MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ OBROBITELNOSTI BEZOLOVNATÝCH MOSAZÍ POSSIBILITIES TO INCREASE OF MACHINABILITY OF LEAD- FREE BRASSES Jiří Faltus, Eva Bendíková VÚK Panenské Břežany, s.r.o. Panenské Břežany 50, 250 70 Odolena Voda, E-mail: jiri.faltus@cbox.cz Abstrakt Koncem 90tých let byly přijaty zákony silně omezující obsah olova v pitné vodě. Vlivem sílících ekologických tlaků probíhají v současné době práce, jejichž cílem je nalézt vhodné bezolovnaté měděné slitiny jako náhradu za slévárenské a tvářené olovnaté slitiny mědi na bázi Cu-Zn-Pb. Článek se zabývá možností zvýšení obrobitelnosti bezolovnatých mosazí legováním jiných netoxických prvků (Mg a P) na úroveň postačující pro zpracování těchto materiálů na obráběcích automatech a to bez výrazných zásahů do zavedené technologie obrábění. Abstract In the late ninetieth years were accepted standards restricting Pb content in drinking water. Due to the large activity of the ecological movement, the research works have been opened. The research has been aimed at finding suitable lead-free copper alloys as a substitution of casting and wrought lead bearing copper alloys on the base Cu-Zn-Pb. Present paper deals with the possibility to increase machinability of lead-free brasses by the alloying of other non-toxic elements (Mg and P). Increase of the machinability was not at such a level as free-cutting brass CuZn39Pb3, but their suitability for machining is sufficient for free-cutting these materials on automatic machines, without significant interventions into the technology of cutting. 1 ÚVOD Vývoj nových materiálů je v řadě případů ovlivňován ekologickými požadavky, které jsou postupně zaváděny do zákonodárství a normalizace. Uveďme dva příklady. 1) Podle směrnice Evropského společenství 98/83/EC o kvalitě vody pro lidskou spotřebu, bude dovolený obsah olova v pitné vodě omezen v horizontu 15 let na hodnotu 10 µg/l s okamžitým snížením na povolenou hodnotu 25 µg/l [1]. 2) Evropská směrnice pro stará vozidla [2], stejně tak jako směrnice pro omezení určitých nebezpečných materiálů v elektrotechnice a elektronice [3] zakazují užívání olova, kadmia a dalších toxických kovů. Ve slitinách mědi byla prosazena výjimka s povolením obsahu olova do 4 %, takže poplach mezi výrobci a uživateli běžných olovnatých obrobitelných mosazí a bronzů, které obvykle obsahují 2 až 4 % Pb dočasně utichl. Přesto tlak na odstranění olova v těchto obrobitelných materiálech stále sílí. Následující úvaha názorně ukáže, že náhlé legislativní omezení těchto materiálů by vyvolalo velké ekonomické obtíže a to bez ohledu na to, zda se podaří vyvinout adekvátní bezolovnaté alternativy olovnatým obrobitelným mosazím. 1
V současnosti vyrábí evropský průmysl cca 1,2 milionu tun mosazí s obsahem olova, to znamená oběh cca 36 tis. tun olova ročně, které se po uplynutí životnosti vracejí zpět do hutí. Při průměrné době životnosti 10 let je v různých mosazných výrobcích obsaženo 12 mil. tun obrobitelných mosazí a v nich cca 360 tis. tun olova. Pro představu cena těchto mosazí činí cca 60 miliard dolarů. V případě úplného zákazu olova by recyklace těchto mosazí byla vyloučena, takže by došlo k dočasnému snížení ekonomických výhod mosazi jako konstrukčního materiálu [4-5]. Cílem prezentované práce bylo ověřit možnost zvýšení obrobitelnosti tvářených α+β mosazí legováním kombinace hořčíku a fosforu. Tyto prvky utvářejí ve struktuře dispersní fáze, které by měly usnadnit dělení třísky při obrábění natolik, že výrobky z této slitiny by bylo možné zpracovávat na obráběcích automatech což u běžných binárních α+β mosazí bez olova není možné [5]. 2 EXPERIMENT Experimentální materiály. Experimentální odlévání bylo provedeno na poloprovozním zařízení VÚK Kovohutě, s.r.o. Po tavení v indukční peci byla tavenina odlita do kruhové grafitové formy o pr. 190 mm. Byly odlity dva čepy, jeden ze slitiny CuZn40MgP a druhý ze slitiny CuZn40MgPBi, tedy ze slitiny s malým obsahem nízkotavitelného bismutu. Dosažené chemické složení je v tab.1. Jako referenční slitiny pro srovnání mechanických vlastností a obrobitelnosti byly použity obrobitelné mosazi CuZn40Pb2 a CuZn39Pb3. Tab.1 Chemické složení v hm. % Table 1 Chemical composition [wt. %] Slitina Označení Cu Mg P Bi Pb Zn (zbytek)- CuZn40MgP PM1 59,34 0,66 0,39 <0,0060 <0,010 39,60 CuZn40MgPBi PM2 58,82 0,72 0,47 0,48 <0,010 39,51 Zpracování odlitků. Odlitky se dále v provozních podmínkách firmy Holding Čelákovice, a.s. zpracovaly průtlačným lisováním za tepla na tyče o průměru 50 mm. Tyče byly rozřezány na přířezy délky 46 mm a zápustkově kovány na výkovky plášťů vodoměrů. Na tyčích a výkovcích byl proveden komplexní rozbor strukturních a mechanických vlastností, bylo provedeno měření obrobitelnosti a korozních vlastností, zejména odolnosti proti odzinkování. Metalografický rozbor byl proveden na podélných řezech zkušebními tyčemi. Rozbor světelnou mikroskopií byl proveden za použití mikroskopu NIKON EPIPHOT 200 s tří čipovou barevnou kamerou HITACHI pro obrazovou analýzu se softwarem LUCIA a rozbor metodou řádkovací elektronové mikroskopie (REM) pomocí mikroskopu DSM 940 s vlnovým spektrometrem WDX - 3PC MICROSPEC a pomocí mikroskopu FEI Quanta 200 FEG. Mechanické vlastnosti se zjišťovaly na zkušebním stroji INSTRON 5500R1185 (100 kn). Bylo použito kruhových zkušebních těles průměru 8 mm odebraných ze středových oblastí odlitků a vylisovaných tyčí, přičemž podélná osa zkušebních těles byla rovnoběžná se směrem lití či lisování. Velikost výkovků neumožňovala zjišťovat úplné mechanické vlastnosti. Na vzorcích se proto měřily pouze hodnoty tvrdosti HB a HV30. Rovněž byla měřena měrná elektrická vodivost za pomocí SIGMA testu. 2
Zkoušky kujnosti proběhly ve spolupráci s kovárnou mosazí J.Jindra, s.r.o. na výrobních zařízeních této firmy. Kujnost experimentálních mosazí se hodnotila z hlediska kvality výkovků. Hodnotil se rozměr výkovků, výskyt trhlin, kvalita povrchu výkovků a stupeň zapraskání výronků. Kvalita výkovků se porovnávala s kvalitou výkovků z komerčních olovnatých kovárenských mosazí CuZn40Pb2. Zkoušky obrobitelnosti. Obrobitelnost výkovků se hodnotila obráběním výkovků plášťů vodoměrů na provozním obráběcím automatu v provozu firmy J.Jindra, s.r.o. 3 VÝSLEDKY A DISKUSE 3.1 Mikrostruktura Z výsledků souboru experimentálních prací provedených v rámci studia vlivu hořčíku a fosforu na vlastnosti α+β mosazí (slitiny typu Cu-Zn-Mg-P) bez nízkotavitelných kovů nebo jen s minimálním obsahem těchto kovů vyplynulo následující [6]: - Hořčík a fosfor přítomný v α+β mosazi vytvářejí ve slitině dispersní intermetalické fáze MgxPy, které jsou ve formě tyčinek nebo vícestranných útvarů rozptýleny v matrici (obr.1). - Bismut je ve slitině CuZn40MgPBi přítomen v samostatných dispersních fázích Bi (obr.1). fáze /phase Mg x P y fáze/phase Mg x P y fáze/phase Bi a) b) Obr. 1 Fáze Mg x P y ve struktuře výlisku ze slitiny: CuZn40MgP (a), CuZn40MgPBi (b) Fig. 1 Phases Mg x P y in structure of CuZn40MgP alloy forging (a) and CuZn40MgPBi alloy forging (b) - Fáze Mg x P y jsou tepelně stabilní, jejich hustota, rozložení a morfologie se výrazně nemnění ani s tepelným zpracováním žíháním na teplotách 780 a 800 C s následným kalením (obr.2) 3.2 Mechanické vlastnosti Z mechanických vlastností jsou zejména pevnostní vlastnosti (Rp0,2 a Rm) experimentálních slitin CuZn40MgP a CuZn40MgPBi srovnatelné s pevnostními vlastnostmi slitiny CuZn40Pb2 a to nejen ve stavu po lisování ale i v dalších stavech po tepelném zpracování kalením z vysoké teploty nebo pomalým ochlazováním z vysoké teploty. Tažnost experimentálních slitin ve stavu po lisování je nad 20 %, což lze považovat za dostatečné pro použití těchto materiálů pro konstrukční účely (obr.3) 3
fáze/phase Mg x P y fáze/phase Bi fáze/phase Mg x P y fáze/phase Bi a) b) fáze/phase Mg x P y fáze/phase Bi c) Obr. 2 Porovnání rozložení fází s Mg a P a fáze Bi (modré útvary)ve slitině CuZn40MgPBi: po lisování(a) po kalení z 780 C (b) a po pomalém ochlazování z 780 C (c) Fig. 2 Comparison of distribution of phases Mg x P y and phase Bi (blue) in CuZn40MgPBi alloy: after extrusion (a) after water quenching from 780 C (b) and after slow cooling from 780 C Obr. 3 Porovnání meze kluzu Rp0,2 a tažnosti A výlisků po lisování a po tepelném zpracování slitin CuZn40MgP(PM1), CuZn40MgPBi (PM2) a CuZn40Pb2 Fig. 3 Comparison of yield stress Rp0,2 and elongation A of the pressed material after extrusion and after heat-treatment of CuZn40MgP(PM1), CuZn40MgPBi(PM2) and CuZn40Pb2 alloys 4
3.3 Zkoušky kujnosti Pro zkoušky kujnosti zápustkovým kováním byl jako modelový výkovek vybrán plášť vodoměru (obr.4). Z provozního experimentu jsme zjistili, že obě experimentální slitiny jsou pro kování vhodné. Optimální teplota kování leží mezi 750 až 770 C. U obou materiálů při těchto teplotách nedochází k zapraskání krajů výronků tak, jak se to děje u slitin s vysokým obsahem nízkotavitelných kovů jako jsou slitiny CuZn40Bi1,5 a v některých případech i u slitiny CuZn40Pb2 (obr.4b) [6]. a) b) Obr. 4 Plášť vodoměru - modelový výkovek (a) a výronek výkovku bez zapraskání ze slitiny CuZn40MgP (b) Fig. 4 Body of the water meter - the model forging (a) and non-crack flash of the CuZn40MgP forging (b) Strukturní analýza výkovků ukázala, že jejich struktura je podobná struktuře výlisků. Struktury výkovků obsahují částice fáze MgxPy. Struktura výkovku ze slitiny CuZn40MgPBi navíc obsahuje dispersní fáze Bi, které se sice někdy dotýkají s fází MgxPy, ale v zásadě existují zcela samostatně (obr.5). *** a) b) Obr. 5 Struktura výkovku z CuZn40MgP (a) a výkovku z CuZn40MgPPb(b) Fig. 5 Structure of CuZn40MgP forging (a) and of CuZn40MgPPb forging (b) *** 5
3.4 Korozní odolnost U výkovků z experimentálních mosazí a referenčních olovnatých mosazí byla provedena zkouška odolnosti mosazi proti odzinkování dle ISO 6509. Výsledky jsou v tab. 2 a na obr.6. Tab. 2 Hloubka odzinkování u výlisků z experimentálních mosazí a CuZn40Pb2 (CW617) Table 2 Depth of dezincification of extrusions of experimental brasses and CuZn40Pb2 (CW617) Č. Označení, Stav, Směr, Max. hloubka odzinkování Slitina, Alloy vz. Mark Temper Direction Max.corrosion depth µm 1 CuZn40MgP PM1 Po lisování, After extrusion // 230 2 CuZn40MgP PM1 Po lisování, After extrusion /_ 245 3 CuZn40MgPBi PM2 Po lisování, After extrusion // 465 4 CuZn40MgPBi PM2 Po lisování, After extrusion /_ 330-530 5 CuZn40Pb2 E4A Po lisování, After extrusion // 945 6 CuZn40Pb2 E4A Po lisování, After extrusion /_ 888 *** a) b) c) Obr. 6 Odzinkovaná vrstva výlisků z experimentálních mosazi CuZn40MgP (a), CuZn40MgPBi (b) a CuZn40Pb2 (c) Fig. 6 Dezincification layer of extrusion: CuZn40MgP alloy (a), CuZn40MgPBi (b) and CuZn40Pb2 (c) Experimentální slitiny CuZn40MgP a CuZn40MgPBi vykazují daleko lepší odolnost proti odzinkování než běžná obrobitelná mosaz CuZn40Pb2. Experimentální slitina CuZn40MgP dokonce splňuje v odolnosti proti odzinkování jakost B dle ČSN ISO 6509 a slitina CuZn40MgPBi je na hranici této jakosti B. 6
3.5 Obrobitelnost Zkoušky proběhly na obráběcím automatu, s nástroji z rychlořezné oceli. Automat byl nastaven na obrábění výkovku pláště vodoměru z kovárenské mosazi CuZn40Pb2 na hotovo na jedno upnutí. Podstata zkoušky spočívala v tom, že první výkovky pláště vodoměru z experimentálních slitin se zpočátku začaly obrábět nižší rychlostí posuvu nástrojů a postupně se u dalších výkovků rychlost obrábění zvyšovala. Přitom se sledovala kvalita obrobků z hlediska rozměrů, drsnosti obrobeného povrchu a délky třísky. Výsledky jsou v tab.3 a na obr.7 Tab. 3 Table 3 Parametry zkoušek provozního obrábění výkovků ze slitin CuZn40MgP a CuZn40MgPBi Parameters of tests of machinability of forgings from CuZn40MgP and CuZn40MgPBi alloys Slitina/Alloy Označení, Mark Vzorek, Sample Posuv nástrojů, Advance of tool Doba obrábění, Machinable time Charakter třísky, Character of chips Poznámka, Remark CuZn40Pb2 - Etalon 100 % 8 min. Drobná tříska, short chip 1 50 % 16 min. Vyhov. CuZn40MgPBi PM2 2 60 % 13 min 20 sec. Delší tříska, Longer chip Vyhov. 3 75-100 % cca 10 min Vyhov. 4 20 % 40 min. Při vrtání-dělená tříska, při Vyhov. 5 30 % 26 min. 30 sec. soustružení-delší tříska, Vyhov. CuZn40MgP PM1 6 40 % 20 min. Drilling-short chip, turninglonger Vyhov. 7 50 % 16 min. chip Vyhov. 8 60 % 13 min. 20 sec. Vyhov. *** (a) (b) c) Obr. 7 Třísky při obrábění pláště vodoměru ze slitiny: CuZn40MgP (a), CuZn40Pb2 s vhodným rozdělením částic Pb (b)cuzn40pb2 s nevhodným rozdělením částic Pb Fig. 7 Chips during machining of the body water-meter: CuZn40MgP alloy (a), CuZn40Pb2- structure of alloy with good distributed of the particles Pb (b), CuZn40Pb2-structure of alloy with non-uniform distributed of the particles Pb (c) - Rychlost posuvu řezného nástroje (na níž závisí čas obrábění) je nutné snížit u slitiny CuZn40MgP na cca 60 % a u slitiny CuZn40MgPBi na cca 75 až 80 % oproti rychlosti posuvu u slitiny CuZn40Pb2. - Kvalita obrobeného povrchu je mírně horší než u slitiny CuZn40Pb2. Lze reálně předpokládat, že optimalizací parametrů obrábění bude možné kvalitu obrobeného povrchu zlepšit. - Lámavost třísky u nových slitin je dostatečná k plynulému obrábění bez tvorby chuchvalců třísek na nástrojích či obrobku, kvůli kterým by bylo nutné zastavit obrábění a mechanicky je odstranit. 7
4 SOUHRN a) Hořčík a fosfor přítomný v α+β mosazi CuZn40 vytvářejí ve slitině dispersní intermetalické fáze MgxPy, které jsou ve formě tyčinek nebo vícestranných útvarů rozptýleny v matrici. Fáze Mg x P y jsou tepelně stabilní, jejich hustota, rozložení a morfologie se výrazně nemnění ani s tepelným zpracováním žíháním na teplotách 780 a 800 C s následným kalením. b) Bismut je ve slitině CuZn40MgPBi přítomen v samostatných dispersních fázích Bi. c) Slitiny CuZn40MgP a CuZn40MgPBi lze dobře průtlačně lisovat za tepla a zápustkově kovat za tepla. Kujnost těchto slitin je vyšší než bezolovnaté bismutové mosazi CuZn40Bi1,5(P). V tvařitelnosti za tepla (lisovatelnosti a kujnosti) se minimálně vyrovná slitině CuZn40Pb2. d) Z mechanických vlastností jsou zejména pevnostní vlastnosti (Rp0,2 a Rm) experimentálních slitin CuZn40MgP a CuZn40MgPBi srovnatelné s pevnostními vlastnostmi slitiny CuZn40Pb2. Tažnost experimentálních slitin ve stavu po lisování je cca poloviční oproti tažnosti slitiny CuZn40Pb2, je ale nad 20 %, což lze považovat za dostatečné pro použití těchto materiálů pro konstrukční účely. e)slitiny CuZn40MgP a CuZn40MgPBi vykazují vysokou odolnost proti odzinkování, výrazně lepší než u výlisku z běžné obrobitelné mosazi CuZn40Pb2. f) Provozní zkoušky obrábění ukázaly, že i když je obrobitelnost hodnocená lámavostí třísky a jakostí obrobeného povrchu u slitin CuZn40MgP a CuZn40MgPBi mírně horší, než u slitiny CuZn40Pb2, lze výkovky z těchto slitin obrábět na obráběcích automatech s řeznými nástroji běžné kvality, které se používají při obrábění olovnatých mosazí. Rychlost obrábění, to je rychlost posuvu řezného nástroje, je nutné snížit u slitiny CuZn40MgP na cca 60 % a u slitiny CuZn40MgPBi na cca 75 až 80 % oproti rychlosti obrábění slitiny CuZn40Pb2. Lámavost třísky u nových slitin je dostatečná k plynulému obrábění bez tvorby chuchvalců třísek na nástrojích či obrobku, kvůli kterým by bylo nutné zastavit obrábění. g) Experimentální slitiny CuZn40MgP a CuZn40MgPBi představují možnou bezolovnatou alternativu k olovnatým automatovým mosazím jako CuZn40Pb2 - CW617N a CuZn39Pb3 - CW614N a dalším, jejichž použití se bude z ekologických důvodů postupně omezovat zejména v instalacích pro pitnou vodu. Poděkování: Výzkumné práce byly finančně podporovány MŠMT v rámci projektu s názvem Ekocentrum aplikovaného výzkumu neželezných kovů (1M2560471601). Autoři touto cestou děkují za pomoc. Experimentální materiál byl připraven ve spolupráci s firmou Holding Čelákovice, a.s. Za spolupráci autoři děkují vedení této firmy. Použitá literatura [1] COUNCIL DIRECTIVE 98/83/EC on the quality of water intended for human cosumption [2] DIRECTIVE 2000/53/EC of the European Parliament and of the Council of 18 September 2000 on end-of life vehicles: Official J. Euro. Com., 21.10.2000, L 269/34 [3] DIRECTIVE EU 2002/95/EC Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment [4] KROPP, P.: Metall, 59, 11/2005, p.717 [5] PERNIS, R. Vplyv olova na trieskové obrábanie medi. In TRANSFER 2007:18. 19.09.2007. Trenčín. Trenčín: DIGITAL GRAPHIC: September, 2007, s. 371 374 [6] FALTUS, J.-BALÍK,J.-MÁDL,J.-KOUTNÝ,V.-EREMIÁŠ,B.: in Proc. of 14. Internat. Metallurg. Symposium METAL 2006, ed.: Prnka T., Hradec n. Moravicí, 2005 [7] PERNIS, R. Teória tvárnenia kovov. Skriptá. Trenčín: FŠT TnUAD v Trenčíne, 2007, s.168 8