MARINO

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se dirige a aleaciones de Cu-Zn utilizada para la fabricación de alambre con propiedades de resistencia a la corrosión en ambientes acuosos y muy especialmente en los marinos que son ambientes más agresivos, dicho alambre es utilizado entre otras cosas en la fabricación de Jaulas para acuacultura.

ANTECEDENTES

La acuacultura es un tema que ha atraído la atención, por el significado que puede tener para compensar el estancamiento en las capturas mundiales y aumentar el suministro de proteína animal, porque se vonsidera una actividad que puede potenciar el desarrollo de comunidades de pescadores, y más recientemente por las importantes inversiones que está atrayendo o por los efectos negativos que puede tener y causar sobre los ecosistemas marinos.

Poco más de la mitad de producción de acuacultura corresponde a sistemas de agua dulce y el resto a aguas marinas. En general incluye peces, crustáceos, moluscos y plantas, algas y otras especies vegetales marinas. Para algunas especies, tanto de peces como crustáceos o mariscos, la acuacultura ha adquirido importancia decisiva. Por ejemplo, a comienzos de la década de los noventa cerca de 25% de la producción mundial de salmón provenía de la acuacultura y la tendencia es a una creciente contribución. Cerca de la mitad de la producción mundial de camarones son de acuacultura, mientras que la producción mundial de mejillones y almejas ha aumentado en 60% y la de veneras en más de 300% gracias al desarrollo de acuacultura. Así, la producción china de camarones y mejillones de acuacultura representa 27% y 38% respectivamente, de la producción global de estos productos. Sin embargo, en estas evaluaciones se han dejado de lado efectos ambientales tales como contaminación y destrucción de hábitats marinos (principalmente manglares) de creciente gravedad, no sólo desde el punto de vista puramente ecológico sino también económico, al poner en peligro la sustentabilidad de la actividad económica a mediano y largo plazos. La contaminación y la sobrepoblación de las pisciculturas de agua dulce han tenido efectos negativos serios en Asia y América

Latina. La contaminación se origina por una descarga excesiva de nutrientes y materia orgánica que se traduce en sobreenriquecimiento de nutrientes de los estanques. Se ha constatado, además, contaminación microbial, acumulación de productos químico-tóxicos y sedimentación excesiva.

En los últimos 15 años, aproximadamente, el cultivo en jaulas en aguas continentales se ha extendido a más de 35 países de Europa, Asia, Africa y América, desde 1978 se crian experimentalmente en jaulas más de 70 especies de peces de agua dulce. Con excepción de pocas zonas, la madera y el bambú han sido sustituidos por materiales nuevos, como mallas de nylon, plástico, polietileno y acero, que aunque resultan mucho más costosos tienen mayor duración y permiten un mejor flujo del agua.

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 ser emepleados en acuacultura, en donde se busca la reducción de costos, debido principalmente al uso de jaulas de acero, en los materiales utilizados para este fin, además de que no supongan una fuente de contaminación debido a las sustancias que puedan transmitir al disolverse en el agua y que pudiera causar daños al medio ambiente y a las personas. La substitución de las jaulas de acero por otras consyruidas con materiales más baratos y con propiedades superiores, como es el caso de las aleaciones Cu-Zn bajas en plomo con propiedades mejoradas.

El plomo es uno de los principales elementos contenidos en los latones 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 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, llegando nivelees del 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 patente MX331987 se ampara una chapa de aleación de cobre que contiene 28.0% a 35.0% de Zn, de 0.15% a 0.75% de Sn, de 0.005% a 0.05% de P, y un Cu e Impurezas, en la cual las relaciones de

44=[Zn]+20x[Sn]=37 y 32=[Zn]+9x([Sn]~0.25)1/2=37 son satisfechas. La chapa de aleación de cobre es fabricada por un proceso que incluye laminación en frío, con un tamaño de grano promedio del material de aleación de cobre de 2.0 mm a 7.0 mm, y la suma de la relación de área de fase b del 0% al 0.9%.

La patente MX330361 proporciona una lámina de aleación de cobre que contiene de 4.5% a 12.0% de Zn, 0.40% a 0.90% de Sn, 0.01% a 0.08% de P, así como 0.005% a 0.08% de Co y/o 0.03% a 0.85% de NI, el resto es Cu e impurezas. La lámina de aleación de cobre se produce por laminación en frió final en el cual un material de aleación de cobre se lamina en frío, con un tamaño de grano promedio de 2.0 mm a 8.0 mm, con precipitados circulares o elípticos y el tamaño de partícula promedio de los precipitados es de 4.0 nm a 25.0 nm, o un porcentaje de precipitados con un tamaño de partícula de 4.0 nm a 25.0 nm constituye 70% o más de los precipitados. Un conductor de cable eléctrico para cableado elaborado de un material de aleación de cobre se describe en MX280502. El material de aleación de cobre está compuesto de 1.0 a 4.5% de Ni, 0.2 a 1.1% de Si, del 0.1 al 1.5% de Zn y el resto de Cu e impurezas.

En la patente MX 281135 se proporciona una aleación maestra utilizada en una fundición de una aleación de cobre modificada, cuyos granos pueden ser refinados durante fusión-solidificación y también un método de fundición de una aleación de cobre modificada utilizando la misma, dicha aleación maestra contiene del 40 a 80% de Cu: de 0.5 a 35% de Zr y el resto de Zn; y Cu del 40 a

80%; Zr del 0.5 a 35%; de P del 0.1 a 3% y el resto de Zn.

Una fundición de aleación basada en cobre que incluye 69 a 88% de Cu, 2 a 5% de Si, 0.0005 a 0.04% de Zr, 0.01 a 0.25% de P y el resto incluye Zn e impurezas, esta amparada en la patente MX280469. Además, la aleación puede incluir por lo menos un elemento que se selecciona del grupo que consiste de 0.001 a 0.2% de Mg, 0.003 a 0.1% de B, 0.0002 a 0.01% de C, 0.001 a 0.2% de Ti y 0.01 a 0.3% de elementos de tierras raras.

Por su parte la solicitud en trámite MX/a/2017/002396 divulga un material de aleación de cobre bañado en estaño para una terminal en el cual la capa superficial a base de Sn es formada sobre la superficie del material base que está hecho de cobre o de una aleación de cobre. Finalmente la solicitud MX/a/2016/001257 se refiere a una aleación de cobre para equipo electrónico y eléctrico que tiene características mecánicas mejoradas y la capacidad para suprimir la aparición de defectos, Incluso cuando se procesa a un espesor de placa delgado o un diámetro de alambre fino. Para que se den las carácterisiticas anteriores se requiere que la aleación incluya Mg de 1.3% a 2.8% con el resto siendo sustancialmente Cu e Impurezas.

En este sentido se ha venido desarrollando un creciente interés respecto a proporcionar materiales con bajo contenido de plomo en los componentes relacionados con el agua, haciendo deseable reducir aún más el contenido de plomo, así como incrementar la resistencia a la corrosión en medio acuoso, de tal manera que se puede utilizar en la obtención de alambre para la fabricación de jaulas útiles en la acuacultura.

Algunos de los intentos para reducir el plomo en aleaciones de cobre útiles en la fabricación del alambre con el que se construyen las jaulas para acuacultura, que cincluyen 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 provequen problemas de acabado y de corte. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es proporcionar una aleación de cu- zn con bajo contenido de plomo útil en la fabricación de alambre para la construcción de jaulas para acuacultura con bajos Indicies de corrosión y que proporcione propiedades mejoradas al alambre.

La composición de materia de la presente Invención 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%. Esta composición de materia permite restringir la cantidad de fase Beta generada y de esta manera evitar que los materiales sufran el menor deterioro por perdida de cinc durante su exposición a aguas estancadas, de poco movimiento o aguas marinas, éste efecto de descincificacion se observa notoriamente incrementado en aleaciones que contienen mayores cantidades de fase beta o bandas gruesas e interrelacionadas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1 es una micrografia del alambre de 4 mm, con ataque: a) Corte longitudinal y b) corte transversal, 100x. Figura 2 micrografía del alambre de 4 mm, con ataque, a) Corte longitudinal y b) corte transversal, 500x

Figura 3 micrografía MEB, terminación superficial, 500x.

Figura 4 micrografía MEB, terminación superficial, 500x.

Figura 5 micrografía corte longitudinal y transversal, medición capa dezlnclflcada,

50x

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Preferentemente la aleación de la presente invención comprende aproximadamente entre 64% al 66.15% de Cu; entre 32% a 34.5% de Cinc, con un contenido de impurezas de 0.5% al 2% principalmente Pb, Sn, Ni, Sb; Fe. Con esta composición se cumple perfectamente con los requerimientos mínimos necesarios para considerarse como aleación que sufre una baja corrosión y estar libre de plomo para ser utilizada para la fabricación de alambres de las jaulas marinas de acuacultura, 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 del alambre hasta lograr el espesor requerido normalmente de 4 mm. 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 forjabilidad en callente.

Una aleación conteniendo de 65.5% de Cu, 32,63% de Zn, 0,534% de Sn,

0,251 % de Sb y 1 ,20% de Ni, por lo cual su Zinceq resulta en 33,87, se preparo según el procedimiento que se describe a continuación y a continuación se utilizo para la elaboración de una alambre con un diámetro de 4mm, el cual es normalmente utilizado para la construcción de jaulas en acuacultura.

En el ensayo realizado en Espectrómetro de emisión óptica para determinar la composición del alambre de 4 mm fabricado, se prepara una superficie plana mediante corte y mecanizado, y se analizaron tres puntos para promediar tres análisis. En la tabla 1 se entrega el promedio del análisis químico.

Tabla 1. Análisis químico, promedio de tres análisis, % peso

Horno de colada estacionaria enfriado por camisa de agua.

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 esnecesarío agregar en pequeños porcentajes elementos que ayudaran al maquinado, siendo estaño y silicio los que mejor comportamiento tuvieron ante la pérdida de cinc. Lográndose una Maquinabilidad del 65%. PROCESO DE EXTRUSION EN CALIENTE (Formación del alambre de 4 mm)

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 en sentido opuesto para el caso de la extrusión Indirecta .

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. 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 frío, haciendo pasar un material a través de la geometría previamente fabricada en un dado. 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. ESTUDIO METALOGRAFICO DEL ALAMBRE DE 4 mm.

Las muestras son cortadas longitudinal y transversalmente para luego ser pulidas y atacadas y finalmente realizar observación en microscopio de luz y llevar a cabo caracterización microestructura. Las figuras 1 y 2 muestran la microestructura constituyente de la aleación de alambre, la cual está formada por fase alfa. Se observan granos de fase alfa recristalizados (maclados) y bandas de deformación por trabajo en frío. En la tabla 2 se aprecia el tamaño de grano promedio de fase alfa. Tabla 2. Medición de tamaño de grano, micrones

En la tabla 3 se muestra los resultados de las pruebas de tracción del alambre de

4mm.

Tabla 3. Resumen de Propiedades Mecánicas

La tabla 4 muestra la medición de microdureza VICKERS transversal y longitudinal del alambre de 4 mm

EQUIPO: Micro durómetro Buehler

ESCALA: Vickers, 300g

NORMA: ASTM E-384 Tabla 4. Microdureza Vickers, sección longitudinal.

Tabla 5. Micro dureza Vickers, sección tranversal

Indentación Valor HV.

1 (centro) 137.4

2 123.2

3 136.1

4 145.9

5 159.0

6(orilla) 146.1

Promedio 141.3

La tabla 6 muestra la medición de dureza ROCKWELL transversal y longitudinal del alambre de 4mm.

Tabla 6. Ensayo de dureza superficial, Rockwell B

Sentido de medición Valor HRB:

Longitudinal 74

Longitudinal 77

Transversal 66

Transversal 72

Promedio 72

Desde el punto de vista microestructura el alambre elaborado a partir de la aleación objeto de la presente invención posee un grano fino y homogéneo con tamaño de grano promedio de 33 μm, ver figuras 1-2 y tabla 2. En las figuras

1 y 2 se aprecia fase alfa maclada.

Las propiedades de resistencia a la tracción del alambre de 4 mm son 583,5 MPa y 31% de alargamiento, ver tabla 3.

La dureza resulta en valor promedio 72 HRB, ver tabla 6. La Micro dureza resulta en 141 ,3 HV en el corte transversal y 138 HV en corte longitudinal y en promedio 140 HV. 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. En la figura 7 se aprecia la capa dezinclflcada realizada según norma ISO 6509 modificada, en la cual se aprecia una capa de dezincificación de 375 mm. Se aprecian variables correctas de fabricación. Por lo tanto el alambre fabricado a partir de la aleación objeto de la presente invención presenta un comportamiento adecuado en uso para la elaboración de jaulas para acuacultura.