EP3992320A1 - Lead-free cu-zn alloy - Google Patents

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EP3992320A1
EP3992320A1 EP20204628.0A EP20204628A EP3992320A1 EP 3992320 A1 EP3992320 A1 EP 3992320A1 EP 20204628 A EP20204628 A EP 20204628A EP 3992320 A1 EP3992320 A1 EP 3992320A1
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EP
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alloy
max
machining
alternative
lead
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Pending
Application number
EP20204628.0A
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French (fr)
Inventor
Björn Reetz
Tileman MÜNCH
Thomas Plett
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Otto Fuchs KG
Original Assignee
Otto Fuchs KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Otto Fuchs KG filed Critical Otto Fuchs KG
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Priority to US17/499,208 priority patent/US20220136086A1/en
Priority to BR102021020600-4A priority patent/BR102021020600A2/en
Priority to CN202111245863.1A priority patent/CN114427051A/en
Priority to KR1020210144954A priority patent/KR20220057455A/en
Priority to JP2021177365A priority patent/JP2022074112A/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon

Definitions

  • the subject matter of the invention is a lead-free Cu-Zn alloy with better machining properties than the CuZn42 alloy.
  • the CuZn42 alloy is a very simply constructed brass alloy with a Cu content of between 57.0 and 59.0% by weight. In principle, no other elements are involved in this alloy. Pb with a maximum of 0.2% by weight, Sn with 0.03% by weight, Fe with 0.3% by weight, Ni with 0.02% by weight and Al with 0.05% by weight are tolerated % plus unavoidable impurities.
  • This alloy is a lead-free alloy that is very easy to hot-work and is used, among other things, as a semi-finished product for the manufacture of profiles. This alloy is the lead-free variant of the commonly used alloy CuZn39Pb3.
  • the element lead is used to improve machinability.
  • the CuZn42 alloy is lead-free, it is also used for machining, such as the manufacture of turned parts, due to its ⁇ / ⁇ structure.
  • the machinability of workpieces made from this alloy is limited. This means that the machining disadvantages caused by the alloy cannot be compensated for by the corresponding process parameters of a machining machine. This applies, for example, to machining processes with form tools, where the limits of the process parameters do not allow any corresponding leeway. In such cases, the machinability of such an alloy is unsatisfactory.
  • machinability for certain machining operations is acceptable for workpieces made from this alloy, it would be desirable if the machinability could be improved without the elements Pb and Bi traditionally used for free-cutting alloys to achieve the desired machinability, as they are considered hazardous to health classified, must be used.
  • a Cu-Zn alloy with improved machining properties contains 58-70% by weight Cu, 0.5-2.0% by weight Sn, 0.1-2.0% by weight Si, the remainder zinc plus unavoidable impurities, the sum of the elements Sn and Si is 1.0 wt% and 3.0 wt%.
  • the improved machinability without using the elements Pb and Bi is provided in this alloy by the contents of the elements Sn and Si. These elements are responsible for the formation of the ⁇ -phase in the specified proportion ranges, which phase is distributed in the alloy as a microstructure and thus promotes chip breaking.
  • the Si contained in the alloy also leads to the formation of silicides, specifically together with the elements Al, Ni and/or Mn permitted in the alloy, which are regularly found in the alloy due to the usual use of recycling material.
  • the Si content can be 2.0% by weight.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a lead-free CuZn alloy with improved machining properties compared to the CuZn42 alloy, which is simple in structure and does not require any special production steps to achieve the desired good machinability.
  • Unavoidable impurities are permitted at 0.05% by weight per element, the sum of the unavoidable impurities not exceeding 0.15% by weight.
  • An alloy is considered lead-free within the meaning of the claimed invention if its Pb content does not exceed a proportion of 0.1% by weight.
  • This alloy contains P, so that iron phosphides or manganese phosphides are formed depending on the configuration of the alloy within the scope of the first alternative or the second alternative.
  • the addition of phosphorus in the proportions mentioned has a positive effect on the casting, since phosphorus has a grain-refining effect. This has a positive effect on the desired improved machinability.
  • it is important that the workpieces produced from the alloy have a fine grain without the need for additional measures, such as water quenching after pressing, for example. Due to the claimed composition of the alloy, the extruded semi-finished products already have a sufficiently fine grain. In addition, the finely distributed phosphides contained in the matrix have a chip-breaking effect.
  • the chips produced when machining a workpiece made of this alloy are significantly better than those when machining the alloy CuZn42 due to their chip shape (crumbly chips or very short spiral chips) and come very close to those when machining the machining alloy CuZn39Pb3 containing lead. It is essential that, despite the addition of phosphorus to form the phosphides, the strength properties of the products made from this alloy correspond to those of the comparison alloy CuZn42. In addition to an improved With chip breaking, the surface quality is also comparable with that which is achieved with machining of the lead-containing predecessor alloy CuZn39Pb3. This can be observed surprisingly, since due to the phosphides distributed in the matrix and thus due to the more inhomogeneous matrix compared to the alloy CuZn42 and CuZn39Pb3, a lower surface quality was actually to be expected.
  • the phosphides act as recrystallization inhibitors of the structure, especially at elevated temperatures.
  • the P content is limited to 0.1% by weight. At higher P contents, the grain size of the phosphides becomes coarser. This is disadvantageous for machining, as well as for certain surface treatments such as polishing or coating. Although the wear resistance of the workpiece made from the alloy is improved by coarser phosphides, this does not compensate for the other disadvantages mentioned above. If the P content is less than 0.03% by weight, the advantageous properties described above are not established, or only to an insufficient extent.
  • the contents of the elements Fe and Mn are limited to the specified contents. If more Fe or Mn is used, this leads to grain coarsening. Below the limits mentioned, the desired phosphides are not formed to a sufficient extent to achieve the machining-improving properties.
  • Sn can be involved in the alloy and aids machinability. Sn is also advantageous in terms of melt formation. The involvement of P dilutes the melt. Sn counteracts this. In addition, Sn can have a deoxidizing effect in the melt. Sn is incorporated into the alloy only below the solubility limit in the mixed crystal. Otherwise there is a risk that a Sn-containing ⁇ -phase forms, which in turn has an embrittling effect on the alloy product. If Sn is used as an alloying element, the machinability is improved on the one hand due to the above-described effect of the phosphides and on the other hand due to the mechanism of action of Sn. Both mechanisms of action complement each other.
  • Sn also aids in dry machining through the formation of Sn oxides, which reduces tool wear as these are protectively transferred to the tool surface. If a particularly simple alloy structure is desired, the active principle that Sn favors machining can be dispensed with. In such an embodiment, Sn is not used as an alloying element, but is only tolerated in a proportion of up to 0.1% by weight.
  • recycling material can definitely be used to produce this alloy without having to accept any disadvantages. Recycling material from a preferably closed cycle is used for this purpose, i.e. the use of pure recycling material. If recycling material is used in which, with regard to its composition, for example, one or more elements are not present or do not have the appropriate contents, these elements can be entered into the recycling material. This applies in particular to the element P, which is essential to the invention and which, as a rule, is not present when conventional recycling material is used.
  • the zinc equivalent of the alloy according to the invention is between about 39 and 42, so that the alloy product has an ⁇ / ⁇ structure.
  • the zinc equivalent is typically somewhat lower compared to the CuZn42 alloy, with the result that the formation of an ⁇ -phase is favored compared to the comparison alloy. This has positive effects on the cold formability of products (workpieces) made from this alloy. This is of interest because the elements Fe and/or Fe and Mn have only reduced the zinc equivalent to such an extent that cold workability is improved, but the good hot workability known from the CuZn42 alloy is retained and the phosphides already described are also formed will.
  • a special feature of the alloy according to the invention is that the improved machinability is based solely on the special composition of the alloy and no additional measures, such as specific production or processing steps, are required for this. Therefore, the semi-finished products made from the alloy can be manufactured using the usual manufacturing processes. This also has the advantage that for the processing of the semi-finished products to produce the final product, corresponding treatment steps can be carried out to set certain strength and/or structural properties, which are therefore not yet consumed by the manufacturing process for producing the semi-finished products. In this context, it goes without saying that the improved machining properties are achieved without additional process steps, but that these can be achieved, if desired, by means of special treatment steps, such as cold working, in order to improve chip breaking and thus machinability.
  • the machining tests were carried out uniformly on all samples by external longitudinal turning at a cutting speed of 200 m/min, a cutting depth of 1 mm and a feed of 0.1 mm.
  • the chip form, the cutting force, the tool wear and the surface quality resulting from the cutting were examined.
  • a slightly higher cutting force is required for cutting the alloys according to the invention.
  • the reason for this is the phosphides contained in the alloy, which are responsible for better chip breaking and thus also for the overall improved machinability.
  • the chip shape is a relevant factor, so that the slightly higher cutting force compared to the comparison alloys can easily be accepted.
  • the alloys according to the invention have an improved tool wear index compared to the CuZn42 alloy. This was not to be expected.
  • the surface quality of the alloys according to the invention essentially corresponds to that which is achieved with the two comparison alloys, so that no disadvantages, at least no significant disadvantages, have to be accepted in this respect.
  • a semi-finished product made from the alloy can be used for a wide variety of purposes.

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Abstract

Beschrieben ist eine bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Zerspanungseigenschaften, bestehend aus (Angaben in Gew.-%):- Cu: 57 - 59,5 %,- Fe: 0,12 - 0,17 % (1. Alternative)oderFe: max. 0,06 % und Mn: 0,3 - 0,7 % (2. Alternative),- P: 0,03 - 0,1 %,- Sn: max. 1,0 %,- Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen,- wobei die nachfolgenden Elemente bis zu den angegebenen Gehalten toleriert werden:Ni: max. 0,03 %,Al: max. 0,05 %,Si: max. 0,01 %,Cr: max. 0,01 %.A lead-free Cu-Zn alloy is described with improved machining properties compared to the CuZn42 alloy, consisting of (data in % by weight): - Cu: 57 - 59.5%, - Fe: 0.12 - 0.17% ( 1st alternative) or Fe: max. 0.06% and Mn: 0.3 - 0.7% (2nd alternative),- P: 0.03 - 0.1%,- Sn: max. 1.0% ,- balance Zn plus unavoidable impurities,- whereby the following elements are tolerated up to the specified contents: Ni: max. 0.03%, Al: max. 0.05%, Si: max. 0.01%, Cr: 0.01% max.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Zerspanungseigenschaften.The subject matter of the invention is a lead-free Cu-Zn alloy with better machining properties than the CuZn42 alloy.

Die Legierung CuZn42 ist aufgrund der nur geringen Anzahl der am Aufbau der Legierung beteiligten Elemente eine sehr einfach aufgebaute Messinglegierung mit einem Cu-Gehalt zwischen 57,0 und 59,0 Gew.-%. Grundsätzlich sind keine weiteren Elemente an dieser Legierung beteiligt. Toleriert werden Pb mit max. 0,2 Gew.-%, Sn mit 0,03 Gew.-%, Fe mit 0,3 Gew.-%, Ni mit 0,02 Gew.-% und Al mit 0,05 Gew.-% nebst unvermeidbaren Verunreinigungen. Diese Legierung ist eine sehr gut warmumformbare bleifreie Legierung und wird unter anderem für die Fertigung von Profilen als Halbzeug genutzt. Diese Legierung ist die bleifreie Variante zu der herkömmlich eingesetzten Legierung CuZn39Pb3. Bei der Legierung CuZn39Pb3 dient das Element Blei maßgeblich zum Verbessern der Zerspanbarkeit. Auch wenn die Legierung CuZn42 bleifrei ist, wird diese aufgrund ihres α/β-Gefüges auch für spanende Bearbeitungen, wie etwa die Herstellung von Drehteilen, eingesetzt. Jedoch ist die Zerspanbarkeit von aus dieser Legierung hergestellten Werkstücken beschränkt. Dies bedeutet, dass die durch die Legierung bedingten Zerspanungsnachteile nicht durch entsprechende Prozessparameter einer spanenden Bearbeitungsmaschine kompensiert werden können. Dieses gilt beispielsweise für Zerspanungsvorgänge mit Formwerkzeugen, bei denen die Grenzen der Prozessparameter keine entsprechenden Spielräume zulassen. In solchen Fällen ist die Zerspanbarkeit einer solchen Legierung unbefriedigend.Due to the small number of elements involved in the structure of the alloy, the CuZn42 alloy is a very simply constructed brass alloy with a Cu content of between 57.0 and 59.0% by weight. In principle, no other elements are involved in this alloy. Pb with a maximum of 0.2% by weight, Sn with 0.03% by weight, Fe with 0.3% by weight, Ni with 0.02% by weight and Al with 0.05% by weight are tolerated % plus unavoidable impurities. This alloy is a lead-free alloy that is very easy to hot-work and is used, among other things, as a semi-finished product for the manufacture of profiles. This alloy is the lead-free variant of the commonly used alloy CuZn39Pb3. In the case of the CuZn39Pb3 alloy, the element lead is used to improve machinability. Even though the CuZn42 alloy is lead-free, it is also used for machining, such as the manufacture of turned parts, due to its α/β structure. However, the machinability of workpieces made from this alloy is limited. This means that the machining disadvantages caused by the alloy cannot be compensated for by the corresponding process parameters of a machining machine. This applies, for example, to machining processes with form tools, where the limits of the process parameters do not allow any corresponding leeway. In such cases, the machinability of such an alloy is unsatisfactory.

Auch wenn die Zerspanbarkeit für gewisse spanende Bearbeitungen bei aus dieser Legierung hergestellten Werkstücken akzeptabel ist, wäre es wünschenswert, wenn die Zerspanbarkeit verbessert werden könnte, und zwar ohne dass die für Automatenlegierungen zum Erreichen der gewünschten Zerspanbarkeit herkömmlich eingesetzten Elemente Pb und Bi, da als gesundheitsgefährdend eingestuft, verwendet werden müssen.Although the machinability for certain machining operations is acceptable for workpieces made from this alloy, it would be desirable if the machinability could be improved without the elements Pb and Bi traditionally used for free-cutting alloys to achieve the desired machinability, as they are considered hazardous to health classified, must be used.

Aus EP 3 690 069 C1 ist eine Cu-Zn-Legierung mit verbesserten Zerspanungseigenschaften bekannt. Diese Legierung enthält 58 - 70 Gew.-% Cu, 0,5 - 2,0 Gew.-% Sn, 0,1 - 2,0 Gew.-% Si, Rest Zink nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die Summe der Elemente Sn und Si 1,0 Gew.-% und 3,0 Gew.-% beträgt. Die verbesserte Zerspanbarkeit ohne Einsatz der Elemente Pb und Bi wird bei dieser Legierung durch die Gehalte der Elemente Sn und Si bereitgestellt. Diese Elemente sind in den angegebenen Anteilsbereichen für die Entstehung der ε-Phase verantwortlich, welche Phase in der Legierung als Mikrostruktur verteilt ist und damit einen Spanbruch begünstigt. Das in der Legierung enthaltene Si führt zudem zu einer Bildung von Siliziden, und zwar zusammen mit den in der Legierung zugelassenen Elementen Al, Ni und/oder Mn, die aufgrund des üblichen Einsatzes von Recyclingmaterial in der Legierung regelmäßig anzutreffen sind. Der Si-Gehalt kann bei dieser vorbekannten Legierung 2,0 Gew.-% betragen. Zwar sind für einige Verwendungen in der Matrix enthaltene Silizide vorteilhaft, vor allem wenn Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit gegeben sind, jedoch können sich Silizide bei der Zerspanbarkeit durch einen erhöhten Werkzeugverschleiß bemerkbar machen.Out of EP 3 690 069 C1 a Cu-Zn alloy with improved machining properties is known. This alloy contains 58-70% by weight Cu, 0.5-2.0% by weight Sn, 0.1-2.0% by weight Si, the remainder zinc plus unavoidable impurities, the sum of the elements Sn and Si is 1.0 wt% and 3.0 wt%. The improved machinability without using the elements Pb and Bi is provided in this alloy by the contents of the elements Sn and Si. These elements are responsible for the formation of the ε-phase in the specified proportion ranges, which phase is distributed in the alloy as a microstructure and thus promotes chip breaking. The Si contained in the alloy also leads to the formation of silicides, specifically together with the elements Al, Ni and/or Mn permitted in the alloy, which are regularly found in the alloy due to the usual use of recycling material. In this known alloy, the Si content can be 2.0% by weight. Although silicides contained in the matrix are advantageous for some uses, especially when wear resistance is required, silicides can have an impact on machinability through increased tool wear.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Zerspanungseigenschaften vorzuschlagen, die einfach aufgebaut ist und die zum Erzielen der gewünschten guten Zerspanbarkeit keine besonderen Herstellungsschritte verlangt.Proceeding from this discussed prior art, the invention is therefore based on the object of proposing a lead-free CuZn alloy with improved machining properties compared to the CuZn42 alloy, which is simple in structure and does not require any special production steps to achieve the desired good machinability.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Zerspanungseigenschaften, bestehend aus (Angaben in Gew.-%):

  • Cu: 57 - 59,5 %,
  • Fe: 0,12 - 0,17 % (1. Alternative)
    oder
    Fe: max. 0,06 % und Mn: 0,3 - 0,7 % (2. Alternative),
  • P: 0,03 - 0,1 %,
  • Sn: max. 1,0 %,
  • Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen,
  • wobei die nachfolgenden Elemente bis zu den angegebenen Gehalten toleriert werden:
    • Ni: max. 0,03 %,
    • Al: max. 0,05 %,
    • Si: max. 0,01 %,
    • Cr: max. 0,01 %.
This object is achieved according to the invention by a lead-free CuZn alloy with improved machining properties compared to the CuZn42 alloy, consisting of (data in % by weight):
  • Cu: 57 - 59.5%,
  • Fe: 0.12 - 0.17% (1st alternative)
    or
    Fe: max. 0.06% and Mn: 0.3 - 0.7% (2nd alternative),
  • P: 0.03 - 0.1%,
  • Sn: 1.0% or less,
  • remainder Zn together with unavoidable impurities,
  • where the following elements are tolerated up to the specified contents:
    • Ni: max. 0.03%,
    • Al: max. 0.05%,
    • Si: max. 0.01%,
    • Cr: 0.01% max.

Unvermeidbare Verunreinigungen sind zugelassen mit 0,05 Gew.-% je Element, wobei die Summe der unvermeidbaren Verunreinigungen 0,15 Gew.-% nicht überschreitet.Unavoidable impurities are permitted at 0.05% by weight per element, the sum of the unavoidable impurities not exceeding 0.15% by weight.

Bleifrei gilt eine Legierung im Sinne der beanspruchten Erfindung, wenn dessen Pb-Gehalt einen Anteil von 0,1 Gew.-% nicht überschreitet.An alloy is considered lead-free within the meaning of the claimed invention if its Pb content does not exceed a proportion of 0.1% by weight.

Diese Legierung enthält P, sodass sich je nach Ausgestaltung der Legierung im Rahmen der ersten Alternative oder der zweiten Alternative Eisenphosphide oder Manganphosphide ausbilden. Die Beimengung von Phosphor mit den genannten Anteilen hat positive Auswirkungen auf den Guss, da Phosphor kornfeinend wirkt. Dieses wirkt sich positiv für die gewünschte verbesserte Zerspanbarkeit aus. Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang, dass die aus der Legierung hergestellten Werkstücke ein feines Korn aufweisen, ohne dass hierzu zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise ein Wasserabschrecken nach dem Pressen, erforderlich sind. Die stranggepressten Halbzeuge weisen aufgrund der beanspruchten Zusammensetzung der Legierung bereits ein hinreichend feines Korn auf. Zusätzlich wirken die feinverteilt in der Matrix enthaltenen Phosphide spanbrechend. Die bei einer spanenden Bearbeitung eines aus dieser Legierung hergestellten Werkstückes erzeugten Späne sind gegenüber den bei einer zerspanenden Bearbeitung der Legierung CuZn42 aufgrund ihrer Spanform (Bröckelspan bzw. sehr kurzer Wendelspan) deutlich besser und kommen der bei einer spanenden Bearbeitung der bleihaltigen Zerspanungslegierung CuZn39Pb3 sehr nahe. Wesentlich ist, dass trotz Beimengung von Phosphor zur Ausbildung der Phosphide die Festigkeitseigenschaften der aus dieser Legierung hergestellten Produkte denjenigen der Vergleichslegierung CuZn42 entsprechen. Neben einem verbesserten Spanbruch ist bei einer zerspanenden Bearbeitung auch die Oberflächengüte vergleichbar mit derjenigen, die bei einer zerspanenden Bearbeitung der bleihaltigen Vorgängerlegierung CuZn39Pb3 erzielt wird. Dieses ist überraschend zu beobachten, da aufgrund der in der Matrix verteilten Phosphide und damit aufgrund der gegenüber der Legierung CuZn42 und CuZn39Pb3 inhomogeneren Matrix eigentlich mit einer geringeren Oberflächengüte zu rechnen war.This alloy contains P, so that iron phosphides or manganese phosphides are formed depending on the configuration of the alloy within the scope of the first alternative or the second alternative. The addition of phosphorus in the proportions mentioned has a positive effect on the casting, since phosphorus has a grain-refining effect. This has a positive effect on the desired improved machinability. In this context, it is important that the workpieces produced from the alloy have a fine grain without the need for additional measures, such as water quenching after pressing, for example. Due to the claimed composition of the alloy, the extruded semi-finished products already have a sufficiently fine grain. In addition, the finely distributed phosphides contained in the matrix have a chip-breaking effect. The chips produced when machining a workpiece made of this alloy are significantly better than those when machining the alloy CuZn42 due to their chip shape (crumbly chips or very short spiral chips) and come very close to those when machining the machining alloy CuZn39Pb3 containing lead. It is essential that, despite the addition of phosphorus to form the phosphides, the strength properties of the products made from this alloy correspond to those of the comparison alloy CuZn42. In addition to an improved With chip breaking, the surface quality is also comparable with that which is achieved with machining of the lead-containing predecessor alloy CuZn39Pb3. This can be observed surprisingly, since due to the phosphides distributed in the matrix and thus due to the more inhomogeneous matrix compared to the alloy CuZn42 and CuZn39Pb3, a lower surface quality was actually to be expected.

Ebenfalls konnte nicht damit gerechnet werden, dass die Phosphide als Rekristallisationshemmer des Gefüges vor allem bei erhöhten Temperaturen wirken.Likewise, it could not be expected that the phosphides act as recrystallization inhibitors of the structure, especially at elevated temperatures.

Der P-Gehalt ist auf 0,1 Gew.-% begrenzt. Bei höheren P-Gehalten tritt eine Kornvergröberung der Phosphide ein. Dieses ist für die Zerspanung nachteilig, ebenso wie für bestimmte Oberflächenbearbeitungen, wie beispielsweise für ein Polieren oder Beschichten. Zwar wird durch gröbere Phosphide der Verschleißwiderstand des aus der Legierung hergestellten Werkstückes verbessert, jedoch macht dieser die anderen vorgenannten Nachteile nicht wett. Ist der P-Gehalt kleiner als 0,03 Gew.-%, stellen sich die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften nicht oder nur unzureichend ein.The P content is limited to 0.1% by weight. At higher P contents, the grain size of the phosphides becomes coarser. This is disadvantageous for machining, as well as for certain surface treatments such as polishing or coating. Although the wear resistance of the workpiece made from the alloy is improved by coarser phosphides, this does not compensate for the other disadvantages mentioned above. If the P content is less than 0.03% by weight, the advantageous properties described above are not established, or only to an insufficient extent.

Die Gehalte der Elemente Fe und Mn sind auf die angegebenen Gehalte begrenzt. Wird mehr Fe oder Mn eingesetzt, führt dieses zu einer Kornvergröberung. Unterhalb der genannten Grenzen bilden sich die gewünschten Phosphide nicht in hinreichendem Maße aus, um die zerspanungsverbessernden Eigenschaften zu erzielen.The contents of the elements Fe and Mn are limited to the specified contents. If more Fe or Mn is used, this leads to grain coarsening. Below the limits mentioned, the desired phosphides are not formed to a sufficient extent to achieve the machining-improving properties.

Sn kann an der Legierung beteiligt sein und unterstützt die Zerspanbarkeit. Sn ist auch vorteilhaft in Bezug auf die Ausbildung der Schmelze. Die Beteiligung von P verdünnflüssigt die Schmelze. Sn wirkt diesem entgegen. Zusätzlich kann Sn in der Schmelze desoxidierend wirken. Sn wird in die Legierung nur unterhalb der Löslichkeitsgrenze in dem Mischkristall eingebaut. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass sich eine Sn-haltige γ-Phase ausbildet, die wiederum versprödend auf das Legierungsprodukt wirkt. Wird Sn als Legierungselement eingesetzt, ist die verbesserte Zerspanbarkeit zum einen aufgrund des vorbeschriebenen Effektes der Phosphide begründet und zum anderen durch den Wirkmechanismus von Sn. Beide Wirkmechanismen ergänzen sich. Die Beteiligung von Sn hilft auch bei einer Trockenzerspanung durch die Bildung von Sn-Oxiden, wodurch der Werkzeugverschleiß gemindert wird, da sich diese schützend auf die Werkzeugoberfläche übertragen. Wird ein besonders einfacher Legierungsaufbau gewünscht, kann auf das durch Sn zerspanungsbegünstigend begründete Wirkprinzip verzichtet werden. In einem solchen Ausführungsbeispiel wird Sn nicht als Legierungselement eingesetzt, sondern nur mit einem Anteil von bis zu 0,1 Gew.-% toleriert.Sn can be involved in the alloy and aids machinability. Sn is also advantageous in terms of melt formation. The involvement of P dilutes the melt. Sn counteracts this. In addition, Sn can have a deoxidizing effect in the melt. Sn is incorporated into the alloy only below the solubility limit in the mixed crystal. Otherwise there is a risk that a Sn-containing γ-phase forms, which in turn has an embrittling effect on the alloy product. If Sn is used as an alloying element, the machinability is improved on the one hand due to the above-described effect of the phosphides and on the other hand due to the mechanism of action of Sn. Both mechanisms of action complement each other. The involvement of Sn also aids in dry machining through the formation of Sn oxides, which reduces tool wear as these are protectively transferred to the tool surface. If a particularly simple alloy structure is desired, the active principle that Sn favors machining can be dispensed with. In such an embodiment, Sn is not used as an alloying element, but is only tolerated in a proportion of up to 0.1% by weight.

Die tolerierten Begleitelemente beeinflussen die verbesserte Zerspanbarkeit eines aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Werkstückes nicht nachteilig, jedenfalls nicht nennenswert. Daher kann zum Herstellen dieser Legierung durchaus Recyclingmaterial eingesetzt werden, ohne Nachteile hinnehmen zu müssen. Eingesetzt wird hierfür Recyclingmaterial aus einem vorzugsweise geschlossenen Kreislauf, das heißt die Verwendung von sortenreinem Recyclingmaterial. Wird Recyclingmaterial eingesetzt, bei dem hinsichtlich seiner Zusammensetzung beispielsweise ein oder auch mehrere Elemente nicht vorhanden sind oder nicht mit entsprechenden Gehalten, können diese Elemente in das Recyclingmaterial eingegeben. Dieses gilt insbesondere für das erfindungswesentliche Element P, welches bei Einsatz von herkömmlichem Recyclingmaterial in aller Regel nicht vorhanden ist.The tolerated accompanying elements do not adversely affect the improved machinability of a workpiece made from the alloy according to the invention, at least not appreciably. Therefore, recycling material can definitely be used to produce this alloy without having to accept any disadvantages. Recycling material from a preferably closed cycle is used for this purpose, i.e. the use of pure recycling material. If recycling material is used in which, with regard to its composition, for example, one or more elements are not present or do not have the appropriate contents, these elements can be entered into the recycling material. This applies in particular to the element P, which is essential to the invention and which, as a rule, is not present when conventional recycling material is used.

Das Zinkäquivalent der erfindungsgemäßen Legierung liegt etwa zwischen 39 und 42, sodass das Legierungsprodukt ein α/β-Gefüge aufweist. Das Zinkäquivalent ist typischerweise gegenüber der Legierung CuZn42 etwas geringer mit der Folge, dass eine Ausbildung von α-Phase gegenüber der Vergleichslegierung begünstigt ist. Dieses hat positive Auswirkungen auf eine Kaltumformbarkeit von aus dieser Legierung hergestellten Produkten (Werkstücken). Dieses ist von Interesse, da durch die Elemente Fe und/oder Fe und Mn das Zinkäquivalent nur soweit reduziert worden ist, dass die Kaltumformbarkeit verbessert, jedoch nach wie vor die aus der Legierung CuZn42 bekannte gute Warmumformbarkeit erhalten bleibt und zusätzlich die bereits vorbeschriebenen Phosphide gebildet werden.The zinc equivalent of the alloy according to the invention is between about 39 and 42, so that the alloy product has an α/β structure. The zinc equivalent is typically somewhat lower compared to the CuZn42 alloy, with the result that the formation of an α-phase is favored compared to the comparison alloy. This has positive effects on the cold formability of products (workpieces) made from this alloy. This is of interest because the elements Fe and/or Fe and Mn have only reduced the zinc equivalent to such an extent that cold workability is improved, but the good hot workability known from the CuZn42 alloy is retained and the phosphides already described are also formed will.

Von Besonderheit bei der erfindungsgemäßen Legierung ist, dass die verbesserte Zerspanbarkeit allein in der besonderen Zusammensetzung der Legierung begründet ist und hierfür keine zusätzlichen Maßnahmen, wie beispielsweise bestimmte Herstellungs- oder Verarbeitungsschritte erforderlich sind. Daher können die aus der Legierung hergestellten Halbzeuge mit den üblichen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Dieses hat auch zum Vorteil, dass für die Bearbeitung der Halbzeuge zum Herstellen des finalen Produktes entsprechende Behandlungsschritte zum Einstellen bestimmter Festigkeits- und/oder Gefügeeigenschaften vorgenommen werden können, diese mithin durch den Herstellungsprozess zum Herstellen der Halbzeuge noch nicht verbraucht sind. In diesem Zusammenhang versteht es sich, dass sich die verbesserten Zerspanungseigenschaften ohne zusätzliche Verfahrensschritte einstellen, dass diese jedoch, wenn gewünscht, durch besondere Behandlungsschritte, wie beispielweise eine Kaltverformung, um den Spanbruch und damit die Zerspanbarkeit zu verbessern.A special feature of the alloy according to the invention is that the improved machinability is based solely on the special composition of the alloy and no additional measures, such as specific production or processing steps, are required for this. Therefore, the semi-finished products made from the alloy can be manufactured using the usual manufacturing processes. This also has the advantage that for the processing of the semi-finished products to produce the final product, corresponding treatment steps can be carried out to set certain strength and/or structural properties, which are therefore not yet consumed by the manufacturing process for producing the semi-finished products. In this context, it goes without saying that the improved machining properties are achieved without additional process steps, but that these can be achieved, if desired, by means of special treatment steps, such as cold working, in order to improve chip breaking and thus machinability.

Untersuchungeninvestigations

Aus den nachfolgend angegebenen Legierungen (Angaben in Gew.-%): Cu Fe Mn P Sn Pb Zn CuZn39Pb3 57,2 2,8 Rest CuZn42 58 Rest Legierung 1 58 0,14 0,06 Rest Legierung 2 58 0,47 0,06 Rest Legierung 3 58,3 0,07 0,04 0,9 Rest sind durch Gießen und anschließendem Strangpressen in Stangenmaterial mit einem Durchmesser von jeweils 40 mm Proben erstellt worden, die nach dem Strangpressen gereckt worden sind. An Probenstücken wurden Zerspanungsuntersuchungen durchgeführt. Bei den Legierungen 1 bis 3 handelt es sich um erfindungsgemäße Legierungen.From the alloys specified below (in percent by weight): Cu feet Mn P sn pb Zn CuZn39Pb3 57.2 2.8 rest CuZn42 58 rest alloy 1 58 0.14 0.06 rest alloy 2 58 0.47 0.06 rest alloy 3 58.3 0.07 0.04 0.9 rest Samples have been prepared by casting and subsequent extrusion in bar stock each having a diameter of 40 mm, which have been stretched after extrusion. Machining tests were carried out on test pieces. Alloys 1 to 3 are alloys according to the invention.

Die Zerspanungsversuche wurden bei allen Proben einheitlich durch Au-ßenlängsdrehen mit einer Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min, einer Schnitttiefe von 1 mm und einem Vorschub von 0,1 mm vorgenommen.The machining tests were carried out uniformly on all samples by external longitudinal turning at a cutting speed of 200 m/min, a cutting depth of 1 mm and a feed of 0.1 mm.

Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in Form von Indizes von 0 bis 100 bewertet. Die Vergleichslegierung CuZn42 erhält in diesem System den Index 50 für die unterschiedlichen Zerspanungsindizes. Je höher der Index ist, desto besser ist das Ergebnis.The results of the investigations were evaluated in the form of indices from 0 to 100. In this system, the comparison alloy CuZn42 receives the index 50 for the different machining indices. The higher the index, the better the result.

Untersucht worden ist die Spanform, die Zerspankraft, der Werkzeugverschleiß und die sich durch die Zerspanung einstellende Oberflächengüte.The chip form, the cutting force, the tool wear and the surface quality resulting from the cutting were examined.

Das Ergebnis der Untersuchungen ist in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:

Figure imgb0001
The results of the investigations are shown in the table below:
Figure imgb0001

Zur Verdeutlichung der Spanform, die mit den erfindungsgemäßen Legierungen erhältlich ist, wird auf die Figur 1 verwiesen, die in einer Gegenüberstellung den Spanbruch der Vergleichslegierung CuZn39Pb3 (links), die die gewünschte Spanbruchform zeigt, und der Legierung 1 gemäß der Erfindung (rechts) zeigt. Dieser Vergleich verdeutlicht, dass mit der erfindungsgemäßen Legierung eine gegenüber der bleifreien Vergleichslegierung CuZn42 deutlich verbesserte Spanform erzielt wird. Die Spanform der spanend bearbeiteten Legierungen 2 und 3 sind entsprechend der in Figur 1 zu der Legierung 1 gezeigten.To illustrate the chip form that is obtainable with the alloys according to the invention, reference is made to the figure 1 referenced, which shows in a comparison the chip breaking of the comparison alloy CuZn39Pb3 (left), which shows the desired chip breaking shape, and alloy 1 according to the invention (right). This comparison makes it clear that the alloy according to the invention achieves a significantly improved chip shape compared to the lead-free comparison alloy CuZn42. The chip shape of the machined alloys 2 and 3 are according to the in figure 1 shown for alloy 1.

Für die Zerspanung der erfindungsgemäßen Legierungen wird eine etwas höhere Zerspankraft benötigt. Grund hierfür sind die in der Legierung enthaltenen Phosphide, die jedoch für den besseren Spanbruch und damit auch für die insgesamt verbesserte Zerspanbarkeit verantwortlich sind. Bezüglich der Zerspanbarkeit ist die Spanform ein relevanter Faktor, sodass diesbezüglich ohne weiteres die gegenüber den Vergleichslegierungen etwas höhere Zerspankraft in Kauf genommen werden kann.A slightly higher cutting force is required for cutting the alloys according to the invention. The reason for this is the phosphides contained in the alloy, which are responsible for better chip breaking and thus also for the overall improved machinability. With regard to machinability, the chip shape is a relevant factor, so that the slightly higher cutting force compared to the comparison alloys can easily be accepted.

Von Bedeutung ist, dass die erfindungsgemäßen Legierungen einen gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Werkzeugverschleißindex aufweisen. Dieses war nicht zu erwarten.It is important that the alloys according to the invention have an improved tool wear index compared to the CuZn42 alloy. This was not to be expected.

Die Oberflächengüte der erfindungsgemäßen Legierungen entspricht im Wesentlichen derjenigen, die mit den beiden Vergleichslegierungen erzielt wird, sodass diesbezüglich keine, jedenfalls keine nennenswerten Nachteile in Kauf genommen werden müssen.The surface quality of the alloys according to the invention essentially corresponds to that which is achieved with the two comparison alloys, so that no disadvantages, at least no significant disadvantages, have to be accepted in this respect.

Die mechanischen Festigkeitswerte der erfindungsgemäßen Legierung sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben:

Figure imgb0002
The mechanical strength values of the alloy according to the invention are shown in the table below:
Figure imgb0002

Diese mechanischen Kennwerte der aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Halbzeuge, die aus den Proben im Presszustand gewonnen wurden, macht deutlich, dass diese eine gegenüber den Vergleichslegierungen deutlich verbesserte Zugfestigkeit und höhere Härte aufweisen. Die Bruchdehnung ist ähnlich wie diejenige der Vergleichslegierungen. Gleiches gilt für die Dehngrenze, die jedoch bei der Legierung 3 deutlich höher ist als bei der für die Vergleichslegierungen ermittelten Dehngrenze. Trotz der verbesserten Zerspanbarkeit brauchen somit bei den erfindungsgemäßen Legierungen keine Nachteile hinsichtlich der mechanischen Festigkeitswerte in Kauf genommen zu werden. Vielmehr sind diese sogar verbessert.These mechanical characteristics of the semi-finished products produced from the alloy according to the invention, which were obtained from the samples in the pressed state, make it clear that they have significantly improved tensile strength and higher hardness compared to the comparison alloys. The elongation at break is similar to that of the comparative alloys. The same applies to the yield strength, which, however, is significantly higher for alloy 3 than for the yield strength determined for the comparison alloys. Despite the improved machinability, no disadvantages with regard to the mechanical strength values have to be accepted with the alloys according to the invention. In fact, they are even improved.

Aufgrund der sich bereits beim Pressen einstellenden positiven Gefügeeigenschaften kann ein aus der Legierung hergestelltes Halbzeug für die verschiedensten Verwendungen eingesetzt werden.Due to the positive structural properties that already occur during pressing, a semi-finished product made from the alloy can be used for a wide variety of purposes.

Claims (5)

Bleifreie Cu-Zn-Legierung mit gegenüber der Legierung CuZn42 verbesserten Zerspanungseigenschaften, bestehend aus (Angaben in Gew.-%): - Cu: 57 - 59,5 %, - Fe: 0,12 - 0,17 % (1. Alternative)
oder
Fe: max. 0,06 % und Mn: 0,3 - 0,7 % (2. Alternative), - P: 0,03 - 0,1 %, - Sn: max. 1,0 %, - Rest Zn nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, - wobei die nachfolgenden Elemente bis zu den angegebenen Gehalten toleriert werden: Ni: max. 0,03 %, Al: max. 0,05 %, Si: max. 0,01 %, Cr: max. 0,01 %. Lead-free Cu-Zn alloy with improved machining properties compared to the CuZn42 alloy, consisting of (details in % by weight): - Cu: 57 - 59.5%, - Fe: 0.12 - 0.17% (1st alternative)
or
Fe: max. 0.06% and Mn: 0.3 - 0.7% (2nd alternative), - P: 0.03 - 0.1%, - Sn: max. 1.0%, - rest Zn together with unavoidable impurities, - whereby the following elements are tolerated up to the specified contents: Ni: max. 0.03%, Al: max. 0.05%, Si: max. 0.01%, Cr: 0.01% max. Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Legierung gemäß der ersten Alternative der Fe-Gehalt 0,13 - 0,15 % beträgt.Cu-Zn alloy according to claim 1, characterized in that in the alloy according to the first alternative the Fe content is 0.13 - 0.15%. Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Legierung gemäß der zweiten Alternative der Fe-Gehalt max. 0,04 % und der Mn-Gehalt 0,35 - 0,55 % beträgt.Cu-Zn alloy according to Claim 1, characterized in that in the alloy according to the second alternative the Fe content is a maximum of 0.04% and the Mn content is 0.35 - 0.55%. Cu-Zn-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der P-Gehalt 0,05 - 0,08 % beträgt.Cu-Zn alloy according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the P content is 0.05 - 0.08%. Cu-Zn-Legierung nach Anspruch 1 gemäß der 1. Alternative oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Sn mit einem Gehalt von 0,8 - 1,0 % aufweist und der P-Gehalt maximal 0,04 % beträgt.Cu-Zn alloy according to claim 1 according to the 1st alternative or claim 2, characterized in that the alloy has Sn with a content of 0.8 - 1.0% and the P content is a maximum of 0.04%.
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