Lasergeschärfte Bohrer für bleifreie Kupferlegierungen

Warum lasergeschärfte Bohrer für die Bearbeitung bleifreier Messing- und Kupferlegierungen gut einsetzbar sind, erklären Zecha und Aurubis.  Viele Hersteller vor allem von Elektrobauteilen müssen sich der Herausforderung stellen, künftig bleifreie Messing- und Kupferlegierungen zu bearbeiten, denn mit der EU-Trinkwasser-Richtlinie, RoHS- und künftig wohl auch mit der ELV-Richtlinie 2000/53/EG2 für gebrauchte Fahrzeuge gestattet der Gesetzgeber nur noch bis 2021 die Ausnahme, dass Kupferlegierungen maximal 4 % Blei enthalten dürfen. Daher beschäftigen sich Aurubis Stolberg als ein weltweit führender Anbieter von Nichteisenmetallen und größter Kupferrecycler der Welt mit 74.000 Mitarbeitern und der Werkzeughersteller Zecha seit geraumer Zeit intensiv mit dieser Thematik. Denn Nachteil der heutigen, bewährten Messingwerkstoffe ist die Bleihaltigkeit, die nun substituiert werden muss. Lässt man nun 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.

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 entwickelte Aurubis eine bleifreie Legierungsfamilie, die sich durch gute Zerspanungseigenschaften beim Drehen, Fräsen und Bohren auszeichnet. Auch Zecha entwickelt stetig neue Werkzeuglösungen, auch für bleifreie Werkstoffe. So enthält die High-End-Werkzeugfamilie Iguana diamantbeschichtete Mehrschneider im kleinen Durchmesserbereich mit lasergeschärfter Schneide – was laut Zecha ein absolutes Novum ist.

Um die Besonderheiten der bleifreien Materialien besser zu verstehen, wurden in einem Modellversuch zwei bleifreie Bluebrass-Zerspanungsmessinge ausgewählt und einer bleihaltigen Referenz (CuZn39Pb3) und einem nur schwer zerspanbaren CuZn37-Messing gegenübergestellt. Ein High-Speed-Bohrer (16.000 min-1) wurde mit ausgewählten Iguana-Bohrwerkzeugen bestückt und mittels 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.

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 CuZn37 besteht aus reinem Alpha-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 Alpha-Anteil, der für ausreichende Verformbarkeit sorgt, besitzen die beiden Werkstoffe auch einen Beta-Phasengehalt. Dieser Anteil ist stabiler und somit spröder und führt zu einer guten Zerspanbarkeit. Zusätzlich werden die Bluebrass-Werkstoffe ‚dotiert‘. Indium hat sich hier als Zugabe-Element bei PNA 379 als besonders positiv erweisen, vor allem bei schwierigen Zerspanungsoperationen, etwa von Sacklöchern. Beispiel ist das Zerspanen ohne externe Schmierung, also Trockenbearbeitung. Bei dem Versuch auf dem Bohrprüfstand wurden vier Werkstoffe mit drei unterschiedlichen Werkzeugen von Zecha getestet.  Bei konstanten Prüfbedingungen 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. 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 maßgeschneiderten bleifreien Bluebrass-Werkstoff erzielte hervorragende Zerspanungseigenschaften, vergleichbar oder sogar besser als die bleihaltige Referenz.

kb, ak