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DE102018004702A1 - Moldings made of a corrosion-resistant and machinable copper alloy - Google Patents

Moldings made of a corrosion-resistant and machinable copper alloy Download PDF

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DE102018004702A1
DE102018004702A1 DE102018004702.5A DE102018004702A DE102018004702A1 DE 102018004702 A1 DE102018004702 A1 DE 102018004702A1 DE 102018004702 A DE102018004702 A DE 102018004702A DE 102018004702 A1 DE102018004702 A1 DE 102018004702A1
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Andreas Hansen
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Gebr Kemper GmbH and Co KG
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupferlegierung, deren Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen, sowie die daraus hergestellten Formteile.The present invention relates to a copper alloy, its use and a process for the production of moldings, as well as the moldings produced therefrom.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupferlegierung, deren Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen, sowie die daraus hergestellten Formteile.The present invention relates to a copper alloy, its use and a process for the production of moldings, as well as the moldings produced therefrom.

Stand der TechnikState of the art

Wasser ist ein wertvoller Rohstoff und für den täglichen Gebrauch unentbehrlich. Daher muss das Trinkwasser bei der Entnahme aus dem Versorgungssystem mikrobiologisch so beschaffen sein, dass der spätere Genuss zu keiner Erkrankung des Menschen führt. Um dies zu erreichen werden hohe Anforderungen an Werkstoffe, die in den unmittelbaren Kontakt mit dem Trinkwasser kommen, gestellt. Kupfer ist das edelste Gebrauchsmaterial und gilt in der Industrie und Technik für wasserführende Systeme als ein unverzichtbarer Werkstoff. Denn Kupfer besitzt bakteriostatische Eigenschaften und bietet außerdem eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Kupfer zeigt auch in der Formgebung positive Eigenschaften auf. So lassen sich Kupfergusslegierungen gut vergießen und durch die hohe Festigkeit und Zähigkeit wird der Werkstoff auch bei der plastomechanischen Formgebung besonders geschätzt.Water is a valuable raw material and indispensable for daily use. Therefore, the drinking water must be microbiologically such that the subsequent consumption does not lead to human disease when it is removed from the supply system. In order to achieve this, high demands are placed on materials that come into direct contact with drinking water. Copper is the noblest utility material and is considered an indispensable material in industry and technology for water-bearing systems. Because copper has bacteriostatic properties and also offers excellent corrosion resistance. Copper also shows positive properties in its shape. Thus, copper casting alloys can be cast well and the high strength and toughness of the material is particularly appreciated in the plastomechanical shaping.

Jedoch bereitet gerade diese plastische Verformbarkeit bei der spanabhebenden mechanischen Bearbeitung Probleme. Hier neigen homogene Kupferwerkstoffe zu einer Langspanbildung. Diese Spanart hemmt den Arbeitsablauf beim vollautomatisierten Drehen, bzw. Bohren, und führt zu einem starken Verschleiß an den Werkzeugschneiden. Oftmals ist die Spanbildung des Kupfers die limitierende Größe bei der mechanischen Bearbeitung und nimmt daher direkten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Werkstücke.However, it is precisely this plastic deformability that causes problems in machining machining. Here homogeneous copper materials tend to form a long chip. This type of chip inhibits the work flow during fully automated turning or drilling, and leads to heavy wear on the tool cutting edges. Often, the chip formation of copper is the limiting factor in mechanical processing and therefore has a direct influence on the cost-effectiveness of the workpieces.

Rotguss gehört zu den Kupfergusslegierungen und zeichnet sich durch die Kombination einer guten Gießbarkeit mit optimaler Spanbarkeit und hoher Festigkeit aus. Durch die gute Korrosionsbeständigkeit ist Rotguss besonders für wasserführende Systeme wie die Armaturen- und Sanitärtechnik geeignet. Übliche Rotgusslegierungen enthalten Zinn um die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu steigern. Zink wird als kostengünstiges Substitutionsmittel für Kupfer hinzugefügt. Um die erzeugten Produkte aus Rotguss überhaupt wirtschaftlich bearbeiten zu können, wird das Schwermetall Blei hinzugegeben, welches in der Legierung als Spanbrecher wirkt und eine spanabhebende Bearbeitung auf CNC-Automaten und herkömmlichen Drehautomaten möglich macht.Gunmetal is one of the cast copper alloys and is characterized by the combination of a good castability with optimum machinability and high strength. Due to its good corrosion resistance, gunmetal is particularly suitable for water-bearing systems such as fittings and sanitary technology. Common gunmetal alloys contain tin to increase strength and corrosion resistance. Zinc is added as an inexpensive substitute for copper. In order to be able to process the produced gunmetal products economically at all, the heavy metal lead is added, which acts as a chipbreaker in the alloy and makes a machining on CNC machines and conventional automatic lathes possible.

Stagniert das Trinkwasser über längere Zeit in handelsüblichen bleihaltigen Armaturen, besteht die Möglichkeit, dass Blei durch eine Metallionenmigration an das Leitungswasser abgegeben wird. Hohe Bleikonzentrationen gelten als gesundheitsschädlich. Daher werden weltweit immer strengere Auflagen an die Bleigehalte der Werkstoffe, die in Kontakt mit Trinkwasser kommen, gestellt. Auch innerhalb von Deutschland wurde über die gesetzliche Trinkwasserverordnung seit dem 01.12.2013 der Bleigehalt auf 10 µg Blei/I gesenkt. Der Druck, Bleigehalte im Trinkwasser weiter zu reduzieren, ist weltweit angestiegen und wird weiter wachsen. So verlangen gesetzliche Vorgaben aus den USA, dass Bleigehalte in Kupferlegierungen einen durchschnittlichen Bleigehalt von 0,25 % nicht überschreiten dürfen, unabhängig von der eigentlichen Bleikonzentration im Trinkwasser.If the drinking water stagnates for a long time in commercially available lead-containing fittings, there is the possibility that lead is released by a metal ion migration to the tap water. High lead concentrations are considered harmful to health. As a result, stricter requirements are being imposed on the lead content of materials that come into contact with drinking water worldwide. Within Germany, too, the lead content has been reduced to 10 μg lead / l via the statutory drinking water ordinance since 01.12.2013. The pressure to further reduce lead in drinking water has increased worldwide and will continue to grow. For example, legal requirements from the US require that lead contents in copper alloys must not exceed an average lead content of 0.25%, regardless of the actual lead concentration in drinking water.

Der ideale Rotguss wäre frei von Blei und anderen bedenklichen Substanzen, bei gleichbleibender oder besserer Wirtschaftlichkeit in der Fertigung und ohne die Korrosionsbeständigkeit, die hohen mechanischen Festigkeiten und die gute Verarbeitbarkeit zu beeinträchtigen.The ideal gunmetal would be free of lead and other substances of concern, with consistent or better economy in the production and without affecting the corrosion resistance, high mechanical strength and good processability.

Die EP 2290114 A1 beschreibt eine bleifreie Rotgusslegierung mit 4 bis 6 Gew.-% Zinn, 4 bis 6 Gew.-% Zink und weniger als 0,25 Gew.-% Blei. Mit dieser Legierung können bleifreie Bauteile mittels Gießverfahren hergestellt werden. Die nachträgliche mechanische Bearbeitung zur Erzeugung der Funktionsflächen dieser Bauteile bleibt aber unberücksichtigt. Ohne Blei zeigt die angegebene Zusammensetzung ein homogenes α-MK Gefüge auf, welches zur Langspanbildung neigt und sich nicht wirtschaftlich spanabhebend bearbeiten lässt. Auch das vorausgesetzte Gießverfahren benötigt prozessbedingt einen höheren Materialeinsatz zur Erzeugung des Formteils als alternative Umformungsprozesse.The EP 2290114 A1 describes a lead-free gunmetal alloy with 4 to 6 wt .-% tin, 4 to 6 wt .-% zinc and less than 0.25 wt .-% lead. With this alloy, lead-free components can be produced by casting. The subsequent mechanical processing to produce the functional surfaces of these components remains unconsidered. Without lead, the specified composition shows a homogeneous α-MK microstructure, which tends to form long chips and can not be machined economically. The presupposed casting process also requires a higher material input for the production of the molded part as an alternative transformation process due to the process.

Einen Umformprozess einer bleifreien Rotguss-Legierung beschreibt die EP 2 872 660 B1 . Beschrieben wird ein Verfahren zur Vorkonditionierung einer Rotgusslegierung mit 2 bis 8 Gew.-% Zinn, 2,5 bis 13 Gew.-% Zink und weniger als 0,25 Gew.-% Blei die zum Warmpressen geeignet ist und am Ende des Warmpressvorgangs ein homogenes Gefüge vorweist. Die Warmumformung ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung von Formteilen mit geringem Materialeinsatz. Zwar wird der Verfahrensablauf bis zur Formgebung des Rohlings erläutert, unberücksichtigt bleibt aber auch hier der anschließende notwendige Zerspanvorgang zur Herausarbeitung von Funktionsflächen der Bauteile. Durch die chemische Zusammensetzung und das anschließende warmumformen entsteht eine homogene Gefügeausbildung und auch hier ist durch das Fehlen eines Spanbrechers eine Langspanbildung bei der spanabhebenden Bearbeitung zu erwarten, die eine wirtschaftliche Bearbeitung der Bauteile erschwert.A forming process of a lead-free gunmetal alloy describes the EP 2 872 660 B1 , Described is a process for preconditioning a gunmetal alloy with 2 to 8 wt% tin, 2.5 to 13 wt% zinc and less than 0.25 wt% lead suitable for hot pressing and at the end of the hot pressing process homogeneous structure. The hot forming allows an economical production of moldings with low material usage. Although the process is explained to the shape of the blank, but also disregarded here is the subsequent necessary Zerspanvorgang for working out of functional surfaces of the components. Due to the chemical composition and the subsequent hot forming results in a homogeneous microstructure and also here is the absence of a chip breaker a long chip formation in the machining to be expected, which makes economical processing of the components difficult.

Die EP 1 801 250 A1 beschreibt migrationsarme Bauteile aus einer Kupferlegierung, die einen relativ hohen Anteil an Si aufweist, zusätzlich zu geringeren aber wesentlichen Anteilen an Mn, Al und Zr. Ähnliche Kupferlegierungen sind auch in der WO 2007/068470 offenbart. The EP 1 801 250 A1 describes low-migration copper alloy components that have a relatively high level of Si, in addition to lower but significant levels of Mn, Al, and Zr. Similar copper alloys are also in the WO 2007/068470 disclosed.

Trotzt der vielen inzwischen bekannten Kupferlegierungen im Stand der Technik besteht immer noch eine Herausforderung darin, Kupferlegierungen anzugeben, die einerseits ohne den Einsatz der aus Umwelt- und Gesundheitssichtpunkten problematischen Komponente Blei (Pb) auskommen, andererseits Umformungsprozesse ermöglichen, ohne dass die mechanischen Kennwerte und die Korrosionsbeständigkeit leiden. Als besonders anspruchsvoll hat sich hier die Bereitstellung von Kupferlegierungen herausgestellt, die eine gute Warmumformbarkeit zeigen (also ohne wesentlichen Abfall mechanischer Kennwerte) und vorzugsweise ebenfalls gut spanabhebend zu bearbeiten sind.Despite the many now known copper alloys in the prior art, there is still a challenge to specify copper alloys, on the one hand without the use of problematic from environmental and health points components lead (Pb), on the other hand enable transformation processes without the mechanical characteristics and the Suffer corrosion resistance. The provision of copper alloys has proven to be particularly demanding here, which show good hot workability (ie without significant drop in mechanical characteristics) and are preferably also easy to machine.

Aufgabe der vorliegenden ErfindungObject of the present invention

Aufgrund der vorstehend geschilderten Nachteile im Stand der Technik, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kupferlegierung anzugeben, die diese Nachteile überwindet. Wünschenswert wäre dabei insbesondere eine Kupferlegierung, die möglichst wenig Komponenten umfasst, bleifrei oder im wesentlichen bleifrei ist und darüber hinaus auf teure Metallkomponenten und/oder schwierig einzumischende Metallkomponenten verzichten kann. Auch sollte die Anzahl der Nichtmetallelemente in der Kupferlegierung so niedrig wie möglich sein.Due to the above-mentioned disadvantages in the prior art, it is the object of the present invention to provide a copper alloy that overcomes these disadvantages. In particular, it would be desirable to have a copper alloy which comprises as few components as possible, is lead-free or substantially lead-free and, in addition, can dispense with expensive metal components and / or metal components which are difficult to mix. Also, the number of non-metal elements in the copper alloy should be as low as possible.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Diese Aufgabe wird durch die Kupferlegierung nach Anspruch 1, deren Verwendung nach Anspruch 2, sowie das Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach Anspruch 3 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben. Ebenfalls beansprucht werden die unter Einsatz der hier beschriebenen Kupferlegierung hergestellten Formteile.This object is achieved by the copper alloy according to claim 1, the use thereof according to claim 2, and the method for the production of moldings according to claim 3. Preferred embodiments are given in the subclaims and the following description. Also claimed are the moldings produced using the copper alloy described herein.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden zunächst im Hinblick auf die erfindungsgemäße Legierung beschrieben. Es ist dem Fachmann allerdings klar, dass die in diesem Zusammenhang beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sich auch auf die beschriebene Verwendung, das beschriebene Herstellungsverfahren sowie die beschriebenen Formteile übertragen lassen und auch für diese Aspekte der Erfindung als bevorzugte Ausführungsformen anzusehen sind.The present invention will initially be described below with regard to the alloy according to the invention. However, it is obvious to the person skilled in the art that the preferred embodiments described in this context can also be transferred to the described use, the described production method and the described molded parts and are also to be regarded as preferred embodiments for these aspects of the invention.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, aus einer Rotguss-Legierung, die im Gefüge einen Spanbrecher aufweist, über eine Warmumformung mit geringem Materialeinsatz Formteile mit hohen mechanischen Festigkeiten, mit hoher Maßhaltigkeit und mit hoher Korrosionsbeständigkeit erzeugen, die anschließend nach dem Warmpressvorgang auch noch einer wirtschaftlichen Zerspanung unterzogen werden können. Die warmumformbare Rotguss-Legierung der vorliegenden Erfindung benötigt für die Ausbildung eines Spanbrechers im Gefüge keine Elemente wie AI, Si, Pb, Sb, Te, Se, C und Bi und ist daher gut wiederverwendbar.The present invention makes it possible to produce from a gunmetal alloy which has a chip breaker in the structure, hot forming with low material use moldings with high mechanical strength, high dimensional stability and high corrosion resistance, which then also after the hot pressing process even an economical machining can be subjected. The hot-workable gunmetal alloy of the present invention does not require elements such as Al, Si, Pb, Sb, Te, Se, C and Bi for the formation of a chip breaker in the microstructure, and is therefore well reusable.

Die vorliegende Erfindung stellt also eine Kupferlegierung zur Verfügung, die insbesondere zur Herstellung von Formteilen aus mindestens einem Warmumformungsvorgang mit anschließender spanabhebender Bearbeitung, die folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist:

  • Sn: 2 bis 6 %
  • Zn: 0 bis 5 %
  • S: 0,05 bis 0,6 %
  • Pb: weniger als 0,25 %
  • Ni: weniger als 0,6 %
  • Sb: weniger als 0,2 %,
optional weiter enthaltend Phosphor bis maximal 0,06 Gew.-%, B bis maximal 0,003 Gew.-%, Zr bis maximal 0,03 Gew.-% sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die Summe der Verunreinigungen vorzugsweise 0,25 Gew.-% nicht überschreitet, und wobei der Rest Cu ist.The present invention thus provides a copper alloy which, in particular for the production of molded parts from at least one hot-forming process with subsequent machining, has the following composition in% by weight:
  • Sn: 2 to 6%
  • Zn: 0 to 5%
  • S: 0.05 to 0.6%
  • Pb: less than 0.25%
  • Ni: less than 0.6%
  • Sb: less than 0.2%,
optionally further comprising phosphorus up to a maximum of 0.06% by weight, B up to a maximum of 0.003% by weight, Zr up to a maximum of 0.03% by weight and unavoidable impurities, the sum of the impurities preferably being 0.25% by weight does not exceed, and wherein the remainder is Cu.

Wie bereits vorstehend ausgeführt, enthält die erfindungsgemäße Legierung insbesondere keine Elemente der Gruppe AI, Si, Sb, Te, Se, C und Bi und in bevorzugten Ausführungsformen ebenfalls kein Pb.As already stated above, the alloy according to the invention contains in particular no elements of the group AI, Si, Sb, Te, Se, C and Bi and in preferred embodiments likewise no Pb.

Bevorzugte Gehalte an erfindungsgemäß einzusetzenden Legierungskomponenten sind wie folgt, wobei diese jeweils einzeln als auch in jeder Kombination erfindungsgemäß offenbart und beansprucht werden (jeweils erneut in Gew.-%):

  • Sn: 2 bis 4 %, in Ausführungsformen 2 bis weniger als 3,5 %
  • Zn: 0 bis 3 %, in Ausführungsformen auch 0 bis weniger als 1,5 %, insbesondere 0,1 bis weniger als 1,5 %
  • S: 0,1 bis 0,45 % und in Ausführungsformen 0,1 bis weniger als 0,25 %
Preferred contents of alloy components to be used according to the invention are as follows, these being disclosed and claimed in each case individually as well as in any combination (in each case again in% by weight):
  • Sn: 2 to 4%, in embodiments 2 to less than 3.5%
  • Zn: 0 to 3%, in embodiments also 0 to less than 1.5%, in particular 0.1 to less than 1.5%
  • S: 0.1 to 0.45% and in embodiments 0.1 to less than 0.25%

Der Kupferanteil in der Legierung ist bevorzugt 88 Gew.-% oder mehr, stärker bevorzugt 90 Gew.-% oder mehr. The copper content in the alloy is preferably 88% by weight or more, more preferably 90% by weight or more.

Es hat sich unerwartet gezeigt, dass mit den hier offenbarten Kupferlegierungen die bekannten Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können. Insbesondere können aus der Kupferlegierung hergestellte Halbzeuge/Zwischenprodukte sehr gut einer Warmumformung unterworfen werden. Trotz des bei einer Warmumformung (typischer Weise bei Temperaturen von etwa 600 bis 950°C) häufig auftretenden Abbaus von Kaltverfestigungen, ermöglicht die erfindungsgemäße Legierung die Herstellung von Formteilen (die ggf. dann noch weiterbearbeitet werden, z.B. durch spanabhebende Bearbeitung), die immer noch ausgezeichnete mechanische Kennwerte aufweisen und auch keinen Abbau der Korrosionsbeständigkeit zeigen.It has unexpectedly been found that the known disadvantages of the prior art can be overcome with the copper alloys disclosed here. In particular, semifinished products / intermediates produced from the copper alloy can very well be subjected to hot forming. Despite the degradation of work hardening which frequently occurs during hot working (typically at temperatures of about 600 to 950 ° C.), the alloy according to the invention makes it possible to produce molded parts (which may then be further processed, eg by machining), which still have excellent mechanical characteristics and also show no degradation of corrosion resistance.

Weiterhin hat sich gezeigt, dass die so erhaltenen Formteile (also nach Warmumformung) auch in wirtschaftlicher Art weiterbearbeitet werden können, da insbesondere die unerwünschte Langspanbildung unterbleibt. Es zeigt sich also, dass trotz der bei einer Warmumformung ablaufenden Prozesse in der Gefügestruktur der Legierung immer noch spanbrechende Komponenten vorliegen, obwohl die erfindungsgemäße Legierung auf typische spanbrechende Komponenten, wie Pb oder Si verzichtet. Also stellt die vorliegende Erfindung eine Kupferlegierung zur Verfügung, die eine ausgezeichnete Balance an gewünschten Eigenschaften aufweist. Es können also aus dieser Legierung Formteile hergestellt werden, insbesondere durch Warmumformung, ggf. verbunden mit weiteren Bearbeitungsschritten wie hier beschrieben, ohne dass Abstriche an die weiteren, erwünschten Eigenschaften der Kupferlegierung und deren Eignung zum Einsatz in der Warmumformung zu befürchten sind.Furthermore, it has been shown that the molded parts thus obtained (ie after hot working) can also be further processed in an economical manner, since in particular the undesirable long-chip formation does not occur. It thus turns out that, despite the processes taking place in a hot forming process, chip-breaking components are still present in the microstructure of the alloy, although the alloy according to the invention dispenses with typical chip-breaking components such as Pb or Si. Thus, the present invention provides a copper alloy that has an excellent balance of desired properties. It is thus possible to produce molded parts from this alloy, in particular by hot forming, if necessary connected to further processing steps as described herein, without having to fear compromises with respect to the further, desired properties of the copper alloy and its suitability for use in hot forming.

Die erfindungsgemäße Legierung kann also vorteilhaft zur Herstellung von Formteilen eingesetzt werden, wobei diese Herstellungsverfahren eine Warmumformung umfassen, ggf. kombiniert mit weiteren Bearbeitungsverfahren, beispielsweise eine anschließende spanabhebende Bearbeitung.
Im Hinblick auf den Erhalt der erwünschten Eigenschaften der hier beschriebenen Kupferlegierung ermöglichen die einzelnen Legierungsbestandteile jeweils allein, aber auch in ihrem Zusammenwirken, eine gute und reproduzierbare Steuerung der Legierungseigenschaften.
The alloy according to the invention can thus be used advantageously for the production of molded parts, these production methods comprising hot working, if necessary combined with further processing methods, for example a subsequent machining.
In view of obtaining the desired properties of the copper alloy described here, the individual alloy constituents in each case alone, but also in their interaction, enable a good and reproducible control of the alloy properties.

Zinn wirkt in der Legierung als Mischkristallverfestiger und erhöht damit die Zugfestigkeit, Dehngrenze und Härte, vermindert aber die Bruchdehnung. Des Weiteren erhöht Zinn die Korrosionsbeständigkeit, wobei die Korrosionsbeständigkeit mit steigenden Zinngehalten zunimmt. Bei der Herstellung der Rohlinge zur Warmumformung konnte erkannt werden, dass durch Zinn im Gefüge starke Segregierungen auftreten, die bei der Erstarrung zur Bildung von Zonenkristallen führen. Am Anfang der Erstarrung werden zinnärmere Kupferkristalle ausgeschieden und die Restschmelze reichert sich mit einem Zinngehalt an, der über den Durchschnittsgehalt der Legierung liegt. Abweichend vom stabilen Zustandsdiagramm Kupfer-Zinn kann bei Gehalten von über 7 Gew.-% Zinn im Gefüge bei Raumtemperatur ein (a + δ) - Eutektoid vorliegen, das unter Gleichgewichtsbedingungen erst bei max. 15,8 Gew.-% Zinn entsteht. Die mögliche δ Phase kristallisiert im kfz Gitter und müsste somit an sich gut verformbar sein, die Phase besitzt aufgrund ihrer voluminösen Elementarzelle von 416 Atomen aber ein sprödes Verhalten. Dies erschwert den späteren Warmumformprozess. Durch eine Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen mit ausreichender Zeit lässt sich das (a + δ) - Eutektoid zwar beseitigen, eine Wärmebehandlung ist aber mit hohem Energieaufwand verbunden.Tin acts as a solid solution in the alloy and thus increases the tensile strength, yield strength and hardness, but reduces the elongation at break. Furthermore, tin increases corrosion resistance, with corrosion resistance increasing with increasing tin contents. During the production of blanks for hot forming, it was recognized that tin in the microstructure causes strong segregation, which leads to the formation of zone crystals during solidification. At the beginning of solidification, tin-poor copper crystals are precipitated and the residual melt accumulates with a tin content above the average content of the alloy. Deviating from the stable state diagram copper-tin can be present at levels of more than 7 wt .-% tin in the microstructure at room temperature, an (a + δ) - eutectoid, which under equilibrium conditions only at max. 15.8 wt .-% tin is formed. The possible δ phase crystallizes in the kfz lattice and thus would have to be well deformable per se, but the phase has a brittle behavior due to its voluminous unit cell of 416 atoms. This complicates the later hot forming process. By heat treatment at high temperatures with sufficient time, the (a + δ) - eutectoid can be eliminated, but a heat treatment is associated with high energy expenditure.

Des Weiteren besteht die Gefahr einer Kornvergrößerung des Gefüges während der Behandlung. Dies würde zu einer Reduzierung der Dehnung führen womit der spätere Warmumformprozess erschwert wird. Mit einem Gehalt von 2 bis 6 Gew.-% Zinn, besonders bevorzugt 2 - 4 Gew.-% Zinn wird eine hohe mechanische Festigkeit mit hoher Dehnung gewährleistet und eine Ausbildung des (α + δ) - Eutektoids im Gusszustand vermieden.Furthermore, there is a risk of grain enlargement of the structure during the treatment. This would lead to a reduction in elongation, making the later hot forming process more difficult. With a content of 2 to 6 wt .-% tin, more preferably 2-4 wt .-% tin high mechanical strength is ensured with high elongation and avoid formation of the (α + δ) - eutectoid in the cast state.

Schwefel ist nahezu unlöslich im festen Kupfer und die ursprünglichen Eigenschaften des Werkstoffs, wie etwa die Korrosionsbeständigkeit, werden durch die Zugabe von Schwefel nicht beeinflusst. Durch die Unlöslichkeit im festen Kupfer führt Schwefel zu einem Konstitionsverhalten, dass den Erstarrungsverlauf von Kupfer-Zinn Legierung ähnlich wie Blei beeinflusst. Anders als Blei liegt Schwefel am Ende der Erstarrung aber nicht elementar im Gefüge vor, sondern in Form einer intermetallischen Metall-Schwefel Verbindung die gleichmäßig im Gefüge verteilt ist. Es konnte erkannt werden, dass diese Phase inkohärent und spröde im Gefüge vorliegt und somit einen spanbrechenden Mechanismus erzeugt.Sulfur is almost insoluble in solid copper and the original properties of the material, such as corrosion resistance, are not affected by the addition of sulfur. Due to the insolubility in the solid copper sulfur leads to a behavior of behavior that influences the course of solidification of copper-tin alloy similar to lead. Unlike lead, however, sulfur does not exist elementarily in the microstructure at the end of solidification, but in the form of an intermetallic metal-sulfur compound that is evenly distributed throughout the structure. It could be recognized that this phase is incoherent and brittle in the microstructure and thus produces a chipbreaking mechanism.

Die Eigenschaften der Sulfide beeinflussen das mechanische, plastische Verhalten des Rotguss-Werkstoffs. Der Einfluss wird über die Mengenanteile der Sulfidphasen im Werkstoff bestimmt. Ab Schwefelgehalten von über 0,6 Gew-.% wird die spannungsübertragende α-Cu Matrix durch die Sulfide so stark beeinträchtigt, dass ein Warmpressvorgang stark erschwert ist. Der Schwefelgehalt von 0,05 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 Gew.-% bis 0,45 Gew.-%, stellt sicher, dass ausreichend Sulfideinschlüssen im Gefüge vorhanden sind um einen spanbrechenden Mechanismus zu erzeugen und ein Warmumformungsvorgang zu gewährleisten.The properties of the sulfides influence the mechanical, plastic behavior of the gunmetal material. The influence is determined by the proportions of sulphide phases in the material. From sulfur contents of more than 0.6% by weight, the stress-transmitting α-Cu matrix is so severely affected by the sulfides that a hot pressing process is severely impeded. The sulfur content of 0.05% by weight to 0.6% by weight, particularly preferably 0.1% by weight to 0.45% by weight, ensures that sufficient sulfide inclusions are present in the microstructure around a chipbreaker To create mechanism and to ensure a hot forming process.

Zink wird der Legierung als wirtschaftliches Substitionsmittel gegenüber Kupfer hinzugefügt. Es wurde erkannt, dass zwischen dem Zinkgehalt und dem Schwefelgehalt ein enger Zusammenhang über den Zeitpunkt und über die Art der Verteilung der Sulfidausbildung besteht. Je höher der Zinkgehalt vorliegt, umso früher bilden sich die Sulfideeinschlüsse während der Gussteilerstarrung im Gefüge aus. Liegt der Zinkgehalt über 5 Gew.-%, wird die Sulfidausbildung zu Temperaturen im Bereich der Erstarrungstemperatur der Rotgusslegierung verschoben. In diesem Temperaturbereich liegen noch hohe schmelzflüssige Anteile im Gussgefüge vor, die stellenweise miteinander verbunden sind. Zinc is added to the alloy as an economical substitute for copper. It has been recognized that there is a close correlation between the zinc content and the sulfur content over the timing and type of distribution of sulphide formation. The higher the zinc content, the earlier the sulfide inclusions form during the casting solidification in the microstructure. If the zinc content is above 5% by weight, the sulfide formation is shifted to temperatures in the range of the solidification temperature of the gunmetal alloy. In this temperature range, there are still high molten parts in the cast structure, which are in some places connected to each other.

Durch einen hohen Zinkgehalt kommt es dann zu einer frühzeitigen Ausbildung der Sulfide. Diese Sulfide liegen inhomogen und stellenweise konzentriert im Gefüge vor und erschweren somit den Warmpressvorgang durch eine lokale Schwächung der α-MK Matrix. Ist der Zinkgehalt niedrig, wird die Ausbildung zu niedrigeren Temperaturen verschoben und die Sulfide liegen in ehemaligen Restschmelzebereichen getrennt voneinander und homogen verteilt vor. Der Zinkgehalt von 0 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0 bis 3 Gew.-% Zink, sichert, dass eine Sulfidausbildung bei höheren Temperaturen vermieden wird.Due to a high zinc content, it then comes to an early formation of sulfides. These sulfides are inhomogeneous and locally concentrated in the structure before and thus complicate the hot pressing process by a local weakening of the α-MK matrix. If the zinc content is low, the formation is shifted to lower temperatures and the sulfides are present in former residual melt areas separated from each other and homogeneously distributed. The zinc content of 0 to 5 wt%, more preferably 0 to 3 wt% zinc ensures that sulfide formation is avoided at higher temperatures.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die erfindungsgemäße Kupferlegierung durch die spezifische Zusammensetzung eine besondere Eignung zum Einsatz in einem Herstellungsverfahren für Formteile aufweist, wobei dieses Verfahren mindestens eine Warmumformung umfasst. Durch die besondere Zusammensetzung der Legierung können nach der Warmumformung auch problemlos weitere Bearbeitungsschritte erfolgen, beispielsweise eine anschließende spanabhebende Bearbeitung.Investigations have shown that the copper alloy according to the invention by the specific composition has a particular suitability for use in a production process for moldings, this process comprising at least one hot working. Due to the special composition of the alloy, further processing steps can easily be carried out after the hot forming, for example, a subsequent machining.

Eine erfindungsgemäße Warmumformung kann beispielsweise ein Warmpressvorgang sein. Erfindungsgemäß sind aber auch andere Warmumformungen möglich, die dem Fachmann bekannt sind. Vor einer Warmumformung, beispielsweise einem Warmpressvorgang wird der Rohling auf 600 °C bis 950 °C erhitzt. Ab 600 °C ist die Dehngrenze ausreichend tief um den Rotgusswerkstoff über einen Warmumformungsvorgang plastisch zu verformen. Erfindungsgemäß kann eine Warmumformung bei irgend einer geeigneten Temperatur in dem vorstehend genannten Temperaturfenster durchgeführt werden, beispielsweise bei 700 bis 900°C. Die jeweilige Temperatur wird in Abhängigkeit von der Art des Formteils, der gewünschten Schnelligkeit der Umformung etc. vom Fachmann ausgewählt.A hot forming according to the invention can be, for example, a hot pressing process. According to the invention, however, other hot forming operations are possible, which are known to the person skilled in the art. Before a hot forming, for example, a hot pressing process, the blank is heated to 600 ° C to 950 ° C. From 600 ° C the yield strength is sufficiently low to plastically deform the red brass material via a hot forming process. In the present invention, hot working may be performed at any suitable temperature in the above-mentioned temperature window, for example at 700 to 900 ° C. The particular temperature is selected by the person skilled in the art depending on the type of molded part, the desired rapidity of the forming, etc.

Es wurde erkannt, dass in dem angegebenen Temperaturbereich auch die Atombindungen der Sulfide schwächer werden, so dass Versetzungsbewegungen in diesen Überstrukturen erleichtert werden. Die Phasen verlieren in diesem Temperaturbereich ihre Sprödigkeit und werden verformbar und hemmen somit den Warmumformungsprozess nicht. Unmittelbar nach der Umformung findet dann eine dynamische Rekristallisation der α-MK Matrix statt, die den vorher im Gusszustand bestehenden Zonenmischkristall mit unterschiedlicher Zinnkonzentration beseitigt und über den Querschnitt eine homogene Konzentration und damit gleichbleibender mechanische Kennwerte und Korrosionseigenschaften gewährleistet.It was recognized that in the specified temperature range, the atomic bonds of the sulfides are weaker, so that dislocation movements are facilitated in these superstructures. The phases lose their brittleness in this temperature range and become deformable and thus do not inhibit the hot forming process. Immediately after the transformation, a dynamic recrystallization of the α-MK matrix takes place, which eliminates the previously existing in the casting state zone mixed crystal with different tin concentration and ensures a homogeneous concentration and thus constant mechanical properties and corrosion properties over the cross section.

Die Sulfide liegen aber nach dem Verformungsprozess bei Raumtemperatur im Gefüge wieder verteilt und spröde vor, womit sie als Spanbrecher fungieren. Es konnte ermittelt werden, dass auch bei warmverformten Formteilen mit niedrigen Schwefelgehalten ab 0,05 Gew.-% es zu einem Ruckgleiten des Werkzeugs bei der mechanischen Bearbeitung durch zeitlich veränderte Reibungsverhältnisse zwischen Span und Werkzeug kommt. Diese veränderten Reibungsverhältnisse sind auf den inhomogenen Gefügeaufbau zurückzuführen, der nach dem Warmpressvorgang aus einer kupferhaltigen α-MK Matrix mit darin eingebetteten Sulfiden besteht. Durch das Ruckgleiten entstehen Scherbänder im Span die zu Lamellenspänen und Scherspänen führen und im weiteren Verlauf der Bearbeitung bei Abführung über eine Spanleitstufe im Werkzeug brechen. Dadurch werden lange Späne verhindert und eine wirtschaftliche spanabhebende Bearbeitung ermöglicht.However, the sulfides are distributed after the deformation process at room temperature in the microstructure and brittle, so they act as a chip breaker. It could be determined that, even with hot-formed moldings with low sulfur contents from 0.05% by weight, the mold is jerked during machining due to time-varying friction conditions between the chip and the tool. These altered friction conditions are due to the inhomogeneous structure of the structure, which consists of a copper-containing α-MK matrix with embedded sulfides after the hot pressing process. The stick slip produces shear bands in the chip which lead to lamella chips and shearing chips and, in the course of processing, break down in the tool when discharged via a chip breaker. This prevents long chips and enables economical machining.

Um den erfindungsgemäß vorgesehenen Warmpressvorgang zu ermöglichen, sollte die im Gusszustand vorliegende mittlere Korngröße nicht mehr als 2 mm betragen. Die notwendigen Maßnahmen zur Sicherstellung einer derartigen mittleren Korngröße sind dem Fachmann bekannt. Eine Kornfeinung ist beispielsweise möglich über den Einsatz chemische Zusätze wie Zirkon und Bor bis zu Gehalten von 0,005 bis 0,03 Gew.-% oder andere alternative Verfahren zur Kornfeinung wie elektromagnetisches Rühren, Ultraschallanregung, Vibration, Einblasen von Gas oder mittels einer starken Unterkühlung der Schmelze während des Gießens.In order to enable the hot-pressing process provided according to the invention, the mean grain size present in the cast condition should not exceed 2 mm. The necessary measures to ensure such a mean grain size are known in the art. For example, grain refinement is possible through the use of chemical additives such as zirconium and boron to levels of 0.005 to 0.03 wt.% Or other alternative methods of grain refining such as electromagnetic stirring, sonication, vibration, gas injection, or high subcooling Melt during casting.

Die vorstehend beschriebene Kupferlegierung eignet sich insbesondere zur Verwendung zur Herstellung von Formteilen, wobei die Herstellung mindestens eine Warmumformung umfasst. Möglich ist auch die Verwendung zur Herstellung von Formteilen, bei der nach der mindestens einen Warmumformung weitere Bearbeitungsschritte erfolgen, beispielsweise eine anschließende spanabhebende Bearbeitung. Das damit korrespondierende Herstellungsverfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Bauteilen, beispielsweise Medien-, z.B. Gas oder Wasser führenden Leitungen und damit zu verbindenden Bauteilen, wie Fittings etc. Besonders im Fokus stehende Formteile sind Bestandteile von Hausinstallationsrohrsystemen, einschließlich Rohre, Fittings, Endkappen und Verbindungsstücke. Die prinzipiellen Verfahrensschritte zur Herstellung derartiger Formteile sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht detailliert beschreiben.The copper alloy described above is particularly suitable for use in the production of molded parts, wherein the production comprises at least one hot working. Also possible is the use for the production of molded parts, in which after the at least one hot forming further processing steps take place, for example, a subsequent machining. The corresponding production method is suitable in particular for the production of components, for example media, eg gas or water-carrying lines and thus components to be connected, such as fittings, etc. Specifically focused moldings are components of domestic plumbing systems, including pipes, fittings, end caps, and fittings. The basic process steps for producing such molded parts are known to the person skilled in the art and therefore will not be described in detail here.

Erfindungswesentlich ist in diesem Zusammenhang, dass durch die vorstehend beschriebene spezifische Zusammensetzung der einzusetzenden Kupferlegierung ein Abfall mechanischer Kennwerte und der Korrosionsbeständigkeit auch nach einer Warmumformung ausbleibt. Zusätzlich hat sich gezeigt, dass sowohl vor als auch nach einer Warmumformung die erhaltenen Formteile ohne Probleme anderen Bearbeitungen unterworfen werden können. Insbesondere ist eine spanabhebende Bearbeitung möglich, da die problematische und unerwünschte Langspanbildung unterbleibt. So kann ein Formteil in einer wirtschaftlichen Weise hergestellt werden (da insbesondere die anderen, wünschenswerten Eigenschaften der Kupferlegierung, wie gute Warmumformbarkeit, Inertheit gegenüber den mit den Werkstücken in Kontakt kommenden Stoffen, insbesondere Trinkwasser, und Korrosionsbeständigkeit, nicht beeinträchtigt werden). Besonders hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang, dass die hier beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung erreicht werden, obwohl auf den Einsatz der ansonsten im Stand der Technik vielfach als notwendig erachteten Komponenten Pb, Si etc. verzichtet wird.Essential to the invention in this context is that the above-described specific composition of the copper alloy to be used in the absence of mechanical properties and corrosion resistance even after hot working. In addition, it has been shown that both before and after a hot forming, the resulting moldings can be subjected to other operations without problems. In particular, a machining is possible because the problematic and undesirable Langspanbildung is omitted. Thus, a molded article can be produced in an economical manner (in particular, because the other desirable properties of the copper alloy, such as good hot workability, inertness to the workpieces, especially drinking water, and corrosion resistance, are not compromised). Particularly noteworthy in this context is that the advantages of the present invention described here are achieved, although the use of the components Pb, Si, which are otherwise often considered necessary in the prior art, is dispensed with.

Dieser unerwartete Vorteil der hier beschriebenen Kupferlegierung ermöglicht deren wirtschaftliche Verwendung zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Formteile.This unexpected advantage of the copper alloy described herein enables its economical use for the manufacture of the moldings described above.

Beispielexample

Aus einem bleifreien Rotguss wurde im korngefeinten Zustand mittels einer Warmumformung mit anschließender spanabhebender Bearbeitung ein Formteil für die Trinkwasserinstallation hergestellt. Dabei zeigte sich, dass nach dem Warmpressvorgang Spanbrecher im Gefüge der Legierung vorlagen, so dass eine wirtschaftliche vollautomatisierte mechanische Bearbeitung möglich wurde.From a lead-free gunmetal in the grain-refined state by means of a hot forming with subsequent machining a molded part for drinking water installation was produced. It was found that chip breakers were present in the microstructure of the alloy after the hot pressing process, so that economically viable, fully automated mechanical processing became possible.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Kupferlegierung, geeignet zur Herstellung von Formteilen durch ein Verfahren mit mindestens einem Warmumformungsvorgang, wobei die Legierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist: Sn: 2 bis 6 % Zn: 0 bis 5 % S: 0,05 bis 0,6 % Pb: weniger als 0,25 % Ni: weniger als 0,6 % Sb: weniger als 0,2 % und optional Phosphor bis maximal 0,06 Gew.-%, B bis maximal 0,03 Gew.-%, Zr bis maximal 0,03 Gew.-%, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen, und wobei der Rest Cu ist.Copper alloy suitable for the production of molded parts by a process with at least one hot forming operation, the alloy having the following composition in% by weight: Sn: 2 to 6% Zn: 0 to 5% S: 0.05 to 0.6% Pb: less than 0.25% Ni: less than 0.6% Sb: less than 0.2% and optionally phosphorus up to a maximum of 0.06% by weight, B up to a maximum of 0.03% by weight, Zr up to a maximum of 0.03% by weight, and unavoidable impurities, and wherein Rest Cu is. Verwendung einer Kupferlegierung zur Herstellung von Formteilen durch ein Verfahren mit mindestens einem Warmumformungsvorgang, wobei die Legierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist: Sn: 2 bis 6 % Zn: 0 bis 5 % S: 0,05 bis 0,6 % Pb: weniger als 0,25 % Ni: weniger als 0,6 % Sb: weniger als 0,2 % und optional Phosphor bis maximal 0,06 Gew.-%, B bis maximal 0,03 Gew.-%, Zr bis maximal 0,03 Gew.-%, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen, und wobei der Rest Cu ist.Use of a copper alloy for the production of molded parts by a process with at least one hot-forming process, wherein the alloy has the following composition in% by weight: Sn: 2 to 6% Zn: 0 to 5% S: 0.05 to 0.6% Pb: less than 0.25% Ni: less than 0.6% Sb: less than 0.2% and optionally phosphorus up to a maximum of 0.06% by weight, B up to a maximum of 0.03% by weight, Zr up to a maximum of 0.03% by weight, and unavoidable impurities, and wherein Rest Cu is. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einer Kupferlegierung, wobei die Legierung folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist: Sn: 2 bis 6 % Zn: 0 bis 5 % S: 0,05 bis 0,6 % Pb: weniger als 0,25 % Ni: weniger als 0,6 % Sb: weniger als 0,2 % und optional Phosphor bis maximal 0,06 Gew.-%, B bis maximal 0,03 Gew.-%, Zr bis maximal 0,03 Gew.-%, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen, und wobei der Rest Cu ist; wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: mindestens einen Warmumformungsvorgang der Kupferlegierung zur Herstellung eines FormteilsProcess for the production of molded parts from a copper alloy, the alloy having the following composition in% by weight: Sn: 2 to 6% Zn: 0 to 5% S: 0.05 to 0.6% Pb: less than 0.25% Ni: less than 0.6% Sb: less than 0.2% and optionally phosphorus up to a maximum of 0.06% by weight, B up to a maximum of 0.03% by weight, Zr up to a maximum of 0.03% by weight, and unavoidable impurities, and wherein Balance is Cu; the method comprising the steps of: at least one hot working process of the copper alloy to produce a molded article Kupferlegierung nach Anspruch 1, Verwendung nach Anspruch 2 oder Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Summe der Verunreinigen 0,25 Gew.-% nicht überschreitet.Copper alloy after Claim 1 , Use after Claim 2 or method after Claim 3 wherein the sum of the contaminants does not exceed 0.25% by weight. Kupferlegierung, Verwendung oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinngehalt 2 bis 4 Gew.-% beträgt.Copper alloy, use or method according to one of the preceding claims, characterized in that the tin content is 2 to 4 wt .-%. Kupferlegierung, Verwendung oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinkgehalt 0 bis 3 Gew.-% beträgt.Copper alloy, use or method according to any one of the preceding claims, characterized in that the zinc content is 0 to 3 wt .-%. Kupferlegierung, Verwendung oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwefelgehalt 0,1 bis 0,45 Gew.-% beträgt.Copper alloy, use or method according to one of the preceding claims, characterized in that the sulfur content is 0.1 to 0.45 wt .-%. Kupferlegierung, Verwendung oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Legierung keine Elemente der Gruppe AI, Si, Sb, Te, Se, C und Bi enthält und /oder wobei die Legierung kein Pb enthält.A copper alloy, use or method according to any one of the preceding claims, wherein the alloy contains no elements of the group AI, Si, Sb, Te, Se, C and Bi and / or wherein the alloy contains no Pb. Kupferlegierung, Verwendung oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kupferlegierung geeignet ist zur Herstellung von Formteilen durch ein Verfahren weiter umfassend eine spanabhebende Bearbeitung nach der mindestens einen Warmumformung, wobei das Verfahren den weiteren Schritt einen spanabhebenden Bearbeitung nach der mindestens einen Warmumformung umfasst; bzw. wobei die Verwendung eine auf die Warmumformung folgende spanabhebende Bearbeitung umfasst.The copper alloy, use or method of any one of the preceding claims, wherein the copper alloy is suitable for producing molded parts by a method further comprising machining after the at least one hot working, the method comprising the further step of machining after the at least one hot working; or wherein the use comprises a subsequent to the hot forming machining. Formteil, hergestellt aus der Kupferlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 9, erhalten gemäß der Verwendung nach einem der Ansprüche 2 sowie 4 bis 9 oder erhalten nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9.Molding made of the copper alloy according to any one of Claims 1 or 4 to 9 Obtained according to use according to one of Claims 2 and 4 to 9 or obtained by the method according to one of Claims 3 to 9 ,
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