[0001] Die Erfindung betrifft eine bleifreie Cu-Zn-Basislegierung mit guten Zerspanungseigenschaften.
[0002] Die Legierung CuZn42 ist aufgrund der nur geringen Anzahl der am Aufbau der Legierung
beteiligten Elemente eine sehr einfach aufgebaute Messinglegierung mit einem Cu-Gehalt
zwischen 57,0 und 59,0 Gew.-%. Grundsätzlich sind keine weiteren Elemente an dieser
Legierung beteiligt. Toleriert werden Pb mit max. 0,2 Gew.-%, Sn mit 0,03 Gew.-%,
Fe mit 0,3 Gew.-%, Ni mit 0,02 Gew.-% und Al mit 0,05 Gew.-% nebst unvermeidbaren
Verunreinigungen. Diese Legierung ist eine sehr gut warmumformbare bleifreie Legierung
und wird unter anderem für die Fertigung von Profilen als Halbzeug genutzt. Diese
Legierung ist die bleifreie Variante zu der herkömmlich eingesetzten Legierung CuZn39Pb3.
Bei der Legierung CuZn39Pb3 dient das Element Blei maßgeblich zum Verbessern der Zerspanbarkeit.
Auch wenn die Legierung CuZn42 bleifrei ist, wird diese aufgrund ihres α/β-Gefüges
auch für spanende Bearbeitungen, wie etwa die Herstellung von Drehteilen, eingesetzt.
Jedoch ist die Zerspanbarkeit von aus dieser Legierung hergestellten Werkstücken beschränkt.
Dies bedeutet, dass die durch die Legierung bedingten Zerspanungsnachteile nicht durch
entsprechende Prozessparameter einer spanenden Bearbeitungsmaschine kompensiert werden
können. Dieses gilt beispielsweise für Zerspanungsvorgänge mit Formwerkzeugen, bei
denen die Grenzen der Prozessparameter keine entsprechenden Spielräume zulassen. In
solchen Fällen ist die Zerspanbarkeit einer solchen Legierung unbefriedigend.
[0003] Auch wenn die Zerspanbarkeit für gewisse spanende Bearbeitungen bei aus dieser Legierung
hergestellten Werkstücken akzeptabel ist, wäre es wünschenswert, wenn die Zerspanbarkeit
verbessert werden könnte, und zwar ohne dass die für Automatenlegierungen zum Erreichen
der gewünschten Zerspanbarkeit herkömmlich eingesetzten Elemente Pb und Bi, da als
gesundheitsgefährdend eingestuft, verwendet werden müssen.
[0004] Das Vorstehende gilt gleichermaßen für Sondermessinglegierungen, die durch die Beteiligung
von weiteren Elementen, wie beispielsweise Fe, Mn, Ni, Al und/oder Si in Bezug auf
bestimmte Eigenschaften optimiert sind. Beispielhaft können an dieser Stelle die Legierungen
CuZn28Al4Ni3Si1Mn und CuZn35Mn2Ni2FeSi angegeben werden. Die erstgenannte Legierung
zeichnet sich durch einen hohen Verschleißwiderstand und hohe Festigkeit bei guten
Lauf- und Gleiteigenschaften aus. Damit eignet sich diese Legierung bzw. daraus hergestellte
Werkstücke für Anwendungen mit Ölschmierung unter Grenzreibungsbedingungen. Auch für
den Einsatz in Bioschmierstoffen ist diese Legierung geeignet. Die zweitgenannte Legierung
eignet sich vor allem für Lager- und Gleitanwendungen, insbesondere auch zur Lagerung
von Wellen oder Zapfen aus Aluminiumwerkstoffen. Bei dieser Sondermessinglegierung
wurde ein besonderes Augenmerk auf die Korrosionsbeständigkeit gelegt.
[0005] Aus
EP 3 690 069 C1 ist eine Cu-Zn-Legierung mit verbesserten Zerspanungseigenschaften bekannt. Diese
Legierung enthält 58 - 70 Gew.-% Cu, 0,5 - 2,0 Gew.-% Sn, 0,1 - 2,0 Gew.-% Si, Rest
Zink nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die Summe der Elemente Sn und Si
1,0 Gew.-% und 3,0 Gew.-% beträgt. Die verbesserte Zerspanbarkeit ohne Einsatz der
Elemente Pb und Bi wird bei dieser Legierung durch die Gehalte der Elemente Sn und
Si bereitgestellt. Diese Elemente sind in den angegebenen Anteilsbereichen für die
Entstehung der ε-Phase verantwortlich, welche Phase in der Legierung als Mikrostruktur
verteilt ist und damit einen Spanbruch begünstigt. Das in der Legierung enthaltene
Si führt zudem zu einer Bildung von Siliziden, und zwar zusammen mit den in der Legierung
zugelassenen Elementen Al, Ni und/oder Mn, die aufgrund des üblichen Einsatzes von
Recyclingmaterial in der Legierung regelmäßig anzutreffen sind. Der Si-Gehalt kann
bei dieser vorbekannten Legierung 2,0 Gew.-% betragen. Zwar sind für einige Verwendungen
in der Matrix enthaltene Silizide vorteilhaft, vor allem wenn Anforderungen an die
Verschleißbeständigkeit gegeben sind.
[0006] Ausgehend von dem vorstehend angesprochenen Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Cu-Zn-Legierung mit verbesserten Zerspanungseigenschaften
vorzuschlagen, vor allem eine solche, die als Basislegierung eingesetzt werden kann
und die zum Herstellen der gewünschten Zerspanungseigenschaften keine besonderen Herstellungsschritte
verlangt.
[0007] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine bleifreie Cu-Zn-Basislegierung
bestehend aus (Angaben in Gew.-%):
- Cu: 58 - 64 %
- Fe: 0,4 - 1,4 %
- Mn: 0,4 - 2,3 %
- Ni: 1,5 - 3,5 %
- Al: 0,1 - 4,4 %
- Si: 0,5 - 1,8%
- als Spanbruch begünstigender Legierungsbestandteil: Sn 0,65
- 1,2 % und/oder P 0,03 - 0,1 %
- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen,
- Pb: max. 0,1 %,
- wobei die nachfolgenden Elemente, wenn nicht obligatorischer Legierungsbestandteil,
in den angegebenen Gehalten toleriert werden:
Sn mit max. 0,25 %,
P mit max. 0,025 % und
Cr mit max. 0,035 %.
[0008] Im Sinne dieser Ausführungen wird als Basislegierung eine Legierung bezeichnet, bei
der durch Variation von Legierungselementen bei ein und demselben Herstellungsverfahren
Legierungsprodukte mit unterschiedlichen Eigenschaften bereitgestellt werden können.
Eine solche Legierung hat den Vorteil, dass Kontaminationen beim Schmelzen der Legierung,
wenn Legierungsprodukte mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden sollen,
minimiert sind.
[0009] Unvermeidbare Verunreinigungen sind zugelassen mit 0,05 Gew.-% je Element, wobei
die Summe der unvermeidbaren Verunreinigungen 0,15 Gew.-% nicht überschreitet.
[0010] Bleifrei gilt eine Legierung im Sinne der beanspruchten Erfindung, wenn dessen Pb-Gehalt
einen Anteil von 0,1 Gew.-% nicht überschreitet.
[0011] Um die gewünschten verbesserten Zerspanungseigenschaften zu erzielen, kann diese
Legierung P enthalten. Enthält die Legierung P, bilden sich Mangan- und Eisenphosphide
an den Korngrenzen, was die Zerspanbarkeit gegenüber den Legierungen CuZn28Al4Ni3Si1Mn
sowie CuZn35Mn2Ni2FeSi deutlich verbessert. Da die Legierung auch Si enthält, bilden
sich in der Matrix ebenfalls Silizide, typischerweise unter Beteiligung der Elemente
Fe, Mn, auch Ni und Al. Die Silizide tragen zur Verschleißbeständigkeit bei, begünstigen
jedoch auch zusammen mit den Phosphiden die Zerspanbarkeit. Die Korngrößen der Phosphide
und der Silizide sind relativ klein, sodass der Werkzeugverschleiß bei einer zerspanenden
Bearbeitung klein gehalten werden kann.
[0012] Wenn P als spanbruchbegünstigender Legierungsbestandteil enthalten ist, ist dieser
mit Anteilen zwischen 0,03 - 0,1 Gew.-% enthalten. Damit ist der P-Gehalt auf 0,1
Gew.-% begrenzt. Bei höheren P-Gehalten bilden sich gröbere Phosphide, was wiederum
nachteilig für die Zerspanbarkeit und Oberflächenbearbeitungen, wie etwa ein Polieren
oder ein Beschichten der Werkstückoberfläche nach der zerspanenden Bearbeitung, ist.
Dieser Nachteil wird nicht durch den damit verbesserten Verschleißwiderstand wettgemacht,
wenn der Fokus der hergestellten Legierung in einer optimierten Zerspanbarkeit liegt.
Die P-haltige Cu-Zn-Basislegierung ist eine erste Variante der erfindungsgemäßen Legierung.
[0013] Gemäß einer zweiten Variante dieser Legierung ist als spanbruchbegünstigender Legierungsbestandteil
Sn mit Anteilen zwischen 0,65 und 1,2 Gew.-% am Aufbau der Legierung beteiligt. Sn
wird unterhalb der Löslichkeitsgrenze in den Mischkristall eingebaut. Der Sn-Gehalt
ist bei dieser Legierung auf 1,2 Gew.-% begrenzt, da ansonsten die Gefahr besteht,
dass sich Sn-haltige γ-Phasen bilden könnten. Diese wirken versprödend. Es steigert
die Kaltverfestigung und die Festigkeit und wirkt sich somit günstig für einen Spanbruch
und damit für die Zerspanbarkeit eines aus dieser Legierung hergestellten Werkstückes
aus. Zudem neigt Sn dazu, bei einer Trockenzerspanung Sn-Oxide zu bilden, die sich
auf die Werkzeugoberfläche übertragen und dadurch den Werkzeugverschleiß mindern.
Vorzugsweise entspricht der Sn-Gehalt dem Fe-Gehalt ± 20 %.
[0014] In einer Ausführungsform der Erfindung sind P und Sn gemeinsam am Aufbau der Legierung
beteiligt. Vorteilhaft ist bei dem Einsatz von P, dass die Schmelze feinkörnig erstarrt.
P hat jedoch den Nachteil, dass hierdurch die Schmelze dünnflüssiger wird. Sn wirkt
diesem Aspekt entgegen, jedoch ohne die positiven gefügebildenden Eigenschaften des
P bei der Schmelze nachteilig zu beeinflussen. Sn kann in der Schmelze zusätzlich
desoxidierend wirken, welcher Vorteil sich bei der Legierung sowohl mit P als auch
ohne P einstellt.
[0015] Der Spanbruch bei einer zerspanenden Bearbeitung eines aus dieser Legierung hergestellten
Werkstückes weist in aller Regel die gewünschte Spanform auf (Bröckelspan bzw. sehr
kurzer Wendelspan). Damit entspricht die Spanform derjenigen, die bei einer zerspanenden
Bearbeitung der als besonders zerspanungsgut angesehenen Legierung CuZn39Pb3 ist.
[0016] Überraschend konnte festgestellt werden, dass bei dieser Legierung die Phosphide
als Oxidationshemmer des Gefüges vor allem auch bei erhöhten Temperaturen wirken.
[0017] Die Gehalte der Elemente Fe und Mn sind auf die angegebenen Gehalte begrenzt. Wird
mehr Fe oder Mn eingesetzt, führt dieses zu einer Kornvergröberung. Unterhalb der
genannten Grenzen bilden sich die gewünschten Phosphide nicht in hinreichendem Maße
aus, um die zerspanungsverbessernden Eigenschaften zu erzielen.
[0018] Die tolerierten Begleitelemente beeinflussen die verbesserte Zerspanbarkeit eines
aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Werkstückes nicht nachteilig, jedenfalls
nicht nennenswert. Daher kann zum Herstellen dieser Legierung Recyclingmaterial eingesetzt
werden, ohne Nachteile hinnehmen zu müssen. Eingesetzt wird hierfür Recyclingmaterial
aus einem vorzugsweise geschlossenen Kreislauf, das heißt die Verwendung von sortenreinem
Recyclingmaterial. Wird Recyclingmaterial eingesetzt, bei dem hinsichtlich seiner
Zusammensetzung beispielsweise ein oder auch mehrere Elemente nicht vorhanden sind
oder nicht mit entsprechenden Gehalten, können diese Elemente in das Recyclingmaterial
eingegeben. Dieses gilt insbesondere für das erfindungswesentliche Element P, welches
bei Einsatz von herkömmlichem Recyclingmaterial in aller Regel nicht vorhanden ist.
[0019] Von Besonderheit bei der erfindungsgemäßen Legierung ist, dass die verbesserte Zerspanbarkeit
allein in der besonderen Zusammensetzung der Legierung begründet ist und hierfür keine
zusätzlichen Maßnahmen, wie beispielsweise bestimmte Herstellungs- oder Verarbeitungsschritte
erforderlich sind. Daher können die aus der Legierung hergestellten Halbzeuge (Werkstücke)
mit den üblichen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Dieses hat auch zum Vorteil,
dass für die Bearbeitung der Halbzeuge zum Herstellen des finalen Produktes entsprechende
Behandlungsschritte zum Einstellen bestimmter Festigkeits- und/oder Gefügeeigenschaften
vorgenommen werden können, diese mithin durch den Herstellungsprozess zum Herstellen
der Halbzeuge noch nicht verbraucht sind. In diesem Zusammenhang versteht es sich,
dass sich die verbesserten Zerspanungseigenschaften ohne zusätzliche Verfahrensschritte
einstellen, dass diese jedoch, wenn gewünscht, durch besondere Behandlungsschritte,
nach dem Strangpressen nochmals gesteigert werden können. Die Zerspanungseigenschaften
können beispielsweise durch eine Kaltverformung und die damit einhergehende Kaltverfestigung
verbessert werden, da dieses den Spanbruch und damit die Zerspanbarkeit verbessert.
Ein Spannungsarmglühen zum Abbauen von internen Spannungen kann sich anschließen.
Über einen solchen Verfahrensschritt kann auch das Gefüge beeinflusst werden, beispielsweise
zum Einstellen eines möglichst feinen heterogenen α/β-Gefüges oder einer Generierung
von Ausscheidungsphasen, wie feinste Silizide oder α-Ausscheidungen in einer β-Matrix.
[0020] Eine erste Variante der erfindungsgemäßen Legierung hat die nachfolgenden Gehalte
der angegebenen Elemente:
- Cu: 59 - 63 Gew.-%, insbesondere 59,5 - 61 Gew.-%
- Fe: 0,4 - 1,1 Gew.-%, insbesondere 0,6 - 1,1 Gew.-%
- Mn: 0,4 - 1,1 Gew.-%, insbesondere 0,6 - 1,0 Gew.-%
- Ni: 2,5 - 3,7 Gew.-%, insbesondere 2,6 - 3,3 Gew.-%
- Al: 3,3 - 4,2 Gew.-%, insbesondere 3,5 - 4,1 Gew.-%
- Si: 1,0 - 1,8 Gew.-%, insbesondere 1,1 - 1,7 Gew.-%
[0021] Diese Variante der erfindungsgemäßen Legierung ist auf hohe Festigkeitswerte im Werkstück
ausgelegt. Daher weist diese Legierung einen relativ hohen Si-Gehalt und höhere Gehalte
an den Elementen Ni und Al auf.
[0022] Gemäß einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Legierung enthält diese die nachfolgenden
Elemente in den angegebenen Mengenanteilen:
- Cu: 60 - 62,5 Gew.-%
- Fe: 0,8 - 1,4 Gew.-%, insbesondere 0,85 - 1,25 Gew.-%
- Mn: 1,4 - 2,3 Gew.-%, insbesondere 1,5 - 2,1 Gew.-%
- Ni: 1,5 - 2,5 Gew.-%, insbesondere 1,7 - 2,35 Gew.-%
- Al: 0,1 - 0,7 Gew.-%, insbesondere 0,2 - 0,5 Gew.-%
- Si: 0,5 - 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,6 - 1,0 Gew.-%
[0023] Diese Legierung ist unter Verwendung letztendlich derselben Legierungselemente wie
bei der ersten Variante deutlich weicher und weist geringere Festigkeitseigenschaften
auf, eignet sich mithin für andere Anwendungen.
[0024] Diese beiden Varianten verdeutlichen bereits die Bandbreite der erfindungsgemäßen
Basislegierung, wobei sich allein durch die Variation der Elemente und ohne das Herstellungsverfahren
ändern zu müssen, Werkstücke mit unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften herstellen
lassen.
[0025] Die Variation der Elemente wirkt sich gleichzeitig auch auf das Gefüge aus, da diese
unterschiedliche Zinkäquivalente aufweisen und somit mit dieser Legierung sowohl Werkstücke
mit überwiegend β-Phase als auch Werkstücke mit einem Gefüge aus α-Phase mit eingelagerter
β-Phase herstellbar sind. Während erstere sich durch eine gute Warmumformbarkeit auszeichnen,
durchaus in Abhängigkeit von dem α-Anteil auch mit einer gewissen Kaltumformbarkeit,
ist zweitere für eine Kaltumformung besser geeignet.
Untersuchungen
[0026] Aus den in Tabelle 1 angegebenen Legierungen sind Proben durch Stranggießen und anschließendes
Strangpressen zu Stangen geformt, anschließend gerichtet und nachfolgend und anschließend
thermisch entspannt worden. Bei den Legierungen 1 bis 6 handelt es sich um erfindungsgemäße
Legierungen, wobei die Legierungen 1 bis 3 der ersten Variante und die Legierungen
4 bis 6 der zweiten Variante zugehörig sind.
[0027] Aus den mit zylindrischer Mantelfläche hergestellten Halbzeugen wurden Probenstücke
abgetrennt. Die Zerspanungsversuche wurden bei allen Proben einheitlich durch Außenlängsdrehen
mit einer Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min, einer Schnitttiefe von 1 mm und einem
Vorschub von 0,1 mm vorgenommen.
[0028] Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in Form von Indizes von 0 bis 100 bewertet.
Die Vergleichslegierung CuZn42 erhält in diesem System den Index 50 für die unterschiedlichen
Zerspanungsindizes. Je höher der Index ist, desto besser ist das Ergebnis.
[0029] Untersucht worden ist die Spanform, die Zerspankraft, der Werkzeugverschleiß und
die sich durch die Zerspanung einstellende Oberflächengüte.
[0030] Das Ergebnis der Untersuchungen ist in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:

[0031] Für die Zerspanung der erfindungsgemäßen Legierungen wird eine etwas höhere Zerspankraft
benötigt. Grund hierfür sind die in der Legierung enthaltenen Phosphide, die jedoch
für den besseren Spanbruch und damit auch für die insgesamt verbesserte Zerspanbarkeit
verantwortlich sind. Bezüglich der Zerspanbarkeit ist die Spanform ein relevanter
Faktor, sodass diesbezüglich ohne weiteres die gegenüber den Pb-haltigen Vergleichslegierungen
etwas höhere Zerspankraft in Kauf genommen werden kann.
[0032] Von Bedeutung ist, dass die erfindungsgemäßen Legierungen einen gegenüber der Legierung
CuZn42 verbesserten Werkzeugverschleißindex aufweisen. Dieses war nicht zu erwarten.
[0033] Die Oberflächengüte der erfindungsgemäßen Legierungen entspricht im Wesentlichen
derjenigen, die mit den beiden Vergleichslegierungen erzielt wird, sodass diesbezüglich
keine, jedenfalls keine nennenswerten Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
[0034] Die mechanischen Festigkeitswerte der mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren:
Stranggießen, Strangpressen, Richten, thermisches Entspannen hergestellten erfindungsgemäßen
Legierungen sind beispielhaft an der Legierung 1 und 4 in der nachstehenden Tabelle
wiedergegeben und den Festigkeitswerten von Vergleichslegierungen gegenübergestellt:

[0035] Die in der vorstehenden Tabelle aufgelisteten mechanischen Kennwerte der erfindungsgemäßen
Legierungen im Vergleich zu Legierungen aus dem Stand der Technik macht deutlich,
dass die verbesserte Zerspanbarkeit der erfindungsgemäßen Legierungen sich nicht nachteilig
auf die mechanischen Festigkeitswerte auswirkt. Diese entsprechen vom Grundsatz her
den Werten der jeweiligen Vergleichslegierung.
[0036] Aufgrund der sich bereits beim Pressen einstellenden positiven Gefügeeigenschaften
kann ein aus der Legierung hergestelltes Halbzeug für die verschiedensten Verwendungen
eingesetzt werden.
1. Bleifreie Cu-Zn-Basislegierung bestehend aus (Angaben in Gew.-%):
- Cu: 58 - 64 %
- Fe: 0,4 - 1,4 %
- Mn: 0,4 - 2,3 %
- Ni: 1,5 - 3,5 %
- Al: 0,1 - 4,4 %
- Si: 0,5 - 1,8 %
- als Spanbruch begünstigender Legierungsbestandteil: Sn 0,65
- 1,2 % und/oder P 0,03 - 0,1 %
- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen,
- Pb: max. 0,1 %,
- wobei die nachfolgenden Elemente, wenn nicht obligatorischer Legierungsbestandteil,
in den angegebenen Gehalten toleriert werden:
Sn mit max. 0,25 %,
P mit max. 0,025 % und
Cr mit max. 0,035 %.
2. Cu-Zn-Basislegierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass diese
- Cu: 59,5 - 61 Gew.-%
- Fe: 0,4 - 1,1 Gew.-%
- Mn: 0,4 - 1,1 Gew.-%
- Ni: 2,5 - 3,7 Gew.-%
- Al: 3,3 - 4,2 Gew.-%
- Si: 1,0 - 1,8 Gew.-%
enthält.
3. Cu-Zn-Basislegierung nach Anspruch 2 mit
- Fe: 0,6 - 1,1 Gew.-%
- Mn: 0,6 - 1,0 Gew.-%
- Ni: 2,6 - 3,3 Gew.-%
- Al: 3,5 - 4,1 Gew.-%
- Si: 1,1 - 1,7 Gew.-%
4. Cu-Zn-Basislegierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung
- Cu: 60 - 62,5 Gew.-%
- Fe: 0,8 - 1,4 Gew.-%
- Mn: 1,4 - 2,3 Gew.-%
- Ni: 1,5 - 2,5 Gew.-%
- Al: 0,1 -0,7 Gew.-%
- Si: 0,5 - 1,2 Gew.-%
enthält.
5. Cu-Zn-Basislegierung nach Anspruch 4 mit
- Fe: 0,85 - 1,25 Gew.-%
- Mn: 1,5 - 2,1 Gew.-%
- Ni: 1,7 - 2,35 Gew.-%
- Al: 0,2 - 0,5 Gew.-%
- Si: 0,6 - 1,0 Gew.-%
6. Cu-Zn-Basislegierung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung P mit 0,03 - 0,1 Gew.-% enthält und Sn mit bis zu 0,25 Gew.-% toleriert
ist.
7. Cu-Zn-Basislegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung P mit 0,05 - 0,8 Gew.-% enthält.
8. Cu-Zn-Basislegierung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Sn mit 0,65 - 1,2 Gew.-% enthält und P mit bis zu 0,02 Gew.-% toleriert
ist.
9. Cu-Zn-Basislegierung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese Sn mit 0,7 - 1,1 Gew.-% enthält.