DE2742008C2 - Verfahren zur Herstellung eines Messing-Werkstoffes mit Mikroduplex-Gefüge - Google Patents

Description

ungeeignet.

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

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 Messlngleglerungen wesentlich besserer Umformbarkelt sowie gegebenenfalls erheblich gesteigerten Festigkeitseigenschaften.

Weiterhin ist aus der Zeitschrift »Metall«, 24. Jg., H. 8 (1979) S. 847 bis 852 die Definition von superplastischen Werkstoffen ganz allgemein bekannt. Danach weisen alle derartigen Werkstoff* ein sehr feinkörniges Gefüge auf, weiches meistens aus zwei Phasen besteht. Dabei Ist entscheidend, daß das bei Erwärmung einer Legierung normalerweise auftretende Kornwachstum bis zu den für eine superplastische Umformung notwendigen Temperaturen nicht auftritt, bzw. sehr stark behindert Ist. Dies kann durch Ausbildung eines bestimraten, mindestens zwelphaslgen Gefüges erreicht werden. Ein besonderer Hinwels auf Verfahren, die zur Ausbildung derartiger Gefüge bei Messing-Legierungen führen, 1st jedoch dieser Literaturstelle nicht entnehmbar.

Demgegenüber Ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung e-nes feinkörnigen Messing-Werkstoffes anzugeben, welches einfach und kostengünstig durchzuführen ist, und wet I ein Messing-Werkstoff erzeugt wird, welcher aufgrund seines Gefüges und seiner mechanischen Eigenschaften möglichst gut welterverarbeltbar ist. Insbesondere durch superplastische Umformung. Weiterhin soll es auch möglich sein, aus diesem Werkstoff hochfeste und hochduktile Werkstücke zu erzeugen.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wird eine Ausgangslegierung nach dem Oberbegriff des Anspruches I gemäß den Verfahrensschritten aus dem Kennzeichen des Anspruches 1 verarbeitet.

In seiner bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäß hergestellte Messing-Werkstoff 10 bis 50, vorzugsweise etwa 30 bis 40% /?,-Phase In der zusammenhängenden, durch Korngrenzen unterteilten ar-Matrlx 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.

Infolge seiner extrem feinkörnigen Struktur, einem sog. Mlkroduplex-Gefüge, ist der erfindungsgemäß hergestellte 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 (Vlckershärte), eine Zugfestigkeit σΒ > 800 N/mm² und eine 0,2-Grenze σ 0,2 > 600 n/mm¹ auf. Wegen seines fast unbegrenzten Formänderungsvermögens Ist dieser Werkstoff daher besonders gut für zusätzliche Formgebungsprozes-c

geeignet. Diese gute Weiterverarbeitbarkelt wird dadurch dokumentiert, daß der in den federharten Zustand überführte Werkstoff bei den vorstehend genannten Festigkeitswerten eine Einschnürung von etwa 60* aufweist. Femer ergibt sich, ebenfalls bedingt durch das superfeine Korn sowie durch die Anwesenheit einer zweiten Phase, für diesen Federwerkstoff eine erheblich gesteigerte Dauerschwingfestigkeit.

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

In der Praxis jedoch Ist die Einstellung des Gleichgewichts zwischen a- und /?,-Phase bei niedrigen Temperaturen sowohl durch die Abnahme der Diffusion als auch durch Inhomogenität, metastabile Zustände usw. so stark behindert, daß sie über 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. Klttl; J. Austral. Inst. Metals, 8, 1963, 91 bis 97.) Eine technische Anwendung der Ausscheidung der 0,-Phase aus einem ar-Mlschkrlstall erschien daher ausgeschlossen.

Es zeigt sich jedoch, daß bei den erfindungsgemäß herzustellenden Messinglegierungen eine vorausgegangene Kaltverformung von mindestens 50% die Geschwindigkeit der ß, -Ausscheidung stark zu beschleunigen vermag. Die bis zur vollständigen ^-Ausscheidurj und anschließenden Rekristallisation erforderlichen Glühzelten liegen jetzt, abhängig von der Zusammensetzung und dem Grad der voraufgegangenen Kaltverformung sowie der Glühtemperatur, zwischen einer Minute und 500 Stunden, bei den bevorzugten GlOhtemperaturen zwischen einer und acht Stunden. Aufgrund der extrem feinen Ausgangsverteilung der β, -Phase In der ar-Mutterphase stellt sich nach beendeter Rekristallisation ein superfeines, zwelphaslges Gefüge ein. In dem beide Phasen mit einer Korngröße von weniger als 5 μΐη vorliegen. Da sich beide Phasen aufgrund Ihrer gegenseitigen Wechselwirkung nachhaltig am Kornwachstum hindern, bleibt dieses Mlkroduplex-GefOge auch bei höheren Temperaturen stabil.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des 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.

Das nunmehr vorliegende Messing-Halbzeug wird zunächst ar-stablllslerend geglüht um sicherzustellen, daß für die weitere Verarbeitung ein reines a-Phasen-Gefüge vorliegt. Die GlOhung 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 anschlie-Verformungsgrade von über 70, vorzugsweise 80 bis 99% auf, so Ist eine Härte von über 220 KV bei einer Zugfestigkeit σ_Β > 800 N/mm² und einer 0,2-Grenze Ogj > 600 N/mm² erzielbar. Das dann noch verbleibende Formänderungsvermögen ermöglicht andererseits weitere Formgebungsprozesse, z. B. zur Herstellung von Schrauben, insbesondere Kreuzschlitzschrauben.

In weiterer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens enthält die Legierung einen rekristallisationsverzögern-

ßenden Wärmebehandlung, die die Ausscheidung der/Ji- io den Zusatz von bis zu 5% Nickel. Dieser verhindert ein

Phase sowie die Rekristallisation des Gefüges bewirken

Bei einer vorausgegangenen Kaltverformung von etwa 90% Ist die Rekristallisation nach einer Glühdauer von zu rasches Ablaufen der Rekrtstallisatlon, das speziell bei Wärmebehandlung mit höheren Glühtemperaturen auftreten kann und das die ß, -Ausscheidung bereits vor Erreichen des Gleichgewichtszustandes vorzeitig unter-

vier Stunden und einer Glühtemperatur von 250° C abge- , ₅ binden würde. Für den gleichen Zweck ist auch ein

schlossen. Die Legierung Hegt jetzt als superfeines, zwelphaslges Gefüge mit einer einheitlichen Korngröße von 1 bis 2 μπι, d. h. als Mlkroduplex-Gefüge vor.
Infolge der Wärmebehandlung bis zur vollständigen Zusatz von bis zu 0,1% 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 rekrtstailisa-

Rekristallisation ist ein Teil der Materialhärte, die sich ₂o tionshemmend wirkende Zusatz? ;.n Anteilen bis zu 0,1

durch die hohe Kaltverformung und die /!,-Ausscheidung ergeben hatte, wieder verlorengegangen. Daher ist, sofern ein Werkstoff spezieller Härte angestrebt wird, eine erneute Kaltverformung im Anschluß an die Aus-Gew.-3S der Legierung beigegeben v;e-den.

Weiterhin Ist es möglich, durch Zusetzen von bis zu 0,1 Gew.-% Arsen, Antimon oder Phosphor bzw. einer Kombination dieser Elemente den erfindungsgemäß her-

scheldungs- und Rekristallisatlonsglühung erforderlich, ₂₅ zustellenden Messing-Werkstoff wesentlich besser gegen

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 Verformungsgrade von über 99% möglich sind, ohne daß die Sprödigkeit des Materials störend in Erscheinung tritt.

Es ist aber andererseits auch möglich, den nach erfolgter Rekristallisation erhaltenen Mess!ng-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 Umformkräften relativ

große Umformungen, auch zu komplizierten Formen, zu 40 zu Drähten als Ausgangsmaterial erzielen.

Während es bei Legierungen mit höheun Kupfergehalten als 62 Gew.-% möglich ist, die Zeltdauer für die acstabilislerende Glühung durch die Wahl entsprechend eine Entzinkung zu schützen, als dies mit den gleichen, zu diesem Zweck Üblicherwelse verwendeten Zusätzen bei den bisher gebräuchlichen Messinglegierungen der Fall ist. Die durch Ausscheidung der ß- bzw. /},-Phase

JO aus der ατ-Phase erzielte unzusammenhängende Verteilung der /!-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 /?-Phase vollständig umgebenden α-Phase gegenüber einer Entzinkung zugleich eine Entzinkung der /!-Phase verhindert.

Abschließend sei die erfindungsgemäße Herstellung des Messing-Werkstoffs sowie seine Weiterverarbeitung

für Schrauben und l-'edern anhand eines Beispiels erläutert.

Beispiel: Herstellung von Drähten

Es wird eine Legierung mit 62 Gew.-% Kupfer, Rest höherer Glühtemperaturen (bis 700° C) u. U. auf weniger 45 Zink verwendet. Nach dem Gießen und der Warmverforals eine Stunde zu verkürzen, ist es für die bevorzugte
Zusammensetzung wegen des Verlaufs der Gleichgewichtslinie a/(ou-ß) nicht möglich, bei mehr als 500° C
zu glühen. Man kann aber in Abwandlung des vorste-

mung durch Strangpressen wird das Material einer Glühung im α-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

hend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zur 50 150 μπι ein. Durch Kaltverformen, in diesem Falle durch

Herstellung des Messing-Werkstoffs die Glühdauer für die or-stablllslerende Glühung dadurch verkürzen, daß das Halbzeug vor dieser ersten Glühung zunächst einer zusätzlichen Kaltverformung von etwa 50% unterworfen 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

wird. Die Glühdauer für die or-stabllislerende Glühung 55 250° C über aa'it Stunden eine Glühuitf¹. zur Ausschel-

bel 450 bis 500° C reduziert sich dann auf etwa eine Stunde.

Wie bereits erwähnt, eignet sich der erfindungsgemäß hergestellte Messing-Werkstoff besonders auch zur Herdung der /!!-Phase durchgeführt. Nach Ablauf dieser Zelt Hegt das nunmehr rekristallisierte Gefüge zweiphasig und mit einer Korngröße von 1 bis 2 μπι vor, wobei dlt ß\- Phase feinverteilt in eine Matrix aus α-Phase eingebettet

Stellung von hochfesten Werkstücken, Insbesondere &° ist. Die Härte dieses Materials Hegt bei etwa 165 HV.

Federn. Um zu diesem Zweck den Werkstoff In den federharten Endzustand zu überführen, erfolgt Im Anschluß an die zur Entstehung des Mikroduplex-Gefüges führende Ausscheldungs- und Rekristallisatlonsglühung eine weitce Kaltverformung von etwa 80%.. die z. B. durch Kaltwalzen oder Ziehen realisiert werden kann.
Wendet man bei der abschließenden Kaltverformung Abschließend werden die Drähte erneut n.uf etwa 80% Verformungsgrad kaltgezogen. Sie weisen nun die folgenden mechanischen Eigenschaften auf:

0,2-Grenze '/r_0J): 780 N/mm²
Zugfestigkeit (σ_β): 930 N/mm² Härte: 260 HV
Einschnürung ~ 60%.

Claims (7)

1 2 Patentansprüche: stellung eines Messing-Werkstoffes mit Mikroduplex- Gefüge nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

1. Verfahren zur Herstellung eines Messing-Werk- Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Zlnk-Legierunstoffs mit Mikroduplex-Gefüge aus einer Kupfer- gen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften sind Zink-Legierung aus 61 bis 65%, vorzugsweise 62% 5 bekannt.

Kupfer, aus bis zu 5% Nickel und/oder aus bis zu 0,1% So ist der US-PS 26 76 123 ein Verfahren zur Hersteleines der Elemente Zirkonium, Silber Niob oder lung eines feinkörnigen Messing-Werkstoffes mit einer Vanadium, sowie wahlweise bis zu 0,1% eines oder Korngröße von etwa 5 bis 8 pm bekannt. Dabei wird von mehrerer der Elemente Arsen, Antimon und Phos- einem Messing aus 5 bis 40% Zink, Rest Kupfer ausgephor, Rest Zink, wobei das in üblicher Weise herge- 10 gangen. Dieses Material wird einer Kaltverformung stellte Halbzeug einer Rekristallisationsglühung bei unterworfen, und anschließend In einem Temperaturbehöherer Temperatur, einer starken Kaltverformung reich zwischen 500 und 600° C geglüht. Diese Glühung und einer weiteren Rekristallisationsglühung bei nled- dient der Rekristallisation und soll andauern, bis die riger Temperatur unterworfen wird, gekennzeich- Korngröße auf etwa 45 μπι angewachsen 1st. Danach finne t durch die folgenden Verfahrensschritte: 15 det eine erneute Kaltverformung mit einem Verfor-

a) Glühung des Halbzeugs, welches auf dem für mungsgrad von mehr als 65% und anschließend eine Knetlegierungen üblichen Weg hergestellt ist, bei erneute Rekristallisationsgiühung bei etwa j75° C statt. Temperaturen von 450 bis 700° C mit einer Glüh- Diese letzte Glühung soll bis zur vollständigen Rekrlstaldauer zwischen etwa 0,25 Stunden bei 700° C und lisation andauern, wobei die Korngrößen nicht über etwa 20 Stunden bei 450° C, jeweils bis zum Vor- 20 einen Wert zwischen 5 und 8 iim anwachsen sollen. D!eliegen eines reinen ar-Phasen-Gefüges; _ser Werkstoff kann nunmehr durch Tiefziehen o. ä. bei

b) Kaltverformung mit einem Verformungsgrad von Raumtemperatur weiterverarbeitet werden,
mindestens 50%; Aus der US-PS 26 76 123 ist nicht entnehmbar, daß

c) Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen während des Herstellungsverfahrens eine Ausscheidung 200 und 350° C mit einer GlOhdauer zwischen 25 von 0,-Phase auftritt. Da jedoch bei Kupfergehahen von einer Minute und 500 Stunden zur 0,-Aussehe!- weniger als 64 bis 65% In den für das Herstellungsverfahdung und Rekristallisation. ren angegebenen Temperaturbereichen, bzw. beim Aus-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- gangsmaterial mit Sicherheit auch ß,-Phase auftritt, welzeichnet, daß die erste Glühung (a) bei Temperaturen ehe die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes von 450 bis 500° C durchgeführt wird. 30 erheblich verändert. Ist davon auszugehen, daß In der

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch genannten US-PS nur Messinge mit Kupfergehalten obergekennzeichnet, daß die Kaltverformung (b) mit halb 64 bis 65%, welche aus reiner α-Phase bestehen, einem Verformungsgrad von mehr als 80% durchge- untersucht sind. Bei den Im Herstellungsverfahren verführt wird. wendeten Glühschritten handelt es sich demnach um

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprü- 35 reine RekrlstalllsztlonsglOhungen, jeweils nach einer ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus- Kaltumformung.

scheidungs- und Rekristalllsatlonsglübung Cd bei einer Wie der US-PS 26 76 123 auch entnehmbar Ist, befln-

Temperatur zwischen 250 und 300° C und mit einer det sich der Werkstoff bei den abschließenden Rekrlstal-

Glühdauer von einer bis acht Stunden durchgeführt llsatlonsglühungen bei 375° C bei den genannten Korn-

wlrd. ⁴O größen von 5 bis 8 μπι nicht in einem Gleichgewlchtszu-

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprü- stand, sondern der Rekrlstalllsationsprozeß wird willkürche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mes-' Hch bei Erreichen der vorgegebenen Korngrößen abgesing-Werkstoff nach der Ausscheldungs- und Rekrl- brachen. Eine erneute Erwärmung dieses Werkstoffes stalllsationsglühung (c) durch eine, mit einem Verfor- nach diesem Glühschritt würde somit eine Fortsetzung mungsgrad von mindestens 70, vorzugsweise etwa 80 45 der Rekristallisation, und somit eine wesentliche Ändebis 99% durchgeführte erneute Kaltverformung (d) in rung der mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffes den federharten Zustand überführt wird, wobei der bewirken.

Werkstoff eine Härte von mehr als 200 (HV), eine Weiterhin Ist aus der DE-AS 12 2» 810 ein Verfahren

Zugfestigkeit von mehr als 800 N/mm¹ und eine 0,2- zur Herstellung von Werkstoffen, In diesem Fall Feder- fc

Grenze von mehr als 600 N/mm² erreicht. 50 werkstoffen, aus Kupfer-Zlnk-Leglerung bekannt, wobei

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprü- aul dem für Knetlegierungen üblichen Weg hergestelltes ehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mes- Halbzeug geglüht, kaltverformt und einer temperaturslng-Werkstoff nach der Ausscheldungs- und Rekrl- und zeltmäßig dosierten Wärmebehandlung unterworfen stalllsationsglühung (c) einer superplastischen Umfor- wird. Die Wärmebehandlung ist dabei so dosiert, daß mung Ui') bei Temperaturen bis 350° C unterworfen 55 _e|_ne Rekristallisation des Materialgefüges vermieden wird. wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprü- Die auf diese Welse gewonnenen Federwerkstoffe welche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mes- sen eine erhöhte, weltgehend Isotrope Federbiegegrenze si ng-Werkstoff bei einem Kupferanteil von 61 bis auf. Insgesamt jedoch vermag dieses bekannte Verfahren etwa 62 Gew.-% vor der ersten GlUhung (a) zur ⁶⁰ die mechanischen Eigenschaften handelsüblicher Mes-Beschleunigung der Bildung eines reinen ar-Phasen- slngleglemngen nicht derart nachhaltig zu verbessern, Gefüges einer Kaltverformung mit einem Umfor- daß sie den gestiegenen Anforderungen auch weiterhin mungsgrad von etwa 5O¹V unterworfen wird. gerecht werden. Das wird nicht zuletzt durch die Tatsa-

ehe dokumentiert, daß solche Legierungen In zunehmen-

^b5 dem Maße durch teurere und schwieriger zu verarbeitende Werkstoffe ersetzt werden müssen. Auch für eine Weiterverarbeitung durch eine superplastische Umfor-DIe Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her- mung sind die handelsüblichen Messinglegierungen