EP1489194B1 - Procédé de fabrication de demi-produits en alliages CuZnPbSn destinés au matriçage à chaud - Google Patents

Procédé de fabrication de demi-produits en alliages CuZnPbSn destinés au matriçage à chaud Download PDF

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EP1489194B1
EP1489194B1 EP04356098A EP04356098A EP1489194B1 EP 1489194 B1 EP1489194 B1 EP 1489194B1 EP 04356098 A EP04356098 A EP 04356098A EP 04356098 A EP04356098 A EP 04356098A EP 1489194 B1 EP1489194 B1 EP 1489194B1
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EP
European Patent Office
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alloy
process according
finished product
cuznpbsn
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Expired - Lifetime
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EP04356098A
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German (de)
English (en)
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EP1489194A1 (fr
Inventor
Abbas Borhan Tavakoli
Jean-Marie Welter
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Trefimetaux SAS
Original Assignee
Trefimetaux SAS
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to the field of hot-stamping copper base alloys, intended for the manufacture of parts used essentially in drinking water distribution pipes (valves, valves, fittings).
  • EP 0947592 A1 discloses a family of brass tin alloys and its method of manufacture which comprises a spinning step at temperatures between 480 and 650 ° C.
  • An object of the invention is formed by the method of manufacturing a semi-finished product according to claim 1, which process typically comprises a spinning step, said spinning step not being followed by a heat treatment step.
  • the method according to the invention is therefore particularly economical.
  • FIG. 1 is a diagram which gives the evolution of the weight percentages of the ⁇ , ⁇ 'and ⁇ phases as a function of the weight concentration of tin, the CuZnPbSn alloys according to the invention being those for which Sn is between 1.3 and 1.7% by weight.
  • FIG. 2 is a diagram giving the tin weight concentration of the ⁇ , ⁇ 'and ⁇ phases of CuZnPbSn alloys according to the invention, concentration obtained on a micrographic section of a half-product obtained according to alloy No. 2 by analysis. punctual with a scanning microscope.
  • On the ordinate is the weight content of Sn
  • On the abscissa is the distance in ⁇ m between the different analysis points, distance taken along a straight line from an origin point taken in a phase ⁇ , which line successively cuts from left to right, phases ⁇ / ⁇ '/ ⁇ / / / / ⁇ .
  • This diagram shows a pumping phenomenon of tin phases ⁇ , ⁇ 'by the ⁇ phase.
  • FIG. 3 is a photograph intended to highlight the hot malleability of the alloys according to the invention (alloys 2 and 4) by crushing tests of 55% (upper pions) and 80% (lower pions), carried out at 700, 750 and 825 ° C.
  • FIG. 4 is a diagram showing a section of a coin stamped according to the invention in contact with water, explanation of the mechanism of accelerating action of arsenic on the release rate of lead in drinking water
  • FIG. 5 is a diagram which shows the elements of the photograph of FIG.
  • the tin content of the CuZnPbSn alloy can be between 1.4 and 1.6%.
  • the lead content can be between 1.9 and 2.1%.
  • the iron content may be less than or equal to 0.2%.
  • the arsenic content can be between 5 and 500 ppm.
  • the aluminum content can be between 5 and 500 ppm.
  • the antimony content can be between 5 and 100ppm.
  • the silicon content may be between 5 and 500 ppm.
  • Another subject of the invention comprises the semi-products obtained from the CuZnPbSn alloy according to the invention, in which the microstructure of the alloy is composed of three intermetallic phases: ⁇ , ⁇ 'and ⁇ .
  • said CuZnPbSn alloy may have a composition chosen so that, according to ISO 6509, said semi-product obtained from this alloy has a mean dezincification depth of less than 200 ⁇ m, and even typically less than 150 ⁇ m, so that said alloy CuZnPbSn, which is not arsenic, is much higher than the CW617N alloy and even approaches the performance of the arsenic alloy CW602N .
  • said CuZnPbSn alloy may have a composition chosen so that the semi-product obtained from this alloy has, for a drilling operation performed under the usual machining conditions. according to standard NF E66-520-7 of the 2000 edition, an average chip size typically two times smaller than that obtained with the CW602N alloy which is a brass with arsenic.
  • said CuZnPbSn alloy may have a composition chosen so that the hot-pressing test according to the ASTM E209-00 standard of the 2000 edition. , and made in the range of 600 ° C to 750 ° C, causes no cracking of said half-product obtained from this alloy.
  • the semi-finished products according to the invention have a large latitude of hot deformation, as regards both the temperature range and the crushing rate, without the appearance of cracks or cracks in the metal.
  • These semi-finished products a great ability to deform without cracking or cracks, which is extremely advantageous in practice.
  • said CuZnPbSn alloy of said half-product may have a composition chosen so that the release rate of lead in drinking water is below the regulatory threshold according to European Directive 98 / 83 / EC on the quality of water intended for human consumption. It is important to note also the very low rate of Zn release compared to that of alloys Nos. 5 and 6.
  • said CuZnPbSn alloy may have a composition chosen so that said half-product has a high heat malleability, and so that its crush resistance is lower. to that obtained with the CW602N alloy, and preferably two times less than that of said CW602N alloy. It goes without saying that the power installed on the machines or devices for manufacturing the finished products, in particular when such manufacture comprises deformation of the half-product by crushing, will be less in the case of the semi-finished products according to the invention than in the case of the semi-finished products of the state of the art formed from alloys Nos. 5 and 6.
  • Another object of the invention is formed by the finished product obtained from the semi-finished product according to the invention, the half-product being typically chosen from: a tap, a valve, a coupling.
  • Another object of the invention is formed by the process for manufacturing the finished product according to the invention, in which process said finished product is typically formed by deformation or machining of said semi-finished product, said process not comprising a treatment step thermal, which is very advantageous and economical in practice compared to comparable processes of the state of the art.
  • Another object of the invention is formed by the use of a CuZnPbSn alloy according to the invention, or a semi-finished product according to the invention or obtained according to the invention, for the manufacture of finished products or used components. for sanitary water distribution such as valves, valves and fittings.
  • Table 1 gives the chemical compositions of the alloys tested according to the invention (% by weight). ⁇ b> Table 1 ⁇ / b>: Chemical composition (weight%) of the alloys tested according to the invention.
  • Cu Pb Sn Fe Zn Alloy 1 63.2 1.83 1.55 0.18 rest Alloy 2 61.2 2.04 1.57 0.17 Rest Alloy 3 60.2 2.01 1.42 0.19 Rest Alloy 4 59.1 1.82 1.51 0.18 Rest Alloy 5 59.5 1.95 0.22 0.21 Rest Traditional CW617N stamping alloy Alloy 6 * 61.2 2.20 0.06 0.01 Rest Dezincification resistant alloy CW602N * 6 alloy that contains 0.12% arsenic
  • Table 3 shows the results of the measurements: ⁇ b> Table 3 ⁇ / b>: Dezincification depth measurement results.
  • CM medium chip
  • the CM was calculated as follows: The chips resulting from the drilling are added on a series of 7 superimposed sieves marked with 1 to 7.
  • Table 4 gives the opening of the square meshes (in mm) of each sieve as well as an arbitrary index which refers to it (index sieves).
  • Sieve index 1 2.5 7 2 2 6 3 1.6 5 4 1.25 4 5 0.9 3 6 0.56 2 7 0 (Background - No aperture) 1
  • the screens are mounted on a vibratory support which is vibrated for five minutes for each sieving operation.
  • CM average chip
  • the fragmentation of chips from drilling an alloy is better than the CM is small.
  • Table 5 summarizes the results obtained. Each parameter is calculated using the average of the results of five different measurements ⁇ b> Table 5 ⁇ / b>: Machining test results (drilling) Drilling force (N) CM Alloy 1 2739 ⁇ 25 4.2 ⁇ 0.2 Alloy 2 2940 ⁇ 36 3.80 ⁇ 0.2 Alloy 3 3082 ⁇ 41 3.75 ⁇ 0.1 Alloy 4 3193 ⁇ 48 3.70 ⁇ 0.2 Alloy 5 3232 ⁇ 42 4.5 ⁇ 0.2 Alloy 6 2642 ⁇ 30 7.3 ⁇ 0.2
  • Table 6 presents the results for lead, copper and zinc. ⁇ b> Table 6 ⁇ / b>: Results of release tests Average release rate ( ⁇ g / dm 2 ) Pb Cu Zn Alloy 1 0.73 5.17 100.75 Alloy 4 1.15 5.31 93.8 Alloy 5 1.07 5.35 221.66 Alloy 6 2.03 7.98 160.05
  • the alloy according to the invention gives less release (Pb, Cu and Zn) than the CW602N alloy (alloy 6) and much less Zn release than the CW617N (alloy 5) .
  • Table 7 presents the results of visual examinations of hot-crushed samples.
  • FIG. 3 shows the photograph of a part of the crushed pieces,
  • FIG. 5 being a schematic representation of the crushed samples of FIG. ⁇ b> Table 7: ⁇ / b> Hot Swap Test Results (+: No Cracks, -: Cracked) T (° C) Crush Rate% No. Alloy 1 2 3 4 5 6 600 55 + + + + + + - 80 - + + + - - 700 55 + + + + + + - 80 - + + + + + + + 750 55 + + + + + + + + 80 - + + + + - - 825 55 + + + + + - + 80 - - - - - - - - - - - - - - - - -
  • the alloys according to the invention are molded very well between 600 and 750 ° C and this for the two crash rates tested.
  • Table 8 summarizes the results obtained (expressed in Kg) for a crush rate of 55%.
  • Table 8 ⁇ / b>: Results of crushing forces (kg) T (° C) No. alloy 1 2 3 4 5 6 700 1725 1000 735 700 720 1650 750 1025 650 540 500 550 995 825 460 530 420 400 390 425
  • Table 8 shows that the alloys according to the invention have crush stress levels lower than those of alloy No. 6 (CW602N), and close to those of alloy No. 5 (CW617N).
  • alloys according to the invention alloys Nos. 2 to 4
  • alloys of the state of the art alloys of the state of the art

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Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • La présente invention concerne le domaine des alliages base cuivre de matriçage à chaud, destinés à la fabrication des pièces utilisées essentiellement dans les canalisations de distribution d'eau potable (robinets, valves, raccords).
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • A l'heure actuelle, les alliages les plus utilisés dans ce domaine, sont selon la nomenclature européenne :
    • a) Alliage de matriçage traditionnel : CW617N,
    • b) Alliages résistants à la dézincification, dont le plus couramment utilisé est le laiton à l'arsenic : CW602N,
    • c) Une famille d'alliages de laiton à l'étain brevetée pour leur très bonne plasticité à chaud (brevet Européen n° EP 1 029 935 A1 publié le 23.08.2000).
  • Par ailleurs, il est déjà connu que l'addition de l'étain dans les laitons peut améliorer leur résistance à la corrosion comme mentionné dans l'ouvrage Metals Handbook, 9th Ed., Volumel3, Corrosion (1987), et peut présenter un caractère γ-gène de l'étain dans les laitons traditionnels duplex α-β', comme mentionné dans l'ouvrage de H. O. HOFMANN, « Metallurgy of copper », McGraw-Hill Book Company, Inc. (1924). EP 0947592 A1 divulgue une famille d'alliages de laiton à l'étain et son procédé de fabrication qui comprend une étape de filage à des températures entre 480 et 650°C.
    • PROBLEMES POSES
  • Parmi ces alliages, l'alliage traditionnel de matriçage CW617N présente les inconvénients suivants :
    • a) résistance à la dézincification extrêmement faible,
    • b) usinabilité moyenne.
  • Quant aux alliages de laiton à l'arsenic résistant à la dézincification, ils présentent les inconvénients ci-dessous :
    • a) mauvaise usinabilité (fragmentation des copeaux),
    • b) gamme de fabrication lourde : nécessitant la réalisation d'un traitement thermique avant la livraison des barres et d'un autre après matriçage (robinets, valves, raccords),
    • c) taux de relargage du plomb dans l'eau élevé.
  • Enfin, pour ce qui concerne les alliages de laiton à l'étain brevetés pour leur très bonne plasticité à chaud, ils présentent les inconvénients suivants :
    • a) contrainte d'écoulement très élevée pour la plage de température préconisée pour matriçage, par rapport à CW617N (un ordre de grandeur de différence),
    • b) susceptibilité importante au niveau de la température de matriçage; autrement dit, pour assurer la bonne malléabilité à chaud, la température de matriçage doit être très stable (± 20°C) ce qui nécessite le remplacement des modes de chauffage traditionnels, par des matrices chauffantes incorporées dans les presses.
    Suite aux points a) et b) précités, l'utilisation des laitons à l'étain, objet du brevet susmentionné, nécessite la modification structurelle des presses de matriçage existantes. OBJET DE L'INVENTION
  • Les alliages selon l'invention, sont destinés à destinés à la fabrication des pièces utilisées essentiellement dans les canalisations de distribution d'eau potable (robinets, valves, raccords), et visent à satisfaire simultanément les conditions suivantes :
    1. 1) Procédé d'élaboration simple et économique,
    2. 2) Très bonne résistance à la dézincification,
    3. 3) Très bonne usinabilité (fragmentation des copeaux),
    4. 4) Très bonne forgeabilité (faible résistance à la déformation et bonne malléabilité à chaud),
    5. 5) Pas d'effet néfaste sur le taux de relargage du plomb dans l'eau potable.
      Cette dernière condition est motivée par les nouvelles réglementations concernant la qualité de l'eau potable.
    DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • Un objet de l'invention est formé par le procédé de fabrication d'un demi-produit selon la revendication 1, procédé qui comprend typiquement une étape de filage, ladite étape de filage n'étant pas suivie d'une étape de traitement thermique. A cet égard, le procédé selon l'invention est donc particulièrement économique.
  • La demanderesse a observé que les alliages de laiton à l'étain selon l'invention, présentaient par rapport aux alliages de l'art antérieur utilisés pour les mêmes applications, la combinaison optimale des caractéristiques requises.
    En effet, ces alliages selon l'invention se caractérisent par la présence simultanée des propriétés ci-dessous:
    • Excellente résistance à la dézincification
    • Très bonne usinabilité (fragmentation de copeaux)
    • Excellente forgeabilité à chaud
    • Pas d'effet néfaste sur le taux de relargage du plomb dans l'eau potable
    • Gamme de fabrication simple et économique (pas de nécessité de procéder à un traitement thermique ni chez le fabricant de laiton, ni chez les matriceurs après le matriçage des pièces)
    • Recyclage simple.
  • Les propriétés des alliages selon l'invention seraient dues notamment au choix de la composition et surtout à la fourchette bien ciblée de la teneur en étain.
    Dans le cadre de ses travaux, la demanderesse a émis l'hypothèse suivante pour expliquer l'effet bénéfique de l'étain.
    Le mécanisme en jeu serait le suivant : fortement "γ-gène", l'étain une fois ajouté au laiton provoquerait la formation de la nouvelle phase "γ" au sein de la microstructure duplex α-β'. Cette formation se ferait au détriment de la phase β' comme illustré sur la figure 1. A cause de la solubilité élevée de l'étain dans la phase "γ", la formation de celle-ci s'accompagnerait d'un phénomène, à cinétique très rapide, de pompage de l'étain de la matrice (phases α et β'), comme illustré sur la figure 2.
    La présence de l'étain au sein de la phase "γ" conduirait ainsi à :
    • une baisse du potentiel de corrosion de "γ" ce qui se traduirait par une susceptibilité à la corrosion accrue de cette phase. En présence d'un milieu corrosif, la phase "γ" s'attaquerait donc préférentiellement (démarrage de la corrosion) en protégeant le reste de la matrice. Autrement dit, la phase "γ" jouerait le rôle d'anode sacrificiel et protègerait le reste de l'alliage,
    • une cinétique lente de corrosion (progression du front de dézincification). Ainsi, à cause de cette baisse de cinétique (et malgré la susceptibilité très élevée à la corrosion de la phase "γ") l'intensité globale de dézincification des alliages contenant de l'étain selon l'invention, se trouverait significativement baissée.
      Cependant, pour obtenir les propriétés recherchées selon l'invention, la phase "γ" doit d'une part être présente en faible quantité relative comme illustré sur la figure 1, et doit d'autre part présenter une morphologie fine et discontinue, comme cela apparaît sur la figure 2. En effet, la figure 2 montre que la phase "γ" est présente au joint de grain entre les phases α et β' sur une faible épaisseur et qu'elle est discontinue puisqu'elle est absente dans les deux autres jonctions de phases α et β' (à droite et à gauche) présentes sur la figure 2.
      Par ailleurs, dans le cadre de ses recherches, la demanderesse a pu démontrer le rôle néfaste de l'arsenic dans les laitons au plomb en ce qui concerne le relargage du plomb. En effet, s'il est connu que l'arsenic présent dans les laitons au plomb, se met au niveau des joints de grains, par contre la demanderesse a trouvé, comme illustré schématiquement sur la figure 4, que l'arsenic avait tendance à migrer à la surface et que, dans un milieu aqueux, l'arsenic étant plus noble que le plomb (EAs = 0.248V, EPb = - 0.126V), cela conduisait à la formation des piles électrochimiques entre l'arsenic et les particules de plomb, de sorte qu'ainsi, la dissolution du plomb dans l'eau potable (taux du relargage) se trouverait accélérée.
    DESCRIPTION DES FIGURES
  • La figure 1 est un diagramme qui donne l'évolution des pourcentages en poids des phases α, β' et γ en fonction de la concentration pondérale en étain, les alliages CuZnPbSn selon l'invention étant ceux pour lesquels Sn est compris entre 1,3 et 1,7% en poids.
  • Ce diagramme a été obtenu à partir des 6 alliages suivants à teneur croissante en Sn :
    Sn % poids Pb % poids Fe % poids Zn % poids Cu % poids
    0 2,16 0,19 38,6 Reste
    0,59 2,06 0,20 39,9 Reste
    1,13 2,12 0,19 39,1 Reste
    1,71 2,19 0,17 38,5 Reste
    2,19 2,08 0,20 38,1 Reste
    2,73 2,02 0,18 37,5 Reste
  • La figure 2 est un diagramme donnant la concentration pondérale en étain des phases α, β' et γ, d'alliages CuZnPbSn selon l'invention, concentration obtenue sur coupe micrographique d'un demi-produit obtenu selon l'alliage No 2 par analyse ponctuelle avec un microscope à balayage. En ordonnée figure la teneur pondérale en Sn, et en abscisse figure la distance en µm entre les différents points d'analyse, distance prise selon une ligne droite depuis un point origine pris dans une phase α, ligne qui coupe successivement de gauche à droite, des phases α /β' / α / γ / β' / α. Ce diagramme met en évidence un phénomène de pompage de l'étain des phases α, β' par la phase γ.
  • La figure 3 est une photographie destinée à mettre en évidence la malléabilité à chaud des alliages selon l'invention (alliages 2 et 4) par des tests d'écrasement de 55% (pions supérieurs) et 80% (pions inférieurs), réalisés à 700, 750 et 825°C.
  • La figure 4 est un schéma représentant une coupe d'une pièce matricée selon l'invention au contact de l'eau, explication du mécanisme d'action accélératrice de l'arsenic sur le taux de relargage du plomb dans l'eau potable
  • La figure 5 est un schéma qui reprend les éléments de la photographie de la figure 3.
    • DESCRIPTION DETAILLE DE L'INVENTION
  • Selon l'invention, la teneur en étain de l'alliage CuZnPbSn peut être comprise entre 1.4 et 1.6%. La teneur en plomb peut être comprise entre 1.9 et 2.1 %.
  • En ce qui concerne les éléments secondaires ou à l'état de traces, la teneur en fer peut être inférieure ou égale à 0,2%.
    De même, la teneur en arsenic peut être comprise entre 5 et 500ppm.
    La teneur en aluminium peut être comprise entre 5 et 500ppm.
    La teneur en antimoine peut être comprise entre 5 et 100ppm.
  • La teneur en silicium peut être comprise entre 5 et 500ppm.
  • Un autre objet de l'invention comprend les demi-produits obtenus à partir de l'alliage CuZnPbSn selon l'invention, dans lesquels la microstructure de l'alliage est composée de trois phases intermétalliques : α, β' et γ.
    Par analyse d'image de la microstructure, il a été observé que le pourcentage surfacique de la phase γ de ces demi-produits peut être compris entre 5 et 9%, et que le pourcentage surfacique de la phase β' peut être compris entre 25 et 40%.
  • Comme illustré sur le tableau 3 de l'exemple 1, ledit alliage CuZnPbSn peut présenter une composition choisie de manière à ce que, selon la norme ISO 6509, ledit demi-produit obtenu à partir de cet alliage présente une profondeur moyenne de dézincification inférieure à 200µm, et même typiquement inférieure à 150 µm, de sorte que ledit alliage CuZnPbSn, qui n'est pas à l'arsenic, est très supérieur à l'alliage CW617N et se rapproche même des performances de l'alliage à l'arsenic CW602N.
  • Comme illustré sur le tableau 5 de l'exemple 2, ledit alliage CuZnPbSn peut présenter une composition choisie de manière à ce que le demi-produit obtenu à partir de cet alliage présente, pour une opération de perçage effectuée dans les conditions habituelles d'usinage selon la norme NF E66-520-7 de l'édition 2000, une taille moyenne de copeaux typiquement deux fois plus petite que celle obtenue avec l'alliage CW602N qui est un laiton à l'arsenic.
  • Comme illustré sur le tableau 7 de l'exemple 4 et sur les figures 3 et 5, ledit alliage CuZnPbSn peut présenter une composition choisie de manière à ce que le test de compression à chaud selon la norme ASTM E209-00 de l'édition 2000, et réalisé dans la plage de 600°C à 750°C, ne provoque aucune fissuration dudit demi-produit obtenu à partir de cet alliage.
    Ainsi, les demi-produits selon l'invention présentent une grande latitude de déformation à chaud, tant en ce qui concerne la plage de température que le taux d'écrasement, sans qu'apparaissent des fissures ou des criques dans le métal. Ces demi-produits présentent une grande aptitude à se déformer sans fissurations ou criques, ce qui est extrêmement avantageux dans la pratique.
  • Comme illustré sur le tableau 6 de l'exemple 3, ledit alliage CuZnPbSn dudit demi-produit peut présenter une composition choisie de manière à ce que le taux de relargage du plomb dans l'eau potable soit inférieur au seuil réglementaire selon la Directive européenne 98/83/EC relative à la qualité de l'eau destinée à la consommation humaine.
    Il importe de noter également le taux très bas du relargage de Zn comparé à celui des alliages No 5 et 6.
  • Comme illustré sur le tableau 8 de l'exemple 4, ledit alliage CuZnPbSn peut présenter une composition choisie de manière à ce que ledit demi-produit présente une malléabilité à chaud élevée, et de manière à ce que sa résistance à l'écrasement soit inférieure à celle obtenue avec l'alliage CW602N, et de préférence deux fois moindre que celle dudit alliage CW602N.
    Il va de soi que la puissance installée sur les machines ou dispositifs de fabrication des produits finis, en particulier lorsque une telle fabrication comprend une déformation du demi-produit par écrasement, sera moindre dans le cas des demi-produits selon l'invention que dans le cas des demi-produits de l'état de la technique formés à partir des alliages No 5 et 6.
  • Un autre objet de l'invention est formé par le produit fini obtenu à partir du demi-produit selon l'invention, le demi-produit étant typiquement choisi parmi : un robinet, une valve, un raccord.
  • Un autre objet de l'invention est formé par le procédé de fabrication du produit fini selon l'invention, procédé dans lequel on forme ledit produit fini typiquement par déformation ou usinage dudit demi-produit, ledit procédé ne comprenant pas d'étape de traitement thermique, ce qui est très avantageux et économique dans la pratique par rapport aux procédés comparables de l'état de la technique.
  • Un autre objet de l'invention est formé par l'utilisation d'un alliage CuZnPbSn selon l'invention, ou d'un demi-produit selon l'invention ou obtenu selon l'invention, pour la fabrication de produits finis ou composants utilisés pour la distribution d'eau sanitaire tels que robinets, valves et raccords.
    • EXEMPLES DE REALISATION
  • Le tableau 1 donne les compositions chimiques des alliages testés selon l'invention (% pondéral). Tableau 1 : Composition chimique (poids %) des alliages testés selon l'invention.
    Cu Pb Sn Fe Zn
    Alliage 1 63,2 1,83 1,55 0,18 reste
    Alliage 2 61,2 2,04 1,57 0,17 Reste
    Alliage 3 60,2 2,01 1,42 0,19 Reste
    Alliage 4 59,1 1,82 1,51 0,18 Reste
    Alliage 5 59,5 1,95 0,22 0,21 Reste
    Alliage traditionnel de matriçage CW617N
    Alliage 6* 61,2 2,20 0,06 0,01 Reste
    Alliage résistant à la dézincification CW602N
    * alliage 6 qui contient 0,12 % d'arsenic
  • Les alliages du tableau 1 ont été réalisé selon une gamme conventionnelle comportant les étapes reprises dans le tableau 2. Tableau 2: Conditions opératoires de fabrication des laitons testés
    • Coulée T = 1060 ± 20°C , ∅ billette = 110 mm
    • Filage inverse : T = 700 ± 20°C, Temps de préchauffage = 2 h, ∅ barres = 26 mm
    • Rapport de filage = 94%
    • Exemple 1
  • Dans cet exemple, on a étudié l'influence de la composition de l'alliage sur la dézincification.
    Les essais de dézincification ont été réalisés dans le sens longitudinal (sens du filage) selon la norme ISO 6509. Les profondeurs moyennes de dézincification ont été mesurées à l'aide d'un système d'analyse d'images (moyenne de vingt mesures)
  • Le tableau 3 réunit les résultats des mesures : Tableau 3 : Résultats de mesures de profondeur de dézincification.
    Profondeur de dézincification (µm)
    Moyenne Ecart type
    Alliage 1 750 27
    Alliage 2 149 15
    Alliage 3 135 13
    Alliage 4 146 17
    Alliage 5 1320 31
    Alliage 6 80 10
  • Les résultats de ce tableau mettent en évidence les points suivants :
    1. 1) l'alliage de référence (alliage 6), c'est à dire le CW602N, montre la meilleure résistance à la dézincification.
      Cette résistance est, en effet, la conséquence d'une part, de la microstructure monophasée de cet alliage (100% alpha) et d'autre part, de la présence de l'arsenic dans l'alliage.
      Il est à noter cependant que l'alliage CW602N nécessite la réalisation de deux traitements thermiques (à ~500°C) l'un au cours de sa fabrication (chez le fabricant de l'alliage), et l'autre, après l'opération de matriçage.
    2. 2) l'alliage traditionnel de matriçage (alliage 5), c'est à dire le CW617N, montre la plus faible résistance à la dézincification.
    3. 3) l'addition de l'étain selon l'invention (alliages 2, 3 et 4) donne des résultats proches de ceux obtenus pour l'alliage indézincifiable CW602N. Autrement dit, l'addition de l'étain selon l'invention améliore significativement la résistance à la dézincification des laitons de matriçage (comparaison des alliages n° 2, 3 et 4 avec l'alliage n° 5).
    4. 4) l'alliage n° 1 ayant une teneur trop élevée en cuivre (en dehors de la fourchette selon l'invention, c'est à dire, 59,5 à 61,5% pds) présente une profondeur de dézincification presque cinq fois supérieure à celles obtenues pour les alliages n°2, 3 et 4
    Exemple 2
  • Dans cet exemple, on a étudié l'aptitude à l'usinage des alliages selon l'invention en comparaison avec d'une part le CW617N et d'autre part le CW602N.
  • Les essais d'usinabilité ont été réalisés sur un banc instrumenté et automatique de perçage. Les conditions opératoires utilisées sont les suivantes :
    • Vitesse de coupe (Vc) = 280 m/min
    • Avance par tour (f) = 0,56 mm/tour
    • Foret :
      • ◆ Monobloc en carbure
      • ◆ Diamètre 10 mm
      • ◆ Profondeur de perçage (pp) = 25 mm
    • Lubrification : à l'aide du LACTUCUT 2, lubrifiant commercialisé par TOTAL®.
  • Les paramètres mesurés étaient la force axiale de perçage et la taille moyenne des copeaux évaluée par un paramètre appelé le "copeau moyen" (C.M.).
  • Le C.M. a été calculé de la façon suivante :
    Les copeaux issus du perçage sont ajoutés sur une série de 7 tamis superposés repérés de 1 à 7. Le tableau 4 donne l'ouverture des mailles carrées (en mm) de chaque tamis ainsi qu'un indice arbitraire qui s'y réfère (indice de tamis). Tableau 4 : Caractéristiques des tamis utilisés
    N° tamis Ouverture des mailles (mm) Indice de tamis
    1 2.5 7
    2 2 6
    3 1.6 5
    4 1.25 4
    5 0.9 3
    6 0.56 2
    7 0 (Fond - Sans ouverture) 1
  • Les tamis sont montés sur un support vibratoire que l'on fait vibrer pendant cinq minutes pour chaque opération de tamisage.
  • Le contenu de chaque tamis est ensuite pesé. Le paramètre de "copeau moyen" (CM) est ensuite calculé à l'aide de l'équation suivante [Eq.2]: C . M .   ( sans unité ) = ∑ i = 1 7 ( I i ∗ m i ) ∑ i = 1 7 ( m i )
    Figure imgb0001
    où : Ii = indice du tamis n° "i".
    mi = poids des copeaux du tamis n° "i".
  • La fragmentation des copeaux issus du perçage d'un alliage est d'autant meilleure que le C.M. est petit.
  • Le tableau 5 réunit les résultats obtenus. Chaque paramètre est calculé à l'aide de la moyenne des résultats de cinq mesures différentes Tableau 5 : Résultats des essais d'usinabilité (perçage)
    Force de perçage (N) C.M.
    Alliage 1 2739±25 4,2±0,2
    Alliage 2 2940 ± 36 3,80 ± 0,2
    Alliage 3 3082 ± 41 3,75 ± 0,1
    Alliage 4 3193 ± 48 3,70 ± 0,2
    Alliage 5 3232 ± 42 4,5 ± 0,2
    Alliage 6 2642 ± 30 7,3 ± 0,2
  • Les résultats du tableau 5 montrent que par rapport à l'alliage CW617N (n° 5), les alliages selon invention (n°2, 3 et 4) présentent à la fois un niveau de force plus faible et une bien meilleure fragmentation des copeaux.
  • Quant à la comparaison avec l'alliage à l'arsenic, c'est à dire le CW602N (n°6), on note que les alliages selon l'invention présentent des niveaux de force plus élevés. Cependant, cette différence est largement contrebalancée par l'excellente fragmentation des copeaux des laitons à l'étain.
    • Exemple 3
  • Dans cet exemple, on a étudié le relargage du plomb, du cuivre et du zinc dans l'eau potable. Les essais de relargage ont été réalisés sur une période de trois semaines en utilisant la solution de lessivage du "Old-BSI 7766" [DD 201 - 1991 du British Standard Institution].
  • Les essais ont été réalisés sur des "godets" usinés dans les barres de 26 mm de diamètre. La surface utile de chaque godet est de 1,90 dm2 et contient 0.4 1 de la solution de lessivage précitée.
  • Afin de s'affranchir du phénomène de contamination superficielle des godets par le plomb (formation d'une fine pellicule de cet élément au niveau des surfaces usinées), l'ensemble des godets a subi un traitement de surface (traitement ECOWAVE® de la Société KME).
  • Des prélèvements d'eau ont été faits au cours de la 3ème semaine d'essais à raison d'un prélèvement toutes les 24 heures (de stagnation).
  • Pour chaque élément, c'est la moyenne des 7 résultats obtenus au cours de la 3ème semaine de test, qui a été considérée pour comparaison.
  • Le tableau 6 présente les résultats obtenus pour le plomb, le cuivre et le zinc. Tableau 6 : Résultats des essais de relargage
    Taux moyen de relargage (µg/dm 2 )
    Pb Cu Zn
    Alliage 1 0,73 5,17 100,75
    Alliage 4 1,15 5,31 93,8
    Alliage 5 1,07 5,35 221,66
    Alliage 6 2,03 7,98 160,05
  • On note bien que l'alliage selon l'invention (n°4) donne moins de relargage (Pb, Cu et Zn) que l'alliage CW602N (alliage 6) et beaucoup moins de relargage de Zn que le CW617N (alliage 5).
    • Exemple 4
  • Dans cet exemple, on a étudié la forgeabilité à chaud (aptitude au matriçage à chaud) des alliages selon l'invention.
    Afin d'évaluer la forgeabilité, des essais d'écrasement à chaud ont été réalisés à l'aide d'une machine de traction. Les conditions opératoires utilisées sont les suivantes :
    • Géométrie des échantillons : cylindres de 15mm de diamètre et de 15mm de hauteur,
    • Lubrification à l'aide d'un bâton de graphite,
    • Température : 600, 700, 750 et 825°C,
    • Taux d'écrasement* (ε) : 55 et 80%,
      • * ε = [(H0-h)/H0] 100%
        où H0 et h sont respectivement les hauteurs de l'échantillon avant et après le test d'écrasement
    • Vitesse de déformation généralisée: ε0 = 34 s-1
  • La forgeabilité a été évaluée à l'aide de deux paramètres :
    1. 1) la résistance à la déformation.
      Celle-ci a été directement mesurée par la machine de traction. Elle reflète la puissance nécessaire au matriçage des échantillons.
    2. 2) la malléabilité à chaud.
      Elle est évaluée à l'oeil à l'aide de l'aspect extérieur des pions comprimés (fissuration, peaux d'orange, ...).
  • Le tableau 7 réunit les résultats des examens visuels des échantillons écrasés à chaud. La figure 3 montre la photo d'une partie des pions écrasés, la figure 5 étant une représentation schématique des échantillons écrasés de la figure 3. Tableau 7 : Résultats des tests d'écrasement à chaud (+ :Pas de fissures, - : Fissuré)
    T (°C) Taux D'écrasement % N° Alliage
    1 2 3 4 5 6
    600 55 + + + + + -
    80 - + + + - -
    700 55 + + + + + -
    80 - + + + + +
    750 55 + + + + + +
    80 - + + + - -
    825 55 + + + + - +
    80 - - - - - -
  • On note que contrairement aux alliages CW617N et CW602N, les alliages selon l'invention (n° 2, 3 et 4) se matricent très bien entre 600 et 750°C et ceci pour les deux taux d'écrasement testés.
  • Quant à la résistance à la déformation (effort d'écrasement à chaud), le tableau 8 résume les résultats obtenus (exprimés en Kg) pour un taux d'écrasement de 55%. Tableau 8 : Résultats d'efforts d'écrasement (kg)
    T (°C) N° alliage
    1 2 3 4 5 6
    700 1725 1000 735 700 720 1650
    750 1025 650 540 500 550 995
    825 460 530 420 400 390 425
  • Le tableau 8 montre que les alliages selon l'invention présentent des niveaux d'effort d'écrasement inférieurs à ceux de l'alliage No 6 (CW602N), et voisins de ceux de l'alliage No 5 (CW617N).
    • AVANTAGES DE L'INVENTION
  • Comme déjà indiqué, l'invention permet de résoudre simultanément de nombreux problèmes dans la mesure où elle permet de satisfaire simultanément aux cinq conditions posées précédemment, à savoir :
    • a) procédé d'élaboration simple et économique,
    • b) très bonne résistance à la dézincification,
    • c) très bonne usinabilité (fragmentation des copeaux),
    • d) très bonne forgeabilité (faible résistance à la déformation et bonne malléabilité à chaud),
    • e) pas d'effet néfaste sur le taux de relargage du plomb dans l'eau potable.
  • Ainsi, la comparaison des alliages selon l'invention (alliages No 2 à 4) avec les alliages de l'état de la technique (alliage No5 = CW617N, et No6 = CW602N) ont clairement montré la supériorité globale des premiers par rapport aux seconds.

Claims (19)

  1. Procédé de fabrication d'un demi-produit en un alliage CuZnPbSn, dans lequel ledit alliage présente la composition pondérale suivante :
    - cuivre : de 59.5 à 61.5 %,
    - plomb : de 1.8 à 2.2 %,
    - étain : de 1.3 à 1.7 %,
    - somme des autres éléments sauf Zn < 0.3%.
    - zinc : reste,
    procédé caractérisé en ce qu'il comprend une étape de filage réalisée à une température de 700°C ± 20°C, ladite étape de filage ne comprenant pas ou n'étant pas suivie d'une étape de traitement thermique.
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la teneur en étain est comprise entre 1.4 et 1.6%.
  3. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel la teneur en plomb est comprise entre 1.9 et 2.1 %.
  4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la teneur en fer est inférieure ou égale à 0,2%.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la teneur en arsenic est comprise entre 5 et 500ppm.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la teneur en aluminium est comprise entre 5 et 500ppm.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel la teneur en antimoine est comprise entre 5 et 100ppm.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel la teneur en silicium est comprise entre 5 et 500ppm.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel ledit demi-produit présente une microstructure d'alliage composée de trois phases intermétalliques : α, β' et γ.
  10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel le pourcentage surfacique de la phase γ est compris entre 5 et 9%.
  11. Procédé selon une quelconque des revendications 9 à 10 dans lequel le pourcentage surfacique de la phase β' est compris entre 25 et 40%.
  12. Procédé selon une quelconque des revendications 9 à 11 dans lequel ledit alliage CuZnPbSn présente une composition choisie de manière à ce que, selon la norme ISO 6509, ledit demi-produit présente une profondeur moyenne de dézincification inférieure à 200µm.
  13. Procédé selon une quelconque des revendications 9 à 12 dans lequel ledit alliage CuZnPbSn présente une composition choisie de manière à ce que le demi-produit présente, pour une opération de perçage effectuée dans les conditions habituelles d'usinage selon la norme NF E66-520-7 de l'édition 2000, une taille moyenne de copeaux typiquement deux fois plus petite que celle obtenue avec l'alliage CW602N qui est un laiton à l'arsenic.
  14. Procédé selon une quelconque des revendications 9 à 13 dans lequel ledit alliage CuZnPbSn présente une composition choisie de manière à ce que le test de compression à chaud selon la norme ASTM E209-00 de l'édition 2000, et réalisé dans la plage de 600°C à 750°C, ne provoque aucune fissuration dudit demi-produit.
  15. Procédé selon une quelconque des revendications 9 à 14 dans lequel ledit alliage CuZnPbSn présente une composition choisie de manière à ce que le taux de relargage du plomb dans l'eau potable soit inférieur au seuil réglementaire selon la Directive européenne 98/83/EC relative à la qualité de l'eau destinée à la consommation humaine.
  16. Procédé selon une quelconque des revendications 9 à 15 dans lequel ledit alliage CuZnPbSn présente une composition choisie de manière à ce que ledit demi-produit présente une malléabilité à chaud élevée, et de manière à ce que sa résistance à l'écrasement soit inférieure à celle obtenue avec l'alliage CW602N, et de préférence deux fois moindre que celle dudit alliage CW602N.
  17. Produit fini obtenu à partir du demi-produit obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 16, ledit produit fini étant typiquement choisi parmi : un robinet, une valve, un raccord.
  18. Procédé de fabrication du produit fini selon la revendication 17 dans lequel on forme ledit produit fini typiquement par déformation ou usinage dudit demi-produit, ledit procédé ne comprenant pas d'étape de traitement thermique.
  19. Utilisation d'un demi-produit en alliage CuZnPbSn obtenu par le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 16 pour la fabrication de produits finis ou composants utilisés pour la distribution d'eau sanitaire tels que robinets, valves et raccords.
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