ES2655893T3

ES2655893T3 - Lead-free brass alloy

Info

Publication number: ES2655893T3
Application number: ES09841636.5T
Authority: ES
Inventors: Norman Michael Lazarus
Original assignee: Aviva Metals Inc
Current assignee: Aviva Metals Inc
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2029-08-12
Also published as: EP2406406A4; IL215077A0; EP2406406B1; US20100226815A1; CA2754813A1; BRPI0924388A2; CN102414337A; CO6450681A2; AU2009341842A1; ZA201106652B; EP2406406A1; SG174312A1; US20230151457A1; RU2011140852A; MX2011009526A; BRPI0924388B1; US20170145544A1; KR20110131272A; JP2012519781A; WO2010104527A1

Abstract

Aleación de latón que consiste en: cobre; de un 2 % a menos de un 15 % de cinc; de un 0,4 % a un 1,0 % de teluro; menos de un 0,25 % de plomo; y opcionalmente menos de un 0,02 % de fósforo.Brass alloy consisting of: copper; 2% to less than 15% zinc; 0.4% to 1.0% tellurium; less than 0.25% lead; and optionally less than 0.02% phosphorus.

Description

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DESCRIPCIONDESCRIPTION

Aleación de latón exenta de plomo Campo técnicoLead-free brass alloy Technical field

La presente invención se refiere a composiciones de latón con un contenido extremadamente bajo o ningún contenido de plomo. Las composiciones exhiben mecanización y resistencia buenas similares a las de latón de mecanización exenta de aleación de latón con plomo convencionales.The present invention relates to brass compositions with an extremely low content or no lead content. The compositions exhibit good machining and strength similar to those of conventional lead-free brass alloy machining brass.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Ha sido una práctica habitual añadir hasta un 4,5 % de plomo a las composiciones de latón para mejorar la mecanización del producto resultante. Sin embargo, el plomo es una sustancia tóxica y su uso en la producción de aleaciones está rodeado por la legislación y procedimientos de control caros. Por ejemplo, California ha adoptado una legislación que limita la cantidad de plomo en instalaciones de fontanería a un 0,25 % o menos a principios de 2010.It has been a common practice to add up to 4.5% lead to brass compositions to improve the mechanization of the resulting product. However, lead is a toxic substance and its use in the production of alloys is surrounded by expensive legislation and control procedures. For example, California has adopted legislation that limits the amount of lead in plumbing facilities to 0.25% or less in early 2010.

Además, la fase de plomo en las aleaciones de cobre y plomo se pueden ver afectadas por ataques corrosivos con aceite orgánico o mineral caliente. Por ejemplo, cuando la temperatura de tal aleación aumenta, se conoce que el aceite se puede descomponer para formar peróxidos y gases orgánicos que tienen un efecto de cierto grado de lixiviación en la fase de plomo de la aleación. Si está lixiviación transcurre hasta un grado apreciable, el componente, si es un componente portador o estructural, puede tener finalmente un mal funcionamiento o fallar.In addition, the lead phase in copper and lead alloys can be affected by corrosive attacks with hot organic or mineral oil. For example, when the temperature of such an alloy rises, it is known that the oil can decompose to form peroxides and organic gases that have an effect of some degree of leaching in the lead phase of the alloy. If this leaching takes place to an appreciable degree, the component, if it is a carrier or structural component, may eventually have a malfunction or fail.

Por lo tanto, existe una ventaja considerable en reducir o, si fuera posible, eliminar los contenidos de plomo de las composiciones de metalurgia en polvo. Se han presentado diversas propuestas para realizar esto. Las proporciones considerables de plomo incorporadas a los materiales de metalurgia en polvo en el pasado han dado como resultado la facilidad de mecanización y durabilidad del componente del producto resultante. Se ha propuesto el reemplazo de parte del plomo con bismuto en el documento de Solicitud Internacional publicado con el n.° WO91/14012. Esto da como resultado el reemplazo con éxito de parte del plomo sin una reducción significativa en la mecanización. Sin embargo, va acompañado por cierta reducción en la resistencia transversal del material. Para muchos fines, esta reducción en la resistencia transversal no es un problema significativo.Therefore, there is a considerable advantage in reducing or, if possible, eliminating the lead contents of the powder metallurgy compositions. Various proposals have been submitted to accomplish this. Considerable proportions of lead incorporated into powder metallurgy materials in the past have resulted in ease of machining and durability of the resulting product component. The replacement of part of lead with bismuth has been proposed in the International Application document published under No. WO91 / 14012. This results in the successful replacement of part of the lead without a significant reduction in mechanization. However, it is accompanied by some reduction in the cross-sectional strength of the material. For many purposes, this reduction in transverse resistance is not a significant problem.

Se ha descrito otro enfoque en el documento de Patente de Estados Unidos n.° 5.445.665. En este producto, se añade de un 0,1 a un 1,5 % de grafito a la aleación lo que permite una reducción de plomo de un 2 % de la aleación o menos. El documento de Patente Japonesa JP 4-128332 desvela una aleación de latón que contiene un 25-38 % de Zn junto con un 0,005-0,5 % de Te que ofrece una excelente resistencia a la descincificación así como una resistencia a la corrosión mejorada.Another approach has been described in US Patent No. 5,445,665. In this product, 0.1 to 1.5% graphite is added to the alloy allowing a lead reduction of 2% of the alloy or less. Japanese Patent Document JP 4-128332 discloses a brass alloy containing 25-38% Zn together with 0.005-0.5% Te which offers excellent resistance to decincification as well as improved corrosion resistance .

Aunque las aleaciones descritas anteriormente producen aleaciones básicamente exentas de plomo, no poseen la misma mecanización que las aleaciones que contienen plomo. Esto da como resultado la necesidad de reequipamiento considerable del equipo usado para producir el producto final, tal como equipo de fontanería y similares. Además, las virutas producidas durante la fabricación de los productos de plomo a menudo no se pueden reciclar fácilmente por parte del fabricante del producto final. Por lo general, el reciclaje solo lo puede realizar el fabricante de las aleaciones. El coste de envío de las virutas de vuelta a la fundición inicial aumenta el coste global de producto del producto final.Although the alloys described above produce basically lead-free alloys, they do not have the same mechanization as lead-containing alloys. This results in the need for considerable retrofitting of the equipment used to produce the final product, such as plumbing equipment and the like. In addition, chips produced during the manufacture of lead products often cannot be easily recycled by the manufacturer of the final product. In general, recycling can only be done by the alloy manufacturer. The cost of sending the chips back to the initial foundry increases the overall product cost of the final product.

De ese modo, existe la necesidad de una aleación de latón exenta de plomo que exhiba una mecanización similar a la de los productos que contienen plomo y que se pueda reciclar por parte del consumidor.Thus, there is a need for a lead-free brass alloy that exhibits mechanization similar to that of lead-containing products and that can be recycled by the consumer.

Breve sumario de la invenciónBrief summary of the invention

La presente invención se refiere a una aleación de latón que consiste en: cobre, de un 2 % a menos de un 15 % de cinc, de un 0,4 % a un 1,0 % de teluro, menos de un 0,25 % de plomo, y opcionalmente menos de un 0,02 % de fósforo. La aleación tiene por lo general un contenido de plomo de menos de un 0,025 % a menos de un 0,001 %, con lo que se considera "exenta de plomo".The present invention relates to a brass alloy consisting of: copper, from 2% to less than 15% zinc, from 0.4% to 1.0% tellurium, less than 0.25 % lead, and optionally less than 0.02% phosphorus. The alloy generally has a lead content of less than 0.025% to less than 0.001%, which is considered "lead free."

La aleación exhibe mecanización y conductividad excelentes. Dependiendo de la composición de la aleación, la resistencia a la tracción variará entre 240 MPa y 530 MPa y el límite de fluencia variará de 200 a 450 MPa. La conductividad variará de un 28 % a un 49 % IACS. La mecanización de la nueva aleación de la invención es similar a la de las composiciones que contienen plomo. Esto elimina o reduce la cantidad de reequipamiento necesaria para usar las nuevas aleaciones para producir productos acabados tales como instalaciones de fontanería.The alloy exhibits excellent mechanization and conductivity. Depending on the composition of the alloy, the tensile strength will vary between 240 MPa and 530 MPa and the creep limit will vary from 200 to 450 MPa. The conductivity will vary from 28% to 49% IACS. The machining of the new alloy of the invention is similar to that of lead-containing compositions. This eliminates or reduces the amount of retrofitting necessary to use the new alloys to produce finished products such as plumbing installations.

La composición de la nueva aleación también permite a los fabricantes del producto final reciclar las virutas del propio proceso de fabricación. Esto elimina la necesidad de devolver las virutas al fabricante de la aleación para su reciclaje. Otra característica clave más de la presente invención es que la aleación, que contiene menos de un 15 %The composition of the new alloy also allows the manufacturers of the final product to recycle the chips from the manufacturing process itself. This eliminates the need to return the chips to the alloy manufacturer for recycling. Another key feature of the present invention is that the alloy, which contains less than 15%

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de cinc, exhibe una excelente resistencia a la descincificación.Zinc, exhibits excellent resistance to decincification.

Breve descripción de las figurasBrief description of the figures

La Figura 1 es una micrografía de la aleación que se usa en la Muestra C1 después de estiramiento.Figure 1 is a micrograph of the alloy used in Sample C1 after stretching.

La Figura 2 es una micrografía de la aleación que se usa en la Muestra C2 después de estiramiento.Figure 2 is a micrograph of the alloy used in Sample C2 after stretching.

La Figura 3 es una micrografía de la aleación que se usa en la Muestra C3 después de estiramiento.Figure 3 is a micrograph of the alloy used in Sample C3 after stretching.

Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

Las aleaciones de latón de la presente invención se preparan fundiendo en primer lugar cobre a una temperatura de aproximadamente 1050 °C. A continuación se añaden cinc y teluro al cobre fundido. La aleación de latón se funde a continuación en lingotes utilizando métodos de fusión horizontales o verticales.The brass alloys of the present invention are prepared by first melting copper at a temperature of approximately 1050 ° C. Then zinc and tellurium are added to molten copper. The brass alloy is then melted into ingots using horizontal or vertical fusion methods.

El cobre que se usa para preparar las aleaciones es por lo general cobre catódico o viruta de cobre sin contaminar y puro de alta calidad que comprende un mínimo de un 99,95 % de cobre y un 0,05 % de impurezas. El plomo es una impureza habitual, comprendiendo menos de un 0,025 % del cobre usado.The copper that is used to prepare the alloys is generally cathodic copper or high quality uncontaminated copper chip, comprising a minimum of 99.95% copper and 0.05% impurities. Lead is a common impurity, comprising less than 0.025% of the copper used.

El cinc es el siguiente componente mayoritario, comprendiendo de un 2 % a menos de un 15 % de la aleación.Zinc is the next major component, comprising 2% to less than 15% of the alloy.

El teluro se usa como reemplazo del plomo. Al igual que el plomo, el teluro se añade para mejorar la mecanización de la aleación sin la contribución negativa del plomo. El teluro se añade en una cantidad que varía de un 0,4 % a un 1,0 %. En una realización, el teluro comprende aproximadamente un 0,5 % de la aleación. La cantidad de teluro queTellurium is used as a replacement for lead. Like lead, tellurium is added to improve the mechanization of the alloy without the negative contribution of lead. Tellurium is added in an amount that varies from 0.4% to 1.0%. In one embodiment, tellurium comprises about 0.5% of the alloy. The amount of tellurium that

se usa dependerá, en parte, de la cantidad de cobre usada en la aleación, ya que los niveles de cobre aumentan laused will depend, in part, on the amount of copper used in the alloy, since copper levels increase the

cantidad de teluro en la misma cantidad que disminuyen. Al igual que el plomo, la adición de teluro a la aleación crea discontinuidades en las fases de cobre y cinc de la aleación como las que se muestran en las Figuras 1-3. La buena dispersión de estas discontinuidades conduce a la mecanización mejorada de las aleaciones.Tellurium amount in the same amount as they decrease. Like lead, the addition of tellurium to the alloy creates discontinuities in the copper and zinc phases of the alloy such as those shown in Figures 1-3. The good dispersion of these discontinuities leads to improved mechanization of the alloys.

Una ventaja de la presente invención es que las aleaciones exhiben una mecanización similar a la de las aleaciones que contienen plomo mientras que se usan cantidades considerablemente menores de teluro.An advantage of the present invention is that the alloys exhibit a mechanization similar to that of the lead-containing alloys while considerably smaller amounts of tellurium are used.

Otros materiales que se pueden añadir a las aleaciones de latón incluyen fósforo. Cuando se usa fósforo, la cantidad presente será por lo general menos de un 0,02 % de la aleación.Other materials that can be added to brass alloys include phosphorus. When phosphorus is used, the amount present will generally be less than 0.02% of the alloy.

Las aleaciones resultantes exhibirán generalmente mecanización y conductividad excelentes según se indica mediante una resistencia a la rotura por tracción (UTS) que varía de 240 a 530 MPa y un límite de fluencia de 200 MPa a 450 MPa según se determina usando el método B140 de la ASTM. La resistencia a la tracción y el límite de fluencia reales dependerán, en parte, de la composición real de la aleación. La conductividad de las aleaciones variará de un 28 a un 45 % IACS.The resulting alloys will generally exhibit excellent machining and conductivity as indicated by a tensile strength (UTS) ranging from 240 to 530 MPa and a creep limit of 200 MPa to 450 MPa as determined using method B140 of the ASTM The actual tensile strength and creep limit will depend, in part, on the actual composition of the alloy. The conductivity of the alloys will vary from 28 to 45% IACS.

EjemplosExamples

Se preparó una serie de aleaciones de latón donde el plomo añadido (por lo general aproximadamente un 2 %) se reemplazó con aproximadamente un 0,5 % de teluro. La composición de cada aleación se muestra en la Tabla 1 (las Muestras C y D no entran dentro del alcance de protección).A series of brass alloys were prepared where the added lead (usually approximately 2%) was replaced with approximately 0.5% tellurium. The composition of each alloy is shown in Table 1 (Samples C and D do not fall within the scope of protection).

TABLA 1 TABLE 1

Muestra Sample: Cu Pb Zn Te P Sn Cu Pb Zn Te P Sn

A TO: Equilibrio < 0,01 5,10 0,5 0,011 --- Balance <0.01 5.10 0.5 0.011 ---

B B: Equilibrio 0,00 8,82 0,57 0,001 --- Balance 0.00 8.82 0.57 0.001 ---

C C: 83,03 0,06 Equilibrio 0,052 0,05 0,11 83.03 0.06 Balance 0.052 0.05 0.11

D D: 59,41 0,02 Equilibrio 0,17 0,05 --- 59.41 0.02 Balance 0.17 0.05 ---

A continuación los lingotes se cambiaron en una prensa de extrusión a una temperatura que varió de aproximadamente 780 °C a aproximadamente 860 °C. A continuación, los lingotes se extruyeron en caliente a través de una diversidad de boquillas a diferentes presiones para producir numerosos tamaños. Cada disparo se lubricó antes de la explosión y las boquillas de extrusión se calentaron previamente. Los resultados se muestran en la Tabla 2.The ingots were then changed in an extrusion press at a temperature that varied from about 780 ° C to about 860 ° C. The ingots were then hot extruded through a variety of nozzles at different pressures to produce numerous sizes. Each shot was lubricated before the explosion and the extrusion nozzles were preheated. Results are shown in table 2.

TABLA 2 TABLE 2

Muestra Sample: Tamaño de estiramiento final Temp. de disparo Presión Longitud Final stretch size Temp. Trigger Pressure Length

A1 A1: 31,75 mm 808 °C 234 MPa 12 m 31.75 mm 808 ° C 234 MPa 12 m

A2 A2: 75,40 mm 822 °C 268 MPa 18,5 m 75.40 mm 822 ° C 268 MPa 18.5 m

A3 A3: 19,05 mm 803 °C 305 MPa 34 m 19.05 mm 803 ° C 305 MPa 34 m

B1 B1: 31,75 mm 794 °C 267 MPa 12 m 31.75 mm 794 ° C 267 MPa 12 m

B2 B2: 25,40 mm 800 °C 289 MPa 18,5 m 25.40 mm 800 ° C 289 MPa 18.5 m

B3 B3: 19,05 mm 806 °C 304 MPa 34 m 19.05 mm 806 ° C 304 MPa 34 m

B4 B4: 12,70 mm 870 °C 265 MPa 67 m 12.70 mm 870 ° C 265 MPa 67 m

C1a C1a: 25,40 mm 830 °C 298 MPa 18,4 m 25.40 mm 830 ° C 298 MPa 18.4 m

C1b C1b: 25,40 mm 867 °C 280 MPa 18,4 m 25.40 mm 867 ° C 280 MPa 18.4 m

C2a C2a: 50,80 mm 750 °C 230 MPa 21,5 m 50.80 mm 750 ° C 230 MPa 21.5 m

C3a C3a: 22,23 mm AF Hex 830 °C 312 MPa 21,5 m 22.23 mm AF Hex 830 ° C 312 MPa 21.5 m

C3b C3b: 22,23 mm AF Hex 837 °C 324 MPa 21,5 m 22.23 mm AF Hex 837 ° C 324 MPa 21.5 m

D1a D1a: 50,8 mm 640 °C 128 MPa 4,6 m 50.8 mm 640 ° C 128 MPa 4.6 m

D1b D1b: 50,80 mm 637 °C 142 MPa 4,6 m 50.80 mm 637 ° C 142 MPa 4.6 m

D2a D2a: 25,4 mm 650 °C 234 MPa 18,4 m 25.4 mm 650 ° C 234 MPa 18.4 m

D2b D2b: 25,4 mm 660 °C 214 MPa 18,4 m 25.4 mm 660 ° C 214 MPa 18.4 m

D3a Day 3: 22,23 mm AF Hex 648 °C 235 MPa 21,5 m 22.23 mm AF Hex 648 ° C 235 MPa 21.5 m

D3b D3b: 22,23 mm 621 °C 276 MPa 21,5 m 22.23 mm 621 ° C 276 MPa 21.5 m

A continuación, las barras se hicieron pasar a través de un baño de ácido sulfúrico decapante y a continuación se estiraron en frío de un modo tal que produjeran las propiedades mecánicas y los requisitos de tamaño de grano correctos. Además, este proceso asegura que se cumplan las tolerancias de tamaño correctas. La operación de 5 estiramiento en frío se consiguió sin esfuerzo. A continuación, los productos se sometieron a ensayo para resistencia a la tracción, dureza, conductividad, y mecanización. Los resultados se muestran en la Tabla 3.Next, the bars were passed through a bath of pickling sulfuric acid and then cold drawn in such a way as to produce the correct mechanical properties and grain size requirements. In addition, this process ensures that the correct size tolerances are met. The 5 cold stretch operation was effortlessly achieved. Next, the products were tested for tensile strength, hardness, conductivity, and mechanization. The results are shown in Table 3.

TABLA 3 TABLE 3

Muestra Sample: Reducción de área (%) Resistencia a la rotura por tracción (MPa) Límite de fluencia (MPa) ELONGACIÓN DUREZA (Rb) Area reduction (%) Tensile strength (MPa) Creep limit (MPa) HARDENING ELONGATION (Rb)

A1 A1: 11,24 267,9 210,3 30 % 56 11.24 267.9 210.3 30% 56

A2 A2: 12,8 296,5 341,3 24 % 57 12.8 296.5 341.3 24% 57

A3 A3: 1_,71 322 279,2 16 % 60 1_, 71 322 279.2 16% 60

B1 B1: 11,24 302,7 241,3 26 % 59 11.24 302.7 241.3 26% 59

B2 B2: 12,8 322 259,2 24 % 63 12.8 322 259.2 24% 63

B3 B3: 17,71 322,7 268,9 21 % 64 17.71 322.7 268.9 21% 64

B4 B4: 28,32 393,7 393 12 % 69 28.32 393.7 393 12% 69

C1 C1: 12,8 350,2 291,9 20 % 51 12.8 350.2 291.9 20% 51

C2 C2: 11,13 354,9 295,8 20 % 52 11.13 354.9 295.8 20% 52

C3 C3: 13 358,8 294,1 22 % 53 13 358.8 294.1 22% 53

D1 D1: 14,10 487,8 378,2 29 % 75 14.10 487.8 378.2 29% 75

D2 D2: 14,10 531,6 443 20 % 78 14.10 531.6 443 20% 78

TABLA 3 TABLE 3

D3 D3: 14,44 485,3 407,8 19 % 76 14.44 485.3 407.8 19% 76

A continuación se llevaron a cabo ensayos de conductividad en diversas muestras. La conductividad disminuye a medida que aumenta la proporción de contenido de cinc. Los resultados variaron de al menos aproximadamente un 28 % a un máximo de aproximadamente un 49 %.Conductivity tests were then carried out on various samples. The conductivity decreases as the proportion of zinc content increases. The results varied from at least about 28% to a maximum of about 49%.

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Se tomaron micrografías de las Muestras C1, C2 y C3 después de estiramiento y se muestran en las Figuras 1-3. La microestructura de las aleaciones fue uniforme indicando una buena dispersión del teluro en toda la aleación.Micrographs of Samples C1, C2 and C3 were taken after stretching and are shown in Figures 1-3. The microstructure of the alloys was uniform indicating a good dispersion of tellurium throughout the alloy.

Claims

1. Brass alloy consisting of:

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copper;

from 2% to less than 15% zinc; from 0.4% to 1.0% tellurium; less than 0.25% lead; and optionally less than 0.02% phosphorus.

2. The alloy of claim 1 having a lead content of less than 0.025%.

3. The alloy of claim 1 having a lead content of less than 0.001%.

The alloy of claim 1 having a tensile strength of 240 MPa to 530 MPa.

5. The alloy of claim 1 having a creep limit of 200 MPa to 450 MPa.

6. The alloy of claim 1 having a conductivity of 28% to 49% IACS.

twenty