Der Werkstoff Messing weist weitreichende Einsatzmöglichkeiten für unterschiedlichste Produktfamilien auf, z. B. Türbeschläge und -griffe, Produkte aus dem Elektrobereich, Installationstechnik aus dem Sanitärbereich und Hydraulik- bzw. Pneumatik-Komponenten. Für Deutschland und Norditalien, wo viele der o. g. Produkte hergestellt werden, wird die Verarbeitungsmenge auf ca. 600.000 Tonnen Messing pro Jahr geschätzt. Diese Produkte werden häufig mittels Warmmassivumformung hergestellt und anschließend spanend nachbearbeitet. Durch den branchenübergreifenden Einsatz von stranggepressten Zinkknetlegierungen in der Umformtechnik, als Substitution von handelsüblichen Messingwerkstoffen, ist ein hohes CO2-Einsparpotential von bis zu 40 % zu erwarten. Die Zielsetzung des Vorhabens ist die Untersuchung der umformtechnischen Verarbeitung von Zinkknetlegierungen und die Abschätzung eines Substitutionspotenzials. Außerdem ist das Ziel, die Ergebnisse in einem technologischen Leitfaden zusammenzufassen, um die Übertragbarkeit und die Umsetzung für andere Unternehmen zu ermöglichen
Zunächst werden Anwendungsfelder recherchiert, deren Anforderungen durch die technischen Eigenschaften des Zinkumformteils erfüllt werden und deren Einsatz energetisch sowie wirtschaftlich sinnvoll erscheint. Vorrangig sollen Messingumformteile als Benchmark betrachtet werden. Außerdem sind weitere Anwendungsfelder mit einem hohen Energieeinsparpotenzial durch die Erzeugung und Verarbeitung des Werkstoffes betrachtet worden. Für die Ermittlung von Prozessgrenzen der umformtechnischen Bearbeitung der ausgewählten Zinkknetlegierung werden Untersuchungen durchgeführt. Es werden werkstoffkundliche Prüfungen ausgeführt, wie der Zugversuch oder der Low-Cycle-Fatique (LCF)-Versuch. Die Umformbarkeit von ZEP wird mittels Stauchversuchen ermittelt und mit anderen Werkstoffen verglichen. Außerdem wird das Stauchverhältnis bestimmt und die Rissbildung während der Umformung wird analysiert. Die Untersuchungen auf Laborebene werden anhand realer Bauteile und unter Produktionsbedingungen verifiziert. Nach Berechnung des Energieeinsparpotenzials und Einschätzung des Substitutionspotenzials werden die Ergebnisse in einem Leitfaden zusammengefasst.
Die im Arbeitsplan festgelegten Punkte wurden bearbeitet und die angestrebte Zielsetzung des Vorhabens konnte erreicht werden. Referenzbauteile wurden durch eine gründliche Recherche , enge Zusammenarbeit mit Projektpartnern und externen Unternehmen erfolgreich identifiziert. Das Marktscreening ergab, dass Messing als Werkstoff bspw. in der Sanitärtechnik für die Herstellung von Armaturen und Rohrverbindern eingesetzt wird Für die Herstellung von Produkten in dieser Branche aus beispielsweise der Zinkknetlegierung ZEP1510 mangelt es jedoch an einer Wasserzulassung, die aufgrund der derzeit eingesetzten Legierungselemente bei direktem Kontakt mit Wasser nicht erlangt werden kann. Die festgelegten Demonstrationsbauteile wurden mit den Industriepartnern prototypisch hergestellt. Die Versuche haben gezeigt, dass Zinkknetlegierungen bei Massivumformverfahren, wie z. B. Kalt-Fließpressen und Schmieden, eingesetzt werden können. Im Weiteren wurden einige Prozesskenngrößen von Zinkknetlegierungen ermittelt und mit Kupfer- und Aluminiumlegierungen verglichen. Es hat sich bestätigt, dass bei der Umformung von Zinkknetlegierungen bei geringerer Temperatur unerwartet hohe Umformgrade erreicht werden können. Das zulässige Stauchverhältnis von Zinkknetlegierungen ist nahezu identisch mit Messing und geringer als bei Aluminiumlegierungen. Bei der Ermittlung des Formänderungsvermögens sind bei den Untersuchungen mit Zinkknetlegierungen keine Schubrisse ermittelt worden. Bei der Kupfer- und Aluminiumlegierung sind unterhalb einer bestimmten Temperatur beim Stauchen Schubrisse entstanden. Bei der Auslegung von Umformoperationen können somit aufgrund des hohen Formänderungsvermögens Arbeitsgänge erspart werden.
Die Verbreitung der Projektziele und Ergebnisse erfolgte in nachfolgender Weise:
• Homepage der Fachhochschule Südwestfalen
• Präsentation der Projektziele und Ergebnisse in der IMU-Faktendatenbank, wo sich die Unternehmen der Branche via Internet informieren können
• Leitfaden: Zinkknetlegierungen in der Massivumformung
• Video zum Projekt, was im Rahmen der Öffentlichkeitsarbeit verwendet wird
• Preisträger der Deutschen Rohstoffeffizienzpreis 2022 der Wettbewerbskategorie Forschungseinrichtung
• Fachtagung 28. Sächsischer Fachtagung Umformtechnik SFU + 7. International Conference on Accuracy in Forming Technology ICAFT, November 2023
Durch das Vorhaben konnte die umformtechnische Verarbeitung der neuentwickelten Zinkknetlegierung erstmalig untersucht und belegt werden. Es wurden umformtechnische Prozessgrenzen ermittelt und im industriellen Umfeld verifiziert. Dabei wurde bestätigt, dass die Substitution von Messing durch Zinkknetlegierungen hohe Energie- und Kostensparpotenziale für die verarbeitende Industrie anbietet. Mit den Ergebnissen dieses Vorhabens sollen potenzielle Unternehmen bestärkt werden, diese umweltfreundliche Alternative mehr zu verwenden.