BLEIFREIE CU-ZN-LEGIERUNG

Abstract

 Beschrieben ist eine bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Zerspanungseigenschaften, bestehend aus (Angaben in Gew.-%):
- Cu: 57 - 59,5 %,
- Fe: 0,12 - 0,17 % (1. Alternative)
oder
Fe: max. 0,06 % und Mn: 0,3 - 0,7 % (2. Alternative),
- P: 0,03 - 0,1 %,
- Sn: max. 1,0 %,
- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen,
- wobei die nachfolgenden Elemente bis zu den angegebenen Gehalten toleriert werden:
Ni: max. 0,03 %,
Al: max. 0,05 %,
Si: max. 0,01 %,
Cr: max. 0,01 %.

Beschreibung

[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten 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] 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, jedoch können sich Silizide bei der Zerspanbarkeit durch einen erhöhten Werkzeugverschleiß bemerkbar machen.

[0005] Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Zerspanungseigenschaften vorzuschlagen, die einfach aufgebaut ist und die zum Erzielen der gewünschten guten Zerspanbarkeit keine besonderen Herstellungsschritte verlangt.

[0006] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Zerspanungseigenschaften, bestehend aus (Angaben in Gew.-%):

• Cu: 57 - 59,5 %,
• Fe: 0,12 - 0,17 % (1. Alternative)
  oder
  Fe: max. 0,06 % und Mn: 0,3 - 0,7 % (2. Alternative),
• P: 0,03 - 0,1 %,
• Sn: max. 1,0 %,
• Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen,
• wobei die nachfolgenden Elemente bis zu den angegebenen Gehalten toleriert werden:

  Ni: max. 0,03 %,

  Al: max. 0,05 %,

  Si: max. 0,01 %,

  Cr: max. 0,01 %.

[0007] Unvermeidbare Verunreinigungen sind zugelassen mit 0,05 Gew.-% je Element, wobei die Summe der unvermeidbaren Verunreinigungen 0,15 Gew.-% nicht überschreitet.

[0008] Bleifrei gilt eine Legierung im Sinne der beanspruchten Erfindung, wenn dessen Pb-Gehalt einen Anteil von 0,1 Gew.-% nicht überschreitet.

[0009] Diese Legierung enthält P, sodass sich je nach Ausgestaltung der Legierung im Rahmen der ersten Alternative oder der zweiten Alternative Eisenphosphide oder Manganphosphide ausbilden. Die Beimengung von Phosphor mit den genannten Anteilen hat positive Auswirkungen auf den Guss, da Phosphor kornfeinend wirkt. Dieses wirkt sich positiv für die gewünschte verbesserte Zerspanbarkeit aus. Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang, dass die aus der Legierung hergestellten Werkstücke ein feines Korn aufweisen, ohne dass hierzu zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise ein Wasserabschrecken nach dem Pressen, erforderlich sind. Die stranggepressten Halbzeuge weisen aufgrund der beanspruchten Zusammensetzung der Legierung bereits ein hinreichend feines Korn auf. Zusätzlich wirken die feinverteilt in der Matrix enthaltenen Phosphide spanbrechend. Die bei einer spanenden Bearbeitung eines aus dieser Legierung hergestellten Werkstückes erzeugten Späne sind gegenüber den bei einer zerspanenden Bearbeitung der Legierung CuZn42 aufgrund ihrer Spanform (Bröckelspan bzw. sehr kurzer Wendelspan) deutlich besser und kommen der bei einer spanenden Bearbeitung der bleihaltigen Zerspanungslegierung CuZn39Pb3 sehr nahe. Wesentlich ist, dass trotz Beimengung von Phosphor zur Ausbildung der Phosphide die Festigkeitseigenschaften der aus dieser Legierung hergestellten Produkte denjenigen der Vergleichslegierung CuZn42 entsprechen. Neben einem verbesserten Spanbruch ist bei einer zerspanenden Bearbeitung auch die Oberflächengüte vergleichbar mit derjenigen, die bei einer zerspanenden Bearbeitung der bleihaltigen Vorgängerlegierung CuZn39Pb3 erzielt wird. Dieses ist überraschend zu beobachten, da aufgrund der in der Matrix verteilten Phosphide und damit aufgrund der gegenüber der Legierung CuZn42 und CuZn39Pb3 inhomogeneren Matrix eigentlich mit einer geringeren Oberflächengüte zu rechnen war.

[0010] Ebenfalls konnte nicht damit gerechnet werden, dass die Phosphide als Rekristallisationshemmer des Gefüges vor allem bei erhöhten Temperaturen wirken.

[0011] Der P-Gehalt ist auf 0,1 Gew.-% begrenzt. Bei höheren P-Gehalten tritt eine Kornvergröberung der Phosphide ein. Dieses ist für die Zerspanung nachteilig, ebenso wie für bestimmte Oberflächenbearbeitungen, wie beispielsweise für ein Polieren oder Beschichten. Zwar wird durch gröbere Phosphide der Verschleißwiderstand des aus der Legierung hergestellten Werkstückes verbessert, jedoch macht dieser die anderen vorgenannten Nachteile nicht wett. Ist der P-Gehalt kleiner als 0,03 Gew.-%, stellen sich die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften nicht oder nur unzureichend ein.

[0012] 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.

[0013] Sn kann an der Legierung beteiligt sein und unterstützt die Zerspanbarkeit. Sn ist auch vorteilhaft in Bezug auf die Ausbildung der Schmelze. Die Beteiligung von P verdünnflüssigt die Schmelze. Sn wirkt diesem entgegen. Zusätzlich kann Sn in der Schmelze desoxidierend wirken. Sn wird in die Legierung nur unterhalb der Löslichkeitsgrenze in dem Mischkristall eingebaut. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass sich eine Sn-haltige γ-Phase ausbildet, die wiederum versprödend auf das Legierungsprodukt wirkt. Wird Sn als Legierungselement eingesetzt, ist die verbesserte Zerspanbarkeit zum einen aufgrund des vorbeschriebenen Effektes der Phosphide begründet und zum anderen durch den Wirkmechanismus von Sn. Beide Wirkmechanismen ergänzen sich. Die Beteiligung von Sn hilft auch bei einer Trockenzerspanung durch die Bildung von Sn-Oxiden, wodurch der Werkzeugverschleiß gemindert wird, da sich diese schützend auf die Werkzeugoberfläche übertragen. Wird ein besonders einfacher Legierungsaufbau gewünscht, kann auf das durch Sn zerspanungsbegünstigend begründete Wirkprinzip verzichtet werden. In einem solchen Ausführungsbeispiel wird Sn nicht als Legierungselement eingesetzt, sondern nur mit einem Anteil von bis zu 0,1 Gew.-% toleriert.

[0014] 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 durchaus 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.

[0015] Das Zinkäquivalent der erfindungsgemäßen Legierung liegt etwa zwischen 39 und 42, sodass das Legierungsprodukt ein α/β-Gefüge aufweist. Das Zinkäquivalent ist typischerweise gegenüber der Legierung CuZn42 etwas geringer mit der Folge, dass eine Ausbildung von α-Phase gegenüber der Vergleichslegierung begünstigt ist. Dieses hat positive Auswirkungen auf eine Kaltumformbarkeit von aus dieser Legierung hergestellten Produkten (Werkstücken). Dieses ist von Interesse, da durch die Elemente Fe und/oder Fe und Mn das Zinkäquivalent nur soweit reduziert worden ist, dass die Kaltumformbarkeit verbessert, jedoch nach wie vor die aus der Legierung CuZn42 bekannte gute Warmumformbarkeit erhalten bleibt und zusätzlich die bereits vorbeschriebenen Phosphide gebildet werden.

[0016] 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 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, wie beispielweise eine Kaltverformung, um den Spanbruch und damit die Zerspanbarkeit zu verbessern.

Untersuchungen

[0017] Aus den nachfolgend angegebenen Legierungen (Angaben in Gew.-%):

	Cu	Fe	Mn	P	Sn	Pb	Zn
CuZn39Pb3	57,2					2,8	Rest
CuZn42	58						Rest
Legierung 1	58	0,14		0,06			Rest
Legierung 2	58		0,47	0,06			Rest
Legierung 3	58,3	0,07		0,04	0,9		Rest

sind durch Gießen und anschließendem Strangpressen in Stangenmaterial mit einem Durchmesser von jeweils 40 mm Proben erstellt worden, die nach dem Strangpressen gereckt worden sind. An Probenstücken wurden Zerspanungsuntersuchungen durchgeführt. Bei den Legierungen 1 bis 3 handelt es sich um erfindungsgemäße Legierungen.

[0018] Die Zerspanungsversuche wurden bei allen Proben einheitlich durch Au-ßenlängsdrehen mit einer Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min, einer Schnitttiefe von 1 mm und einem Vorschub von 0,1 mm vorgenommen.

[0019] 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.

[0020] Untersucht worden ist die Spanform, die Zerspankraft, der Werkzeugverschleiß und die sich durch die Zerspanung einstellende Oberflächengüte.

[0021] Das Ergebnis der Untersuchungen ist in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:

[0022] Zur Verdeutlichung der Spanform, die mit den erfindungsgemäßen Legierungen erhältlich ist, wird auf die Figur 1 verwiesen, die in einer Gegenüberstellung den Spanbruch der Vergleichslegierung CuZn39Pb3 (links), die die gewünschte Spanbruchform zeigt, und der Legierung 1 gemäß der Erfindung (rechts) zeigt. Dieser Vergleich verdeutlicht, dass mit der erfindungsgemäßen Legierung eine gegenüber der bleifreien Vergleichslegierung CuZn42 deutlich verbesserte Spanform erzielt wird. Die Spanform der spanend bearbeiteten Legierungen 2 und 3 sind entsprechend der in Figur 1 zu der Legierung 1 gezeigten.

[0023] 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 Vergleichslegierungen etwas höhere Zerspankraft in Kauf genommen werden kann.

[0024] Von Bedeutung ist, dass die erfindungsgemäßen Legierungen einen gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Werkzeugverschleißindex aufweisen. Dieses war nicht zu erwarten.

[0025] 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.

[0026] Die mechanischen Festigkeitswerte der erfindungsgemäßen Legierung sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben:

[0027] Diese mechanischen Kennwerte der aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Halbzeuge, die aus den Proben im Presszustand gewonnen wurden, macht deutlich, dass diese eine gegenüber den Vergleichslegierungen deutlich verbesserte Zugfestigkeit und höhere Härte aufweisen. Die Bruchdehnung ist ähnlich wie diejenige der Vergleichslegierungen. Gleiches gilt für die Dehngrenze, die jedoch bei der Legierung 3 deutlich höher ist als bei der für die Vergleichslegierungen ermittelten Dehngrenze. Trotz der verbesserten Zerspanbarkeit brauchen somit bei den erfindungsgemäßen Legierungen keine Nachteile hinsichtlich der mechanischen Festigkeitswerte in Kauf genommen zu werden. Vielmehr sind diese sogar verbessert.

[0028] Aufgrund der sich bereits beim Pressen einstellenden positiven Gefügeeigenschaften kann ein aus der Legierung hergestelltes Halbzeug für die verschiedensten Verwendungen eingesetzt werden.

Ansprüche

1. Bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Zerspanungseigenschaften, bestehend aus (Angaben in Gew.-%):

- Cu: 57 - 59,5 %,

- Fe: 0,12 - 0,17 % (1. Alternative)
oder
Fe: max. 0,06 % und Mn: 0,3 - 0,7 % (2. Alternative),

- P: 0,03 - 0,1 %,

- Sn: max. 1,0 %,

- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen,

- wobei die nachfolgenden Elemente bis zu den angegebenen Gehalten toleriert werden:

Ni: max. 0,03 %,

Al: max. 0,05 %,

Si: max. 0,01 %,

Cr: max. 0,01 %.

2. Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Legierung gemäß der ersten Alternative der Fe-Gehalt 0,13 - 0,15 % beträgt.

3. Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Legierung gemäß der zweiten Alternative der Fe-Gehalt max. 0,04 % und der Mn-Gehalt 0,35 - 0,55 % beträgt.

4. Cu-Zn-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der P-Gehalt 0,05 - 0,08 % beträgt.

5. Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 1 gemäß der 1. Alternative oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Sn mit einem Gehalt von 0,8 - 1,0 % aufweist und der P-Gehalt maximal 0,04 % beträgt.

Zeichnung