Kupfer-Zink- Legierungen (Messing und Sondermessing) ?· Legierungen sind in DIN CEN/TS 13388 (Tabellen…

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    Kupfer-Zink-Legierungen(Messing undSondermessing)

  • Herausgeber:Deutsches KupferinstitutAuskunfts- und Beratungsstelle fr die Verwendung von Kupfer und Kupferlegierungen.

    Am Bonneshof 540474 DsseldorfTelefon: (0211) 4 79 63 00Telefax: (0211) 4 79 63 10info@kupferinstitut.dewww.kupferinstitut.de

    Alle Rechte, auch die des auszugsweisen Nachdrucks und der photomechanischen oder elektronischen Wiedergabe, vorbehalten.

    Auflage 03/2007

  • Informationsdruck i.5 |

    Kupfer-Zink-Legierungen(Messing und Sondermessing)

    Inhalt

    1. Allgemeines zu Kupfer-Zink-Legierungen 21.1 Was ist Messing 21.2 Geschichtliches 21.3 EinteilungderKupfer-Zink-LegierungenundEinflussdritterElemente 2 1.4 GenormteKupfer-Zink-Legierungen 4

    2. Eigenschaften der Kupfer-Zink-Legierungen 62.1 Knetlegierungen 62.1.1 Physikalische Eigenschaften 62.1.2 Elektrische Eigenschaften 62.1.3 ThermischeEigenschaften 62.1.4 Magnetische Eigenschaften 62.1.5 Mechanische Eigenschaften 6

    2.2 Gusslegierungen 8 2.2.1 Physikalische Eigenschaften 82.2.2 Magnetische Eigenschaften 82.2.3 Mechanische Eigenschaften 8

    2.3 Korrosionsbestndigkeit 9

    2.4 Physiologische Eigenschaften 9

    3. Herstellung und Verarbeitung 103.1 Knetlegierungen 103.1.1 Schmelzen 123.1.2 Gieen 123.1.3 SpanloseUmformung 123.1.4 Wrmebehandlung 133.1.5 Spanabhebende Bearbeitung 133.1.6 Verbindungsverfahren 133.1.7 Oberflchenbehandlung 15

    3.2 Gusslegierungen 163.2.1 Schmelzen 163.2.2 Gieen 173.2.3 Wrmebehandlung 173.2.4 Spanabhebende Bearbeitung 173.2.5 Verbindungsverfahren 173.2.6 Oberflchenbehandlung 17

    4. Anwendung - Knet- und Gusslegierungen 18

    5. Literatur / Normen 20

    6. Verlagsprogramm 22

  • | Deutsches Kupferinstitut

    1. Allgemeines zu Kupfer-Zink-Legierungen (Messing und Sondermessing)

    1.1 Was ist Messing

    Messing ist eine Legierung des KupfersmitZink.Fastberallimtglichen Leben begegnen uns Kupfer-Zink-Legierungen. Sie stellen die bedeutendste Legierungsgruppe innerhalb der Kupferwerkstoffe dar.

    Die gebruchlichen Kupfer-Zink-Legierungen enthalten auer Kupfer 5 bis 45 %1) Zink. Zur Verbesserung der Zerspanbarkeit knnen Kupfer-Zink-Legierungen auer Kupfer und Zink Bleienthalten.Mehrstofflegierungen,imallgemeinenSprachgebrauchauchSondermessinggenannt,enthaltenweitereLegierungselementewiez.B.Aluminium,Eisen,Mangan,Nickel,SiliziumundZinn,dievorwiegendderFestigkeitssteigerungsowiederVerbesserung der Gleiteigenschaften und Korrosionsbestndigkeit dienen.

    1.2 Geschichtliches

    Kupfer-Zink-LegierungensinddemMenschen schon sehr lange bekannt. In Babylon und Assyrien wurde sieschonim3.Jahrtausendv.Chr.verwendet; in Palstina ist der Gebrauchzwischen1400und1000v.Chr.nachgewiesen.Kupfer-Zink-Legierungenentstanden,indemmanzumKupferbeimSchmelzenGalmei(Zinkkarbonat)zugab.NachdemgleichenVerfahrensindum150n.Chr.auchaufdeutschemBodenKupfer-Zink-Legierungen hergestellt worden.

    Die Anfnge einer eigentlichen IndustriefrdieseLegierungensindin Deutschland bis in das 15. und 16. Jahrhundertzurckzuverfolgen[1].

    1884 erkannte A. Dick[2]dieverbessernde Wirkung von Eisen und Mangan in Kupfer-Zink-Legierungen undstellteerstmalsbewussteinebrauchbareMehrstofflegierungher.

    1906ermittelteGuillet[3]mitHilfevonVersuchen,wievieleTeileZinkdurcheinenTeildesZusatzmetallsausgetauschtwerdenmssen,umGefgegleichheitmitdenbinrenLegierungenzuerzielen.

    DieseAustauschkoeffizientenvonGuilletsindfrdiePraktikereinewertvolleHilfezurrohenAbschtzungundBeurteilungdesEinflussesdritterElementeinKupfer-Zink-Legierungen.

    1.3 Einteilung der Kupfer-Zink-Legierungen

    DiegenormtenKupfer-Zink-LegierungensindinDINCEN/TS13388(Tabellen7,8,9frKnetlegierungenund12.2frGusslegierungen)zusammengefasst.Siesindunterteiltin drei Gruppen: Binre Kupfer-Zink-Legierungen,Kupfer-Zink-LegierungenmitBleiundKupfer-Zink-LegierungenmitweiterenLegierungselementenwieAluminium,Zinn,Silizium,Nickel,ManganundEisen(Mehrstofflegierungen).

    .3. Kupfer-Zink

    Bild zeigtdasZustandsschaubildderKupfer-Zink-LegierungenimtechnischwichtigenKonzentrationsgebietvon0bis60%Zink.Diereinen(binren)Kupfer-Zink-Legierungen knnen aufgrundihresGefgeaufbausindreiHauptgruppenunterteiltwerden.

    Die erste Gruppe von Legierungen bis ca. 37 % Zink weist ein einheitliches Gefgeauf(-Phase) und kristallisiert ineinemkubisch-flchenzentriertenGitter.

    DiezweiteGruppe,gekennzeichnetdurchca.37bis46%Zink,enthltmitder -Phase,dieineinemkubisch-raumzentriertenGittererstarrt,zustzlicheinenGefgebestandteilgeringererPlastizitt,dessenAnteilamGesamtgefgemitdemZinkgehaltzunimmt(+-Gefge).

    DiedritteGruppevonWerkstoffenmitca.46bis50%ZinkbestehtwiederumauseinemeinheitlichenGefge(-Phase).

    Bei noch hheren Zinkgehalten tritt als weitererGefgebestandteildie-Phase auf,dessenextremeSprdigkeitsolcheLegierungen technisch unbrauchbar werden lsst.

    .3. Kupfer-Zink-Blei

    Blei ist in Kupfer-Zink-Legierungen unlslich und lagert sich an den Korngrenzenab.DurchBleizusatzwerden Kupfer-Zink Legierungen zuhervorragendzerspanbarenWerkstoffen.Blei,beeintrchtigtjedochdieSchmelzschweieignung.

    Einphasigen Kupfer-Zink-Legierungen kannBleibiszu3,5%zugegebenwerden(Bsp.:CuZn36Pb3)ohnedieWarmumformungim(+)-Bereich nachteiligzubeeinflussen.BeieinerKaltumformungwirktsichBleiinsbesonderedannungnstigaus,wennesingroberFormausgeschiedenist. Zweiphasige (+)-Legierungen enthaltenbis3,5%Blei(Bsp.:CuZn39Pb3),ebenfallszurVerbesserung der Spanbarkeit.

    Diese Legierungen sind sehr gut warmformbar.FrKupfer-Zink-Legierungen,dieimTrinkwasserbereicheingesetztwerden,geltenhinsichtlichdesBleigehaltesgesetzlicheHchstgrenzen[6,7].

    1) Die Prozentangaben im Dokument beziehen sich auf Massenprozent

    Bild 1: Zustandsschaubild Kupfer-Zink (DKI 4421) [4]

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    .3.3. Mehrstofflegierungen und Einfluss dritter Elemente

    .3.3. Kupfer-Zink-Aluminium

    DurchAluminium(Al)wirdder-BereichimZustandsschaubildKupfer-Zink stark eingeengt (Bild ).AluminiumerhhtdurchMischkristall-hrtungdieFestigkeitder- und -Phase,ohnewesentlichdasWarm-formvermgenzubeeinflussen.Fernerverbessert es den Widerstand gegenErosionskorrosion,dieGleiteigen-schaften(Bsp.:CuZn37Mn3Al2PbSi)sowie die Anlauf- und Witterungs-bestndigkeit. In einphasigen () Kupfer-Zink-Legierungen erhht AluminiumdieKorrosionsbestndigkeitgegenMeerwasser(Bsp.:CuZn20Al2As).

    InGusslegierungen,indenenGehaltebis7%Aluminiumblichsind(Bsp.:CuZn25Al5Mn4Fe3-C),erhhtAluminiumdieFestigkeit.Auerdemhilftes,beiGusserzeugnisseneinehoheOberflchenqualittzuerreichen.

    Bild 2: Cu-Zn-Al Isothermer Schnitt bei 500C (DKI 1912) [5]

    .3.3. Kupfer-Zink-Zinn

    InKupfersindbis300Cetwa8%Zinn lslich (Bild 3). Die Lslichkeit von Zinn fllt durch steigenden Zinkzusatzineinphasigen() Kupfer-Zink-Legierungenbisaufetwa1,5%Zinnbei30%Zinkab.ZinnwirdintechnischgenutztenWerkstoffenbiszuetwa1%zugesetzt.Eserhhtin einphasigen () Kupfer-Zink-Legierungen den Korrosionswiderstand durch Deckschichtenbildung (Bsp.:CuZn28Sn1As)undverbessertdieFestigkeits-undGleiteigenschaften.

    Auchinzweiphasigen(+)-LegierungenverbessernZinnzustzedie Korrosionsbestndigkeit (Bsp.:CuZn38Sn1As).

    .3.3.3 Kupfer-Zink-Silizium

    WhrenddieLslichkeitvonSiliziumimKupferbeietwa4%liegt,nimmtdiesemitzunehmendemZinkgehaltab,undzwarbisaufetwa0,5%Siliziumineinphasigen()-Kupfer-Zink-Legierungenmit68%Kupfer(Bild 4).

    Siliziumverbessertinzweiphasigen(+) Kupfer-Zink-Legierungen die mechanischenEigenschaftenundAnlaufbestndigkeit. Bei berschuss bindet es Eisen und Mangan als Silizide,dieinFormharterPrimr-kristalleimGefgeeingebettetsind.Dadurch und durch Bindung inter-metallischerPhasenwirdderVerschleiwiderstand wesentlich verbessert. Auch in einphasigen ()LegierungenzeigtSiliziumunterBedingungen,diezueinerHeterogenisierungdesGefgesfhren,eine entsprechende Wirkung (Bsp.:CuZn31Si1).InhomogenerLsungvomMischkristallaufgenommenvermindertSiliziumdieEmpfindlichkeitvon Kupfer-Zink-Legierungen gegen Spannungsrisskorrosion und schrnkt dieZinkausdampfungbeiWrme-behandlungen ein. In Kupfer-Zink-Gusslegierungen verbessert es die Giebarkeit(Bsp.:CuZn16Si4-C)undalsCuZn21Si3P2)sowohldieFestigkeitalsauch die Zerspanbarkeit.

    .3.3.4 Kupfer-Zink-Nickel

    Nickel(Ni)istinKupfer-Zink-LegierungeninverhltnismighohenGehalten lslich (Bild 5). Kupfer-Nickel-Zink-Legierungenmitetwa9bis26%NickelwerdenNeusilbergenannt[8].InMehrstofflegierungensinddagegennurGehaltebismax.3%Nickelblich(Bsp.:CuZn35Ni3Mn2AlPb).

    NickelverbessertdiemechanischenEigenschaften auch bei erhhten TemperaturenunddasForm-nderungsvermgen.Eserhhtferner die Korrosionsbestndigkeit.

    Bild 5: Cu-Zn-Ni Isothermer Schnitt bei 500C (DKI 1916) [5]

    .3.3.5 Kupfer-Zink-Mangan

    Im-Kupfer-Zink-Mischkristall liegt die Lslichkeit von Mangan unterderjenigenvonNickel

    2) C69300: Werkstoffnummer nach UNS

    Bild 4: Cu-Zn-Si Isothermer Schnitt bei 500C (DKI 1915) [5]

    Bild 3: Cu-Zn-Sn Isothermer Schnitt bei 300C und 500 C (DKI 1912) [5]

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    (Bild 6).Im-Mischkristall ist weniger Manganlslichalsim-Mischkristall.Mehrstofflegierungenknnen bis etwa 5 % Mn enthalten (Bsp.:CuZn23Al6Mn4Fe3Pb).ManganverbesserthnlichwieNickeldiemechanischenEigenschaftenunddieKorrosionsbestndigkeit,insbesonderegegenWitterungseinflsse(Bsp.:CuZn40Mn2Fe1).BeigleichzeitigerAnwesenheitvonAluminiumundSiliziumhabenmanganhaltigeMehrstofflegierungeneinen hohen Verschleiwiderstand (Bsp.:CuZn37Mn3Al2PbSi).

    Bild 6: Cu-Zn-Mn Isothermer Schnitt bei 500C (DKI 1920) [5]

    .3.3.6 Kupfer-Zink-Eisen

    DieLslichkeitvonEisenistsowohlim-alsauchim-Mischkristall sehr gering (Bild 7). Die Eisenlslichkeit isttemperaturabhngig,sodassgrundschlich die Mglichkeit der Aushrtung besteht. Davon wird jedoch inderPraxiskeinGebrauchgemacht.

    Ausdem-Mi