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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Automatenkupferlegierungen.
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2. Stand der
Technik
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Zu
den gut zu bearbeitenden Kupferlegierungen zählen Bronzelegierungen, wie
beispielsweise die nach der JIS-Norm mit H5111 BC6 bezeichnete Legierung,
oder Messinglegierungen wie die nach der JIS-Norm mit H3250-C3604
und C3771 bezeichneten Legierungen. Diese Legierungen werden hinsichtlich
ihrer Bearbeitbarkeit durch Zusatz von 1,0 bis 6,0 Gewichtsprozent
Blei optimiert und ermöglichen
als leicht zu bearbeitende Kupferlegierungen für die Industrie zufrieden stellende
Ergebnisse. Aufgrund ihrer hervorragenden Bearbeitbarkeit haben
sich diese Kupferlegierungen zu einem wichtigen Grundmaterial für die Herstellung einer
Reihe von Produkten, wie beispielsweise von Wasserhähnen, Metallarmaturen
und -Ventilen für
die Wasserzufuhr und den Wasserabfluss entwickelt.
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Bei
diesen herkömmlichen
Automatenkupferlegierungen bildet Blei in der Matrix keine feste
Lösung, sondern
dispergiert in körniger
Form, was zu einer verbesserten Bearbeitbarkeit dieser Legierungen
führt.
Zum Erreichen der gewünschten
Ergebnisse muss Blei in einer Menge von 2,0 Gewichtsprozent oder
mehr zugegeben werden. Bei Zugabe von weniger als 1,0 Gewichtsprozent
an Blei führt
dies zur Bildung von spiralförmigen
Spänen,
wie in der Darstellung (D) der 1 gezeigt.
Spiralförmige
Späne können verschiedene
Probleme verursachen, sie können
sich beispielsweise im Werkzeug verfangen. Wenn andererseits der
Bleigehalt über
1,0 Gewichtsprozent liegt und 2,0 Gewichtsprozent nicht überschreitet,
so ist die geschnittene Fläche
rau, obgleich dies auch zu Ergebnissen wie der Verringerung des
Schneidewiderstands führt.
Daher ist es unüblich, Blei
zu einem Anteil von weniger als 2,0 Gewichtsprozent zuzugeben. Einige
gestreckte Kupferlegierungen, bei denen hervorragende Schneideeigenschaften
erforderlich sind, werden mit etwa 3,0 Gewichtsprozent Blei oder
mehr gemischt. Ferner haben einige Bronzegussstücke sogar einen Bleigehalt
von etwa 5,0 Gewichtsprozent. Die Legierung JIS H 5111 BC6 enthält beispielsweise
etwa 5,0 Gewichtsprozent Blei.
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In
den letzten Jahren wurde die Verwendung von Blei-Mischlegierungen
jedoch stark reduziert, da das darin enthaltene Blei als Umweltschadstoff
dem Menschen Schaden zufügen
kann. Schließlich
sind die Blei enthaltenden Legierungen gesundheitsschädigend und
stellen eine Gefahr für
die Umwelt dar, da sich das Blei im Metalldampf befindet, der während der
Herstellungsschritte derartiger Legierungen bei hohen Temperaturen
entsteht, wie beispielsweise beim Schmelzen und Gießen, und
es besteht weiterhin die Gefahr, dass das in den Metallarmaturen
und Hähnen
von Wassersystemen befindliche Blei ins Trinkwasser übergeht.
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Aus
diesen Gründen
sind die Vereinigten Staaten sowie andere entwickelte Nationen in
den letzten Jahren dazu übergegangen,
die Standards für
Blei enthaltende Kupferlegierungen zu verschärfen, um den zulässigen Anteil
an Blei in Kupferlegierungen drastisch zu verringern. Auch in Japan
wurde die Verwendung von Blei enthaltenden Legierungen zunehmend
eingeschränkt
und es besteht eine steigende Nachfrage nach der Entwicklung von
Automatenkupferlegierungen mit geringem Bleigehalt.
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Die
Verwendung einer modifizierten Form der Silicium-Messing-Legierung
mit geringem Bleigehalt C87800 für
Hähne und
Armaturen ist bekannt aus „Silicon-Brass: An alternative
for lead-free faucets and fittings" – Mannheim
et al., Jahreskongress – Associaco
Brasileira de Metalurgia e Materials (1997), 52ste (II Congresso),
5012 503.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Automatenkupferlegierung
anzugeben, die einen äußerst geringen
Anteil (0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent) an Blei als ein die Bearbeitbarkeit
verbesserndes Element enthält
und dennoch über
eine hervorragende Bearbeitbarkeit verfügt, die als sicherer Ersatz
für eine
herkömmliche
leicht zu schneidende Bleilegierung mit hohem Bleigehalt eingesetzt
werden kann und dabei keine Umweltprobleme mit sich bringt, während die
Wiederverwertung von Spänen
ermöglicht
ist, und die somit eine zeitgemäße Antwort
auf den steigenden Bedarf an Produkten mit verringertem Bleigehalt
darstellt.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Automatenkupferlegierung
anzugeben, die zuhöchst
korrosionsresistent ist, dabei über
eine hervorragende Bearbeitbarkeit verfügt und sich als Grundmaterial
für Schneid-,
Schmied- und Gussarbeiten und dergleichen eignet, was der Legierung
einen hohen praktischen Wert verleiht. Zu den Schneid-, Schmied-
und Gussarbeiten zählen
Wasserhähne,
Metallarmaturen für
die Wasserzufuhr, den Wasserablauf, Ven tile, Schlaucharmaturen,
Heißwasserzufuhrrohrarmaturen, Schacht-
und Wärmetauscherteile.
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Weiterhin
ist es ein Ziel der Erfindung, eine Automatenkupferlegierung anzugeben,
die eine hohe Festigkeit und Abnutzungsresistenz aufweist und dabei
leicht zu schneiden ist, wobei sie sich als Grundmaterial zum Herstellen
von Schneid-, Schmied- und Gussarbeiten und dergleichen eignet,
welche einer hohen Festigkeit und Abnutzungsresistenz bedürfen, wie
beispielsweise Lager, Bolzen, Muttern, Buchsen, Getriebe, Nähmaschinen
und Teile von Hydrauliksystemen, wodurch der Legierung ein hoher
praktischer Wert verliehen ist.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, eine Automatenkupferlegierung
anzugeben, die eine hervorragende Oxidationsresistenz bei hohen
Temperaturen hat und dabei leicht zu schneiden ist, wobei sie sich als
Grundmaterial zum Herstellen von Schneid-, Schmied- und Gussarbeiten
und dergleichen eignet, bei denen eine starke Oxidationsresistenz äußerst wichtig
ist, wie beispielsweise bei Düsen
für Kerosin
und Gasheizungen, Brennerköpfen
und Gasdüsen
für Heißwasserspender,
wodurch der Legierung ein hoher praktischer Wert verliehen ist.
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Die
den vorliegenden Erfindungen zugrunde liegenden Ziele werden erreicht
durch Angabe der folgenden Kupferlegierung:
- 1.
Eine Automatenkupferlegierung, die leicht zu schneiden ist, eine
hervorragend hohe Festigkeit und hohe Korrosionsresistenz aufweist
und zusammengesetzt ist aus 62 bis 78 Gewichtsprozent Kupfer; 2,5
bis 4,5 Gewichtsprozent Silicium; 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent Blei;
mindestens ein Element ausgewählt
aus 0,3 bis 3,0 Gewichtsprozent Zinn, 0,2 bis 2,5 Gewichtsprozent
Aluminium und 0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent Phosphor; sowie mindestens
ein Element ausgewählt
aus 0,7 bis 3,5 Gewichtsprozent Mangan und 0,7 bis 3,5 Gewichtsprozent
Nickel; und die übrigen
Gewichtsprozent Zink, und wobei die Metallstruktur der Automatenkupferlegierung
mindestens eine Phase ausgewählt
aus der γ (Gamma-)Phase
und der κ (Kappa-)Phase
hat.
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Mangan
und Nickel verbinden sich mit Silicium, wodurch intermetallische
Verbindungen mit den Bezeichnungen MnxSiy oder NixSiy entstehen,
welche in der Matrix gleichmäßig abgeschieden
sind und dadurch die Abnutzungsresistenz und die Festigkeit erhöhen. Deshalb
wird durch Zugabe von Mangan und Nickel, oder von nur einem der
beiden, die Festigkeit und Abnutzungsresistenz verbessert. Derarti ge
Wirkungen stellen sich ein, wenn Mangan und Nickel jeweils in einer
Menge von nicht weniger als 0,7 Gewichtsprozent zugegeben werden.
Der Sättigungszustand
wird jedoch bei 3,5 Gewichtsprozent erreicht, und selbst wenn die
Zugabe diesen Wert übersteigt,
werden keine proportional verbesserten Ergebnisse erzielt. Die Zugabe
von Silicium ist unter Abstimmung mit der Zugabe von Mangan oder
Nickel bei einer Menge von 2,5 bis 4,5 Gewichtsprozent festgesetzt,
wobei der Verbrauch bei der Bildung intermetallischer Verbindungen
mit diesen Elementen berücksichtigt
ist.
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Es
sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass Zinn, Aluminium und Phosphor
helfen, die Alphaphase in der Matrix zu verstärken, wodurch die Bearbeitbarkeit
verbessert wird. Zinn und Phosphor dispergieren die Alpha- und Gammaphase,
durch welche die Festigkeit, die Abnutzungsresistenz und auch die
Bearbeitbarkeit verbessert werden. Bei einer Menge von 0,3 Gewichtsprozent
oder mehr verbessert Zinn wirksam die Festigkeit und die Bearbeitbarkeit. Überschreitet
die Zugabe jedoch 3,0 Gewichtsprozent, so verschlechtert sich die Formbarkeit.
Deshalb ist die Zugabe von Zinn bei einer Menge von 0,3 bis 3,0
Gewichtsprozent festgesetzt, um die Festigkeit und die Abnutzungsresistenz
zu erhöhen
und die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Auch Aluminium trägt zur Verbesserung
der Abnutzungsresistenz bei und zeigt seine die Matrix verstärkende Wirkung, wenn
es in einer Menge von 0,2 Gewichtsprozent oder mehr zugegeben wird. Überschreitet
die Zugabe jedoch 2,5 Gewichtsprozent, so verschlechtert sich die
Formbarkeit. Deshalb ist mit dem Ziel einer verbesserten Bearbeitbarkeit
die Zugabe von Aluminium bei einer Menge von 0,2 bis 2,5 Gewichtsprozent
festgesetzt. Die Zugabe von Phosphor dispergiert ebenfalls die Gammaphase
und pulverisiert gleichzeitig die Kristallkörner in der Alphaphase in der
Matrix, wodurch die Formbarkeit unter Hitzeeinwirkung verbessert
wird sowie die Festigkeit und Abnutzungsresistenz. Ferner verbessert
es sehr wirksam die Fließeigenschaften
des Schmelzmetalls beim Gießen.
Solche Ergebnisse werden erzielt, wenn Phosphor in einer Menge von
0,02 bis 0,25 Gewichtsprozent zugegeben wird. Der Kupfergehalt ist
bei 62 bis 78 Gewichtsprozent festgesetzt, und zwar unter Berücksichtigung
der Zugabe von Silicium und den Eigenschaften von Mangan und Nickel,
die sich mit Silicium verbinden.
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In
der Matrix bildet Blei keine feste Lösung, sondern dispergiert in
körniger
Form, wodurch die Bearbeitbarkeit verbessert wird. Silicium verbessert
die Schneideeigenschaften, indem es in der Metallstruktur eine Gammaphase
(in manchen Fällen
eine Kappaphase) produziert. Somit sind beide Elemente darin gleich,
dass sie die Bearbeitbarkeit verbessern, obgleich sie sich in ihrem
Beitrag zu den Eigen schaften der Legierung sehr unterscheiden. Diesem
Wissen Rechnung tragend wird der erfindungsgemäßen Legierung anstelle von
Blei Silicium zugegeben, um eine von der Industrie geforderte gute
Bearbeitbarkeit zu erzielen, während
der Bleigehalt stark reduziert werden kann. Somit verfügt die erfindungsgemäße Legierung über eine
verbesserte Bearbeitbarkeit durch das Bilden einer Gammaphase durch
Zugeben von Silicium.
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Bei
Zugabe von weniger als 2,0 Gewichtsprozent Silicium kann keine Gammaphase
gebildet werden, die ausreichend wäre, um ein für die Industrie
zufrieden stellendes Ergebnis hinsichtlich der Bearbeitbarkeit zu erzielen.
Mit erhöhter
Zugabe von Silicium ist eine verbesserte Bearbeitbarkeit erreicht.
Ab einem Anteil von mehr als 4,5 Gewichtsprozent Silicium verbessert
sich die Bearbeitbarkeit allerdings nicht mehr proportional. Das
Problem ist jedoch, dass Silicium einen hohen Schmelzpunkt und ein
geringes spezifisches Gewicht hat und auch oxidationsempfindlich
ist. Wenn Silicium in einfacher Form beim Schmelzen in den Ofen
gegeben wird, so schwimmt das Silicium auf dem geschmolzenen Metall
und oxidiert zu Oxiden von Silicium oder zu Silicium-Oxid, wodurch
die Produktion einer siliciumhaltigen Kupferlegierung problematisch
ist. Beim Herstellen eines Gussblocks aus einer siliciumhaltigen
Kupferlegierung wird Silicium daher meist in der Form einer Cu-Si-Legierung
zugegeben, was zu erhöhten
Herstellungskosten führt.
Auch hinsichtlich der Kosten zur Herstellung der Legierung ist es
nicht wünschenswert,
Silicium in einer Menge über
dem Sättigungspunkt
oder -plateau einer verbesserten Bearbeitbarkeit – 4,0 Gewichtsprozent – beizufügen. Die
Zugabe von Silicium verbessert nicht nur die Bearbeitbarkeit, sondern
auch die Fließeigenschaften
des Schmelzmetalls beim Gießen, die
Festigkeit, die Abnutzungsresistenz, die Resistenz gegenüber Spannungsrisskorrosion
(engl.: stress corrosion cracking), die Oxidationsresistenz bei
hohen Temperaturen. Aber auch die Formbarkeit und Entzinkungskorrosionsresistenz
(engl.: dezincing corrosion resistance) wird zu einem gewissen Grad
erhöht.
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Daher
wird die Zugabe von Blei bei 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent festgesetzt.
Bei der erfindungsgemäßen Legierung
ist eine ausreichend gute Bearbeitbarkeit erzielt durch Zugabe von
Silicium, das die oben genannte Wirkung hat, auch wenn die Zugabe
von Blei reduziert ist. Dennoch muss Blei zu nicht weniger als 0,02
Gewichtsprozent zugegeben werden, wenn die Legierung hinsichtlich
der Bearbeitbarkeit gegenüber
herkömmlichen
Automatenkupferlegierungen besser sein soll, während eine Zugabe von Blei
von über
0,4 Gewichtsprozent sich nachteilig auswirken und zu einer rauen
Oberfläche
führen
würde sowie
zu einer schlechten Bearbeitbarkeit unter Hitzeeinwirkung, wie beispielsweise
beim Schmieden, und zu einer geringeren Formbarkeit im kalten Zustand.
Inzwischen kann davon ausgegangen werden, dass ein derartig geringer
Bleigehalt von nicht mehr als 0,4 Gewichtsprozent den Vorschriften
zum zulässigen
Bleigehalt trotz aller Strenge der Formulierung dieser Vorschriften
in den hoch entwickelten Staaten, darunter auch Japan, auch in Zukunft
entspricht. Daher wird der Bleigehalt für die erfindungsgemäße Legierung,
die im Folgenden noch beschrieben wird, auf 0,02 bis 0,4 Gewichtsprozent
festgesetzt.
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Zinn
wirkt auf die gleiche Weise wie Silicium. Das bedeutet, wenn Zinn
zugegeben wird, entsteht eine Gammaphase und die Bearbeitbarkeit
der Cu-Zn-Legierung wird verbessert. Daher könnte die Zugabe von Zinn zu
der Cu-Si-Zn-Legierung die Bildung einer Gammaphase erleichtern
und die Bearbeitbarkeit der Cu-Si-Zn-Legierung weiter verbessern. Die Gammaphase
entsteht bei Zugabe von Zinn in einer Menge von 1,0 Gewichtsprozent
oder mehr und erreicht ihren Sättigungspunkt
bei 3,5 Gewichtsprozent Zinn. Übersteigt der
Zinngehalt jedoch 3,5 Gewichtsprozent, so verschlechtert sich die
Formbarkeit. Beträgt
die Zugabe 0,3 Gewichtsprozent oder mehr, so wird das Zinn wirksam
und dispergiert die von Silicium gebildete Gammaphase einheitlich.
Durch diese die Gammaphase dispergierende Wirkung wird außerdem die
Bearbeitbarkeit verbessert. Anders ausgedrückt, verbessert eine Zinnzugabe
in einer Menge von nicht weniger als 0,3 Gewichtsprozent die Bearbeitbarkeit.
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Phosphor
hingegen hat keine die Gammaphase bildende Eigenschaft, wie sie
Zinn und Aluminium haben. Doch bewirkt Phosphor, dass die Gammaphase
einheitlich dispergiert und verteilt wird, die sich aufgrund der
Zugabe von Silicium allein oder mit Zinn oder Aluminium oder mit
beiden gebildet hat. Auf diese Weise wird die Verbesserung der Bearbeitbarkeit
durch die Bildung der Gammaphase weiter vorangetrieben. Zusätzlich zum
Dispergieren der Gammaphase hilft Phosphor beim Verfeinern der Kristallkörner in
der Alphaphase in der Matrix, wobei Formbarkeit unter Hitzeeinwirkung,
Festigkeit und Resistenz gegenüber
Spannungsrisskorrosion verbessert werden. Weiterhin verbessert Phosphor
die Fließeigenschaften
des Schmelzmetalls beim Gießen
beträchtlich.
Um solche Ergebnisse zu erzielen, muss Phosphor in einer Menge zugegeben
werden, die nicht geringer ist als 0,02 Gewichtsprozent. Übersteigt
die Zugabe jedoch 0,25 Gewichtsprozent, kann kein proportionaler
Effekt mehr erzielt werden. Vielmehr würde die Warmschmiedeeigenschaft
und Extrudierbarkeit sinken.
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Zinn
verbessert nicht nur die Bearbeitbarkeit sehr wirksam, sondern fördert auch
die Korrosionsresistenz-Eigenschaften (Entzinkungskorrosionsresistenz)
und Schmiedbarkeit. In anderen Worten, Zinn verbessert die Korrosionsresistenz
in der Alphaphasenmatrix und durch das Dispergieren der Gammaphase
auch die Korrosionsresistenz, die Schmiedbarkeit und die Resistenz
gegenüber
Spannungsrisskorrosion. Die erfindungsgemäße Legierung weist somit aufgrund
der Eigenschaften von Zinn eine verbesserte Korrosionsresistenz
auf und, hauptsächlich
aufgrund des Silicium-Zusatzes, eine verbesserte Bearbeitbarkeit.
Um die Korrosionsresistenz und auch die Schmiedbarkeit zu verbessern,
müsste
jedoch Zinn in einer Menge von mindestens 0,3 Gewichtsprozent zugegeben
werden. Wenn hingegen mehr als 3,5 Gewichtsprozent zugegeben werden,
verbessern sich Korrosionsresistenz und Schmiedbarkeit nicht proportional
zur zugegebenen Menge Zinn. Dies ist in wirtschaftlicher Hinsicht
nicht sinnvoll.
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Während Silicium
zugegeben wird, um die oben erwähnte
Bearbeitbarkeit zu verbessern, kann dieses Element wie Phosphor
auch die Fließeigenschaften
des Schmelzmetalls beim Gießen
verbessern. Die Wirkung von Silicium beim Verbessern der Fließeigenschaften
des Schmelzmetalls zeigt sich, wenn es in einer Menge von nicht
weniger als 2,0 Gewichtsprozent zugegeben wird. Die Zugabemenge
zur Verbesserung der Fließeigenschaften
liegt über
der Menge zum Verbessern der Bearbeitbarkeit.
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Eine
Automatenkupferlegierung, die zudem noch leichter zu schneiden ist,
dadurch dass die erfindungsgemäße Legierung
30 Minuten bis 5 Stunden lang einer Hitzebehandlung bei 400 bis
600 °C unterzogen wird.
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Die
erfindungsgemäße Legierung
enthält
die Bearbeitbarkeit verbessernde Elemente, wie beispielsweise Silicium,
und hat aufgrund der Zugabe derartiger Elemente eine hervorragende
Bearbeitbarkeit. Die Wirkung dieser die Bearbeitbarkeit verbessernden
Elemente kann durch eine Hitzebehandlung noch verstärkt werden.
So unterliegt beispielsweise die erfindungsgemäße Legierung, die einen hohen
Kupfergehalt aufweist, und in geringen Mengen Gammaphasen und in
hohen Mengen Kappaphasen hat, bei einer Hitzebehandlung einem Wechsel
von der Kappa- zur Gammaphase. Im Ergebnis wird die Gammaphase fein
dispergiert und abgeschieden und die Bearbeitbarkeit verbessert.
Beim Herstellungsprozess von Gussstücken, Streckmetallen (engl.:
expanded metals) und Heiß-Schmiedstücken werden
die Materialien in der Praxis oft druckluftgekühlt oder wassergekühlt in Abhängigkeit
von den Schmiedebedingungen und der Produktivität nach der Hit zebehandlung
(Extrusion unter Hitzeeinwirkung, Heißschmeiden etc.), der Arbeitsumgebung
und anderen Faktoren. Insbesondere die erfindungsgemäße Legierung
mit geringem Kupfergehalt hat eine recht geringe Gammaphase und
eine Betaphase. Bei einer Hitzebehandlung wird die Betaphase in
eine Gammaphase umgewandelt und die Gammaphase wird fein dispergiert
und abgeschieden, wobei sich die Bearbeitbarkeit verbessert.
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Eine
Hitzebehandlung bei weniger als 400 °C ist jedoch nicht in jedem
Fall ökonomisch
und praktisch, da die zuvor beschriebene Phasenumwandlung langsam
vorangeht und viel Zeit benötigt
wird. Bei Temperaturen über
600 °C steigt
die Kappaphase jedoch an oder die Betaphase erscheint, so dass hinsichtlich
der Bearbeitbarkeit kein verbessertes Ergebnis erzielt wird. Aus
praktischer Sicht ist es daher wünschenswert,
die Hitzebehandlung 30 Minuten bis 5 Stunden lang bei 400 bis 600 °C durchzuführen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
Perspektivansichten des Schneidabfalls, der beim Schneiden eines
runden Kupferlegierungsblocks in einer Drehbank gebildet wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Beispiel 1
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Als
erste Beispielsreihe der vorliegenden Erfindung wurden zylindrische
Gussblöcke
mit den in den Tabellen 1 bis 3 gezeigten Zusammensetzungen und
jeweils mit einem Außendurchmesser
von 100 mm und einer Länge
von 150 mm bei 750 °C
zu einem runden Block mit einem Außendurchmesser von 15 mm extrudiert,
um die Teststücklegierungen
Nr. 7001 bis 7029 zu erzeugen.
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Als
Vergleichsbeispiele wurden zylindrische Gussblöcke mit den in Tabelle 4 dargestellten
Zusammensetzungen und jeweils mit einem Außendurchmesser von 100 mm und
einer Länge
von 150 mm derart unter Hitzeeinwirkung bei 750 °C zu einem runden Block mit
einem Außendurchmesser
von 15 mm extrudiert, dass sie die folgenden runden extrudierten
Teststücke
lieferten: Nr. 13001 bis 13006 (im Folgenden als „herkömmliche
Legierungen" bezeichnet).
Nr. 13001 entspricht der Legierung „JIS C 3604", Nr. 13002 der Legierung „CDA C
36000", Nr. 13003
der Legierung „JIS
C 3771" und Nr.
13004 der Legierung „CDA
C 69800". Nr. 13005 entspricht
der Legierung „JIS
C 6191". Diese Aluminiumbronze
ist hinsichtlich ihrer Festigkeit und Abnutzungsresistenz die beste
unter den gestreckten Kupferlegierungen der JIS-Norm. Nr. 13006
entspricht der Marinemessinglegierung „JIS C 4622" und ist hinsichtlich
ihrer Korrosionsresistenz die beste unter den JIS-Legierungen.
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Um
die Bearbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Legierungen im Vergleich
zu den herkömmlichen
Legierungen zu testen, wurden Schneidetests durchgeführt. In
den Tests wurden Wertungen auf der Basis der Schneidkraft, des Zustands
der Späne
und der Schnittoberfläche
abgegeben. Die Tests wurden wie folgt durchgeführt: Die derart gewonnenen
extrudierten Teststücke
wurden in einer Drehbank mit spitz zulaufendem, geradem Drehmeißel (engl.:
lathe provided with a point nose straight tool) an der Umfangsfläche mit
einem Spanwinkel von – 8
Grad und einer Schneidegeschwindigkeit von 50 Meter/Minute, einer
Schneidetiefe von 1,5 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,11
mm/rev. geschnitten. Die von einem an dem Werkzeug montierten Dreikomponenten-Dynamometer
abgegebenen Signale wurden in elektrische Spannungssignale umgewandelt
und in einem Aufzeichnungselement aufgezeichnet. Die Signale wurden
sodann in den Schneidewiderstand umgewandelt. Es sei darauf hingewiesen,
dass zwar, um genau zu sein, die quantitative Beschaffenheit des
Schneidewiderstands anhand von drei Komponenten – Schneidkraft, Vorschubkraft
und Schubkraft – betrachtet
werden sollte, die Beurteilung im vorliegenden Beispiel jedoch auf
der Basis der Schneidkraft (N) dieser drei Komponenten gemacht wurde.
Die Ergebnisse sind in den Tabellen 5 und 6 dargestellt.
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Weiterhin
wurden die beim Schneiden entstehenden Späne untersucht und, wie in 1 dargestellt, in
vier Formen (A) bis (D) eingeteilt. Die Ergebnisse sind in den Tabellen
5 und 6 aufgelistet. In dieser Hinsicht sind die Späne in Form
einer Spirale mit drei oder mehr Windungen wie in (D) der 1 schwer
zu verarbeiten, d. h. zur Rückgewinnung
oder Wiederverwertung einzusetzen, und können beim Schneidevorgang hinderlich sein,
wenn sie sich beispielsweise in dem Werkzeug verfangen oder die
Oberfläche
des geschnittenen Metalls beschädigen.
Späne in
Form einer bogenförmigen
Spirale, die eine halbe Windung bis zu zwei Windungen hat, wie in
(C) der 1 dargestellt, verursachen keine
derart gravierenden Probleme wie die Späne in Form einer Spirale mit
drei oder mehr Windungen, sind aber dennoch nicht leicht zu beseitigen
und können
sich in dem Werkzeug verfangen oder die Oberfläche des geschnittenen Metalls
beschädigen.
Im Gegensatz hierzu verursachen Späne in Form von feinen Nadeln,
wie in (A) der 1 dargestellt, oder in Form
von bogenförmigen Stücken, wie
in (B) dargestellt, keine der soeben genannten Probleme, sie sind
nicht voluminös
wie die Späne aus
(C) und (D), und sie sind leicht zu verarbeiten. Dennoch können feine
Späne wie
jene in (A) in die Gleitfläche
des Bearbeitungswerkzeugs, wie beispielsweise einer Drehbank, eindringen
und mechanische Probleme verursachen, oder sie können in dem Finger, dem Auge
oder anderen Körperteilen
des Arbeiters stecken bleiben. In Anbetracht dessen ist bei der
Beurteilung der Bearbeitbarkeit die Legierung mit den Spänen (B)
als beste anzusehen, wobei die zweitbeste die mit den Spänen aus
(A) ist. Die Legierungen, bei denen die Späne aus (C) und (D) erzeugt
werden, sind nicht gut. In den Tabellen 5 und 6 sind die Legierungen
mit den in (B), (A), (C) und (D) dargestellten Spänen jeweils
mit den Symbolen „⌾", „O", „Δ" und „x" bezeichnet.
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Zudem
wurde die Oberflächenbeschaffenheit
des geschnittenen Metalls nach dem Schneiden überprüft. Die Ergebnisse hierzu sind
in den Tabellen 5 und 6 dargestellt. In diesem Zusammenhang ist
die für
gewöhnlich
verwendete Basis zur Angabe der Oberflächenrauigkeit die maximale
Rauigkeit (Rmax). Während die
Anforderungen je nach Anwendungsbereich der Messingartikel unterschiedlich
sind, werden Legierungen mit Rmax < 10
Mikronen allgemein als hervorragend in ihrer Bearbeitbarkeit angesehen.
Legierungen mit 10 Mikronen ≤ Rmax < 15 Mikronen werden
als industriell akzeptabel angesehen, während Legierungen mit Rmax 15
Mikronen als schlecht zu bearbeiten angesehen werden. In den Tabellen
5 und 6 sind die Legierungen mit Rmax < 10 Mikronen mit „O" gekennzeichnet, diejenigen mit 10 Mikronen ≤ Rmax < 15 Mikronen mit „Δ" und die Legierungen
mit Rmax ≥ 15
Mikronen sind anhand des Symbols „x" dargestellt.
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Wie
sich aus den Ergebnissen der in den Tabellen 5 und 6 gezeigten Schneidetests
ergibt, entsprechen die erfindungsgemäßen Legierungen in ihrer Bearbeitbarkeit
allesamt den herkömmlichen
bleihaltigen Legierungen Nr. 13001 bis 13003. Es ist festzustellen,
dass eine geeignete Hitzebehandlung die Bearbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Legierungen
weiter verbessern könnte.
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In
einer weiteren Testreihe wurden die erfindungsgemäßen Legierungen
im Vergleich zu den herkömmlichen
Legierungen hinsichtlich ihrer Formbarkeit unter Hitzeinwirkung
und ihren mechanischen Eigenschaften untersucht. Zu diesem Zweck
wurden wie folgt Warmdrucktests und Tests zur Bestimmung der mechanischen
Festigkeit durchgeführt.
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Zuerst
wurden zwei Teststücke,
ein erstes und ein zweites Teststück, mit einem gleichen Außendurchmesser
von 15 mm und einer Länge
von 25 mm aus jedem der zuvor beschriebenen extrudierten Teststücke geschnitten.
Bei den Warmdrucktests wurde das erste Teststück 30 Minuten lang einer Temperatur
von 700 °C ausgesetzt
und sodann mit einer Kompressionsrate von 70 Prozent in Achsenrichtung
zusammengedrückt,
um die Länge
von 25 mm auf 7,5 mm zu reduzieren. Die Oberflächenbeschaffenheit nach dem
Zusammendrücken (700 °C-Verformbarkeit) wurde
visuell ausgewertet. Die Ergebnisse hierzu sind in den Tabellen
5 und 6 aufgezeigt. Die Auswertung der Verformbarkeit wurde durch
visuelle Überprüfung auf
Risse an der Seite des Teststücks
durchgeführt.
In den Tabellen 5 und 6 sind die Teststücke, bei denen keine Risse
festgestellt werden konnten, mit „O" markiert; diejenigen mit kleinen Rissen
mit „Δ" und die mit großen Rissen
sind anhand des Symbols „x" dargestellt.
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Die
zweiten Teststücke
wurden mittels der allgemein angewandten Testmethode zur Bestimmung
der Zugfestigkeit in N/mm2 und der Dehnung
in % einem Festigkeitstest unterzogen.
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Wie
die in den Tabellen 5 und 6 dargestellten Ergebnisse der Wärmedruck-
und Festigkeitstests zeigen, wurde bestätigt, dass die erfindungsgemäßen Legierungen
hinsichtlich ihrer Formbarkeit unter Hitzeeinwirkung und ihren mechanischen
Eigenschaften gleich oder besser sind als die herkömmlichen
Legierungen Nr. 13001 bis 13004 und Nr. 13006 und dass sie für die Verwendung
in der Industrie geeignet sind. Insbesondere die erfindungsgemäße Legierung
hat dieselben mechanischen Eigenschaften wie die herkömmliche
Legierung Nr. 13005, das ist die Aluminiumbronze, welche von den
gestreckten Kupferlegierungen der JIS-Norm die höchste Festigkeit hat, und damit
weisen sie verständlicherweise
eine auffallend hohe Festigkeit auf.
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Beispiel 2
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Als
zweite Beispielsreihe der vorliegenden Erfindung wurden kreisförmige zylindrische
Gussblöcke
mit den in den Tabellen 1 bis 3 gezeigten Zusammensetzungen und
jeweils mit einem Außendurchmesser
von 100 mm und einer Länge
von 200 mm bei 700 °C
zu einem runden Block mit einem Außendurchmesser von 35 mm extrudiert,
um die Legierungen Nr. 7001a bis 7029a zu erzeugen. Parallel wurden
kreisförmige
zylindrische Gussblöcke
mit den in Tabelle 4 angegebenen Zusammensetzungen und jeweils mit
einem Außendurchmesser
von 100 mm und einer Länge
von 200 mm bei 700 °C
zu einem runden Block mit 35 mm Außendurchmesser extrudiert,
um die folgenden Legierungsteststücke zu erzeugen: Nr. 13001a
bis 13006a als zweite Vergleichsbeispiele (im Folgenden als „herkömmliche
Legierungen" bezeichnet).
Es sei darauf hingewiesen, dass die Legierungen Nr. 7001a bis 7029a
und Nr. 13001a bis 13006a jeweils dieselbe Zusammensetzung wie die vorgenannten
Kupferlegierungen Nr. 7001 bis 7029 bzw. Nr. 13001 bis 13006 haben.
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Die
Legierungen Nr. 7001a bis 7029a wurden hinsichtlich ihrer Abnutzungsresistenz
im Vergleich zu den herkömmlichen
Legierungen Nr. 13001a bis 13006a Tests unterzogen.
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Die
Tests wurden auf folgende Weise durchgeführt: Jedes derart gewonnene
extrudierte Teststück wurde
an der Umfangsfläche
geschnitten, ausgehöhlt
und auf ein ringförmiges
Teststück
mit 32 mm Außendurchmesser
und 10 mm Dicke (d. h. die Länge
in Achsenrichtung) reduziert. Anschließend wurde das Teststück an einer
drehbaren Welle angeordnet und festgeklammert, und eine parallel
zur Achse der Welle angeordnete Rolle mit 48 mm Durchmesser wurde
unter einem Gewicht von 50 kg gegen das Teststück gepresst. Die Rolle war
aus rostfreiem Stahl entsprechend der JIS-Norm SUS 304 hergestellt.
Die SUS 304-Rolle und das gegen die Rolle gedrückte Teststück wurden sodann mit derselben
Anzahl von Umdrehungen/Minute – 209
U/min – gedreht,
wobei Multifunktions-Getriebeöl
auf die Umfangsfläche
des Teststücks
gegeben wurde. Sobald die Umdrehungszahl 100.000 erreichte, wurden
die SUS 304-Rolle und das Teststück
angehalten, und die Gewichtsdifferenz zwischen den Zeitpunkten vor
dem Drehen und nach dem Ende des Drehens, also der Gewichtsverlust
nach Abnutzung in mg, wurde bestimmt. Es kann gesagt werden, dass
die Legierungen mit geringerem Gewichtsverlust durch Abnutzung eine
höhere
Abnutzungsresistenz haben. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 8
bis 10 dargestellt.
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Wie
aus den in den Tabellen 8 bis 10 gezeigten Testergebnissen zur Abnutzungsresistenz
deutlich wird, zeigten die Tests, dass die Legierungen Nr. 7001a
bis 7029a eine hervorragende Abnutzungsresistenz aufweisen, und
zwar nicht nur im Vergleich zu den herkömmlichen Legierungen Nr. 13001a
bis 13004a und 13006a, sondern auch im Vergleich zu Nr. 13005a,
einer Aluminiumbronze, die unter den gestreckten Kupferlegierungen
der JIS-Norm zu den abnutzungsresistentesten gehört. Aus umfassenden Betrachtungen
der Testergebnisse einschließlich
der Spannungstestergebnisse kann sicher geschlossen werden, dass
die erfindungs gemäße Legierung
eine hervorragende Bearbeitbarkeit aufweist und dass zudem ihre
Festigkeitseigenschaften und ihre Abnutzungsresistenz gleich gut
oder besser sind als die der Aluminiumbronze, welche unter den gestreckten
Kupferlegierungen nach der JIS-Norm die höchste Abnutzungsresistenz hat.
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