DE102022002927B4 - Wrought material made of a copper-zinc alloy, semi-finished product made of a wrought material and process for producing such a semi-finished product - Google Patents
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Abstract
Knetwerkstoff aus einer Kupfer-Zink-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:Cu:58,0 bis 63,0 %,Si:0,04 bis 0,32 %,P:0,05 bis 0,20 %,Sn:optional bis zu 0,25 %,AI:optional bis zu 0,10 %,Fe:optional bis zu 0,30 %,Ni:optional bis zu 0,30 %,Pb:optional bis zu 0,25 %,Te, Se, Inoptional jeweils bis zu 0,10 %,Bi:maximal 0,009 %,Rest Zn und unvermeidbare Verunreinigungen,wobei der Anteil an unvermeidbaren Verunreinigungen weniger als 0,2 Gew.-% beträgt,wobei das Verhältnis der Gewichtsanteile von P und Al mindestens 1,0 beträgt,wobei der Knetwerkstoff ein Gefüge aus globularer α-Phase, β-Phase und Phosphid-Partikeln aufweist und der Anteil der β-Phase an der Summe aus α-Phase und β-Phase mindestens 20 Vol.-% und höchstens 70 Vol.-% beträgt,wobei Si sowohl in der α-Phase als auch in der β-Phase vorhanden ist, wobei in einer Fläche von 21000 µm27 bis 200 Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser 0,5 bis 1 µm, 4 bis 150 Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser 1 bis 2 µm und maximal 30 Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser von mehr als 2 µm vorhanden sind.Wrought material made of a copper-zinc alloy with the following composition in weight percent:Cu: 58.0 to 63.0%,Si: 0.04 to 0.32%,P: 0.05 to 0.20%,Sn: optionally up to 0.25%,AI: optionally up to 0.10%,Fe: optionally up to 0.30%,Ni: optionally up to 0.30%,Pb: optionally up to 0.25%,Te, Se, Inoptionally up to 0.10% each,Bi: maximum 0.009%, balance Zn and unavoidable impurities,wherein the proportion of unavoidable impurities is less than 0.2% by weight,wherein the ratio of the weight proportions of P and Al is at least 1.0,wherein the wrought material has a structure of globular α-phase, β-phase and phosphide particles and the proportion of β-phase of the sum of α-phase and β-phase is at least 20 vol.% and at most 70 vol.%, wherein Si is present in both the α-phase and the β-phase, wherein in an area of 21000 µm27 to 200 phosphide particles with an equivalent diameter of 0.5 to 1 µm, 4 to 150 phosphide particles with an equivalent diameter of 1 to 2 µm and a maximum of 30 phosphide particles with an equivalent diameter of more than 2 µm are present.
Description
Die Erfindung betrifft einen Knetwerkstoff aus einer Kupfer-Zink-Legierung zur Herstellung von draht-, rohr- oder stangenförmigem Halbzeug, Halbzeug aus einem solchen Knetwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung von solchem Halbzeug.The invention relates to a wrought material made of a copper-zinc alloy for producing wire-, tube- or rod-shaped semi-finished products, to semi-finished products made of such a wrought material and to a method for producing such a semi-finished product.
Kupfer-Zink-Legierungen mit 3 bis 5 Gew.-% Blei sind hervorragend zerspanbar und darüber hinaus sehr gut warm- und kaltumformbar. Bleihaltige Kupfer-Zink-Legierungen werden deshalb in einer Vielzahl an Anwendungen eingesetzt, beispielsweise für Verbindungen und Komponenten in der Automobilindustrie, in der Gebäudetechnik, im Maschinenbau, in Elektrogeräten und in elektronischen Bauelementen, in der Telekommunikation und als Fittinge in Wasserinstallationen.Copper-zinc alloys with 3 to 5 wt.% lead are extremely easy to machine and also very easy to hot and cold form. Lead-containing copper-zinc alloys are therefore used in a wide range of applications, for example for connections and components in the automotive industry, in building technology, in mechanical engineering, in electrical appliances and electronic components, in telecommunications and as fittings in water installations.
Die positive Wirkung von Blei in Kupfer-Zink-Knetlegierungen basiert darauf, dass Blei elementar als Partikel im Gefüge vorliegt und diese Partikel als Spanbrecher wirken. Bei der Zerspanung liegt Blei infolge der starken lokalen Verformung im Werkstück und der daraus folgenden lokalen Temperaturerhöhung als flüssige Phase vor. Da das Blei im flüssigen Zustand keine Spannungen aufnehmen kann, führt dies zu einer Spannungskonzentration an der lastübertragenden, geschwächten Matrix und damit zu einem leichteren Spanbruch. Zusätzlich wird Blei bei der Zerspanung in die tribologische Schicht zwischen Werkstoff und Werkzeug mit eingebaut und führt so zu einer effektiven Schmierung und damit einer Verringerung von Reibung und Verschleiß. Ferner wirkt sich Blei aufgrund der geringen Löslichkeit kaum auf die elektrische Leitfähigkeit aus. Dies ist insbesondere für Werkstoffe vorteilhaft, die in elektrischen Anwendungen eingesetzt werden. Darüber hinaus ist bekannt, dass Blei bei Kupfer-Zink-Legierungen eine deutliche Kornfeinung bewirkt. Dies ist günstig für die Geradheit und Maßhaltigkeit von insbesondere stangenförmigem Halbzeug. Eine hohe Maßhaltigkeit wird auch beim Crimpen von Elektronikdrähten benötigt. Darüber hinaus hat Blei einen niedrigen Preis.The positive effect of lead in wrought copper-zinc alloys is based on the fact that lead is present in elemental form as particles in the structure and these particles act as chip breakers. During machining, lead is present as a liquid phase due to the strong local deformation in the workpiece and the resulting local increase in temperature. Since lead cannot absorb stress in its liquid state, this leads to a stress concentration on the load-bearing, weakened matrix and thus to easier chip breakage. In addition, lead is incorporated into the tribological layer between the material and the tool during machining and thus leads to effective lubrication and thus a reduction in friction and wear. Furthermore, due to its low solubility, lead has little effect on electrical conductivity. This is particularly advantageous for materials used in electrical applications. In addition, it is known that lead causes significant grain refinement in copper-zinc alloys. This is beneficial for the straightness and dimensional accuracy of rod-shaped semi-finished products in particular. High dimensional accuracy is also required when crimping electronic wires. In addition, lead has a low price.
Allerdings ist Blei schädigend für die Umwelt. Blei reichert sich bei Aufnahme kleinster Mengen im menschlichen Körper an und kann zu gesundheitlichen Schäden führen. Deshalb haben die EU, die USA, China und andere Staaten die Grenzwerte in Kupferlegierungen immer weiter reduziert und der Ersatz von bleihaltigem Messing durch bleireduzierte oder bleifreie zerspanbare Kupferlegierungen wird angestrebt. Grenzwerte werden im Rahmen von EU-Direktiven vorgegeben wie beispielsweise der RoHS (Richtlinie
Aus einer Vielzahl von Druckschriften ist bekannt, Wismut (Bi) als Alternative zu Blei zu verwenden, um die Zerspanbarkeit zu verbessern. Um das Problem der Filmbildung von Bi entlang der Korngrenzen und damit einhergehender Spannungsriss- und Warmrissanfälligkeit zu mildern, wird das Zulegieren weiterer Elemente vorgeschlagen. Hierzu wird insbesondere auf die Druckschriften
Des Weiteren sind aus der Druckschrift
Der Ersatz von Blei durch Phosphor, welcher in der Legierung spröde Phosphide bildet, wird ferner in der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Knetwerkstoff aus einer Kupfer-Zink-Legierung bereitzustellen, der eine hervorragende Zerspanbarkeit insbesondere beim Bohren, eine gute elektrische Leitfähigkeit und einen möglichst geringen Gehalt an ökologisch bedenklichen Legierungsbestandteilen aufweist. Ferner soll der Werkstoff in industriellem Maßstab gut verarbeitet werden können. Dies erfordert, dass die dem Werkstoff zugrunde liegende Legierung gut warmumgeformt werden kann, beispielsweise durch Strangpressen, dass sie gut kaltumformbar ist, beispielsweise durch Ziehen oder durch Crimpen, und dass aus dem Werkstoff gefertigtes Halbzeug eine exzellente Geradheit und eine sehr gute Maßhaltigkeit aufweist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines draht-, rohr- oder stangenförmigen Halbzeugs aus einem solchen Werkstoff anzugeben.The invention is based on the object of providing a wrought material made of a copper-zinc alloy which has excellent machinability, particularly when drilling, good electrical conductivity and the lowest possible content of ecologically harmful alloy components. Furthermore, the material should be easy to process on an industrial scale. This requires that the alloy on which the material is based can be easily hot-formed, for example by extrusion, that it can be easily cold-formed, for example by drawing or crimping, and that semi-finished products made from the material have excellent straightness and very good dimensional stability. The invention is also based on the object of specifying a method for producing a wire-, tube- or rod-shaped semi-finished product from such a material.
Die Erfindung wird bezüglich eines Knetwerkstoffs durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich eines Herstellverfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 16 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.The invention is represented with respect to a wrought material by the features of claim 1 and with respect to a manufacturing method by the features of claim 16. The further dependent claims relate to advantageous embodiments and developments of the invention.
Die Erfindung betrifft einen Knetwerkstoff aus einer Kupfer-Zink-Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichts-%:
Rest Zn und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei der Anteil an unvermeidbaren Verunreinigungen weniger als 0,2 Gew.-% beträgt. Das Verhältnis der Gewichtsanteile von P und AI beträgt mindestens 1,0. Der Knetwerkstoff weist ein Gefüge aus globularer α-Phase, β-Phase und Phosphid-Partikeln auf. Der Anteil der β-Phase an der Summe aus α-Phase und β-Phase beträgt mindestens 20 Vol.-%, bevorzugt mindestens 30 Vol.-%, und höchstens 70 Vol.-%, bevorzugt höchstens 50 Vol.-%. Silicium ist sowohl in der α-Phase als auch in der β-Phase vorhanden. In einer Fläche von 21000 µm2 sind 7 bis 200 Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser 0,5 bis 1 µm, 4 bis 150 Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser 1 bis 2 µm und maximal 30 Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser von mehr als 2 µm vorhanden.The remainder is Zn and unavoidable impurities, the proportion of unavoidable impurities being less than 0.2% by weight. The ratio of the weight proportions of P and Al is at least 1.0. The wrought material has a structure of globular α-phase, β-phase and phosphide particles. The proportion of the β-phase in the sum of the α-phase and β-phase is at least 20% by volume, preferably at least 30% by volume, and at most 70% by volume, preferably at most 50% by volume. Silicon is present in both the α-phase and the β-phase. In an area of 21000 µm 2 there are 7 to 200 phosphide particles with an equivalent diameter of 0.5 to 1 µm, 4 to 150 phosphide particles with an equivalent diameter of 1 to 2 µm and a maximum of 30 phosphide particles with an equivalent diameter of more than 2 µm.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, die Anteile von Pb in der dem Werkstoff zugrunde liegenden Kupfer-Zink-Legierung möglichst weit zu reduzieren, ohne die Zerspanbarkeit des Werkstoffs zu verschlechtern. Zu diesem Zweck werden der Legierung gezielt Si und P zulegiert und der Anteil der β-Phase so eingestellt, dass sich einerseits günstige Zerspanungseigenschaften insbesondere beim Bohren sowie eine hohe Leitfähigkeit ergeben, andererseits die Warm- und Kaltumformbarkeit des Werkstoffs nicht verschlechtert wird, und dass das aus dem Werkstoff hergestellte Halbzeug eine exzellente Geradheit aufweist. Darüber hinaus wird die Prozessführung insbesondere beim Gießen und beim Warmumformen so gewählt, dass die gewünschten Eigenschaften resultieren.The invention is based on the idea of reducing the proportion of Pb in the copper-zinc alloy on which the material is based as far as possible without impairing the machinability of the material. For this purpose, Si and P are specifically added to the alloy and the proportion of the β phase is adjusted so that, on the one hand, favorable machinability properties, particularly when drilling, and high conductivity are achieved, and on the other hand, the hot and cold formability of the material is not impaired and the semi-finished product made from the material has excellent straightness. In addition, the process control, particularly during casting and hot forming, is selected so that the desired properties result.
Eine globulare α-Phase ist Voraussetzung für eine gute Geradheit und Maßhaltigkeit des Halbzeugs. A-Phase bildet sich nach der Warmumformung aus der β-Phase. Deshalb muss die β-Phase im Gusszustand feinkörnig vorliegen. Überraschend hat sich gezeigt, dass eine feinkörnige β-Phase im Gusszustand durch gleichmäßig fein verteilte kupfer- und/oder zinkhaltige Phosphide begünstigt wird. Bei der Primärkristallisation der β-Kristallite reichert sich die Restschmelze mit P an und führt dadurch zu einer Unterteilung der β-Phase. Bei der Erstarrung bildet sich ein Eutektikum aus Phosphid und β-Phase. Zusätzlich zur Kornfeinung der Grundmatrix aus β-Phase wird eine Kornfeinung der α-Kristallite beobachtet. Diese Kornfeinung des Gussgefüges durch P erleichtert die Warmumformung, setzt sich ins Gefüge nach der Warmumformung fort und führt folglich zu einer Kornfeinung im Endzustand. Bei einem P-Anteil von mindestens 0,05 Gew.-% sind Phosphid-Partikel in der β-Phase im Endzustand vorhanden. Bei einem P-Gehalt von mehr als 0,20 Gew.-% ist die Duktilität der Legierung gering.A globular α-phase is a prerequisite for good straightness and dimensional stability of the semi-finished product. A-phase is formed from the β-phase after hot forming. Therefore, the β-phase in the as-cast state must fine-grained. Surprisingly, it has been shown that a fine-grained β-phase in the as-cast state is favored by evenly finely distributed phosphides containing copper and/or zinc. During the primary crystallization of the β-crystallites, the residual melt is enriched with P and thus leads to a subdivision of the β-phase. During solidification, a eutectic of phosphide and β-phase is formed. In addition to the grain refinement of the basic matrix of β-phase, a grain refinement of the α-crystallites is observed. This grain refinement of the cast structure by P facilitates hot forming, continues into the structure after hot forming and consequently leads to grain refinement in the final state. With a P content of at least 0.05 wt.%, phosphide particles are present in the β-phase in the final state. If the P content is more than 0.20 wt.%, the ductility of the alloy is low.
Ferner wirkt sich ein hoher P-Anteil in Kombination mit Si nachteilig auf die elektrische Leitfähigkeit aus. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt deshalb die Summe aus den Anteilen von Si und P bevorzugt höchstens 0,45 Gew.-%.Furthermore, a high P content in combination with Si has a detrimental effect on the electrical conductivity. In a preferred embodiment of the invention, the sum of the Si and P contents is therefore preferably at most 0.45 wt.%.
Ferner ist es für eine globulare α-Phase notwendig, dass die Abkühlung des Materials nach der Warmumformung kontrolliert erfolgt: In einem Temperaturbereich von 550 °C bis 350 °C muss die Abkühlgeschwindigkeit mindestens 30 °C pro Minute (30 °C/min), bevorzugt mindestens 40 °C pro Minute, und höchstens 60 °C pro Minute, bevorzugt höchstens 50 °C pro Minute betragen. Die gleichmäßig fein verteilten Phosphide, die mit einer feinkörnigen β-Phase im Gusszustand einhergehen, lösen sich während der Warmumformung in der Matrix und bilden sich dann während des Abkühlvorgangs bei der Warmumformung neu aus. Auf diese Weise bildet sich letztendlich die charakteristische Verteilung der Phosphide im Gusszustand auf das Gefüge im Endzustand ab. Die Verteilung der Phosphide im Endzustand und die globulare Form der α-Phase sind deshalb nicht nur durch die chemische Zusammensetzung der Legierung bestimmt, sondern auch durch die Prozessführung beim Gießen und bei der Warmumformung. Die Charakteristik der Phosphide im Endzustand ist somit wie ein Fingerabdruck, den die besondere Prozessführung auf dem Produkt hinterlässt. Die Verteilung der Phosphide im Endzustand kann wie folgt charakterisiert werden: In einer Fläche von 21000 µm2 sind 7 bis 200 Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser von 0,5 bis 1 µm, 4 bis 150 Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser von 1 bis 2 µm und maximal 30 Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser von mehr als 2 µm vorhanden. Unter dem äquivalenten Durchmesser eines Phosphid-Partikels wird der Durchmesser eines zum Phosphid-Partikel flächengleichen Kreises verstanden. Der überwiegende Teil der Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser von mindestens 0,5 µm hat einen äquivalenten Durchmesser von höchstens 2 µm. Bevorzugt beträgt der Anteil der Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser von 0,5 bis 2 µm mindestens 70 % der Anzahl aller Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser von mindestens 0,5 µm. Besonders bevorzugt beträgt dieser Anteil mindestens 75 %. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn mindestens 30 %, bevorzugt mindestens 50 %, aller Phosphid-Partikel mit einem äquivalenten Durchmesser von mindestens 0,5 µm einen äquivalenten Durchmesser von höchstens 1 µm aufweisen. Es ist nicht ausgeschlossen, dass Phosphide mit einem äquivalenten Durchmesser von weniger als 0,5 µm im Gefüge des Werkstoffs vorhanden sind.Furthermore, for a globular α-phase it is necessary that the cooling of the material after hot forming takes place in a controlled manner: In a temperature range of 550 °C to 350 °C, the cooling rate must be at least 30 °C per minute (30 °C/min), preferably at least 40 °C per minute, and at most 60 °C per minute, preferably at most 50 °C per minute. The evenly finely distributed phosphides that accompany a fine-grained β-phase in the as-cast state dissolve in the matrix during hot forming and then reform during the cooling process during hot forming. In this way, the characteristic distribution of the phosphides in the as-cast state is ultimately reflected in the structure in the final state. The distribution of the phosphides in the final state and the globular shape of the α-phase are therefore determined not only by the chemical composition of the alloy, but also by the process control during casting and hot forming. The characteristics of the phosphides in the final state are like a fingerprint that the special process leaves on the product. The distribution of the phosphides in the final state can be characterized as follows: In an area of 21000 µm2 there are 7 to 200 phosphide particles with an equivalent diameter of 0.5 to 1 µm, 4 to 150 phosphide particles with an equivalent diameter of 1 to 2 µm and a maximum of 30 phosphide particles with an equivalent diameter of more than 2 µm. The equivalent diameter of a phosphide particle is understood to be the diameter of a circle with the same area as the phosphide particle. The majority of phosphide particles with an equivalent diameter of at least 0.5 µm have an equivalent diameter of no more than 2 µm. Preferably, the proportion of phosphide particles with an equivalent diameter of 0.5 to 2 µm is at least 70% of the number of all phosphide particles with an equivalent diameter of at least 0.5 µm. Particularly preferably, this proportion is at least 75%. In addition, it is advantageous if at least 30%, preferably at least 50%, of all phosphide particles with an equivalent diameter of at least 0.5 µm have an equivalent diameter of at most 1 µm. It is not excluded that phosphides with an equivalent diameter of less than 0.5 µm are present in the structure of the material.
Für die Zerspanbarkeit des Werkstoffs sind spröde Gefügebestandteile vorteilhaft, die beim Zerspanen als Trennstellen wirken und somit den Spanbruch unterstützen. Die β-Phase ist spröde und begünstigt die Zerspanbarkeit. Eine Steigerung des Anteils von β-Phase kann durch eine Erhöhung des Zn-Gehalts und/oder durch Zulegieren von Silicium erreicht werden, denn Silicium stabilisiert die β-Phase. Für eine gute Zerspanbarkeit hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn die Duktilität der α-Phase reduziert wird. Dies gelingt durch das Zulegieren und Einlagern von Silicium in die α-Phase. Deshalb muss der Si-Anteil in der Legierung mindestens 0,04 Gew.-% betragen. Bei einem Si-Anteil von mehr als 0,32 Gew.-% ist die elektrische Leitfähigkeit geringer als 12 MS/m und somit ungenügend. Ein P-Anteil von mindestens 0,05 Gew.-% führt zu günstigen Spänen beim Bohren. Ferner wirkt sich ein geringer optionaler Anteil von Pb vorteilhaft auf die Zerspanbarkeit aus.Brittle structural components are advantageous for the machinability of the material, as they act as separation points during machining and thus support chip breaking. The β phase is brittle and promotes machinability. An increase in the proportion of β phase can be achieved by increasing the Zn content and/or by alloying with silicon, because silicon stabilizes the β phase. For good machinability, it has also proven advantageous to reduce the ductility of the α phase. This is achieved by alloying and incorporating silicon into the α phase. The Si content in the alloy must therefore be at least 0.04 wt.%. If the Si content is more than 0.32 wt.%, the electrical conductivity is less than 12 MS/m and therefore insufficient. A P content of at least 0.05 wt.% leads to favorable chips when drilling. Furthermore, a small optional proportion of Pb has a beneficial effect on machinability.
Der Cu-Gehalt der Legierung beträgt 58,0 bis 63,0 Gew.-%. Bei einem Cu-Anteil von weniger als 58,0 Gew.-% ist die Duktilität der Legierung zu gering. Bei einem Cu-Anteil von mehr als 63,0 Gew.-% ist der Zink-Anteil in der Legierung zu gering, um eine gute Zerspanbarkeit zu erreichen.The Cu content of the alloy is 58.0 to 63.0 wt.%. If the Cu content is less than 58.0 wt.%, the ductility of the alloy is too low. If the Cu content is more than 63.0 wt.%, the zinc content in the alloy is too low to achieve good machinability.
Das Verhältnis der Gewichtsanteile von P und AI beträgt mindestens 1,0. Aluminium bildet mit Phosphor Aluminium-Phosphide. Diese sind jedoch unerwünscht, weil sie das Zerspanungsverhalten nicht verbessern. Damit ein ausreichender Überschuss an P zur Bildung von kupfer- und/oder zinkhaltigen Phosphiden zur Verfügung steht, muss das Verhältnis der Gewichtsanteile von P und AI mindestens 1,0 in der Legierung betragen.The ratio of the weight fractions of P and Al is at least 1.0. Aluminium forms aluminium phosphides with phosphorus. However, these are undesirable because they do not improve machining behaviour. In order to ensure that there is a sufficient excess of P to form copper and/or zinc-containing phosphides, the ratio of the weight fractions of P and Al in the alloy must be at least 1.0.
Die optionalen Elemente Sn und Al unterstützen die Bildung der β-Phase. Bei einem Sn-Anteil von mehr als 0,20 Gew.-% verschlechtern sich die Zerspanungseigenschaften der Legierung. Diese Verschlechterung kann jedoch bis zu einem Sn-Anteil von 0,25 Gew.-% durch eine Wärmebehandlung kompensiert werden. Bevorzugt sollte der Anteil von Zinn höchstens 0,20 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 0,10 Gew.-% betragen.The optional elements Sn and Al support the formation of the β phase. If the Sn content is more than 0.20 wt.%, the machining properties of the alloy deteriorate. However, this deterioration can be compensated for by heat treatment up to a Sn content of 0.25 wt.%. The proportion of tin should preferably be at most 0.20 wt.%, particularly preferably at most 0.10 wt.%.
Aluminium bildet mit Phosphor Aluminium-Phosphide. Diese sind jedoch unerwünscht, weshalb der Al-Anteil 0,10 Gew.-%, bevorzugt 0,05 Gew.-%, nicht überschreiten sollte.Aluminium forms aluminium phosphides with phosphorus. However, these are undesirable, which is why the Al content should not exceed 0.10 wt.%, preferably 0.05 wt.%.
Eisen führt zu einer Kornfeinung des Gefüges. Ferner bildet Eisen harte Phosphide, die sich bei der Zerspanung nachteilhaft auf die Standzeit der Werkzeuge auswirken. Deshalb darf der Anteil von Eisen höchstens 0,30 Gew.-%, bevorzugt höchstens 0,10 Gew.-% betragen.Iron leads to a grain refinement of the structure. Iron also forms hard phosphides, which have a detrimental effect on the service life of the tools during machining. The proportion of iron must therefore not exceed 0.30 wt.%, preferably not exceed 0.10 wt.%.
Nickel unterstützt die Bildung der α-Phase und verbessert somit die Kaltumformbarkeit. Ferner bildet Nickel Phosphide, die keinen vorteilhaften Einfluss auf die Zerspanbarkeit haben. Deshalb darf der Anteil von Nickel höchstens 0,30 Gew.-%, bevorzugt höchstens 0,10 Gew.-% betragen.Nickel supports the formation of the α phase and thus improves cold formability. Nickel also forms phosphides, which have no beneficial effect on machinability. Therefore, the proportion of nickel must not exceed 0.30 wt.%, preferably not exceed 0.10 wt.%.
Das Element Bi ist als Verunreinigung in Sekundärrohstoffen, wie beispielsweise Schrott, vorhanden. Es kann die Zerspanbarkeit des Werkstoffs verbessern. Anteile über 0,009 Gew.-% können sich jedoch nachteilhaft auf die Warmumformbarkeit auswirken. Deshalb werden bis zu 0,009 Gew.-% Bi in der Legierung toleriert.The element Bi is present as an impurity in secondary raw materials such as scrap. It can improve the machinability of the material. However, amounts above 0.009 wt.% can have a detrimental effect on hot formability. Therefore, up to 0.009 wt.% Bi is tolerated in the alloy.
Die Elemente Te, Se und In können sich vorteilhaft auf die Zerspanbarkeit des Werkstoffs auswirken. In Mengen bis jeweils maximal 0,1 Gew.-% haben sie keinen negativen Einfluss auf den Werkstoff. Deshalb werden jeweils bis zu 0,1 Gew.-% von Te, Se und In in der Legierung toleriert.The elements Te, Se and In can have a beneficial effect on the machinability of the material. In quantities of up to 0.1 wt.% each, they have no negative effect on the material. Therefore, up to 0.1 wt.% of Te, Se and In are tolerated in the alloy.
Der Rest der Legierungszusammensetzung besteht aus Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen. Um unkontrollierbare Einflüsse der Verunreinigungen auf die Eigenschaften des Werkstoffs zu vermeiden, beträgt der Anteil dieser Verunreinigungen maximal 0,2 Gew.-%. Bevorzugt sollten insbesondere die Anteile an Mn und Mg jeweils höchstens 0,1 Gew.-%, besonders bevorzugt jeweils höchstens 0,07 Gew.-% betragen, weil diese Elemente Phosphide bilden können, die in Konkurrenz zu den kupfer- und/oder zinkhaltigen Phosphiden treten können.The rest of the alloy composition consists of zinc and unavoidable impurities. In order to avoid uncontrollable influences of the impurities on the properties of the material, the proportion of these impurities is a maximum of 0.2 wt.%. Preferably, in particular, the proportions of Mn and Mg should each be a maximum of 0.1 wt.%, particularly preferably a maximum of 0.07 wt.%, because these elements can form phosphides that can compete with the phosphides containing copper and/or zinc.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Pb-Anteil in der Legierung mindestens 0,02 Gew.-% betragen. Bereits ein so geringer Anteil von Pb verbessert die Zerspanungseigenschaften und wirkt sich positiv auf die Kornfeinung aus.In a preferred embodiment of the invention, the Pb content in the alloy can be at least 0.02 wt.%. Even such a small proportion of Pb improves the machining properties and has a positive effect on grain refinement.
Vorteilhafterweise kann der P-Anteil höchstens 0,15 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 0,12 Gew.-% betragen. Hierdurch wird die Warmumformbarkeit der Legierung günstig beeinflusst.Advantageously, the P content can be at most 0.15 wt.%, particularly preferably at most 0.12 wt.%. This has a positive effect on the hot formability of the alloy.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Verhältnis P/Fe mindestens 1,0 betragen. Eisen bildet mit Phosphor harte Eisen-Phosphide. Diese sind jedoch unerwünscht, weil sie die Standzeit der Werkzeuge verschlechtern. Damit ein ausreichender Überschuss an P in der Legierung vorhanden ist, um kupfer- und/oder zinkhaltige Phosphide zu bilden, sollte das Verhältnis der Gewichtsanteile von P und Fe mindestens 1,0 betragen.In an advantageous embodiment of the invention, the P/Fe ratio can be at least 1.0. Iron forms hard iron phosphides with phosphorus. However, these are undesirable because they reduce the service life of the tools. In order to ensure that there is a sufficient excess of P in the alloy to form copper- and/or zinc-containing phosphides, the ratio of the weight fractions of P and Fe should be at least 1.0.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Fe-Anteil weniger als 0,10 Gew.-% betragen und der Ni-Anteil höchstens 0,07 Gew.-% betragen. Durch diese Einschränkung wird die Bildung von Eisen-Phosphiden und Nickel-Phosphiden gegenüber der Bildung von für die Zerspanung günstigen kupfer- und/oder zinkhaltigen Phosphiden gehemmt. Besonders günstige Eigenschaften werden erzielt, wenn gleichzeitig die Bedingung erfüllt ist, dass das Verhältnis P/Fe mindestens 1,0 beträgt. Darüber hinaus ist es besonders bevorzugt, wenn der Fe-Anteil höchstens 0,05 Gew.-% beträgt und/oder der Ni-Anteils höchstens 0,04 Gew.-% beträgt.In a preferred embodiment of the invention, the Fe content can be less than 0.10 wt.% and the Ni content can be at most 0.07 wt.%. This restriction inhibits the formation of iron phosphides and nickel phosphides compared to the formation of copper and/or zinc-containing phosphides that are advantageous for machining. Particularly favorable properties are achieved if the condition that the P/Fe ratio is at least 1.0 is also met. In addition, it is particularly preferred if the Fe content is at most 0.05 wt.% and/or the Ni content is at most 0.04 wt.%.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Si-Anteil mindestens 0,23 Gew.-% betragen. Dies begünstigt die Zerspanungseigenschaften des Werkstoffs. Ferner wirkt sich ein Si-Anteil von mindestens 0,23 Gew.-% günstig auf die Oberflächenqualität des Produkts aus.In an advantageous embodiment of the invention, the Si content can be at least 0.23 wt.%. This benefits the machining properties of the material. Furthermore, a Si content of at least 0.23 wt.% has a positive effect on the surface quality of the product.
Bei einer hierzu alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Si-Anteil höchstens 0,15 Gew.-%, bevorzugt höchstens 0,12 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 0,08 Gew.-%, betragen. Eine solche Beschränkung des Si-Anteils wirkt sich günstig auf die elektrische Leitfähigkeit der Legierung aus.In an alternative embodiment of the invention, the Si content can be at most 0.15 wt. %, preferably at most 0.12 wt. %, particularly preferably at most 0.08 wt. %. Such a limitation of the Si content has a beneficial effect on the electrical conductivity of the alloy.
Bei dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der P-Anteil vorteilhafterweise höchstens 0,10 Gew.-% betragen. Dies begünstigt die elektrische Leitfähigkeit der Legierung in besonderem Maße.In this alternative embodiment of the invention, the P content can advantageously be at most 0.10 wt.%. This particularly promotes the electrical conductivity of the alloy.
Ferner kann bei dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung der Cu-Anteil höchstens 59,5 Gew.-% betragen. Mit dieser Obergrenze für den Cu-Anteil ergeben sich besonders günstige Kombinationen von Leitfähigkeit, Zerspanbarkeit, mechanischen Eigenschaften und Verarbeitbarkeit.Furthermore, in this alternative embodiment of the invention, the Cu content can be at most 59.5 wt.%. This upper limit for the Cu content results in particularly favorable combinations of conductivity, machinability, mechanical properties and processability.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Anteile der Elemente Cu, Zn, Si, P und Pb in Summe mindestens 99,75 Gew.-% betragen. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Eigenschaften des Werkstoffs im Wesentlichen durch die Legierungselemente Cu, Zn, Si, P und Pb bestimmt werden, während der Einfluss weiterer Elemente nur eine sehr untergeordnete Rolle spielt. Alternativ oder auch zusätzlich kann es vorteilhaft sein, die Zusammensetzung der Legierung so zu wählen, dass die Anteile der Elemente Cu, Zn, Si, P, Sn und Pb in Summe mindestens 99,85 Gew.-% betragen. Weil sich keine Zinn-Phosphide bilden, ist es als Legierungsbestandteil weniger kritisch als beispielsweise Fe, Ni oder AI.In a further embodiment of the invention, the proportions of the elements Cu, Zn, Si, P and Pb can total at least 99.75% by weight. This ensures that the properties of the material are essentially determined by the alloy elements Cu, Zn, Si, P and Pb, while the influence of other elements only plays a very minor role. Alternatively or additionally, it can be advantageous to select the composition of the alloy so that the proportions of the elements Cu, Zn, Si, P, Sn and Pb total at least 99.85% by weight. Because no tin phosphides are formed, it is less critical as an alloy component than, for example, Fe, Ni or Al.
Vorteilhafterweise kann der Knetwerkstoff eine Härte von mindestens 120 HV10, bevorzugt mindestens 150 HV10 aufweisen.Advantageously, the wrought material can have a hardness of at least 120 HV10, preferably at least 150 HV10.
Vorteilhafterweise kann der Knetwerkstoff eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 500 MPa, bevorzugt mindestens 530 MPa aufweisen.Advantageously, the wrought material can have a tensile strength R m of at least 500 MPa, preferably at least 530 MPa.
Vorteilhafterweise der Knetwerkstoff eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 12,5 MS/m, bevorzugt mindestens 12,7 MS/m, besonders bevorzugt mindestens 13,0 MS/m aufweisen.Advantageously, the kneaded material has an electrical conductivity of at least 12.5 MS/m, preferably at least 12.7 MS/m, particularly preferably at least 13.0 MS/m.
Knetwerkstoff mit einer besonders vorteilhaften Kombination von Eigenschaften basiert auf einer Legierung, die folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
Rest Zink und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei der Anteil der unvermeidbaren Verunreinigungen weniger als 0,1 Gew.-% beträgt. Durch den geringen Anteil Legierungselemente Si und P wird eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit von mindestens 14 MS/m, bevorzugt mindestens 15 MS/m erreicht. Die Zerspanbarkeit wird durch den Pb-Anteil von 0,04 bis 0,08 Gew.-% unterstützt.The remainder is zinc and unavoidable impurities, whereby the proportion of unavoidable impurities is less than 0.1% by weight. The low proportion of alloying elements Si and P results in a particularly high electrical conductivity of at least 14 MS/m, preferably at least 15 MS/m. The machinability is supported by the Pb content of 0.04 to 0.08% by weight.
Gegenstand der Erfindung ist ferner draht-, rohr- oder stangenförmiges Halbzeug aus einem vorstehend beschriebenen Knetwerkstoff sowie ein Bauteil, das durch Zerspanung und optionale weitere Bearbeitungsschritte aus einem solchen Halbzeug hergestellt ist.The invention further relates to a wire-, tube- or rod-shaped semi-finished product made of a wrought material described above, as well as a component which is produced from such a semi-finished product by machining and optional further processing steps.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines draht-, rohr- oder stangenförmigen Halbzeugs ein. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- a) Erschmelzen einer Kupfer-Zink-Legierung mit einer Zusammensetzung wie vorstehend beschrieben,
- b) Stranggießen eines rohr- oder bolzenförmigen Gussformats mit einer wassergekühlten Kokille,
- c) Warmpressen des Gussformats bei einer Temperatur von 620 bis 700 °C mit anschließendem Abkühlen mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 30 bis 60 °C pro Minute in einem Temperaturbereich von 550 bis 350 °C,
- d) optional Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 525 bis 625 °C für 1 bis 5 Stunden mit anschließendem Abkühlen mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 20 bis 40 °C pro Minute in einem Temperaturbereich von 500 bis 350 °C,
- e) optional Kaltumformen.
- a) melting a copper-zinc alloy having a composition as described above,
- b) continuous casting of a tubular or bolt-shaped casting format using a water-cooled mould,
- (c) hot pressing of the cast shape at a temperature of 620 to 700 °C followed by cooling at a cooling rate of 30 to 60 °C per minute in a temperature range of 550 to 350 °C,
- (d) optionally heat treatment in a temperature range of 525 to 625 °C for 1 to 5 hours followed by cooling at a cooling rate of 20 to 40 °C per minute in a temperature range of 500 to 350 °C,
- e) optional cold forming.
Zum Erschmelzen der Legierung können Cu-Kathoden, Zn-Blöcke, Messing-Schrotte, Cu-P-Vorlegierungen und Cu-Si-Vorlegierungen verwendet werden. Das Erschmelzen erfolgt bevorzugt in einem Induktionsofen. Die Schmelze wird in einer wassergekühlten Kokille zu einem rohr- oder bolzenförmigen Gussformat abgegossen.Cu cathodes, Zn blocks, brass scrap, Cu-P master alloys and Cu-Si master alloys can be used to melt the alloy. Melting is preferably carried out in an induction furnace. The melt is poured into a tube- or bolt-shaped casting format in a water-cooled mold.
Das Gussformat kann optional gefräst werden und wird danach bei einer Temperatur von 620 bis 700 °C warmgepresst. Anschließend wird das warmgepresste Zwischenprodukt abgekühlt, wobei die Abkühlung in dem Temperaturbereich von 550 bis 350 °C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 30 bis 60 °C pro Minute, bevorzugt 40 bis 50 °C pro Minute, erfolgt. Durch die definierte Abkühlung wird ein günstiges Verhältnis der Anteile von α-Phase und β-Phase sowie eine günstige Partikelverteilung von Kupfer und/oder Zink enthaltenden Phosphiden eingestellt. Vor dem Warmpressen kann optional eine Wärmebehandlung zur Homogenisierung des Gussprodukts erfolgen.The cast format can optionally be milled and is then hot-pressed at a temperature of 620 to 700 °C. The hot-pressed intermediate product is then cooled, with cooling taking place in the temperature range of 550 to 350 °C at a cooling rate of 30 to 60 °C per minute, preferably 40 to 50 °C per minute. The defined cooling sets a favorable ratio of the proportions of α-phase and β-phase as well as a favorable particle distribution of phosphides containing copper and/or zinc. Before hot pressing, a heat treatment can optionally be carried out to homogenize the cast product.
Bei einem ersten Herstellverfahren können nach dem Warmpressen ohne weitere Zwischenschritte ein Beizen und danach eine Kaltumformung erfolgen. Bei der Kaltumformung liegt der Umformgrad bevorzugt zwischen 3 und 30 %. Unter Umformgrad wird hierbei die relative Abnahme der Querschnittsfläche des Produkts verstanden. Weil zwischen dem Warmpressen und dem Kaltumformen mit Ausnahme des Beizvorgangs keine weiteren Arbeitsschritte erfolgen, ist dieses erste Herstellverfahren sehr günstig.In a first manufacturing process, pickling and then cold forming can take place after hot pressing without any further intermediate steps. In cold forming, the degree of forming is preferably between 3 and 30%. The degree of forming is understood here as the relative reduction in the cross-sectional area of the product. Because no further work steps take place between hot pressing and cold forming, with the exception of the pickling process, this first manufacturing process is very advantageous.
Bei einem zweiten Herstellverfahren erfolgt nach dem Warmpressen eine Wärmebehandlung zwischen 525 und 625 °C, bevorzugt zwischen 550 und 600°C für eine Zeitdauer von 1 bis 5 Stunden mit anschließendem Abkühlen mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 20 bis 40 °C pro Minute in einem Temperaturbereich von 500 bis 350 °C. Durch die Wahl der Bedingungen der Wärmebehandlung in Kombination mit der definierten Abkühlung nach der Wärmebehandlung kann ein günstiges Verhältnis der Anteile von α-Phase und β-Phase sowie eine günstige Partikelverteilung von Kupfer und/oder Zink enthaltenden Phosphiden eingestellt werden. Wenn eine Erhöhung des Anteils der β-Phase angestrebt wird, sollte die Wärmebehandlung bei ungefähr 600 °C erfolgen. Wenn eine Erhöhung des Anteils der α-Phase angestrebt wird, sollte die Wärmebehandlung bei ungefähr 550 °C erfolgen. Durch die Wärmebehandlung können somit das Verhältnis der Anteile von α-Phase und β-Phase sowie die Partikelverteilung der Phosphide eingestellt und optimiert werden. Insbesondere kann somit die Duktilität verbessert werden. Nach der Wärmebehandlung schließen sich die Schritte Beizen und Kaltumformung wie beim ersten Herstellverfahren an.In a second manufacturing process, hot pressing is followed by heat treatment at between 525 and 625 °C, preferably between 550 and 600 °C, for a period of 1 to 5 hours, followed by cooling at a cooling rate of 20 to 40 °C per minute in a temperature range of 500 to 350 °C. By choosing the heat treatment conditions in combination with the defined cooling after heat treatment, a favorable ratio of the proportions of α-phase and β-phase as well as a favorable particle distribution of phosphides containing copper and/or zinc can be set. If the aim is to increase the proportion of β-phase, heat treatment should be carried out at approximately 600 °C. If the aim is to increase the proportion of α-phase, heat treatment should be carried out at approximately 550 °C. Through heat treatment, the ratio of the proportions of α-phase and β-phase as well as the particle distribution of the phosphides can be adjusted and optimized. In particular, ductility can be improved. After heat treatment, the steps of pickling and cold forming follow, as in the first manufacturing process.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Knetwerkstoff sowie auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention, explicit reference is hereby made to the explanations in connection with the wrought material according to the invention and to the embodiments.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail using embodiments.
Die Proben Nr. 1 bis Nr. 44 wurden in einem Induktionsofen erschmolzen und danach abgegossen. Die Zusammensetzung der Proben ist in den Tabellen 1 bis 4 dokumentiert. Probe Nr. 10 repräsentiert die bleihaltige Referenzlegierung CuZn39Pb3. Die Proben wurden gefräst, für 1 Stunde homogenisiert und anschließend warmumgeformt. Proben Nr. 8 und Nr. 9 wurden mittels Pressen bei 630 °C warmumgeformt, die übrigen Proben mittels Walzen bei 650 °C. Beim Abkühlen nach dem Warmumformen betrug im Temperaturbereich zwischen 550 und 350 °C die Abkühlungsrate bei den gewalzten Proben ungefähr 40 °C pro Minute und bei den gepressten Proben ungefähr 30 °C pro Minute.Samples No. 1 to No. 44 were melted in an induction furnace and then cast. The composition of the samples is documented in Tables 1 to 4. Sample No. 10 represents the lead-containing reference alloy CuZn39Pb3. The samples were milled, homogenized for 1 hour and then hot-formed. Samples No. 8 and No. 9 were hot-formed by pressing at 630 °C, the remaining samples by rolling at 650 °C. During cooling after hot-forming, in the temperature range between 550 and 350 °C, the cooling rate for the rolled samples was approximately 40 °C per minute and for the pressed samples approximately 30 °C per minute.
Die Proben Nr. 1 bis Nr. 7 und Nr. 10 bis Nr. 23 wurden nach der Warmumformung gefräst und anschließend kalt umgeformt mit einem Umformgrad von 20 %. Die Proben Nr. 8 und Nr. 9 wurden nach der Warmumformung gebeizt und anschließend kalt umgeformt mit einem Umformgrad von 7 %.Samples No. 1 to No. 7 and No. 10 to No. 23 were milled after hot forming and then cold formed with a deformation degree of 20%. Samples No. 8 and No. 9 were pickled after hot forming and then cold formed with a deformation degree of 7%.
Die Proben Nr. 24 bis Nr. 44 wurden nach der Warmumformung für 3 Stunden geglüht. Die Glühtemperatur betrug bei den Proben Nr. 26, Nr. 27 und Nr. 38 bis Nr. 41 ungefähr 550 °C, während sie bei den Proben Nr. 24, Nr. 25, Nr. 28 bis Nr. 37 und Nr. 42 bis Nr. 44 ungefähr 600 °C betrug. Nach dem Glühen erfolgte das Abkühlen im Temperaturbereich zwischen 500 und 350 °C mit einer Abkühlungsrate von ungefähr 25 °C pro Minute. Danach wurden die Proben Nr. 24 bis Nr. 44 gefräst und anschließend kalt umgeformt mit einem Umformgrad von 20 %.Samples No. 24 to No. 44 were annealed for 3 hours after hot forming. The annealing temperature was approximately 550 °C for samples No. 26, No. 27 and No. 38 to No. 41, while it was approximately 600 °C for samples No. 24, No. 25, No. 28 to No. 37 and No. 42 to No. 44. After annealing, cooling was carried out in the temperature range between 500 and 350 °C with a cooling rate of approximately 25 °C. per minute. Samples No. 24 to No. 44 were then milled and then cold formed with a deformation degree of 20%.
Am Endzustand wurden jeweils die Zugfestigkeit Rm und die Bruchdehnung A aus dem Zugversuch, die Härte (Vickershärte HV10) und die elektrische Leitfähigkeit A bestimmt. Die Längsschliffe der Proben wurden mittels Lichtmikroskopie untersucht. Die den Volumenanteilen entsprechenden Flächenanteile der α-Phase und der β-Phase sowie die α-Korngröße wurden daran ermittelt. Für die quantitative Bestimmung der Größenverteilung der Phosphid-Partikel wurden die lichtmikroskopischen Bilder der ungeäzten Proben verwendet. Es wurden Bildausschnitte der Abmessung 167 µm x 126 µm (entsprechend einer Fläche von 21000 µm2) gewählt und diese in 1000-facher Vergrößerung mittels der Software ImageJ ausgewertet. Auf diese Weise war es möglich, einzelne Partikel zu erkennen und deren äquivalenten Durchmesser und deren Fläche zu bestimmen. Die Phosphid-Partikel wurden anhand ihres äquivalenten Durchmessers in die Kategorien 0,5 bis 1 µm, 1 bis 2 µm und größer 2 µm eingeteilt.In the final state, the tensile strength R m and the elongation at break A from the tensile test, the hardness (Vickers hardness HV10) and the electrical conductivity A were determined. The longitudinal sections of the samples were examined using light microscopy. The surface proportions of the α phase and the β phase corresponding to the volume fractions as well as the α grain size were determined from this. The light microscopic images of the unetched samples were used to quantitatively determine the size distribution of the phosphide particles. Image sections measuring 167 µm x 126 µm (corresponding to an area of 21000 µm 2 ) were selected and evaluated at 1000x magnification using the ImageJ software. In this way, it was possible to identify individual particles and determine their equivalent diameter and area. The phosphide particles were classified according to their equivalent diameter into the categories 0.5 to 1 µm, 1 to 2 µm and larger than 2 µm.
Die Bewertung der Zerspanbarkeit erfolgte am Endzustand mittels Bohrversuchen. Die Bohrversuche wurden mit einem instrumentierten Bohrkopf durchgeführt. Die Bohrversuche wurden mit folgenden Parametern durchgeführt:
- • Spiralbohrer, Durchmesser 5 mm
- • Drehzahl 3200 U/min
- • Vorschub 0,04 mm/U
- • 5 Bohrungen pro Probe, je Probe wurde ein neuer Bohrer verwendet
- • Bohrtiefe 10 mm
- • Twist drill, diameter 5 mm
- • Speed 3200 rpm
- • Feed 0.04 mm/rev
- • 5 holes per sample, a new drill was used for each sample
- • Drilling depth 10 mm
Die Bohrungen erfolgten längs zur Umformrichtung. Es wurden das auf die Schneide des Bohrers wirkende Drehmoment und die Normalkraft gemessen. Als Referenz diente die Legierung CuZn39Pb3 im ungeglühten Zustand. Das an den einzelnen Proben gemessene Drehmoment wurde normiert, indem das an der Referenz-Legierung gemessene Drehmoment jeweils auf das an der jeweiligen Probe gemessene Drehmoment bezogen wurde. Je kleiner also das an einer Probe ermittelte Drehmoment ist, desto größer ist das normierte Drehmoment dieser Probe. In analoger Weise wurde die gemessene Normalkraft für jede Probe normiert. Aus dem normierten Drehmoment Mnorm und der normierten Normalkraft FN norm wurde der arithmetische Mittelwert dieser beiden Größen berechnet. Proben, bei denen der so berechnete arithmetische Mittelwert unter 0,75 liegt, erfüllen nicht die Voraussetzungen für eine gute Zerspanbarkeit.The holes were drilled lengthways to the direction of deformation. The torque acting on the cutting edge of the drill and the normal force were measured. The CuZn39Pb3 alloy in the unannealed state served as a reference. The torque measured on the individual samples was standardized by relating the torque measured on the reference alloy to the torque measured on the respective sample. The smaller the torque determined on a sample, the greater the standardized torque of this sample. The measured normal force was standardized for each sample in a similar way. The arithmetic mean of these two values was calculated from the standardized torque M norm and the standardized normal force F N norm . Samples for which the arithmetic mean calculated in this way is below 0.75 do not meet the requirements for good machinability.
Die Spanform wurde klassifiziert in Anlehnung an die Druckschrift „Richtwerte für die spanende Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen“, Informationsdruck i.18, herausgegeben vom Deutschen Kupferinstitut. Darauf basierend wurden die Späne mit gut (2), mittel (1), schlecht (0) bewertet. Insbesondere führten hierbei lange Faltspäne zu einer ungünstigen Bewertung.The chip shape was classified based on the publication "Guidelines for machining copper and copper alloys", Information Print i.18, published by the German Copper Institute. Based on this, the chips were rated as good (2), average (1), poor (0). Long folded chips in particular led to an unfavorable rating.
Die ermittelten normierten Drehmomente und Normalkräfte der Versuche sowie der daraus berechnete arithmetische Mittelwert, welcher im Kopf der Tabellen als (M+FN)/2 bezeichnet ist, sind in den Tabellen 1 bis 4 zusammen mit den Spanformen und den Kennwerten aus dem Zugversuch und der Härtemessung aufgelistet. Tabelle 1: erfindungsgemäße Proben, ungeglüht
Die Proben Nr. 1 bis Nr. 9 (Tabelle 1) sind erfindungsgemäße Proben im ungeglühten Zustand. Der Volumenanteil der β-Phase beträgt mindestens 33 % und höchstens 46 %. Die α-Korngröße beträgt bei den gewalzten Proben maximal 24 µm, bei den gepressten Proben maximal 35 µm. Die geringe α-Korngröße von Probe Nr. 5 kann auf das Legierungselement Fe zurückgeführt werden. Die Härte beträgt mindestens 160 HV10 und die Zugfestigkeit Rm mindestens 520 MPa. Die Bruchdehnung beträgt mindestens 10 %. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt bei allen Proben mindestens 12,7 MS/m, bei der Mehrzahl der Proben mindestens 13,0 MS/m. Bei Probe Nr. 9 beträgt die elektrische Leitfähigkeit mehr als 15,5 MS/m. Das normierte Drehmoment liegt zwischen 0,85 und 1,08. Die normierte Normalkraft liegt zwischen 0,45 und 0,7. Das arithmetische Mittel aus normiertem Drehmoment und normierter Normalkraft beträgt immer mindestens 0,75. Die Spanform wurde immer mit gut (2) oder mittel (1) bewertet.Samples No. 1 to No. 9 (Table 1) are samples according to the invention in the unannealed state. The volume fraction of the β phase is at least 33% and at most 46%. The α grain size is a maximum of 24 µm for the rolled samples and a maximum of 35 µm for the pressed samples. The small α grain size of sample No. 5 can be attributed to the alloying element Fe. The hardness is at least 160 HV10 and the tensile strength R m is at least 520 MPa. The elongation at break is at least 10%. The electrical conductivity is at least 12.7 MS/m for all samples and at least 13.0 MS/m for the majority of samples. The electrical conductivity of sample No. 9 is more than 15.5 MS/m. The standardized torque is between 0.85 and 1.08. The standardized normal force is between 0.45 and 0.7. The arithmetic mean of standardized torque and standardized normal force is always at least 0.75. The chip shape was always rated as good (2) or average (1).
Die Proben Nr. 10 bis Nr. 23 (Tabelle 2) sind Vergleichsproben im ungeglühten Zustand. Die Referenz-Probe Nr. 10 enthält 3,3 Gew.-% Blei und zeigt sehr gute Zerspanungseigenschaften. Gute Zerspanungseigenschaften zeigt auch Probe Nr. 11, die 2,0 Gew.-% Blei enthält. Proben Nr. 12 und Nr. 16 dokumentieren, dass ohne Blei und ohne weitere Legierungselemente die Zerspanungseigenschaften sehr schlecht sind.Samples No. 10 to No. 23 (Table 2) are comparison samples in the unannealed state. The reference sample No. 10 contains 3.3 wt.% lead and shows very good machining properties. Sample No. 11, which contains 2.0 wt.% lead, also shows good machining properties. Samples No. 12 and No. 16 document that without lead and without other alloying elements the machining properties are very poor.
Proben Nr. 13 und Nr. 17 enthalten neben Cu und Zn lediglich 0,27 Gew.-% Si. Die auf den Bohrer wirkenden Kräfte sind zwar im akzeptablen Bereich, die Spanform ist jedoch schlecht, was auf das Fehlen von Phosphid-Partikeln als Spanbrecher zurückgeführt werden kann. Bei Probe Nr. 14 wurden gegenüber Probe Nr. 13 der Cu-Anteil und der Si-Anteil erhöht. Die auf den Bohrer wirkenden Kräfte sind nicht im akzeptablen Bereich und die Spanform ist schlecht. Ferner ist die elektrische Leitfähigkeit gering.Samples No. 13 and No. 17 contain only 0.27 wt.% Si in addition to Cu and Zn. The forces acting on the drill are within an acceptable range, but the chip shape is poor, which can be attributed to the lack of phosphide particles as chip breakers. In sample No. 14, the Cu content and the Si content were increased compared to sample No. 13. The forces acting on the drill are not within an acceptable range and the chip shape is poor. Furthermore, the electrical conductivity is low.
Bei Probe Nr. 15 wurde gegenüber Probe Nr. 14 der Si-Anteil geringfügig erhöht und es wurden 0,1 Gew.-% P zulegiert. Die auf den Bohrer wirkenden Kräfte wurden somit verringert und die Spanform etwas verbessert. Die Bruchdehnung und die elektrische Leitfähigkeit sind jedoch gering. Die Probe Nr. 15 zeigt im Vergleich zu Probe Nr. 1 einen höheren Si-Anteil bei ähnlichem P-Gehalt und ähnlichem Volumenanteil der β-Phase. Die auf den Bohrer wirkenden Kräfte sind ähnlich gut, allerdings ist die Spanform bei Probe Nr. 15 ungünstiger und die Leitfähigkeit ist schlechter.In sample no. 15, the Si content was slightly increased compared to sample no. 14 and 0.1 wt.% P was added. The forces acting on the drill were thus reduced and the chip shape was slightly improved. However, the elongation at break and the electrical conductivity are low. Compared to sample no. 1, sample no. 15 shows a higher Si content with a similar P content and similar volume fraction of the β phase. The forces acting on the drill are similarly good, but the chip shape in sample no. 15 is less favorable and the conductivity is poorer.
Probe Nr. 18 unterscheidet sich von Probe Nr. 17 durch 0,38 Gew.-% P. Dies führt im Wesentlichen zu einer deutlichen Verbesserung der Spanform. Die Bruchdehnung ist jedoch sehr gering.Sample No. 18 differs from sample No. 17 by 0.38 wt.% P. This essentially leads to a significant improvement in the chip shape. However, the elongation at break is very low.
Probe Nr. 19 enthält neben Cu und Zn lediglich 0,11 Gew.-% P. Dies begünstigt zwar die Spanform, die auf den Bohrer wirkenden Kräfte sind jedoch nicht zufriedenstellend. Bei Probe Nr. 22 wurde gegenüber Probe Nr. 19 der Anteil von P auf 0,29 Gew.-% erhöht mit der Folge, dass sich die Normalkraft verschlechtert hat.Sample No. 19 contains only 0.11 wt.% P in addition to Cu and Zn. Although this improves the chip shape, the forces acting on the drill are not satisfactory. In sample No. 22, the proportion of P was increased to 0.29 wt.% compared to sample No. 19, with the result that the normal force has deteriorated.
Probe Nr. 20 unterscheidet sich von Probe Nr. 15 im Wesentlichen durch einen etwas geringeren P-Anteil. Dies führt zu einer Verbesserung der Bruchdehnung. Die elektrische Leitfähigkeit ist aufgrund des hohen Si-Anteils aber nicht auf dem angestrebten Niveau.Sample No. 20 differs from sample No. 15 mainly in that it has a slightly lower P content. This leads to an improvement in the elongation at break. However, the electrical conductivity is not at the desired level due to the high Si content.
Probe Nr. 21 enthält neben 0,27 Gew.-Si und 0,06 Gew.-% P noch 0,22 Gew.-% Sn. Im Vergleich zu Probe Nr. 2, die kein Zinn enthält, führt das Zulegieren von Zinn zu einer moderaten Verschlechterung der auf den Bohrer wirkenden Kräfte. Es werden fast ausschließlich Phosphid-Partikel mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 µm beobachtet. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch 0,22 Gew.-% Sn kaum beeinflusst.Sample No. 21 contains 0.27 wt.% Si and 0.06 wt.% P as well as 0.22 wt.% Sn. Compared to sample No. 2, which does not contain tin, the addition of tin leads to a moderate deterioration in the forces acting on the drill. Almost exclusively phosphide particles with a diameter of 0.5 to 1 µm are observed. The electrical conductivity is hardly affected by 0.22 wt.% Sn.
Probe Nr. 23 enthält 0,29 Gew.-% Si und 0,30 Gew.-% P. Ähnlich wie bei Probe Nr. 18 ist zwar die Spanform gut, Bruchdehnung, Leitfähigkeit und die bei beim Bohren wirkenden Kräfte sind jedoch unbefriedigend.Sample No. 23 contains 0.29 wt.% Si and 0.30 wt.% P. Similar to sample No. 18, although the chip shape is good, elongation at break, conductivity and the forces acting during drilling are unsatisfactory.
Die Proben Nr. 24 bis Nr. 31 (Tabelle 3) sind erfindungsgemäße Proben im geglühten Zustand. Die Proben Nr. 26 und Nr. 27 wurden bei 550 °C geglüht, während die anderen Proben der Tabelle 3 bei 600 °C geglüht wurden. Der Volumenanteil der β-Phase beträgt mindestens 31 % und höchstens 49 %. Die α-Korngröße liegt zwischen 25 und 40 µm, wobei die Proben Nr. 26 und Nr. 27 die geringste Korngröße aufweisen. Die Härte beträgt mindestens 160 HV10 und die Zugfestigkeit Rm mindestens 510 MPa. Die Bruchdehnung beträgt mindestens 11,5 %. Die elektrische Leitfähigkeit beträgt bei allen Proben mindestens 12,7 MS/m, bei der Mehrzahl der Proben mindestens 13,0 MS/m. Das normierte Drehmoment liegt zwischen 0,79 und 1,03. Die normierte Normalkraft liegt zwischen 0,56 und 0,71. Das arithmetische Mittel aus normiertem Drehmoment und normierter Normalkraft beträgt immer mindestens 0,75. Die Spanform wurde immer mit gut (2) oder mittel (1) bewertet. Bei Probe Nr. 31, die hinsichtlich der Zusammensetzung der ungeglühten Probe Nr. 21 entspricht, konnte durch das Glühen eine signifikante Verbesserung der beim Bohren wirkenden Kräfte und der Spanform erreicht werden. Ferner ist festzustellen, dass durch das Glühen der Schwerpunkt der Verteilung der Phosphid-Partikel hin zu größeren Partikeln verschoben wurde.Samples No. 24 to No. 31 (Table 3) are samples according to the invention in the annealed state. Samples No. 26 and No. 27 were annealed at 550 °C, while the other samples in Table 3 were annealed at 600 °C. The volume fraction of the β phase is at least 31% and at most 49%. The α grain size is between 25 and 40 µm, with samples No. 26 and No. 27 having the smallest grain size. The hardness is at least 160 HV10 and the tensile strength R m is at least 510 MPa. The elongation at break is at least 11.5%. The electrical conductivity is at least 12.7 MS/m for all samples and at least 13.0 MS/m for the majority of samples. The standardized torque is between 0.79 and 1.03. The standardized normal force is between 0.56 and 0.71. The arithmetic mean of standardized torque and standardized normal force is always at least 0.75. The chip shape was always rated as good (2) or medium (1). In the case of sample no. 31, which corresponds in composition to the unannealed sample no. 21, a significant improvement in the forces acting during drilling and in the chip shape was achieved by annealing. It can also be seen that the annealing shifted the center of gravity of the distribution of the phosphide particles towards larger particles.
Die Proben Nr. 32 bis Nr. 44 (Tabelle 4) sind Vergleichsproben im geglühten Zustand. Die Blei-haltigen Proben Nr. 32 und Nr. 33 zeigen im geglühten Zustand gute Zerspanungseigenschaften. Die nur Cu und Zn enthaltenden Proben Nr. 34 (bei 600 °C geglüht) und Nr. 38 (bei 550 °C geglüht) sind auch im geglühten Zustand durch schlechte Eigenschaften beim Bohren charakterisiert.Samples No. 32 to No. 44 (Table 4) are comparison samples in the annealed condition. The lead-containing samples No. 32 and No. 33 show good machining properties in the annealed condition. Samples No. 34 (annealed at 600 °C) and No. 38 (annealed at 550 °C), which contain only Cu and Zn, are characterized by poor drilling properties even in the annealed condition.
Die Silicium-haltigen, aber Phosphor-freien Proben Nr. 35 und Nr. 36, die bei 600 °C geglüht wurden, ergeben beim Bohren ein Drehmoment, das mehr als doppelt so groß wie das an der Referenzprobe Nr. 10 ermittelte Drehmoment ist. Der größere Si-Anteil bei Probe Nr. 36 verbessert zwar die Spanform, reduziert jedoch die elektrische Leitfähigkeit. Die Silicium-haltige, aber Phosphor-freie Probe Nr. 39, die bei 550 °C geglüht wurde, weist günstigere Kräfte beim Bohren als die Proben Nr. 35 und Nr. 36 auf. Dies kann auf den deutlich höheren Anteil von β-Phase zurückgeführt werden. Allerdings ist die Spanform schlecht.The silicon-containing but phosphorus-free samples No. 35 and No. 36, which were annealed at 600 °C, produce a torque during drilling that is more than twice as high as the torque determined for the reference sample No. 10. The higher Si content in sample No. 36 improves the chip shape but reduces the electrical conductivity. The silicon-containing but phosphorus-free sample No. 39, which was annealed at 550 °C, shows more favorable forces during drilling than samples No. 35 and No. 36. This can be attributed to the significantly higher proportion of β-phase. However, the chip shape is poor.
Probe Nr. 37, die 0,58 Gew.-% Si und 0,10 Gew.-% P enthält und die bei 600 °C geglüht wurde, weist beim Bohren günstigere Eigenschaften als Probe Nr. 15 bei gleicher Zusammensetzung im ungeglühten Zustand auf, die elektrische Leitfähigkeit ist wegen des großen Anteils an Si jedoch ungenügend.Sample No. 37, which contains 0.58 wt.% Si and 0.10 wt.% P and which was annealed at 600 °C, shows more favorable drilling properties than sample No. 15 with the same composition in the unannealed state, but the electrical conductivity is insufficient due to the high Si content.
Bei den Proben Nr. 40 und Nr. 41, die bei 550 °C geglüht wurden und hinsichtlich der Zusammensetzung den Proben Nr. 18 beziehungsweise Nr. 19 entsprechen, konnte durch das Glühen eine Verbesserung der auf den Bohrer wirkenden Kräfte und insbesondere bei Probe Nr. 40 auch eine deutliche Verbesserung der Duktilität festgestellt werden. Probe Nr. 40 weist jedoch aufgrund der hohen Anteile von Si und P eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Bei Probe Nr. 41 kann das Fehlen von Si durch das Glühen nicht so weit kompensiert werden, dass die Kräfte beim Bohren auf einem akzeptablen Niveau sind.For samples No. 40 and No. 41, which were annealed at 550 °C and correspond in composition to samples No. 18 and No. 19, respectively, an improvement in the forces acting on the drill was observed after annealing and, in particular in sample No. 40, a significant improvement in ductility was also observed. However, sample No. 40 has a low electrical conductivity due to the high proportions of Si and P. In sample No. 41, the lack of Si cannot be compensated by annealing to such an extent that the forces during drilling are at an acceptable level.
Probe Nr. 42 mit einem Si-Anteil von 0,55 Gew.-% und einem P-Anteil von 0,075 Gew.-% weist aufgrund des hohen Si-Anteils eine zu geringe elektrische Leitfähigkeit auf.Sample No. 42 with a Si content of 0.55 wt.% and a P content of 0.075 wt.% has too low an electrical conductivity due to the high Si content.
Bei den Proben Nr. 43 und Nr. 44, die hinsichtlich der Zusammensetzung den ungeglühten Proben Nr. 22 und Nr. 23 entsprechen, konnte durch das Glühen bei 600 °C eine deutliche Verbesserung der Duktilität erreicht werden. Probe Nr. 43 weist auch nach dem Glühen unbefriedigende Zerspanungseigenschaften auf. Bei Probe Nr. 44 führt der P-Anteil von 0,3 Gew.-% in Kombination mit dem Si-Anteil von 0,29 Gew.-% zu einer geringen elektrischen Leitfähigkeit.For samples No. 43 and No. 44, which correspond in composition to the unannealed samples No. 22 and No. 23, a significant improvement in ductility was achieved by annealing at 600 °C. Sample No. 43 still has unsatisfactory machining properties after annealing. For sample No. 44, the P content of 0.3 wt.% in combination with the Si content of 0.29 wt.% leads to low electrical conductivity.
Die Proben Nr. 1 bis Nr. 44 dokumentieren, dass durch eine gezielte Auswahl der Elemente Si und P Werkstoffe hergestellt werden können, die eine günstige Kombination von Eigenschaften haben. Si reduziert die auf den Bohrer wirkenden Kräfte und verbessert so die Zerspanungseigenschaften. Ein Si-Anteil von über 0,32 Gew.-% reduziert jedoch die elektrische Leitfähigkeit. Ein P-Anteil von 0,05 bis 0,2 Gew.-% begünstigt die Spanbildung. Ein höherer Anteil von P führt in Kombination mit Si zu einer Verschlechterung der Duktilität und der elektrischen Leitfähigkeit. Werkstoffe mit einer günstigen Kombination dieser Eigenschaften können bereits ohne Glühung hergestellt werden. Durch ein Glühen insbesondere zwischen 550 °C und 600 °C können bei manchen Elementkombinationen die Zerspanungseigenschaften nachträglich durch das gezielte Einstellen des β-Phasenanteils und der Phosphid-Partikel verbessert werden.Samples No. 1 to No. 44 demonstrate that a targeted selection of the elements Si and P can produce materials that have a favorable combination of properties. Si reduces the forces acting on the drill and thus improves the machining properties. However, a Si content of more than 0.32 wt.% reduces electrical conductivity. A P content of 0.05 to 0.2 wt.% promotes chip formation. A higher proportion of P in combination with Si leads to a deterioration in ductility and electrical conductivity. Materials with a favorable combination of these properties can be produced without annealing. By annealing, particularly between 550 °C and 600 °C, the machining properties of some element combinations can be subsequently improved by specifically adjusting the β-phase content and the phosphide particles.
Legierungen mit einer vorstehend beschriebenen Zusammensetzung können auch als Gusslegierungen für Gussteile verwendet werden.Alloys with a composition described above can also be used as casting alloys for castings.
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