DE102009038657A1

DE102009038657A1 - Messinglegierung

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Publication number: DE102009038657A1
Application number: DE102009038657A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. Zeiger; Ulrich Dr.-Ing. Lorenz; Michael Dr.-Ing. Hoppe
Original assignee: Aurubis Stolberg GmbH and Co KG
Current assignee: Aurubis Stolberg GmbH and Co KG
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2011-02-24
Also published as: DE112010003316A5; US20120207642A1; PL2467507T3; EP2467507B1; TR201906400T4; EP2467507A1; ES2724152T3; PT2467507T; HUE043477T2; WO2011020468A1

Abstract

Die Messinglegierung besteht im Wesentlichen aus Kupfer und Zink. Die Legierung weist mindestens eine zusätzliche Legierungskomponente auf. Ein Gehalt an Blei beträgt höchstens 0,1 Gewichtsprozent. Der Anteil an Zink beträgt 40,5 bis 46 Gewichtsprozent. Die Legierung weist ein Mischkristall mit Anteilen sowohl eines alpha-Gefüges als auch eines beta-Gefüges auf. Der Gewichtsanteil des beta-Gefüges beträgt mindestens 30% und höchstens 70%.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messinglegierung, die im wesentlichen aus Kupfer und Zink besteht, sowie mindestens eine zusätzliche Legierungskomponente aufweist.
Entsprechende Messinglegierungen werden als Halbfertigprodukte häufig in Band oder Drahtform hergestellt und anschließend zu Endprodukten weiter verarbeitet. Die Weiterverarbeitung erfolgt vielfach durch Anwendung von Zerspanungsvorgängen.
Bei der Zerspanung von Messing hat es sich in der Vergangenheit als vorteilhaft erwiesen, der Legierung Blei in einem Umfang von bis zu vier Gewichtsprozent zuzusetzen. Das Blei hat eine positive Wirkung als Spanbrecher, verlängert die Werkzeugstandzeiten und vermindert die Zerspannungskräfte. Wichtige Materialparameter wie Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit werden durch einen Bleizusatz nicht negativ beeinflusst.
Trotz der positiven Eigenschaften des Bleis gibt es Bestrebungen, unter anderem gestützt durch die Direktiven der EU – Richtlinie 2000/53/EG über Altfahrzeuge und Richtlinie 2002/96/EG über Elektro- und Elektronik-Altgeräte – das Blei als Zerspanungselement in Messing zu ersetzen.
Die bislang durchgeführten Untersuchungen mit alternativen Legierungsvarianten haben jedoch nicht zu Werkstoffen geführt, die die gestellten Anforderungen erfüllen. Diese sind entweder deutlich teurer als bleihaltige Messinglegierungen, führen zu einem übermäßig hohen Werkzeugverschleiß oder beinhalten ebenfalls umweltbedenkliche Legierungselemente.
Bei der Herstellung von Messinglegierungen wird angestrebt, sowohl eine gute Zerspanbarkeit als auch eine gute Verformbarkeit zu erreichen. Eine gleichzeitige optimale Erfüllung beider Anforderungen erweist sich als schwierig, da in der Regel alle Maßnahmen, die die eine gewünschte Eigenschaft positiv unterstützen, zu einer Verminderung der zweiten Eigenschaft führen. Ein Kompromiß wird typischerweise derart gewählt, daß eine hohe Festigkeit bei gleichzeitigem ausreichenden Formänderungsvermögen vorgegeben wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine bleifreie Messinglegierung der einleitend genannten Art derart zu definieren, die eine gute Zerspanbarkeit, hinreichende mechanische Eigenschaften und einen möglichst geringen Verschleiß an den eingesetzten Zerspanungswerkzeugen erreicht.
Ziel dieser Erfindung ist darüber hinaus, den Anteil an ökologisch schädlichen Legierungselementen zu minimieren.
Dieser Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, durch die gezielte Kombination von nicht umweltbedenklichen Legierungselementen sowie über den Herstellungsprozess bestimmte Eigenschaften zu erzielen.
Insbesondere sind dies die Eigenschaften:

– gute Zerspanbarkeit,
– hohe Festigkeit aber noch gute Duktilität,
– gute Warm- und Kaltumformbarkeit,
– ausreichende Korrosionsbeständigkeit.

Ferner soll eine ökonomisch sinnvolle Massenfertigung als Halbzeugfabrikat möglich sein.
Der Idee liegen die im Folgenden genannten erfindungswesentlichen Ansätze zugrunde, um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erzielen:

a) Die Gefügestruktur wird durch Änderung des Kupfer/Zink-Verhältnisses derart beeinflusst, dass ein alpha/beta-Kristallgemisch vorliegt, in dem der Anteil an beta-Phase etwa 30 bis 70% beträgt. Da die beta-Phase unter normalen Zerpspanungsbedingungen ein sprödes Verhalten zeigt, führt ihr erhöhter Anteil zu einem günstigeren Zerspanungsverhalten.
b) Weitere Legierungselemente dienen zur Stabilisierung der alpha und der beta-Phase, insbesondere während des Fertigungsprozesses des Halbzeuges.
c) Darüber hinaus werden das Zerspanungsverhalten sowie die mechanischen Eigenschaften durch die gezielte Zugabe weiterer Ausscheidungen bildender Elemente positiv beeinflusst. Zum einen wird durch Ausscheidungen ein kurz brechender Span begünstigt. Zum anderen wird eine Kornfeinung bewirkt, wodurch eine verbesserte Duktilität bei hohen Festigkeiten erzielt wird.
d) Ein vierter Vorteil kann erreicht werden durch die Beeinflussung der Anordnung bzw. Orientierung der beiden Phasen alpha und beta und/oder der Ausscheidungen, um so gezielt die Verarbeitungseigenschaften einzustellen (z. B. durch eine Kombination aus Umformung oder Wärmebehandlung).

Es kann sich ergeben, dass je nach Anwendungsfall bestimmte Eigenschaften der Legierung besonders gewünscht sind. Dazu ist es vorgesehen, einzelne der erwähnten Legierungselemente in jeweils höherer Konzertration zuzugeben, ohne dabei die Gesamtmenge an Legierungselementen (außer Kupfer und Zink) zu erhöhen.
Die im Gefüge enthaltenen Ausscheidungen, welche sich auch im weichen alpha-Gefüge wiederfinden, unterstützen das Zerspanungsverhalten positiv.
Das alpha-Gefüge des Mischkristalls bildet eine kubischflächenzentrierte Raumstruktur aus. Das beta-Mischkristall bildet hingegen eine kubisch-raumzentrierte Struktur aus.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Anteil des beta-Gefüges mindestens 50% beträgt. Dies wird insbesondere dadurch unterstützt, daß ein Zinkanteil von etwa 42 Gewichtsprozenten vorliegt.
Die Elemente Eisen und Nickel haben einen regulativen Einfluss auf das Kornwachstum der alpha- und beta-Phase, wobei Nickel zusätzlich die Stabilisierung der alpha-Struktur fördert. Zu hohe Anteile führen zu Versprödung der Legierung.
Die Elemente Zinn, Silizium, Mangan und Eisen stabilisieren und erhöhen den Anteil der beta-Phase.
Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit kann die Zugabe von Phosphor vorgesehen werden. Insbesondere ist an einen maximalen Anteil von Phosphor im Bereich von 0,1 Gewichtsprozent gedacht.
Gemäß einer typischen Legierungszusammensetzung ist vorgesehen, dass der Anteil an Kupfer 54 bis 59,5 Gewichtsprozent beträgt.
Darüber hinaus ist vorgesehen, daß der Anteil an Zink 40 bis 46 Gewichtsprozent beträgt.
Eine erste zusätzliche Legierungskomponente wird dadurch definiert, dass der Anteil an Eisen 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent beträgt. Eisen dient zur Steuerung der Korngröße der alpha- und beta-Phasen. Gehalte kleiner 0,1% haben keine ausreichende Wirkung. Anteile größer 0,5% würden zu sehr großen Eisenausscheidungen führen, die negativ auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung wirken.
Insbesondere ist daran gedacht, dass der Anteil an Eisen 0,2 bis 0,3 Gewichtsprozent beträgt.
Eine zweite zusätzliche Legierungskomponente ist dadurch definiert, dass der Anteil an Nickel 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent beträgt. Nickel stabilisiert die alpha-Phase.
Insbesondere ist daran gedacht, dass der Anteil an Nickel 0,2 bis 0,3 Gewichtsprozent beträgt.
Eine dritte zusätzliche Legierungskomponente ist dadurch definiert, dass der Anteil an Silizium 0,01 bis 0,20 Gewichtsprozent beträgt. Silizium stabilisiert die beta-Phase und bildet gemeinsam mit anderen Elementen feine Ausscheidungen, welche sich positiv auf das Zerspanungsverhalten auswirken und für eine Kornfeinung verantwortlich sind.
Insbesondere ist daran gedacht, dass der Anteil an Silizium 0,03–0,08 Gewichtsprozent beträgt.
Eine vierte zusätzliche Legierungskomponente ist dadurch definiert, dass der Anteil an Mangan 0,01 bis 0,20 Gewichtsprozent beträgt. Mangan stabilisiert die beta-Phase und bildet gemeinsam mit anderen Elementen feine Ausscheidungen, welche sich positiv auf das Zerspanungsverhalten auswirken und für eine Kornfeinung verantwortlich sind.
Insbesondere ist daran gedacht, dass der Anteil an Mangan 0,03 bis 0,08 Gewichtsprozent beträgt.
Eine fünfte zusätzliche Legierungskomponente ist dadurch definiert, dass der Anteil an Zinn 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent beträgt.
Insbesondere ist daran gedacht, dass der Anteil an Zinn 0,2 bis 0,3 Gewichtsprozent beträgt.
Phosphor führt zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit der Legierung, insbesondere wirkt P auch einer Entzinkung entgegen.
Zu einer optimalen Zusammensetzung der Legierung trägt es bei, dass der Anteil an Elementen, die nicht Kupfer, Zink, Eisen, Nickel, Silizium, Mangan oder Zinn sind, weniger als 0,2 Gewichtsprozent beträgt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Legierung weist hinsichtlich ihrer Zusammensetzung vorzugsweise die folgenden Gewichtsprozente auf. Kupfer im Bereich von 54% bis 59,5%, Zink im Bereich von 36% bis 40,5%, Eisen im Bereich von 0,1% bis 0,5%, Nickel im Bereich von 0,1% bis 0,5%, Silizium im Bereich von 0,01% bis 0,2%, Mangan im Bereich 0,01% bis 0,2% und Zinn im Bereich von 0,1% bis 0,5% und Blei mit einem Anteil von höchstens 0,1%. Der Bleigehalt der Legierung beträgt, auch bedingt durch den Einsatz von Schrotten bei der Herstellung derartiger Legierungen, max. 0,1%.
Entsprechend des Anteiles der obigen Zusatzstoffe werden die Anteile von Kupfer und/oder Zink gegebenenfalls vermindert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der Anteil an Kupfer 57,0% bis 57,5%, der Anteil von Zink 41,9 bis 42,5, der Anteil von Nickel 0,2% bis 0,3%, der Anteil von Eisen 0,2% bis 0,3%, der Anteil an Silizium 0,03% bis 0,08%, der Anteil von Mangan 0,03% bis 0,08% sowie der Anteil von Zinn 0,2% bis 0,3% und der Anteil von Blei weniger als 0,1%. Darüber hinaus ist insbesondere daran gedacht, dass die Summe der Gewichtsanteile aller weiteren eventuellen Bestandteile höchstens 0,2% beträgt.
Hinsichtlich der obigen Zusammensetzungen ist es grundsätzlich möglich, lediglich einige der aufgeführten Elemente der Legierung zuzusetzen. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist aber daran gedacht, sämtliche oben aufgeführten Elemente mit einem Gewichtsanteil innerhalb der jeweils definierten Intervalle in Kombination miteinander der Legierung zuzugeben.
Gemäß einer typischen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Bleigehalt in einem Intervall von 0,01% bis 0,1% liegt. Durch die erfindungsgemäße Relation zwischen dem alpha-Mischkristall und dem beta-Mischkristall können auch bei verminderten Bleigehalten die gewünschten Materialeigenschaften erreicht werden. Das alpha-Mischkristall führt hierbei zu einer relativ guten Verformbarkeit der Legierung und verleiht dieser zähe Eigenschaften. Das beta-Mischkristall ist hingegen relativ schlecht verformbar und spröde. Diese Eigenschaften sind für eine gute Spanbarkeit erwünscht. Durch die erfindungsgemäße Relation der alpha- und der beta-Anteile werden der Legierung somit eine ausreichende Zähigkeit für die Unterstützung einer Verformbarkeit und eine ausreichende Sprödigkeit für die Unterstützung einer Spanbarkeit verliehen.
Neben der reinen Relation zwischen den alpha- und den beta-Anteilen erweist es sich ebenfalls als zweckmäßig, die Korngröße der Mischkristalle zu beeinflussen. Als positiv hat es sich erwiesen, vergleichsweise geringe und gleichmäßige Korngrößen zu unterstützen. Durch Zugabe von Eisen und Silizium bilden sich Eisensilizide, die das Kornwachstum behindern und sich hierdurch positiv auf die Gefügestruktur auswirken. Die Zugabe von Zinn und/oder Eisen begünstigt die Bildung von beta-Mischkristallen.
Ebenfalls erweist es sich, daß die Zugabe von Mangan in Kombination mit Sauerstoff oder Phosphor die Ausscheidung von Oxiden oder Phosphiden begünstigt und hierdurch zu einer feineren Kornstruktur führt. Diese wiederum unterstützt eine gute Zerspanbarkeit. In geringen Mengen erweisen sich auch Anteile von Phosphor als positiv hinsichtlich der Ausbildung der Gefügestruktur.
Hinsichtlich der Fertigung der Legierung kann ein bevorzugter Produktionsprozeß derart durchgeführt werden, daß zunächst ein Strangpressen in einem Temperaturbereich von 600 bis 750°C durchgeführt wird. Es wird hierdurch ein Gefüge erzeugt, das einen Anteil des beta-Mischkristalls von etwa 50 Gewichtsprozent aufweist.
Zur Unterstützung sowohl einer guten Zerspanbarkeit als auch einer guten Verformbarkeit ist es möglich, eine Zwischenglühung durchzuführen. Es wird hierbei nach einem ersten Umformschritt ein Zwischenglühen mit einer Temperatur von etwa 500 bis 600°C durchgeführt. Das Zwischenglühen führt zu einer Rekristallisation und somit zu einer Kornneubildung. Hierdurch wird eine feinkörnige Gefügestruktur unterstützt.
Durch eine geeignete Durchführung des Zwischenglühens ist es möglich, einen Gewichtsanteil des beta-Mischkristall von 30 bis 45 Prozent zu realisieren. Es wird hierdurch eine gesteigerte Umformbarkeit des Halbzeugs erreicht.
Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, die Messinglegierung aus Kupfer und Zink, mit einem Bleigehalt von 0,01 bis 0,1 Prozent und mit mindestens einer weiteren Legierungskomponente auszubilden. Diese weitere Legierungskomponente beeinflußt die Gefügestruktur des Mischkristalls, um anwendungsabhängig die jeweils gewünschten Materialeigenschaften zu erreichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, hinsichtlich der Gewichtsprozente die folgende Legierung zu realisieren.
Cu 55–56%, Fe 0,2–0,3%, Ni 0,1–0,2%, Si 0,01–0,03%, Mn 0,1–0,2%, Sn 0,3–0,5%, Zn Rest. Diese Ausführungsform führt zu einem besonders hohen Anteil an beta-Mischkristallen zwischen 55 und 70% beta-Anteil, was einen besonders kurz brechenden Span bewirkt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform wird hinsichtlich der Gewichtsprozente durch die folgende Legierung bereitgestellt.
Cu 57–57,5%, Fe 0,2–0,3%, Ni 0,2–0,3%, Si 0%, Mn 0%, Sn 0,2–0,3% Zn Rest. Ziel ist es hierbei, einen leicht erhöhten alpha-Anteil und weniger harte Ausscheidungen zu erreichen.
Darüber hinaus ist hinsichtlich von bevorzugten Ausführungsformen auch daran gedacht, hinsichtlich der Gewichtsprozente die folgende Legierung zu realisieren.
Cu 56–56,5%, Fe 0,4–0,5%, Ni 0,2–0,3%, Si 0%, Mn 0,1–0,2%, Sn 0,35–0,5% Zn Rest. Es werden hierdurch weniger harte Ausscheidungen gebildet und dafür eine Bildung der Ausscheidung von primär ausgeschiedenem Eisen gefördert. Durch die vermehrte Zugabe von Mangan und Zinn bildet sich ein erhöhter beta-Anteil gegenüber der vorherigen Ausführungsform.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Richtlinie 2000/53/EG [0004]
- Richtlinie 2002/96/EG [0004]

Claims

Messinglegierung, die im Wesentlichen aus Kupfer und Zink besteht, sowie die mindestens eine zusätzliche Legierungskomponente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt an Blei höchstens 0,1 Gewichtsprozent beträgt, dass der Anteil an Zink 40,5 bis 46 Gewichtsprozent beträgt und daß die Legierung ein Mischkristall mit Anteilen sowohl eines alpha-Gefüges als auch eines beta-Gefüges aufweist, wobei der Gewichtsanteil des beta-Gefüges mindestens 30% und höchstens 70% beträgt.
Messinglegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Kupfer 54 bis 59,5 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Zink etwa 42 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Eisen 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Eisen 0,2 bis 0,3 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Nickel 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Nickel 0,2 bis 0,3 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Silizium 0,01 bis 0,20 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Silizium 0,03 bis 0,08 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Mangan 0,01 bis 0,20 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Mangan 0,03 bis 0,08 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Zinn 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Zinn 0,2 bis 0,3 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Substanzen, die nicht Kupfer, Zink, Eisen, Nickel, Silizium, Mangan oder Zinn sind, weniger als 0,2 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des beta-Gefüges mindestens 50 Gewichtsprozent beträgt.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Gewichtsprozente realisiert sind: Cu 55–56%, Fe 0,2–0,3%, Ni 0,1–0,2%, Si 0,01–0,03%, Mn 0,1–0,2%, Sn 0,3–0,5%, Zn Rest.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Gewichtsprozente realisiert sind: Cu 57–57,5%, Fe 0,2–0,3%, Ni 0,2–0,3%, Si 0%, Mn 0%, Sn 0,2–0,3% Zn Rest.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Gewichtsprozent realisiert sind: Cu 56–56,5%, Fe 0,4–0,5%, Ni 0,2–0,3%, Si 0%, Mn 0,1–0,2%, Sn 0,35–0,5% Zn Rest.
Messinglegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalgehalt von Phosphor von etwa 0,1 Gewichtsprozent enthalten ist.