无铅铜合金和其应用 【技术领域】
本发明涉及基于Cu-Zn-Si的铜合金和其应用。
背景技术
黄铜被用于机械制造、电工学和公共卫生工程等不同领域中。
在机械制造和电子工程中，由于微型化的趋势，结构件变得越来越小和精细。而且由黄铜制成的构件通常与其它金属和非金属材料复合。然而这二者给基于拆开和/或熔化的材料的循环再利用造成困难。
特别地在待再利用的结构件包含毒性或有害身体健康的元素或者物质时还出现其它困难。这些元素或者物质可以直接危及制备或加工这些材料的工艺上的工人。当必须长时间储存这种材料并因此使这些材料遭受气候的影响时，势必增加了环境负荷。此外，有毒的物质如果需要污染了助剂，例如有些在采用沉积法和/或浮选法的Schredderfraktionen加工中使用的分离剂。那么要求以高成本清除这些助剂。当然如果不能完全避免有害健康的物质和元素在环境或者有机体中的释放，那么它们在这些结构件的使用过程中也是不希望的。
因此，对于这种产品来说，在生态学和毒性方面毫无问题的组合物是十分重要的。日益提高的环境意识(这种意识可以在许多标准和工业手册例如象修订的饮用水规定DIN50930-6或者废品规定中重新找到)要求相应的原材料。
在电工学中，大多数情况下使用含Pb的黄铜作为接点材料，并且作为静止接点或者固定接点，属于此的例如是接线柱连接和插塞连接器或插塞接点。在选择材料时，易于加工是非常重要地。吸引人的是相应的标准部件可以由具有较高生产率的含铅的切削黄铜制备。
结构中填充的铅产生了缺陷。这种填充不但起断屑器的作用，而且由于应力集中以及支承截面的缩小降低了材料的强度和/或延展性。这种缺陷必须通过相应的结构件几何尺寸来补偿。
在所有的紧固元件中，根据工艺条件存在或多或少的大的机械残余应力。这通常与来源于螺旋连接的拉应力相叠加。如果接线柱连接由常规的含铅黄铜制成，那么由于这种应力存在大的应力腐蚀开裂的危险。
此外，在电工学和电子学中同样也需要生态学上友好的材料。根据欧洲国会对电子和电工的旧仪器的中期方针，Pb将来是一种不希望的合金组分。这种推动的目标是提高合金循环中对环境友好的材料的含量。
此外，由含铅黄铜可以制备用于液体运输或储存的结构件或者容器。重要的方面是卫生工程。同样这里的金属渗漏也是特别成问题的。因此，所使用的材料应该对所有种类的腐蚀均具有抵抗力。用于液体运输或储存的结构件的制备一般是通过切削进行的。通常之前通过模锻进行热加工。
这种含铅的黄铜合金例如已经由DE 43 18 377 C2公开，其作为锻造或者铸造合金用于光学工业、首饰加工和饮用水和卫生设备中。同样这种合金由于加入了显著量的铅而获得了好的切削性。
研制出的另一种具有好的切削性的无铅铜基塑性合金已经由申请DE 691 24835 T2公开。该合金可以代替目前为止的含铅材料，而无需改变加工条件。对此添加少量铋和其它元素磷、铟和锡来代替合金中的铅。
【发明内容】
因此，本发明的任务是提供一种其性能进一步改善的无铅铜合金以及其应用。
本发明的任务是通过基于铜、锌和硅的铜合金解决的，该合金由下列组分组成：70至83％Cu、1至5％Si和其它的粘结性(matrixaktiven)元素：0.01至2％Sn、0.01至0.3％Fe和/或Co、0.01至0.3％Ni、0.01至0.3％Mn，余量是Zn和不可避免的杂质。
可选择地该铜合金还包括最高达0.1％P以及在这种情况下可选择地还包括最高达0.5％Ag、Al、As、Sb、Mg、Ti、Zr。
该合金组分的所有含量均以重量％表示。
因此本发明是出于这种考虑的，即在其整个单元中由合金元素的适当组合和由单个组分的协同作用获得的性能满足了对合金寄予的期望并因此满足了对材料的要求。
为此，该材料同时还具有下列特征：
无有毒的元素
好的切削性
.好的成型性
.高的耐腐蚀性
.与含铅的切削黄铜相比，在相同高的延展性下，具有升高的强度水平
.适合于大批量制备半成品以及
.在半成品制备过程中工艺是稳定的，即对波动的工艺参数不敏感。
对此，该铜合金可以设计为无有毒添加剂的含Si的CuZn合金(特种黄铜)。当然因此满足了有益健康的和生态学上相容性的要求。
本发明合金的Cu含量是70至83％。Cu含量低于70％时导致脆化，这将显著地造成明显降低的断裂伸长或者缺口冲击韧度。此外例如还产生无切削的模塑成型方面的缺陷。当Cu含量超过83％，在无断裂截面的切屑加工时产生长、占地方的切屑。
硅含量也存在类似的比例：在Si浓度低于1％时，对短的切屑的优点不抱希望；超过5％时韧性大大降低。
使用Sn、Mn和Ni以便在给定的铜含量下有针对性地影响组织结构。Sn和Mn提高体心立方体的β-相的含量。Ni稳定体心立方体的铜-锌混晶的含量。
Sn含量低于0.01％是不利的，因为将使β-相含量太低，Sn含量高于2％时影响冷成型性。
Mn含量低于0.01％是不利，因为这样β-相将以特别低的含量存在。Mn含量高于0.3％将影响成型性和抗应力腐蚀开裂的稳定性。
Ni含量低于0.01时不足以充分地稳定铜混晶，附加地还削弱了对抗平面腐蚀性的有利作用。Ni高于0.3％时将导致冷成型时过高的硬化并且因此是不利的。
为了控制α-相的晶粒尺寸，Fe或Co是必需的。当低于0.01％时这种作用是不足的。高于0.3％时存在与Si一起作为晶粒析出的危险。这对于冷成型是不利的。
这种新材料的特征是，在室温下按照EN 10045测定的缺口冲击韧度位于含Pb黄铜和无Pb黄铜之间，而它们在高于600℃的温度下达到了无铅黄铜的水平。
可选择地包含P，以便有利地影响初始铸造组织的形成和腐蚀性能。磷提高了熔体的流动性并且有利于抗易受应力腐蚀开裂的侵蚀性。特别地含量高于0.003％时这种效果是明显的。然而大于0.1％时由于特别容易在晶粒界面上发生晶间腐蚀性而导致的缺陷占上风。
任选地，加入最高达0.5％的铝，以便形成氧化层。这特别地对于装饰目的是有利的。特别地含量高于0.003％时这种作用是明显的。超过0.5％的含量由于有助于形成β-相而不再是有利的。
由本发明的材料制成的半成品优选是通过常规连铸、在600至750℃的温度下的挤压和冷却成型(例如通过拉拔)来制备的。
在这种制备过程中，证明该组合物的加工性是毫无问题的，并且令人惊奇地在性能方面是稳定的。这在现有技术中通常加工处理的三元合金Cu-Zn-Si中是不能获得的。它们在连铸中缺乏有利的性能，并且缺乏稳定的与操作参数(例如挤压时的)的波动无关的结构形成。这不但涉及制品本身中技术特性值的均匀分布而且涉及在加工不同的铸造批料之间不变的性能。已经表明，制成的圆钢在性能方面的波动范围主要取决于粘结性元素的含量。在主要组分Cu、Zn和Si的基础上，在基体中至少部分熔融的粘结性元素Sn、Fe、Co、Ni和Mn单独的或者与选择元素P、Ag、Al、As、Mg、Sb、Ti和Zr一起的总含量对半成品制备过程中稳定的、对波动的操作参数不敏感的加工显然具有重要意义。
【附图说明】
图1产品性能的标准偏差和粘结性元素(不是主要组分)含量之间的关系。
图2本发明的合金和现有技术中含铅合金的缺口冲击韧度aK和温度的关系。
【具体实施方式】
在优选的实施方式中，该铜合金由73至83％Cu和2.5至4％Si组成，余量是Zn和不可避免的杂质。
可替代地在另一优选的实施方式中，该铜合金由73至78％Cu和3至3.5％Si组成，余量是Zn和不可避免的杂质。
可替代地在另一优选的实施方式中，该铜合金由70至81％Cu和1.5至2％Si组成，余量是Zn和不可避免的杂质。
可替代地在另一优选的实施方式中，该铜合金由73至83％Cu和2至2.5％Si组成，余量是Zn和不可避免的杂质。
在上述所有优选的实施方案中，均可以包含磷，以便特别有利地影响起始铸造组织的形成和腐蚀性能。通过该合金组成和0.02至0.05％P可以以特别的方式满足对材料提出的要求。
已经表明，在除Cu、Zn和Si外的粘结性元素的含量低于一定量时工艺性能出现如此大的偏差，以致于对加工产生长远的影响并且在生产过程的安全管理的极限情况下是不可能的。为了克服这点，铜合金中其它粘结性元素和可选择加入的元素的总含量是0.5至3％。
在该含量下，非常明显地降低了这种偏差，并且在特别优选的实施方案中在许多标准过程中其最佳值是0.7至1％。
当然根据生产过程，加入高含量的粘结性元素也是有意义的。然而，最高达3％的总含量才具有实用性。含量超过3％时实际上不再观察到对偏差的明显改善，因为观察到通过添加剂的叠加作用产生的显著的不可预见的附加效果，这种效果使预期目的破灭。
有利地，该铜合金可用于电工学中的接点、销钉或者紧固元件，例如作为静止接点或固定接点，属于此的例如是接线柱连接和插塞连接器或插塞接点。
该合金与液态的或者气态的介质相比具有高的耐腐蚀性。此外，其也具有非常高的抗脱锌性和抗应力腐蚀开裂性。由于这些性能有利地该合金适合作为运输或储存液体或者气体的容器，特别是作为制冷技术中的容器或者卫生工程中的管道、上水道配件、龙头延长管、管子连接器和阀。
低的腐蚀率保证了金属渗漏(即由于液体或气态介质的影响合金排出的性能)本身是低的。只要该材料适合于应用领域，对环境保护来说要求低的有害物质渗入。有利地，本发明合金的应用是可回收再利用的结构件的领域。
对应力腐蚀开裂的不敏感性推荐该合金可用于在一定工艺条件下在其中储存了大量的弹性能量的螺旋连接或插塞连接。因此特别有利地是该合金用于所有的拉力负荷和/或扭转载荷的结构件，特别是用于螺栓和螺母。在冷成型之后，与含铅CuZn-合金相比，本发明的材料获得更高的屈服点值。因此可以在不允许塑性变形的螺旋连接中实现更高的拧紧力矩。该铜合金的屈服点比例Rp0.2/Rm小于易切削黄铜的。因此，仅拉拔一次的并在这种情况下有意地拉伸过度的螺旋连接可以获得特别高的箍紧力。由于高的强度水平，通过微型化至少节约10％的重量。
本发明的合金表现出突出的缺口冲击韧度和温度关系。在温度超过600℃时，该缺口冲击韧度降低至与有些含Pb合金相同的并且预计会出现有利地用于模锻件的值。
该铜合金的应用可能性证明不但可用于管状的而且是带状的原材料。有利地，好的可铣削性或者可冲压性的带材、板材和片材特别适合于钥匙、模膛、装饰性目的或者用于冲压栅板。对于制备来说，常规的连铸、在600至900℃之间的热轧和随后的成型例如冷轧和根据需要补充的其它的退火步骤和成型步骤将获得相应的带式半成品。该合金可以作为塑性合金、轧制合金或者铸造合金使用。
通过本发明获得的优点特别地在于，其具有好的可加工性、好的成型性以及高的耐腐蚀性。在这种情况下，恰好是抗脱锌性和抗应力腐蚀开裂性是特别显著的。
此外，不含有毒元素，由于逐渐严格的对环境负荷的标准这使毫无顾虑的应用特别是与饮用水管道有关的应用成为可能。
另一重要的优点是与含铅的切屑黄铜相比在相同高的延展性下升高的强度水平。
最后，在制备该合金时，窄的制造公差不再扮演重要角色。特别有利地证明本发明的合金在稳定的即对波动的操作参数不敏感的半成品加工中的大量生产的能力。
借助于附图详细说明本发明。
图1中描述了产品性能的标准偏差和粘结性元素(不是主要组分)含量之间的关系。曲线走向表明所期望的标准偏差的趋势，而没有观察到其它效果。因此表明，在除Cu、Zn和Si外的粘结性元素的含量超过一定值时技术性能的偏差渐进地升高，因此可以得出这种结果是尽可能高的粘结元素含量带来的。然而实践表明，最高达3％的总含量便出现了所需的材料性能。含量超过3％时，不再观察到这种偏差的改善，因为观察到通过添加剂的叠加作用产生的显著的不可预见的附加效果，这种效果不能导致进一步的改善。
通过使用本发明的组合物在其可变性方面特别地处于重要地位的材料性能是材料的屈服点、抗拉强度、断裂伸长、硬度、晶粒度和加工硬化能力。在通过冷成形和退火(如果需要相互交替进行)的进一步加工过程中进行相应的观察。
下面的实施例讨论由本发明的含硅特种黄铜制成的半成品的加工和性能。
通过金属型铸造制备二个圆柱体的棒材(_150毫米×300毫米)。螺栓1的组成是73.63％Cu、23.37％Zn、2.94％Si、0.01％Sn、0.02％Fe、0.01％Ni、0.01％Mn、0.006％P。螺栓2的组成是76.65％Cu、20.04％Zn、3.27％Si、0.01％Sn、0.01％Fe、0.01％Ni、0.01％Mn、0.003％P。将该螺栓在700℃下通过拉拔成型为直径是21.5毫米的棒材。通过在硫酸和过氧化氢中浸渍进行表面处理之后，通过拉拔进行冷成形，最终直径是20毫米。
下表表示含硅的特种黄铜与由CuZn37和CuZn39Pb3制成的半成品(其是以可比的方式制备的)相比示范性的几个使用性能。
该实施例说明Cu含量的降低导致材料明显地脆化。在棒材1中，铜浓度比棒材2中的低约3％。结果断裂伸长明显增大。在Cu含量进一步降低低于70％的值时，不再获得本发明合金有利的性能。 棒材1 棒材2 CuZn39Pb3 CuZn37 圆钢 拉伸7％ 圆钢 拉伸7％ 圆钢 拉伸7％ 圆钢 拉伸7％屈服点Rp0.2 421MPa 412MPa 335MPa 300MPa抗拉强度Rm 641Mpa 697MPa 475MPa 425MPaRp0.2/Rm 0.7 0.6 0.7 0.7断裂伸长A10 6％ 26％ 18％ 32％根据DIn50916T1的SRK4-试验(在由棒材制备的车削件上-参见附图1) - 无裂缝 开裂 开裂最大脱锌深度 - 165微米 1200微米 750微米粗加工时的切屑形状(大的ap-值和f-值) - 碎片状切屑 碎片状切屑 短的锥状螺 旋切屑精整加工时的切屑形状(小的ap-值和f-值) - 碎片状切屑 碎片状切屑 无规则切屑
由富含铜和硅的棒材2制备的圆钢的强度明显比对比材料中的高。断裂伸长值位于CuZn39Pb3和CuZn37之间；含硅材料的耐腐蚀性最强；在切屑加工时出现与含铅易切屑黄铜相同的有利的切屑形状。
采用由棒材2获得的圆钢进行缺口冲击韧度。附图2中描述了本发明的合金和现有技术中含铅合金的缺口冲击韧度aK和温度的关系。
附图2同样是无铅和含铅黄铜的比较。含铅的黄铜是常规的锻造黄铜CuZn40Pb2。在低的温度下其ak-值低于无铅CuZn-合金的。这与本发明合金的比较有利的切屑形状有关。在超过600℃的温度下，缺口冲击韧度达到了无铅合金的值。因此该含硅合金也适合于制备复杂的模锻件。