EP4621084A1

EP4621084A1 - Verfahren zum schmelzmetallurgischen herstellen einer hochfesten messinglegierung sowie messinglegierung

Info

Publication number: EP4621084A1
Application number: EP24165214.8A
Authority: EP
Inventors: Björn Reetz; Tileman MÜNCH; Surinder Sing
Original assignee: Otto Fuchs KG
Current assignee: Otto Fuchs KG
Priority date: 2024-03-21
Filing date: 2024-03-21
Publication date: 2025-09-24

Abstract

Beschrieben ist ein Verfahren zum schmelzmetallurgischen Herstellen einer hochfesten Messinglegierung mit wenigstens einem in einer Ausscheidungsphase mit weiteren Metallen der Legierungszusammensetzung gebundenen, in einer Messinglegierungsschmelze nicht oder nur schwer löslichen Sonderlegierungselement mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer Zn-Vorlegierung mit dem wenigstens einen Sonderlegierungselement in einer chemischen Verbindung,
- Bereitstellen einer Cu-Vorlegierung mit weiteren für die Messinglegierung benötigten, in der Zn-Vorlegierung typischerweise nicht enthaltenen Legierungselementen,
- Einbringen der Zn-Vorlegierung in die aufgeschmolzene Cu-Vorlegierung zum Erstellen einer Messinglegierungsschmelze und
- Herstellen eines Gusses aus der Messinglegierungsschmelze mit zumindest einer das Sonderlegierungselement enthaltenen Ausscheidungsphase.

Beschrieben ist des Weiteren eine Messinglegierung mit zumindest einem in einer Messinglegierungsschmelze nicht oder nur schwer löslichen Sonderlegierungselement, wobei die Messinglegierung folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gew.-%):
Cu: 48 bis 62,3 %, AI: 4,1 bis 7,1 %, Ni: 4,7 bis 7,8 %, Si: 1,2 bis 2,0 %, Mn: 2,7 bis 5,1 %, Fe: 0,05 bis 2,8 %, ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente 0,35 bis 2,0 % beträgt, Cr: max. 0,55 %, Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei das oder die Sonderlegierungselemente in zumindest einer Ausscheidungsphase gebunden sind.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum schmelzmetallurgischen Herstellen einer hochfesten Messinglegierung mit wenigstens einem in einer Ausscheidungsphase mit weiteren Metallen der Legierungszusammensetzung gebundenen, in einer Messinglegierungsschmelze nicht oder nur schwer löslichen Sonderlegierungselement. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine schmelzmetallurgisch hergestellte Messinglegierung mit einem solchen Sonderlegierungselement.
Messinglegierungen, die neben Cu und Zn mehrere Begleitelemente enthalten, werden auch als Sondermessinglegierungen angesprochen. Über die Auswahl und den gewählten Anteil des oder der Begleitelemente können Eigenschaften der Messinglegierung eingestellt werden, insbesondere mechanische Eigenschaften, physikalische Eigenschaften wie elektrische oder Wärmeleitfähigkeit, Zerspanungseigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und dergleichen. EP 4 801 794 A1 offenbart eine hochfeste, warm umformbare Sondermessinglegierung, insbesondere für ein hochbelastetes Bauteil. Die aus diesem Stand der Technik vorbekannte Sondermessinglegierung vereint in sich zahlreiche Anforderungen. Diese ist höheren Belastungen aussetzbar, vor allem in Verbindung mit niedrigviskosen, synthetischen Ölen und ist ebenfalls kostengünstig umformbar, und zwar sowohl kalt- als auch warm umformbar und weist eine gute Spanbarkeit auf. Diese vorbekannte Legierung weist folgende Zusammensetzung auf (Angaben in Gew.-%): Cu: 50 bis 58 %, Mn: 1,5 bis 3,1 %, Ni: 3,2 bis 5,85 %, AI: 2,8 bis 5,6 %, Si: 0,5 bis 2,5 %, Sn: 0,05 bis 0,5 %, Cr: 0,05 bis 1 %, P: 0,01 bis 0,1 %, Fe: max. 0,3 %, Pb: max. 0,1 %, Zn: Rest nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Neben einer schmelzmetallurgischen Herstellung von Messinglegierungen bzw. Legierungsprodukten, bei welcher Herstellung sämtliche Legierungselemente gelöst werden, können Messinglegierungen auch durch Pulvermetallurgie (Sintern) hergestellt werden. Beim klassischen pulvermetallurgischen Herstellen eines Messinglegierungsproduktes und ohne anschließendes Warmkneten eines pulvermetallurgisch hergestellten Legierungsprodukts werden die einzelnen Partikel miteinander verschweißt. Homogenisierungsvorgänge der chemischen Zusammensetzungsverteilung sind daher auf Größenskalen der Partikel sowie ihrer Nachbarkörner begrenzt, weshalb pulvermetallurgisch hergestellte Messinglegierungen nur ein geringeres Maß an Homogenität aufweisen. Des Weiteren führen die somit kürzeren Transportwege im Vergleich zu einer gut durchmischten Schmelze auch im schlechten Fall zu einer Verminderung der Anzahl der entstehenden Mischungs- und Verbindungsphasen bezogen auf das vorliegende Legierungssystem. Allerdings können im Unterschied zur schmelzmetallurgischen Herstellung einer Messinglegierung mit der pulvermetallurgischen Herstellungsroute Elemente bzw. Verbindungen in die Messinglegierung eingebracht werden, die in einer Messinglegierungsschmelze (Cu-Zn-Schmelze) nicht oder nur sehr schwer löslich sind. Bei solchen Elementen handelt es sich typischerweise um solche mit hohen Schmelztemperaturen oder schlichtweg um Elemente, die in einer Messingschmelze zu einer Schlackenbildung neigen, mithin unlöslich sind. Die Einbringung refraktärer sowie anderer hochschmelzender oder unlöslicher oder nur schwer löslicher Elemente oder Verbindungen in eine Metallschmelze ist besonders aufwendig und daher sind diese in einer schmelzmetallurgischen hergestellten Messinglegierung nicht, allenfalls selten und dann nur mit extrem geringen Anteilen anzutreffen. Grund hierfür sind auch die zum Lösen derartiger Elemente in einer Messinglegierungsschmelze erforderlichen hohen Temperaturen, die die Schmelze aufweisen muss, von 1.200°C und mehr. Derartige Temperaturen liegen in aller Regel oberhalb der in Praxis für Messingschmelzen erforderlichen Temperaturen. Bei derartig hohen Temperaturen können unerwünschte Wechselwirkungen mit der Ofenausmauerung ebenso stattfinden, wie Legierungsabbrände und/oder Verschlackungsvorgänge. Nachteilig kann sich bei derartigen Temperaturen auch eine Vergröbung des Gefüges durch Eliminieren kornfeinender Keime in der Schmelze auswirken. Auch andere Nachteile müssen mitunter in Kauf genommen werden, wie eine unebene Erstarrungsfront beim Erkalten des Gusses und infolge dessen Spannungen sowie die Gefahr eines Durchbruches der Rand-Erstarrungsschale.
Aus US 11,807,927 B ist eine Messinglegierung bekannt, in der eine sehr geringe Menge an schwer löslichen Elementen, beispielsweise Mo oder W in den Ausscheidungen vorhanden sind. Der Anteil dieser Elemente in den Ausscheidungen wird mit 0,3 Gew.-% angegeben. Der Anteil dieser Elemente in der Legierungsschmelze ist daher verschwindend gering. Ziel dieses Standes der Technik ist, Ausscheidungen an Korngrenzen zu vermeiden und diejenigen Elemente, die zu Ausscheidungen an Korngrenzen neigen, in Hochentropieausscheidungsphasen zu binden. Auf diese Weise sollen mechanische Eigenschaften der Legierung verbessert werden. Gebunden sind diese Elemente in Ausscheidungen, die einen Cu-Anteil von 88 % und mehr aufweisen. Mit dieser vorbekannten Legierung sind die Ausscheidungen als Hochentropielegierungsphase angesprochen. Mo und W, die zusammen mit Al, Ta, Nb und V in einer Elementgruppe angegeben sind, sind in diesem Stand der Technik als optionale Legierungselemente angegeben. In jedem Fall enthalten die Hochentropielegierungsausscheidungen eines oder mehrere der Elemente Cr, Mn, Fe, Co und Ni. Hinweise sind diesem Stand der Technik in Bezug auf eine schmelzmetallurgische Herstellung nicht zu entnehmen, insbesondere nicht, wie in einer Messinglegierung unlösliche oder nur schwer lösliche Elemente schmelzmetallurgisch eingebracht werden sollen.
Unter dem in diesen Ausführungen benutzten Begriff schwer lösliche Elemente sind solche zu verstehen, die, wenn in eine Cu-Zn-Legierungsschmelze eingebracht, nur sehr geringe Anteile an der Legierungszusammensetzung aufweisen können, um gelöst zu sein. Hierbei handelt es sich typischerweise um Maximalgehalte von 0,1 Gew.-%, obwohl in Bezug auf zahlreiche Elemente eine Löslichkeit, wenn überhaupt gegeben, in einer Cu-Zn-Legierungsschmelze erheblich unter 0,1 Gew.-% liegen müssen, um die Gefahr einer Verschlackung zu vermeiden. Die Schwerlöslichkeit derartiger Elemente hat ferner zur Folge, dass das Legierungsprodukt letztendlich ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff ist. In diesem sind derartige Elemente in bestimmten Verbindungen eingelagert, jedoch nicht aufgeschmolzen. Um einen Kornverbund zu erzielen, müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise um eine Benetzung dieser Partikel in einer kupferhaltigen Schmelze zu erzielen. Metallmatrix-Verbundstoffe haben jedoch den Nachteil, dass die Phasengrenzen zwischen der Matrix und den darin eingelagerten Partikel, bei denen es sich durchaus auch um Agglomerate handeln kann, potentielle Schwachstellen im Gefüge darstellen, da diese Phasengrenzen Risse initiieren oder ein Risswachstum begünstigen können.
In DE 10 2021 119 474 A1 ist eine blei- und antimonfreie Messinglegierung beschrieben. Diese enthält 56 - 66% Cu, 0,1 - 1,5% Mg, weniger als 0,1% Pb, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen. Bei dieser Legierung handelt es sich nicht um eine hochfeste Sondermessinglegierung. Hierzu fehlen die erforderlichen Begleitelemente mit den entsprechenden Anteilen. Diese vorbekannte Legierung kann As und P mit weniger als 0,15% und Al und Sn mit weniger als 0,1% als Begleitelemente enthalten. Die vorstehend angesprochene Schwerlöslichkeit bestimmter Elemente in einer Cu-Zn-Legierungschmelze kann, wenn die Legierungsschmelze die für eine hochfeste Sondermessinglegierung typischen Begleitelemente wie Al, Ni, Si, Mn und dergleichen mit entsprechenden Anteilen, die bei Al aus zwischen 4 und 7%, bei Ni zwischen 4 und 8%, bei Si zwischen 1 und 2,5% und bei Mn zwischen 2 und 5,5% liegen können, enthält, aufgrund von Wechselwirkungen nochmals herabgesetzt sein. Zudem können die Begleitelemente mit dem schwer löslichen Element zu einer Gitterverzerrung und zu einer Beeinflussung der Phasenstabilität führen und damit wiederum die Löslichkeit des in Rede stehenden Legierungselementes zusätzlich herabsetzen.
Vorstellen könnte man sich, dass durch Einbringen eines oder mehrerer derartiger Elemente mit signifikant höheren Anteilen an der Zusammensetzung der diese Elemente beinhaltenden Phasen, wenn schmelzmetallurgisch in die Messinglegierung einbringbar, bestimmte Eigenschaften der Messinglegierung gezielt eingestellt, insbesondere verbessert werden könnten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum schmelzmetallurgischen Herstellen einer hochfesten Messinglegierung mit wenigstens einem in einer Ausscheidungsphase mit weiteren Metallen der Legierungszusammensetzung gebundenen und in einer Messinglegierungsschmelze nicht oder nur schwer löslichen Sonderlegierungselementen vorzuschlagen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren, welches mit folgenden Schritten durchgeführt wird:

Bereitstellen einer Zn-Vorlegierung mit dem wenigstens einen Sonderlegierungselement in einer chemischen Verbindung,
Bereitstellen einer Cu-Vorlegierung mit weiteren für die Messinglegierung benötigten, in der Zn-Vorlegierung typischerweise nicht enthaltenen Legierungselementen,
Einbringen der Zn-Vorlegierung in die aufgeschmolzene Cu-Vorlegierung zum Erstellen einer Messinglegierungsschmelze und
Herstellen eines Gusses aus der Messinglegierungsschmelze mit zumindest einer das Sonderlegierungselement enthaltenen Ausscheidungsphase.

Von Besonderheit bei diesem Verfahren ist, dass das oder die in einer Cu-Zn-Legierungsschmelze nicht oder nur sehr schwer löslichen Sonderlegierungselemente in einer oder auch mehreren Vorlegierungen bereitgestellt werden, wobei es sich bei dieser Vorlegierung um eine Zn-Vorlegierung handelt. Dabei kann ein solches Sonderlegierungselement durchaus als Bestandteil einer Vorlegierung eingesetzt werden. Typisch sind Al-Vorlegierungen, in denen das oder die Sonderlegierungselemente enthalten sind. Die ein Sonderlegierungselement enthaltene Vorlegierung wird zusammen mit Zn zu einer Zn-Vorlegierung aufgeschmolzen und gegossen.
Die derart hergestellte neue Vorlegierung wird anschließend in eine aufgeschmolzene Cu-Vorlegierung zum Erstellen einer Messinglegierungsschmelze eingebracht, aus der dann der Abguss erfolgt. Auf diese Weise wird das einer Cu-Zn-Legierungsschmelze nicht oder nur schwer lösliche Sonderlegierungselement in der Zn-Vorlegierung gelöst, sodass das oder die Sonderlegierungselemente, schmelzmetallurgisch aufgeschlossen, in die Cu-Zn-Legierung eingebracht werden. Für die am Zustandekommen der Erfindung beteiligten Personen war es überraschend festzustellen, dass Sonderlegierungselemente bzw. Vorlegierungen mit einem solchen Elemente, wie diese handelsüblich erhältlich sind, und die in einer Messinglegierungsschmelze verschlacken, in einer Zn-Vorlegierung aufgeschmolzen werden können. Die für die herzustellende Messinglegierung benötigten und nicht in der Zn-Vorlegierung enthaltenen Legierungselemente sind in der Cu-Vorlegierung enthalten, in die die Zn-Vorlegierung zum Erstellen der Messinglegierungsschmelze eingebracht wird. Insofern werden zum Herstellen einer Messinglegierung gemäß diesem Verfahren zwei Vorlegierungstypen erstellt, und zwar eine Zn-Vorlegierung und eine Cu-Vorlegierung. Die Zn-Vorlegierung enthält kein oder allenfalls nur zu einem untergeordneten Anteil das Zn-Komplementärelement Cu. Die Cu-Vorlegierung kann hingegen Zn enthalten, ohne dass dieses zum Ausbilden der Cu-Vorlegierung nachteilig wäre. Das für die Messinglegierung bzw. die zu erstellende Messinglegierungsschmelze benötigte Zn stammt zumindest anteilig aus der Zn-Vorlegierung. Sollte die darin enthaltene Zn-Menge nicht ausreichen, um den Zn-Anteil in der Messinglegierung bereitzustellen, wird die Messinglegierungsschmelze bezüglich des Zn-Anteils nachjustiert, mithin die fehlende Zn-Menge darin eingebracht. In gleicher Weise können die Anteile anderer, in der Zn-Vorlegierung enthaltene Elemente in der Messinglegierungsschmelze nachjustiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Anteil des zumindest einen Sonderlegierungselementes in der Zn-Legierung in Bezug auf die sukzessive in die Cu-Vorlegierung eingebrachte Menge der Zn-Vorlegierung dergestalt eingerichtet sein, dass das sukzessive Einbringen der Zn-Vorlegierung mit dem zumindest einen Sonderlegierungselement dazu führt, dass dessen Löslichkeit in der Cu-Zn-Legierungsschmelze unterschritten wird und sich bereits in dieser Schmelze zumindest eine Ausscheidungsphase, in der zumindest ein Sonderlegierungselement gebunden ist, ausbildet. Insofern macht man sich bei diesem Verfahren die Unlöslichkeit bzw. Schwerlöslichkeit der in Rede stehenden Sonderlegierungselemente in einer Cu-Zn-Legierungsschmelze zunutze, indem durch die Zugabe der Zn-Legierungsschmelze mit dem Sonderlegierungselement frühzeitig Ausscheidungsphasen abgebunden werden. Da zumindest ein Sonderlegierungselement zuvor aufgeschmolzen war, werden hierdurch homogene chemische Verbindungen in Form von Ausscheidungen, jedoch keine Mischkristalle gebildet.
Von Vorteil bei diesem Verfahren ist auch, dass zum Erschmelzen der Zn-Vorlegierung und zum Bereitstellen des damit erstellten Gusses geringere Temperaturen im Vergleich zu denjenigen Temperaturen, die für die Cu-Zn-Legierungsschmelze benötigt werden. Die Vorteile liegen zum einen darin, dass bei der entsprechend hohen Gießtemperatur der Zn-Vorlegierung im Vergleich zu einer Al-Vorlegierung auch die Löslichkeit des Sonderlegierungselementes zunimmt. Zum anderen liegt gegenüber einer Cu-Vorlegierung mit diesen Sonderlegierungselementen der Vorteil in einem geringeren Energieverbrauch aufgrund der im Vergleich hierzu wiederum geringeren Schmelz- und Gießtemperatur. Während beispielsweise bei dem Element Ca die Solidustemperatur in einer Cu-Schmelze bei etwa 1.085 °C liegt, liegt die Solidustemperatur von Ca in einer zinkreichen Schmelze - der Zn-Vorlegierung - bei etwa 840 °C. Entsprechendes gilt auch für die anderen Sonderlegierungselemente.
Auf diese Weise können auch hochschmelzende Elemente, wie etwa Mo, W und dergleichen auf einfache und vor allem kostengünstige Art und Weise auf schmelzmetallurgischem Wege in eine Messinglegierung eingebracht werden, ohne dass eine Verschlackung zu befürchten wäre. Typische Elemente neben Mo und W, die sich als Sonderlegierungselemente eignen und die ansonsten nur in extrem geringen Anteilen schmelzmetallurgisch in eine Schmelze eingebracht und mit denen dem Verwendungszweck der Messinglegierung dienende Ausscheidungsphasen gebildet werden können, sind Ce, Ca, Mg, Sc und V. Diese Aufzählung ist nicht abschließend. Die Summe des oder der Sonderlegierungselemente in der Zusammensetzung der Messinglegierung beträgt typischerweise zwischen 0,35 und 2,0 Gew.-%.
Die das eine oder die mehreren Sonderlegierungselemente enthaltenen Ausscheidungsphasen in der Messinglegierung können diese mit Anteilen zwischen 20 und 70 Gew.-% enthalten. Die Designfreiheiten zum Auslegen einer Messinglegierung (Sondermessinglegierung) sind durch dieses Verfahren nunmehr um die Möglichkeit erweitert, auch solche Elemente auf schmelzmetallurgischem Wege in die Legierung, vor allem mit nennenswerten Anteilen einzubringen und dadurch Einfluss auf die Eigenschaften der Messinglegierung bzw. des Messinglegierungsproduktes zu nehmen, die zuvor auf schmelzmetallurgischem Wege in eine solche Legierung nicht eingebracht werden konnten. Vor allem können diese Elemente genutzt werden, um Ausscheidungsphasen zu bilden, und zwar solche, die sich ohne ein solches Sonderlegierungselement nicht bilden würden. Dieses ist vorteilhaft für die Messinglegierung bzw. das damit hergestellte Produkt, da aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Ausscheidungen das Messinglegierungsprodukt mit entsprechenden Eigenschaften ausgerüstet werden kann. So kann zum Beispiel eine Ausscheidungsphase sich günstig auf die Zerspanbarkeit auswirken, während eine andere Phase sich günstig bezüglich der Tribololgie bei einer Verwendung der Messinglegierung in einer Ölumgebung auswirkt. Über die Wahl des einen oder der mehreren Sonderlegierungselemente können somit Eigenschaften der Messinglegierung bzw. des Messinglegierungsproduktes eingestellt werden. Eine solche Sondermessinglegierung hat neben einer das zumindest ein Sonderlegierungselement enthaltenden Ausscheidungsphase typischerweise ebenfalls weitere, in Sondermessinglegierungen vorkommenden intermetallische Ausscheidungsphasen. Auch diese werden bei der Auslegung der Messinglegierung in Anpassung an die bei der späteren Verwendung daran gestellten Anforderungen berücksichtigt. Die Ausbildung unterschiedlicher Ausscheidungsphasen in der Messinglegierung erhöht ihre Einsatz- bzw. Verwendungsmöglichkeiten, da die unterschiedlichen Ausscheidungsphasen unterschiedliche Aspekte einer späteren Verwendung unterstützen bzw. diese positiv beeinflussen. Damit kann eine solche Messinglegierung aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausscheidungsphasen, wozu neben anderen Ausscheidungsphasen Silizide und Aluminide zählen und wobei die verschiedenen Ausscheidungsphasen in unterschiedlichen Größen vorliegen können, für unterschiedliche Belastungsbereiche eingesetzt werden. Liegen Ausscheidungen mit unterschiedlicher Größe vor, sind kleinere Ausscheidungen typischerweise für die Festigkeit der Messinglegierung verantwortlich, während größere den Verschleißwiderstand und das Tribologie-Verhalten verbessern können.
Mit dem Element Mo, welches mit diesem Verfahren schmelzmetallurgisch in eine Messinglegierung eingebracht werden kann, können beispielsweise die Eigenschaften des Messinglegierungsproduktes hinsichtlich seiner thermischen Ausdehnung, seiner elektrischen Leitfähigkeit, seiner Härte oder auch hinsichtlich seiner Zerspanungseigenschaften verbessert werden. Mit Mo als Sonderlegierungselement wird beispielsweise die thermische Ausdehnung der Sondermessinglegierung reduziert. Positiv wirkt sich die nestartige Ausbildung der zumindest einen Mo enthaltenden Ausscheidungsphase innerhalb der Matrix aus. Mo weist zudem eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, sodass auch die Sondermessinglegierung bzw. das daraus hergestellte Sondermessinglegierungsprodukt eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diese besondere Eigenschaft resuliert daraus, dass dieses Sonderlegierungselement schmelzmetallurgisch in die Messinglegierungsschmelze eingebracht wird und nicht lediglich als nicht aufgeschmolzener Bestandteil eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffes. Verbesserungen sind auch in Bezug auf eine Verschleißwiderstandsverbesserung sowie eine Korrosionsbeständigkeit zu beobachten. Das Sonderlegierungselement W fördert neben den vorstehend bereits zu Mo angesprochenen Vorteilen in der damit begründeten Ausscheidungsphase den mechanischen Verschleißwiderstand und wirkt ansonsten ähnlich wie das Element Mo. Mg und Ca wirken ausscheidungsbildend, sind aufgrund der Ausscheidungen somit festigkeitssteigernd. Zudem werden hierdurch auch die Temperaturbeständigkeit so wie das Relaxationsverhalten verbessert. Mg und Ca wird ebenfalls die Eignung als Festschmierstoff im Messinglegierungsprodukt zugesprochen. Zudem sind diese Elemente biokompatibel, haben mithin keinen nachteiligen Einfluss auf Menschen, weshalb Legierungen mit derartigen Elementen sich auch für medizintechnische Anwendungen eignen.
Der Zn-Anteil in der Zn-Vorlegierung ist typischerweise größer als die Summe der übrigen, in der Zn-Vorlegierung enthaltenen Elemente. Vorzugsweise beträgt der Zn-Anteil in der Vorlegierung 65 bis 90 Gew.-%. Der Rest geht auf das oder die Sonderlegierungselemente alleine oder zusammen mit dem oder den weiteren Elementen der Vorlegierung, in der das Sonderlegierungselement enthalten ist, wie beispielsweise Al.
Eine hochfeste Messinglegierung enthält typischerweise Al. Daher werden das oder die Sonderlegierungselemente bevorzugt als Teil einer Al-Vorlegierung zum Bereitstellen der Zn-Vorlegierung eingesetzt. Dann werden durch die Vorlegierung keine Elemente in die Messinglegierung eingebracht, die tatsächlich nicht benötigt werden. Die Verwendung einer Al-Vorlegierung, in der das oder die Sonderlegierungselemente enthalten sind, hat ferner zum Vorteil, dass AI-Vorlegierungen nur eine relativ geringe Schmelztemperatur aufweisen. Die Messinglegierungsschmelze kann, sollten die Zn- und/oder Al-Menge in der Zn-Vorlegierung nicht genügen, um die gewünschten Anteile dieser Elemente in der Messinglegierungsschmelze darzustellen in Bezug auf diese Elemente nachjustiert werden. Mithin können diese Elemente nachträglich in die Messinglegierungsschmelze eingebracht werden, ohne dass dieses die Löslichkeit des oder der Sonderlegierungselemente beeinträchtigen würde.
Vorzugsweise werden als Sonderlegierungselemente solche eingesetzt, die mit dem in einer Sondermessinglegierung vorhandenen Si, typischerweise mit weiteren Legierungselementen Silizidausscheidungen bilden. Ein solches Sonderlegierungselement kann durch aus als Si-Fänger genutzt werden, mit dem Ergebnis, dass andere Metalle, die ansonsten in Silizidausscheidungen enthalten sind, nunmehr zur Ausbildung von Aluminiden zur Verfügung stehen. Somit wird durch das oder die Sonderlegierungselemente auch Einfluss auf die Ausbildung und chemische Zusammensetzung der Ausscheidungsphasen genommen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können bestimmte Eigenschaften der eingangs unter EP 4 108 794 A1 gewürdigten Sondermessinglegierung gezielt verbessert werden, wobei die bereits sehr positiven Eigenschaften dieser Legierung erhalten bleiben. Eine solche um ein oder mehrere Sonderlegierungselemente spezifizierte Legierung weist gemäß einem Ausführungsbeispiel folgende Zusammensetzung auf (Angaben in Gew.-%):

Cu: 48 bis 62,3 %,
AI: 4,1 bis 7,1 %,
Ni: 4,7 bis 7,8 %,
Si: 1,2 bis 2,0 %,
Mn: 2,7 bis 5,1 %,
Fe: 0,05 bis 2,8 %,
ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente 0,35 bis 2,0 % beträgt,
Cr: max. 0,55 %,
Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.

Die im Rahmen dieser Ausführungen angesprochenen unvermeidbaren Verunreinigungen umfassen je Element max. 0,05 Gew.-% und überschreiten in der Summe einen Anteil von 0,15 Gew.-% nicht.
Durch die konkrete Legierungszusammensetzung, insbesondere bezüglich des Fe- bzw. Al-Gehaltes kann die Ausbildung der zumindest einen das oder die Sonderlegierungselemente enthaltenen Phase und auch deren Zusammensetzung gesteuert werden. Eine Variante dieser Sondermessinglegierung mit relativ geringem Fe- jedoch mit einem relativ hohen Al-Gehalt weist folgende Zusammensetzung auf (Angaben in Gew.-%):

Cu: 48,2 bis 52,5 %,
AI: 5,8 bis 7,1 %,
Ni: 4,7 bis 5,6 %,
Si: 1,2 bis 2,0 %,
Mn: 2,7 bis 3,25 %,
Fe: 0,05 bis 0,13 %,
ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente: 0,35 bis 2,0% beträgt,
Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.

Die Phasen mit dem Sonderlegierungselement, bei dem es sich beispielsweise um Mo handeln kann, sind innerhalb der Matrix nestartig angeordnete Partikel, die in zwei unterschiedlichen Phasen vorliegen, die sich hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung voneinander unterscheiden. Eine erste Phase, die das Sonderlegierungselement enthält, ist Ni-reich, während die andere Phase Ni-arm ist. Ist zusätzlich Co als Legierungselement am Aufbau der Messinglegierung beteiligt, was mit Anteilen von 0,4 bis 1,1 Gew.-% durchaus möglich und mitunter auch erwünscht ist, ist die Ni-reiche Sonderlegierungselementphase ebenfalls Co-reich und die Ni-arme Sonderlegierungselementphase zugleich auch Co-arm. Die Ni-reiche Sonderlegierungselementphase weist typischerweise folgende Zusammensetzung auf (Angaben in Masse-%):

Sonderlegierungselement: 58,5 bis 66 %,
Fe: 0,2 bis 1,1 %,
Si: 12 bis 16,5 %,
Ni: 0,5 bis 1,3 %,
Cu: 5 bis 9,5 %,
Mn: 5,5 bis 9,5 %,
AI: 0,6 bis 1,3 %,
Zn: 3,5 bis 7 %.

Die Ni-arme Sonderlegierungselementphase weist hingegen folgende Zusammensetzung (Angaben in Masse-%) auf:

Sonderlegierungselement: 40 bis 49 %,
Fe: 0,5 bis 2,5%,
Si: 11,5 bis 16,5 %,
Ni: 11 bis 15,5%,
Cu: 6 bis 10,5 %,
Mn: 4,5 bis 8 %,
Zn: 3,5 bis 6,5 %.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Die beigefügten Figuren zeigen:

Fig. 1:: ein schematisiertes Flussdiagramm zum Beschreiben des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer hochfesten Messinglegierung mit wenigstens einem in einer Ausscheidungsphase mit weiteren Metallen der Legierungszusammensetzung gebundenen Sonderlegierungselement,
Fig. 2:: ein lichtmikroskopisches Schliffbild einer ersten Probe der erfindungsgemäßen Messinglegierung,
Fig. 3:: eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines Ausschnittes derselben Probe, in der diejenigen Stellen markiert sind, an denen EDX-Proben vorgenommen worden sind,
Fig. 4:: ein lichtmikroskopisches Schliffbild einer weiteren Probe der erfindungsgemäßen Messinglegierung,
Fig. 5:: eine lichtmikroskopisches Schliffbild noch einer weiteren Probe einer erfindungsgemäßen Messinglegierung,
Fig. 6:: eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines ersten Ausschnittes der Probe der Figur 5, in der diejenigen Stellen markiert sind, an denen EDX-Proben vorgenommen worden sind,
Fig. 7:: eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines weiteren Ausschnittes der Probe der Figur 5, in der diejenigen Stellen markiert sind, an denen EDX-Proben vorgenommen worden sind,
Fig. 8:: ein lichtmikroskopisches Schliffbild noch einer weiteren Probe der erfindungsgemäßen Messinglegierung,
Fig. 9:: eine Fotografie eines Spanhaufens zum Darstellen der Späne als Ergebnis einer Zerspanungsuntersuchung an einer erfindungsgemäßen Probe (links) sowie einzelner, vergrößert dargestellter Späne (rechts) und
Fig. 10:: eine Fotografie eines Spanhaufens (links) sowie einzelner, vergrößert dargestellter Späne (rechts) zum Darstellen des Ergebnisses einer Zerspanungsuntersuchung an einer Vergleichslegierung.

Untersucht worden sind erfindungsgemäße Messinglegierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Diese Legierungen weisen Mo als Sonderlegierungselement auf. Die nachfolgende Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der erfindungsgemäßen Messinglegierung mit Mo als Sonderlegierungselement gilt analog auch für weitere, in einer Cu-Zn-Legierungsschmelze nicht oder nur schwer lösliche Elemente oder auch für solche, die nur bei sehr hohen Temperaturen in einer solchen Schmelze gelöst werden können. Beispielhaft wird in Bezug auf das Vorstehende auf die Elemente W, Ca, Ce, MG, Sc und V Bezug genommen, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Zn-Vorlegierung hergestellt. Aufgeschmolzen sind in dieser Zn und Mo, welches als Bestandteil einer Al-Vorlegierung in die Zn-Vorlegierung eingebracht worden ist. Die Zn-Vorlegierung ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine 3-Stoff-Legierung umfassend die Elemente Zn, Al und Mo. In anderen Ausführungsbeispielen können weitere Elemente Bestandteil der Zn-Vorlegierung sein, insbesondere auch solche Elemente, die ebenso wie Mo zu den Sonderlegierungselementen zählen. Die Zn-Vorlegierungsschmelze wird bei einer Temperatur von wenig mehr als 1.100°C zum Erstellen der Zn-Vorlegierung gegossen.
Ferner wird eine Cu-Vorlegierung vorbereitet und bereitgestellt. In dieser ist der für die Messinglegierungsschmelze vorgesehene Cu-Anteil ebenso enthalten, wie die weiteren Legierungselemente, die am Aufbau der Messinglegierung beteiligt sind. Typischerweise sind an der Zusammensetzung der Cu-Vorlegierung die in der Zn-Vorlegierung enthaltenen Elemente nicht beteiligt. Sollten die Anteile ein oder mehrerer Elemente in der Zn-Vorlegierung mit Ausnahme des oder der Sonderlegierungselemente, für die das oder diese Elemente betreffenden Anteile in der Cu-Zn-Legierung nicht ausreichend sein, können diese in der Cu-Zn-Legierungsschmelze durch entsprechendes Einbringen der Fehlmengen nachjustiert werden. Dieses ist beispielsweise dann der Fall, wenn der in der Vorlegierung enthaltene Al-Gehalt in Bezug auf die über die Zn-Vorlegierung in die Cu-Vorlegierung eingebrachte Menge nicht ausreichend ist, um den für die Messinglegierung vorgesehenen Al-Gehalt bereitzustellen. Gleiches gilt auch für das Element Zn. In die aufgeschmolzene Cu-Vorlegierung wird die Zn-Vorlegierung eingebracht. Die vorgesehene Gesamtmenge, die in die Cu-Vorlegierung an Zn-Vorlegierung eingebracht werden soll, wird sukzessive, also: nach und nach in die Cu-Vorlegierung eingebracht, damit die eingebrachte Zn-Vorlegierungspartikel rasch aufschmelzen und in der Cu-Vorlegierung homogen verteilt werden können. Dieses sukzessive Eingeben von Zn-Vorlegierung in die Cu-Vorlegierungsschmelze kann genutzt werden, um bereits in dieser Legierungsschmelze Ausscheidungsphasen, in denen das Sonderlegierungselement, hier: Mo, enthalten ist, auszubilden. Diese bilden sich bei gleichbleibender Temperatur der Cu-Vorlegierungsschmelze bzw. der sich daraus bildenden Cu-Zn-Legierungsschmelze dann aus, wenn die in die Cu-Vorlegierung eingebrachte, gelöste Sonderlegierungselementmenge die Löslichkeit überschreitet. Die Ausscheidungsphasen bilden sich mit dem schmelzmetallurgisch aufgeschlossenen Sonderlegierungselement Mo. Ist die Messinglegierungsschmelze durch hinreichende Zugabe von Zn-Vorlegierung in die Cu-Vorlegierung hinsichtlich ihrer Zusammensetzung fertiggestellt, erfolgt der Guss. Die Temperatur der Messinglegierungsschmelze ist höher als diejenige der Zn-Vorlegierungsschmelze. Demzufolge ist auch die Gießtemperatur der Messinglegierungsschmelze höher und liegt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen 1.150°C und 1.250°C.

Der Chemismus der auf diese Weise hergestellten Sondermessinglegierungen ist in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben:

Probe	Cu	Zn	Al	Fe	Ni	Si	Mn	Co	Cr	Mo
1	58,7	Rest	4,67	2,3	7,2	1,6	4,6	0,62	0,4	0,88
2	51,8	Rest	5,6	0,4	6,6	6,8	3,9	0,65	0,06	0,65
3	49,4	Rest	6,5	0,08	5,36	1,4	3,17	0,53	0,0002	0,51
4	57,8	Rest	6,4	0,04	3,52	0,5	2,3	0,35		0,7
5	59,6	Rest	4,3	2,2	6,47	1,63	4,3	0,86	0,45	0,61
6	53,6	Rest	5,13	0,4	5,84	1,46	3,67	0,82	0,06	0,56
7	50,4	Rest	6	0,07	4,91	1,54	2,9	0,68	0,005	0,62
8	57,8	Rest	6,15	0,04	3,3	0,57	2,1	0,4	0,004	0,7
9	59,6	Rest	4,55	2,5	7,1	1,7	4,8			0,9
10	50,2	Rest	6,4	0,09	5,4	1,6	3,1			0,68
11	60,1	Rest	4,2	2,4	6,32	1,71	4,31			0,6
12	50,2	Rest	6,1	0,072	4,97	1,6	2,9			0,63

Diese Proben weisen Ausscheidungsphasen mit einem Gesamtanteil zwischen 5 % und 14 % auf.
Zu den Proben 1 bis 4 der vorstehenden Tabelle sind Schliffbilder zum Visualisieren des Gefüges angefertigt worden. Die Abbildungen der Figuren 2 und 3 zeigen Aufnahmen der Messinglegierung gemäß Probe 1. Figur 4 zeigt eine Schliffbildaufnahme der Probe 2. Die Aufnahmen der Figuren 5 bis 7 sind Aufnahmen an der Probe 3. Figur 8 zeigt eine Schliffbildaufnahme der Probe 4. Bezüglich dieser Aufnahmen ist herauszustellen, dass in dem Gefüge keinerlei refraktäre (nicht aufgeschmolzene) Bestandteile enthalten sind. Entsprechendes konnte auch zu den Proben 9 bis 12 festgestellt werden, die im Unterschied zu den Proben 1 bis 8 Co-frei sind.
Das lichtmikroskopische Schliffbild der Probe 1 (Figur 2) weist diese Messinglegierung als feinkörnige, homogene Messinglegierung aus. Dieses homogene Gefüge und die Feinkörnigkeit mit den darin enthaltenen Ausscheidungen verleihen dieser Messinglegierung eine gute Verschleißbeständigkeit, gute Zerspanbarkeit sowie eine gute Umformbarkeit. Die Härte dieser Messinglegierung liegt bei etwa 192 HBW 2,5/62,5.
Auch die Messinglegierung der Probe 3 (Figur 4) ist relativ feinkörnig ausgebildet. Gut erkennbar sind darin die ohne bevorzugte Orientierung befindlichen nadelförmigen Silizidausscheidungen, durch die das Gefüge stabilisiert ist. Die Messinglegierung der Probe 3 weist ähnliche Eigenschaften auf wie die Probe 1, hat jedoch eine deutlich höhere Härte von 296 HBW 2,5/62,5.

An den Proben 1 und 3 wurden EDX-Spektren gemessen, um den Chemismus der Ausscheidungen in Erfahrung bringen. In der Figur 3 bezüglich der Probe 1 sowie den Figuren 6 und 7 bezüglich der Probe 3 sind die EDX-Ergebnisse der nachstehenden Tabelle zu entnehmen. Die jeweils angegebenen Spektren sind in den in Bezug genommenen Figuren kenntlich gemacht. Die Angaben in der nachstehenden Tabelle sind in Masse-% ausgedrückt:

	Mo	Fe	Si	Co	Ni	Cr	Cu	Mn	Al	Zn
Probe 1	52	15	12	5	5	3	3	3	1	1

Spektren 1 -6
Probe 1 Spektren 11 -12	1,4	14	7	7	35	14	10	10	4
Probe 2-1 Spektren 10 -12	42, 5	1,5	14	10	13	8	6		5
Probe 2-1 Spektren 7-9		0,4	3	9	42	17	1,6	21	6
Probe 2-1 Spektren 13-18		1,2	15	2	5	16	46,8	1	13
Probe 2-2 Spektren 1 - 3	63,7	0,5	14	0,8	1	7	7	1	5
Probe 2-2 Spektrum 6		1,2	2	10	39,5	18	1,4	23	5
Probe 2-2 Spektrum 7-10	0,4	1	16	2	5	19	43,3	1,3	12

Die Untersuchungsergebnisse an den Ausscheidungen der Probe 1 lassen erkennen, dass das als Sonderlegierungselement in der Messinglegierungsschmelze befindliche Mo in den etwas größeren gräulichen Ausscheidungspartikeln konzentriert ist. Diese weisen einen durchschnittlichen Mo-Gehalt von 52 Masse-% auf. Das Mo ist in diesen Ausscheidungen maßgeblich mit Si und Fe gebunden, wobei auch die weiteren Metalle der Messinglegierung in diesen Ausscheidungsphasen enthalten sind, allerdings nur zu deutlich geringeren Anteilen. Neben der Mo-enthaltenden Ausscheidungsphase sind durch die Spektren 11 und 12 Ni-Aluminide als weitere Ausscheidungsphase in der Messinglegierung enthalten. Hierbei handelt es sich um die etwas kleineren dunklen Partikel in der mikroskopischen Aufnahme der Figur 3. Diese zeigt, dass diese Phasen eine einheitliche Größe aufweisen und homogen in der Messinglegierung verteilt sind. Mo ist auch in diesen Phasen enthalten, jedoch nur zu einem eher geringen Anteil mit durchschnittlich 1,4 Masse-%.
In den EDX-Untersuchungen der Matrix konnte kein Mo als Sonderlegierungselement nachgewiesen werden.
Zu der Probe 3 sind zwei unterschiedliche Probenbereiche untersucht worden. Dabei konnte festgestellt werden, dass das Sonderlegierungselement, hier: Mo, in zwei unterschiedlichen Ausscheidungsphasen enthalten ist. In einer ersten Ausscheidungsphase ist bei dieser Probe Mo im Durchschnitt mit 63,7 Masse-% enthalten. Diese Phase weist wiederum Si als weiteren bedeutenden Bestandteil dieser Ausscheidungen auf, neben Mn und Cu. Diese Ausscheidungsphase ist Ni- und Co-arm. Diese Ausscheidungsphase ist in den Spektren 1 bis 3 der Figur 6 dargestellt. Diese Partikel sind in dieser Darstellung helle nestartige Partikel. Die andere Mo-enthaltene Ausscheidungsphase findet sich in dem in Figur 5 gezeigten Probenbereich. Dieses sind die Ausscheidungen, in denen die Spektren 10 bis 12 erstellt worden sind. Wiederum handelt es sich um nestartig angeordnete Partikel.
In beiden Probenbereichen finden sich Ni-Aluminide (Spektren 7 bis 9) sowie Silizide (Spektren 13 bis 18). In dem Probenbereich, der in Figur 6 gezeigt ist, sind die Aluminide anhand des Spektrums 6 untersucht worden, die Silizide in den Spektren 7 bis 10.
Die unterschiedliche Ausbildung der das Sonderlegierungselement enthaltenen Ausscheidungsphase in Bezug auf die Probe 1 und die Probe 3 wird, da auf derselben Herstellungsroute mit denselben Herstellungsbedingungen hergestellt, an dem unterschiedlichen Chemismus dieser Proben festgemacht. Dies ist deswegen von Interesse, da somit allein durch die Einstellung des Chemismusses die Anzahl unterschiedlicher Ausscheidungen gesteuert werden kann.
Bei diesen untersuchten Proben ist Mo als Sonderlegierungselement schmelzmetallurgisch in die Messinglegierungsschmelze eingebracht worden, da man sich verspricht, dass dieses Element in besonderem Maße sich positiv auf eine Zerspanung auswirkt, mithin kurze Späne ausbildet. Das Mo in den Ausscheidungsphasen bewirkt zudem durch die Verklammerung der Ausscheidungsphasen mit der Matrix, dass diese Messinglegierungen nur einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizient, dennoch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diese Eigenschaft ist im Zusammenhang mit einer zerspanenden Bearbeitung der Messinglegierung vorteilhaft, da dann beim zerspanenden Bearbeiten entstehende Wärme rasch und effektiv abgeführt werden kann.
Die vorstehenden Ausführungen lassen deutlich werden, dass in einfacher, kostengünstiger und ohne Weiteres im industriellen Maßstab einsetzbaren Verfahren Messinglegierungen schmelzmetallurgisch hergestellt werden können, die durch das schmelzmetallurgische Einbringen ihrer Sonderlegierungselemente zusätzliche Eigenschaften aufweisen, die mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand erstellt werden können. Hierbei geht es nicht nur aber maßgeblich darum, durch das oder die Sonderlegierungselemente der Messinglegierung zusätzliche Eigenschaften zu Teil werden zu lassen.
Mit Proben der erfindungsgemäßen Legierungen wurden Zerspanungsuntersuchungen an zylindrischen Probenstücken durch Abdrehen durchgeführt. Die Untersuchungen wurden bei einer Rotationsgeschwindigkeit der Probe von 1.300 U/min und einem Vorschub von 0,21 mm/U durchgeführt. Bei den Proben der erfindungsgemäßen Legierung wurden durchweg segmentierte, spiralförmige Späne erzeugt. Bei derartigen Spänen haften die einzelnen Segmente innerhalb eines Spanabschnittes schwächer aneinander, sodass beim Zerspanungsprozess letztendlich kurze Späne erzeugt werden. Ausfransungen sind - wenn überhaupt - an der Innenseite bezüglich ihrer Krümmung vorhanden. Der Durchmesser der Späne beträgt in aller Regel nicht mehr als 10 mm, vielfach liegen diese darunter. Die die Spanlänge der gekrümmten Späne beträgt 10 bis 20 mm. Die Spanform und die Spangröße der erfindungsgemäßen Probe 2 ist beispielhaft für alle erfindungsgemäßen Proben in der Figur 9 gezeigt. In der linken Darstellung sind die Späne als Haufwerk gezeigt. In der rechten Darstellung sind zwei einzelne Spansegmente in einer vergrößerten Darstellung abgebildet. Die für einen Zerspanungsprozess besonders günstige Spanform ist deutlich erkennbar. Hervorzuheben ist, dass die Ausfransungen an der Innenseite bezüglich der Krümmung der Späne angeordnet ist. Verhakungen mit anderen Spänen sind daher jedenfalls durch diese Ausfransungen entweder nicht vorhanden oder auf ein Minimum reduziert.
Die in Figur 9 gezeigte Spanform der dargestellten erfindungsgemäßen Probe entspricht derjenigen, wie diese bei Legierungen erzeugt werden, die als sehr gut zerspanbar bezeichnet werden.
Figur 10 zeigt zum Vergleich eine Probe der im Stand der Technik zu EP 4 108 794 A1 beschriebenen Sondermessinglegierung. Auf die positiven Eigenschaften dieser Sondermessinglegierung ist bereits hingewiesen worden. Allerdings zeigen die Zerspanungsuntersuchungen, dass diese vorbekannte Legierung, in die keine der erfindungsgemäßen Sonderlegierungselemente in der beschriebenen Art und Weise in die Legierung eingebracht worden sind, lange Späne ausbildet. Begründet wird die größere Länge dieser Späne damit, dass die einzelnen Spansegmente stärker aneinander anhaften und die Späne allein durch den Zerspanungsprozess nicht in kleinere Spansegmente auseinanderbrechen. Dieses ist für einen Zerspanungsprozess unerwünscht. Ferner ist bei denselben Zerspanungsuntersuchungsbedingungen festzustellen, dass sich die Ausfransungen an den Spänen außenseitig bezüglich ihrer Spankrümmung befinden, weshalb diese Späne zu Verhakungen untereinander neigen. Das in Figur 10 gezeigte Spanhaufwerk (links) macht ebenso wie die vergrößerte Darstellung einzelner Späne (rechts) deutlich, dass diese Späne für einen Zerspanungsprozess unerwünscht sind.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Schutzbereich, beschrieben durch die geltenden Ansprüche, zu verlassen, ergeben sich für den Fachmann zahlreiche weitere Ausgestaltungen, den Erfindungsgedanken zu verwirklichen, ohne dass diese im Rahmen dieser Ausführungen näher erläutert werden müssten.

Claims

Verfahren zum schmelzmetallurgischen Herstellen einer hochfesten Messinglegierung mit wenigstens einem in einer Ausscheidungsphase mit weiteren Metallen der Legierungszusammensetzung gebundenen, in einer Messinglegierungsschmelze nicht oder nur schwer löslichen Sonderlegierungselement mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer Zn-Vorlegierung mit dem wenigstens einen Sonderlegierungselement in einer chemischen Verbindung,

- Bereitstellen einer Cu-Vorlegierung mit weiteren für die Messinglegierung benötigten, in der Zn-Vorlegierung typischerweise nicht enthaltenen Legierungselementen,

- Einbringen der Zn-Vorlegierung in die aufgeschmolzene Cu-Vorlegierung zum Erstellen einer Messinglegierungsschmelze und

- Herstellen eines Gusses aus der Messinglegierungsschmelze mit zumindest einer das Sonderlegierungselement enthaltenen Ausscheidungsphase.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen der Zn-Vorlegierung das wenigstens eine Sonderlegierungselement als Bestandteil einer Vorlegierung mit einem Element der Metallgruppe, insbesondere Aluminium, mit dem für die Zn-Vorlegierung vorgesehenen Zn-Anteil aufgeschmolzen und anschließend gegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zn-Anteil in der Zn-Vorlegierung größer ist als die Summe der übrigen in der Zn-Vorlegierung enthaltenen Elemente.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zn-Vorlegierung die darin enthaltene Zn- und/oder Al-Menge geringer ist, als für die Messinglegierung benötigt, und dass der Zn- und/oder Al-Anteil in der Messinglegierungsschmelze durch Zugabe von Zn und/oder Al nachjustiert wird, um die für die Messinglegierung gewünschten Zn- und/oder Al-Anteile einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Sonderlegierungselemente ausgewählt sind aus der Gruppe der Elemente Mo, W, Ca, Ce, Mg, Sc und V.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungszusammensetzung eingestellt wird, damit das wenigstens ein Sonderlegierungselement zusammen mit weiteren Legierungselementen aus der Gruppe der Metalle in einer insbesondere als Silizidausscheidung vorhandenen Mehrstoffphase gebunden ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungszusammensetzung eingestellt wird, damit mehrere sich vom Chemismus her unterscheidende Ausscheidungsphasen gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Einbringen der Zn-Vorlegierung in die aufgeschmolzene Cu-Vorlegierung der eingebrachte Anteil des zumindest einen Sonderlegierungselementes höher ist, als seine Löslichkeit in der Messinglegierungsschmelze, sodass bereits in der Messinglegierungsschmelze zumindest eine das Sonderlegierungselement enthaltene Ausscheidungsphase gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur zum Erstellen der Zn-Vorlegierung ebenso wie ihre Gießtemperatur geringer ist, als die Gießtemperatur der Messinglegierungsschmelze.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messinglegierung folgender Zusammensetzung schmelzmetallurgisch hergestellt wird (Angaben in Gew.-%):
Cu: 48 bis 62,3 %,

AI: 4,1 bis 7,1 %,

Ni: 4,7 bis 7,8 %,

Si: 1,2 bis 2,0 %,

Mn: 2,7 bis 5,1 %,

Fe: 0,05 bis 2,8 %,

ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente 0,35 bis 2,0 % beträgt,

Cr: max. 0,55 %,

Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der schmelzmetallurgischen hergestellten Messinglegierung folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gew.-%):
Cu: 48,2 bis 52,5 %,

AI: 5,8 bis 7,1 %,

Ni: 4,7 bis 5,6 %,

Si: 1,2 bis 2,0 %,

Mn: 2,7 bis 3,25 %,

Fe: 0,05 bis 0,13 %,

ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente 0,35 bis 2,0 % beträgt,

Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der schmelzmetallurgisch hergestellten Messinglegierung folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gew.-%):
Cu: 50,8 bis 54,2 %,

AI: 5,0 bis 5,9 %,

Ni: 5,7 bis 6,9 %,

Si: 1,2 bis 2,0 %,

Mn: 3,4 bis 3,9 %,

Fe: 0,24 bis 0,63 %,

Cr: 0,02 bis 0,1 %,

ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente: 0,35 bis 2,0% beträgt,

Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der schmelzmetallurgisch hergestellten Messinglegierung folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gew.-%):
Cu: 57,1 bis 62,3 %,

AI: 4,1 bis 4,9 %,

Ni: 6,3 bis 7,8 %,

Si: 1,2 bis 2,0 %,

Mn: 4,2 bis 5,1 %,

Fe: 1,9 bis 2,4 %,

Cr: 0,35 bis 0,5 %,

ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente: 0,35 bis 2,0 % beträgt,

Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messinglegierung Co mit einem Anteil von 0,4 bis 1,2 Gew.-% enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonderlegierungselement Mo und/oder W ist.
Messinglegierung mit zumindest einem in einer Messinglegierungsschmelze nicht oder nur schwer löslichen Sonderlegierungselement, dadurch gekennzeichnet, dass die Messinglegierung folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gew.-%):
Cu: 48 bis 62,3 %,

AI: 4,1 bis 7,1 %,

Ni: 4,7 bis 7,8 %,

Si: 1,2 bis 2,0 %,

Mn: 2,7 bis 5,1 %,

Fe: 0,05 bis 2,8 %,

ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente 0,35 bis 2,0 % beträgt,

Cr: max. 0,55 %,

Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen,

wobei das oder die Sonderlegierungselemente in zumindest einer Ausscheidungsphase gebunden sind.
Messinglegierung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messinglegierung folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gew.-%):
Cu: 48,2 bis 52,5 %,

AI: 5,8 bis 7,1 %,

Ni: 4,7 bis 5,6 %,

Si: 1,2 bis 2,0 %,

Mn: 2,7 bis 3,25 %,

Fe: 0,05 bis 0,13 %,

ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente 0,35 bis 2,0 % beträgt,

Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Messinglegierung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messinglegierung folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gew.-%):
Cu: 57,1 bis 62,3 %,

AI: 4,1 bis 4,9 %,

Ni: 6,3 bis 7,8 %,

Si: 1,2 bis 2,0 %,

Mn: 4,2 bis 5,1 %,

Fe: 1,9 bis 2,4 %,

Cr: 0,35 bis 0,5 %,

ein oder mehrere Sonderlegierungselemente, wobei die Summe der Sonderlegierungselemente 0,35 bis 2,0 % beträgt,

Zn: Rest, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen.
Messinglegierung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sonderlegierungselement in zwei Ausscheidungsphasen enthalten ist, welche beiden Phasen folgende Zusammensetzung aufweisen (Angaben in Masse-%):
Phase 1

Sonderlegierungselement: 20 bis 70 %,

Fe: 0,2 bis 1,1 %,

Si: 12 bis 16,5 %,

Ni: 0,5 bis 1,3 %,

Cu: 5 bis 9,5 %,

Mn: 5,5 bis 9,5 %,

AI: 0,6 bis 1,3 %,

Zn: 3,5 bis 7 % und

Phase 2

Sonderlegierungselement: 40 bis 60 %,

Fe: 0,5 bis 2,5%,

Si: 11,5 bis 16,5 %,

Ni: 11 bis 15,5%,

Cu: 6 bis 10,5 %,

Mn: 4,5 bis 8 %,

Zn: 3,5 bis 6,5 %.
Messinglegierung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Beteiligung von Co an der Zusammensetzung der Messinglegierung mit Anteilen von 0,4 bis 1,2 Gew.-% Co in der das Sonderlegierungselement enthaltenen Phase 1 mit Anteilen von 0,4 bis 1,2 Gew.-% und in der Sonderlegierungselement-Phase 2 mit 8,5 bis 13 Gew.-% enthalten ist.
Messinglegierung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die das Sonderlegierungselement enthaltene Phase folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Masse-%):
Sonderlegierungselement: 48 bis 54 %,

Fe: 11 bis 18 %,

Si: 9 bis 15 %,

Ni: 3 bis 8 %,

Cr: 1 bis 5 %,

Cu: 1 bis 5 %,

Mn: 1 bis 5 %,

AI: 0,1 bis 2 %,

Zn: 0,5 bis 2,5 %.
Messinglegierung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Beteiligung von Co an der Zusammensetzung der Messinglegierung mit Anteilen von 0,4 bis 1,2 Gew.-% Co in der das Sonderlegierungselement enthaltenen Phase mit Anteilen zwischen 3 und 8 Gew.-% enthalten ist.