DE60010729T2

DE60010729T2 - Entzinkungsresistente spritzguss-messinglegierung

Info

Publication number: DE60010729T2
Application number: DE60010729T
Authority: DE
Inventors: Carl- ke DÄCKER; Ulla Langelotz
Original assignee: Tour and Andersson AB
Current assignee: Tour and Andersson AB
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2020-08-19
Also published as: US6787101B1; SE9903003L; ATE266744T1; ES2220521T3; SE514752C2; EP1216313A1; CN1371429A; WO2001014606A1; CN1141409C; AU6883100A; DE60010729D1; EP1216313B1; SE9903003D0; DK1216313T3; HK1048500A1; HK1048500B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spritzguss-Messinglegierung mit Entzinkungsresistenz nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Entzinkung stellt ein Problem für Messingwasserarmaturen dar, wenn die Wasserqualität variiert und möglicherweise stark ätzend ist.
Es ist bekannt, dass es möglich ist, die kupferreiche Alpha-Phase in Messing mit geringen Zusätzen von Arsen oder Antimon gegen Entzinkung zu behandeln, während die zinkreiche Beta-Phase nicht entzinkungsbeständig ist.
Daher wäre es logisch, einen hohen Kupferanteil in einer Messinglegierung entzinkungsbeständig zu halten (wie eine Legierung 1 in 1, worin eine Portion des Phasendiagramms Cu-Zn, Hansen, Aufbau von binären Legierungen, New York 1958 dargestellt ist), um die Menge der weniger korrosionsbeständigen Beta-Phase zu minimieren oder vollständig zu vermeiden. Das Problem mit einer solchen Legierung liegt darin, dass es zu einer Primärerstarrung der Alpha-Phase in Form von langen erstarrten Kristallen führt, die sogenannten Dendriten, d.h. dass sich in der Beta-Phase lange Bänder zwischen den Alpha-Dendriten formen. Dies führt zu zwei negativen Folgen:

a) Das Material wird durch die Hitze spröde; und
b) Das Material wird eine tiefe Entzinkung erreichen, da die Entzinkung in den langen Bändern der Beta-Phase folgen wird.

Dieses Phänomen ist im nachstehenden wissenschaftlichen Artikel näher beschrieben:
Arno Louvo, Tapio Rantala, Veijo Tauta, "The Effect of Composition on as-cast Microstructure of alfa/beta-Brass and its Control by Microcomputer", LISBOA 84, 51 st International Foundry Congress (Die Wirkung der Zusammensetzung Alpha/Beta-Messing als Spritzguss-Mikrostruktur und deren Überwachung über Mikrocomputer", Lissabon 84, 51. Internationaler Gießerei-Kongress).
2 ist ein Auszug aus diesem Artikel und beschreibt das Problem der durch die Hitze entstandenen Sprödigkeit und 3 ist ein Auszug desselben Artikels und beschreibt das Phänomen mit zunehmenden Entzinkungstiefen mit einem steigenden Kupfergehalt.
Um die obengenannten Probleme zu vermeiden, muss die Legierung primär in der Beta-Phase wie eine Legierung 2 in 1 erstarren, was folgende Vorteile bietet:

a) Die Beträge von Mikro- und Makro-Seigerungen werden für eine Legierung, die primär in der Beta-Phase erstarrt, wesentlich niedriger sein. Dies wird dadurch hervorgerufen, dass die Diffusionsgeschwindigkeit in der Beta-Phase etwa 1000 mal höher ist als in der Alpha-Phase, was ein Ergebnis davon ist, dass deren Kristallstruktur eine kubisch raumzentrierte (k. r. z.) Atomanordnung im Vergleich zur kubisch flächenzentrierten (k. f. z.) Atomanordnung der Alpha-Phase aufweist.
b) Die während der Erstarrung entstandenen Kristalle können mit Bor feinkornbehandelt werden, wodurch sehr wirksam Feinkörner gebildet und nur äußerst kleine Beträge dieser Substanz benötigt werden, um eine Feinkornbildungs-Wirkung zu erreichen.

Erfahrungsgemäß hat Bor keine Feinkornbildungs-Wirkung auf Messing, das primär in der Alpha-Phase erstarrt, während es sehr wirksam ist, insoweit es die Keimbildung von Beta-Kristallen betrifft.
Der Nachteil liegt darin, dass sich der Beta-Phasen-Betrag in der Endgießstruktur erhöht und ohne eine Wärmebehandlung wird es schwer fallen, den härtesten Entzinkungsanforderungen gemäß BS 2872 zu entsprechen, was eine maximale Entzinkungstiefe von 100 μm als einen getrennten Wert erfordert. Dies ist vor allem bei schweren Materialdicken wahr, wie in 3 dargestellt.
Obige Informationen entsprechen bekannten Grundlagen.
Zusätzliche, schon bekannte Techniken sind in der WO 89/08725 A1, EP 0 572 959 A1 und im MNC – Handbuch Nr. 8, Ausgabe 2, September 1987, "Specialmässing", Seite 43 beschrieben.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Methode vorzuschlagen, um die obengenannten Nachteile zu beseitigen.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch die Entwicklung einer Legierung mit den folgenden Merkmalen erreicht.
Durch einen geschickten Ausgleich von Kupfer, Zink, Silikon und Aluminium ist es möglich, in der Beta-Phase eine Erstarrung zu erreichen und dennoch die Entwicklung von kontinuierlichen Beta-Phasen-Zonen im Endprodukt zu vermeiden. Die Beta-Phase wird in isolierten Agglomeraten in einer Matrize der Alpha-Phase gefunden, die infolge der Arsenzugabe gegen eine Entzinkung geschützt wird. Die Primärerstarrung in der Beta-Phase mit der erfindungsgemäßen Legierungskombination, in Verbindung mit der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit des Spritzgusses, begrenzt die Größe der Agglomerate der Beta-Phase in der Endgießstruktur, wobei die Agglomerate auch in einem dicken Spritzguss-Material mit einer niedrigen Erstarrungs-Geschwindigkeit eine deutlich unter 100 μm liegende Ausdehnung erreichen.
Über eine Feinkorn-Behandlung mit Bor kann die Größe der Agglomerate und folglich auch die Entzinkungstiefe zusätzlich verringert werden.
Diese Schlussfassungen sind durch die Ergebnisse einer weitgehenden Entwicklungsbemühung im Laufe von mehreren Jahren bestätigt worden, was das Ziel gewesen ist, um angemessene Legierungskombinationen zu finden. Dies wird in den folgenden Zeichnungen gezeigt:
4 zeigt, wie die Menge von peritektisch erstarrenden Materialien (Primärerstarrung in der Alpha-Phase) schnell verringert wird, wenn der Kupfergehalt in der Legierung sinkt, wobei die Erhöhung der Menge in der Beta-Phase in der Endstruktur verhältnismäßig langsam erfolgt.
5 zeigt das Ergebnis aus Forschungen der Entzinkungstiefe gemäß dem internationalen Standard ISO 6509 für Spritzguss-Werkstücke mit einer Materialdicke von 6 mm hinsichtlich Legierungen mit einem variierenden Kupfergehalt. Das Ergebnis ist eindeutig. Ein Entzinkungsminimum wird genau in der Zone erreicht, wo die peritektische Erstarrung aufhört, zur gleichen Zeit wie die Menge von der Beta-Phase noch nicht zu groß wurde. Das Bild zeigt eine Entzinkungstiefe für einen maximalen getrennten Wert sowie Durchschnittswerte für eine Anzahl von Messungen, die auf demselben Versuchsobjekt vorgenommen wurden. Das Ergebnis ist, dass in einer verhältnismäßig breiten Zone das erhaltene Resultat unterhalb den Anforderungen bezüglich des Entzinkungswiderstandes gemäß BS 2872 von höchstens 100 μm für einen getrennten Wert liegt.
Ziel der Erfindung ist, eine Legierung vorzuschlagen, welche auch die Entzinkungsanforderungen für dicke Spritzgussmaterialien erfüllt, und 6 zeigt das Ergebnis für die entsprechende Untersuchung mit einer Materialstärke von 16 mm. Auch für diese Materialstärke sind die Anforderungen erfüllt, und zwar höchstens 100 μm für einen getrennten Wert, jedoch innerhalb eines schmaleren Abstands.

– Bei einem niedrigeren Kupfergehalt als 63.6% werden Agglomerate der Beta-Phase so groß, dass sie nun beginnen, zusammenwachsen, was zu einer zu großen Entzinkung führt.
– Bei einem höheren Kupfergehalt als 64.1% wird die Menge der Primärerstarrung in der Alpha-Phase so groß, dass sich lange Bänder der Beta-Phasen zwischen den Alpha-Kristallen entwickeln und folglich eine tiefe Entzinkung erreicht wird.

Die positiven Ergebnisse dieser Ausgleichung der Legierungszugaben werden wie folgt zusammengefasst:

1) Spritzgussmaterial, das aus der Legierung hergestellt wurde, erfüllt ohne eine folgende Wärmebehandlung die Anforderungen gemäß BS 2872 hinsichtlich einer maximalen Entzinkungstiefe von 100 μm für einen getrennten Wert.
2) Die Legierung kann auf eine wirksame Art mit Bor feinkornbehandelt werden, was zu einer feinsten Körner-Struktur im Fertigprodukt führt, was zwei Vorteile bietet: – Der Entzinkungswiderstand wird weiter verbessert, weil die Größe der Beta-Phasen-Agglomerate weiter verringert wird; und – die Porosität im Spritzgussmaterial wird gleichmäßiger verteilt und die getrennte Größe wird kleiner, was das Risiko eines undichten Spritzgussmaterials verringert und folglich werden die Rückweisungskosten für Produkte, welche die Druckundurchdringlichkeits-Anorderungen erfüllen müssen, auch verringert.
3) Der Aluminiumgehalt muss auf einem niedrigen Stand gehalten werden, nämlich 0.03–0.1 Gewichts-%, das heißt, dass die positive Wirkung der Aluminiumzugabe zu einer Spritzgusslegierung benutzt wird, jedoch die negativen Auswirkungen vermieden werden. – Positive Auswirkungen umfassen die starke Aluminiumzugabe-Entzinkungswirkung, das heißt, dass auch bei einem niedrigen Aluminiumgehalt der Sauerstoffgehalt in der Schmelze stabil und sehr niedrig ist. Aluminium übt so auch eine niedrigere Reinigungswirkung aus, dass hier ein Zinkoxyd-Überzug auf Schüttgefäßen, Formwerkzeugen und Kernen reduziert wird; und – Negative Auswirkungen umfassen die Bildung in Legierungen, die Silikon enthalten und in welchen der Aluminiumgehalt größer als 0.1 Gewichts-% ist, von einer klebrigen Schlacke, die aus Aluminiumsilikaten besteht. Wenn eine Schmelze mit einem Gefäß aufgetragen wird, wird eine Portion dieser Schlacke in das Produkt eingeführt, worin sich "Dünste" und "Kugeln" bilden. Diese Zugaben beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften des Fertigprodukts, schlechter ist es jedoch, dass sie als Kapillare fungieren, was bedeutet, dass nach diesen Einschlüssen die Entzinkung erfolgt, wenn sie die Oberfläche erreichen, was zu tiefen Entzinkungen führt, was bei weitem über die Anforderungen hinsichtlich des Entzinkungswiderstandes gemäß der BS 2872 einer Entzinkung von höchstens 100 μm für einen getrennten Wert hinaus geht.

Diesbezüglich weicht die vorliegende Erfindung von der feinkornbehandelten Legierung gemäß DE-A 43 18 377 A1 ab, welche einen Aluminiumgehalt von 0.3–0.7 Gewichts-% empfiehlt und einen Silikongehalt von 0.–0.7 Gewichts-%.
Eine entzinkungsbeständige Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet:
Ein Beispiel einer präzisierten Legierung, die in großem Maßstab erzeugt worden ist, ist so ausgefallen, dass sie die erfindungsgemäßen Anforderungen recht gut erfüllt:
Die Erfindung ist nicht auf die obigen Vorzugslösungen beschränkt, kann aber im Rahmen der Patentansprüche abgeändert werden. Dies ist besonders wahr in Bezug auf den Bleigehalt, da Blei nicht in der Legierung gelöst wird sondern als eine getrennte Phase verbleibt, die den Entzinkungswiderstand nicht beeinflusst.

Claims

Spritzguss-Messinglegierung mit Entzinkungsresistenz, die geringer ist als 100 μm für einen gesonderten Wert gemäß British Standard BS 2872 in Spritzgusskondition (d.h. ohne eine folgende Phasentransformationswärmebehandlung), gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:
Spritzguss-Messinglegierung gemäß Anspruch 1 mit Entzinkungsresistenz, die geringer ist als 100 μm für einen gesonderten Wert gemäß British Standard BS 2872 in Spritzgusskondition (d. h. ohne eine folgende Phasentransformationswärmebehandlung), gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: