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Alliages
La présente invention concerne des alliages de moulage et en particulier, mais non exclusivement, des alliages à utiliser pour la fabrication de composants convenant pour des systèmes de distribution d'eau pour la consommation humaine (dite ci-après eau "potable").
Jusqu'à présent, il a été habituel de fabriquer ces composants, par exemple les robinets, soupapes, compteurs et raccords, au moyen d'alliages de moulage ä base de cuivre tels que les bronzes industriels. Du fait qu'il est nécessaire d'usiner l'alliage moulé pour former le produit final, il faut utiliser un alliage ayant une bonne usinabilité. Traditionnellement, les bronzes industriels et autres alliages de moulage ä base cuivre sont rendus faciles ä usiner par addition de diverses quantités de plomb, typiquement d'environ 1 ä 9% et habituellement d'environ 5% en poids. Toutefois, au cours des quelques dernières années, l'effet cumulatif nuisible du plomb dans l'eau de boisson a suscité une préoccupation générale.
Certaines eaux dissolvant le plomb extraient aisément le plomb hors de ces alliages. Un risque supplémentaire résulte du fait que l'atmosphère des fonderies où ces alliages sont élaborés et travaillés contient invitablement du plomb. De plus, les déchets de fonderie, comme le sable usé, contiennent du plomb et provoquent des difficultés d'evacuation.
Des efforts ont donc été consacres au cours des dernières années à la mise au point de composants en alliage sensiblement exempt de plomb ä utiliser avec l'eau potable et dans d'autres applications, mais jusqu'à present aucun alliage de remplacement satisfaisant sous les aspects industriels et techniques n'a été découvert ä la connaissance de la Demanderesse.
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Sous ce rapport et en particulier dans le domaine des composants pour les systèmes de distribution d'eau potable, tout alliage de remplacement de ce genre devrait de préférence être comparable en prix aux alliages traditionnels contenant du plomb et doit évidemment avoir des propriétés acceptables de mise en oeuvre, de tenue mécanique et de résistance ä la corrosion. En particulier, il doit se prêter ä la coulée de pièces moulées saines et étanches ä la pression qui sont aisées ä usiner en composants finis ayant, entre autres, des propriétés acceptables de résistance mécanique et d'étanchéité aux fuites.
De plus, dans les cas où l'alliage contient du zinc, il doit être capable d'etre rendu résistant ä la dézincification ou doit être par nature résistant ä la dézincification.
La Demanderesse a découvert ä présent avec surprise qu'un alliage de moulage sensiblement exempt de plomb, facile ä usiner et résistant ä la dézincification, qui se prête, par exemple, à la fabrication de composants à utiliser dans la distribution de l'eau potable et auquel aucun inconvenient de pollution notable connu n'est associé peut être produit en incor-
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porant du bismuth ä certains alliages de cuivre au lieu de la totalité ou d'une large proportion du plomb.
Suivant un aspect, la présente invention a donc pour objet un alliage contenant 1, 5 ä 7% en poids de bismuth, 5 ä 15% en poids de zinc, 1 ä 12% en poids d'étain, le reste étant du cuivre, sauf les impuretés éventuelles et les quantites mineures éventuelles d'éléments d'addition.
La teneur en bismuth est de préférence de 1, 5 ä 5% en poids, plus utilement de 2 à 5% en poids et avantageusement de 2 à 3% en poids, la teneur en zinc est de préférence de 5 à 12% en poids, plus uti-
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lement de 5 à 10% en poids et avantageusement de 6 ä 8% en poids et la teneur en étain est de préférence de 2, 5 ä 5% en poids. Un alliage particulièrement préféré conforme ä l'invention comprend 2 ä 3% en poids de bismuth, 5 ä 8% en poids de zinc et 2, 5 ä 5% en poids d'étain et spécialement 2 ä 2, 2% en poids
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de bismuth, 7, 1 à 7, 8% en poids de zinc et 3, 3 ä 3, 6% en poids d'étain.
L'alliage peut contenir de faibles quantités d'impuretés et/ou elements d'addition, spécialement de ceux communément contenus dans les alliages de moulage à base de cuivre, à la condition que leur présence n'ait pas d'effet défavorable sensible sur les propriétés requises de l'alliage et que lorsque l'alliage est utilisé dans des composants pour l'eau potable, ils ne soient pas extraits en quantité sensible de l'alliage par l'eau potable s'ils sont toxiques. Sous ce rapport, le bismuth est, croit-on, essentiellement non toxique dans la mesure où il pourrait etre dissous hors des alliages de l'invention par l'eau potable.
La quantité totale d'impuretés n'excède de préférence pas environ 1% en poids et, en règle générale, les additions délibérées éventuelles n'excèdent pas environ 3% et de préférence 2% en poids. Des exemples d'impuretés et/ou additions tolérées et de leurs maxima préféréssontdonnésci-après.
Nickel-0 ä 2% en poids inclusivement Plomb-0 ä 0, 4% en poids inclusivement Fer/antimoine/arsenic-0 ä 0, 75% en poids inclusivement au total
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Aluminium - 0 à 0, 01% en poids inclusivement Silicium - 0 à 0, 02% en poids inclusivement Soufre-0 àO, 01% en poids inclusivement Manganèse - 0 à 0, 5% en poids inclusivement
Parmi les éléments ci-dessus, le nickel et/ou
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le fer et/ou le manganèse, par exemple, peuvent etre ajoutés délibérément pour modifier quelque peu les propriétés des alliages, mais en variante, ils peuvent etre présents à l'état d'impuretés.
11 convient d'observer que les alliages peuvent contenir de faibles quantités de plomb (d'ha- bitude, mais non nécessairement comme impureté accidentelle), mais que ces quantités seront ainsi beaucoup plus faibles que les quantités qui en ont été ajoutées jusqu'à présent aux alliages de cuivre afin d'améliorer leur usinabilité.
Suivant un autre aspect, la présente invention a pour objet un composant à utiliser dans des installations d'eau potable, par exemple un robinet, une soupape, un compteur ou un raccord de canalisation, comprenant un alliage de l'invention.
A titre principal, le corps meme d'un tel robinet ou autre accessoire sera fait de l'alliage, mais la Demanderesse désigne par le terme "composant" toute pièce métallique et spécialement les pièces exposées en service à l'eau potable, par exemple les organes métalliques internes des robinets, soupapes, compteurs ä eau etc.
Les alliages conformes ä la présente invention peuvent être élaborés et mis en oeuvre de façon classique. En particulier, ils. peuvent être coulés
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et sont usinés aisément.
De plus, ils ont en general des propriétés qui les rendent spécialement propres à la fabrication de composants ä utiliser au contact de l'eau potable, comme des robinets arrêt, robinets de débit, compteurs à eau, robinets-vannes, soupapes de retenue et raccords de tuyaux du type ä soudure capillaire ou mécanique (par exemple à compression, à bride ou à filetage).
Les. propriétés les plus importantes
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de ces composants sont les suivantes :
Etanchéité à la pression (indication, entre autres, d'une faible porosité)
Propriétés de traction
Propriétés de fatigue
Propriétés de tenue au choc
Résistance ä la corrosion (y compris la résistance ä la dézincification)
Propriétés de vieillissement
Soudabilité (spécialement dans le cas des raccords du type ä soudure capillaire).
En fait, les propriétés ci-dessus des alliages de l'invention sont sensiblement égales aux propriétés correspondantes des bronzes industriels au plomb d'usage courant ayant les compositions nominales étain 3% en poids, plomb 5% en poids, zinc 8% en poids et cuivre pour le reste (dit ci-après "LGI" de la norme BS1400 (1985) tableau 5) et étain 5% en poids, plomb 5% en poids, zinc 5% en poids et cuivre pour le reste (dit ci-après"LG2"dela norme BS1400 (1985) tableau 5), respectivement.
Sous le rapport de la résistance à la corrosion, en particulier, les alliages de l'invention se sont révélés par nature résistants ä la dézincification.
Les exemples suivants illustrent l'invention.
EXEMPLES 1 ä 5
On a élaboré une série d'alliages ayant les compositions nominales indiquées au tableau I ci-après en fondant ensemble les constituants indiqués. on a ajouté le zinc sous la forme de laiton pour éviter que le zinc s'échappe en phase vapeur.
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TABLEAU 1
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<tb>
<tb> Exem- <SEP> zn, <SEP> % <SEP> en <SEP> Sn, <SEP> % <SEP> en <SEP> Bi, <SEP> % <SEP> en <SEP> Reste
<tb> plen* <SEP> poids <SEP> poids <SEP> poids
<tb> 1 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 4 <SEP> 3)
<tb> )
<tb> 2 <SEP> 10,0 <SEP> 4 <SEP> 3 <SEP> )
<tb> Cu, <SEP> outre
<tb> 3 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> ) <SEP> les <SEP> impuretés
<tb> accidentelles
<tb> 4 <SEP> 10, <SEP> 0 <SEP> 4 <SEP> 2)
<tb> )
<tb> 5 <SEP> 7,5 <SEP> 3,5 <SEP> 2,1 <SEP> )
<tb>
On a coulé ensuite les alliages en un certain nombre d'éprouvettes aux fins de déterminer la porosité en % en volume et les propriétés de traction et de tenue au choc.
Les tableaux 11, 111, IV et V ci-après contiennent les valeurs moyennes des résultats obtenus, conjointement avec les données comparables pour les alliages LGl et/ou LG2.
On effectue les mesures de porosité au moyen d'un analyseur d'image Quantimet sur des éprouvettes polies et non décapées.
On exécute les essais de traction sur des éprouvettes de deux dimensions, ä savoir des barreaux ayant des diamètres de 6, 04 mm et 7, 98 mm respectivement, et à diverses températures.
On exécute les essais au choc ä différentes températures au moyen d'une machine Izod sur des éprouvettes usinées et entaillées.
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TABLEAU II Essais de porosité
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<tb>
<tb> Exemple <SEP> n <SEP> Porosité <SEP> (volume, <SEP> %)
<tb> 1 <SEP> 0, <SEP> 2
<tb> 2 <SEP> 3, <SEP> 4
<tb> 3 <SEP> 0, <SEP> 25
<tb> 4 <SEP> 5,1
<tb> 5 <SEP> 1,2
<tb> LGl <SEP> 1, <SEP> 6
<tb> LG2 <SEP> 1, <SEP> 1
<tb>
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TABLEAU III
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Essais de traction sur éprouvettes du plus faible P P diametre
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<tb>
<tb> Exemple <SEP> n <SEP> Température, <SEP> Allongement <SEP> à <SEP> RRT* <SEP> N/mm2
<tb> oc <SEP> la <SEP> rupture,
<SEP> % <SEP> RRT* <SEP> N/mm
<tb> 1 <SEP> 20 <SEP> 23 <SEP> 231
<tb> 100 <SEP> 23 <SEP> 211
<tb> 150 <SEP> 14 <SEP> 188
<tb> 2 <SEP> 20 <SEP> 13 <SEP> 145
<tb> 100 <SEP> 13 <SEP> 137
<tb> 150 <SEP> 9 <SEP> 114
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> 25 <SEP> 232
<tb> 100 <SEP> 23 <SEP> 214
<tb> 150 <SEP> 24 <SEP> 213
<tb> 4 <SEP> 20 <SEP> 23 <SEP> 220
<tb> 100 <SEP> 16 <SEP> 168
<tb> 150 <SEP> 11 <SEP> 151
<tb> 5 <SEP> NON <SEP> E <SEP> X <SEP> E <SEP> C <SEP> U <SEP> T <SEP> E
<tb> LGl <SEP> 20 <SEP> 13 <SEP> 201
<tb> 100 <SEP> 13 <SEP> 194
<tb> 150 <SEP> 5 <SEP> 131
<tb> LG2 <SEP> 20 <SEP> 8 <SEP> 186
<tb> 100 <SEP> 11 <SEP> 175
<tb> 150
<tb>
* RRT = résistance ä la rupture en traction.
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TABLEAU IV Essais de traction sur éprouvettes du plus fort diamètre
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<tb>
<tb> Exemple <SEP> n <SEP> Température, <SEP> Allongement <SEP> à
<tb> C <SEP> la <SEP> rupture, <SEP> % <SEP> RRT <SEP> N/mm
<tb> 1 <SEP> 20 <SEP> 15 <SEP> 202
<tb> 100 <SEP> 14 <SEP> 180
<tb> 150 <SEP> 21 <SEP> 205
<tb> 2 <SEP> 20 <SEP> 7 <SEP> 130
<tb> 100 <SEP> 9 <SEP> 124
<tb> 150 <SEP> 9 <SEP> 124
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> 7 <SEP> 119
<tb> 100 <SEP> 10 <SEP> 140
<tb> 150 <SEP> 9 <SEP> 130
<tb> 4 <SEP> 20 <SEP> 11 <SEP> 141
<tb> 100 <SEP> 9 <SEP> 134
<tb> 150 <SEP> 10 <SEP> 132
<tb> 5 <SEP> 20 <SEP> 5 <SEP> 132
<tb> 100 <SEP> 3 <SEP> 96
<tb> 150 <SEP> 2 <SEP> 67
<tb> LG1 <SEP> 20 <SEP> 8 <SEP> 163
<tb> 100 <SEP> 8 <SEP> 155
<tb> 150 <SEP> 8 <SEP> 162
<tb> LG2 <SEP> 20
<tb> 100 <SEP> NON <SEP> E <SEP> X <SEP> E <SEP> C <SEP> U <SEP> T <SEP> E
<tb> 150
<tb>
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TABLEAU V Essais au choc
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<tb>
<tb> Exemple <SEP> n* <SEP> Température, <SEP> Energie <SEP> du <SEP> choc,
<tb> oc <SEP> Joules
<tb> 1 <SEP> 20 <SEP> 26
<tb> 100 <SEP> 25
<tb> 150 <SEP> 27
<tb> 2 <SEP> 20 <SEP> 23
<tb> 100 <SEP> 25
<tb> 150 <SEP> 26
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> 23
<tb> 100 <SEP> 25
<tb> 150 <SEP> 31
<tb> 4 <SEP> 20 <SEP> 26
<tb> 100 <SEP> 21
<tb> 150 <SEP> 29
<tb> 5 <SEP> 20 <SEP> 23
<tb> 100 <SEP> 21
<tb> 150 <SEP> 18
<tb> LG1 <SEP> 20 <SEP> 19
<tb> 100 <SEP> 21
<tb> 150 <SEP> 24
<tb> LG2 <SEP> 100 <SEP> N <SEP> O <SEP> N <SEP> E <SEP> X <SEP> E <SEP> C <SEP> U <SEP> T <SEP> E
<tb>
En raison des difficultés connues de l'essai mécanique de petites sections coulées et de la grande dispersion généralement acceptée des résultats de ces essais,
les résultats ci-dessus indiquent que chacun des alliages des exemples 1 ä 5 subit favorablement la comparaison avec les bronzes au plomb connus LG1 et, lorsque la détermination a été faite, LG2,
En outre, l'usinabilité de chacun de ces alliages est comparable ä celle de LGl et de LG2, chacun atteignant la cote "excellent" conformément ä la norme BS 1400 (1985).
En outre, leur soudabilité avec des brasures
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tendres étain/plomb ou etain/cuivre ou avec des brasures fortes étain/argent, c'est-à-dire celles d'usage courant en plomberie, est fort acceptable et à nouveau comparable à la soudabilité de LG1 et LG2.
Enfin, chacun s'est révélé par nature résistant ä la dézincification telle qu'elle est définie dans la norme BS 2872.
De surcroit, on a soumis chacun des alliages des exemples 1 ä 4 et LG2 aux mêmes essais de traction à des températures élevées entre 150 C et 350oC. Les résultats sont donnés au tableau VI.
TABLEAU VI
Essais de traction ä température élevée
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<tb>
<tb> Exemple <SEP> n <SEP> Température <SEP> A110ngement <SEP> à <SEP> RRT <SEP> 2
<tb> - <SEP> C <SEP> la <SEP> rupture, <SEP> % <SEP> Nimm
<tb> 1 <SEP> 250 <SEP> 16 <SEP> 177
<tb> 300 <SEP> 4 <SEP> 121
<tb> 340 <SEP> 2 <SEP> 100
<tb> 2 <SEP> 250 <SEP> 2 <SEP> 85
<tb> 300 <SEP> 4 <SEP> 79
<tb> 3 <SEP> 200 <SEP> 5 <SEP> 140
<tb> 250 <SEP> 2 <SEP> 107
<tb> 300 <SEP> 2 <SEP> 86
<tb> 4 <SEP> 250 <SEP> 9 <SEP> 153
<tb> 300 <SEP> 2 <SEP> 92
<tb> LG2 <SEP> 250 <SEP> 4 <SEP> 156
<tb> 300 <SEP> 6 <SEP> 155
<tb>
Ces résultats montrent que les alliages de l'invention ont, aux températures élevées, des propriétés de traction subissant bien la comparaison avec cellesdeLG2. Dans le domaine de l'eau potable,
les propriétés de traction aux températures élevées son. t evidemment san$ interet pour les composants en
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service parce que la température maximale qu'il est probable d'atteindre en pratique est voisine de 20oc, bien que ces composants puissent également être utilisés pour des distributions d'eau chaude, mais meme dans ce cas, il est improbable que la température maximale de service excède environ 70*C.
Toutefois, les propriétés de traction aux températures élevées de certains alliages de l'invention indiquent une tendance ä être cassants à chaud, c'est-à-dire une tendance ä devenir moins ductiles aux températures superieures ä l'intervalle de service normal. Ceci est important pour le travail et en particulier signifie que dans certains cas, il est souhaitable de laisser les alliages refroidir ä une. allure relativement lente pour éviter la formation de défauts dans les pièces couplées.
EXEMPLE 6
On a fondu un alliage ayant la composition suivante (précise ä 1% des quantités indiquées) :
Cuivre 86, 00% en poids
Zinc 7, 70% en poids
Etain 3, 35% en poids
Bismuth 2, 08% en poids
Plomb (comme impureté) 0, 35% en poids
Autres impuretés 0, 52% en poids
TOTAL 100, 00% en une charge d'un poids d'environ 165, 5 kg qu'on a coulee en carapace avant un usinage en 1358 raccords coudés avec plaque d'appui de 15 mm x 1/2 pouce BSP (raccord "No 15" de IMI Yorkshire Fittings Ltd). Un tel raccord comprend une partie femelle taraudée de 1/2 pouce BSP, une douille capillaire de 15 mm et une plaque d'appui venue de coulée pour le montage du raccord sur, par exemple, un mur.
On a monté de la facon courante différents des raccords pour les besoins de
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l'essai et les corps de raccord, les joints taraudés et les joints ä soudure capillaire ont tous été étain-
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ches aux fuites sous une pression d'épreuve ä l'eau de 5 bars. De plus, chaque raccord (et en particulier la jonction entre le corps principal et la plaque d'appui) avaient une résistance mécanique hautement acceptable.
On a coulé une autre charge de 24, 5 kg de l'alliage ci-dessus en carapace avant un usinage en 35 raccords coudés mâles de 54 mm x 2 pouces BSP (raccords "No 13" de IMI Yorkshire Fittings Ltd). Un tel raccord comprend une douille capillaire de 54 mm et une partie mâle filetée de 2 pouces BSP. On a monté les raccords de la façon courante pour les besoins de l'essai et les corps et joints se sont révélés étanches aux fuites sous une pression d'épreuve ä l'eau de 5 bars.
EXEMPLE 7
On a coulé un alliage ayant la composition suivante (précise ä 1% des quantités indiquées) :
Cuivre 86, 00% en poids
Zinc 7, 25% en poids
Etain 3, 55% en poids
Bismuth 2, 15% en poids
Plomb (comme impureté) 0, 34% en poids
Autres impuretés 0, 71% en poids
TOTAL 100, 00% en charges d'un poids semblable à celles de l'alliage de l'exemple 6 et on a coulé les mêmes raccords en carapace avant de les usiner. On a obtenu de même de bons résultats d'étanchéité aux fuites (sous une pression d'eau de 5 bars) et de résistance mécanique.
De préférence, les alliages de moulage de l'invention ont une teneur en cuivre + zinc + étain d'au moins 90% en poids et plus avantageusement d'au
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moins 95% en poids, c'est-à-dire une teneur minimale en cuivre de préférence de 63% en poids et plus avantageusement de 68% en poids. Avantageusement, la teneur en cuivre + zinc + étain est d'environ 95, 7 à 97, 5% en poids, dans laquelle la teneur en cuivre se situe avantageusement entre 80 et 90% en poids.
Les alliages de moulage entrant dans le cadre de l'invention, sensiblement ä l'exclusion des alliages contenant principalement du cuivre, du zinc, de l'étain et du bismuth en dehors de ce cadre, ont tous des propiétés qui les rendent propres à la fabrication par coulée (spécialement en moule de sable ou moule-carapace) et, si la chose est souhaitée, par usinage ultérieur, en particulier, de composants ä utiliser dans les installations d'eau potable. Sensiblement tout écart par rapport aux intervalles de constitution les plus larges spécifiés se manifeste par une détérioration marquée d'une ou plusieurs des propriétés mentionnées ci-dessus.
Ainsi, avec une teneur en bismuth inforieure à 1, 5% en poids, la formation du copeau pendant l'usinage mène ä de longs rubans qui sont difficiles ä ôter. des outils d'usinage automatique (en d'autres termes, les alliages à moins de 1, 5% du poids de bismuth n'arrivent pas à la cote "Excellent" teIle qu'elle est définie dans la norme BS 1400). Avec une teneur en bismuth supérieure ä 7% en poids, le caractère cassant ä chaud pendant la coulée devient un inconvénient et la consommation d'énergie pendant l'usinage augmente, ce qui indique une sollicitation et une usure plus éle- vees des outils, c'est-ä-dire qu'ä nouveau on s'écarte de la cote d'usinage "Excellent".
Une teneur minimale de 5% en poids de zinc est nécessaire pour limiter les effets du bismuth sur les joints de grains, lesquels effets nuisent significativement aux propriétés mécaniques résultantes des
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pièces coulées. La présence de plus de 15% en poids de zinc donne lieu ä des porosités inacceptables et ä une augmentation marquée de la sensibilité à la dézincification.
Une teneur minimale de 1% en poids d'étain est requise pour conférer un degré acceptable de résistance ä la corrosion, spécialement dans le domaine de l'eau potable, et pour donner ä l'alliage une fluidité suffisante pendant les operations de coulée. Toutefois,
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au delà de 12% en poids d'étain, des phases intermé- talliques qui ont des effets nuisibles sur les propriétés mécaniques de l'alliage ont tendance ä se former.