16Si4-C, die einen Ni-Gehalt von bis zu 1 ,0 Gew.-% auf weisen kann, der zugelassene Ni-Gehalt bei der erfindungsgemäßen Legie rung zum Herstellen des kavitationsbeständigen Produktes nur bei 0,5 Gew.-%. for the manufacture of a cavitation-resistant product, the surface of which comes into contact with fluids flowing past when used as intended. Against the background of the findings from the prior art, it was extremely important for the people involved in the creation of the invention It is surprising that the alloy previously known in principle from DE 102014 101 346 A1 has, within the claimed contents of the alloying elements, a cavitation resistance that is significantly improved even compared to CuZn16Si4-C. This result was unexpected because the development based on CuZn16Si4-C to provide cavitation-resistant alloys significantly reduced the Cu content and accordingly increased the Zn content significantly, as the example of CuZn35Si1 as a further development of the CuZn16Si4-C alloy makes clear . In contrast, the cavitation-resistant alloy according to the invention has a higher Cu content than CuZn16Si4-C and relies on the element aluminum as an alloy component. As is well known, aluminum increases the strength of a Cu-Zn alloy. It was therefore not to be expected that this alloy would have the pseudo-elastic properties that were considered necessary, which give rise to this special cavitation resistance of this alloy. On the other hand, with regard to the alloy CuZn16Si4-C, which can have a Ni content of up to 1.0% by weight, the permitted Ni content in the alloy according to the invention for producing the cavitation-resistant product is only 0.5 Wt%.
Der Si-Gehalt beträgt 2,0 bis 6,0 Gew.-%. Eine Erhöhung des Si-Gehaltes führt nicht zu einer weiteren Kavitationsbeständigkeit. In einem Ausfüh rungsbespiel ist vorgesehen, den Si-Gehalt zwischen 3,7 und 6,0 Gew.-% vorzusehen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt dieser zwischen 4,7 und 5,3 Gew.-%. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorge sehen, dass der Si-Gehalt zwischen 2,0 und 2,8 Gew.-% beträgt. The Si content is 2.0 to 6.0 wt%. An increase in the Si content does not lead to any further cavitation resistance. In one embodiment, provision is made for the Si content to be between 3.7 and 6.0% by weight. In a further exemplary embodiment, this is between 4.7 and 5.3% by weight. In yet another exemplary embodiment, it is provided that the Si content is between 2.0 and 2.8% by weight.
Der Aluminiumgehalt beträgt zwischen 0,55 und 2,0 Gew.-%. Vorzugsweise liegt der Al-Gehalt zwischen 0,65 und 1 ,5 Gew.-%. In einem weiteren Aus- führungsbeispiel beträgt der Al-Gehalt 0,8 und 1 ,3 Gew.-%. Mit diesen Al- Gehalten wurden die besten Ergebnisse bezüglich der Korrosionsbestän digkeit erzielt. The aluminum content is between 0.55 and 2.0% by weight. The Al content is preferably between 0.65 and 1.5% by weight. In a further exemplary embodiment, the Al content is 0.8 and 1.3% by weight. The best results in terms of corrosion resistance were achieved with these Al contents.
Die aus DE 10 2014 101 346 A1 vorbekannte Legierung eignet sich als Knetlegierung. Insofern war auch bezüglich dieser Eigenschaft nicht zu er warten, dass sich vor dem Hintergrund, dass herkömmlich maßgeblich nur
Gusslegierungen zum Herstellen von kavitationsbeständigen Produkten o- der Bauteilen eingesetzt worden sind. Dadurch ist die Produktvielfalt, die mit der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt werden kann, auch be züglich der möglichen Gefügeeigenschaften deutlich verbessert. The alloy previously known from DE 10 2014 101 346 A1 is suitable as a wrought alloy. In this respect, it was not to be expected with regard to this property that, against the background that conventional only Casting alloys for the manufacture of cavitation-resistant products or components have been used. As a result, the variety of products that can be produced with the alloy according to the invention is also significantly improved with regard to the possible structural properties.
Von besonderem Vorteil bei dieser Legierung ist, dass sich die positiven Eigenschaften der Kavitationsbeständigkeit dieser Legierung unmittelbar in einem dem Gießen nachfolgenden Warmumformschritt einstellen, ohne dass eine nachgeschaltete besondere thermische Behandlung zum Einstel- len bzw. Herstellen der Kavitationsbeständigkeit erforderlich wäre. Daher kann aus dieser Legierung ein kavitationsbeständiges Produkt mit den an sich üblichen Prozessschritten hergestellt werden. A particular advantage of this alloy is that the positive properties of the cavitation resistance of this alloy are set directly in a hot forming step following the casting, without a subsequent special thermal treatment for setting or establishing the cavitation resistance being necessary. A cavitation-resistant product can therefore be produced from this alloy using the process steps that are usual per se.
Dieses Messinglegierungsprodukt ist zudem breitbandig schmierstoffver- träglich, hat hervorragende mechanische Eigenschaften und ist temperatur beständig. Auf die diesbezüglichen Ausführungen in DE 10 2014 101 346 A1 derselben Anmelderin wird Bezug genommen, durch welche Bezug nahme die Ausführungen in dem genannten Dokument gleichfalls zum Ge genstand und Offenbarungsgehalt dieser Ausführungen gemacht werden und zählen. Untersuchungen haben gezeigt, dass die 0,2-Dehngrenze 240 und 260 N/mm2, die Zugfestigkeit 530 und 600 N/mm2, die Bruchdehnung 16 bis 22 % und die Brinellhärte 155 bis 165 HBW beträgt. Zudem weisen die als Knetlegierung hergestellten Probenstücke eine höhere Dichte auf im Vergleich zu Gusswerkstoffen. This brass alloy product is also widely compatible with lubricants, has excellent mechanical properties and is temperature-resistant. Reference is made to the relevant statements in DE 10 2014 101 346 A1 by the same applicant, through which reference the statements in the cited document are also made and count as the subject matter and disclosure of these statements. Investigations have shown that the 0.2 proof stress is 240 and 260 N / mm 2 , the tensile strength 530 and 600 N / mm 2 , the elongation at break 16 to 22% and the Brinell hardness is 155 to 165 HBW. In addition, the sample pieces produced as a wrought alloy have a higher density compared to cast materials.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Fi guren anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen: The invention is described below with reference to the accompanying fi gures using an exemplary embodiment. Show it:
Fig. 1 : ein Masseverlustdiagramm, in dem der Masseverlust einer erfindungsgemäßen Probe sowie von zwei Vergleichspro ben aus herkömmlichen Legierungen gegenüber der Zeit der Untersuchung aufgetragen sind, Fig. 1: a mass loss diagram in which the mass loss of a sample according to the invention and of two comparative samples from conventional alloys are plotted against the time of the investigation,
Fig. 2a, 2b: rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einer Alumini- umbronze nach einer 90-minütigen Kavitationsbeaufschla gung,
Fig. 3a, 3b: rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einer Alumini umbronze nach einer 90-minütigen Kavitationsbeaufschla gung, jedoch um 45° gekippt, 2a, 2b: Scanning electron microscope images of an aluminum bronze after 90 minutes of cavitation exposure, 3a, 3b: Scanning electron microscope images of an aluminum bronze after a 90-minute Kavitationsbeaufschla supply, but tilted by 45 °,
Fig. 4: eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der erfin dungsgemäßen Legierung nach 180 Minuten Kavitations beaufschlagung und Fig. 5a - 5e: eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der erfin dungsgemäßen Legierung nach 180 Minuten Kavitations beaufschlagung, jedoch um 45° gekippt. 4: a scanning electron microscope image of the alloy according to the invention after exposure to cavitation for 180 minutes; and FIGS. 5a-5e: a scanning electron microscope image of the alloy according to the invention after exposure to cavitation for 180 minutes, but tilted by 45 °.
Für Kavitationsuntersuchungen wurden drei Cu-Zn-Legierungen unter- sucht, und zwar als Vergleichslegierungen die Legierungen CuAI10Fe5Ni5 und CuZn16Si4-C und eine erfindungsgemäße Legierung (Ausführungsbei spiel). Die chemische Zusammensetzung der untersuchten Legierungen ist nachfolgend wiedergegeben (Angaben in Gew.-%): For cavitation investigations, three Cu-Zn alloys were investigated, namely the alloys CuAI10Fe5Ni5 and CuZn16Si4-C and an alloy according to the invention (exemplary embodiment) as comparison alloys. The chemical composition of the examined alloys is given below (data in% by weight):
Die Legierung des Ausführungsbeispiels kann als Legierung CuZn10Si5AI1 angesprochen werden.
Bei den beiden Vergleichslegierungen CuAI10Fe5Ni5-C und CuZn16Si4-C handelt es sich um Gusslegierungen. Die Legierung des Ausführungsbei spiels ist hingegen eine Knetlegierung. Es versteht sich, dass die erfin dungsgemäße Legierung auch gegossen werden kann, um Gussstücke herzustellen. The alloy of the exemplary embodiment can be addressed as the alloy CuZn10Si5AI1. The two comparison alloys CuAI10Fe5Ni5-C and CuZn16Si4-C are cast alloys. The alloy of the game Ausführungsbei, however, is a wrought alloy. It goes without saying that the alloy according to the invention can also be cast in order to produce castings.
Aus den Legierungen wurden Probenstücke gefertigt, und zwar aus den Vergleichslegierungen durch Gießen derselben in die gewünschte Proben form, während bei dem Ausführungsbeispiel die Probe durch Warmumfor- men, und zwar Strangpressen hergestellt worden ist. Die Probenstücke ha ben einen Durchmesser von etwa 15 mm und eine Dicke von etwa 5 mm. Die Proben wurden vor dem Durchführen der Versuche geschliffen und po liert. Die Probenstücke wurden anschließend auf ihre Kavitationserosions resistenz (Kavitationsbeständigkeit) mit den in ASTM G32-10 definierten Parametern untersucht. Die Proben wurden für die Kavitationserosionsre sistenzuntersuchungen in destilliertem Wasser bei 20°C als Prüfmedium der Ultraschalluntersuchung unterzogen. Der Abstand der Sonotroden spitze zur Probe beträgt 0,5 mm. Die Sonotrodenspitze wurde mit einer Fre quenz von 20 kHz und einer Amplitude von 40 pm betrieben. Der durch die Kavitationsbeaufschlagung bei den untersuchten Proben festgestellte Mas severlust ist in dem Diagramm der Figur 1 gezeigt. Sample pieces were manufactured from the alloys, specifically from the comparison alloys by casting the same in the desired sample shape, while in the exemplary embodiment the sample was produced by hot forming, namely by extrusion. The sample pieces have a diameter of about 15 mm and a thickness of about 5 mm. The samples were sanded and polished before the tests were carried out. The specimens were then examined for their resistance to cavitation erosion (cavitation resistance) using the parameters defined in ASTM G32-10. The samples were subjected to ultrasound testing for the cavitation erosion resistance tests in distilled water at 20 ° C as the test medium. The distance between the sonotrode tip and the sample is 0.5 mm. The sonotrode tip was operated with a frequency of 20 kHz and an amplitude of 40 pm. The loss of mass determined by the application of cavitation in the examined samples is shown in the diagram in FIG.
Die beiden Vergleichslegierungen zeigen einen weitgehend übereinstim menden Masseverlust über die Zeit. The two comparison alloys show a largely identical loss of mass over time.
Während die beiden Vergleichslegierungen bereits eine als besonders gut angesehene Kavitationsbeständigkeit aufweisen, ist die Kavitationsbestän digkeit des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels nochmals signifikant verbessert. Während der Masseverlust bei den Vergleichsproben nach ei- ner Messzeit von 300 Minuten bei etwa 7 mg liegt, liegt dieser bei der un tersuchten erfindungsgemäßen Probe bei etwa 2 mg, jedenfalls unterhalb von 2,5 mg. Auch über eine längere Probenzeit der Kavitationsprüfung ge messen, bleibt der bei der erfindungsgemäßen Probe festgestellte Masse verlust deutlich geringer als derjenige der Vergleichslegierungen. Während bei den Vergleichslegierungen nach einer Probenzeit von 600 Minuten der
Masseverlust etwa 18 - 18,5 mg beträgt, beträgt dieser bei der untersuch ten Probe des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels noch nicht einmal 7,5 mg. Der festgestellte Masseverlust beträgt bei der untersuchten Probe etwa 6,5 mg und ist damit etwa dreimal geringer als derjenige der derzeitig als besonders kavitationsbeständig angesehenen Vergleichslegierungen. While the two comparison alloys already have a cavitation resistance that is regarded as particularly good, the cavitation resistance of the exemplary embodiment according to the invention is again significantly improved. While the mass loss in the comparison samples after a measurement time of 300 minutes is around 7 mg, in the sample according to the invention it is around 2 mg, in any case below 2.5 mg. Even measured over a longer sample time of the cavitation test, the mass loss determined in the sample according to the invention remains significantly lower than that of the comparison alloys. While with the comparison alloys after a sample time of 600 minutes the Loss of mass is about 18-18.5 mg, this is not even 7.5 mg in the case of the examined sample of the exemplary embodiment according to the invention. The mass loss found in the examined sample is around 6.5 mg and is thus around three times less than that of the comparison alloys currently considered to be particularly resistant to cavitation.
Dieses Ergebnis war nicht zu erwarten. Insbesondere war nicht zu erwarten, dass die erfindungsgemäße Legierung hinsichtlich ihrer Kavitationsbestän digkeit nochmals signifikant besser ist als die derzeitig als besonders kavi- tationsbeständig angesehenen. This result was not to be expected. In particular, it was not to be expected that the alloy according to the invention would again be significantly better with regard to its resistance to cavitation than that which is currently regarded as being particularly resistant to cavitation.
Die Wirkung der Kavitation kann anhand der Figuren 2 bis 5 verdeutlicht werden. Figuren 2a, 2b zeigen rasterelektronische Aufnahmen der Ver gleichslegierung CuAI10Fe5NI5-C nach einer 90-minütigen Kavitationsbe- aufschlagung gemäß ASTM G32-10 in unterschiedlichen Maßstäben. Die Oberfläche der Probe ist durch Ausbrechungen gekennzeichnet. Die durch Kavitation bedingten Materialausbrüche verleihen der Oberfläche der Probe ein kraterartiges Aussehen, wie dieses in den Figuren 3a, 3b erkennbar ist. Diese rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen diese Probe bei einer Kippung um 45°. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Vergleichslegierung CuZn16Si4-C sind ganz ähnlich. The effect of cavitation can be clarified with the aid of FIGS. 2 to 5. FIGS. 2a, 2b show scanning electronic recordings of the comparison alloy CuAI10Fe5NI5-C after a 90-minute cavitation exposure in accordance with ASTM G32-10 on different scales. The surface of the sample is characterized by breakouts. The material eruptions caused by cavitation give the surface of the sample a crater-like appearance, as can be seen in FIGS. 3a, 3b. These scanning electron micrographs show this sample tilted by 45 °. Scanning electron microscope images of the comparison alloy CuZn16Si4-C are very similar.
Figur 4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des erfin dungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Die in der Fotografie der Figur 4 kenntlich gemachten Bereiche A - E zeigen diejenigen Ausschnitte, die in den Figuren 5a - 5e in einer anderen Darstellung und einem anderen Maß stab gezeigt sind. Ein Vergleich mit den Aufnahmen der Figuren 2a, 2b macht deutlich, dass die Oberfläche so gut wie nicht durch Kavitation be einflusst ist, obwohl die Probenzeit der Kavitationsprüfung doppelt so lang war wie die Probenzeit bei der Vergleichsprobe. Die um 45° gekippte ras terelektronenmikroskopische Aufnahmen der Figur 5a - 5e verdeutlicht die ses. Die Oberfläche der Probe bleibt einheitlich und weist nicht die krater förmigen Strukturen der Aufnahmen der Figuren 3a, 3b der Vergleichsprobe auf.
Die Figuren 5a - 5e verdeutlichen, dass über die gesamte Oberfläche der erfindungsgemäßen Probe nur sehr geringe Kavitationserscheinungen zu erkennen sind, jedenfalls keine, die derjenigen entsprechen, wie diese bis lang als besonders kavitationsbeständig angesehen Vergleichslegierungen CuAI10Fe5Ni5-C bzw. CuZn16Si4-C zugeschrieben werden. Die verbes serte Kavitationsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung erlaubt den Einsatz von Produkten, die, wenn in kavitationsgefährdeten Umgebun gen eingesetzt, eine signifikant längere Standzeit bzw. Lebensdauer haben. Die ansonsten durch Kavitation eintretende und bislang notwendigerweise in Kauf zu nehmenden Schäden werden somit bei einer Verwendung der beanspruchten Legierung zum Herstellen eines kavitationsbeständigen Produktes oder Bauteils drastisch reduziert. FIG. 4 shows a scanning electron microscope image of the exemplary embodiment according to the invention. The areas A - E identified in the photograph in FIG. 4 show those details which are shown in a different representation and a different scale in FIGS. 5a-5e. A comparison with the recordings in FIGS. 2a, 2b makes it clear that the surface is as good as not influenced by cavitation, although the sample time for the cavitation test was twice as long as the sample time for the comparison sample. The scanning electron microscope recordings in FIGS. 5a-5e, tilted by 45 °, illustrate this. The surface of the sample remains uniform and does not have the crater-shaped structures of the recordings in FIGS. 3a, 3b of the comparison sample. FIGS. 5a-5e illustrate that only very slight cavitation phenomena can be seen over the entire surface of the sample according to the invention, at least none that correspond to those comparative alloys CuAI10Fe5Ni5-C or CuZn16Si4-C, which have long been considered particularly cavitation-resistant. The improved cavitation resistance of the alloy according to the invention allows the use of products which, when used in environments at risk of cavitation, have a significantly longer service life or service life. The damage that otherwise occurs as a result of cavitation and has hitherto necessarily had to be accepted is therefore drastically reduced when the claimed alloy is used to manufacture a cavitation-resistant product or component.
Die Legierung gemäß Ausführungsbeispiel - CuZnl 0Si5AI1 - weist als me- chanische Kennwerte eine 0,2-Dehngrenze von 250 N/mm2, eine Zugfes tigkeit von 530 bis 600 N/mm2, eine Bruchdehnung von 18 bis 21 % und eine Brinellhärte von 160 HBW auf. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Le gierung liegt bei etwa 5 MS/m. Diese Legierung vereint somit die Eigenschaften einer hochfesten Sonder messinglegierung und hohem Umformvermögen mit den Vorteilen einer hervorragenden Kavitationserosionsbeständigkeit. The alloy according to the exemplary embodiment - CuZnl 0Si5AI1 - has as mechanical parameters a 0.2 yield strength of 250 N / mm 2 , a tensile strength of 530 to 600 N / mm 2 , an elongation at break of 18 to 21% and a Brinell hardness of 160 HBW. The electrical conductivity of this alloy is around 5 MS / m. This alloy thus combines the properties of a high-strength special brass alloy and high formability with the advantages of excellent cavitation erosion resistance.
Die positiven Legierungseigenschaften vor allem hinsichtlich der Kavitati- onsbeständigkeit werden auch der heterogenen Textur der Kornorientierun gen zugeschrieben. The positive alloy properties, especially with regard to cavitation resistance, are also attributed to the heterogeneous texture of the grain orientations.
Differential Scanning Calorimetry-Analysen (DSC-Analysen) wurden an Proben der erfindungsgemäßen Legierung und so auch an dem beschrie- benen Ausführungsbeispiel durchgeführt. Überraschend stellte man fest, dass entgegen der früheren Annahme, kavitationsbeständige Legierungen müssten eine gewisse Pseudoelastizität aufweisen, tatsächlich die erfin dungsgemäße Legierung ein solches pseudoelastisches Materialverhalten nicht, jedenfalls nicht nennenswert zeigt. Die signifikant verbesserte Kavita- tionsbeständigkeit wird bei der erfindungsgemäßen Legierung auf der be-
sonderen Ausgewogenheit von Umformvermögen und Festigkeit begrün det. Dieses wirkt sich ganz offenbar positiv auf den Kavitationswiderstand aus. Die Kavitationsenergie wird bei der erfindungsgemäßen Legierung in den Werkstoff eingetragen und über Verformung auf die Körner verteilt. Diese schreitet über eine auch lange Dauer der Kavitationsprüfung fort, je doch ohne dass dieses zu nachteiligen Materialaufhäufungen, was bei vor bekannten Legierungen, die als kavitationsbeständig gelten, der Falls ist, führen würde, die von der Oberfläche abgetragen würden. Ein mit der erfindungsgemäßen Legierung hergestelltes Produkt eignet sich vor dem Hintergrund seiner vorstehend beschriebenen Eigenschaften vor allem zum Herstellen von Zahnradpumpen oder Dampf- und Wasserarma turenteilen, mithin Teilen, die einer erhöhten Kavitationsbeanspruchung an ihrer Oberfläche ausgesetzt sind. Selbstverständlich lassen sich auch an- dere an ihrer Oberfläche einer Kavitation durch vorbeiströmende Fluide ausgesetzte Produkte hieraus hersteilen.
Differential scanning calorimetry analyzes (DSC analyzes) were carried out on samples of the alloy according to the invention and thus also on the exemplary embodiment described. Surprisingly, it was found that, contrary to the earlier assumption that cavitation-resistant alloys must have a certain pseudo-elasticity, the alloy according to the invention actually does not show such pseudo-elastic material behavior, at least not significantly. The significantly improved cavitation resistance is demonstrated in the alloy according to the invention on the special balance of formability and strength. This clearly has a positive effect on the cavitation resistance. In the alloy according to the invention, the cavitation energy is introduced into the material and distributed to the grains via deformation. This progresses over a long period of the cavitation test, but without this leading to disadvantageous accumulations of material, which would be the case with known alloys which are considered to be cavitation-resistant and which would be removed from the surface. A product manufactured with the alloy according to the invention is particularly suitable, given its properties described above, for manufacturing gear pumps or steam and water armatures, ie parts that are exposed to increased cavitation stress on their surface. Of course, other products exposed on their surface to cavitation by fluids flowing past can also be produced therefrom.
Claims
1. Verwendung einer Cu-Zn-Legierung mit folgender Zusammenset- zung (Angaben in Gew.-%): 1. Use of a Cu-Zn alloy with the following composition (data in% by weight):
Cu: 80 - 85, Cu: 80 - 85,
Si: 2,0 - 6,0, Si: 2.0 - 6.0,
AI: 0,55 - 2,0, AI: 0.55 - 2.0,
Fe: max. 0,8, Fe: max. 0.8,
Ni: max. 0,5, Ni: max. 0.5,
Sn: max. 0,5, Sn: max. 0.5,
Mn: max. 0,1 , Mn: max. 0.1,
Pb: max. 0,3, Pb: max. 0.3,
Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen Remainder Zn and unavoidable impurities
zum Herstellen eines kavitationsbeständigen Produktes, dessen for manufacturing a cavitation-resistant product, whose
Oberfläche bei bestimmungsgemäßer Anwendung in Kontakt zu vor beiströmenden Fluiden gelangt. When used as intended, the surface comes into contact with upstream fluids.
2. Verwendung einer Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch ge- kennzeichnet, dass die Legierung folgende Zusammensetzung auf weist (Angaben in Gew.-%): 2. Use of a Cu-Zn alloy according to claim 1, characterized in that the alloy has the following composition (data in% by weight):
Cu: 83 - 85, Cu: 83 - 85,
Si: 4,7 - 5,3, Si: 4.7-5.3,
AI: 0, 9 - 1 ,1 , AI: 0, 9 - 1, 1,
Fe: max. 0,3, Fe: max. 0.3,
Ni: max. 0,2, Ni: max. 0.2,
Sn: max. 0,3, Sn: max. 0.3,
Mn: max. 0,05, Mn: max. 0.05,
Pb: max. 0,1. Pb: max. 0.1.
3. Verwendung einer Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zum Herstellen des Produktes nach Art einer Knetlegierung verarbeitet wird.
3. Use of a Cu-Zn alloy according to claim 1 or 2, characterized in that the alloy for manufacturing the product is processed in the manner of a wrought alloy.
4. Verwendung einer Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach einem ersten Guss warm umgeformt wird. 4. Use of a Cu-Zn alloy according to claim 3, characterized in that the alloy is hot worked after a first casting.
5. Verwendung einer Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen des Produktes die Legierung durch Strangpressen urgeformt wird. 5. Use of a Cu-Zn alloy according to claim 3 or 4, characterized in that the alloy is originally formed by extrusion to produce the product.
6. Verwendung einer Cu-Zn-Legierung nach Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Warmumformschritt keine weitere thermische Behandlung an dem Produkt durchgeführt wird. 6. Use of a Cu-Zn alloy according to claim 5, characterized in that no further thermal treatment is carried out on the product after the hot forming step.
7. Sondermessinglegierungsprodukt, hergestellt unter Verwendung ei ner Cu-Zn-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kavitationsbeständigkeit des Pro duktes dadurch auszeichnet, dass bei einer Kavitationsbeständig keitsprüfung gemäß ASTM G32-10 in destilliertem Wasser bei 20°C als Prüfmedium, einem Abstand der Sonotrodenspitze zur Probe von 0,5 mm, einer Frequenz von 20 kHz und einer Amplitude von 40 pm bei einer Prüfdauer von 300 Minuten ein Masseverlust von 2,5 - 3,0 mg, insbesondere bei einer Versuchsdauer von 500 Minuten ein Masseverlust von 7 - 8 mg nicht überschritten wird. 7. Special brass alloy product, produced using a Cu-Zn alloy according to one of claims 1 to 6, characterized in that the cavitation resistance of the product is characterized by the fact that in a cavitation resistance test according to ASTM G32-10 in distilled water at 20 ° C as the test medium, a distance of the sonotrode tip to the sample of 0.5 mm, a frequency of 20 kHz and an amplitude of 40 pm for a test duration of 300 minutes, a mass loss of 2.5-3.0 mg, especially for a test duration A mass loss of 7 - 8 mg is not exceeded within 500 minutes.
8. Sondermessinglegierungsprodukt nach Anspruch 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass dieses eine 0,2-Dehngrenze zwischen 450 und8. Special brass alloy product according to claim 7, characterized in that it has a 0.2 yield strength between 450 and
260 N/mm2, insbesondere etwa 250 N/mm2, eine Zugfestigkeit zwi schen 530 und 600 N/mm2, eine Bruchdehnung zwischen 18 und 21 % sowie eine Brinellhärte von 150 bis 170 HBW, insbesondere etwa 160 HBW aufweist.
260 N / mm2, in particular about 250 N / mm2, a tensile strength between 530 and 600 N / mm2, an elongation at break between 18 and 21% and a Brinell hardness of 150 to 170 HBW, in particular about 160 HBW.
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