anwenderreportage

Zecha IGUANA: Zerspanung von bleifreien Kupferwerkstoffen

Immer mehr Hersteller von z. B. Elektrobauteilen müssen sich der Herausforderung stellen, bleifreie Messing- und Kupferlegierungen zu bearbeiten. Daher beschäftigen sich Aurubis Stolberg und Zecha, in Österreich vertreten durch Wedco, seit geraumer Zeit intensiv mit dieser Thematik. Laut Gesetzgeber soll ab dem Jahr 2021 eine neue Richtlinie zur bleifreien NE-Metallbearbeitung umgesetzt sein. Allein durch die Elektromobilität wird eine Steigerung im zweistelligen Prozentbereich bei der Herstellung von Verbindungssteckern für die Automobilindustrie vorhergesagt, weswegen der Druck in den entsprechenden Industrien und verarbeitenden Betrieben zunimmt.

In einem Modellversuch wurden zwei bleifreie BlueBrass® Zerspanungsmessinge ausgewählt und einer bleihaltigen Referenz (CuZn39Pb3) sowie einem nur schwer zerspanbaren Messingwerkstoff (CuZn37) gegenübergestellt. Ein Highspeed-Bohrer (16.000 U/min) wurde mit selektierten IGUANA-Bohrwerkzeugen von Zecha bestückt und mit Sensorik versehen.

In einem Modellversuch wurden zwei bleifreie BlueBrass® Zerspanungsmessinge ausgewählt und einer bleihaltigen Referenz (CuZn39Pb3) sowie einem nur schwer zerspanbaren Messingwerkstoff (CuZn37) gegenübergestellt. Ein Highspeed-Bohrer (16.000 U/min) wurde mit selektierten IGUANA-Bohrwerkzeugen von Zecha bestückt und mit Sensorik versehen.

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Aufgabenstellung: Zerspanung von bleifreien Kupferwerkstoffen.

Lösung: Maßgeschneiderte, diamantbeschichtete Werkzeuge der IGUANA-Serie von Zecha in Kombination mit bleifreien BlueBrass® Werkstoffen von Aurubis.

Nutzen: Hervorragende Zerspanungseigenschaften, niedrigere Drehmomentverläufe.

In der Elektronikindustrie setzten Endanwender vor allem Kupfer-Zink-Legierungen – sogenannte Messingwerkstoffe oder Automatenmessing – aufgrund ihrer guten mechanischen, leitfähigen und korrosionsbeständigen Eigenschaften ein. Der Nachteil dieser bewährten Messingwerkstoffe: Sie sind bleihaltig und müssen substituiert werden.

Lässt man nun lediglich das für die gute Spanbildung besonders wirksame Blei weg, sind die Herausforderungen bei der Zerspanung bleifreier Kupferwerkstoffe vielseitig. Dies reicht von Langspänen und Wirrspänen bis hin zu vermehrter Gratbildung am zu bearbeitenden Teil und erhöhtem Werkzeugverschleiß. Dazu kommt, dass der Zerspanungsprozess die Eigenschaften des Werkstoffs und des Endproduktes nicht negativ beeinflussen soll. Beispielsweise führen erhöhte Bauteiltemperaturen beim Zerspanungsvorgang zu Änderungen am Werkstoffgefüge oder einer Versprödung des Bauteils.

Bei dem Versuch auf dem Bohrprüfstand wurden vier Werkstoffe mit drei unterschiedlichen Werkzeugen von Zecha getestet. (Im Bild: Carbide metal spiral drill, DLC coating)

Bei dem Versuch auf dem Bohrprüfstand wurden vier Werkstoffe mit drei unterschiedlichen Werkzeugen von Zecha getestet. (Im Bild: Carbide metal spiral drill, DLC coating)

Die analysierten Werkstoffe unterscheiden sich bei den technologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften. (Im Bild: CuZn42 (PNA 277))

Die analysierten Werkstoffe unterscheiden sich bei den technologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften. (Im Bild: CuZn42 (PNA 277))

CuZn42In (PNA 379)

CuZn42In (PNA 379)

Bei den Bohrversuchen zeigte sich, dass beim Einsatz von Standardwerkzeugen mit Ausnahme des CuZn37-Werkstoffs ähnliche Verläufe des Drehmoments erzielt werden konnten.

Bei den Bohrversuchen zeigte sich, dass beim Einsatz von Standardwerkzeugen mit Ausnahme des CuZn37-Werkstoffs ähnliche Verläufe des Drehmoments erzielt werden konnten.

Ein High-Speed-Bohrer (16.000 U/min) wurde mit selektierten IGUANA-Bohrwerkzeugen von Zecha bestückt und mittels Sensorik versehen.

Ein High-Speed-Bohrer (16.000 U/min) wurde mit selektierten IGUANA-Bohrwerkzeugen von Zecha bestückt und mittels Sensorik versehen.

CuZn37

CuZn37

CuZn39Pb3

CuZn39Pb3

Infos zum Anwender

Die Aurubis AG ist ein weltweit führender Anbieter von Nichteisenmetallen und der größte Kupferrecycler der Welt. Mit rund 7.400 Mitarbeitern in über 20 Ländern auf drei Kontinenten produziert Aurubis aus Kupferkonzentrat und Recyclingmaterialien pro Jahr mehr als 1 Mio. Tonnen hochreine und hochwertige Kupferkathoden. Diese werden unter anderem in Stolberg zu hochpräzisen Bändern und Drähten aus Kupfer und Kupferlegierungen für industrielle Abnehmer von Kupferprodukten am Weltmarkt weiterverarbeitet.

www.aurubis.com

Expertise bündeln

Um wirtschaftliche und erfolgreiche Ergebnisse beim Kunden zu erzielen, ist gerade bei der Bearbeitung dieser neuartigen, bleifreien Kupferwerkstoffe eine Kooperation der am Prozess beteiligten Parteien relevant. Je früher und enger der Kunde, Werkzeug- und Werkstoffhersteller zusammenarbeiten, desto besser können die einzelnen Komponenten wie Kühlschmierstoffe, Zerspanungswerkzeuge und das zu bearbeitende Material aufeinander abgestimmt und für die Weiterverarbeitung vorbereitet werden. Als Hersteller hochpräziser Drähte und Bänder aus Kupfer und Kupferlegierungen bzw. Mikrozerspanungs-, Stanz- und Umformwerkzeugen bündeln Aurubis und Zecha ihr Know-how bereits bei der Entwicklung ihrer Werkstoffe und Werkzeuglösungen.

Unter der Produktmarke BlueBrass® entwickelt Aurubis eine bleifreie Legierungsfamilie, die heutige Standards der Elektro-, Automobil- und Consumerindustrie hinsichtlich Zerspanbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Bleifreiheit hervorragend verbindet. BlueBrass®-Legierungen zeichnen sich durch gute Zerspanungseigenschaften bei mechanischen Bearbeitungsprozessen, beispielsweise dem Drehen, Fräsen und Bohren aus.

Und auch Zecha geht mit der Zeit und entwickelt stetig neue Werkzeuglösungen für ausgefallene Anwendungsfälle und modernste Materialien – wie auch für bleifreie Werkstoffe. So beinhaltet bspw. die High-End-Werkzeugfamilie IGUANA diamantbeschichtete Mehrschneider im kleinen Durchmesserbereich mit lasergeschärfter Schneide.

Bohrversuche

Um die Besonderheiten bei der Zerspanung von bleifreien Materialien besser verstehen zu können, wurden in einem Modellversuch zwei bleifreie BlueBrass®-Zerspanungsmessinge ausgewählt und einer bleihaltigen Referenz (CuZn39Pb3) sowie einem nur schwer zerspanbaren Messingwerkstoff (CuZn37) gegenübergestellt. Ein High-Speed-Bohrer (16.000 U/min) wurde mit selektierten IGUANA-Bohrwerkzeugen von Zecha bestückt und mit Sensorik versehen. Um Aussagen zur Zerspanbarkeit zu erlangen, wurden Drehzahl- und Drehmomentverläufe am Werkstück während des Versuchs direkt ermittelt. Im Nachgang zu den Bohrversuchen erfolgte eine Analyse der Werkstücke hinsichtlich Gratbildung und Oberflächenqualität der Bohrungen.

Die analysierten Werkstoffe unterscheiden sich bei den technologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften. Im bleihaltigen Referenzwerkstoff CuZn39Pb3 wirken die an den Korngrenzen vorliegenden Bleipartikel wie kleine Spanbrecher und verhelfen dem Werkstoff somit zu seinen guten Zerspanungseigenschaften. Der normalerweise ausschließlich für Umformvorgänge eingesetzte Werkstoff CuZn37 besteht aus einem reinen α-Gefüge. Diese Mikrostruktur verhilft dem Werkstoff zu seiner guten Verformbarkeit, gleichzeitig jedoch zu Zerspanbarkeitseigenschaften auf sehr niedrigem Niveau.

Die beiden BlueBrass®-Werkstoffe PNA 277 und PNA 379 hingegen besitzen in erster Linie einen höheren Zink-Anteil, der die Zweiphasigkeit des Werkstoffes begründet. Neben einem α-Anteil, der für ausreichende Verformbarkeit sorgt, besitzen die beiden Werkstoffe auch einen β-Phasengehalt. Dieser Anteil ist stabiler und somit spröder und führt zu einer guten Zerspanbarkeit. Zusätzlich werden die BlueBrass®-Werkstoffe dotiert, das heißt es werden zur Steigerung bestimmter Eigenschaften weitere Elemente zugeführt. Indium hat sich hier als Zugabe-Element bei PNA 379 als besonders positiv erwiesen, vor allem bei schwierigen Zerspanungsoperationen. Dazu gehören das Bohren von Sacklöchern oder Prozesse unter extremen Umgebungsbedingungen. Ein Beispiel ist das Zerspanen ohne externe Schmierung, die sogenannte Trockenbearbeitung.

Maßgeschneiderte Werkzeuge

Bei dem Versuch auf dem Bohrprüfstand wurden vier Werkstoffe mit drei unterschiedlichen Werkzeugen von Zecha getestet. Bei konstanten Prüfbedingungen, zu denen Vorschub, Drehzahl, Bohrlochtiefe, Bohrerdurchmesser und eine fehlende externe Kühlung zählen sowie gleichem Werkstückzustand, sprich Prüfkörperdurchmesser und Verarbeitungszustand, wurde der Drehmomentverlauf in Abhängigkeit des Bohrweges ermittelt. Es zeigte sich, dass beim Einsatz von Standardwerkzeugen mit Ausnahme des CuZn37-Werkstoffs ähnliche Verläufe des Drehmoments erzielt werden konnten. Die Auswahl maßgeschneiderter Werkzeuge führte sogar dazu, dass niedrigere Drehmomentverläufe bei den BlueBrass®-Legierungen gegenüber der bleihaltigen Referenz erzielt werden konnten. Das maßgeschneiderte Werkzeug in Kombination mit dem bleifreien BlueBrass®-Werkstoff erzielte hervorragende Zerspanungseigenschaften, vergleichbar oder sogar besser als die bleihaltige Referenz.

Aufgrund der Vielzahl an verschiedenen NE-Werkstoffen und Legierungen gibt es bei der Massenteilfertigung in der Zerspanung keine generelle Einheitsformel für Zeitersparnis. Bei den Zerspanungswerkzeugen hat sich gezeigt, dass eine auf die Anwendung abgestimmte spezifische Geometrie und Hochleistungsbeschichtung eine wirtschaftliche Bearbeitung dieser schwer zerspanbaren Materialien möglich macht. In vielen Fällen eignen sich die neu entwickelten diamantbeschichteten High-End-Werkzeuge der IGUANA-Serie mit lasergeschärfter Schneidkante. Je nach Anwendungsfall liefert ein in der Geometrie abgestimmtes Hartmetallwerkzeug mit einer DLC-Hochleistungsbeschichtung den gewünschten Erfolg.

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