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EP0566978A2 - Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Zink-Legierung als korrosionsbeständiger Werkstoff - Google Patents

Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Zink-Legierung als korrosionsbeständiger Werkstoff Download PDF

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EP0566978A2
EP0566978A2 EP93106091A EP93106091A EP0566978A2 EP 0566978 A2 EP0566978 A2 EP 0566978A2 EP 93106091 A EP93106091 A EP 93106091A EP 93106091 A EP93106091 A EP 93106091A EP 0566978 A2 EP0566978 A2 EP 0566978A2
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EP
European Patent Office
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copper
copper alloy
maximum
alloy according
aluminium
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EP93106091A
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EP0566978A3 (en
EP0566978B1 (de
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Wolfgang Dr. Dürrschnabel
Monika Dr. Breu
Gert Dr. Müller
Phan Tan Dr. Tai
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/01—Alloys based on copper with aluminium as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the use of a copper-aluminum-zinc alloy as a corrosion-resistant material for pipes in installation and sanitary engineering and in the drinking water sector.
  • Pipes for the purpose mentioned are widely made from oxygen-free copper (SF-Cu).
  • SF-Cu oxygen-free copper
  • a special manufacturing process can be used to create an oxidic protective layer on the inside of the pipe.
  • An alternative is an alloyed material, in which an oxidic, protective cover layer automatically forms under operating conditions.
  • a Cu-Mg-Al / Si alloy (DE-PS 3,043,833), for example, has also been proposed for the purpose mentioned, but it was only able to partially meet the requirements.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a corrosion-resistant material for which there is no risk of pitting and in which the copper solubility and the mass removal are reduced.
  • the object is achieved in accordance with the invention by using a copper-aluminum-zinc alloy which consists of 0.1-1.0% aluminum; 0.1-1.0% zinc; The rest is copper and usual impurities (the percentages relate to the weight).
  • composition of a copper alloy of the type mentioned is known, for example, from GB-PS 1,152,481, but there is no indication of the claimed use.
  • a copper alloy with 0.1-0.5% aluminum and 0.1-0.5% zinc is used. It is also recommended to use a copper alloy that additionally contains one or more of the elements silicon, magnesium, iron, tin, niobium up to a maximum content of 1.5%. Copper alloys having the compositions according to claims 4 to 10 are preferably used.
  • Phosphorus improves the pourability and acts as a deoxidizer.
  • Pipes measuring 18 x 1 mm were made of SF-Cu and an alloy according to the invention with the composition according to the following table: material SF-Cu soft, 50-70 HB hard, 100-120 HB CuAl0.3Zn0.3 soft, 50-70 HB hard, 100-120 HB
  • the current density-potential curves of the alloy CuAl0.3Zn0.3 and SF-Cu are shown in comparison in FIG. It can be seen that the alloyed elements significantly expand the range of corrosion resistance. The passive current density is reduced compared to SF-Cu, which speaks for the better cover layer quality. The breakthrough potentials have shifted towards more positive potentials.
  • the polarization resistance R p or the reciprocal, the polarization conductance R p ⁇ 1 is a measure of the rate of corrosion. The lower the polarization conductance, the greater the resistance to uniform corrosion.
  • Figures 2a to c compare the polarization conductance of the material CuAl0.3Zn0.3 in different states (soft / hard) with that of SF-Cu. Unalloyed Cu not only exhibits poorer behavior, but also considerable scatter.
  • the mass loss is considerably reduced compared to SF-Cu according to FIG. 3.
  • the copper-aluminum-zinc alloy according to the invention shows a significantly better behavior than SF-Cu. Not only is the quality of the covering layer improved, but also the rate of formation is influenced and, above all, the potential range of corrosion resistance is expanded. This formation of the passive layer significantly reduces the Cu solubility.
  • Al is capable of forming reaction products in acidic media and thus contributing to the formation of an effective protective layer, the same applies to Zn in alkaline media.
  • Both additives stabilize each other and are able to cover a relatively wide pH range together in the Cu-Al-Zn system.
  • the materials relating to the invention can thus not only be used in neutral waters. Certain pH fluctuations do not have a negative effect on the corrosion behavior.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Zink-Legierung, bestehend aus 0,1 - 1,0 % Aluminium; 0,1 - 1,0 % Zink; Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, als korrosionsbeständiger Werkstoff für Rohre in der Installations- und Sanitärtechnik und auf dem Trinkwassersektor. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Zink-Legierung als korrosionsbeständiger Werkstoff für Rohre in der Installations- und Sanitärtechnik und auf dem Trinkwassersektor.
  • Werkstoffe, die für den obigen Verwendungszweck eingesetzt werden, müssen vielfachen Anforderungen hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit genügen. Die Mehrzahl der Schadensfälle wird durch gleichmäßige Flächenkorrosion oder Lochfraß ausgelöst. Durch unsachgemäße Montage kann es außerdem zu Korrosionsangriffen im Bereich von Lötstellen und Verbindungen kommen.
  • Rohre für den genannten Einsatzzweck werden verbreitet aus sauerstofffreiem Kupfer (SF-Cu) hergestellt. Durch spezielle Herstellungsverfahren kann auf der Rohrinnenfläche eine oxidische Schutzschicht erzeugt werden. Eine Alternative ist ein legierter Werkstoff, bei dem sich unter Einsatzbedingungen von selbst eine oxidische, schützende Deckschicht bildet.
  • Für den genannten Einsatzweck ist weiterhin beispielsweise eine Cu-Mg-Al/Si-Legierung (DE-PS 3.043.833) vorgeschlagen worden, welche jedoch die gestellten Anforderungen auch nur teilweise erfüllen konnte.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen korrosionsbeständigen Werkstoff anzugeben, für den keine Lochfraßgefährdung besteht und bei dem die Kupfer-Löslichkeit und der Massenabtrag herabgesetzt werden.
  • Die Aufgabe wird erfindunsgemäß durch die Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Zink-Legierung gelöst, die aus 0,1 - 1,0 % Aluminium; 0,1 - 1,0 % Zink; Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen besteht (die Prozentangaben beziehen sich dabei auf das Gewicht).
  • Die Zusammensetzung einer Kupferlegierung der genannten Art ist zwar beispielsweise aus der GB-PS 1.152.481 bekannt, dort findet sich jedoch kein Hinweis auf den beanspruchten Verwendungszweck.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Kupferlegierung mit 0,1 - 0,5 % Aluminium und 0,1 - 0,5 % Zink verwendet. Weiterhin empfiehlt es sich, eine Kupferlegierung zu verwenden, die zusätzlich ein oder mehrere der Elemente Silizium, Magnesium, Eisen, Zinn, Niob bis zu einem Maximalgehalt von insgesamt 1,5 % enthält. Vorzugsweise werden Kupferlegierungen mit den Zusammensetzungen nach den Ansprüchen 4 bis 10 verwendet.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, der Legierung maximal 0,04 % Phosphor zuzusetzen. Phosphor verbessert dabei die Gießbarkeit und wirkt als Desoxidationsmittel.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert:
    Es wurden Rohre der Abmessung 18 x 1 mm aus SF-Cu und einer erfindungsgemäßen Legierung mit der Zusammensetzung gemäß der folgenden Tabelle hergestellt:
    Werkstoff
    SF-Cu weich, 50 - 70 HB
    hart, 100 - 120 HB
    CuAl0.3Zn0.3 weich, 50 - 70 HB
    hart, 100 - 120 HB
  • Zur Beurteilung des Korrosionsverhaltens wurden an den Rohrmustern Stromdichte-Potential-Kurven (Fig.1) und der elektrochemische Polarisationswiderstand (Rp) bzw. Polarisationsleitwert (Rp⁻¹) gemäß Fig. 2a - 2c gemessen sowie der Massenabtrag (Fig.3) ermittelt.
  • Es zeigen im einzelnen:
    • Fig.1:
    die Stromdichte-Potential-Kurve der Legierung CuAl0.3Zn0.3 im Vergleich zu SF-Cu. Bezugselektrode: gesättigte Kalomelelektrode;
    Fig.2a bis 2c:
    den Polarisationsleitwert Rp⁻¹ als Funktion der Versuchsdauer.
    • (a) SF-Cu, Zustand weich, 50-70 HB bzw. hart, 100-120 HB
    • (b) CuAl0.3Zn0.3, Zustand weich, 50-70 HB
    • (c) CuAl0.3Zn0,3, Zustand hart, 100-120 HB;
    Fig.3:
    den auf die Fläche bezogenen Gewichtsverlust nach einer Zeit von 1000 h.
  • In Fig.1 sind die Stromdichte-Potential-Kurven der Legierung CuAl0.3Zn0.3 und SF-Cu im Vergleich dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die zulegierten Elemente den Bereich der Korrosionsbeständigkeit deutlich erweitern. Die Passivstromdichte ist gegenüber SF-Cu verringert, was für die bessere Deckschichtqualität spricht. Die Durchbruchpotentiale sind zu positiveren Potentialen hin verschoben.
  • Der Polaristationswiderstand Rp bzw. der Kehrwert, der Polaristationsleitwert Rp⁻¹, ist ein Maß für die Korrossionsgeschwindigkeit. Je geringer der Polarisationsleitwert, desto größer ist die Beständigkeit gegen gleichmäßige Korrosion. Die Figuren 2a bis c vergleichen den Polarisationsleitwert des Werkstoffes CuAl0.3Zn0.3 in verschiedenen Zuständen (weich/hart) mit demjenigen von SF-Cu. Unlegiertes Cu zeigt nicht nur ein schlechteres Verhalten, sondern auch eine beträchtliche Streuung.
  • Der Massenverlust ist gegenüber SF-Cu entsprechend Fig. 3 erheblich reduziert.
  • In allen Fällen Zeigt die erfindungsgemäße Kupfer-Aluminium-Zink-Legierung ein deutlich besseres Verhalten als SF-Cu. Es wird nicht nur die Deckschichtqualität verbessert, sondern auch die Bildungsgeschwindigkeit beeinflußt und vor allem der Potentialbereich der Korrosionsbeständigkeit ausgedehnt. Durch diese Ausbildung der Passivschicht wird die Cu-Löslichkeit deutlich herabgesetzt.
  • Es ist weiterhin als entscheidender Vorteil anzusehen, daß durch die Kombination der Zwangskomponenten Al und Zn der pH-Wert-Bereich für die Bildung von Deckschichten erweitert wird. Während Al gemäß dem Pourbaix-Diagramm fähig ist, auch in sauren Medien Reaktionsprodukte zu bilden und somit zum Aufbau einer wirksamen Schutzschicht beizutragen, gilt entsprechendes für Zn in alkalischen Medien. Beide Zusätze stabilisieren sich wechselseitig und sind in der Lage, gemeinsam im System Cu-Al-Zn einen verhältnismaßig weiten pH-Wert-Bereich abzudecken. Somit sind die die Erfindung betreffenden Werkstoffe nicht nur in neutralen Wässern einsetzbar. Gewisse pH-Wert-Schwankungen wirken sich nicht negativ auf das Korrosionsverhalten aus.
  • Verschiebt sich das Durchbruchpotential außerdem so weit in positive Richtung, daß es sich nicht mehr im Bereich des freien Korrosionspotentials befindet, so liegt ein zusätzlicher Schutz gegen Elementbildung wie z. B. Kontakt- oder Belüftungselemente vor. Zudem konnte bei den überprüften Rohrmustern keine Lochfraßgefährdung festgestellt werden.

Claims (11)

  1. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Zink-Legierung, bestehend aus
    0,1 - 1,0 % Aluminium; 0,1 - 1,0 % Zink;
    Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen,
    als korrosionsbeständiger Werkstoff für Rohre in der Installations- und Sanitärtechnik und auf dem Trinkwassersektor.
  2. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 mit 0,1 - 0,5 % Aluminium; 0,1 - 0,5 % Zink für den Zweck nach Anspruch 1.
  3. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, die zusätzlich ein oder mehrere der Elemente Silizium, Magnesium, Eisen, Zinn, Niob bis zu einem Maximalgehalt von insgesamt 1,5 % enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
  4. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 3 mit maximal 0,5 % Silizium für den Zweck nach Anspruch 1.
  5. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 3 mit maximal 1,5 % Magnesium für den Zweck nach Anspruch 1.
  6. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 3 mit maximal 0,1 % Eisen für den Zweck nach Anspruch 1.
  7. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 6 mit maximal 0,05 % Eisen für den Zweck nach Anspruch 1.
  8. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 3 mit maximal 0,5 % Zinn für den Zweck nach Anspruch 1.
  9. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 3 mit maximal 0,1 % Niob für den Zweck nach Anspruch 1.
  10. Verwendung einer Kupferlegierung nach Anspruch 9 mit maximal 0,05 % Niob für den Zweck nach Anspruch 1.
  11. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem oder mehrerenn der Ansprüche 1 bis 10 mit maximal 0,04 % Phosphor für den Zweck nach Anspruch 1.
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