EP2872660A1 - Formteile aus korrosionsbeständigen kupferlegierungen - Google Patents

Formteile aus korrosionsbeständigen kupferlegierungen

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EP2872660A1
EP2872660A1 EP13730117.2A EP13730117A EP2872660A1 EP 2872660 A1 EP2872660 A1 EP 2872660A1 EP 13730117 A EP13730117 A EP 13730117A EP 2872660 A1 EP2872660 A1 EP 2872660A1
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EP
European Patent Office
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molded parts
weight
production
optionally
hot pressing
Prior art date
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EP13730117.2A
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EP2872660B1 (de
Inventor
Jochen Aufrecht
Michael Scharf
Uwe Hofmann
Michael Ebner
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Wieland Werke AG filed Critical Wieland Werke AG
Priority to PL13730117T priority Critical patent/PL2872660T3/pl
Publication of EP2872660A1 publication Critical patent/EP2872660A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2872660B1 publication Critical patent/EP2872660B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22D11/1206—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for plastic shaping of strands
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/12—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ
    • B22D11/126—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for cutting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/02—Alloys based on copper with tin as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to metallic molded parts, methods for producing the molded parts, use of the molded parts and the use of an alloy for the production of molded parts.
  • molded parts are understood integral components with complex geometry.
  • a complex geometry is present when the component in no
  • Direction has a continuous translational invariance and consequently can not be produced by a simple, quasi-continuous, shaping process.
  • simple forming processes are the rolling of strips, the pressing of bars or the drawing of pipes.
  • the invention relates in particular to hollow or at least partially hollow moldings such as pipe connectors, sleeves, pipe bends or T-pieces.
  • Such moldings of metallic materials are produced either directly by molding and machining or semi-finished by forming and machining. If large degrees of deformation are to be achieved, the forming process takes place at high temperatures. Examples include forging processes such as free-form or die-forging (hot pressing).
  • Molded parts made of copper materials are used in many areas of technology. sets, for example, as a housing, connectors, sliding elements or in valves and fittings. Because of their good corrosion resistance, moldings made of copper materials are preferably used in piping systems for liquid and gaseous media as fittings, bends, T-pieces, valve bodies or fittings. A special role is played by the use of such molded parts in
  • Gunmetal be made by casting.
  • the castings are very coarse-grained, they have a rough surface and have only a limited dimensional stability. There is also the risk of voids, segregations and pores in castings. Such casting defects can lead to leaks in the components. Red castings are much less forgeable and machinable than brass parts.
  • the addition of lead makes the structure of gunmetal slightly finer and improves the machinability of the material.
  • lead closes solidification pockets due to its low melting point, thus ensuring a dense microstructure.
  • Typical gunmetal alloys contain from 2 to 7% by weight of lead.
  • the regulations for materials used in installations for drinking water have been tightened in terms of lead and nickel. In some states, the lead content is currently limited to 0.25 wt .-%. In the United States, this upper limit applies from 2014 onwards. It is expected that in the future, the rules will be tightened up to the prohibition of lead.
  • EP 2 290 114 A1 proposes to carry out water-conducting components as castings of a copper alloy with 4 to 6% by weight of tin and 4 to 6% by weight of zinc.
  • the lead content of the alloy is limited to 0.1% by weight. By reducing the lead content, the adverse properties of the castings are not improved, but rather worsened. In particular, it becomes more difficult to ensure the tightness of the components.
  • the document EP 1 600 517 B1 discloses a lead-free copper alloy containing 69 to 79% by weight of Cu, 2 to 4% by weight of Si and the remainder zinc. The Si content largely reduces the susceptibility to stress corrosion cracking. However, the high zinc content of at least 17% by weight may adversely affect the corrosion resistance of this brass material.
  • a lead-reduced copper-tin-zinc alloy containing about 3% by weight of tin and about 9% by weight of zinc is described in DIN CEN / TS 13388.
  • the relevant material data sheet of the German Copper Institute (DKI) shows that this alloy is only warm to a sufficient extent and that it is only available as flat material, ie in the form of plates, sheets, strips, strips and rounds.
  • Other semi-finished shapes such as tubes, rods, profiles and forgings made of this material are marked 'not standardized'.
  • the substantially same information can be found in DIN 17662 for a lead-reduced copper-tin-zinc alloy containing about 6% by weight of tin and about 6% by weight of zinc. Especially are referred to as available semi-finished products only bands and sheets.
  • Essential here is a cold forming step by rotary swaging with a degree of deformation of 5 to 30%. The density of Gitterver GmbHeh is thereby increased and the material cured. A good machinability of the material is achieved after a Homogenmaschinesglühung.
  • JP 2002-275563 A proposes the addition of Fe, Ni, Co or Mn to lead-free bronze in order to improve the hot-rollability.
  • the material is called a band at the
  • JP 2003-013038 A proposes to add 20 to 1000 ppm of carbon to a copper-tin-zinc alloy in order to achieve good hot workability.
  • the material is used for the production of electronic components
  • the document EP 1 777 307 B1 reveals that grain refining can be achieved by alloying zirconium to a lead-free copper-tin-zinc alloy, so that the production of shaped parts by means of hot forming is also made possible.
  • the disadvantages of using zirconium are pointed out in EP 1 777 307 B1 itself.
  • the zirconium content must be at least 0.017% by weight, which has an unfavorable effect on the cost of the material.
  • the alloying of elements for grain refining is basically undesirable because it makes the casting process more complex and difficult to control in the scrap cycle.
  • the invention has for its object to provide improved moldings in particular for use in water-carrying pipe systems, a copper material for use in the manufacture of improved moldings and a method for producing molded parts from a copper material.
  • the copper material should have outstanding corrosion resistance, be free from the elements lead, antimony, silicon, zirconium or other chemical grain fine, good heat-formable and easy to machine.
  • the molded parts produced from this material should have a homogeneous structure, a high dimensional stability and a good surface finish.
  • the invention relates to a use of a copper alloy by the features of claim 1, with regard to the molded parts by the features of claim 4, with respect to a use of the molded parts by the features of claim 5 and with respect to a method for producing molded parts by the features of claim 6 played.
  • the other dependent claims relate to advantageous embodiments and further developments of the invention.
  • the invention includes the use of a copper alloy having the following composition in% by weight: Sn: 2 to 8%,
  • the invention is based on the consideration that the corrosion resistance of metallic materials is determined primarily by their composition. In addition, the manufacturing process and the surface properties have a significant influence on the corrosion resistance of the components. Copper materials with a copper content of at least 84% by weight and alloying proportions of tin (between 2 and 8% by weight), zinc (between 2.5 and 13% by weight) and optionally up to 0.6% by weight of nickel and phosphorus have a very good corrosion resistance in an aqueous environment. Castings of these materials generally have a coarse, needlelike grain and are difficult to heat form.
  • a fine grain can be adjusted without additional elements such as lead in proportions greater than 0.25 wt .-%, bismuth, boron or zirconium must be added.
  • a fine-grained microstructure is set in the material by causing the existing residual melt to be disturbed during the solidification process. This is preferably done by stirring, more preferably by electromagnetic stirring of the residual melt during the solidification process.
  • the solidification of the alloy melt takes place in a temperature interval. When the melt cools, initial precipitations first form when falling below a certain temperature during the solidification process. Upon further cooling, dendritic crystal structures can grow at these nucleation sites.
  • the respective existing If the residual melt is disturbed and an internal movement is imposed on it, it prevents a typical cast structure from forming with stem crystals. Instead, a fine-grained microstructure forms, with partly dendritic, partly globular solidified, small grains.
  • the fine-grained microstructure improves the formability of the material. Consequently, such conditioned materials can be used for the production of moldings, wherein the production of the moldings can be done in a similar manner as the production of moldings made of brass materials.
  • the production of molded parts includes a hot pressing step.
  • the molded parts produced by die-pressing (hot pressing) or open-die forging are characterized in particular by a dense, homogeneous structure and a smooth surface. At the same time they have a very good corrosion resistance due to the material composition.
  • the phosphorus content of the copper alloy may be at most 0.04% by weight, in a particularly preferred embodiment at most 0.01% by weight. Phosphor enables better pourability. With increasing phosphorus content, however, the hot workability is reduced. Consequently, the less phosphorus is contained in the alloy, the safer the production of the molded parts by means of a hot pressing process.
  • Another aspect of the invention includes molded parts made of a copper alloy having the following composition in% by weight:
  • metallic materials is determined by the composition and by the manufacturing process.
  • copper materials with a copper content of at least 84% by weight and alloying proportions of tin (between 2 and 8% by weight), zinc (between 2.5 and 13% by weight) and optionally up to
  • 0.6 wt .-% nickel are mainly moldings produced by casting. Castings of these materials generally have a coarse, needlelike grain, a rough surface, and are poorly machinable. By suitable conditioning of the material during the melting and casting process, however, a fine grain can be adjusted without additional elements such as lead in proportions greater than 0.25 wt .-%, bismuth, boron or zirconium must be added.
  • a fine-grained microstructure is set in the material by causing the existing residual melt to be disturbed during the solidification process. This is preferably done by stirring, more preferably by electromagnetic stirring of the residual melt during the solidification process. The fine-grained structure improves the formability of the material.
  • the production of moldings from such conditioned materials can then be done in a similar manner as the production of moldings made of brass materials.
  • the production of molded parts includes a hot pressing step. Die by means of die (hot pressing) or
  • molded parts produced by open-die forging are characterized by a dense, homogeneous structure, better dimensional stability and a smooth surface. Therefore, the molded parts produced by hot pressing or forging are preferable to the cast ones.
  • Another aspect of the invention includes the use of molded parts of a copper alloy having the following composition in% by weight:
  • the invention is based on the consideration that the corrosion resistance of metallic materials is determined primarily by their composition.
  • the manufacturing process and the surface properties have a significant influence on the corrosion resistance of the components.
  • Copper materials with a copper content of at least 84% by weight and alloying proportions of tin (between 2 and 8% by weight), zinc (between 2.5 and 13% by weight) and optionally up to 0.6% by weight nickel have one very good corrosion resistance in aqueous environment. Therefore, these materials are used to produce molded parts that are used as fittings, connectors and similar piping systems in water. Cast molded parts made from these materials generally have a coarse, needlelike grain and a rough surface. Furthermore, they are bad machinable, which is why the texture of the casting surface is usually left.
  • a fine grain can be adjusted without additional elements such as lead in proportions greater than 0.25 wt .-%, bismuth, boron or zirconium must be added.
  • a fine-grained microstructure is set in the material by causing the existing residual melt to be disturbed during the solidification process. This is preferably done by stirring, more preferably by electromagnetic stirring of the residual melt during the solidification process.
  • the fine-grained structure improves the formability of the material. Consequently, such conditioned materials can be used for the production of moldings, wherein the production of the moldings in a similar manner as the production of moldings Brass materials can be made.
  • the production of molded parts includes a hot pressing step.
  • the molded parts produced by die-pressing (hot pressing) or open-die forging are characterized by a dense, homogeneous structure, a better dimensional stability and a smooth surface. At the same time they have a very good corrosion resistance due to the material.
  • a further aspect of the invention relates to a process for the production of molded parts from a copper alloy having the following composition in% by weight:
  • the invention is based on the consideration that the machinability of metallic materials is determined by their composition and the conditions during the manufacturing process. Copper materials with a
  • Copper content of at least 84% by weight and alloy contents of tin between 2 and 8% by weight, zinc between 2.5 and 13% by weight and optionally up to 0.6% by weight of nickel are predominantly used for the production of moldings by means of casting , Castings of these materials generally have a coarse, needle-like grain.
  • a fine grain can be adjusted without additional elements such as lead in proportions greater than 0.25 wt .-%, bismuth, boron or zirconium must be added.
  • a fine-grained microstructure is set in the material by the residual melt present during the solidification process
  • the production of moldings from such conditioned materials can then be done in a similar manner as the production of moldings made of brass materials.
  • the production of molded parts includes in particular the following steps:
  • step d) The temperature reached in step d) should be chosen so that the material is not yet converted to the thixotropic state.
  • the molded parts produced by means of die-pressing (hot pressing) or open-die forging are characterized in particular by a dense, homogeneous structure, a better dimensional stability and a smooth surface.
  • the cold workability of gunmetal is inferior to the cold workability of brass. Therefore, it is advantageous in process step b) to dimension the semi-finished products in such a way that no cold forming is required between the continuous casting in process step b) and the hot pressing in process step e).
  • the cross sections of the cast semifinished products are to be selected so that the compacted from the semi-finished Pressrohmaschine have a favorable for the hot pressing process shape and size.
  • the pressed raw parts of the alloy before the hot pressing process a structure having a mean grain size less than 1 mm.
  • the conditioning of the material during the melting and casting process should take place so that the material already in Cast state has a structure with a mean grain size less than 1 mm.
  • the smaller the grain size the more grain boundaries are available as slip planes during the hot pressing process.
  • the plastic deformation is better distributed to the totality of the grains. This results in a uniform recrystallization of the structure in the forming zones.
  • the castings between the process steps b) and d) can be subjected to a heat treatment. As a result, the material is homogenized and the casting-typical segregation effects and second phases can be eliminated.
  • a morphology of the morphology can be achieved which approximates the morphology of a kneading structure.
  • the cast semifinished products can be subjected to a peeling treatment to remove the outer material layer. This can remove unwanted contaminants or segregations that may be present in the casting skin. They no longer affect the subsequent processing steps and the quality of the final product can be further improved.
  • the molded parts after the process step e) can be processed by a span-lifting process. It can thus be made the final contour of the molding. It is also possible to improve the surface quality of the molding.
  • hot pressing in step e) the structure of the material is very fine-grained and the machinability is favorably influenced.
  • Fig. 2 is a diagram in which the flow curves are plotted
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through the cast body 1.
  • the structure corresponds to the typical cast structure with stem crystals 21 and it consists of several millimeters large, dendritically solidified grains.
  • this section 2 of the cast body 1 can be seen in the left portion of the figure.
  • the point indicated by reference numeral 3 corresponds to the beginning of the electromagnetic stirring in the casting process.
  • the transition region, in which the grain size decreases significantly, is identified by reference numeral 31.
  • a section 4 follows, in which a partly dendritic, partly globular structure is present.
  • the extent of the dendritically solidified grains 41, as well as that of the globular grains, is clearly less than 1 mm. Stem crystals no longer appear.
  • lead-free gunmetal was annealed at 350 ° C, 550 ° C and 750 ° C. At annealing temperature 350 ° C, no significant structural change occurs. At 550 ° C, the second phases disappear, but the segregation effects remain. Only at 750 ° C, these segregations disappear, the dendritic structure has completely dissolved in favor of homogeneous, equiaxed grains. No significant grain coarsening occurred in any of the heat treatments. The grain size always remained smaller than 1 mm. Tests with a torsion plastometer showed that lead-free gunmetal, whose microstructure was conditioned by electromagnetic stirring during the casting process, allows very high degrees of deformation during hot forming.
  • Fig. 2 documents these experimental results.
  • Plotted is the yield stress, calculated from the measured torque of the torsion plastometer, against the degree of deformation ⁇ , calculated from the angle of rotation of the plastometer. Similar to stress-strain diagrams, there is initially a steeply rising curve, which reflects the elastic behavior of the material. When the material begins to flow plastically, the curves are flatter and merge into an approximately horizontal plateau. The breakage of the sample finally manifests itself in a sudden drop in yield stress.
  • FIGS. 3 to 5 show the fracture surfaces of the cast bodies on which the
  • FIG. 3 shows the sample of leaded gunmetal as a reference.
  • the stem crystals of the cast structure are clearly visible.
  • Fig. 4 shows the sample of lead-free gunmetal, which was cast without stirring.
  • the fracture surfaces differ only slightly from those of the lead-containing gunmetal in FIG. 3. Again, the stem crystals of the cast structure are clearly visible.
  • Fig. 5 shows the sample of lead-free gunmetal, which was poured with electromagnetic stirring. The fracture surfaces show a fine-grained topology, stalk crystals are not visible. From the lead-free gunmetal, which was stirred electromagnetically, were by means of Drop forging (hot pressing) Moldings made for water installations. Contrary to expectations, this lead-free gunmetal was processed without any significant problems by drop forging to hollow bodies.
  • methods such as mechanical stirring,

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Abstract

Die Erfindung betrifft metallische Formteile, Verfahren zur Herstellung der Formteile, Verwendung der Formteile sowie die Verwendung von Legierungen zur Herstellung von Formteilen. Aus Kupfer-Legierungen der Zusammensetzung (in Gewichts-%) Sn: 2 bis 8 %, Zn: 2,5 bis 13 %, Pb: weniger als 0,25 %, Ni: maximal 0,6 %, wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84 %, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen werden Formteile hergestellt, wobei die Herstellung der Formteile mindestens einen Warmpressvorgang einschließt. Die so hergestellten Formteile weisen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, sehr gute Materialeigenschaften, eine hohe Maßhaltigkeit sowie Oberflächenqualität auf und eignen sich daher speziell für die Verwendung in Wasser führenden Leitungssystemen.

Description

Beschreibung
Formteile aus korrosionsbeständigen Kupferlegierungen
Die Erfindung betrifft metallische Formteile, Verfahren zur Herstellung der Form- teile, eine Verwendung der Formteile sowie die Verwendung einer Legierung zur Herstellung von Formteilen.
Unter Formteilen werden einstückige Bauteile mit komplexer Geometrie verstanden. Eine komplexe Geometrie liegt dann vor, wenn das Bauteil in keiner
Richtung eine kontinuierliche Translationsinvarianz aufweist und folglich nicht durch einen einfachen, quasi-kontinuierlich ablaufenden, formgebenden Prozess hergestellt werden kann. Beispiele für solche einfachen formgebenden Prozesse sind das Walzen von Bändern, das Pressen von Stangen oder das Ziehen von Rohren. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf hohle oder zumindest teil- weise hohle Formteile wie beispielsweise Rohrverbinder, Muffen, Rohrbögen oder T-Stücke. Derartige Formteile aus metallischen Werkstoffen werden entweder direkt durch Formgießen und Zerspanen oder aus Halbzeug durch Umformen und Zerspanen hergestellt. Wenn dabei große Umformgrade erreicht werden sollen, findet der Umformprozess bei hohen Temperaturen statt. Beispiele hierfür sind Schmiedeprozesse wie etwa das Freiform- oder das Gesenkschmieden (Warmpressen).
Formteile aus Kupferwerkstoffen werden in vielen Bereichen der Technik einge- setzt, beispielsweise als Gehäuse, Verbinder, Gleitelemente oder in Ventilen und Armaturen. Wegen ihrer guten Korrosionsbeständigkeit werden vorzugsweise Formteile aus Kupferwerkstoffen in Leitungssystemen für flüssige und gasförmige Medien als Fittinge, Bögen, T-Stücke, Ventilkörper oder Armaturen eingesetzt. Eine besondere Rolle spielt hierbei die Verwendung solcher Formteile in
Trinkwasserinstallationen. Die wichtigsten Legierungsfamilien für Formteile sind Rotguss und Messing.
Bei der Herstellung von Formteilen aus Messing nutzt man das gute Umformver- mögen dieser Werkstoffe aus. Aus den Legierungen werden mittels Strangguss Bolzen hergestellt, welche zu großformatigen Rohren, Stangen oder Profilen verpresst werden. Diese Zwischenprodukte werden anschließend durch einen oder mehrere Kaltumformschritte zu Halbzeugen mit kleineren Querschnittsabmessungen gezogen. Die Korngröße des Werkstoffs wird dabei reduziert, sein Gefüge wird verdichtet und homogenisiert. Aus den Halbzeugen werden dann mittels Warmpressen bzw. Schmieden Formteile hergestellt. Im Kontakt mit Wasser kann Messing je nach Legierungszusammensetzung und Einsatzbedingung zu Entzinkung oder Spannungsrisskorrosion neigen. Rotguss ist sehr korrosionsbeständig und gut gießbar, weshalb Formteile aus
Rotguss durch Gießen hergestellt werden. Die Gussteile sind sehr grobkörnig, sie besitzen eine raue Oberfläche und haben nur eine beschränkte Maßhaltigkeit. Ferner besteht bei Gussteilen die Gefahr von Lunkern, Seigerungen und Poren. Derartige Gießfehler können bei den Bauteilen zu Undichtigkeiten führen. Rot- gussteile sind deutlich schlechter umformbar und zerspanbar als Messingteile. Durch die Zugabe von Blei wird das Gefüge von Rotguss etwas feinkörniger gemacht und die Zerspanbarkeit des Werkstoffs verbessert. Zudem schließt Blei aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts Erstarrungslunker und sorgt so für ein dichtes Gefüge. Typische Rotgusslegierungen enthalten 2 bis 7 Gew.-% Blei. Bereits in der Vergangenheit wurden die Vorschriften für Werkstoffe, die in Installationen für Trinkwasser verwendet werden, hinsichtlich der Elemente Blei und Nickel verschärft. In einigen Staaten ist der Bleigehalt heute auf 0,25 Gew.-% beschränkt. In den Vereinigten Staaten gilt diese Obergrenze ab 2014 flächen- deckend. Es ist zu erwarten, dass in Zukunft die Vorschriften bis hin zum Verbot von Blei verschärft werden.
In EP 2 290 114 A1 wird vorgeschlagen, Wasser führende Bauteile als Gussteile aus einer Kupferlegierung mit 4 bis 6 Gew.-% Zinn sowie 4 bis 6 Gew.-% Zink auszuführen. Der Bleigehalt der Legierung ist auf 0,1 Gew.-% beschränkt. Durch die Reduktion des Bleigehalts werden die nachteiligen Eigenschaften der Gussteile aber nicht verbessert, sondern eher verschlechtert. Insbesondere wird es schwieriger, die Dichtigkeit der Bauteile sicher zu stellen. Aus der Druckschrift EP 1 600 517 B1 ist eine bleifreie Kupferlegierung mit 69 bis 79 Gew.-% Cu, 2 bis 4 Gew.-% Si und Rest Zink zu entnehmen. Der Si-Gehalt reduziert weitgehend die Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion. Der hohe Zinkgehalt von mindestens 17 Gew.-% kann sich jedoch negativ auf die Korrosionsbeständigkeit dieses Messingwerkstoffs auswirken.
Eine bleireduzierte Kupfer-Zinn-Zink-Legierung mit ungefähr 3 Gew.-% Zinn und ungefähr 9 Gew.-% Zink ist in der DIN CEN/TS 13388 beschrieben. Dem entsprechenden Werkstoffdatenblatt des Deutschen Kupferinstituts (DKI) ist zu entnehmen, dass diese Legierung lediglich in .ausreichendem' Maße warm um- formbar ist und dass sie nur als Flachmaterial, also in Form von Platten, Blechen, Bändern, Streifen und Ronden verfügbar ist. Andere Halbzeugformen wie Rohre, Stangen, Profile und Schmiedestücke aus diesem Werkstoff sind als .nicht genormt' gekennzeichnet. Die im Wesentlichen gleichen Informationen sind der DIN 17662 für eine bleireduzierte Kupfer-Zinn-Zink-Legierung mit ungefähr 6 Gew.-% Zinn und ungefähr 6 Gew.-% Zink zu entnehmen. Insbesondere werden als verfügbare Halbzeugarten nur Bänder und Bleche genannt.
In JP 2005-248303 A wird eine bleireduzierte Kupferlegierung mit 84 bis
89 Gew.-% Kupfer, 4 bis 6 Gew.-% Zinn und 5 bis 30 Gew.-% Zink sowie ein Verfahren zu deren Bearbeitung vorgeschlagen. Wesentlich ist hierbei ein Kaltumformschritt durch Rundkneten mit einem Umformgrad von 5 bis 30 %. Die Dichte der Gitterversetzungeh wird dadurch erhöht und der Werkstoff aufgehärtet. Eine gute Zerspanbarkeit des Werkstoffs wird nach einer Homogenisierungsglühung erreicht.
Ferner ist bekannt, dass durch Zugabe von Elementen zur Kornfeinung das Gefüge von Legierungen verbessert werden kann. So wird in JP 2002-275563 A die Zugabe von Fe, Ni, Co oder Mn zu einer bleifreien Bronze vorgeschlagen, um die Warmwalzbarkeit zu verbessern. Der Werkstoff wird als Band bei der
Herstellung von elektronischen Bauteilen verwendet. In der Druckschrift
JP 2003-013038 A wird vorgeschlagen, 20 bis 1000 ppm Kohlenstoff einer Kupfer-Zinn-Zink-Legierung beizumengen, um eine gute Warmumformbarkeit zu erreichen. Der Werkstoff wird für die Herstellung elektronischer Bauteile
verwendet. Hierzu wird ausschließlich Flachmaterial eingesetzt, und das Halbzeug wird lediglich zu einer einfachen Geometrie umgeformt. Der Druckschrift
DE 43 24 008 C2 ist zu entnehmen, dass eine Kupferlegierung mit 2 bis
8 Gew.-% Zinn, 0,5 bis 2,1 Gew.-% Silizium, bis zu 15 Gew.-% Zink sowie mindestens einem Element aus der Gruppe Titan, Tantal, Niob, Eisen, Mangan, Magnesium oder Phosphor zur Herstellung von Wasserrohren verwendet wird. Aus gegossenen Bolzen werden mittels einer Warmumformung Rohre gepresst, die anschließend bis auf die Endabmessung kalt gezogen werden. Das Warmpressen von Rohren ist verglichen mit der Herstellung von Formteilen durch Schmieden ein relativ einfacher Umformprozess, bei dem ein Zwischenprodukt mit lediglich einfacher Geometrie erzeugt wird. Ferner ist das Zulegierung von Silizium nicht erwünscht, da es schlecht beherrschbar ist. Der Druckschrift EP 1 777 307 B1 ist zu entnehmen, dass durch Zulegieren von Zirkon zu einer bleifreien Kupfer-Zinn-Zink-Legierung eine Kornfeinung erreicht werden kann, so dass auch die Herstellung von Formteilen mittels Warmumformung ermöglicht wird. Auf die Nachteile der Verwendung von Zirkon wird in EP 1 777 307 B1 selbst hingewiesen. Gemäß der Lehre dieser Schrift muss bei Legierungen mit Zusammensetzungen wie Rotguss der Zirkongehalt mindestens 0,017 Gew.-% betragen, was sich ungünstig auf die Kosten des Werkstoffs auswirkt. Im Allgemeinen ist das Zulegieren von Elementen zur Kornfeinung grundsätzlich nicht erwünscht, da es den Gießprozess aufwändiger macht und im Schrottkreislauf schlecht beherrschbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Formteile insbesondere zur Verwendung in Wasser führenden Leitungssystemen, einen Kupferwerkstoff für die Verwendung zur Herstellung von verbesserten Formteilen sowie ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einem Kupferwerkstoff anzugeben. Insbesondere soll der Kupferwerkstoff eine herausragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen, frei von den Elementen Blei, Antimon, Silizium, Zirkon oder anderen chemischen Kornfeinern sein, gut warmumformbar und gut zerspanbar sein. Die aus diesem Werkstoff hergestellten Formteile sollen ein homogenes Gefüge, eine hohe Maßhaltigkeit und eine gute Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.
Die Erfindung wird bezüglich einer Verwendung einer Kupferlegierung durch die Merkmale des Anspruchs 1 , bezüglich der Formteile durch die Merkmale des Anspruchs 4, bezüglich einer Verwendung der Formteile durch die Merkmale des Anspruchs 5 und bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung von Formteilen durch die Merkmale des Anspruchs 6 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt die Verwendung einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%: Sn: 2 bis 8 %,
Zn: 2,5 bis 13 %,
Pb: weniger als 0,25 %,
wahlweise Ni bis maximal 0,6 %,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84 %, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, zur Herstellung von Formteilen ein, wobei die Herstellung der Formteile mindestens einen Warmpressvorgang einschließt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Korrosionsbeständig- keit von metallischen Werkstoffen in erster Linie durch deren Zusammensetzung bestimmt wird. Daneben haben das Herstellverfahren und die Oberflächeneigenschaften maßgeblichen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit der Bauteile. Kupferwerkstoffe mit einem Kupferanteil von mindestens 84 Gewichts-% sowie Legierungsanteilen von Zinn (zwischen 2 und 8 Gewichts-%), Zink (zwischen 2,5 und 13 Gewichts-%) sowie wahlweise bis zu 0,6 Gew.-% Nickel und Phosphor haben eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit in wässriger Umgebung. Gussstücke aus diesen Werkstoffen haben im Allgemeinen ein grobes, nadeliges Korn und sind nur schwer warmumformbar. Durch eine geeignete Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs kann jedoch ein feines Korn eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Elemente wie beispielsweise Blei in Anteilen größer 0,25 Gew.-%, Wismut, Bor oder Zirkon hinzulegiert werden müssen. Erfindungsgemäß wird im Werkstoff ein feinkörniges Gefüge eingestellt, indem während des Erstarrungsvorgangs die vorhandene Restschmelze in Unruhe versetzt wird. Bevorzugt erfolgt dies durch Rühren, besonders bevorzugt durch elek- tromagnetisches Rühren der Restschmelze während des Erstarrungsvorgangs. Die Erstarrung der Legierungsschmelze erfolgt in einem Temperaturintervall. Beim Abkühlen der Schmelze bilden sich beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur während des Erstarrungsvorgangs zunächst Erstausscheidungen. An diesen Keimstellen können bei weiterer Abkühlung dendritische Kristallstrukturen wachsen. Indem während des gesamten Erstarrungsvorgangs die jeweils vorhan- dene Restschmelze in Unruhe versetzt und ihr eine innere Bewegung aufgeprägt wird, wird verhindert, dass sich ein typisches Gussgefüge mit Stängelkristallen ausbilden kann. Stattdessen bildet sich ein feinkörniges Gefüge mit teils dendritisch teils globular erstarrten, kleinen Körner aus. Das feinkörnige Gefüge verbes- sert die Umformbarkeit des Werkstoffs. Folglich können derartig konditionierte Werkstoffe zur Herstellung von Formteilen verwendet werden, wobei die Herstellung der Formteile in ähnlicher Weise wie die Herstellung von Formteilen aus Messingwerkstoffen erfolgen kann. Insbesondere schließt die Herstellung von Formteilen einen Warmpressschritt ein. Die mittels Gesenk- (Warmpressen) bzw. Freiformschmieden hergestellten Formteile zeichnen sich im Gegensatz zu den gegossenen Bauteilen insbesondere durch ein dichtes, homogenes Gefüge und eine glatte Oberfläche aus. Gleichzeitig weisen sie aufgrund der Werkstoffzusammensetzung eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Phosphorgehalt der Kupferlegierung maximal 0,04 Gew.-%, in besonders bevorzugter Ausgestaltung maximal 0,01 Gew.-% betragen. Phosphor ermöglicht eine bessere Gießbarkeit. Mit steigendem Phosphorgehalt wird jedoch die Warmumformbarkeit herabgesetzt. Die Herstellung der Formteile mittels eines Warmpressvorgangs ist folglich umso sicherer, je weniger Phosphor in der Legierung enthalten ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt Formteile aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
Sn: 2 bis 8 %,
Zn: 2,5 bis 13 %,
Pb: weniger als 0,25 %,
wahlweise Ni bis maximal 0,6 %, wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84 %, sowie unvermeidbare Verunreinigungen ein, wobei die Formteile mindestens durch einen Warmpressvorgang hergestellt sind. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das Gefüge von
metallischen Werkstoffen durch die Zusammensetzung und durch das Herstellungsverfahren bestimmt wird. Aus Kupferwerkstoffen mit einem Kupferanteil von mindestens 84 Gewichts-% sowie Legierungsanteilen von Zinn (zwischen 2 und 8 Gewichts-%), Zink (zwischen 2,5 und 13 Gewichts-%) sowie wahlweise bis zu
0,6 Gew.-% Nickel werden vorwiegend Formteile mittels Gießen hergestellt. Gussstücke aus diesen Werkstoffen haben im Allgemeinen ein grobes, nadeliges Korn, eine raue Oberfläche und sind schlecht zerspanbar. Durch eine geeignete Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs kann jedoch ein feines Korn eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Elemente wie beispielsweise Blei in Anteilen größer 0,25 Gew.-%, Wismut, Bor oder Zirkon hinzulegiert werden müssen. Erfindungsgemäß wird im Werkstoff ein feinkörniges Gefüge eingestellt, indem während des Erstarrungsvorgangs die vorhandene Restschmelze in Unruhe versetzt wird. Bevorzugt erfolgt dies durch Rühren, besonders bevorzugt durch elektromagnetisches Rühren der Restschmelze während des Erstarrungsvorgangs. Das feinkörnige Gefüge verbessert die Umformbarkeit des Werkstoffs. Die Herstellung von Formteilen aus derartig konditionierten Werkstoffen kann dann in ähnlicher Weise wie die Herstellung von Formteilen aus Messingwerkstoffen erfolgen. Insbesondere schließt die Herstellung von Form- teilen einen Warmpressschritt ein. Die mittels Gesenk- (Warmpressen) bzw.
Freiformschmieden hergestellten Formteile zeichnen sich im Gegensatz zu den gegossenen Bauteilen durch ein dichtes, homogenes Gefüge, eine bessere Maßhaltigkeit und eine glatte Oberfläche aus. Deshalb sind die durch Warmpressen bzw. Schmieden hergestellten Formteile den gegossenen vorzuziehen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt die Verwendung von Formteilen aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
Sn: 2 bis 8 %,
Zn: 2,5 bis 13 %,
Pb: weniger als 0,25 %, wahlweise Ni bis maximal 0,6 %, wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch
mindestens 84 %, sowie unvermeidbare Verunreinigungen in Wasser führenden Leitungssystemen ein, wobei die Formteile mindestens durch einen Warmpressvorgang hergestellt sind.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Korrosionsbeständigkeit von metallischen Werkstoffen in erster Linie durch deren Zusammensetzung bestimmt wird. Daneben haben das Herstellverfahren und die Oberflächeneigenschaften maßgeblichen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit der Bauteile. Kupferwerkstoffe mit einem Kupferanteil von mindestens 84 Gewichts-% sowie Legierungsanteilen von Zinn (zwischen 2 und 8 Gewichts-%), Zink (zwischen 2,5 und 13 Gewichts-%) sowie wahlweise bis zu 0,6 Gew.-% Nickel haben eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit in wässriger Umgebung. Deshalb werden aus diesen Werkstoffen Formteile hergestellt, die als Armaturen, Verbinder und Ähn- liches in Wasser führenden Leitungssystemen verwendet werden. Gegossene Formteile aus diesen Werkstoffen haben im Allgemeinen ein grobes, nadeliges Korn und eine raue Oberfläche. Ferner sind sie schlecht zerspanbar, weshalb die Beschaffenheit der Gussoberfläche meist belassen wird. Bei durchströmten Bauteilen sind höhere Fließgeräusche und Durchflussbehinderungen die Folge. Durch eine geeignete Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs kann jedoch ein feines Korn eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Elemente wie beispielsweise Blei in Anteilen größer 0,25 Gew.-%, Wismut, Bor oder Zirkon hinzulegiert werden müssen. Erfindungsgemäß wird im Werkstoff ein feinkörniges Gefüge eingestellt, indem während des Erstarrungsvorgangs die vorhandene Restschmelze in Unruhe versetzt wird. Bevorzugt erfolgt dies durch Rühren, besonders bevorzugt durch elektromagnetisches Rühren der Restschmelze während des Erstarrungsvorgangs. Das feinkörnige Gefüge verbessert die Umformbarkeit des Werkstoffs. Folglich können derartig konditionierte Werkstoffe zur Herstellung von Formteilen verwendet werden, wobei die Herstellung der Formteile in ähnlicher Weise wie die Herstellung von Formteilen aus Messingwerkstoffen erfolgen kann. Insbesondere schließt die Herstellung von Formteilen einen Warmpressschritt ein. Die mittels Gesenk- (Warmpressen) bzw. Freiformschmieden hergestellten Formteile zeichnen sich im Gegensatz zu den gegossenen Bauteilen durch ein dichtes, homogenes Gefüge, eine bessere Maßhaltigkeit und eine glatte Oberfläche aus. Gleichzeitig weisen sie aufgrund des Werkstoffs eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
Sn: 2 bis 8 %,
Zn: 2,5 bis 13 %,
Pb: weniger als 0,25 %,
wahlweise Ni bis maximal 0,6 %, wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch
mindestens 84 %, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei das Verfahren mindestens folgende Schritte einschließt:
a) Erschmelzen der Legierung
b) Stranggießen von Halbzeugen (Stangen, Hohlstangen, Profile oder Draht) c) Ablängen der Halbzeuge zu Pressrohteilen
d) Erwärmen der Pressrohteile auf geeignete Temperatur
e) Pressen der Pressrohteile im warmen Zustand zu Formteilen.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Bearbeitbarkeit von metallischen Werkstoffen durch deren Zusammensetzung und den Konditionen während der Herstellprozesses bestimmt wird. Kupferwerkstoffe mit einem
Kupferanteil von mindestens 84 Gewichts-% sowie Legierungsanteilen von Zinn zwischen 2 und 8 Gewichts-%, Zink zwischen 2,5 und 13 Gewichts-% sowie wahlweise bis zu 0,6 Gew.-% Nickel werden überwiegend zur Herstellung von Formteilen mittels Gießen verwendet. Gussstücke aus diesen Werkstoffen haben im Allgemeinen ein grobes, nadeliges Korn. Durch eine geeignete Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs kann jedoch ein feines Korn eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Elemente wie beispielsweise Blei in Anteilen größer 0,25 Gew.-%, Wismut, Bor oder Zirkon hinzulegiert werden müssen. Erfindungsgemäß wird im Werkstoff ein feinkörniges Gefüge eingestellt, indem während des Erstarrungsvorgangs die vorhandene Restschmelze in
Unruhe versetzt wird. Bevorzugt erfolgt dies durch Rühren, besonders bevorzugt durch elektromagnetisches Rühren der Restschmelze während des Erstarrungsvorgangs. Das feinkörnige Gefüge verbessert die Umformbarkeit des Werkstoffs. Die Herstellung von Formteilen aus derartig konditionierten Werkstoffen kann dann in ähnlicher Weise wie die Herstellung von Formteilen aus Messingwerkstoffen erfolgen. Die Herstellung von Formteilen schließt insbesondere folgende Schritte ein:
a) Erschmelzen der Legierung
b) Stranggießen von Halbzeugen (Stangen, Hohlstangen, Profile oder Draht) c) Ablängen der Halbzeuge zu Pressrohteilen
d) Erwärmen der Pressrohteile auf Temperaturen zwischen 750°C und 850°C e) Pressen der Pressrohteile im warmen Zustand zu Formteilen
Die Temperatur, die im Schritt d) erreicht wird, sollte so gewählt werden, dass der Werkstoff noch nicht in den thixotropen Zustand überführt wird. Die mittels Ge- senk- (Warmpressen) bzw. Freiformschmieden hergestellten Formteile zeichnen sich im Gegensatz zu den gegossenen Bauteilen insbesondere durch ein dichtes, homogenes Gefüge, eine bessere Maßhaltigkeit und eine glatte Oberfläche aus.
Die Kaltumformbarkeit von Rotguss ist schlechter als die Kaltumformbarkeit von Messing. Deshalb ist es vorteilhaft, im Verfahrensschritt b) die Halbzeuge so zu dimensionieren, dass zwischen dem Stranggießen in Verfahrensschritt b) und dem Warmpressen in Verfahrensschritt e) keine Kaltumformung erforderlich ist. In besonders vorteilhafter Weise sind die Querschnitte der gegossenen Halbzeuge so zu wählen, dass die aus den Halbzeugen abgelängten Pressrohteile eine für den Warmpressvorgang günstige Form und Größe haben. ln bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Pressrohteile der Legierung vor dem Warmpressvorgang ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße kleiner 1 mm aufweisen. Da zwischen dem Gießen der Halbzeuge in Verfahrens- schritt b) und dem Warmpressen in Verfahrensschritt e) vorzugsweise kein Verfahrensschritt liegt, der die Korngröße des Werkstoffs reduziert, sollte die Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs so erfolgen, dass der Werkstoff bereits im Gusszustand ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße kleiner 1 mm aufweist. Je kleiner die Korngröße, desto mehr Korngrenzen stehen während des Warmpressvorgangs als Gleitebenen zur Verfügung. Außerdem verteilt sich die plastische Verformung besser auf die Gesamtheit der Körner. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Rekristallisation des Gefüges in den Umformzonen. Vorteilhafterweise können die Gussstücke zwischen den Verfahrensschritten b) und d) einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dadurch wird das Material homogenisiert und die gusstypischen Segregationseffekte und Zweitphasen können beseitigt werden. So kann eine Gefügemorphologie erzielt werden, die der Morphologie eines Knetgefüges nahekommt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Prozessführung können nach dem Verfahrensschritt b) die gegossenen Halbzeuge einer Schälbehandlung zur Entfernung der äußeren Werkstoffschicht unterzogen werden. Dadurch können unerwünschte Verunreinigungen oder Seigerungen, die sich in der Gusshaut befinden können, entfernt werden. Sie beeinträchtigen dann nicht mehr die nachfolgenden Bearbeitungsschritte und die Qualität des Endprodukts kann weiter verbessert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Formteile nach dem Verfahrensschritt e) durch einen Span abhebenden Prozess bearbeitet werden. Es kann damit die Endkontur des Formteils hergestellt werden. Ferner ist es möglich, die Oberflächenqualität des Formteils zu verbessern. Durch das Warmpressen in Verfahrensschritt e) wird das Gefüge des Werkstoffs sehr feinkörnig und die Zerspanbarkeit wird günstig beeinflusst.
Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispieles sowie der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschliff durch einen Gusskörper, anhand dessen die Wirkung der Konditionierung der Schmelze demonstriert wird,
Fig. 2 ein Diagramm, in welchem die Fließkurven aufgetragen sind, die aus
Versuchen mit einem Torsionsplastometer bei 750 °C an verschiedenen Rotgussvarianten ermittelt wurden,
Fig. 3 ein Foto der Bruchflächen von bleihaltigem Rotguss, der ohne Rühren der Schmelze gegossen wurde,
Fig. 4 ein Foto der Bruchflächen von bleifreiem Rotguss, der ohne Rühren der Schmelze gegossen wurde,
5 ein Foto der Bruchflächen von bleifreiem Rotguss, der mit elektromagnetischem Rühren der Schmelze gegossen wurde.
In einer Präzisionsstranggießanlage wurde eine Schmelze der Zusammensetzung (in Gewichts-%) Sn: 4,5 %, Zn: 5,4 %, Pb: 0,08 %, Ni: 0,4 %, P: 0,04 %, Rest Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen, die unter anderem 0,01 Gew.-% Fe enthalten, zu Stangen mit Durchmesser 24 mm vergossen. Diese Legierung kann als .bleifreier Rotguss' bezeichnet werden. Zu Beginn des Gießvorgangs wurden keine besonderen Maßnamen zur Konditionierung der Schmelze getroffen. Nachdem eine Stranglänge von ca. 200 cm gegossen war, wurde ohne Unterbrechung des Gießvorgangs mit der Konditionierung der Schmelze mittels elektromagne- tischen Rührens begonnen. Auf diese Weise wurde ein Gusskörper erzeugt, an dem der Einfluss des Rührens auf das Gussgefüge direkt demonstriert werden kann. Fig. 1 zeigt einen Längsschliff durch den Gusskörper 1. In dem Abschnitt des Gusskörpers, der ohne besondere Konditionierung der Schmelze gegossen wurde, entspricht das Gefüge dem typischen Gussgefüge mit Stängelkristallen 21 und es besteht aus mehreren Millimeter großen, dendritisch erstarrten Körnern. In Fig. 1 ist dieser Abschnitt 2 des Gusskörpers 1 im linken Bereich der Figur zu erkennen. Mit Beginn des elektromagnetischen Rührens nimmt die Korngröße innerhalb eines kurzen Übergangsbereichs deutlich ab. In Fig. 1 entspricht der mit Bezugsziffer 3 gekennzeichnete Punkt dem Beginn des elektromagnetischen Rührens im Gießvorgang. Der Übergangsbereich, in dem die Korngröße deutlich abnimmt, ist mit Bezugsziffer 31 gekennzeichnet. Nach dem Übergangsbereich 31 schließt sich ein Abschnitt 4 an, in dem ein teils dendritisches, teils globulares Gefüge vorliegt. Die Ausdehnung der dendritisch erstarrten Körner 41 ist ebenso wie die der globularen deutlich geringer als 1 mm. Stängelkristalle treten nicht mehr auf.
Der unter elektromagnetischem Rühren abgegossene, bleifreie Rotguss wurde bei 350 °C, 550 °C und 750 °C geglüht. Bei Glühtemperatur 350 °C tritt noch keine signifikante Gefügeänderung ein. Bei 550 °C verschwinden die Zweitphasen, die Segregationseffekte sind jedoch weiterhin zu erkennen. Erst bei 750 °C verschwinden diese Segregationen, die dendritische Struktur hat sich komplett zugunsten homogener, äquiaxialer Körner aufgelöst. Bei keiner der Wärmebehandlungen trat eine signifikante Kornvergröberung auf. Die Korngröße blieb immer kleiner als 1 mm. Anhand von Versuchen mit einem Torsionsplastometer konnte gezeigt werden, dass bleifreier Rotguss, dessen Gefüge durch elektromagnetisches Rühren während des Gießvorgangs konditioniert wurde, bei Warmumformung sehr hohe Umformgrade ermöglicht. Bei Umformtemperaturen zwischen 750 °C und 850 °C wurden Umformgrade bis zu φ = 0,5 erreicht. Bei nach dem Stand der Technik gegossenem bleifreiem Rotguss wurden Umformgrade von maximal φ = 0, 15, bei bleihaltigem Rotguss sogar nur Umformgrade von maximal φ = 0,03 erreicht.
Fig. 2 dokumentiert diese Versuchsergebnisse. Es sind exemplarisch die bei 750 °C ermittelten Fließkurven für bleihaltigen Rotguss (Proben 1 a und 1 b), blei- freien Rotguss (Proben 2a und 2b) und bleifreien Rotguss, der elektromagnetisch gerührt wurde (Proben 3a und 3b), dargestellt. Aufgetragen ist die Fließspannung, berechnet aus dem gemessenen Drehmoment des Torsionsplastometers, gegen den Umformgrad φ, berechnet aus dem Drehwinkel des Plastometers. Ähnlich wie bei Spannungs-Dehnungsdiagrammen gibt es zunächst einen steil ansteigenden Kurven verlauf, der das elastische Verhalten des Materials wiedergibt. Wenn das Material plastisch zu fließen beginnt, verlaufen die Kurven flacher und gehen in ein näherungsweise waagerechtes Plateau über. Der Bruch der Probe äußert sich schließlich in einem plötzlichen Abfall der Fließspannung. Die Figuren 3 bis 5 zeigen die Bruchflächen der Gusskörper, an denen die
Torsionsversuche durchgeführt wurden. Fig. 3 zeigt den Probekörper aus bleihaltigem Rotguss als Referenz. Die Stängelkristalle des Gussgefüges sind gut zu erkennen. Fig. 4 zeigt den Probekörper aus bleifreiem Rotguss, der ohne Rühren vergossen wurde. Die Bruchflächen unterscheiden sich nur geringfügig von denen des bleihaltigen Rotguss in Fig. 3. Auch hier sind die Stängelkristalle des Gussgefüges gut zu erkennen. Fig. 5 zeigt den Probekörper aus bleifreiem Rotguss, der unter elektromagnetischem Rühren gegossen wurde. Die Bruchflächen zeigen eine feinkörnige Topologie, Stängelkristalle sind nicht zu erkennen. Aus dem bleifreien Rotguss, der elektromagnetisch gerührt wurde, wurden mittels Gesenkschmieden (Warmpressen) Formteile für Wasserinstallationen hergestellt. Entgegen aller Erwartung ließ sich dieser bleifreie Rotguss ohne nennenswerte Probleme mittels Gesenkschmieden zu Hohlkörpern verarbeiten. Als alternative Maßnahmen zur Konditionierung der Schmelze durch elektromagnetisches Rühren können auch Verfahren wie mechanisches Rühren,
Ultraschallanregung, Einblasen von Gas oder ähnliche Methoden, die eine
Kornfeinung des Gussgefüges ohne Zugabe von weiteren
Legierungsbestandteilen bewirken, angewendet werden.
Bezugszeichenliste
Gusskörper
Abschnitt mit Gussgefüge ohne elektromagnetisches Rühren Stängelkristall
Beginn des elektromagnetischen Rührens
Übergangsbereich
Abschnitt mit Gussgefüge mit elektromagnetischem Rühren Körner im Gussgefüge mit elektromagnetischem Rühren

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
Sn: 2 bis 8 %,
Zn: 2,5 bis 13 %,
Pb: weniger als 0,25 %,
wahlweise Ni bis maximal 0,6 %,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84 %, sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
zur Herstellung von Formteilen, dadurch gekennzeichnet,
dass im Werkstoff ein feinkörniges Gefüge eingestellt wird, indem während des Erstarrungsvorgangs die vorhandene Restschmelze in Unruhe versetzt wird, und dass die Herstellung der Formteile mindestens einen
Warmpressvorgang einschließt.
2. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Phosphorgehalt maximal 0,04 Gewichts-% beträgt.
3. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phosphorgehalt maximal 0,01 Gewichts-% beträgt.
4. Formteile aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
Sn: 2 bis 8 %,
Zn: 2,5 bis 13 %,
Pb: weniger als 0,25 %, wahlweise Ni bis maximal 0,6 %,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84 %, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet,
dass im Werkstoff ein feinkörniges Gefüge eingestellt wird, indem während des Erstarrungsvorgangs die vorhandene Restschmelze in Unruhe versetzt wird, und dass die Formteile mindestens durch einen Warmpressvorgang hergestellt sind.
Verwendung von Formteilen aus einer Kupfer-Legierung mit folgender
Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
Sn: 2 bis 8 %,
Zn: 2,5 bis 13 %,
Pb: weniger als 0,25 %,
wahlweise Ni bis maximal 0,6 %,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84 %, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, in Wasser führenden Leitungssystemen, dadurch gekennzeichnet,
dass im Werkstoff ein feinkörniges Gefüge eingestellt wird, indem während des Erstarrungsvorgangs die vorhandene Restschmelze in Unruhe versetzt wird, und dass die Formteile mindestens durch einen Warmpressvorgang hergestellt sind.
Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
Sn: 2 bis 8 %,
Zn: 2,5 bis 13 %,
Pb: weniger als 0,25 %,
wahlweise Ni bis maximal 0,6 %,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84 %, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens folgende Schritte einschließt: a) Erschmelzen der Legierung
b) Stranggießen von Halbzeugen
c) Ablängen der Halbzeuge zu Pressrohteilen
d) Erwärmen der Pressrohteile auf geeignete Temperatur
e) Pressen der Pressrohteile im warmen Zustand zu Formteilen,
und dass im Werkstoff ein feinkörniges Gefüge eingestellt wird, indem während des Erstarrungsvorgangs die vorhandene Restschmelze in
Unruhe versetzt wird.
Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressrohteile der Legierung vor dem Warmpressvorgang ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße kleiner 1 mm aufweisen.
Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Verfahrensschritt b) die gegossenen Halbzeuge einer Wärmebehandlung zur Homogenisierung des Gefüges unterzogen werden.
Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Verfahrensschritt b) die gegossenen Halbzeuge einer Schälbehandlung zur Entfernung der äußeren Werkstoffschicht unterzogen werden.
10. Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt e) die
Formteile durch einen Span abhebenden Prozess bearbeitet werden.
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