Korrosionsbeständiger Kupferwerkstoff für Rohrleitungen, Behältnisse od. dgl. für strömende Medien, insbesondere Kalt- und/oder Warmwasserrohre

Abstract

 Es kommt darauf an, einen korrosionsbeständigen Kupferwerkstoff für Rohrleitungen, Behältnisse od. dgl. zu entwikkein, der zur Aufnahme von strömenden Medien, wie Wasser oder Wasserdampf dient. Um die Kavitations- und Spannungsriß-Korrosion zu verbessern, wird vorgeschlagen, zum Kupfer Mischungskomponenten aus den Bestandteilen Aluminium/Silizium, Titan/Niob, Arsen/Phosphor, Nickel/Chrom und Germanium/Gallium innerhalb bestimmter Grenzwerte hinzuzufügen, die zwischen 0,1 bis max. 8% liegen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung richtet sich auf Kupferwerkstoffe der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Bei diesen bekannten Kupferwerkstoffen haben in letzter Zeit die Schadensfälle, verursacht durch Korrosionserscheinungen an Kalt- und Warmwasserrohren,erheblich zugenommen. Diese Schadensfälle sind vor allem bei Installationsrohren für den Heizungs- und Sanitärbereich zu beobachten. Mehr als ein Drittel der Schäden stellen sich in ca. vier bis fünf Jahren nach Inbetriebnahme ein. Schon nach dieser kurzen Betriebszeit ergeben sich hohe Reparatur- und vor allem zusätzliche Folgekosten, wenn solche Installationsrohre unter Putz oder im Mauerwerk verlegt wurden.

[0002] Korrosionen an Rohrleitungen können in fünf Gruppen unterteilt werden, nämlich eine gleichmäßige Flächenkorrosion, eineⁿ Loch- oder Muldenfraß,einen selektiven Korrosionsangriff (bei Kupfer-Zink-Legierungen) und eine Spannungsrißkorrosion. Darüber hinaus kann in kritischen Bereichen, wie Querschnittsänderungen oder_Rohrbögen eine Kontaktkorrosion auftreten.

[0003] Um Installationsanlagen instandzuhalten und ihre Lebensdauer zu verlängern werden wasserseitige Maßnahmen getroffen durch Zugabe von Phosphaten oder Silikaten zum strömenden Medium, sogenannten Inhibitoren im Versorgungswasser. Wasserversorgungsunternehmen, wie Stadt-Wasserwerke, haben solche Großversuche eingeleitet, die jedoch keine eindeutigen und durchschlagenden Erfolge brachten. Solche Zugaben im Versorgungswasser über längere Zeit sind kostenaufwendig und beeinträchtigen die Wasserqualität für den Verbraucher.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kupferwerkstoff der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu entwickeln, der eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber Lochfraß und Spannungsrißkorrosion aufweist und sich durch einen erhöhten Kavitationswiderstand auszeichnet. Dies wird erfindungsgemäß durch Hinzufügung der im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Legierungsbestandteile zum Kupfer erreicht. Die gewünschten Wirkungen werden optimiert, wenn man zum Kupfer einen Legierungsgehalt dieser Bestandteile gemäß Anspruch 2 zugibt. In Abhängigkeit von der künftigen Anwendung der Werkstoffe werden innerhalb dieser Grenzen die Bestandteile in den verschiedenen Mischungskomponenten gewählt. So wird der Zusatz von Phosphor in der Mischungskomponente (c) nur in Bereichen eingesetzt, in denen von einer Kaltverformung der Kupferlegierung abgesehen werden kann, wie im Anspruch 3 zum Ausdruck gebracht ist. Ansonsten wird bei phosphorfreien Kupferlegierungen nur mit Arsenzusatz gearbeitet.

[0005] Anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung ist die Erfindung verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 bis 5 elektrochemische Gleichgewichtsdiagramme (POURBAIX-Diagramme) für Aluminium, Titan, Niob, Nickel und Chrom, deren Oxiden und Ionen,

Fig. 6 ein Diagramm über die Änderung des Gitterparameters a von Kupfer in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt,

Fig. 7 ein Zustandsdiagramm des Zweistoffsystems Kupfer-Niob und

Fig. 8 das Zustandsdiagramm des Zweistrom-Systems Kupfer-Titan

[0006] In den Diagrammen von Fig. 1 bis 5 sind die Elektrodenpotentiale über ^p_H-Werten aufgetragen für die genannten Metalle, Metalloxide und Ionen. Die Diagramme enthalten die chemischen und elektrochemischen Gleichgewichtskurven des jeweiligen Systems Metall/Lösung und grenzen die Bedingungen ab, unter denen man Immunität, d.h. keinen Angriff der Metalle, Korrosion oder Passivität erwarten kann. Jede Kurve stellt eine im Gleichgewicht befindliche Reaktion dar. Eine horizontale Linie entspricht einem Gleichgewichtszustand, in dem Elektronen, aber keine H^+- oder OH -Ionen enthalten sind. Eine senkrechte Linie entspricht einem Gleichgewichtszustand, in dem H^+- oder OH -Ionen, aber keine Elektronen enthalten sind. Eine geneigte Gerade schließlich entspricht einem Gleichgewichtszustand, in dem sowohl H⁺- und OH -Ionen als auch Elektronen enthalten sind. Die Diagramme enthalten Bereiche, in denen die Metalle als Ionen in Lösung gehen und Bereiche, in denen die Metalle als kondensierte Phase entweder als reines Metall oder als Metalloxid vorliegen.

[0007] Für pH - und Potentialbereiche, in denen Metall-Ionen stabil sind, wird sich das Metall solange auflösen, bis die Gleichgewichtskonzentration der Metall-Ionen erreicht ist. Eine derartige Auflösung bedeutet Korrosion. Für Bereiche, in denen gelöste Ionen existieren, ist ebenfalls Korrosion zu erwarten. Für Bereiche, in denen das Metall stabil ist, tritt keine Korrosion ein. Dieser Bereich wird auch Immunitätsbereich genannt. Für Bereiche schließlich, in denen feste Produkte stabil sind, wird ebenfalls der Korrosionsvorgang durch eine schützende Oxidschicht verhindert. Hierbei spricht man von Passivitätsbereich. Ausweislich der ^p_H- Potential-Diagramme erweisen sich die Elemente aus den Komponenten Titan/Niob, Nickel/Chrom sowie Aluminium/Silizium vor allem durch eine Verschiebung des Ruhepotentials zu positiven Werten als geeignete Zusatzelemente für die Steigerung der Korrosionsbeständigkeit. Die Komponente Germanium/Gallium bildet in wässrigen Lösungen keine löslichen Oxide, sondern in weiten Bereichen Ionen, die anstelle von Kupfer bei bestimmten elektrochemischen Potentialen in Lösung gehen. Solche Legierungsbestandteile können als "Opferelemente" bezeichnet werden. Durch sie ergibt sich im Kupfer ein Zementationseffekt.

[0008] Zur Verbesserung der Kupferlegierung gegenüber der Kavitations-Korrosion wird erfindungsgemäß als Legierungsbestandteil die Mischungskomponente Aluminium/Silizium hinzugefügt. Diese können durch einen Zusatz von Arsen/Phosphor in ihrer Wirkung unterstützt werden. Dies ist auch deshalb bedeutsam, weil Arsen und Phosphor den passivierenden Einfluß von Nickel, Titan, Niob und Aluminium unterstützen. Letztere bilden in weiten Bereichen wasserunlösliche Oxide. Die Oxide unterstützen die Bildung einer schützenden Deckschicht. Wie schon erwähnt, dienen Germanium und Gallium dabei als Opferelemente. Sofern die erfindungsgemäße Kupferlegierung bei ihrer Verarbeitung keiner Kaltverformung unterliegt, kann Phosphor als Zusatz verwendet werden. Andernfalls bildet man eine phosphorfreie Kupferlegierung nur mit Arsenzusätzen.

[0009] Die Legierungsbestandteile werden anteilsmäßig unter Berücksichtigung des chemischen Potentials und der Änderung des Gitterparameters von Kupfer den Kupferlegierungen derart zugesetzt, daß eine Mischkristallbildung erfolgt und eine Mehrphasigkeit in der Kristallkonfiguration bei Abwesenheit eines Elektrolyten nicht zu elektrochemischer Reaktion oder Korrosion durch Lochfraß führt. Fig. 6 zeigt dabei die Gitterkonstanten verschiedener Kupfer-Mischkristalle mit unterschiedlichem Legierungsgehalt des Metalls im Kupfer. Abgesehen von Nickel nimmt die Gitterkonstante bei zunehmender Lösung des Metalls im Kupfer, elementabhängig, mehr oder weniger zu.

[0010] Wird z.B. Titan/Niob mit Kupfer legiert, so ist es bei der Herstellung der Legierung erforderlich, die Wärmebehandlung mit kontrollierter Geschwindigkeit abzukühlen. Die Fig. 7 und 8 zeigen Zustandsdiagramme für verschiedene Kupfer-Mischkristalle, und zwar in Fig. 7 das Zweistoffsystem Kupfer-Niob über den ganzen Mischungsbereich zwischen reinem Niob und reinem Kupfer in Abhängigkeit von der Temperatur des Mischkristalls, während Fig. 8 die entsprechenden Verhältnisse für das Zweistoffsystem Kupfer-Titan darstellt.

[0011] Die Zugabe von Nickel begünstigt die Erweiterung des Mischkristallbereichs in der erfindungsgemäßen Kupferlegierung. Dadurch können größere Mengen an Legierungselementen hinzugefügt werden. Angestrebt wird eine Legierung mit möglichst hohem Gehalt an Legierungselementen, wobei das Endprodukt einen Kupfermischkristall aus einer möglichst einphasigen Legierung bildet. Eine gute Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Kupferlegierung ergibt sich aus den im Anspruch 1 angeführten Komponenten, während eine optimale Korrosionsbeständigkeit, die auch besonders wirtschaftlich herzustellen ist, aus den in Anspruch 2 erwähnten Zusammensetzungen sich ergibt. Die zu jeder Mischungskomponente, wie z.B. Aluminium/Silizium angegebenen Grenzwerte der einzelnen Legierungsbestandteile, die jeweils in Gewichts-Prozenten angegeben sind, bedeuten, daß die Summe der Anteile beider Elemente in diesem Bereich liegt, wobei im Extremfall das eine oder aber das andere Element in dieser Komponente fehlen kann.

[0012] Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kupferlegierung zeigen, daß die Warm- und Kaltverformbarkeit durchaus vergleichbar mit derjenigen von herkömmlichen walzbaren Kupferlegierungen ist. Wie schon erwähnt, ist aber die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung wesentlich verbessert. Zu beachten bleibt lediglich bei der erfindungsgemäßen Kupferlegierung, daß beim Herstellungsvorgang eine langsame Abkühlung nach der Wärmebehandlung des Gemischs herbeigeführt wird, damit keine Ausscheidungen im Mischkristall entstehen, die eine Aushärtung und damit eine Verfestigung im Werkstoff herbeiführen. Dies wirkt sich nämlich oftmals nachteilig auf die weitere Verarbeitung des Werkstoffs aus.

[0013] Die erfindungsgemäße Kupferlegierung läßt sich, wie die Praxis überraschend zeigte, mit besonders gutem Erfolg für Installationsrohre in Heizungs- und Sanitäranlagen anwenden. Die Kupferlegierung wird auch erfolgreich bei Industrierohren und anderen Leitungssystemen angewendet, wie z.B. bei Kraftfahrzeugen. Aus der Kupferlegierung lassen sich anstelle von Rohren auch Heißwasserbereitungsgeräte, Behälter, Boiler, Kühler und Wärmetauscher aufbauen. Im Industriebereich ist die Anwendung bei Meerwasser-Entsalzungs-Anlagen denkbar. Es kann schließlich auch die Anwendung dieses Werkstoffs zum Bau von Rohren und Behältnissen verwendet werden, die andere strömende Medien als Wasser bzw. Wasserdampf aufzunehmen haben.

Ansprüche

1.) Korrosionsbeständiger Kupferwerkstoff für Rohrleitungen, Behältnisse od. dgl. zur Aufnahme von strömenden Medien, insbesondere Kalt- und/oder Warmwasserrohre für den Installations-, Sanitär-, Industrie- und FahrzeugBereich,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Kupfer Legierungsbestandteile in foglenden Gewichts-Prozenten der Gesamt-Mischung zugesetzt sind:

wobei die Prozentangaben sich jeweils auf die Summe der beiden Bestandteile jeder Mischungskomponente (a) bis (e) richten.

2.) Kupferwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsgehalt des Kupfers sich zusammensetzt aus

3.) Kupferwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, der bei seiner Verarbeitung im wesentlichen einer Kaltverformung unterliegt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung hinsichtlich der Mischungskomponente (c) frei von Phosphor ist und nur Arsen aufweist.

Zeichnung