EP1608789A2 - Alliage a base de cuivre - Google Patents

Alliage a base de cuivre

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EP1608789A2
EP1608789A2 EP04706595A EP04706595A EP1608789A2 EP 1608789 A2 EP1608789 A2 EP 1608789A2 EP 04706595 A EP04706595 A EP 04706595A EP 04706595 A EP04706595 A EP 04706595A EP 1608789 A2 EP1608789 A2 EP 1608789A2
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EP
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weight
parts
alloy
alloy according
heat treatment
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EP04706595A
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Hung-Quoc Tran
Stéphane GILLIERON
Emmanuel Vincent
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Swissmetal - UMS Usines Metallurgiques Suisses SA
Original Assignee
Swissmetal - UMS Usines Metallurgiques Suisses SA
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a copper-based alloy and its applications and more specifically to a nickel silver intended to be used for the manufacture of ballpoint pen components.
  • the incompatibility between the alloy and the ink can then reduce the functional efficiency and the writing comfort of the instrument.
  • the ink leaks that can follow cause a deterioration in the quality of the writing and, in more serious cases, stains and soiling.
  • Resistance to gel inks can be improved by increasing the copper content of the alloy, as for example in ⁇ brasses and in ⁇ nickel silver.
  • this solution has the drawback of reducing the susceptibility to hot deformation of the alloy.
  • the poor hot deformability of the alloys of the prior art involves higher production costs.
  • An object of the present invention is to provide an alloy and ballpoint pen components free from the limitations of the prior art.
  • alloys the devices and the methods which are the subject of the claims in the corresponding categories, and for example by an alloy comprising: between 44.1 and 45.6 parts by weight of Cu; between 35.6 and 37.1 parts by weight of Zn; between 11.8 and 12.7 parts by weight of Ni; between 4.6 and 5.4 parts by weight of Mn.
  • FIG. 1 represents a metallographic section of an alloy according to the invention in a single-phase structure ⁇ .
  • FIG. 1a represents a micrograph corresponding to FIG. 1.
  • FIG. 2 represents a metallographic section of a nickel silver of the prior art in a two-phase ⁇ / ⁇ structure.
  • FIG. 2a represents a micrograph corresponding to FIG. 2.
  • FIG. 3 represents a metallographic section of a two-phase nickel silver of the prior art corroded following exposure to an ink.
  • FIG. 3a represents a micrograph corresponding to FIG. 3.
  • FIG. 4 represents a diagram of the ⁇ phase rate of an alloy according to the invention according to the temperature of the heat treatment.
  • the alloy according to the invention is a nickel silver of white, gray or silver color, the composition of which is: Table 1
  • This alloy has the characteristic of having two types of microstructures controllable by heat treatment.
  • the first, the single-phase structure ⁇ is essentially composed of a single crystalline phase of uniform structure.
  • FIG. 1 represents a photomicrograph of a metallographic section of the alloy according to the invention having the structure ⁇ . We fear that the alloy essentially consists of a uniform solid solution of its components 10, apart from the black particles of lead 82.
  • the alloy according to the invention may also have the two-phase structure ⁇ / ⁇ .
  • This structure represented in FIG. 2, comprises grains of a second phase 20, the ⁇ phase, the copper content of which is lower than that of the ⁇ phase and which are distinguished in FIG. 2 by their darker color.
  • the different structures of the alloy according to the invention are adapted to specific forming and machining processes.
  • the two-phase structure ⁇ / ⁇ is favorable to hot deformation
  • the single-phase structure ⁇ is favorable to cold deformation.
  • lead in the alloy facilitates machining operations, for example bar turning.
  • the alloy according to the invention can therefore be present in the two single-phase ⁇ and two-phase ⁇ / ⁇ structures. It is however possible to control the structure by heat treatment between 570 ° C and 780 ° C for 1-3 hours, followed by rapid cooling to room temperature. Following this treatment, the structure of the alloy is essentially ⁇ .
  • the invention also includes alloys to which, to the elements of nature and in the proportions defined by table 1 above, are added small quantities of other elements, metallic or not, such as Magnesium, Aluminum, Iron, Phosphorus, or any other element or chemical species.
  • the composition of the alloy is determined, except for unavoidable impurities, by Table 2 above.
  • FIG. 4 represents the rate of ⁇ phase as a function of the heat treatment temperature.
  • the choice of the temperature of the heat treatment makes it possible to modify the proportion of the ⁇ phase, and consequently, to obtain materials of different characteristics.
  • the heat treatment in the temperature page TT at temperatures between 630 ° C and 720 ° C gives rise to a single-phase structure ⁇ .
  • the temperature range E is favorable for extrusion.
  • the diagram in FIG. 4 is specific to the alloy composition specified in Table 2. According to another aspect of the invention it would also be possible to adopt different proportions of Cu, Zn, Ni, Mn and Pb and d '' obtain an alloy whose proportion of the ⁇ and ⁇ phases can be modified by heat treatment. In particular we can vary independently the proportion of each of the components of the alloy in the range of values indicated in table 1, or beyond. The temperatures required to modify the structure of the alloy thus obtained will then be different.
  • the alloy according to the invention has increased resistance to corrosion due to gel inks when it is in the single-phase structure ⁇ .
  • the ⁇ phase is indeed the only one which is dissolved by the gel inks.
  • FIG. 3 represents a metallographic section of an ⁇ / ⁇ nickel silver corroded by chemical reaction with the ink. It can be observed that only the ⁇ phase is attacked and that its dissolution leaves cavities 25.
  • the present invention is not limited to this specific use, but also includes any other use of the alloy according to the invention.
  • the alloy having the above composition is first cast in billets or in ingots or in another form suitable for hot deformation.
  • the alloy according to the invention offers excellent deformability at high temperature. All the usual hot deformation processes are possible. Typically the billets are hot extruded at a temperature between 720 ° C and 870 ° C, temperature at which its structure is two-phase ⁇ / ⁇ . The wires thus obtained are then heat treated between 630 ° C and 720 ° C, as explained above, to obtain the single-phase structure ⁇ .
  • the single-phase structure ⁇ lends itself to cold deformation, the extruded material is then drawn to obtain bars or wires of suitable diameter to form ink guide tubes, ink tanks, or tips for instruments. writing.
  • the material thus obtained can be easily implemented cold by striking, machining, crimping, turning or by any other process.

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Description

Alliage à base de cuivre
La présente invention porte sur un alliage à base de cuivre et sur ses applications et plus précisément sur un maillechort destiné à être utilisé pour la manufacture de composants de stylo à bille.
II est connu d'utiliser des alliages à base de cuivre de différentes compositions pour former des guides d'encre tubulaires, des réservoirs d'encre et des pointes d'instruments d'écriture. Certains alliages connus présentent toutefois l'inconvénient d'être incompatibles avec les encres à faible viscosité utilisées dans les stylos à bille de nouvelle génération.
L'incompatibilité entre l'alliage et l'encre peut alors réduire l'efficacité fonctionnelle et le confort d'écriture de l'instrument. Les fuites d'encre qui peuvent en suivre provoquent une dégradation de la qualité de l'écriture et, dans les cas plus graves, des taches et des salissures.
La résistance aux encres en gel peut être améliorée en augmentant la teneur en cuivre de l'alliage, comme par exemple dans les laitons α et dans les maillechorts α. Cette solution présente toutefois l'inconvénient de réduire la susceptibilité à la déformation à chaud de l'alliage. La mauvaise déformabilité à chaud des alliages de l'art antérieur implique des coûts de production plus importants.
Une autre limitation du laiton est que leur coloration jaune n'est pas appréciée par tous les consommateurs.
Un but de la présente invention est de proposer un alliage et des composants de stylo à bille exempts des limitations de l'art antérieur.
Selon l'invention ces buts sont atteints par les alliages, les dispositifs et les méthodes faisant l'objet des revendication dans les catégories correspondantes, et par exemple par un alliage comprenant : entre 44.1 et 45.6 parties en poids de Cu ; entre 35.6 et 37.1 parties en poids de Zn ; entre 11.8 et 12.7 parties en poids de Ni ; entre 4.6 et 5.4 parties en poids de Mn.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture des revendications ci-jointes et de la description donnée à titre d'exemple et illustrée par les figures annexées.
La figure 1 représente une coupe métallographique d'un alliage selon l'invention dans une structure monophasée α.
La figure 1a représente une micrographie correspondant à la figure 1.
La figure 2 représente une coupe métallographique d'un maillechort de l'art antérieur dans une structure biphasée α/β.
La figure 2a représente une micrographie correspondant à la figure 2.
La figure 3 représente une coupe métallographique d'un maillechort biphasé de l'art antérieur corrodé suite à l'exposition à une encre.
La figure 3a représente une micrographie correspondant à la figure 3.
La figure 4 représente un diagramme du taux de phase β d'un alliage selon l'invention selon la température du traitement thermique.
Selon un aspect de l'invention, l'alliage selon l'invention est un maillechort de couleur blanc, gris ou argentée, dont la composition est : Tableau 1
% poids mm max
Cu 43.00 48.00
Zn 33.00 38.00
Ni 10.00 15.00
Mn 3.50 6.50
Pb 0.00 4.00
Cet alliage a la caractéristique d'avoir deux types de microstructures contrôlables par traitement thermique. La première, la structure monophasée α, est composé essentiellement d'une seule phase cristalline de structure uniforme. La figure 1 représente une microphotographie d'une coupe métallographique de l'alliage selon l'invention présentant la structure α. On peur constater que l'alliage se compose essentiellement d'une solution solide uniforme de ses composantes 10, mis à part les particules noires de plomb 82.
L'alliage selon l'invention peut aussi présenter la structure biphasée α/β. Cette structure, représentée sur la figure 2, comporte des grains d'une deuxième phase 20, la phase β, dont la teneur en cuivre est inférieure à celle de la phase α et qui sont distinguâmes sur la figure 2 par leur couleur plus foncée.
Les différentes structures de l'alliage selon l'invention sont adaptées à des procédés de formage et d'usinage spécifiques. En particulier la structure biphasée α/β est favorable à la déformation à chaud, alors que la structure monophasée α est favorable à la déformation à froid.
L'adjonction de plomb dans l'alliage facilite les opérations d'usinage, par exemple de décolletage. Il serait toutefois aussi possible d'éliminer le plomb, ou de réduire sa teneur, lorsque cette caractéristique n'est pas requise.
L'alliage selon l'invention peut donc se présenter dans les deux structures monophasée α et biphasée α/β. Il est toutefois possible de contrôler la structure par un traitement thermique entre 570 °C et 780 °C pendant 1-3 heures, suivi d'un refroidissement rapide jusqu'à température ambiante. A la suite de ce traitement la structure de l'alliage est essentiellement α.
L'invention comprend aussi des alliages auxquels, aux éléments de la nature et dans les proportions définies par le tableau 1 ci-dessus, s'ajoutent des faibles quantités d'autres éléments, métalliques ou non, tels que Magnésium, Aluminium, Fer, Phosphore, ou tout autre élément ou espèce chimique.
Dans un deuxième exemple d'alliage selon l'invention, la composition de l'alliage est déterminée, sauf les impuretés inévitables, par le tableau 2 ci-dessus.
Tableau 2
% poi ds min max
Cu 44.10 45.60
Zn 35.60 37.10
Ni 11.80 12.70
Mn 4.60 5.40
Pb 1.35 1.85
La figure 4 représente le taux de phase β en fonction de la température de traitement thermique. Le choix de la température du traitement thermique permet de modifier la proportion de la phase β, et par conséquent, d'obtenir des matériaux de caractéristiques différentes. En particulier le traitement thermique dans la page de températures TT à des températures comprises entre 630 °C et 720 °C donne lieu à une structure monophasée α. La plage de températures E est favorable à l'extrusion.
Le diagramme de la figure 4 est spécifique à la composition d'alliage spécifiée dans le tableau 2. Selon un autre aspect de l'invention il serait aussi possible d'adopter des différentes proportions de Cu, Zn, Ni, Mn et Pb et d'obtenir un alliage dont la proportion des phases α et β est modifiable par traitement thermique. En particulier on pourra varier indépendamment la proportion de chacune des composantes de l'alliage dans la plage de valeurs indiquée dans le tableau 1, ou au delà. Les températures requises pour modifier la structure de l'alliage ainsi obtenu seront alors différentes.
L'alliage selon l'invention présente une résistance accrue à la corrosion due aux encres en gel lorsque il est dans la structure monophasée α. La phase β est en effet la seule qui est dissoute par les encres en gel. La figure 3 représente une coupe métallographique d'un maillechort α/β corrodé par réaction chimique avec l'encre. On peut observer que seule la phase β est attaquée et que sa dissolution laisse des cavités 25.
Bien que l'alliage de l'invention décrite ci-dessus se prête particulièrement à la réalisation des pointes d'instruments d'écriture, et notamment de stylo à bille, la présente invention ne se limite pas à cet usage spécifique, mais comprend aussi tout autre usage de l'alliage selon l'invention.
Selon un autre aspect de l'invention, l'alliage ayant la composition ci-dessus est d'abord coulé en billettes ou en lingots ou en une autre forme adaptée à la déformation à chaud.
Contrairement aux maillechorts α, l'alliage selon l'invention offre une excellente déformabilité à haute température. Tous les procédés usuels de déformation à chaud sont possibles. Typiquement les billettes sont extrudées à chaud à une température comprise entre 720 °C et 870 °C, température à laquelle sa structure est biphasée α/β. Les fils ainsi obtenus sont ensuite traités thermiquement entre 630 °C et 720 °C, comme expliqué ci-dessus, pour obtenir la structure monophasée α.
La structure monophasée α se prêtant à la déformation à froid, le matériau extrudé est alors tréfilé pour obtenir des barres ou des fils de diamètre convenable pour former des tubes de guides d'encre, des réservoirs d'encre, ou des pointes pour des instruments d'écriture. Le matériau ainsi obtenu peut être aisément mis en œuvre à froid par frappe, usinage, sertissage, tournage ou par tout autre procédé.
Les caractéristiques mécaniques de l'alliage selon l'invention traité comme ci-dessus dépendent de son taux d'écrouissage, selon le tableau suivant :
Tableau 3
Etat résistance Allongement à la rupture mécanique [MPa] [%]
Après traitement thermique 450-600 25-50
Taux de réduction de 20%
600-800 10-30 Après traitement thermique
Taux de réduction de 40%
800-1100 1-20 Après traitement thermique
La résistance mécanique et l'allongement à la rupture dans le tableau ci-dessus ont été déterminés selon la méthode standardisée EN10002-1

Claims

Revendications
1. Alliage comprenant : entre 43 et 48 parties en poids de Cu ; entre 33 et 38 parties en poids de Zn ; entre 10 et 15 parties en poids de Ni ; entre 3.5 et 6.5 parties en poids de Mn ; entre 0 et 4 parties en poids de Pb.
2. Alliage selon la revendication 1, comprenant : entre 44.1 et 45.6 parties en poids de Cu ; entre 35.6 et 37.1 parties en poids de Zn ; entre 11.8 et 12.7 parties en poids de Ni ; entre 4.6 et 5.4 parties en poids de Mn.
3. Alliage selon la revendication 2, comprenant entre 1.35 et 1.85 parties en poids de Pb.
4. Alliage selon la revendication 2, comprenant aussi d'autres éléments ou produits chimiques.
5. Alliage selon l'une des revendications de 1 à 4, présentant une structure monophasé α et une structure biphasé α/β, dans lequel la proportion de la phase β de ladite structure biphasé α/β est dépendante de la température, et peut être modifiée et/ou essentiellement annulée par un traitement thermique.
6. Alliage selon la revendication 5, dans lequel la température dudit traitement thermique est comprise entre 570 °C et 780 °C.
7. Alliage selon la revendication 5, dans lequel la température dudit traitement thermique est comprise entre 630 °C et 720 °C.
8. Alliage selon la revendication 5, comprenant : entre 44.1 et 45.6 parties en poids de Cu ; entre 35.6 et 37.1 parties en poids de Zn ; entre 11.8 et 12.7 parties en poids de Ni ; entre 4.6 et 5.4 parties en poids de Mn.
9. Alliage selon la revendication 8, comprenant entre 1.35 et 1.85 parties en poids de Pb.
10. Alliage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la résistance mécanique après ledit traitement thermique est comprise entre 450 et 600 MPa et l'allongement à la rupture après ledit traitement thermique est compris entre 25 % et 50%.
11. Alliage selon l'une des revendications précédentes, essentiellement résistant aux encres, et aux encres à faible viscosité.
12. Instrument d'écriture, comprenant un alliage selon l'une des revendications précédentes.
13. Instrument d'écriture comprenant un réservoir d'encre et/ou une pointe d'écriture comprenant un alliage selon l'une des revendications précédentes.
14. Procédé de mise en œuvre d'un alliage selon l'une des revendications précédentes comprenant : une étape de coulée de l'alliage fondu ; une étape de déformation à chaud ; une étape de traitement thermique ; une étape de déformation à froid.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel la température dudit traitement thermique est comprise entre 630 °C et 720 °C.
16. Procédé selon la revendication 14, dans lequel la température de ladite déformation à chaud est entre 720 °C et 870 °C.
17. Procédé pour modifier le taux de la phase β dans un alliage selon la revendication 5 et obtenir un alliage dans lequel la phase β est essentiellement absent, comprenant une étape de traitement thermique.
18. Procédé selon la revendication 17 dans lequel la température dudit traitement thermique est comprise entre 570 °C et 780 °C.
19. Procédé selon la revendication 17 dans lequel la température dudit traitement thermique est comprise entre 630 °C et 720 °C.
EP04706595A 2003-03-21 2004-01-30 Alliage a base de cuivre Expired - Lifetime EP1608789B1 (fr)

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