DE102009021336B9

DE102009021336B9 - Kupfer-Nickel-Zink-Legierung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102009021336B9
Application number: DE102009021336.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kuhn Hans-Achim; Rudolf Liebsch; Dr. Kudashov Dimitry; Dr. Ringhand Dirk; Werner Scheerer
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2024-04-04
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: CH700999A2; CH700999B1; CH700999B8; DE102009021336B4; DE102009021336A1

Abstract

Werkstoff aus einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gew.-%]:Cu40,0 bis 48,0 %,Ni8,0 bis 14,0 %,Mn4,0 bis 6,5 %,Si0,3 bis 1,0 %,Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen,wahlweise bis zu 1,5 % Al,wahlweise bis zu 2,5 % Pb, wobeider Werkstoff ein aus (α+β)-Phase bestehendes, zweiphasiges Gefüge aufweist, in das Silizide eingelagert sind, und der Flächenanteil der Silizide am Gefüge zwischen 4 % und 10 % liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff aus einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung dieses Werkstoffs.
Legierungen aus Kupfer, Nickel und Zink werden ihrer silberähnlichen Farben wegen als Neusilber bezeichnet. Technisch gebräuchliche Legierungen haben zwischen 47 bis 64 Massen-% Kupfer und zwischen 10 bis 25 Gew.-% Nickel. Bei dreh- und bohrfähigen Legierungen werden üblicherweise bis zu 2,5 Gew.-% Blei als Spanbrecher zugesetzt, bei Gusslegierungen sogar bis zu 9 Gew.-%. Der Rest ist Zink. Hierbei handelt es sich um einphasige Werkstoffe, die lediglich eine α-Phase ausbilden.
Als Beimengungen können handelsübliche Neusilberlegierungen zudem 0,5 bis 0,7 Gew.-% Mangan enthalten, um die Glühbrüchigkeit zu vermindern. Auch wirkt der Manganzusatz desoxidierend und entschwefelnd.
Durch den Nickelanteil verändert sich einerseits die Farbe, ab etwa 12 Gew.-% Nickel haben die Werkstoffe ein reinweißes bis silbergraues Aussehen.
Andererseits werden auch verhältnismäßig gute Korrosionsbeständigkeit und erhöhte Festigkeitswerte erzielt. Allerdings haben Neusilberlegierungen gegenüber Kupfer einen erhöhten elektrischen Widerstand und dementsprechend auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit.
Neusilberlegierungen entsprechen in ihrem Gefügeaufbau etwa den α- bzw. den (α+β)-Messingen, da Nickel praktisch äquivalent Kupfer ersetzt. Von den genormten Kupfer-Nickel-Zink-Knetlegierungen bilden CuNi25Zn15, CuNi18Zn20, CuNi12Zn24, CuNi18Zn19Pb und CuNi12Zn30Pb ein homogenes α-Gefüge aus. Dagegen liegt die zweiphasige Knetlegierung CuNi10Zn42Pb im (α+β)-Gebiet.
Des Weiteren sind auch Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen mit über eine Desoxidationswirkung hinausgehendem wesentlich erhöhtem Mangangehalt bekannt. Beispielsweise weist eine bekannte Legierung CuNi12Zn38Mn5Pb2 einen deutlich geringeren Kupferanteil sowie einen erhöhten Zinkanteil auf. Derartige Legierungen sind wiederum zweiphasige Werkstoffe, bestehend aus α- und β-Phase. Zur besseren Zerspanbarkeit ist in den manganhaltigen Neusilberlegierungen zu einem wesentlichen Anteil das Element Pb als Spanbrecher vorhanden.
Blei macht die Knetlegierungen leichter zerspanbar, verringert jedoch die Zähigkeit und steigert die Warmrissempfindlichkeit während des Glühens. Die Warmumformbarkeit von α-Legierungen wird durch Blei stark beeinträchtigt, so dass diese meist nur kalt umgeformt werden. Dagegen wird die gute Warmumformbarkeit der (α+β)-Legierungen durch Blei nicht wesentlich beeinflusst. Bei neuen Kupferwerkstoffen aus jüngerer Zeit wird aufgrund der Gesetzeslage zunehmend der Elementanteil von Blei reduziert bzw. darauf ganz verzichtet. Die Folge ist, dass durch geringere Bleianteile die Zerspanbarkeit beeinträchtigt wird. Um dem entgegenzuwirken sind neue Ansätze und Lösungen erforderlich.
Auch in der Patentliteratur sind bereits Neusilberlegierungen mit Mangan beschrieben. Beispielsweise sind aus der Druckschrift EP 1 608 789 B1 Neusilberlegierungen der Zusammensetzung 43 bis 48 % Cu, 33 bis 38 % Zn, 10 bis 15 % Ni und 3,5 bis 6,5 % Mn bekannt. Wahlweise kann noch bis zu 4 % Pb enthalten sein. Durch einen Bleizusatz soll immer eine bessere Zerspanbarkeit bewirkt werden. Zunächst wird die zweiphasige Legierung mit (α + β)-Struktur einer Warmumformung unterzogen und anschließend eine Temperaturbehandlung bevorzugt im Bereich von 630 bis 720°C durchgeführt. Durch diese Temperaturbehandlung findet eine Umwandlung der Legierung in eine reine α-Struktur statt. Diese Struktur eignet sich dann für weitere Kaltumformschritte, bei denen beispielsweise Spitzen für Schreibinstrumente hergestellt werden. Allerdings wird dabei eine spanende Bearbeitung, wie beispielsweise Bohren, nur mit einem Bleizusatz wirtschaftlich sinnvoll sein.
Aus der Druckschrift EP 0 222 004 B1 sind Kupferlegierungen der Zusammensetzung 43 bis 57 % Cu, 23 bis 37 % Zn, 7 bis 13 % Ni und 7 bis 13 % Mn bekannt, die zudem noch 0,05 bis 2 % Si enthalten. Die Legierung soll in Form von Drahtmaterial, Streifen, Pulver oder Paste zum Hartlöten Verwendung finden. Eine für Drahtmaterial bevorzugte Zusammensetzung ist 55 % Cu, 8 % Ni, 12 % Mn, 0,15 % Si, Rest Zn. Dieses Lotmaterial wird bevorzugt dazu verwendet, Materialien karbidischer Zusammensetzung mit Stahl zu verbinden. Hierzu wird das Lot zwischen die zu verbindenden Teile eingelegt und über seiner Schmelztemperatur mit dem Fügepartner verbunden.
Auch sind aus der Druckschrift CH 298973 Kupferlegierungen der Zusammensetzung 15 bis 50 % Cu, 10,2 bis 18 % Ni und 0,1 bis 15 % Mn bekannt, die zudem noch 0,1 bis 1 % Si, Rest Zn enthalten. Des Weiteren sind aus dieser Legierungsgruppe die Druckschriften JP 01177327 AA, CH 298973 sowie DE 1 120 151 A bekannt, gemäß denen Silicium bevorzugt und lediglich zu geringen Anteilen als Desoxidationsmittel und zur Verbesserung der Gießbarkeit zugegeben wird.
Weitere Kupfer-Zink-Legierungen für Halbzeuge und Gegenstände, die hoch belastet und extrem auf Verschleiß beansprucht werden und einen hohen Reibungsbeiwert aufweisen, insbesondere für Synchronringe, sind aus der Druckschrift DE 43 39 426 C2 bekannt. Diese Legierungen bestehen aus 41-65 % Cu, über 8 bis 25 % Ni, 2,5-5 % Si, 1-3 % AI, 0-3 % Fe, 0-2 % Mn, 0-2 % Pb, Rest Zink sowie unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei das Verhältnis Ni:Si = 3:1 bis 5:1 beträgt. Das Gefüge besteht wenigstens zu 75 % aus β-Anteilen, der Rest sind α-Anteile. Neben diesen Phasen sind Nickelsilizide als vorwiegend rundliche intermetallische Phasen ausgebildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstoffe aus Neusilberlegierungen bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Bearbeitbarkeit weiterzuentwickeln.
Die Erfindung wird bezüglich eines Werkstoffs durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben, bezüglich einer Verwendung des Werkstoffs durch die Merkmale des Anspruchs 4. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt einen Werkstoff aus einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% ein:

Cu 40,0 bis 48,0 %,

Ni 8,0 bis 14,0 %,

Mn 4,0 bis 6,5 %,

Si 0,3 bis 1,0 %,

Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen,

wahlweise bis zu 1,5 % Al,

wahlweise bis zu 2,5 % Pb, wobei

der Werkstoff ein aus (α+β)-Phase bestehendes, zweiphasiges Gefüge aufweist, in das Silizide eingelagert sind, und wobei der Flächenanteil der Silizide am Gefüge zwischen 4 % und 10 % liegt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das Gefüge von Neusilber-Werkstoffen durch Zulegieren von Silicium so variiert wird, dass Hartphasen aus Siliziden gebildet werden. Prinzipiell wird zur Verbesserung des Kalt- und Warmumformvermögens und zur Steigerung der Festigkeit Mangan zulegiert. Zudem wirkt Mangan desoxidierend und entschwefelnd. Silicium bildet bei gleichzeitiger Anwesenheit von Mangan und Nickel Mischsilizide der ungefähren Zusammensetzungen (Mn, Ni)₃Si und (Mn, Ni)₄Si. Bei der erfindungsgemäßen Neusilberlegierung bindet Silicium die Elemente Nickel und Mangan nur zum Teil in Form der oben beschriebenen Silizide ab. Je nach Zusammensetzung und Prozessführung bei der Herstellung und Bearbeitung können auch in der Stöchiometrie etwas abweichende Mischsilizide entstehen, die beispielsweise auch geringe Anteile anderer Legierungselemente wie Kupfer und Zink enthalten können. Silizide als intermetallische Verbindungen besitzen mit ca. 800 HV eine deutlich höhere Härte als die α- und β-Phase des Matrixgefüges. Die Kristallstrukturen der Silizide sind in der Regel nicht kubischflächenzentriert, sondern hexagonal, tetragonal oder orthorhombisch. Die manganhaltigen Silizide sind in Neusilberlegierungen wegen ihrer hohen Härte verschleißbeständige Gefügebestandteile und leisten bei Gleitanwendungen einen hohen Traganteil während der Reibung in einer konstruktiv bedingten Werkstoffpaarung.
Für eine kostengünstige Fertigung wird Neusilber mit einem hohen Elementanteil an Zink und einem vergleichsweise niedrigen Gehalt an Nickel und Kupfer bevorzugt. Diese Werkstoffe besitzen ein zweiphasiges Basisgefüge aus gut kalt umformbarer α-Phase und gut warm umformbarer β-Phase. Blei ist wahlweise als Span brechender Gefügebestandteil in kleinsten Tröpfchen im Gefüge verteilt.
Dies macht die Knetlegierung leichter zerspanbar, wobei eine gute Warmumformbarkeit der zweiphasigen Legierung durch Blei nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Wahlweise zugesetztes Aluminium erhöht die Korrosionsbeständigkeit und verbessert zudem die Festigkeit des Werkstoffs.
Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Werkstoffs sind bezüglich seiner mechanischen Eigenschaften und seiner Bearbeitbarkeit zusammenfassend wie folgt zu nennen:

• kostengünstige Neusilberlegierung durch hohen Zinkanteil;
• Zugfestigkeit von über 700 MPa;
• Kaltumformvermögen von wenigstens 40%;
• gute Zerspanbarkeit auch ohne Bleizusatz;
• Möglichkeit zur endmaßnahen Formgebung durch Warmumformung;
• helle, silberähnliche Farbe.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupfer-Nickel-Zink-Legierung folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweisen:

Cu 42,0 bis 45,0 %,

Ni 10,0 bis 12,0 %,

Mn 4,0 bis 6,0 %,

Si 0,3 bis 1,0 %,

Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Mit einem Zinkanteil von ungefähr 35 bis 44 Gew.-% wird eine kostengünstige und gut bearbeitbare Legierung geschaffen. Gegebenenfalls unterstützt wahlweise zugegebenes Blei die Zerspanbarkeit. Zudem wird durch höhere Zinkgehalte der Schmelzbereich herabgesetzt.
Die Kupfer-Nickel-Zink-Legierung weist folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf:

Cu 40,0 bis 48,0 %,

Ni 8,0 bis 14,0 %,

Mn 4,0 bis 6,5 %,

Si 0,3 bis 1,0 %,

Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Der Gewichtsanteil des Siliciums bestimmt letztendlich das Ausmaß der Silizidbildung. Um einen besonders günstigen Silizidanteil zu erhalten, sollte der Siliciumanteil nicht unter 0,3 Gew.-% liegen. Über 1 Gew.-% kann die gebildete Silizidphase bereits die Umformbarkeit beeinflussen. Insgesamt kann über den bevorzugten Siliciumanteil letztendlich ein auf die mechanischen Eigenschaften optimierter Werkstoff in Verbindung mit einer guten Bearbeitbarkeit geschaffen werden. Silicium bindet dabei Mangan und Nickel nur zum Teil zu Mischsiliziden der ungefähren Zusammensetzungen (Mn, Ni)₃Si und (Mn, Ni)₄Si ab. Der Gewichtsanteil des Siliciums im Silizid beträgt hierbei ungefähr 12 bis 16 Gew.-%, die Elemente Mangan und Nickel stehen immer im Überschuss zur Verfügung.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Kupfer-Nickel-Zink-Legierung folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweisen:

Cu 42,0 bis 45,0 %,

Ni 10,0 bis 12,0 %,

Mn 4,0 bis 6,0 %,

Si 0,3 bis 1,0 %,

Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Insgesamt kann über den bevorzugten Siliciumanteil ein auf die mechanischen Eigenschaften optimierter Werkstoff in Verbindung mit einer guten Bearbeitbarkeit gefunden werden. Mit einem vergleichsweise hohen Zinkanteil wird zudem eine kostengünstige und gut bearbeitbare Legierung geschaffen.
Vorteilhafterweise können in der Neusilberlegierung Mangansilizide als auch weitere Mischsilizide eingelagert sein. Neben den oben genannten komplexen Mischsilizidphasen kommt als Mangansilizidphase beispielsweise Mn₅Si₃ in Betracht. Jede Art der Silizidausbildung leistet einen positiven Beitrag zu den mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung.
Der Flächenanteil der Silizide am Gefüge liegt zwischen 4 % und 10 %. Hierdurch liefern die gegenüber der Matrix härteren Silizide einen wesentlichen Traganteil, wodurch ein deutlich verbessertes Verschleißverhalten bewirkt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die mittels eines Nanointenders gemessene Härte der Silizide 4 bis 6 mal härter sein als die Härte der α- und β-Phase. Dies kann mittels Härteeindrücken eines Nanointenders bestimmt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der erfindungsgemäße Werkstoff aus einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung für Schreibgeräte verwendet werden.
Hochwertigere Minenspitzen für Kugelschreiber werden nicht zuletzt aus ästhetischen Gründen aus Neusilber hergestellt. Diese werden hierbei aus zerspanbarem Neusilber-Drahtmaterial als Knetwerkstoff gefertigt. Zur Herstellung von Kugelschreiberminen werden ungefähr 15 bis 20 mm lange Drahtabschnitte durchgängig zentrisch gebohrt. In die Spitze wird eine stufige Kontur eingebracht, dass eine Kugel aus Wolframcarbid eingedrückt und durch ein abschließendes Crimpen so fixiert wird, dass sie ohne Spiel rotieren kann, aber sich nicht aus der Minenspitze löst. Hierzu muss die Neusilberlegierung ein Kaltumformvermögen von wenigstens 40 % aufweisen, um ein rissfreies Crimpen der Spitze um die Kugel zu ermöglichen. Der Tintenverbrauch eines Kugelschreibers wird durch den Verschleiß des Kugelsitzes durch den Ball aus Wolframcarbid bestimmt. Der Werkstoff sollte demnach auch gegenüber Tinte korrosionsbeständig sein. Sowohl das erforderliche Kaltumformvermögen als auch die Korrosionsbeständigkeit wird von der erfindungsgemäßen Neusilberlegierung gewährleistet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
Für die Untersuchungen wurden drei Legierungszusammensetzungen BA, BB und BC eines α-β-Neusilbers im Tammann-Ofen zu ca. 25 mm x 60 mm x 100 mm Blöcken vergossen (siehe Tabelle 1). Tabelle 1 : Chemische Zusammensetzung in Gew.-%.

Cu Zn Ni Mn Pb Si

BA 43,5 37 12 5,2 1,8 -

BB 43 37 12 5,2 1,8 0,6

BC 44,3 37,6 12,3 5,2 - 0,6
Die Gussrohlinge wurden an 20 mm gefräst und anschließend bei 800 °C an 15 mm Streifendicke warm gewalzt. Bereits in diesem Zwischenzustand verbessert Silicium signifikant die Härte. Während der siliciumfreie Vergleichswerkstoff BA eine Härte HV10 von 118 besitzt, werden mit den beiden siliciumhaltigen Varianten BB und BC Härten HV10 von 140 bzw. 142 erzielt. Die an 12 mm gefrästen Warmwalzstreifen wurden anschließend mit einem Kaltumformgrad von 33 % kaltgewalzt. Jeweils eine Hälfte einer Legierungszusammensetzung wurde 3 Stunden bei 450 °C geglüht, die andere Hälfte wurde 3 h bei 650 °C weichgeglüht und abschließend nochmals mit einem Kaltumformgrad von 55 % an 5,8 mm kaltgewalzt. Wahlweise kann bei 300 °C spannungsarm geglüht werden.
Tabelle 2 enthält die nach der zweiten Kaltumformstufe erzielten mechanischen Eigenschaften: Tabelle 2:

HV10 Rp0,2 /MPa Rm/MPa A5/%

BA 215 645 760 6

BB 221 641 771 2

BC 240 680 820 6
Die erreichten Festigkeiten übertreffen die Zielvorgabe deutlich. Die siliciumhaltigen Varianten BB und BC sind härter als der siliciumfreie Vergleichswerkstoff BA.
Gefüge der Si-haltigen Werkstoffe
Die im Gefüge eingelagerten Silizide nehmen einen Flächenanteil von ca. 5 bis 10 % ein. An groben Siliziden der Varianten BB und BC wurde mit energiedispersiver Röntgenanalyse im Rasterelektronenmikroskop das Verhältnis der Elemente Si:Mn:Ni zu 1:1:3 ermittelt. Die Summe der Atomprozente an Mangan und Nickel im Verhältnis zu Silizium ist ungefähr 4,1 bis 4,2. Der Gewichtsanteil des Siliziums ist ungefähr 12 bis 13 %. Im Sinne eines verschleißbeständigen Werkstoffs ist der Flächenanteil der Silizide am Gefüge gleichbedeutend mit einem verschleißbeständigen Traganteil des Gefüges. Das Gefüge der Matrix verteilt sich neben Ni-Mn-Mischsiliziden in gleichen Anteilen auf die α-Phase und β-Phase.
Mittels Härteeindrücken eines Nanointenders (Modell XP, Modus CSM) wurden Härte und E-Modul der α-Phase, β-Phase und der Silizide bis zu einer Eindringtiefe von 300 nm aus jeweils fünf Messungen ermittelt. Mit diesem Verfahren wurde nachgewiesen, dass die Silizide ca. 5 bis 6 mal härter als die beiden Hauptbestandteile des Gefüges sind (siehe Tabelle 3). Tabelle 3: Ergebnisse der Härtemessungen mit Nanointender

Härte [GPa] E-Modul [GPa]

α-Phase 2,2 121

β-Phase 2,7 134

(Mn,Ni)-Silizid 13,9 237
Ausführungbeispiel einer Drahtfertigung
Warmpressbare zylindrische Blöcke der chemischen Zusammensetzung BB mit Durchmesser 150 mm und 300 mm Länge wurden in Standkokillen gegossen. Die oxydierte Gusshaut wurde durch Überdrehen entfernt. Mittels Strangpressen bei 730 bis 750 °C wurden Drähte mit Durchmesser 4,3 mm ausgepresst. Das sehr günstige Umformverhältnis aus Blockquerschnitt und Drahtquerschnitt von 600:1 ist ohne Pressfehler trotz des Bleianteils jederzeit möglich. Die Oberfläche der Pressdrähte ist glatt. Dieses siliziumhaltige Neusilber ließ sich überraschenderweise ausgesprochen leicht Warmpressen. Anschließend wurden die Drähte in zwei Schritten an 3,5 mm Drahtdurchmesser gezogen. Dabei wurde eine Zugfestigkeit von 800 MPa bei einer Duktilität A10 von 1,6 % erzielt. Die Härte HV10 ist 230.
Eine Gefügeanalyse ergab eine Silizidphase vom Typ (Mn, Ni)₃Si folgender Zusammensetzung [in at-%]: Ni52-Mn20-Si24-Cu2.5-Zn1.3. Für die weiteren Phasen wurde die Zusammensetzung Cu49-Zn36-Ni10-Mn4 (α-Phase) und Cu41-Zn35-Ni14-Mn7-Si4 (β-Phase) ermittelt.
Das logarithmische Umformvermögen ist mit dem zweiphasigen Pressgefüge mit φ=0,4 erschöpft. Durch eine dreistündige Glühung zwischen 650 und 750 °C wird jedoch ein sehr gut kaltumformbares Rekristallisationsgefüge ausgebildet. Somit ist es möglich, einen Pressdraht mit maximal zwei Kaltumformschritten und nur einer Zwischenglühung kostengünstig an das gewünschte Endmaß mit Drahtdurchmesser 2,25 mm zu fertigen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Draht aus der bleifreien Legierung BC hergestellt. Ausgangsmaterial ist wieder ein warm pressbarer zylindrischer Gussblock mit Durchmesser 150 mm und einer Länge von 300 mm. Die optimale Warmpresstemperatur liegt bei ungefähr 750 °C. Das Warmumformvermögen ist, wie bei dem bleihaltigen Werkstoff, sehr gut. Mit einem Pressdrahtdurchmesser von 6 mm wird mit einem Umformverhältnis von 900:1 gepresst. Anschließend findet eine Glühung bei 650 °C/3h statt. Damit soll das Gefüge auf den nachfolgenden Kaltumformschritt Ziehen vorbereitet werden. Das Kaltumformvermögen ist allerdings begrenzt. Praktischerweise werden Drahtquerschnitte um einen logarithmischen Umformgrad von ungefähr 0,4 reduziert. Der fertig gezogene Draht mit Durchmesser 2,25 mm wird abschließend bei 250 bis 300 °C spannungsarm geglüht.
Zerspanungsverhalten
Mit HSS-Bohrer mit einem Durchmesser von 0,3 mm wurden Platten nach der ersten Kaltumformung gebohrt. Der Vorschub betrug 30 mm/min, die Schnittgeschwindigkeit war 28 m/min bei 3000 Umdrehungen pro min. Aus den siliciumhaltigen Proben wurden kurze Wendel- und Bröckelspäne herausgearbeitet.
Drehversuche wurden mit Wendeschneidplatten aus Hartmetall durchgeführt. Die Spantiefe war 0,3 mm, bei einem Vorschub von 0,04 mm und einer Schnittgeschwindigkeit von 47 m/min. Der bleihaltige Werkstoff lässt sich ohne Weiteres zerspanen. Bleifreie Varianten können mit speziell auf diese Werkstoffe angepassten Zerspanungswerkzeugen bearbeitet werden.
In Längsrichtung wurden in ziehharten Drähten der Variante BB mit Durchmesser 3,5 mm auf einer Länge von 15 mm Löcher mit 1 mm Durchmesser gebohrt. Das Gefüge der Matrix liegt zweiphasig vor. Auf Grund der zahlreichen spröden Silizide ist der Bohrstaub sehr feinkörnig. Offensichtlich wirken neben den Bleitröpfchen auch die Mn-Ni-Silizide spanbrechend.
Verschleißverhalten
Mit einem Scheibe-Scheibe-Tribometer wurde das Verschleißverhalten der bleihaltigen Legierungen BA, BB und der bleifreien Legierung BC verglichen. Das Belastungskollektiv wurde der Reib- und Verschleißsituation in der Kugelschreibermine angepasst. Scheiben der Werkstoffe BA, BB und BC wurden gegen eine Kugel aus Wolframcarbid bewegt. Der Kugeldurchmesser war 3 mm. Mit einer Drehbewegung von 1,2 m/sec und einer Normalkraft von 10 N betrug die Hertz'sche Flächenpressung ungefähr 1500 N/mm². Die Werkstoffe Neusilber und Wolframcarbid wurden in einem Reservoir aus Kugelschreibertinte gegeneinander bewegt. Der Gleitweg wurde auf 10 km festgelegt. Dies entspricht ungefähr der Schreibleistung, die von einer Kugelschreibermine erwartet wird. Pro Gleitpaarung wurden drei Versuche durchgeführt.
Die Reibspuren in den Scheiben aus Neusilber wurden optisch und mechanisch vermessen. Die Kugeln aus WC wiesen keinerlei Verschleiß auf. An dem siliciumfreien und bleihaltigen Werkstoff BA verursacht dagegen der Verschleiß Spurtiefen bis 9 µm. Überraschenderweise konnte insbesondere die bleifreie und siliciumhaltige Variante BC nicht verschlissen werden.

Claims

Werkstoff aus einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung mit folgender Zusammensetzung [in Gew.-%]: Cu 40,0 bis 48,0 %, Ni 8,0 bis 14,0 %, Mn 4,0 bis 6,5 %, Si 0,3 bis 1,0 %,

Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wahlweise bis zu 1,5 % Al, wahlweise bis zu 2,5 % Pb, wobei der Werkstoff ein aus (α+β)-Phase bestehendes, zweiphasiges Gefüge aufweist, in das Silizide eingelagert sind, und der Flächenanteil der Silizide am Gefüge zwischen 4 % und 10 % liegt.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mangansilizide als auch weitere Mischsilizide eingelagert sind.
Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der Silizide 4 bis 6 mal härter ist als die Härte der α- und β-Phase.
Verwendung eines Werkstoffs aus einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung für Schreibgeräte, wobei die Kupfer-Nickel-Zink-Legierung folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist: Cu 40,0 bis 48,0 %, Ni 8,0 bis 14,0 %, Mn 4,0 bis 6,5 %,

Si 0,3 bis 1,0 %,

Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wahlweise bis zu 1,5 % AI, wahlweise bis zu 2,5 % Pb, und wobei der Werkstoff ein aus (α+β)-Phase bestehendes, zweiphasiges Gefüge aufweist, in das Silizide eingelagert sind, und der Flächenanteil der Silizide am Gefüge zwischen 4 % und 10 % liegt.
Verwendung eines Werkstoffs aus einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung nach Anspruch 4, wobei die Kupfer-Nickel-Zink-Legierung folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweist: Cu 42,0 bis 45,0 %, Ni 10,0 bis 12,0 %, Mn 4,0 bis 6,0 %, Si 0,3 bis 1,0 %,

Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Verwendung eines Werkstoffs aus einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mangansilizide als auch weitere Mischsilizide eingelagert sind.
Verwendung eines Werkstoffs aus einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der Silizide 4 bis 6 mal härter ist als die Härte der α- und β-Phase.