WO2024052221A1 - Bleifreie messinglegierung und daraus hergestelltes maschinenelement - Google Patents

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WO2024052221A1
WO2024052221A1 PCT/EP2023/074002 EP2023074002W WO2024052221A1 WO 2024052221 A1 WO2024052221 A1 WO 2024052221A1 EP 2023074002 W EP2023074002 W EP 2023074002W WO 2024052221 A1 WO2024052221 A1 WO 2024052221A1
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PCT/EP2023/074002
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Inventor
Florian Seuss
Patrick Feldner
Volker Bräutigam
Alexander Dehnelt
Sven Reimus
Miroslava Sakaliyska
Original Assignee
Diehl Brass Solutions Stiftung & Co. Kg
Vdm Metals International Gmbh
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C9/00Alloys based on copper
    • C22C9/04Alloys based on copper with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a lead-free brass alloy.
  • the invention is therefore based on the object of providing a lead-free brass alloy that is easy to machine.
  • the brass alloy according to the invention contains: 55 to 59% by weight of Cu, 2.0 to 2.5% by weight of Mn, 0.65 to 1.5% by weight of Si, less than 0.1% by weight of Pb, the balance Zn and unavoidable contamination.
  • the brass alloy according to the invention has less than 0.1% by weight of Pb and is therefore considered lead-free. It has been shown that the brass alloy according to the invention shows satisfactory machinability despite the low lead content of less than 0.1% by weight. In particular, no unwanted long spiral chips are formed during machining. In addition, the friction properties of the lead-free brass alloy according to the invention are comparable to those of a lead-containing brass alloy.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the ratio of the weight percent of Mn to Si corresponds to the inequality 2.0 ⁇ Mn/Si ⁇ 2.9. It has been found that this ratio between manganese and silicon leads to an optimal chemical composition and the formation of manganese silicides.
  • the copper equivalent is 53 to 66%.
  • the lead-free brass alloy according to the invention preferably contains less than 0.2% by weight of Fe.
  • the lead-free brass alloy according to the invention preferably contains less than 0.5% by weight of Sn.
  • the lead-free brass alloy according to the invention preferably contains 1.5 to 2.6% by weight of Ni.
  • composition of the lead-free brass alloy according to the invention is particularly preferred: 57% by weight Cu, 2.3% by weight Mn, 1.0% by weight Si, 0.1% by weight Fe, 0.1% by weight Sn, 2 .0% by weight Ni, less than 0.1% by weight Pb, balance Zn and unavoidable impurities.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the lead-free brass alloy contains less than 0.1% by weight of Al.
  • the lead-free brass alloy can also contain less than 0.25% by weight of Cr and/or less than 0.25% by weight of Ti and/or less than 0.25% by weight of Co.
  • the invention relates to a machine element which is made from the lead-free brass alloy according to the invention. Due to its good friction properties, the lead-free brass alloy is ideal for the production of machine elements that are used with a lubricant.
  • the invention is explained below using an exemplary embodiment with reference to the drawings.
  • the drawings are schematic representations and show:
  • Fig. 2 shows a chip image produced by machining a lead-free brass alloy according to the invention.
  • An embodiment of the lead-free brass alloy has the following composition: 57% by weight Cu; 2.3% by weight Mn; 1.0% by weight Si; 0.1% by weight Fe; 0.1% by weight Sn; 2.0% by weight Ni; less than 0.1% by weight Pb; Rest of Zn and unavoidable impurities.
  • the copper equivalent (CuEq) of the lead-free brass alloy is between 53% and 66% and can be calculated based on the alloy components as follows:
  • Ni wt% nickel
  • the lead-free brass alloy can be made into semi-finished products such as plates, pipes or bars, which can be used to make machine elements that are used with a lubricant.
  • semi-finished products such as plates, pipes or bars
  • An example of this are components of axial piston pumps subjected to friction.
  • the lead-free brass alloy contains manganese silicides, which are responsible for the good friction properties.
  • the machinability of the lead-free brass alloy is compared with a reference alloy.
  • the table below shows the compositions of the lead-free brass alloy and the reference alloy:
  • Fig. 1 shows the chip pattern of the lead-containing reference alloy
  • Fig. 2 shows the chip pattern of the lead-free brass alloy in comparison. It can be seen that both alloys produce chips of approximately the same size and type. The chip quality of the lead-free brass alloy is therefore okay.
  • the coefficient of friction was determined in identical tests for both alloys. It was found that both the lead-free brass alloy and the lead-containing reference alloy have almost identical coefficients of friction. The coefficient of friction is approximately 0.012. These tests have shown that the lead-free brass alloy can be used as a replacement for the lead-containing reference alloy without any restrictions.
  • the lead-free brass alloy can be used for the production of various machine elements, especially machine elements that are subjected to friction and are used with a lubricant.
  • machine elements especially machine elements that are subjected to friction and are used with a lubricant.
  • An example of this are components of axial piston pumps or sliding shoes.

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Abstract

Bleifreie Messinglegierung, enthaltend: 55 bis 59 Gew-% Cu, 2,0 bis 2,5 Gew-% Mn, 0,65 bis 1,5 Gew-% Si, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Daneben wird ein Maschinenelement vorgeschlagen, das aus der bleifreien Messinglegierung hergestellt ist.

Description

Bleifreie Messinglegierung und daraus hergestelltes Maschinenelement
Die Erfindung betrifft eine bleifreie Messinglegierung.
In der Vergangenheit wurde zur Verbesserung der Zerspanung von Messinglegierungen Pb in einem Umfang von bis zu 4 Gew-% zugesetzt. Der Zusatz von Pb wird wegen absehbarer gesetzlicher Vorgaben zukünftig jedoch stark eingeschränkt werden.
Es besteht daher Bedarf an einer bleifreien Messinglegierung. Derartige Legierungen sind an sich bekannt, es wird beispielsweise auf die folgenden Druckschriften verwiesen: EP 2 009 122 A1, EP 3272 888 A1, WO 2016/045770 A1 und
EP 3269 835 A1. Das Fehlen von Blei beeinträchtigt allerdings die Zerspanbarkeit derartiger Messinglegierungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Messinglegierung anzugeben, die gut zerspanbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine bleifreie Messinglegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Messinglegierung enthält: 55 bis 59 Gew-% Cu, 2,0 bis 2,5 Gew-% Mn, 0,65 bis 1 ,5 Gew-% Si, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Die erfindungsgemäße Messinglegierung besitzt weniger als 0,1 Gew-% Pb und gilt daher als bleifrei. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Messinglegierung trotz des geringen Bleigehalts von weniger als 0,1 Gew-% eine zufriedenstellende Zerspanbarkeit zeigt. Insbesondere bilden sich beim Zerspanen keine unerwünschten langen Spiralspäne. Darüber hinaus sind die Reibeigenschaften der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung mit denjenigen einer bleihaltigen Messinglegierung vergleichbar. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verhältnis der Gewichtsprozente von Mn zu Si der Ungleichung 2,0 < Mn/Si < 2,9 entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass dieses Verhältnis zwischen Mangan und Silizium zu einer optimalen chemischen Zusammensetzung und zur Ausbildung von Mangan-Siliziden führt.
Bei der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung beträgt das Kupferäquivalent 53 bis 66 %.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung weniger als 0,2 Gew-% Fe enthalten.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung weniger als 0,5 Gew-% Sn enthalten.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung 1,5 bis 2,6 Gew-% Ni enthalten.
Die folgende Zusammensetzung der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung wird besonders bevorzugt: 57 Gew-% Cu, 2,3 Gew-% Mn, 1 ,0 Gew-% Si, 0,1 Gew-% Fe, 0,1 Gew-% Sn, 2,0 Gew-% Ni, weniger als 0,1 Gew-% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die bleifreie Messinglegierung weniger als 0,1 Gew-% AI enthält.
Bei der bleifreien Messinglegierung kann es auch vorgesehen sein, dass weniger als 0,25 Gew-% Cr und/oder weniger als 0,25 Gew-% Ti und/oder weniger als 0,25 Gew-% Co enthalten ist.
Daneben betrifft die Erfindung ein Maschinenelement, das aus der erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung hergestellt ist. Aufgrund ihrer guten Reibeigenschaften ist die bleifreie Messinglegierung optimal für die Herstellung von Maschinenelementen geeignet, die mit einem Schmiermittel verwendet werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 ein durch Zerspanen einer Referenzlegierung erzeugtes Spanbild; und
Fig. 2 ein durch Zerspanen einer erfindungsgemäßen bleifreien Messinglegierung erzeugtes Spanbild.
Ein Ausführungsbeispiel der bleifreien Messinglegierung hat die folgende Zusammensetzung: 57 Gew-% Cu; 2,3 Gew-% Mn; 1 ,0 Gew-% Si; 0,1 Gew-% Fe; 0,1 Gew-% Sn; 2,0 Gew-% Ni; weniger als 0,1 Gew-% Pb; Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Das Kupferäquivalent (CuÄq) der bleifreien Messinglegierung beträgt zwischen 53 % und 66 % und kann folgendermaßen anhand der Legierungsbestandteile berechnet werden:
1) Wenn: Sifr i = Si 3,26 - (Fe+Mn) < 0 und Sifrei2 = Si 3,26 - (Fe+Mn+Ni) < 0 dann
Cu
CuÄq =
Figure imgf000005_0002
2) Wenn Sifrei = Si 3,26 - (Fe+Mn) > 0 und Sifrei2 = Si 3,26 - (Fe+Mn+Ni) < 0
Cu _
100 — Fe — Mn — Si — Ni + [|Si -ei2 | x (-1,9)]
Figure imgf000005_0001
100
3) Wenn Sifrei = Si 3,26 - (Fe+Mn) > 0 und Sifrei2 = Si 3,26 - (Fe+Mn+Ni) > 0
Cu
CuAq =
Figure imgf000005_0003
Die Abkürzungen bedeuten:
Cu: Gew.-% Kupfer Fe: Gew.-% Eisen
Mn: Gew.-% Mangan
Si: Gew-% Silizium
Ni: Gew-% Nickel
Die bleifreie Messinglegierung kann zu Halbzeugen wie Platten, Rohren oder Stangen verarbeitet werden, aus denen Maschinenelemente hergestellt werden können, die mit einem Schmiermittel verwendet werden. Ein Beispiel dafür sind durch Reibung beaufschlagte Komponenten von Axialkolbenpumpen. Die bleifreie Messinglegierung weist Mangan-Silizide auf, die für die guten Reibeigenschaften verantwortlich sind.
Die Zerspanbarkeit der bleifreien Messinglegierung wird mit einer Referenzlegierung verglichen. In der nachfolgenden Tabelle sind die Zusammensetzungen der bleifreien Messinglegierung und der Referenzlegierung dargestellt:
Figure imgf000006_0001
Bei dem Zerspanungsversuch wurde eine Wendeschneidplatte vom Typ CNMG120404FP HC5010 benutzt, die Drehzahl betrug 3.000 U/rnin, der Vorschub pro Umdrehung betrug 0,25 mm, die Schnitttiefe betrug 1 ,25 mm. Fig. 1 zeigt das Spanbild der bleihaltigen Referenzlegierung, Fig. 2 zeigt im Vergleich dazu das Spanbild der bleifreien Messinglegierung. Man erkennt, dass beide Legierungen in etwa gleich große und gleichartige Späne erzeugen. Die Spanqualität der bleifreien Messinglegierung ist daher in Ordnung.
Für beide Legierungen wurde der Reibkoeffizient in identischen Versuchen ermittelt. Es wurde herausgefunden, dass sowohl die bleifreie Messinglegierung als auch die bleihaltige Referenzlegierung nahezu identische Reibkoeffizienten besitzen. Der Reibkoeffizient beträgt etwa 0,012. Diese Versuche haben ergeben, dass die bleifreie Messinglegierung ohne Einschränkungen als Ersatz für die bleihaltige Referenzlegierung verwendet werden kann.
Die bleifreie Messinglegierung kann für die Herstellung unterschiedlicher Maschinenelemente verwendet werden, insbesondere Maschinenelemente, die mit Reibung beaufschlagt sind und mit einem Schmiermittel verwendet werden. Ein Beispiel dafür sind Komponenten von Axialkolbenpumpen oder Gleitschuhe.

Claims

Patentansprüche Bleifreie Messinglegierung, enthaltend:
55 bis 59 Gew-% Cu,
2,0 bis 2,5 Gew-% Mn,
0,65 bis 1 ,5 Gew-% Si,
< 0,1 Gew-% Pb,
Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Bleifreie Messinglegierung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Gewichtsprozente von Mn zu Si der folgenden Ungleichung entspricht:
2,0 < Mn/Si < 2,9. Bleifreie Messinglegierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kupferäquivalent zwischen 53 und 66 % liegt. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weniger als 0,2 Gew-% Fe enthalten ist. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weniger als 0,5 Gew-% Sn enthalten ist. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei 1 ,5 bis 2,6 Gew-% Ni enthalten ist. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend:
57 Gew-% Cu,
2,3 Gew-% Mn,
1,0 Gew-% Si,
0,1 Gew-% Fe, 0,1 Gew-% Sn,
2,0 Gew-% Ni,
< 0,1 Gew-% Pb,
Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weniger als 0,1 Gew-% AI enthalten ist. Bleifreie Messinglegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei weniger als 0,25 Gew-% Cr und/oder weniger als 0,25 Gew-% Ti und/oder weniger als 0,25 Gew-% Co enthalten ist. Maschinenelement, hergestellt aus einer bleifreien Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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