Blog Ko Buijs: Koper legeren met zink
Koper gelegeerd met zink vormt messing dat in de volksmond ook wel ‘geelkoper’ wordt genoemd. Deze term is metaalkundig net zo krom als de uitdrukking ‘roodkoper’ omdat koper per definitie al een rode kleur heeft. Feitelijk is dat taalkundig een tautologie; net zoals de uitdrukking ‘een ronde cirkel’. Naarmate het zinkgehalte in deze koperlegering stijgt, wordt de kleur van het metaal inderdaad steeds geler.
(Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV)
Men onderscheidt in de praktijk twee verschillende typen messing t.w. de alfa- en de bèta (α en β) legeringen. De alfalegeringen bevatten bij kamertemperatuur uitsluitend α-mengkristallen die meer dan 61% uit koper bestaan. Dergelijke legeringen zijn in koude toestand zeer goed vervormbaar, echter niet bij hoge temperaturen. Legeringen met 54-61% koper vormen bij kamertemperatuur een mengsel van α- en β-kristallen. De β-kristallen zorgen ervoor dat deze legeringen wel goed warm vervormbaar zijn. Dat is een ideale situatie t.b.v. warmperswerk. Bij kamertemperatuur zijn de β-kristallen te bros om een optimale vervormbaarheid te bereiken.
Messing warmperswerk (foto Tojato Industries b.v.).
De α- messingsoorten zijn in grove lijnen als volgt in te delen: Rode en gele tombak met respectievelijk 90% en 80% koper alsmede messingtypen die voor dieptrekken en stansen worden gebruikt. Deze typen hebben een kopergehalte van respectievelijk 72 en 63%. Tombak wordt vooral toegepast voor imitatie sieraden en ornamenten terwijl de genoemde messingsoorten vooral worden toegepast als allerlei dunwandige gedeformeerde componenten. Daarbij kan gedacht worden aan onderdelen voor elektrische schakelaars, hulzen e.d.
De α+β messingsoorten zijn in grove lijnen als volgt in te delen: Legeringen met 60% koper (Ms-60) waar vooral koelelementen en condensorbuizen van worden gemaakt. Dat er naadloze buizen van worden gemaakt, komt vooral omdat dit type messing goed te extruderen is. Daarnaast is er Ms-58 beschikbaar, dat vanwege de toevoeging van enig lood, ook wel automatenmessing wordt genoemd. De spaan breekt tijdens het CNC-draaien snel af dankzij het lood, wat voor zo’n gebruik een vereiste is. Toepassingen zijn vooral het draaien en frezen van allerlei fittingen, bouten en moeren e.d.
Alle genoemde messingsoorten beschikken over een goede corrosiebestendigheid, hoewel er ook gevaren op dit gebied dreigen bij bepaalde legeringen. Bovendien zijn deze legeringen goed zacht te solderen alsmede prima te vernikkelen en te verchromen. Naast de genoemde koperzinklegeringen zijn er ook diverse complexe legeringen verkrijgbaar. Dat betreffen legeringen waar ook andere elementen aan zijn toegevoegd. Hierbij kan vooral gedacht worden aan de metalen tin, aluminium, mangaan, ijzer en lood. Dit zijn elementen die de β-fase bevorderen omdat ze de oplosbaarheid van zink verlagen. Daarom verhogen de meeste elementen de taaiheid van de β-fase. Een voorbeeld is het zogenaamde ‘gunmetal’ met de chemische samenstelling CuZn5Pb5Sn5 dat qua tingehalte ook bij de bronzen gerekend kan worden.
Hoewel messing een goede weerstand heeft tegen allerlei aantastingen, zijn er toch corrosiemechanismen die bij bepaalde typen op de loer liggen. Hierbij kan gedacht worden aan seizoenziekte (season cracking) van diepgetrokken messing, ontzinking en putcorrosie. Seizoenziekte ontstaat vooral in warme vochtige jaargetijden zoals in de tropen. Deze corrosie manifesteert zich op de minder edele korrelgrenzen en wel op die delen die het zwaarst gedeformeerd zijn. Daardoor komen de korrels c.q. kristallen a.h.w. van elkaar los te liggen, waardoor de materiaal gaat scheuren. Dit fenomeen is te voorkomen door na de deformatie spanningsarm te gloeien. Putcorrosie ontstaat veelal door zeewater in koud getrokken buizen. Vanwege de hoge mechanische spanningen aan het oppervlak, ontstaat er dan lokaalelement corrosie dat zelfs tot perforaties in het materiaal kan leiden.
Ook kan gesteld worden dat een toenemend zinkgehalte een afname betekent van de uiteindelijke corrosiebestendigheid. Ook neemt dan de kans op ontzinking toe. Koper en zink hebben een groot verschil in het elektrische potentiaal waardoor selectieve aantasting van het zink kan ontstaan. Het onedele zink gaat dan in oplossing en het koper blijft als een poreuze substantie onaangetast achter. Dit koperen residu heeft onvoldoende mechanische sterkte waardoor het restant dermate degenereert dat het onbruikbaar is geworden en zelfs soms uiteenvalt. Deze vorm van corrosie is goed te herkennen doordat de uiterlijke kleur van het metaal veranderd in een oranje kleur. Dit steekt sterk af tegenover de gele kleur die het metaal van nature heeft. Die oranje kleur lijkt veel op de kleur van wortels waardoor er ook wel eens gesproken worden over het ‘verwortelen’ van het messing. Deze vorm van corrosie treedt vooral aan het metaaloppervlak op waardoor het ook wel laagvormige ontzinking wordt genoemd.