Collaboration for the future: Reliable machining of lead-free brass
Kooperation für die Zukunft: Prozesssichere Zerspanung von bleifreiem Messing
REACH und RoHS: Die regulatorischen Vorgaben der Europäischen Union verändern seit einigen Jahren die Werkstofflandschaft grundlegend. Mit den Verordnungen schränkt die EU den Einsatz gesundheitsgefährdender Stoffe deutlich ein. Insbesondere die Zulegierung von Blei in Kupferbasislegierungen steht im Fokus. Für zahlreiche Anwendungen, etwa in der Sanitärtechnik, Elektrotechnik oder im Automotive-Bereich, fordern Gesetzgeber und Kunden bleifreie Werkstoffe. Damit entfällt jedoch ein Legierungsbestandteil, der über Jahrzehnte hinweg maßgeblich zur guten Zerspanbarkeit von Messing beigetragen hat. Die Paul Horn GmbH und der weltweit führende Anbieter von Halbfabrikaten aus Kupfer und Kupferlegierungen, die Wieland Gruppe, begegnen dieser Herausforderung mit einer engen technologischen Zusammenarbeit. Ziel der Kooperation ist es, bleifreie Messingwerkstoffe wirtschaftlich, prozesssicher und mit hoher Bauteilqualität zu bearbeiten.
Blei erfüllt in klassischen Automatenmessingen mehrere Funktionen. Im Gefüge liegt es als fein verteilte Partikel an den Korngrenzen vor. Diese wirken während der Zerspanung als Spanbrecher. Der Span bricht frühzeitig, die Zerspankräfte sinken und die Spanabfuhr erfolgt kontrolliert. Darüber hinaus wirkt das weiche Blei wie ein Schmierfilm zwischen Werkzeug und Werkstück. Es reduziert Reibung, senkt die Temperatur an der Schneidkante und minimiert den Werkzeugverschleiß. Entfällt Blei, ändert sich das Zerspanverhalten. Bleifreie Messinglegierungen besitzen ein Gefüge ohne Bleipartikel, die in bleihaltigen Varianten als lokale Trennstelle wirken, ohne den Werkstoff an sich zu schwächen. Tendenziell zeigt bleifreies Messing daher eine deutlich stärkere Neigung zur Fließspanbildung. Zudem steigen die Schnittkräfte und die thermische Belastung der Schneidkante. In der Praxis äußert sich dies durch mangelnden Spanbruch, Spänestau im Arbeitsraum sowie erhöhten Freiflächen- und Kolkverschleiß.
Gefügebeeinflussung
Wieland reagiert auf diese Anforderungen mit speziell entwickelten bleifreien Legierungen, die unter der Produktfamilie ecoline® gebündelt sind. Durch angepasste Legierungszusammensetzungen, gezielte Gefügebeeinflussung und optimierte Herstellprozesse stellt das Unternehmen Werkstoffe bereit, die mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit klassischer Automatenmessinge erreichen oder übertreffen. Diese Maßnahmen im Zusammenspiel verbessern das Spanbruchverhalten signifikant. Die Zerspanung bleibt dennoch anspruchsvoller als früher mit Blei und das abgestimmte Zusammenspiel von Werkstoff, Werkzeug und Parametern führt zu stabilen Prozessen.
Wieland entwickelt seine Zerspanungsmessinge gezielt für anspruchsvolle Anwendungen, unter anderem in der Sanitär- und Elektrotechnik. Die Legierungen basieren auf einem fein abgestimmten Gefüge, das je nach Legierungszusammensetzung wichtige Eigenschaften wie Festigkeit, Umformbarkeit und Leitfähigkeit anwendungsgerecht aufweist. Durch eine präzise Steuerung der Legierungselemente und der thermo-mechanischen Prozessschritte erzeugt Wieland eine homogene, feinkörnige Struktur, die die Verarbeitbarkeit, insbesondere die Zerspanung stark begünstigt.
Diese homogene und feinkörnige Struktur bildet dabei ebenfalls die Grundlage für konstante Eigenschaften und ein reproduzierbares Materialverhalten. In dieses Gefüge werden gezielt unkritische Elemente wie Silizium, Phosphor und Schwefel mikrolegiert. Sie fördern auch ohne den Einsatz von Blei gezielt die Zerspanbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit und bringen diese Eigenschaften auf ein vergleichbares Niveau klassischer bleihaltiger Automatenlegierungen. Damit schafft Wieland eine werkstoffseitig konstante Basis, auf der abgestimmte Werkzeuggeometrien einen kontrollierten und prozesssicheren Zerspanprozess ermöglichen. Gleichzeitig bietet der Einsatz dieser seit Jahrzehnten etablierten, leicht verfügbaren und recyclingverträglichen Elemente eine zukunftssichere Lösung, die bestehende Stoffkreisläufe nicht beeinträchtigt.
Die Umstellung von bleihaltigem auf bleifreies Messing stellte viele Anwender zunächst vor erhebliche Herausforderungen. Bewährte Schnittparameter und Standardgeometrien lieferten keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Besonders kritisch zeigte sich der fehlende prozesssichere Spanbruch beim Einstechen, Längsdrehen und bei der Innenbearbeitung. Horn analysiert gemeinsam mit Wieland systematisch das Zerspanverhalten der neuen Legierungen. Umfangreiche Versuchsreihen auf modernen Drehzentren zeigten, dass insbesondere spanbrechende Geometrien aus dem Stahlbereich vielversprechende Ergebnisse liefern. Schneidplatten mit ausgeprägten Spanformelementen für Stähle mittlerer Festigkeit erzeugen auch in bleifreien Messingen kurze, kontrollierte Späne.
Sondergeometrien
Zusätzlich entwickelte Horn spezielle gelaserte Sondergeometrien, die den Span gezielt aufstauen und zum Brechen zwingen. Die definierte Kantenpräparation stabilisiert die Schneidkante und reduziert Mikroausbrüche. Gleichzeitig passt Horn die Beschichtungen an die erhöhte thermische und mechanische Belastung an. Moderne Hartstoffschichten mit hoher Warmhärte und optimierter Haftung verlängern die Standzeiten deutlich.
Beim Einstechen und Längsdrehen entscheidet die Spanbildung maßgeblich über die Prozesssicherheit. Lange Bandspäne können sich um Werkstück oder Werkzeug wickeln und den automatisierten Betrieb stören. Horn setzt hier auf Schneidplatten mit ausgeprägten Spanleitstufen und engen Spanmulden. Diese Geometrien erhöhen lokal den Umformgrad des Spans. Der Span erfährt eine starke Krümmung und bricht bereits bei kleinen Zustellungen zuverlässig. Die Versuche in Zusammenarbeit mit Wieland zeigen, dass sich durch die Kombination aus angepasster Geometrie, geeigneter Schneidstoffauswahl und optimierten Schnittparametern stabile Prozesse realisieren lassen. Anwender profitieren von reproduzierbaren Standzeiten, geringen Taktzeitabweichungen und einer hohen Oberflächengüte der Bauteile. Gleichzeitig reduziert sich der Aufwand für manuelle Eingriffe im Produktionsprozess.
Innenbearbeitung im Fokus
Eine der größten Herausforderungen bei der Zerspanung bleifreier Messinge stellt die Innenbearbeitung dar. Beim Innenausdrehen oder bei der Bohrungsbearbeitung entstehen häufig lange, zähe Späne. Diese wickeln sich um das Werkzeug, verstopfen tiefe Bohrungen oder führen im ungünstigsten Fall zum Werkzeugbruch. Besonders bei kleinen Durchmessern und geringen Zustellungen steigt das Risiko unkontrollierter Spanbildung. Bisher setzten viele Anwender auf speziell gelaserte oder geschliffene Spanformgeometrien. Diese Lösungen lieferten zwar gute Ergebnisse, erhöhten jedoch die Kosten der Schneidplatte deutlich. Horn entwickelte daher universelle Werkzeugsysteme mit gesinterter Spanformgeometrie, die Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit vereinen.
Mit dem Supermini Typ 105 sowie dem Typ Mini mit I-Geometrie bietet Horn leistungsfähige Ausdrehwerkzeuge für ein breites Anwendungsspektrum. Die gesinterte Spanformgeometrie reicht weit in den Eckenradius der Schneidplatte hinein. Dadurch stellt sie die Spankontrolle auch bei sehr kleinen Zustellungen sicher. Der Span wird frühzeitig umgeformt und kontrolliert abgeführt. Die Werkzeuge eignen sich nicht nur zum klassischen Innenausdrehen, sondern auch zum Plan-, Kopier- und Rückwärtsdrehen. Anwender profitieren von einer hohen Flexibilität und reduzieren ihre Werkzeugvielfalt. Gleichzeitig gewährleisten die stabil ausgelegten Trägerwerkzeuge eine hohe Steifigkeit, was insbesondere bei langen Auskragungen entscheidend ist.
Praxisbeispiele im Fokus: Fitting und Steckkontakt
Im Rahmen eines gemeinsamen Events präsentieren Horn und Wieland die Ergebnisse ihrer Zusammenarbeit anhand zweier praxisnaher Beispielwerkstücke: eines Messing-Fittings aus dem Sanitärbereich sowie eines hochpräzisen Steckkontakts für die Elektrotechnik.
Das Messing-Fitting aus Wieland eco SZ3® (CW728R) steht exemplarisch für Bauteile mit komplexen Konturen, Gewinden und Dichtflächen. Es erfordert mehrere Dreh-, Einstech- und Innenbearbeitungsoperationen. Insbesondere beim Innengewinde und bei tiefen Bohrungen zeigte das bleifreie Messing zunächst eine ausgeprägte Neigung zu langen Spänen. Durch den Einsatz angepasster Einstechgeometrien sowie des Supermini Typ 105 mit gesinterter Spanformgeometrie erzielen die Partner einen sicheren Spanbruch und eine stabile Serienfertigung. Die Werkzeuge in Kombination mit dem Werkstoff gewährleisten enge Toleranzen, saubere Dichtflächen und eine hohe Oberflächengüte – entscheidende Kriterien für leckagefreie Verbindungen.
Der Steckkontakt aus Wieland eco SZ5® (CW509L) verdeutlicht die Anforderungen der Elektrotechnik. Hier stehen Maßhaltigkeit, Gratfreiheit und hohe Oberflächengüten im Vordergrund. Gleichzeitig verlangen hohe Stückzahlen nach kurzen Taktzeiten und prozesssicheren Abläufen. Beim Längsdrehen der filigranen Kontakte sowie beim Abstechen sorgen spanbrechende Geometrien aus dem Stahlbereich für kurze, kontrollierte Späne. Die definierte Schneidkantenpräparation minimiert Gratbildung und reduziert Nacharbeit. Auf diese Weise realisieren die Partner eine wirtschaftliche Fertigung bei gleichzeitig hoher Funktionssicherheit der Bauteile.
Ganzheitlicher Ansatz für nachhaltige Fertigung
Die Kooperation zwischen Horn und Wieland zeigt, dass sich regulatorische Anforderungen und wirtschaftliche Fertigung nicht ausschließen. Beide Unternehmen verfolgen einen ganzheitlichen Ansatz. Wieland optimiert kontinuierlich seine bleifreien Messinglegierungen hinsichtlich verschiedenster Kundenanforderungen. Horn entwickelt parallel dazu maßgeschneiderte Werkzeuglösungen, die exakt auf diese Werkstoffe abgestimmt sind. Durch intensive Tests unter praxisnahen Bedingungen definieren die Partner geeignete Schnittparameter, bewerten Standzeiten und analysieren den Verschleiß. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die Weiterentwicklung von Werkstoff und Werkzeug ein. Anwender erhalten damit erprobte Lösungen aus einer Hand und reduzieren ihr Risiko bei der Umstellung auf bleifreie Materialien.
Bleifreie Messinge stellen höhere Anforderungen an Werkzeuge, Prozesse und technisches Know‑how als die etablierten bleihaltigen Legierungen. Der fehlende schmierende und spanbrechende Effekt des Bleis verändert das Zerspanverhalten grundlegend. Lange Späne, erhöhte Schnittkräfte und gesteigerter Werkzeugverschleiß fordern innovative Lösungen. Die enge Zusammenarbeit zwischen Horn und Wieland zeigt, wie sich diese Herausforderungen erfolgreich meistern lassen. Mit Legierungen aus der ecoline® Produktfamilie von Wieland, angepassten Spanformgeometrien, optimierten Beschichtungen und universellen Werkzeugsystemen wie dem Supermini Typ 105 oder dem Typ Mini mit I-Geometrie realisiert Horn prozesssichere Bearbeitungsstrategien für moderne bleifreie Messingwerkstoffe.