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Patent Searching and Data


Title:
COPPER ALLOYS WITH A LOW LEAD CONTENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/147717
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a copper-zinc alloy with a low lead content, as well as a method for producing same. The obtained alloy permits the reduction of the quantity of beta phase generated, and in this way, the materials suffer less degradation through loss of zinc during their exposure to stagnant or slow-moving water, or slightly acidic water.

Inventors:
RODRÍGUEZ ANGOLI, Jaime (Calle Rosales 206, Colonia Nueva RosalesCortáza, Guanajuato ., 38345, MX)
ROSAS FRANCO, Julio Alberto (Circuito José Vizcarra 112, Colonia Hacienda del BosqueCelay, Guanajuato ., 38028, MX)
MONTOYA RODRÍGUEZ, Roberto (Francisco I. Madero 121-A, Primera Fracción de CrespoCelay, Guanajuato ., 38110, MX)
Application Number:
MX2018/000010
Publication Date:
August 16, 2018
Filing Date:
February 02, 2018
Export Citation:
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Assignee:
NACIONAL DE COBRE, S.A. DE C.V. (Poniente 134 No. 719, Colonia Industrial Vallej, Ciudad De México ., 02300, MX)
International Classes:
C22C9/04
Foreign References:
US20160215366A12016-07-28
US5653827A1997-08-05
CN104087782A2014-10-08
MX2014010796A2016-03-08
Attorney, Agent or Firm:
PÉREZ ZEA, José Pablo (Campos Elíseos 345, Piso 3,Col. Chapultepec Polanc, Ciudad De México ., 11560, MX)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Una composición de materia que comprende: aproximadamente: del 62% al 63% en peso de Cu; 0.18% al 0.24% en peso de Pb; del 0.15% al 0.25% en peso de Sn; del 0.03% al 0.08% en peso de Si; del 0.10% al 0.15% en peso de P;, un total de otros elementos < 0.30%, en donde el Zn se encuentra presente en un rango aproximadamente entre 36% a 38%.

2. Una composición de materia según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende:

3. Una composición de materia según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende:

4. Una composición de materia según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque comprende tiene una forjabilidad de al menos 70%.

5. Una composición de materia según la reivindicación 1 , caracterizada porque la cantidad de fase Beta generada es restringida y porque tiene solo bandas delgadas.

6. Un proceso para la fabricación de la reivindicación 1, caracterizada porque comprende fundir en un horno de colada estacionaria enfriado por camisa de agua se funde la mezcla del 62% a 63% en peso de Cu; 0.18% al 0.24% en peso de Pb; del 0.15% al 0.25% en peso de Sn; del 0.03% al 0.08% en peso de Si; del 0.10% al 0.15% en peso de P; un total de otros elementos < 0.30%, y entre 36% a 38%. de Zn.

7. Una composición de materia según la reivindicación 1, caracterizada porque es resistente a la descincifícacion de acuerdo a los criterios de la norma ISO-6509-II.

8. El proceso según la reivindicación 6, caracterizado porque el homo es un homo de inducción eléctrica que lleva el caldo hasta una temperatura de 1100°C, para después de un periodo de homogenización llegar a una temperatura de vaciado de 1010°C. 9. El proceso según la reivindicación 7, caracterizado porque el caldo es vaciado en un molde vertical y es enfriado mediante una camisa con circulación de agua.

10.E1 proceso según la reivindicación 6, caracterizado porque utiliza aleaciones binarias Cu-Zn recicladas.

11. El proceso según la reivindicación 9, caracterizado porque se adiciona Cobre-silicio y cobre-fosforo para complementar la composición química.

12. El proceso según la reivindicación 6 o 9 caracterizada porque se agregan en pequeños porcentajes de estaño y silicio.

Description:
1

ALEACIONES DE COBRE BAJAS EN PLOMO CAMPO TÉCNICO La presente invención se dirige a aleaciones de cobre bajas en plomo maquinables, las cuales son útiles en la fabricación de componentes de plomería, por ejemplo, componentes de latón para circuitos de distribución de agua.

ANTECEDENTES

En la actualidad es cada vez más común encontrarse con un mayor compromiso en materia de salud, no solo de parte de las instituciones médicas o gubernamentales, sino también de parte de la industria privada, y la sociedad en general. Una de las ramas que ha adquirido gran relevancia es la relacionada sobre los elementos metálicos destinados para la conducción y distribución de agua, tanto en el sector residencial como en el industrial y de servicios, en donde se busca controlar que los materiales utilizados para este fin no supongan un riesgo para la salud debido a las sustancias que puedan transmitir al disolverse en el agua y que pudieran causar daños a las personas.

Por otro lado el plomo es uno de los principales elementos contenidos en los latones para grifería debido a su aportación sobre la maquinabilidad, el plomo favorece el desprendimiento y rompimiento de viruta, funciona también como lubricante al momento del maquinado reduciendo las temperaturas durante el proceso de corte y consecuentemente alargando la vida de los herramentales de corte, sin embargo es un compuesto perjudicial que se acumula en el sistema nervioso y es particularmente perjudicial para el desarrollo mental de los niños. En Estados Unidos se ha venido legislando al respecto, muestra de esto es la

Ley California AB 1953. Este proyecto de ley define el término "Sin plomo", para los propósitos de la fabricación, procesamiento industrial, y transmisión o distribución de agua para el consumo humano al contenido en plomo de las tuberías y accesorios de tubería, accesorios de fontanería, y accesorios, a un contenido de plomo promedio ponderado de la superficie mojada de las tuberías y accesorios de no más de 0.25% en peso, lo que significa que un % menor en peso de plomo contenido a la aleación estrictamente cumple con el requisito para uso en conducción de agua para consumo humano.

En años recientes se han realizado esfuerzos dirigidos a establecer normas para aleaciones de cobre que contienen plomo para limitar drásticamente el nivel permisible de plomo en aleaciones de cobre. Consecuentemente se han desarrollado aleaciones de cobre bajas en plomo de corte expedito, llegando al 0.02% en peso.

En el estado de la técnica se describen diversas aleaciones de cobre bajas en plomo, tal es el caso de la solicitud MX/a/2014/013285, donde se proporcionan aleaciones y métodos para formar aleaciones de cobre, que incluyen latón rojo y latón amarillo, que tienen azufre y antimonio; la aleación es endurecida por precipitación en base a cobre, zinc, níquel y manganeso, que exhibe resistencia y ductilidad con valores similares a los de aceros inoxidables en combinación con propiedades de maquinabilidad; la solicitud MX/a/2012/011929 se refiere a aleaciones que tienen como base el cobre que comprenden adiciones de manganeso y azufre y/o calcio asi como elementos secundarios. Las aleaciones de cobre están exentas de telurio y plomo y se caracterizan por una elevada conductividad eléctrica y utilidad para el mecanizado con arranque de viruta. En la patente MX 291315 B se protege una aleación de cobre de corte expedito conteniendo una cantidad reducida de plomo en comparación con otras aleaciones de cobre de corte expedito convencionales, con capacidad de maquinado industrial. Las aleaciones de corte expedito comprenden 71.5 a 78.5 por ciento en peso de cobre, de 2.0 a 4.5 por ciento en peso de silicio, de 0.005 por ciento en peso hasta pero no menos de 0.02 por ciento en peso de plomo y el por ciento en peso restante de zinc; la patente MX 221266 se refiere a: componentes mecánicos fabricados de aleación a base de cobre y diseñados para ser sometidos, durante su etapa de producción a las operaciones de trabajo llevadas a cabo ya sea por maquinado, moldeado o fundición a presión, en particular los componentes de plomería fabricados de aleaciones de latón, diseñados para usarse en sistemas de distribución de agua potable, teniendo dichos componentes las superficies respectivas definidas por dicha aleación diseñada para ser expuestas, durante el uso. La aleación a base de cobre, contiene una calidad previamente determinada de plomo; la patente MX 204484 proporciona aleaciones de base de cobre sin plomo que tienen propiedades comparables con las aleaciones de base de cobre con plomo a partir de las aleaciones de base de cobre que contienen bismuto.

En las patentes Estadounidenses US 8,506,730, "Aleaciones de cobre / zinc que tiene niveles bajos de plomo y buena maquinabilidad"; 8,349,097, " Aleación de cobre resistente a dezincificación y el método para la producción de productos comprendiendo la misma"; 8,239,034 "Aleación de latón sin plomo" y 8,273,192 "Aleación de latón de corte libre de bismuto sin plomo, libre de fósforo", entre otras publicaciones, las cuales deben ser consideradas como incorporadas a la presente descripción.

En este sentido se ha venido desarrollando un creciente interés público respecto al contenido de plomo en los componentes de plomería relacionados con el agua potable, haciendo deseable reducir aún más el contenido de plomo.

Algunos de los intentos para reducir el plomo en aleaciones de cobre incluyen introducir otros elementos en vez de plomo, dando como resultado problemas de maquinado y acabado en el proceso de fabricación, incluyendo la fundición primaria, maquinado primario, maquinado secundario, pulido, revestimientos y montaje mecánico. Por lo cual existe la necesidad de una solución de fundición de aleación con bajo contenido de plomo que proporcione aleaciones de bajo costo, sin degradación de las propiedades mecánicas o químicas, ni interrupción significativa del proceso de fabricación del material que provoquen problemas de acabado y de corte.

ESPECIFICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es proporcionar un composición de materia que comprende aproximadamente: 62% a 63 % en peso de Cu; 0.18% al 0.24% en peso de Pb; del 0.15% al 0.25% en peso de Sn; del 0.03% al 0.08% en peso de Si; del 0.10% al 0.15% en peso de P; total de otros elementos < 0.30%, en donde el Zn se encuentra presente en un rango aproximadamente entre 36% a 38%. Lo cual permite restringir la cantidad de fase Beta generada y de esta manera los materiales sufran el menor deterioro por perdida de zinc durante su exposición a aguas estancadas, de poco movimiento o aguas ligeramente acidas, éste efecto de descincificacion se observa notoriamente incrementado en aleaciones que contienen mayores cantidades de fase beta o bandas gruesas e interrelacionadas.

BREVE DESCRIPCIÓN DÉ LAS FIGURAS

La Figura 1 representa la colada estacionaria para fundición de la aleación La Figura 2 es un diagrama de fases Cu-Zn.

La Figura 3a es Al-3770 500x, 45% de fase Beta. Bandas muy gruesas La Figura 3b es Al-2802 SOOx, 35% de Fase Bandas delgadas La Figura 4 representa la distribución de plomo en aleación 2802

La Figura 5 es la Relación de carga vs desplazamiento del pistón. Tanto en extrusión directa como indirecta.

La Fig.6 representa el Estirado

La Figura 7 es la descincifícación longitudinal Al-3770, 60% fase beta La Figura 8 representa Metalografías de la muestra A de aleación 2802 La Figura 9 muestra los resultados de descincifícación sobre la muestra "A", Barra estirada.

La Figura 10 representa Metalografías de la muestra B de aleación 2802. La Figura 11 muestra los resultados de descincificación sobre la muestra "B". Barra estirada.

La Figura 12 representa Metalografías de la muestra forjada de aleación 2802- A. La Figura 13 muestra los resultados de descincificación sobre una pieza forjada 2802-A

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Las composiciones químicas desarrolladas comprenden, por ejemplo: 62Cu - 0.18Pb - 0.15Sn - 0.03SÍ - 0.10P, aleación C2802-A, y 63Cu - 0.24Pb - 0.25Sn - 0.08SÍ - 0.1 SP, aleación C2802-B, en donde el zinc está presente en un rango entre de 36% a 38%, lo cual tiene la finalidad de restringir la cantidad de fase Beta generada para tener solo bandas delgadas (Fig.3b) y de esta manera los materiales sufran el menor deterioro por perdida de Zinc durante su exposición a aguas estancadas, de poco movimiento o aguas ligeramente acidas, éste efecto de descincificación se observa notoriamente incrementado en aleaciones que contienen mayores cantidades de fase beta o bandas gruesas e interrelacionadas (Fig. 3a).

La cantidad en peso de plomo utilizada es tan baja que cumple perfectamente con el requisito de la ley California AB 1953 para considerarse como aleación libre de plomo y poder ser utilizada para la fabricación de accesorios para conducción de agua de consumo humano, pero a su vez es significativa dado que incrementa la maquinabilidad de la aleación, lo cual ayudara al rompimiento de virutas y lubricación durante el maquinado. Esta aleación contiene relativamente baja cantidad de fase Beta como para favorecer el maquinado de la misma, pero suficiente como para mantener siempre un aceptable nivel de forjábilidad en caliente.

Tabla a) Composición Química de la muestra C2802-A

0.0536 0.0083 0.00086

0.0021 62.646

Forjábilidad: 70%

Tabla b) Composición Química de la muestra C2802-B

Forjábilidad: 70%

PROCESO DE FABRICACION DE LA ALEACION 2802: 1. FUNDICION

Horno de colada estacionaria enfriado por camisa de agua Durante este desarrollo se contempla que además de satisfacer las necesidades en cantidades de plomo y resistencia a la perdida de zinc, es necesario no contaminar el resto de las aleaciones con elementos ajenos y perjudiciales como Sb, Bi entre otros. Con este principio podemos reciclar y reutilizar las mismas aleaciones binarías Cu-Zn que así lo permitan, más una adición de elementos Cobre-silicio y cobre-fosforo para complementar la composición química.

La fusión de los materiales empleados para la fabricación de la aleación se da en hornos de inducción eléctrica que lleva el caldo hasta una temperatura de 1100°C, para después de un periodo de homogenización llegar a una temperatura de vaciado de 1010°C; el caldo es vaciado en un molde vertical y es enfriado mediante una camisa con circulación de agua.

Para mantener un nivel de maquinado aceptable pero manteniendo un nivel de plomo mínimo fue necesario agregar en pequeños porcentajes elementos que ayudaran al maquinado, siendo estaño y silicio los que mejor comportamiento tuvieron ante la pérdida de Zinc. Maquinábilidad: 65%.

2. PROCESO DE EXTRUSION EN CALIENTE La extrusión es un proceso utilizado para crear objetos con sección transversal definida y fija. El material se empuja o se extrae a través de una hilera (dado de extrusión) con una sección transversal que tiene la geometría del producto deseado, el metal fluye entonces en dirección a la del movimiento del pistón para el caso de la extrusión directa y a través de él para el caso de la extrusión indirecta (Fig.5).

Para el caso de los latones dado las fuertes deformaciones a las que se somete el material y por tanto las cargas excesivas a las que está sometido, el proceso es realizado mediante extrusión en caliente, en este proceso el lingote que es sometido a extrusión es previamente calentado.

Debido al tipo de flujo ocasionado durante este proceso, las bandas de fase beta se verán direccionadas (alargadas) en el sentido longitudinal al flujo del material durante la extrusión (Fig. 3b)

3. ESTIRADO DE BARRA

El último paso del proceso de fabricación es la obtención de las propiedades mecánicas y ajuste de tolerancias del material, el cual se logra mediante deformación en frió, haciendo pasar un material a través de la geometría previamente fabricada en un dado como el mostrado en la (Fig.6). El proceso de estirado es prácticamente igual que el proceso de extrusión, con la diferencia de que en el estirado el material es jalado a través de la herramienta, mientras que en la extrusión el material es empujado. 4. PROPIEDADES MECANICAS Una vez obtenida la aleación y habiendo aplicado todos sus pasos del proceso de fabricación para llegar a una barra sólida, se obtuvo la comparación entre propiedades mecánicas contra la aleación C0360.

Tabla C- Comparación entre 2 probetas aleación 2802

Vs. una probeta de latón 360

5. PRUEBAS DE RESISTENCIA A LA PÉRDIDA DE ZINC

El fenómeno de descincificación es básicamente una pérdida de zinc (Fig.7) sobre los latones en contacto con aguas estancadas, aguas ligeramente acidas o que se mueven a baja velocidad, dejando una masa porosa con una resistencia mecánica muy baja, tal fenómeno se ve acelerado conforme la temperatura se incrementa.

Tal como se aprecia en la imagen (Fig.7) el ataque fue corriendo por las líneas de fase beta, lineas que se interconectan unas con otras haciendo una red completa en la mi croes tructura del material favoreciendo la perdida de Zinc. 5. ESTANDARES DE REFERENCIA PARA VALIDAR LA RESISTENCIA A LA DESCINCIFICACION El total de las pruebas fueron realizadas bajo los requisitos de la norma ISO-

6509-1 y satisfacen los criterios de la norma ISO6509-II para clasificarse como aleación resistente a la descincificacion.

La aleación 2802 reduce la afectación por este fenómeno. Los resultados obtenidos podemos observarlos en las figuras 8 a 12.