Title:
Formteile aus korrosionsbeständigen Kupferlegierungen
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft metallische Formteile, Verfahren zur Herstellung der Formteile, Verwendung der Formteile sowie die Verwendung von Legierungen zur Herstellung von Formteilen. Aus Kupfer-Legierungen der Zusammensetzung (in Gewichts-%) Sn: 2 bis 8%, Zn: 2,5 bis 13%, Pb: weniger als 0,25%, Ni: maximal 0,6%, wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84%, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen werden Formteile hergestellt, wobei die Herstellung der Formteile mindestens einen Warmpressvorgang einschließt. Die so hergestellten Formteile weisen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, sehr gute Materialeigenschaften, eine hohe Maßhaltigkeit sowie Oberflächenqualität auf und eignen sich daher speziell für die Verwendung in Wasser führenden Leitungssystemen.




Inventors:
Ebner, Michael, Dr. (89335, Ichenhausen, DE)
Aufrecht, Jochen, Dr. (89231, Neu-Ulm, DE)
Scharf, Michael (89165, Dietenheim, DE)
Hofmann, Uwe, Dr. (89231, Neu-Ulm, DE)
Application Number:
DE102012013817A
Publication Date:
01/16/2014
Filing Date:
07/12/2012
Assignee:
Wieland-Werke AG, 89079 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102010055055B3N/A2012-05-10
DE4324008C2N/A2003-03-27



Foreign References:
78069962010-10-05
EP16005172009-02-18
EP17773072012-02-01
EP17982982007-06-20
EP18012502007-06-27
EP22901142011-03-02
JP2002275563A2002-09-25
JP2005248303A2005-09-15
JP2003013038A2003-01-15
Other References:
Deutsches Kupferinstitut: Werkstoffdatenblätter, CuSn3Zn9, S. 1-10, Stand 2005.
Norm DIN 17 662, Dezember 1983.
Norm DIN CENT/TS 13388, 2008-08.
Claims:
1. Verwendung einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
Sn: 2 bis 8%,
Zn: 2,5 bis 13%,
Pb: weniger als 0,25%,
wahlweise Ni bis maximal 0,6%,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84%, sowie unvermeidbare Verunreinigungen,
zur Herstellung von Formteilen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Herstellung der Formteile mindestens einen Warmpressvorgang einschließt.

2. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phosphorgehalt maximal 0,04 Gewichts-% beträgt.

3. Verwendung einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phosphorgehalt maximal 0,01 Gewichts-% beträgt.

4. Formteile aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
Sn: 2 bis 8%,
Zn: 2,5 bis 13%,
Pb: weniger als 0,25%,
wahlweise Ni bis maximal 0,6%,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84%, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Formteile mindestens durch einen Warmpressvorgang hergestellt sind.

5. Verwendung von Formteilen aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
Sn: 2 bis 8%,
Zn: 2,5 bis 13%,
Pb: weniger als 0,25%,
wahlweise Ni bis maximal 0,6%,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84%, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, in Wasser führenden Leitungssystemen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Formteile mindestens durch einen Warmpressvorgang hergestellt sind.

6. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gewichts-%]:
Sn: 2 bis 8%,
Zn: 2,5 bis 13%,
Pb: weniger als 0,25%,
wahlweise Ni bis maximal 0,6%,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84%, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens folgende Schritte einschließt:
a) Erschmelzen der Legierung
b) Stranggießen von Halbzeugen
c) Ablängen der Halbzeuge zu Pressrohteilen
d) Erwärmen der Pressrohteile auf geeignete Temperatur
e) Pressen der Pressrohteile im warmen Zustand zu Formteilen.

7. Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressrohteile der Legierung vor dem Warmpressvorgang ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße kleiner 1 mm aufweisen.

8. Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt b) die gegossenen Halbzeuge einer Wärmebehandlung zur Homogenisierung des Gefüges unterzogen werden.

9. Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt b) die gegossenen Halbzeuge einer Schälbehandlung zur Entfernung der äußeren Werkstoffschicht unterzogen werden.

10. Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt e) die Formteile durch einen Span abhebenden Prozess bearbeitet werden.

Description:

Die Erfindung betrifft metallische Formteile, Verfahren zur Herstellung der Formteile, eine Verwendung der Formteile sowie die Verwendung einer Legierung zur Herstellung von Formteilen.

Unter Formteilen werden einstückige Bauteile mit komplexer Geometrie verstanden. Eine komplexe Geometrie liegt dann vor, wenn das Bauteil in keiner Richtung eine kontinuierliche Translationsinvarianz aufweist und folglich nicht durch einen einfachen, quasi-kontinuierlich ablaufenden, formgebenden Prozess hergestellt werden kann. Beispiele für solche einfachen formgebenden Prozesse sind das Walzen von Bändern, das Pressen von Stangen oder das Ziehen von Rohren. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf hohle oder zumindest teilweise hohle Formteile wie beispielsweise Rohrverbinder, Muffen, Rohrbögen oder T-Stücke. Derartige Formteile aus metallischen Werkstoffen werden entweder direkt durch Formgießen und Zerspanen oder aus Halbzeug durch Umformen und Zerspanen hergestellt. Wenn dabei große Umformgrade erreicht werden sollen, findet der Umformprozess bei hohen Temperaturen statt. Beispiele hierfür sind Schmiedeprozesse wie etwa das Freiform- oder das Gesenkschmieden (Warmpressen).

Formteile aus Kupferwerkstoffen werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, beispielsweise als Gehäuse, Verbinder, Gleitelemente oder in Ventilen und Armaturen. Wegen ihrer guten Korrosionsbeständigkeit werden vorzugsweise Formteile aus Kupferwerkstoffen in Leitungssystemen für flüssige und gasförmige Medien als Fittinge, Bögen, T-Stücke, Ventilkörper oder Armaturen eingesetzt. Eine besondere Rolle spielt hierbei die Verwendung solcher Formteile in Trinkwasserinstallationen. Die wichtigsten Legierungsfamilien für Formteile sind Rotguss und Messing.

Bei der Herstellung von Formteilen aus Messing nutzt man das gute Umformvermögen dieser Werkstoffe aus. Aus den Legierungen werden mittels Strangguss Bolzen hergestellt, welche zu großformatigen Rohren, Stangen oder Profilen verpresst werden. Diese Zwischenprodukte werden anschließend durch einen oder mehrere Kaltumformschritte zu Halbzeugen mit kleineren Querschnittsabmessungen gezogen. Die Korngröße des Werkstoffs wird dabei reduziert, sein Gefüge wird verdichtet und homogenisiert. Aus den Halbzeugen werden dann mittels Warmpressen bzw. Schmieden Formteile hergestellt. Im Kontakt mit Wasser kann Messing je nach Legierungszusammensetzung und Einsatzbedingung zu Entzinkung oder Spannungsrisskorrosion neigen.

Rotguss ist sehr korrosionsbeständig und gut gießbar, weshalb Formteile aus Rotguss durch Gießen hergestellt werden. Die Gussteile sind sehr grobkörnig, sie besitzen eine raue Oberfläche und haben nur eine beschränkte Maßhaltigkeit. Ferner besteht bei Gussteilen die Gefahr von Lunkern, Seigerungen und Poren. Derartige Gießfehler können bei den Bauteilen zu Undichtigkeiten führen. Rotgussteile sind deutlich schlechter umformbar und zerspanbar als Messingteile. Durch die Zugabe von Blei wird das Gefüge von Rotguss etwas feinkörniger gemacht und die Zerspanbarkeit des Werkstoffs verbessert. Zudem schließt Blei aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts Erstarrungslunker und sorgt so für ein dichtes Gefüge. Typische Rotgusslegierungen enthalten 2 bis 7 Gew.-% Blei.

Bereits in der Vergangenheit wurden die Vorschriften für Werkstoffe, die in Installationen für Trinkwasser verwendet werden, hinsichtlich der Elemente Blei und Nickel verschärft. In einigen Staaten ist der Bleigehalt heute auf 0,25 Gew.-% beschränkt. In den Vereinigten Staaten gilt diese Obergrenze ab 2014 flächendeckend. Es ist zu erwarten, dass in Zukunft die Vorschriften bis hin zum Verbot von Blei verschärft werden.

In EP 2 290 114 A1 wird vorgeschlagen, Wasser führende Bauteile als Gussteile aus einer Kupferlegierung mit 4 bis 6 Gew.-% Zinn sowie 4 bis 6 Gew.-% Zink auszuführen. Der Bleigehalt der Legierung ist auf 0,1 Gew.-% beschränkt. Durch die Reduktion des Bleigehalts werden die nachteiligen Eigenschaften der Gussteile aber nicht verbessert, sondern eher verschlechtert. Insbesondere wird es schwieriger, die Dichtigkeit der Bauteile sicher zu stellen.

Aus der Druckschrift EP 1 600 517 B1 ist eine bleifreie Kupferlegierung mit 69 bis 79 Gew.-% Cu, 2 bis 4 Gew.-% Si und Rest Zink zu entnehmen. Der Si-Gehalt reduziert weitgehend die Anfälligkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion. Der hohe Zinkgehalt von mindestens 17 Gew.-% kann sich jedoch negativ auf die Korrosionsbeständigkeit dieses Messingwerkstoffs auswirken.

Eine bleireduzierte Kupfer-Zinn-Zink-Legierung mit ungefähr 3 Gew.-% Zinn und ungefähr 9 Gew.-% Zink ist in der DIN CEN/TS 13388 beschrieben. Dem entsprechenden Werkstoffdatenblatt des Deutschen Kupferinstituts (DKI) ist zu entnehmen, dass diese Legierung lediglich in ,ausreichendem' Maße warm umformbar ist und dass sie nur als Flachmaterial, also in Form von Platten, Blechen, Bändern, Streifen und Ronden verfügbar ist. Andere Halbzeugformen wie Rohre, Stangen, Profile und Schmiedestücke aus diesem Werkstoff sind als ,nicht genormt' gekennzeichnet. Die im Wesentlichen gleichen Informationen sind der DIN 17662 für eine bleireduzierte Kupfer-Zinn-Zink-Legierung mit ungefähr 6 Gew.-% Zinn und ungefähr 6 Gew.-% Zink zu entnehmen. Insbesondere werden als verfügbare Halbzeugarten nur Bänder und Bleche genannt.

In JP 2005-248303 A wird eine bleireduzierte Kupferlegierung mit 84 bis 89 Gew.-% Kupfer, 4 bis 6 Gew.-% Zinn und 5 bis 30 Gew.-% Zink sowie ein Verfahren zu deren Bearbeitung vorgeschlagen. Wesentlich ist hierbei ein Kaltumformschritt durch Rundkneten mit einem Umformgrad von 5 bis 30%. Die Dichte der Gitterversetzungen wird dadurch erhöht und der Werkstoff aufgehärtet. Eine gute Zerspanbarkeit des Werkstoffs wird nach einer Homogenisierungsglühung erreicht.

Ferner ist bekannt, dass durch Zugabe von Elementen zur Kornfeinung das Gefüge von Legierungen verbessert werden kann. So wird in JP 2002-275563 A die Zugabe von Fe, Ni, Co oder Mn zu einer bleifreien Bronze vorgeschlagen, um die Warmwalzbarkeit zu verbessern. Der Werkstoff wird als Band bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen verwendet. In der Druckschrift JP 2003-013038 A wird vorgeschlagen, 20 bis 1000 ppm Kohlenstoff einer Kupfer-Zinn-Zink-Legierung beizumengen, um eine gute Warmumformbarkeit zu erreichen. Der Werkstoff wird für die Herstellung elektronischer Bauteile verwendet. Hierzu wird ausschließlich Flachmaterial eingesetzt, und das Halbzeug wird lediglich zu einer einfachen Geometrie umgeformt. Der Druckschrift DE 43 24 008 C2 ist zu entnehmen, dass eine Kupferlegierung mit 2 bis 8 Gew.-% Zinn, 0,5 bis 2,1 Gew.-% Silizium, bis zu 15 Gew.-% Zink sowie mindestens einem Element aus der Gruppe Titan, Tantal, Niob, Eisen, Mangan, Magnesium oder Phosphor zur Herstellung von Wasserrohren verwendet wird. Aus gegossenen Bolzen werden mittels einer Warmumformung Rohre gepresst, die anschließend bis auf die Endabmessung kalt gezogen werden. Das Warmpressen von Rohren ist verglichen mit der Herstellung von Formteilen durch Schmieden ein relativ einfacher Umformprozess, bei dem ein Zwischenprodukt mit lediglich einfacher Geometrie erzeugt wird. Ferner ist das Zulegierung von Silizium nicht erwünscht, da es schlecht beherrschbar ist.

Der Druckschrift EP 1 777 307 B1 ist zu entnehmen, dass durch Zulegieren von Zirkon zu einer bleifreien Kupfer-Zinn-Zink-Legierung eine Kornfeinung erreicht werden kann, so dass auch die Herstellung von Formteilen mittels Warmumformung ermöglicht wird. Auf die Nachteile der Verwendung von Zirkon wird in EP 1 777 307 B1 selbst hingewiesen. Gemäß der Lehre dieser Schrift muss bei Legierungen mit Zusammensetzungen wie Rotguss der Zirkongehalt mindestens 0,017 Gew.-% betragen, was sich ungünstig auf die Kosten des Werkstoffs auswirkt. Im Allgemeinen ist das Zulegieren von Elementen zur Kornfeinung grundsätzlich nicht erwünscht, da es den Gießprozess aufwändiger macht und im Schrottkreislauf schlecht beherrschbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Formteile insbesondere zur Verwendung in Wasser führenden Leitungssystemen, einen Kupferwerkstoff für die Verwendung zur Herstellung von verbesserten Formteilen sowie ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einem Kupferwerkstoff anzugeben. Insbesondere soll der Kupferwerkstoff eine herausragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen, frei von den Elementen Blei, Antimon, Silizium, Zirkon oder anderen chemischen Kornfeinern sein, gut warmumformbar und gut zerspanbar sein. Die aus diesem Werkstoff hergestellten Formteile sollen ein homogenes Gefüge, eine hohe Maßhaltigkeit und eine gute Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.

Die Erfindung wird bezüglich einer Verwendung einer Kupferlegierung durch die Merkmale des Anspruchs 1, bezüglich der Formteile durch die Merkmale des Anspruchs 4, bezüglich einer Verwendung der Formteile durch die Merkmale des Anspruchs 5 und bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung von Formteilen durch die Merkmale des Anspruchs 6 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung schließt die Verwendung einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
Sn: 2 bis 8%,
Zn: 2,5 bis 13%,
Pb: weniger als 0,25%,
wahlweise Ni bis maximal 0,6%,
wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84%, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, zur Herstellung von Formteilen ein, wobei die Herstellung der Formteile mindestens einen Warmpressvorgang einschließt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Korrosionsbeständigkeit von metallischen Werkstoffen in erster Linie durch deren Zusammensetzung bestimmt wird. Daneben haben das Herstellverfahren und die Oberflächeneigenschaften maßgeblichen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit der Bauteile. Kupferwerkstoffe mit einem Kupferanteil von mindestens 84 Gewichts-% sowie Legierungsanteilen von Zinn (zwischen 2 und 8 Gewichts-%), Zink (zwischen 2,5 und 13 Gewichts-%) sowie wahlweise bis zu 0,6 Gew.-% Nickel und Phosphor haben eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit in wässriger Umgebung. Gussstücke aus diesen Werkstoffen haben im Allgemeinen ein grobes, nadeliges Korn und sind nur schwer warmumformbar. Durch eine geeignete Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs, vorzugsweise durch elektromagnetisches Rühren, kann jedoch ein feines Korn eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Elemente wie beispielsweise Blei in Anteilen größer 0,25 Gew.-%, Wismut, Bor oder Zirkon hinzulegiert werden müssen. Das feinkörnige Gefüge verbessert die Umformbarkeit des Werkstoffs. Folglich können derartig konditionierte Werkstoffe zur Herstellung von Formteilen verwendet werden, wobei die Herstellung der Formteile in ähnlicher Weise wie die Herstellung von Formteilen aus Messingwerkstoffen erfolgen kann. Insbesondere schließt die Herstellung von Formteilen einen Warmpressschritt ein. Die mittels Gesenk- (Warmpressen) bzw. Freiformschmieden hergestellten Formteile zeichnen sich im Gegensatz zu den gegossenen Bauteilen insbesondere durch ein dichtes, homogenes Gefüge und eine glatte Oberfläche aus. Gleichzeitig weisen sie aufgrund der Werkstoffzusammensetzung eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Phosphorgehalt der Kupferlegierung maximal 0,04 Gew.-%, in besonders bevorzugter Ausgestaltung maximal 0,01 Gew.-% betragen. Phosphor ermöglicht eine bessere Gießbarkeit. Mit steigendem Phosphorgehalt wird jedoch die Warmumformbarkeit herabgesetzt. Die Herstellung der Formteile mittels eines Warmpressvorgangs ist folglich umso sicherer, je weniger Phosphor in der Legierung enthalten ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt Formteile aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
Sn: 2 bis 8%,
Zn: 2,5 bis 13%,
Pb: weniger als 0,25%,
wahlweise Ni bis maximal 0,6%, wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84%, sowie unvermeidbare Verunreinigungen ein, wobei die Formteile mindestens durch einen Warmpressvorgang hergestellt sind.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das Gefüge von metallischen Werkstoffen durch die Zusammensetzung und durch das Herstellungsverfahren bestimmt wird. Aus Kupferwerkstoffen mit einem Kupferanteil von mindestens 84 Gewichts-% sowie Legierungsanteilen von Zinn (zwischen 2 und 8 Gewichts-%), Zink (zwischen 2,5 und 13 Gewichts-%) sowie wahlweise bis zu 0,6 Gew.-% Nickel werden vorwiegend Formteile mittels Gießen hergestellt. Gussstücke aus diesen Werkstoffen haben im Allgemeinen ein grobes, nadeliges Korn, eine raue Oberfläche und sind schlecht zerspanbar. Durch eine geeignete Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs, vorzugsweise durch elektromagnetisches Rühren, kann jedoch ein feines Korn eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Elemente wie beispielsweise Blei in Anteilen größer 0,25 Gew.-%, Wismut, Bor oder Zirkon hinzulegiert werden müssen. Das feinkörnige Gefüge verbessert die Umformbarkeit des Werkstoffs. Die Herstellung von Formteilen aus derartig konditionierten Werkstoffen kann dann in ähnlicher Weise wie die Herstellung von Formteilen aus Messingwerkstoffen erfolgen. Insbesondere schließt die Herstellung von Formteilen einen Warmpressschritt ein. Die mittels Gesenk- (Warmpressen) bzw. Freiformschmieden hergestellten Formteile zeichnen sich im Gegensatz zu den gegossenen Bauteilen durch ein dichtes, homogenes Gefüge, eine bessere Maßhaltigkeit und eine glatte Oberfläche aus. Deshalb sind die durch Warmpressen bzw. Schmieden hergestellten Formteile den gegossenen vorzuziehen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt die Verwendung von Formteilen aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
Sn: 2 bis 8%,
Zn: 2,5 bis 13%,
Pb: weniger als 0,25%,
wahlweise Ni bis maximal 0,6%, wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84%, sowie unvermeidbare Verunreinigungen in Wasser führenden Leitungssystemen ein, wobei die Formteile mindestens durch einen Warmpressvorgang hergestellt sind.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Korrosionsbeständigkeit von metallischen Werkstoffen in erster Linie durch deren Zusammensetzung bestimmt wird. Daneben haben das Herstellverfahren und die Oberflächeneigenschaften maßgeblichen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit der Bauteile. Kupferwerkstoffe mit einem Kupferanteil von mindestens 84 Gewichts-% sowie Legierungsanteilen von Zinn (zwischen 2 und 8 Gewichts-%), Zink (zwischen 2,5 und 13 Gewichts-%) sowie wahlweise bis zu 0,6 Gew.-% Nickel haben eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit in wässriger Umgebung. Deshalb werden aus diesen Werkstoffen Formteile hergestellt, die als Armaturen, Verbinder und Ähnliches in Wasser führenden Leitungssystemen verwendet werden. Gegossene Formteile aus diesen Werkstoffen haben im Allgemeinen ein grobes, nadeliges Korn und eine raue Oberfläche. Ferner sind sie schlecht zerspanbar, weshalb die Beschaffenheit der Gussoberfläche meist belassen wird. Bei durchströmten Bauteilen sind höhere Fließgeräusche und Durchflussbehinderungen die Folge. Durch eine geeignete Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs, vorzugsweise durch elektromagnetisches Rühren, kann jedoch ein feines Korn eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Elemente wie beispielsweise Blei in Anteilen größer 0,25 Gew.-%, Wismut, Bor oder Zirkon hinzulegiert werden müssen. Das feinkörnige Gefüge verbessert die Umformbarkeit des Werkstoffs. Folglich können derartig konditionierte Werkstoffe zur Herstellung von Formteilen verwendet werden, wobei die Herstellung der Formteile in ähnlicher Weise wie die Herstellung von Formteilen aus Messingwerkstoffen erfolgen kann. Insbesondere schließt die Herstellung von Formteilen einen Warmpressschritt ein. Die mittels Gesenk- (Warmpressen) bzw. Freiformschmieden hergestellten Formteile zeichnen sich im Gegensatz zu den gegossenen Bauteilen durch ein dichtes, homogenes Gefüge, eine bessere Maßhaltigkeit und eine glatte Oberfläche aus. Gleichzeitig weisen sie aufgrund des Werkstoffs eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einer Kupfer-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
Sn: 2 bis 8%,
Zn: 2,5 bis 13%,
Pb: weniger als 0,25%,
wahlweise Ni bis maximal 0,6%, wahlweise Phosphor, Rest Cu, jedoch mindestens 84%, sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei das Verfahren mindestens folgende Schritte einschließt:

  • a) Erschmelzen der Legierung
  • b) Stranggießen von Halbzeugen (Stangen, Hohlstangen, Profile oder Draht)
  • c) Ablängen der Halbzeuge zu Pressrohteilen
  • d) Erwärmen der Pressrohteile auf geeignete Temperatur
  • e) Pressen der Pressrohteile im warmen Zustand zu Formteilen.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Bearbeitbarkeit von metallischen Werkstoffen durch deren Zusammensetzung und den Konditionen während der Herstellprozesses bestimmt wird. Kupferwerkstoffe mit einem Kupferanteil von mindestens 84 Gewichts-% sowie Legierungsanteilen von Zinn zwischen 2 und 8 Gewichts-%, Zink zwischen 2,5 und 13 Gewichts-% sowie wahlweise bis zu 0,6 Gew.-% Nickel werden überwiegend zur Herstellung von Formteilen mittels Gießen verwendet. Gussstücke aus diesen Werkstoffen haben im Allgemeinen ein grobes, nadeliges Korn. Durch eine geeignete Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs, vorzugsweise durch elektromagnetisches Rühren, kann jedoch ein feines Korn eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Elemente wie beispielsweise Blei in Anteilen größer 0,25 Gew.-%, Wismut, Bor oder Zirkon hinzulegiert werden müssen. Das feinkörnige Gefüge verbessert die Umformbarkeit des Werkstoffs. Die Herstellung von Formteilen aus derartig konditionierten Werkstoffen kann dann in ähnlicher Weise wie die Herstellung von Formteilen aus Messingwerkstoffen erfolgen. Die Herstellung von Formteilen schließt insbesondere folgende Schritte ein:

  • a) Erschmelzen der Legierung
  • b) Stranggießen von Halbzeugen (Stangen, Hohlstangen, Profile oder Draht)
  • c) Ablängen der Halbzeuge zu Pressrohteilen
  • d) Erwärmen der Pressrohteile auf Temperaturen zwischen 750°C und 850°C
  • e) Pressen der Pressrohteile im warmen Zustand zu Formteilen

Die Temperatur, die im Schritt d) erreicht wird, sollte so gewählt werden, dass der Werkstoff noch nicht in den thixotropen Zustand überführt wird. Die mittels Gesenk-(Warmpressen) bzw. Freiformschmieden hergestellten Formteile zeichnen sich im Gegensatz zu den gegossenen Bauteilen insbesondere durch ein dichtes, homogenes Gefüge, eine bessere Maßhaltigkeit und eine glatte Oberfläche aus.

Die Kaltumformbarkeit von Rotguss ist schlechter als die Kaltumformbarkeit von Messing. Deshalb ist es vorteilhaft, im Verfahrensschritt b) die Halbzeuge so zu dimensionieren, dass zwischen dem Stranggießen in Verfahrensschritt b) und dem Warmpressen in Verfahrensschritt e) keine Kaltumformung erforderlich ist. In besonders vorteilhafter Weise sind die Querschnitte der gegossenen Halbzeuge so zu wählen, dass die aus den Halbzeugen abgelängten Pressrohteile eine für den Warmpressvorgang günstige Form und Größe haben.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Pressrohteile der Legierung vor dem Warmpressvorgang ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße kleiner 1 mm aufweisen. Da zwischen dem Gießen der Halbzeuge in Verfahrensschritt b) und dem Warmpressen in Verfahrensschritt d) vorzugsweise kein Verfahrensschritt liegt, der die Korngröße des Werkstoffs reduziert, sollte die Konditionierung des Werkstoffs während des Schmelz- und Gießvorgangs so erfolgen, dass der Werkstoff bereits im Gusszustand ein Gefüge mit einer mittleren Korngröße kleiner 1 mm aufweist. Je kleiner die Korngröße, desto mehr Korngrenzen stehen während des Warmpressvorgangs als Gleitebenen zur Verfügung. Außerdem verteilt sich die plastische Verformung besser auf die Gesamtheit der Körner. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Rekristallisation des Gefüges in den Umformzonen.

Vorteilhafterweise können die Gussstücke zwischen den Verfahrensschritten b) und d) einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Dadurch wird das Material homogenisiert und die gusstypischen Segregationseffekte und Zweitphasen können beseitigt werden. So kann eine Gefügemorphologie erzielt werden, die der Morphologie eines Knetgefüges nahekommt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Prozessführung können nach dem Verfahrensschritt b) die gegossenen Halbzeuge einer Schälbehandlung zur Entfernung der äußeren Werkstoffschicht unterzogen werden. Dadurch können unerwünschte Verunreinigungen oder Seigerungen, die sich in der Gusshaut befinden können, entfernt werden. Sie beeinträchtigen dann nicht mehr die nachfolgenden Bearbeitungsschritte und die Qualität des Endprodukts kann weiter verbessert werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Formteile nach dem Verfahrensschritt e) durch einen Span abhebenden Prozess bearbeitet werden. Es kann damit die Endkontur des Formteils hergestellt werden. Ferner ist es möglich, die Oberflächenqualität des Formteils zu verbessern. Durch das Warmpressen in Verfahrensschritt e) wird das Gefüge des Werkstoffs sehr feinkörnig und die Zerspanbarkeit wird günstig beeinflusst.

Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispieles sowie der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

1 einen Längsschliff durch einen Gusskörper, anhand dessen die Wirkung der Konditionierung der Schmelze demonstriert wird,

2 ein Diagramm, in welchem die Fließkurven aufgetragen sind, die aus Versuchen mit einem Torsionsplastometer bei 750°C an verschiedenen Rotgussvarianten ermittelt wurden,

3 ein Foto der Bruchflächen von bleihaltigem Rotguss, der ohne Rühren der Schmelze gegossen wurde,

4 ein Foto der Bruchflächen von bleifreiem Rotguss, der ohne Rühren der Schmelze gegossen wurde,

5 ein Foto der Bruchflächen von bleifreiem Rotguss, der mit elektromagnetischem Rühren der Schmelze gegossen wurde.

In einer Präzisionsstranggießanlage wurde eine Schmelze der Zusammensetzung (in Gewichts-%) Sn: 4,5%, Zn: 5,4%, Pb: 0,08%, Ni: 0,4%, P: 0,04%, Rest Cu und unvermeidbaren Verunreinigungen, die unter anderem 0,01 Gew.-% Fe enthalten, zu Stangen mit Durchmesser 24 mm vergossen. Diese Legierung kann als ,bleifreier Rotguss' bezeichnet werden. Zu Beginn des Gießvorgangs wurden keine besonderen Maßnamen zur Konditionierung der Schmelze getroffen. Nachdem eine Stranglänge von ca. 200 cm gegossen war, wurde ohne Unterbrechung des Gießvorgangs mit der Konditionierung der Schmelze mittels elektromagnetischen Rührens begonnen. Auf diese Weise wurde ein Gusskörper erzeugt, an dem der Einfluss des Rührens auf das Gussgefüge direkt demonstriert werden kann. 1 zeigt einen Längsschliff durch den Gusskörper 1. In dem Abschnitt des Gusskörpers, der ohne besondere Konditionierung der Schmelze gegossen wurde, entspricht das Gefüge dem typischen Gussgefüge mit Stängelkristallen 21 und es besteht aus mehreren Millimeter großen, dentritisch erstarrten Körnern. In 1 ist dieser Abschnitt 2 des Gusskörpers 1 im linken Bereich der Figur zu erkennen. Mit Beginn des elektromagnetischen Rührens nimmt die Korngröße innerhalb eines kurzen Übergangsbereichs deutlich ab. In 1 entspricht der mit Bezugsziffer 3 gekennzeichnete Punkt dem Beginn des elektromagnetischen Rührens im Gießvorgang. Der Übergangsbereich, in dem die Korngröße deutlich abnimmt, ist mit Bezugsziffer 31 gekennzeichnet. Nach dem Übergangsbereich 31 schließt sich ein Abschnitt 4 an, in dem ein teils dentritisches, teils globulares Gefüge vorliegt. Die Ausdehnung der dentritisch erstarrten Körner 41 ist ebenso wie die der globularen deutlich geringer als 1 mm. Stängelkristalle treten nicht mehr auf.

Der unter elektromagnetischem Rühren abgegossene, bleifreie Rotguss wurde bei 350°C, 550°C und 750°C geglüht. Bei Glühtemperatur 350°C tritt noch keine signifikante Gefügeänderung ein. Bei 550°C verschwinden die Zweitphasen, die Segregationseffekte sind jedoch weiterhin zu erkennen. Erst bei 750°C verschwinden diese Segregationen, die dentritische Struktur hat sich komplett zugunsten homogener, äquiaxialer Körner aufgelöst. Bei keiner der Wärmebehandlungen trat eine signifikante Kornvergröberung auf. Die Korngröße blieb immer kleiner als 1 mm.

Anhand von Versuchen mit einem Torsionsplastometer konnte gezeigt werden, dass bleifreier Rotguss, dessen Gefüge durch elektromagnetisches Rühren während des Gießvorgangs konditioniert wurde, bei Warmumformung sehr hohe Umformgrade ermöglicht. Bei Umformtemperaturen zwischen 750°C und 850°C wurden Umformgrade bis zu φ = 0,5 erreicht. Bei nach dem Stand der Technik gegossenem bleifreiem Rotguss wurden Umformgrade von maximal φ = 0,15, bei bleihaltigem Rotguss sogar nur Umformgrade von maximal φ = 0,03 erreicht. 2 dokumentiert diese Versuchsergebnisse. Es sind exemplarisch die bei 750°C ermittelten Fließkurven für bleihaltigen Rotguss (Proben 1a und 1b), bleifreien Rotguss (Proben 2a und 2b) und bleifreien Rotguss, der elektromagnetisch gerührt wurde (Proben 3a und 3b), dargestellt. Aufgetragen ist die Fließspannung, berechnet aus dem gemessenen Drehmoment des Torsionsplastometers, gegen den Umformgrad φ, berechnet aus dem Drehwinkel des Plastometers. Ähnlich wie bei Spannungs-Dehnungsdiagrammen gibt es zunächst einen steil ansteigenden Kurvenverlauf, der das elastische Verhalten des Materials wiedergibt. Wenn das Material plastisch zu fließen beginnt, verlaufen die Kurven flacher und gehen in ein näherungsweise waagerechtes Plateau über. Der Bruch der Probe äußert sich schließlich in einem plötzlichen Abfall der Fließspannung.

Die 3 bis 5 zeigen die Bruchflächen der Gusskörper, an denen die Torsionsversuche durchgeführt wurden. 3 zeigt den Probekörper aus bleihaltigem Rotguss als Referenz. Die Stängelkristalle des Gussgefüges sind gut zu erkennen. 4 zeigt den Probekörper aus bleifreiem Rotguss, der ohne Rühren vergossen wurde. Die Bruchflächen unterscheiden sich nur geringfügig von denen des bleihaltigen Rotguss in 3. Auch hier sind die Stängelkristalle des Gussgefüges gut zu erkennen. 5 zeigt den Probekörper aus bleifreiem Rotguss, der unter elektromagnetischem Rühren gegossen wurde. Die Bruchflächen zeigen eine feinkörnige Topologie, Stängelkristalle sind nicht zu erkennen.

Aus dem bleifreien Rotguss, der elektromagnetisch gerührt wurde, wurden mittels Gesenkschmieden (Warmpressen) Formteile für Wasserinstallationen hergestellt. Entgegen aller Erwartung ließ sich, dieser bleifreie Rotguss ohne nennenswerte Probleme mittels Gesenkschmieden zu Hohlkörpern verarbeiten.

Als Alternative zur Konditionierung der Schmelze durch elektromagnetisches Rühren können auch Verfahren wie mechanisches Rühren, Ultraschallanregung, Einblasen von Gas oder ähnliche Methoden, die eine Kornfeinung des Gussgefüges ohne Zugabe von weiteren Legierungsbestandteilen bewirken, angewendet werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • EP 2290114 A1 [0007]
  • EP 1600517 B1 [0008]
  • JP 2005-248303 A [0010]
  • JP 2002-275563 A [0011]
  • JP 2003-013038 A [0011]
  • DE 4324008 C2 [0011]
  • EP 1777307 B1 [0012, 0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • DIN CEN/TS 13388 [0009]
  • DIN 17662 [0009]