Kupfer-Nickel-Zink-Legierung und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Nickel-Zink-Legierung, in deren aus a- und ß- Phase bestehenden Gefüge nickel-, eisen- und manganhaltige und/oder nickel-, kobalt- und manganhaltige Mischsilicide als kugelförmige oder ellipsiodale Partikel eingelagert sind, sowie die Verwendung einer derartigen Kupfer-Nickel-Zink- Legierung.

Legierungen aus Kupfer, Nickel und Zink werden wegen ihrer silberähnlichen Farben als Neusilber bezeichnet. Technisch gebräuchliche Legierungen haben zwischen 47 und 64 Gew.-% Kupfer und zwischen 7 und 25 Gew.-% Nickel. Bei dreh- und bohrfähigen Legierungen werden üblicherweise bis zu 3 Gew.-% Blei als Spanbrecher zugesetzt, bei Gusslegierungen sogar bis zu 9 Gew.-%. Der Rest ist Zink. Als Beimengungen können handelsübliche Neusilberlegierungen zudem 0,2 bis 0,7 Gew.-% Mangan enthalten, um die Glühbrüchigkeit zu vermindern. Auch wirkt der Manganzusatz desoxidierend und entschwefelnd.

Neusilberlegierungen, wie beispielsweise CuNi12Zn24 oder CuNi 8Zn20, werden unter anderem in der Optikindustrie zur Herstellung von Brillenscharnieren verwendet. Die fortschreitende Miniaturisierung dieser Produkte erfordert Werkstoffe mit höherer Festigkeit. Darüber hinaus sind bei diesen Produkten hohe Anforderungen an die Qualität der Oberfläche gestellt.

Neusilberlegierungen werden auch zur Herstellung von Schmuck und Uhrenteilen verwendet. Bei diesen Produkten sind besonders hohe Anforderungen an die Qualität der Oberfläche gestellt. Der Werkstoff muss schon im gezogenen

Zustand eine glänzende und wie poliert wirkende Oberfläche aufweisen, die frei von Fehlern, wie beispielsweise Riefen oder Lunkern ist. Ferner muss der Werkstoff sehr gut zerspanbar und bei Bedarf auch polierbar sein. Auch darf sich die Farbe des Werkstoffs während des Gebrauchs nicht ändern. Ganz ähnliche Anforderungen gelten für Werkstoffe, die in der Medizintechnik oder zur

Herstellung von Musikinstrumenten eingesetzt werden.

Aus der Druckschrift DE 1 120 151 sind hochfeste Neusilber-Legierungen mit günstigen Eigenschaften bezüglich Gießbarkeit und Warmumformbarkeit bekannt. Diese Legierungen bestehen aus 0,01 bis 5 % Si, über 10 bis 30 % Ni, 45 bis 70 % Cu, 0,3 bis 5 % Mn, Rest mindestens 10 % Zink. Geringe Zusätze von Si dienen zur Desoxidation der Legierung und zur Verbesserung der Gießbarkeit. Der Manganzusatz hat die Aufgabe, die Zähigkeit und damit die Kaltverarbeitbar- keit der Legierung zu erhöhen, und er dient auch der Nickelersparnis. Wahlweise kann Mangan vollständig durch Aluminium, und Nickel teilweise durch Kobalt ersetzt werden. Das Zulegieren von Eisen soll vermieden werden, da Eisen die Korrosionsbeständigkeit der Legierung herabsetzt. Mit einem Mangangehalt von 1 % werden Festigkeitswerte von ca. 400 MPa erreicht. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wird eine Wärmebehandlung vorgeschlagen.

Die Druckschrift JP 01177327 beschreibt leicht zerspanbare Neusilber- Legierungen mit guter Warm- und Kaltumformbarkeit. Diese Legierungen bestehen aus 6 bis 15 % Ni, 3 bis 8 % Mn, 0,1 bis 2,5 % Pb, 31 bis 47 % Zn, Rest Cu mit unvermeidbaren Verunreinigungen. Wahlweise können geringe Mengen an Fe, Co, B, Si oder P zugegeben werden, um das Kornwachstum beim

Aufwärmen vor der Warmumformung zu verhindern.

Aus der Druckschrift DE 10 2012 004 725 A1 sind bleihaltige Kupfer-Nickel-Zink- Legierungen bekannt, in deren Gefüge nickel-, eisen- und manganhaltige und/oder nickel-, kobalt- und manganhaltige Mischsilicide als kugelförmige oder ellipsiodale Partikel eingelagert sind. Die Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Zugfestigkeit, ein großes Kaltumformvermögen und eine gute Zerspan- barkeit aus. Der Bleianteil von 1 ,0 bis 1 ,5 Gew.-% stellt die gute Zerspanbarkeit der Legierungen sicher. Die Legierungen dienen zur Herstellung von hochwertigen Minenspitzen für Kugelschreiber. Die Oberflächeneigenschaften des

Werkstoffs sind für Anwendungen mit besonders hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität nicht immer ausreichend. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupfer-Nickel-Zink-Legierung mit verbesserter Oberflächenqualität bei gleichzeitig hoher Festigkeit anzugeben. Die Oberfläche soll bereits im gezogenen Zustand wie poliert aussehen. Ferner soll die Legierung eine gute Zerspanbarkeit und eine hervorragende Farbbeständigkeit aufweisen. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung für eine derartige Kupfer-Nickel-Zink-Legierung anzugeben.

Die Erfindung wird bezüglich einer Kupfer-Nickel-Zink-Legierung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich einer Verwendung durch die Merkmale der Ansprüche 4 und 5 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung schließt eine Kupfer-Nickel-Zink-Legierung mit folgender

Zusammensetzung in Gewichts-% ein:

Cu 46,0 bis 51 ,0 %,

Ni 8,0 bis 1 1 ,0 %,

Mn 0,2 bis 0,6 %,

Si 0,05 bis 0,5 %,

Fe und/oder Co jeweils bis zu 0,8 %, wobei die Summe aus Fe-Gehalt und dem Doppelten des Co-Gehalts mindestens 0, 1 Gew.-% beträgt,

Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen, wobei in einem aus a- und ß-Phase bestehenden Gefüge nickel-, eisen- und manganhaltige und/oder nickel-, kobalt- und manganhaltige Mischsilicide als kugelförmige oder ellipsoidale Partikel eingelagert sind. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das Gefüge von Neusilber-Werkstoffen durch Zulegieren von Silicium so variiert wird, dass Silicid- Ausscheidungen gebildet werden. Silicide als intermetallische Verbindungen besitzen mit ca. 800 HV eine deutlich höhere Härte als die a- und ß-Phase des Matrixgefüges. Prinzipiell wird zur Verbesserung des Kalt- und Warmumform- Vermögens und zur Steigerung der Festigkeit Mangan zulegiert. Zudem wirkt Mangan desoxidierend und entschwefelnd. Silicium bildet bei gleichzeitiger Anwesenheit von Mangan, Eisen und Nickel Mischsilicide mit ungefähren Zusammensetzungen vorwiegend zwischen (Mn,Fe,Ni) ₂ Si und (Mn,Fe,Ni) ₃ Si. Analog bildet Silicium bei gleichzeitiger Anwesenheit von Mangan, Kobalt und Nickel Mischsilicide der ungefähren Zusammensetzungen (Mn,Co,Ni) _x Si _y , wobei x > y. Ferner können auch Mischsilicide gebildet werden, die neben Mangan und Nickel sowohl Eisen als auch Kobalt enthalten. Die Mischsilicide liegen fein verteilt als kugelförmige oder ellipsoidale Partikel im Matrixgefüge vor. Der Mittelwert des volumenäquivalenten Durchmessers der Partikel beträgt 0,5 bis 2 pm. Das Ge- füge enthält keine großflächigen und daher leicht aus dem Matrixgefüge heraus brechenden Silicide. Diese vorteilhafte Eigenschaft wird bei der erfindungsgemäßen Legierung insbesondere durch die geringen Anteile an Mangan und Eisen bzw. Kobalt erzielt. Sowohl Eisen als auch Kobalt wirken als Keimstellen für die Silicidbildung, d.h. bei Anwesenheit von Eisen und/oder Kobalt genügen bereits geringe Abweichungen vom thermodynamischen Gleichgewicht, so dass kleine Ausscheidungen entstehen. Diese Ausscheidungskeime, die bei der vorliegenden Legierungszusammensetzung auch Nickel enthalten können, sind im Gefüge fein verteilt. An sie lagern sich weitere Silicide, die nun auch Mangan enthalten, bevorzugt an. Durch den geringen Mangangehalt der Legierung wird die Größe der einzelnen Silicide begrenzt. Geringe Mengen an Eisen und/oder Kobalt in Kombination mit einer geringen Menge Mangan sind also die Voraussetzung für die Bildung der Mischsilicide. Die Mindestmenge an Eisen beziehungsweise Kobalt wird dadurch definiert, dass die Summe aus dem Eisengehalt und dem Doppelten des Kobaltgehalts mindestens 0,1 Gew.-% beträgt.

Überraschenderweise zeigt sich, dass die erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zink- Legierung eine ausgezeichnete Oberflächenqualität aufweist. Bereits im gezogenen Zustand ist die Oberfläche des Werkstoffs sehr glatt, silbrig glänzend und frei von sichtbaren Fehlern. Die Oberfläche sieht aus, als wäre sie bereits poliert. Damit genügt die Oberfläche eines durch einen Umformprozess, wie beispielsweise einem Zieh- oder Walzprozess, aus einer erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Halbzeugs in vielen Fällen bereits den Qualitätsanforderungen des Endprodukts. Eine weitere Bearbeitung zur Verbesserung der Oberfläche ist nicht mehr erforderlich. Die mittlere Rauheit Ra der Oberfläche eines derartigen Halb- zeugs beträgt typischerweise höchstens 0,2 pm. Die mittlere Rauheit Ra wird dabei über eine Messlänge von mindestens 4 mm ermittelt.

Die Oberflächenqualität der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zink-Legierung ist mindestens so gut wie die bislang in der Optikindustrie eingesetzten Werkstoffe. Die Festigkeit der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zink-Legierung ist jedoch deutlich höher als die der bislang verwendeten Werkstoffe. Diese Steigerung der Festigkeit erlaubt, die Bauteile kleiner und filigraner auszuführen und somit den aktuellen Design-Anforderungen gerecht zu werden. Die Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zink-Legierung liegt je nach Umformgrad des Werkstoffs zwischen 700 und 900 MPa. Im harten Zustand beträgt sie mindestens 800 MPa.

Werkstücke aus einer erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zink-Legierung zeichnen sich durch eine sehr hochwertige Oberfläche und ein ansprechendes Aussehen aus, so dass diese Legierung zur Herstellung von Schmuck und Uhrenteilen geeignet sind. Ferner lassen sich Werkstücke aus einer erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zink-Legierung sehr gut polieren, wodurch der optische Eindruck des Werkstücks bei Bedarf weiter verbessert und der Wert des Produkts gesteigert werden kann. Ferner ist die Oberfläche der erfindungsgemäßen Kupfer- Nickel-Zink-Legierung aufgrund ihrer hervorragenden Ebenheit gut beschichtbar.

Insbesondere ist die Oberflächenqualität einer erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel- Zink-Legierung deutlich besser als die von bleihaltigen Kupfer-Nickel-Zink- Legierungen ähnlicher Zusammensetzung. Bei einer erfindungsgemäßen Kupfer- Nickel-Zink-Legierung können in den Verunreinigungen geringe Bleianteile von bis zu 0,1 Gew.-% enthalten sein, welche weder matrixwirksam sind noch einen Einfluss auf die Ausbildung der Mischsilicide haben. Bevorzugt beträgt der Bleianteil einer erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zink-Legierung höchstens 0,05 Gew.-%. Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Kupfer-Nickel- Zink-Legierung bleifrei.

Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zink-Legierung ist deren hoher Zink-Anteil von ungefähr 40 Gew.-%. Dies macht den Werkstoff preiswerter als beispielsweise die Neusilberlegierungen CuNi12Zn24 oder

CuNi18Zn20.

Darüber hinaus weist eine erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zink-Legierung eine gute Bearbeitbarkeit auf. Die Legierung lässt sich sowohl warm als auch kalt gut umformen. Die Herstellkosten von Halbzeugen und Endprodukten werden dadurch reduziert. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zink- Legierung eine sehr gute Zerspanbarkeit auf, obwohl sie höchstens sehr geringe Mengen an Blei enthält. Selbst bei Pb-Gehalten, die deutlich unter der Schwelle von unvermeidbaren Verunreinigungen liegen, ist eine erfindungsgemäße Kupfer- Nickel-Zink-Legierung gut zerspanbar. Ursache für die gute Zerspanbarkeit der Legierung sind die fein verteilten Mischsilicide, die als Spanbrecher wirken. Vorteilhafterweise kann entweder der Fe-Gehalt oder der Co-Gehalt mindestens 0,1 Gewichts-% betragen. Dies begünstigt die Ausbildung fein verteilter

Mischsilicide.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Kupfer- Nickel-Zink-Legierung folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweisen:

Cu 47,5 bis 49,5 %,

Ni 8,0 bis 10,0 %,

Mn 0,2 bis 0,6 %,

Si 0,05 bis 0,4 %,

Fe 0,2 bis 0,8 %,

wahlweise bis zu 0,8 % Co

Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Bei dieser Zusammensetzung können in einem aus a- und ß-Phase bestehenden Gefüge nickel-, eisen- und manganhaltige Mischsilicide als kugelförmige oder ellipsiodale Partikel eingelagert sein. Durch das gezielte Zulegieren von Eisen werden sehr feine Mischsilicide gebildet, die sich vorteilhaft auf die Oberflächen- qualität des Werkstoffs auswirken.

Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zink-Legierung folgende Zusammensetzung [in Gew.-%] aufweisen:

Cu 47,5 bis 49,5 %,

Ni 8,0 bis 10,0 %,

Mn 0,2 bis 0,6 %,

Si 0,05 bis 0,4 %,

Co 0,1 bis 0,8 %,

wahlweise bis zu 0,8 % Fe, Rest Zn sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Bei dieser Zusammensetzung können in einem aus a- und ß-Phase bestehenden Gefüge nickel-, kobalt- und manganhaltige Mischsilicide als kugelförmige oder ellipsiodale Partikel eingelagert sein. Durch das gezielte Zulegieren von Kobalt werden Mischsilicide gebildet, die sich vorteilhaft auf die Festigkeit des Werkstoffs bei gleichzeitig guter Oberflächenqualität auswirken.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt die Verwendung einer erfindungsge- mäßen Legierung zur Herstellung von Konsumgütern mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität wie beispielsweise Schmuck, Uhrenteilen, Brillenscharnieren, Musikinstrumenten oder Geräten für die Medizintechnik ein. Aufgrund der ausgezeichneten Oberflächenqualität von Werkstücken aus einer erfindungsgemäßen Legierung eignet sich diese besonders zur Herstellung von Schmuck, Uhrenteilen und Musikinstrumenten. Vorteilhaft ist in diesen Anwendungen auch die hohe Farbbeständigkeit der Legierung. Die Farbbeständigkeit folgt aus der hohen Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Geräte, die in der Medizintechnik eingesetzt werden, müssen gut zu reinigen sein. Je glatter die Oberfläche der Geräte ist, desto leichter können unerwünschte Substanzen entfernt werden. Die Kombination aus guter Oberflächenqualität und hoher Festigkeit prädestiniert die erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zink-Legierung für die Herstellung von

Brillenscharnieren.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt die Verwendung einer erfindungsge- mäßen Legierung zur Herstellung von Schlüsseln, Schlössern, Steckverbindern oder Minenspitzen für Kugelschreiber ein. Bei der Herstellung von Gebrauchsgegenständen wie Schlüsseln oder Schlössern kommen die vorteilhaften

Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zink-Legierung bezüglich Bearbeitbarkeit, nämlich gute Umformbarkeit und gute Zerspanbarkeit, zum

Tragen. Gleiches gilt für die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel- Zink-Legierung als Steckverbinder, die aus einem Profil, einer Stange oder einem Rohr durch Zerspanung hergestellt werden. Bei der Verwendung als Minenspitze für Kugelschreiber wirkt sich darüber hinaus die gute Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zink-Legierung vorteilhaft aus.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Eine erfindungsgemäße Kupfer-Nickel-Zink-Legierung sowie drei Vergleichslegierungen wurden erschmolzen und zu Bolzen abgegossen. Aus den Bolzen wurden mittels Warmpressen und Kaltumformungen Drähte und Stangen mit einem

Außendurchmesser von 4 mm hergestellt. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der einzelnen Legierungen in Gew.-%.

Tabelle 1 : Zusammensetzung der einzelnen Legierungen in Gew.-%

An den gezogenen Drähten wurden Rauheitsmessungen durchgeführt. Folgende Kennwerte wurden über eine Messlänge von 4 mm jeweils längs und quer zur Ziehrichtung ermittelt:

Ra mittlere Rauheit

Rz gemittelte Rautiefe

Rmax maximale Rautiefe

Rt Gesamthöhe des Profils Tabelle 2 stellt die an den Proben ermittelten Werte einander gegenüber.

Tabelle 2: Rauheitsmesswerte, Angaben in μηη

Die in Tabelle.2 dokumentierten Messwerte zeigen, dass die Oberfläche der erfinderischen Legierung bei sieben von acht Messwerten die geringste Rauheit beziehungsweise Rautiefe aufweist. Die erfinderische Legierung besitzt also im gezogenen Zustand die beste Oberflächenqualität. Insbesondere sind die an der erfinderischen Legierung ermittelten Messwerte stets geringer als die an den bleihaltigen Vergleichsproben 1 und 3 ermittelten Messwerte.

An den vier Proben wurden Zerspanungsversuche durchgeführt. Hierzu wurde in die Drähte eine achsparallele Zentralbohrung mit Innendurchmesser von 2 mm eingebracht. Die erfindungsgemäße Legierung sowie die beiden bleihaltigen

Vergleichsproben 1 und 3 ließen sich ohne Probleme zerspanen. Die Bohrspäne waren fein. Die bleifreie Vergleichsprobe 2 wurde beim Bohrversuch sehr heiß und der Bohrer brach während des Versuchs ab.

An Proben einer erfindungsgemäßen Legierung mit einer Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 wurden die in Tabelle 3 dokumentieren mechanischen

Eigenschaften ermittelt:

un ra urc messer , mm a a

Tabelle 3: Mechanische Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Legierung

Die Versuche zeigen, dass eine Kupfer-Nickel-Zink-Legierung gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise Eigenschaften vereint, wie sie in dieser Kombination bei aus dem Stand der Technik bekannten Legierungen nicht zu finden sind.