DE2742008A1

DE2742008A1 - Messing-werkstoff und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2742008A1
Application number: DE19772742008
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Ruchel
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1977-09-17
Filing date: 1977-09-17
Publication date: 1979-03-29
Also published as: SE445048B; IT7827583A0; DE2742008C2; FR2403394A1; JPS5447823A; SE7808214L; JPS5618662B2; US4226621A; IT1099055B; GB2004912A; US4288257A; FR2403394B1; GB2004912B

Description

Fa. DIEHL, Stephanstr. 49, 8500 Nürnberg

Messing-Werkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Messing-Werkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Aus der DT-AS 12 28 810 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen, in diesem Fall Federwerkstoffen, aus Kupfer-Zink-Legierungen bekannt. Bei diesen Verfahren wird ein aus einer Kupfer-Zink-Legierung auf dem für Knetlegierungen üblichen Weg hergestelltes Halbzeug geglüht, kaltverformt und einer temperatur- und zeitmäßig dosierten Wärmebehandlung unterworfen. Die Wärmebehandlung ist dabei so dosiert, daß eine Rekristallisation des Materialgefüges vermieden wird.

Die auf diese Weise gewonnenen Federwerkstoffe weisen eine erhöhte, weitgehend isotrope Federbiegegrenze auf. Insgesamt Jedoch vermag dieses bekannte Verfahren die mechanischen Eigenschaften handelsüblicher Messinglegierungen nicht derart nachhaltig zu verbessern, daß sie den gestiegenen Anforderungen auch weiterhin gerecht werden. Das wird nicht zuletzt durch die Tatsache dokumentiert, daß solche Legierungen in zunehmendem Maße durch teurere und schwieriger zu verarbeitende Werkstoffe ersetzt werden müssen. Auch für eine Weiterverarbeitung durch eine superplastische Umformung sind die handelsüblichen Messinglegierungen ungeeignet.

Das aus der obengenannten Auslegeschrift bekannte Herstellungsverfahren, welches ohnehin kein für eine superplastische Umformung geeignetes Material liefert, erfordert zudem eine äußerst exakte Einhaltung sowohl der Temperatur als auch der Zeitdauer der Wärmebehandlung. So führen bereits kleine Abweichungen von der vorgegebenen Glühtemperatur zu einem unerwünschten Abfall der Festigkeitseigenschaften.

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Es besteht daher, vor allem auch wegen der guten elektrischen Leitfähigkeit des Messings, ein großes Interesse an einfach und preisgünstig herzustellenden Messing-Werkstoffen mit gegenüber den traditionellen Messinglegierungen wesentlich besserer Umformbarkeit sowie gegebenenfalls erheblich gesteiferten Festigkeitseigenschaften.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen kostengünstigen Messing-Werkstoff zu schaffen, der aufgrund seiner Struktur und seiner mechanischen Eigenschaften möglichst gut weiterverarbeitbar ist, insbesondere durch superplastische Umformung und der es ermöglicht, auch hochfeste und hochduktile Werkstücke zu erzeugen. Weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Messing-Werkstoffs anzugeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie einen Werkstoff vorsieht, der aus einer Legierung mit 61 bis 65, vorzugsweise 62 Gew.-# Kupfer, Rest Zink, besteht und ein Gefüge aufweist, in dem die rekristallisierten Phasen oc und jS-j als diskretes feines Gemisch mit einer Korngröße von weniger als 5yum vorliegen, wobei der Anteil der ^-Phase mindestens 10 % beträgt und diese Phase im Form diskreter Teilchen in den Korngrenzen der α-Phase angeordnet ist.

In seiner bevorzugten Ausführungsform weist der Messing-Werkstoff nach der Erfindung 10 bis 50, vorzugsweise etwa 30 bis 40 % P₁-Phase in der zusammenhängenden, durch Korngrenzen unterteilten oi-Matrix auf. In dieser Zusammensetzung ist das superfein rekristallisierte Gefüge besonders beständig sowohl gegenüber Temperaturerhöhungen als auch gegenüber einer Überschreitung der Glühdauer. Dies wirkt sich insbesondere günstig bei einer eventuell anschließenden Weiterverarbeitung durch superplastische Umformung aus.

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Infolge seiner extrem feinkörnigen Struktur, einem sog. Mikroduplex-Gefüge, ist der erfindungsgemäße Messing-Werkstoff nahezu beliebig stark kaltverformbar (> 99%). In Verbindung mit der geringen Korngröße lassen sich dadurch für Messing bisher nicht bekannte Werte hinsichtlich Härte und Festigkeit erzielen. So weist nach einer abschließenden Kaltverformung von mindestens 70 % der erfindungsgemäße Werkstoff eine Härte von über 220 HV (Vickershärte), eine Bruchgrenze (5-q > 800 N/mm² und eine Streckgrenze 60,2** 6°° N/mm² auf. Wegen seines fast unbegrenzten Formänderungsvermögens ist dieser Werkstoff daher besonders gut für zusätzliche Formgebungsprozesse geeignet. Diese gute Weiterverarbeitbarkeit wird dadurch dokumentiert, daß der in den federharten Zustand überführte Werkstoff bei den vorstehend genannten Festigkeitswerten eine Einschnürung von etwa 60 % aufweist. Ferner ergibt sich, ebenfalls bedingt durch das superfeine Korn sowie durch die Anwesenheit einer zweiten Phase, für diesen Federwerkstoff eine erheblich gesteigerte Dauerschwingfestigkeit.

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Messing-Werkstoffs nacht von der an sich bekannten Tatsache Gebrauch, daß das Zweistoff-System Kupfer-Zink bei Kupfergehalten zwischen 61 und 70 Prozent im Temperaturbereich zwischen 450 und 500° C ein Löslichkeitsmaximum der /3/ß^-Phase im α-Mischkristall aufweist. Infolge der Abnahme dieser Löslichkeit zu niedrigeren Temperaturen hin müßte daraus bei Abkühlung eine Ausscheidung von ^₁ -Phase aus dem nunmehr übersättigten oc-Mischkristall erfolgen, wodurch sich theoretisch die Möglichkeit einer Ausscheidungs-Aushärtung ergeben würde.

In der Praxis jedoch ist die Einstellung des Gleichgewichts zwischen α- und ^₁-Phase bei niedrigen Temperaturen sowohl durch die Abnahme der Diffusion als auch durch Inhomogenität, metastabile Zustände usw. so stark behindert, daß sie über

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extrem lange Zeiträume erfolgt. So wurde bisher davon ausgegangen, daß bei 250° C eine Glühdauer von etwa einem Jahr bis zur Einstellung des dieser Temperatur entsprechenden Gleichgewichts zwischen den beiden Phasen erforderlich ist. (Vgl. hierzu z. B.: T. B. Massalski and J. E. Kittl; J. Austral. Inst. Metals, 8, I963, 91 - 97.) Eine technische Anwendung der Ausscheidung der jQ<|-Phase aus einem α-Mischkristall erschien daher ausgeschlossen.

Es zeigt sich jedoch, daß bei Messinglegierungen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eine vorausgegangene Kaltverformung von mindestens 50 % die Geschwindigkeit der ßi-Ausscheidung stark zu beschleunigen vermag. Die bis zur vollständigen /5-|-Ausscheidung und anschließenden Rekristallisation erforderlichen Glühzeiten liegen jetzt, abhängig von der Zusammensetzung und dem Grad der voraufgegangenen Kaltverformung sowie der Glühtemperatür, zwischen einer Minute und 500 Stunden, bei den bevorzugten Glühtemperaturen zwischen einer und acht Stunden. Aufgrund der extrem feinen Ausgangsverteilung der jö-j-Phase in der a-Mutterphase stellt sich nach beendeter Rekristallisation ein superfeines, zweiphasiges Gefüge ein, in dem beide Phasen mit einer Korngröße von weniger als 5yum vorliegen. Da sich beide Phasen aufgrund ihrer gegenseitigen Wechselwirkung nachhaltig am Kornwachstum hindern, bleibt dieses Mikroduplex-Gefüge auch bei höheren Temperaturen stabil.

Nachfolgend wird das bevorzugte Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Messing-Werkstoffs beschrieben.

Ausgehend von einer Legierung mit vorzugsweise 62 % Kupfer, Rest Zink, wird durch Gießen und Strangpressen das für die weitere Verarbeitung als Grundlage dienende Halbzeug hergestellt. Dabei kann jedes beliebige Gußverfahren, beispielsweise Stranggießen, angewendet werden, auch sind andere Methoden zur Warmverformung, wie Warmwalzen, oder aber eine - teilweise - Kaltverformung denkbar.

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Das nunmehr vorliegende Messing-Halbzeug wird zunächst otstabilisierend geglüht um sicherzustellen, daß für die weitere Verarbeitung ein reiner a-Mischkristall vorliegt. Die Glühung erfolgt im Temperaturbereich zwischen 450 und 500° C, im Gebiet der reinen «.-Phase. Die Glühdauer beträgt etwa 20 Stunden.

Für die anschließende Kaltverformung des Materials ist grundsätzlich Jedes der hierfür bekannten Verfahren, wie Walzen, Ziehen oder Hämmern geeignet. Wichtig ist allein, daß dabei ein Verformungsgrad von mindestens 50, vorzugsweise aber mehr als 80 % erreicht wird. Im bevorzugten Herstellungsverfahren wird das Messing-Halbzeug durch Kaltwalzen mit einem Verformungsgrad von 90 % verformt. Der Grad der Kaltverformung ist dabei zugleich maßgebend für die Intensität der anschließenden Wärmebehandlung, die die Ausscheidung der p^-Phase sowie die Rekristallisation des Gefüges bewirken soll.

Bei einer voraufgegangenen Kaltverformung von etwa 90 % ist die Rekristallisation nach einer Glühdauer von vier Stunden und einer Glühtemperatur von 250° C abgeschlossen. Die Legierung liegt jetzt als superfeines, zweiphasiges Gefüge mit einer einheitlichen Korngröße von 1 bis 2 um, d. h. als Mikroduplex-Gefüge vor.

Infolge der Wärmebehandlung bis zur vollständigen Rekristallisation ist ein Teil der Materialhärte, die sich durch die hohe Kaltverformung und die ^₁-Ausscheidung ergeben hatte, wieder verlorengegangen. Daher ist, sofern ein Werkstoff spezieller Härte angestrebt wird, eine erneute Kaltverformung im Anschluß an die Ausscheidungs- und Rekristallisationsglühung erforderlich, wobei sich der Umformungsgrad nach der gewünschten Endhärte richtet. Wegen seines feinstkörnigen Gefüges weist der Messing-Werkstoff nach der Erfindung eine extrem hohe Kaltverformbarkeit auf, so daß bei einer solchen abschließenden Kaltverformung Verformungsgradevon über 99 % möglich sind, ohne daß die Sprödigkeit des Materials störend in Erscheinung tritt.

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Ss ist aber andererseits auch möglich, den nach erfolgter Rekristallisation erhaltenen Messing-Werkstoff bei Temperaturen bis zu 350° C einer superplastischen Umformung zu unterwerfen, wobei es Infolge der guten Temperaturstabilität des Mikroduplex-Gefüges zu keiner wesentlichen Kornvergröberung kommt. Das superfeine Korn gestattet es, mit geringen Uaforakräften relativ große Umformungen, auch zu komplizierten Formen, zu erzielen.

Während es bei Legierungen mit höheren Kupfergehalten als 62 Gew.-?t Möglich ist, die Zeitdauer für die α-stabilisierende Glühung durch die Wahl entsprechend höherer Glühtemperaturen (bis 700° C) u. U. auf weniger als eine Stunde zu verkürzen, ist es für die bevorzugte Zusammensetzung wegen des Verlaufs der Gleichgewichtslinie a/(a+jJ) nicht möglich, bei mehr als 300° C zu glühen. Man kann aber in Abwandlung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des erfindungsge-■äßen Messing-Werkstoffs die Glühdauer für die α-stabilisierende Glühung dadurch verkürzen, da8 das Halbzeug vor dieser ersten Glühung zunächst einer zusätzlichen Kaltverformung von etwa 50 % unterworfen wird. Die Glühdauer für die α-stabilisierende Glühung bei 450 bis 500° C reduziert sich dann auf etwa eine Stunde.

VIe bereits erwähnt, eignet sich der erfindungsgeaäBe Messing-Werkstoff besonders auch zur Herstellung von hochfesten Werkstücken, insbesondere Federn. Ua zu dieses Zweck den Werkstoff in den federharten Bndzustand zu überführen, erfolgt im Anschluß an die zur Entstehung des Mikrodnplex-Gefüges führende Ausscheidungs- und Rekristallisationsglühung eine weitere Kaltverformung trän etwa 80 Ii, die z. B. durch Kaltwalzen oder Ziehen realisiert werden kamt.

Wendet man bei der abschließenden Kaltverformung Verfc

grade von über 70, -vorzugsweise 80 bis 99 % mti, so ist eine Härte von über 220 HT bei einer Bruchfestigkeit σ_Β>800 ■ und einer Streckgrenze GT₀ 2 >6°° m/mm? erzielbar. Das dann

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noch verbleibende Formänderungsvermögen ermöglicht andererseits weitere Formgebungsprozesse z. B. zur Herstellung von Schrauben, insbesondere Kreuzschlitzschrauben.

In weiterer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens enthält die Legierung einen rekristallisationsverzogernden Zusatz von bis zu 5 Gew.-% Nickel. Dieser verhindert ein zu rasches Ablaufen der Rekristallisation, das speziell bei Wärmebehandlung mit höheren Glühtemperaturen auftreten kann und das die /2>i-Ausscheidung bereits vor Erreichen des Gleichgewichtszustandes vorzeitig unterbinden würde. Für den gleichen Zweck ist auch ein Zusatz von bis zu 0,1 Gew.-% Zirkonium, Silber, Niob oder Vanadium möglich, wobei auch jeder dieser Zusätze mit Nickel kombiniert werden kann. Im Rahmen der Erfindung können aber auch andere, ebenfalls rekristallisationshemmend wirkende Zusätze in Anteilen bis zu 0,1 Gew.-% der Legierung beigegeben werden.

Weiterhin ist es möglich, durch Zusetzen von bis zu 0,1 Gew.-# Arsen, Antimon oder Phosphor bzw. einer Kombination dieser Elemente den erfindungsgemäßen Messing-Werkstoff wesentlich besser gegen eine Entzinkung zu schützen, als dies mit den gleichen, zu diesem Zweck üblicherweise verwendeten Zusätzen bei den bisher gebräuchlichen Messinglegierungen der Fall ist. Die durch Ausscheidung der/3- bzw. β^-Phase aus der α-Phase erzielte unzusammenhängende Verteilung der /3 -Phase bleibt infolge der sehr feinkörnigen Ausgangsverteilung auch bei einer Weiterverarbeitung bei höheren Temperaturen erhalten, so daß der durch die genannten Zusätze erreichte weitgehende Schutz der die ß-Phase vollständig umgebenden α-Phase gegenüber einer Entzinkung zugleich eine Entzinkung der ß-Phase verhindert.

Abschließend sei die Herstellung des erfindungsgemäßen Messing-Werkstoffs sowie seine Weiterverarbeitung zu Drähten als Ausgangsmaterial für Schrauben und Federn anhand eines Beipiels erläutert.

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Beispiel: Herstellung von Drähten

Es wird eine Legierung mit 62 Gew.-% Kupfer, Rest Zink verwendet. Nach dem Gießen und der Warmverformung durch Strangpressen wird das Material einer Glühung im cx-stabilen Bereich unterzogen, d. h. ca. 20 Stunden bei 500° C geglüht. Es stellt sich dann ein reines a-Gefüge mit einem mittleren Korndurchmesser von etwa 150 jam ein. Durch Kaltverformen, in diesem Falle durch Rundhämmern und Ziehen, wird an dem Material eine Verformung von 98 % aufgebracht, was ohne Zwischenglühen möglich ist. An den kaltverformten Drähten wird anschließend bei einer konstanten Temperatur von 250° C über acht Stunden eine Glühung zur Ausscheidung der /3^-Phase durchgeführt. Nach Ablauf dieser Zeit liegt das nunmehr rekristallisierte Gefüge zweiphasig und mit einer Korngröße von 1 bis 2 yum vor, wobei die P₁-Phase feinverteilt in eine Matrix aus α-Phase eingebettet ist. Die Härte dieses Materials liegt bei etwa 165 HV.

Abschließend werden die Drähte erneut auf etwa 80 Ji Verformungsgrad kaltgezogen. Sie weisen nun die folgenden mechanischen Eigenschaften auf:

Streckgrenze <5_Q ₂ : 780 N/mm² Bruchgrenze <5_B : 930 N/mm² Härte : 260 HV

Einschnürung ~ 60 %.

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Claims

Patentansprüche:

1. Messing-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff aus einer Legierung mit 61 bis 65, vorzugsweise 62 Gew.-96 Kupfer, Rest Zink, besteht und ein Gefüge aufweist, in dem die rekristallisierten Phasen «- und β*\ als diskretes feines Gemisch mit einer Korngröße von weniger als 5/^-m vorliegen, wobei der Anteil der /3 ^ -Phase mindestens 10 % beträgt und diese Phase in Form diskreter Teilchen in den Korngrenzen der oc-Phase angeordnet ist.

2. Messing-Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der /3<|-Phase 10 bis 50, vorzugsweise etwa 30 bis 40 % beträgt.

3. Messing-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung hochfester und hochduktiler Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff die folgenden mechanischen Eigenschaften aufweist:

Härte (HV) > 220

Bruchgrenze S'g > 800 N/mm²
Streckgrenze ^q,2 > 600 N/mn².

4. Verfahren zur Herstellung eines Messing-Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem ein aus einer Kupfer-Zink-Legierung auf dem für Knetlegierungen üblichen Weg hergestelltes Halbzeug geglüht, kaltverformt und nachfolgend einer temperatur- und zeitmäßig dosierten Wärmebehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das

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aus einer Legierung von etwa 61 bis 65, vorzugsweise 62 Gew.-% Kupfer, Rest Zink, bestehende Halbzeug zunächst bei Temperaturen von 450 bis 700, vorzugsweise bis 500° C und einer Glühdauer zwischen etwa 20 Stunden bei 450° C und etwa 15 min bei 700° C α-stabilisierend geglüht wird, dann mit einem Verformungsgrad von mindestens 50, vorzugsweise über 80 % kaltverformt und nachfolgend bei Temperaturen zwischen 200 und 350, vorzugsweise 250 und 300° C und einer Glühdauer zwishen einer Minute und 500 Stunden, vorzugsweise von einer bis acht Stunden einer zu ß-|-Ausscheidung und Rekristallisation führenden Wärmebehandlung unterzogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4 zur Herstellung eines Werkstoffs gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Messing-Werkstoff nach der Ausscheidungs- und Rekristallisationsglühung durch eine mit einem Verformungsgrad von mindestens 70, vorzugsweise etwa 80 bis 99 % durchgeführte erneute Kaltverformung in den federharten Zustand überführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung bis zu 5 Gew.-96 Nickel und/oder bis zu 0,1 Gew.-% eines der Elemente Zirkonium, Silber, Niob oder Vanadium zugesetzt werden.

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