EP0545145B1

EP0545145B1 - Herstellung eines Poren enthaltenden Kupferwerkstoffes als Halbzeug das einer Zerspanungsbehandlung unterworfen wird

Info

Publication number: EP0545145B1
Application number: EP92119677A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Dr. rer. nat. Dürrschnabel; Isabell Dr. Rer. Nat.-Dipl.-Ing. Buresch; Dieter Dr.-Ing. Stock; Hilmar R. Dr.-Ing. Müller
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 1991-11-28
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2012-11-19
Also published as: DE4139063C2; JPH06192772A; EP0545145A1; ES2090462T3; DE59206853D1; DE4139063A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfaharen zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem für Zerspanungsarbeiten geeigneten Kupferwerkstoff, insbesondere eines Halbzeugs mit verbesserter Zerspanbarkeit.
Halbzeuge aus Kupferlegierungen werden verbreitet für die Herstellung von solchen Teilen eingesetzt, bei welchen Zerspanungsarbeiten, wie Drehen, Bohren und Fräsen durchgeführt werden müssen. Diese Legierungen enthalten in der Regel Zusätze von beispielsweise Blei oder Tellur, die als Spanbrecher wirken und gleichzeitig die wirtschaftliche Bearbeitung von Halbzeug in Form von Rohren, Stangen, Blechen oder Bändern aus den genannten Legierungen zu Kleinteilen erleichtern.
Aus hygienischen Gründen wird versucht, den Bleigehalt bei solchen Teilen zu begrenzen, welche z. B. mit Trinkwasser in Versorgungsleitungen usw. in Berührung kommen.
Andererseits stößt die Zugabe der beschriebenen Spanbrecher auf Schwierigkeiten, weil hierdurch auch die Erzeugung der Vorerzeugnisse, wie z. B. Stangen, Rohre und Profile, durch die üblichen Fertigungsschritte Warm- und Kaltumformung eingeschränkt wird. Grund hierfür ist die unvermeidliche Nebenwirkung dieser Spanbrecher-Zusätze, welche eine versprödende Wirkung auf den Grundwerkstoff ausüben.
Weiter sind poröse Kupferwerkstoffe bekannt; die bisherigen Anstrengungen der Fachwelt sind allerdings bisher stets darauf gerichtet gewesen, die Poren möglichst vollständig zu beseitigen, um möglichst gute Eigenschaften des Kupferwerkstoffs zu erzielen (vgl. beispielsweise WO 90/11 852).
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von für Zerspanungsarbeiten geeignetem Halbzeug aus Kupferwerkstoffen bereitzustellen, ohne die schädlichen Spanbrecher-Zusätze wie Blei oder Tellur zuzusetzen. Das Verfahren ermoglicht insbesondere die wirtschaftliche Herstellung von Halbzeug mit verbesserter Zerspanbarkeit.Der zur Lösung der Aufgabe führende Grundgedanke besteht erfindungsgemäß darin, die in einem porösen Vorform aus Kupferwerkstoff enthaltenen Poren als Spanbrecher zu verwenden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß pulvermetallurgisch eine poröse Vorform aus Kupferpulver oder Kupferlegierungspulver hergestellt und gesintert wird und daß aus dieser Vorform durch Schritte der Kalt- und/oder Warmumformung das Halbzeug in Form von Stangen, Rohren, Profilen, Drähten, Blechen oder Bändern mit einem Volumenanteil an Poren von 0,05 bis 10 % erzeugt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Teilchengröße des Kupfer-bzw. Kupferlegierungspulvers 2 bis 3000 µm beträgt.
Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß darin, daß eine poröse Vorform nach dem Sprühkompaktierverfahren hergestellt wird, indem eine Metallschmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Zerstäubung in Metalltröpfchen zerlegt wird und die Metalltröpfchen auf eine Unterlage aufgesprüht werden, wobei ein Gas-Metall-Verhältnis von 0,05 Nm³/kg - 1,5 Nm³/kg eingehalten wird, und daß aus dieser Vorform durch Schritte der Kalt- und/oder Warmumformung das Halbzeug in Form von Stangen, Rohren, Profilen, Drähten, Blechen oder Bändern mit einem Volumenanteil an Poren von 0,05 bis 10 % erzeugt wird. Vorzugsweise beträgt der mittlere Tröpfchendurchmesser 5 bis 200 µm.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Poren gasgefüllt sind, da bei der Weiterverarbeitung des porösen Kupferwerkstoffs die zurückbleibenden Poren zwar ihre Form verändern, sich jedoch nicht vollständig verschließen, weil die Hohlräume durch das Gas stabilisiert sind. Insbesondere empfiehlt es sich, wenn die Poren mit einem in Kupfer oder einer Kupferlegierung nicht löslichen Gas, wie etwa Stickstoff, Edelgas, Helium oder Kohlendioxyd, gefüllt sind. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren sind daher dadurch gekennzeichnet, daß im Fall eines pulvermetallurgischen Verfahrens die Vorform in einer Atmosphäre gesintert wird, welche in Kupfer und Kupferlegierungen nichtlösliche, gasförmige Anteile enthält, und im Fall eines Sprühkompaktierverfahrens als Sprühgas ein in Kupfer oder in der Kupferlegierung nichtlösbares Gas eingesetzt wird.
Nach beiden erfindungsgemäßen Lösungen dienen die im Kupferwerkstoff erzeugten Poren als Spanbrecher. Die Poren bedeuten lokal begrenzte Schwächungen des Materials, welche zu einem Zerbrechen der Späne während des Zerspanungsvorgangs führen. Die Poren können, wie üblich, dreidimensionale Ausdehnung besitzen; sie können jedoch auch durch mechanische Verformung der Matrix zu nahezu zweidimensionalen Gebilden verdrückt sein. Die Poren treten an die Stelle von als Spanbrecher wirkenden Zusätzen, denen Bedenken hygienischer oder technischer Art entgegen stehen. Durch die Erfindung wird somit ein Halbzeug zur Verfügung gestellt, das hygienisch einwandfrei und für Zerspanungsarbeiten sehr gut geeignet ist.
Zwar ist aus US-A-2 881 511 ein Verfahren bekannt, bei dem pulvermetallurgisch eine poröse Vorform aus Kupferlegierungspulver hergestellt und gesintert und aus dieser Vorform durch Schritte der Kalt- und/oder Warmumformung das gewünschte Werkstück mit einer Porosität zwischen 2 % und 13 % erhalten wird. Jedoch dient dieses bekannte Verfahren zur Herstellung von durch Zugaben von Nickel und Titan besonders verschleißfesten Gegenständen, die möglichst selbstschmierende Eigenschaften besitzen und zu keiner weiteren spanabhebenden Bearbeitung mehr bestimmt sind. Das bekannte Verfahren ist daher nicht darauf gerichtet, die Zerspanbarkeit des so hergestellten Kupferwerkstoffs zu verbessern.
In SU-A-511 362 ist eine pulvermetallurgisch hergestellte, Wolfram und Kalziumfluorid enthaltende Kupferlegierung mit einem Porenanteil von 15 bis 20 % beschrieben, die gegen Erosion besonders stabil und spanabhebend bearbeitbar ist. Jedoch fehlen jegliche Schritte einer an den Sinterprozess anschließenden Kalt- und/oder Warmverformung.
Das Dokument Metals Handbook 1984, ASM, Bd. 7: "Powder Metallurgy" beschreibt zwar auf den Seiten 735 bis 740 pulvermetallurgisch hergestellte Kupferwerkstoffe verschiedenster Arten, enthält aber keinen Hinweis auf eine Kalt- und/oder Warmumformung der gesinterten Vorform auf einen bestimmten Porenanteil und auf eine dadurch erreichbare Verbesserung der Zerspanbarkeit. - Auf Seite 742 des Dokuments wird zwar im Zusammenhang mit Fig. 1 die gute Zerspanbarkeit von P/M-Aluminium gegenüber "wrought" Aluminium betont, jedoch handelt es sich bei dem angesprochenen P/M-Aluminium um eine lediglich pulvermetallurgisch gewonnene Vorform, die anschließend keiner Kalt- und/oder Warmverformung unterworfen worden ist. - Aus den Seiten 620, 667, 725 und 735 des Dokuments ergibt sich speziell aus Fig. 13 auf Seite 620 zwar die Möglichkeit einer spanabhebenden Bearbeitung gesinterter Teile, jedoch fehlt bei Fig. 13 zwischen den Bearbeitungsstufen des Sinterns und der spanabhebenden Bearbeitung offensichtlich ein Schritt der Kalt- und/oder Warmverformung. Zur Herstellung des aus Fig. 1 auf Seite 667 ersichtlichen Werkstücks dienen zwar mehrere aufeinander folgende Stufen des Sinterns und verdichtenden Pressens, jedoch endet die Herstellung der danach nur noch spanabhebend bearbeiteten Vorform mit einem Sintervorgang, so daß auch hier die erfindungsgemäß erforderlichen Schritte der Kalt- und/oder Warmverformung fehlen. Weiter ist es aus Seite 725, Fig. 21 bekannt, eine pulvermetallurgisch hergestellte Vorform warm zu walzen und anschließend erneut einer Warmbehandlung zu unterwerfen, ehe das so erhaltene Halbzeug spanabhebend bearbeitet wird. Jedoch dient hier, wie die Beschreibung auf Seite 724 erkennen läßt, das Warmwalzen und die anschließende Warmbehandlung gerade der Beseitigung der vorhandenen Poren, so daß diese Entgegenhaltung ebensowenig die Erfindung beschreibt, wie dies eingangs am Beispiel der WO 90/11 852 bereits ausgeführt ist, wonach poröse Kupferwerkstoffe als solche zwar vorbekannt sind, die Bemühungen der Fachwelt aber darauf gerichtet waren, die Poren möglichst vollständig zu beseitigen, um möglichst gute Werkstoffeigenschaften zu erzielen. - Gleiches gilt für das aus den Seiten 530 bis 532 des Dokuments bekannte Sprühkompaktierverfahren, bei dem das anschließende Warmschmieden der porösen Vorform ebenfalls der möglichsten Porenbeseitigung dient; jedenfalls enthält diese Stelle des Dokuments keinen Hinweis darauf, durch das Warmschmieden die Poren in der erfindungsgemäßen Weise nur soweit zu reduzieren, daß eine deutliche Verbesserung der Zerspanbarkeit eintritt.
Schließlich ist aus EP-A-0 456 591 bekannt, daß Enderzeugnisse aus Kupferwerkstoff durch Zerspanung hergestellt werden, und zwar ausgehend von Stabmaterial, das mittels Sprühkompaktieren/Warmumformung bereitgestellt worden ist. Jedoch findet sich auch hier kein Hinweis, daß die Warmumformung nicht zur weitgehenden oder vollständigen Porenbeseitigung gedient hat und daß sich die Zerspanbarkeit verbessern könnte, wenn die Warmumformung ein der Erfindung gemäßen Porenanteil im Halbzeug belassen hätte.
Für die erfindungsgemäßen Verfahren kommen vorzugsweise Messing- und Bronzelegierungen zum Einsatz, jedoch ist die Anwendung der Erfindung auf andere Kupfer legierungen bei Bedarf ohne weiteres möglich.
Eine geeignete Messinglegierung enthält insbesondere 1 bis 45 % Zink, als Wahlkomponenten einzeln oder in Kombination empfehlen sich Aluminium (maximal 10 %), Nickel (maximal 20 %), Zinn (maximal 6 %), Silizium (maximal 4 %), Eisen (maximal 2 %), Mangan (maximal 8 %). Weitere Wahlkomponenten, welche zur Erzielung besonderer Festigkeitseigenschaften einzeln und in Kombination zugegeben werden können, sind Titan, Chrom, Zirkon, Beryllium, Magnesium, Phosphor, Antimon bis jeweils maximal 1 %.
Eine geeignete Bronzelegierung enthält insbesondere 0,1 bis 12 % Zinn, als Wahlkomponenten einzeln oder in Kombination empfehlen sich hier Zink (maximal 6 %), Nickel (maximal 5 %), Eisen (maximal 4 %) sowie als weitere Wahlkomponenten zur Einstellung besonderer Eigenschaften die Elemente Phosphor, Chrom, Zirkon, Titan, Magnesium (jeweils maximal 1 %).
Eine ebenfalls für die erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Aluminiumbronzelegierung enthält insbesondere 1 bis 10 % Aluminium sowie als Wahlkomponenten einzeln oder in Kombination Eisen (maximal 5 %), Nickel (maximal 8 %), Silizium (maximal 4 %), Mangan (maximal 5 %), Zinn (maximal 3 %) sowie als weitere Wahlkomponenten Chrom, Titan, Zirkon, Magnesium, Phosphor, bis maximal 1 % einzeln oder im Kombination.
Eine für die erfindungsgemäßen Verfahren geeignete niedriglegierte Kupferlegierung enthält als Wahlkomponenten einzeln oder in Kombination Phosphor (maximal 0,5 %), Eisen (maximal 4 %), Zinn (maximal 3 %), Nickel (maximal 4 %), Silizium (maximal 2 %), Chrom (maximal 2 %), Kobalt (maximal 2 %), Beryllium (maximal 2 %) sowie als weitere Wahlkomponenten Titan, Zirkon, Magnesium, Mangan, Arsen, Zink bis maximal 1 % einzeln oder in Kombination.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a: den Längsschliff einer gesinterten Kupferprobe,
Fig. 1b: den Querschnitt einer gesinterten Kupferprobe,
Fig. 2: Spanformen der gesinterten Kupferprobe nach Fig. 1,
Fig. 3: Spanformen von einer konventionell hergestellten Kupferprobe,
Fig. 4: den Querschliff einer weiteren, gesinterten Kupferprobe und
Fig. 5: Spanformen der gesinterten Kupferprobe dre Fig. 4.

Beispiel 1:

Durch Zerstäuben gewonnenes Pulver aus Kupfer mit einer Korngröße von 25 µm wird in üblicher Weise mit einem Schmiermittel (Stearinsäure) versetzt und zu einem Grünling von 95 % Dichte verpreßt. Der Grünling wird nach einem Temperaturprogramm so bis zur Sintertemperatur geführt, daß das Schmiermittel ausgetrieben wird. Die Sintertemperatur beträgt 1000°C, die Sinterzeit 2,5 h.
Als Sinteratmosphäre wird aus Ammoniak gewonnenes Spaltgas bei Atmosphärendruck verwendet. Nach dem Sintern hat der Körper jetzt eine Dichte von 98,5 % der theoretischen und enthält geschlossene Poren.
Der Sinterkörper wird bei Raumtemperatur durch Walzen um etwa 30 % kaltverformt, wobei die Poren verstreckt werden. Hierdurch entsteht ein Gefüge wie es in Fig. 1a an einem Längsschliff und in Fig. 1b an einem Querschliff charakterisiert ist (Vergrößerung 200:1). Das Material ist von gleichmäßig feinen Porenkanälchen durchsetzt.
Beim Drehversuch auf einer Drehbank entstehen wesentlich kürzere Späne (Fig. 2 / L: Längsdrehversuch, P: Stirndrehversuch) als bei solchen Stangen, welche aus vollkommen dichten, stranggegossenen Bolzen durch Pressen und Ziehen gefertigt wurden (Fig. 3).

Beispiel 2:

Die Vorgehensweise ist ebenso wie bei Beispiel 1, mit der Abweichung, daß jetzt gröberes Pulver mit einer Korngröße von 25 bis 50 µm eingesetzt wird. Hierdurch entsteht nach dem Kaltverformen eine etwas gröbere Porenstruktur, wie sie aus dem Querschliff in Fig. 4 hervorgeht. Beim Drehversuch auf einer Drehbank entstehen auch in diesem Fall günstige kurze Späne, wie Fig. 5 (L: Längsdrehversuch, P: Stirndrehversuch) zeigt.

Beispiel 3:

Eine Schmelze aus CuFe2P mit der Zusammensetzung 2,3 % Eisen, 0,022 % Phosphor, Rest Kupfer und übliche Verunreinigungen wird mit Hilfe des Sprühkompaktierverfahrens (OSPREY-Verfahren) zu einer ca 30 mm dicken Platte gesprüht. Als Sprühgas wird Reinstickstoff eingesetzt. Durch geeignete Wahl der Sprühverfahren insbesondere des Gas-Metall-Verhältnisses 0,42 in der Verdüsungsstufe, wird erreicht, daß die konsolidierte Platte eine Dichte von 85 % der theoretischen aufweist.
Die Platte wird auf der Außenseite überfräst, anschließend auf 930°C aufgeheizt und um 40 % warm abgewalzt. Aus dem gewalzten Blech wird ein Stück für Drehversuche herausgearbeitet. Dieser Stab hat eine Dichte von 98,5 % der theoretischen.
Beim Stirndrehversuch ergibt die Stange wieder wesentlich kürzere Späne als solche, welche nach dem üblichen Verfahren von einer Probe aus gegossener und warmgewalzter Platte erzeugt wurden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem Kupferwerkstoff mit verbesserter Zerspanbarkeit, wobei zunächst pulvermetallurgisch eine poröse Vorform aus Kupferpulver oder Kupferlegierungspulver hergestellt und gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dieser Vorform durch Schritte der Kalt- und/oder Warmumformung das Halbzeug in Form von Stangen, Rohren, Profilen, Drähten, Blechen oder Bändern mit einem Volumenanteil an Poren von 0,05 bis 10 % erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Teilchengröße des Kupfer- bzw. Kupferlegierungspulvers 2 bis 3000 µm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform in einer Atmosphäre gesintert wird, welche in Kupfer und Kupferlegierungen nichtlösliche, gasförmige Anteile enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem Kupferwerkstoff mit verbesserter Zerspanbarkeit, wobei zunächtst eine poröse Vorform nach dem Sprühkompaktierverfahren hergestellt wird, indem eine Metallschmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Zerstäubung in Metalltröpfchen zerlegt wird und die Metalltröpfchen auf eine Unterlage aufgesprüht werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas-Metall-Verhältnis von 0,05 Nm³/kg - 1,5 Nm³/kg eingehalten wird, und daß aus dieser Vorform durch Schritte der Kalt- und/oder Warmumformung das Halbzeug in Form von Stangen, Rohren, Profilen, Drähten, Blechen oder Bändern mit einem Volumenanteil an Poren von 0,05 bis 10 % erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Tröpfchendurchmesser 5 bis 200 µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kupferwerkstoff gasgefüllte Poren enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren ein in Kupfer oder einer Kupferlegierung nicht lösliches Gas enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferwerkstoff eine Messinglegierung mit 1 bis 45 % Zink ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messinglegierung als Wahlkomponenten maximal 10 % Aluminium, maximal 20 % Nickel, maximal 6 % Zinn, maximal 4 % Silicium, maximal 8 % Mangan, sowie maximal 2 % Eisen einzeln oder in Kombination enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Titan, Chrom, Zirkon, Beryllium, Magnesium, Phosphor, Antimon bis jeweils maximal 1 % enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferwerkstoff eine Bronzelegierung mit 0,1 bis 12 % Zinn ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bronzelegierung als Wahlkomponenten maximal 6 % Zink, maximal 5 % Nickel sowie maximal 4 % Eisen einzeln oder in Kombination enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bronzelegierung als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Phosphor, Chrom, Zirkon, Titan, Magnesium bis jeweils maximal 1 % enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferwerkstoff eine Aluminiumbronze mit 0,1 bis 10 % Aluminium ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumbronze als Wahlkomponenten maximal 5 % Eisen, maximal 8 % Nickel, maximal 4 % Silicium, maximal 5 % Mangan, sowie maximal 3 % Zinn einzeln oder in Kombination enthält.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumbronze als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Chrom, Titan, Zirkon, Magnesium, Phosphor bis jeweils maximal 1 % enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferwerkstoff eine niedrig legierte Kupferlegierung ist, die als Wahlikomponenten maximal 0,5 % Phosphor, maximal 4 % Eisen, maximal 3 % Zinn, maximal 4 % Nickel, maximal 2 % Silicium, maximal 2 % Chrom, maximal 2 % Kobalt sowie maximal 2 % Beryllium einzeln oder in Kombination enthält.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferlegierung als weitere Wahlkomponenten eines oder mehrere der Elemente Titan, Zirkon, Magnesium, Mangan, Arsen, Zink bis jeweils maximal 1 % enthält.