ES2343532T3 - Aleacion de cobre, zinc y silicio, su utilizacion y su produccion. - Google Patents
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Abstract
Aleación de Cu-Zn-Si que comprende, expresado en % en peso, de 70 a 80% de cobre, de 1 a 5% de silicio y de 0,0001 a 0,5% de boro, así como de 0 a 0,2% de fósforo y/o arsénico, opcionalmente de modo adicional por lo menos un elemento, expresado en % en peso, tomado entre el conjunto formado por 0,01 a 2,5% de plomo, 0,01 a 2% de estaño, 0,01 a 0,3% de hierro, 0,01 a 0,03% de cobalto, 0,01 a 0,3% de níquel, 0,01 a 0,03% de manganeso, opcionalmente de modo adicional por lo menos un elemento, expresado en % en peso, tomado del conjunto formado por hasta 0,5% de plata, hasta 0,5% de aluminio, hasta 0,5% de magnesio, hasta 0,5% de antimonio, hasta 0,5% de titanio y hasta 0,5% de zirconio, de manera preferida seleccionado entre el conjunto formado por 0,01 a 0,1% de plata, 0,01 a 0,1% de aluminio, 0,01 a 0,1% de magnesio, 0,01 a 0,1% de antimonio, 0,01 a 0,1% de titanio y 0,01 a 0,1% de zirconio, opcionalmente de modo adicional por lo menos un elemento, expresado en % en peso, tomado del conjunto formado por hasta 0,3% de cadmio, hasta 0,3% de cromo, hasta 0,3% de selenio, hasta 0,3% de teluro y hasta 0,3% de bismuto, de manera preferida tomado del conjunto formado por 0,01 a 0,3% de cadmio, 0,01 a 0,3% de cromo, 0,01 a 0,3% de selenio, 0,01 a 0,3% de teluro y 0,01 a 0,3% de bismuto.
Description
Aleación de cobre, zinc y silicio, su
utilización y su producción.
El invento se refiere a una aleación de cobre,
zinc y silicio, así como a una utilización y a una preparación de
una de tales aleaciones de cobre, zinc y silicio.
El requisito primordial que se plantea a las
aleaciones de cobre, zinc y silicio consiste en que éstas han de
ser estables frente a la eliminación de zinc y aptas para la
mecanización con arranque de virutas. Una buena aptitud para la
mecanización con arranque de virutas de tales aleaciones de latón se
realizaba hasta ahora mediante la adición de plomo, tal como se
describe por ejemplo en el documento de solicitud de patente
europea EP 1.045.041 A1. Recientemente, sin embargo, se han
desarrollado también unas aleaciones de latón exentas de plomo con
unas buenas propiedades para la mecanización con arranque de
virutas, tal como se describen por ejemplo en el documento EP
1.038.981 A1 y en el documento de patente alemana DE 103 08 778 B3.
Tanto las aleaciones de Cu-Zn-Si
exentas de plomo como también las que contienen plomo tienen una
tendencia a oxidarse a unas temperaturas comprendidas entre 300ºC y
800ºC y a formar una capa de cascarilla. Esta capa de cascarilla se
adhiere solamente en forma floja al metal, se desprende con
facilidad y se distribuye a lo largo de las instalaciones de
producción, lo cual tiene la consecuencia de que éstas se
impurifican y ensucian de una manera perturbadora. La limpieza de
las instalaciones de producción es costosa, con lo cual son altos
los costos de producción. También resulta desventajoso en las
aleaciones de Cu-Zn-Si hasta ahora
conocidas el hecho de que las propiedades mecánicas del material se
modifican a lo largo de piezas de trabajo largas, puesto que el
material no es homogéneo.
Con el conocimiento de estas circunstancias, el
presente invento se plantea por lo tanto el problema de presentar
una aleación de cobre, zinc y silicio, que esté mejorada en lo que
se refiere a su homogeneidad y además de ello presente una menor
tendencia a la formación de cascarilla, así como indicar una
utilización y una producción de una de tales aleaciones de
latón.
El problema mencionado en primer lugar en lo
referente a una aleación, se resuelve conforme al invento mediante
una aleación de cobre, zinc y silicio, que comprende, en tantos por
ciento en peso, de 70 a 80% de cobre; de 1 a 5% de silicio; de
0,0001 a 0,5% de boro; de 0 a 0,2% de fósforo y/o arsénico, así como
el resto zinc, junto con las impurezas inevitables.
El contenido de cobre está situado entre 70 y
80%, puesto que unos contenidos de cobre situados por debajo de 70%
o respectivamente por encima de 80% influirían desfavorablemente
sobre la aptitud para la mecanización con arranque de virutas de la
aleación. Esto mismo es válido al abandonarse el indicado intervalo
de concentraciones de silicio de 1% a 5%. La concentración de boro
en la aleación está situada entre 0,0001 y 0,5%. De una manera
sorprendente, se encontró ahora que por medio de la adición de boro
de una manera correspondiente al intervalo reivindicado de
concentraciones, se consigue, por una parte, que sea menor la
formación de cascarilla y que al mismo tiempo aumente
manifiestamente la adhesión de la cascarilla restante al material.
Por otro lado, también sorprende el hecho de que la adición de boro
dé lugar a que se mejore la homogeneidad de la estructura y de esta
manera se eviten fluctuaciones de las propiedades mecánicas. El
fósforo y el arsénico pueden estar contenidos en cada caso con un
contenido de concentración de hasta 0,2% en la aleación, y son
reemplazables uno por otro. Mediante el fósforo y el arsénico se
influye favorablemente sobre la formación de la estructura de
colada inicial y sobre las propiedades de corrosión, aumentándose
además de ello la capacidad de fluir de la masa fundida y
disminuyéndose la susceptibilidad frente a la corrosión en grietas
por tensiones. La restante proporción esencial de la aleación
es
de zinc.
de zinc.
Junto a las ventajas arriba mencionadas, de que
se evitan unas capas de cascarilla que se desprenden con facilidad
y aumentan los costos de producción, y se mejoran las propiedades
mecánicas, así como se presenta además de ello una buena aptitud
para la mecanización con arranque de virutas y una buena
conformabilidad en unión con una alta estabilidad frente a la
corrosión, en el caso del invento precisamente también es
especialmente pronunciada la estabilidad frente a la eliminación de
zinc y a la corrosión en grietas por tensiones. Los ensayos para la
eliminación de zinc de acuerdo con la norma ISO 6509 dan unas
profundidades de eliminación de zinc de solamente hasta 26
\mum.
El problema mencionado en segundo lugar,
referente a una utilización de una de tales aleaciones de cobre,
zinc y silicio, se resuelve mediante una utilización para piezas
componentes electrotécnicas, para piezas componentes técnicas
sanitarias, para recipientes destinados al transporte o al
almacenamiento de líquidos o gases, para piezas componentes
solicitadas por torsión, para piezas componentes reciclables, para
piezas forjadas a estampa, para productos semitermninados, para
bandas y cintas, para chapas, para perfiles, para planchas, o como
aleaciones maleables, para laminar o para moldear por colada.
La aleación de
Cu-Zn-Si encuentra utilización para
contactos, clavijas, espigas o elementos de fijación en la
electrotecnia, por ejemplo como contactos estáticos o contactos
fijos, a los que pertenecen también las conexiones por fijación y
por enchufe o los contactos de enchufes.
La aleación tiene frente a medios líquidos y
gaseosos una alta estabilidad contra la corrosión. Además, ella es
extremadamente estable contra la eliminación de zinc y contra la
corrosión en grietas por tensiones. Como consecuencia de ello, la
aleación es apropiada especialmente para un empleo para recipientes
destinados al transporte o al almacenamiento de líquidos o gases,
en particular para recipientes en la técnica frigorífica o para
tubos, griferías de agua, prolongaciones de grifos, conectadores de
tubos y válvulas en la técnica sanitaria.
Las pequeñas tasas de corrosión garantizan
también que la indiferencia y la laxitud metálicas, es decir la
propiedad de descargar ciertas partes de las aleaciones por acción
de medios líquidos o gaseosos, es de por sí pequeña. Por lo tanto,
el material es apropiado para unos sectores de empleo, que necesiten
una baja emisión de sustancias contaminantes con el fin de proteger
al medio ambiente. Por consiguiente, la utilización de la aleación
conforme al invento pertenece al sector de las piezas componentes
reciclables.
La insensibilidad frente a la corrosión en
grietas por tensiones recomienda a la aleación para una utilización
en conexiones por atornillamiento o respectivamente por sujeción, en
las cuales, de modo condicionado por causas técnicas se almacenan
grandes energías elásticas. Es especialmente apropiada por
consiguiente la utilización de la aleación para todas las piezas
componentes solicitadas por tracción y/o por torsión, en particular
para tornillos y tuercas. Después de una conformación en frío la
pieza de trabajo consigue unos altos valores para el límite de
alargamiento. Por ejemplo, en conexiones por atornillamiento, que no
deben de deformarse plásticamente, se realizan unos mayores
momentos de torsión por aprieter. La relación de los límites de
estiramiento de la aleación de
Cu-Zn-Si es menor que en el caso de
un latón para aparatos automáticos. Las conexiones por
atornillamiento, que solamente han sido apretadas una vez y en este
contexto se alargan en exceso deliberadamente, alcanzan por lo
tanto unas fuerzas de retención especialmente altas.
Unas posibilidades de utilización de la aleación
de Cu-Zn-Si se establecen para
materiales de partida tanto en forma de tubos como también en forma
de bandas. Ella es apropiada asimismo bien para bandas, chapas y
planchas aptas para fresarse o estamparse, en particular para
llaves, grabados, para finalidades decorativas o para utilizaciones
en rejas y rejillas estampadas.
El problema mencionado en tercer lugar,
referente a una producción de una de tales aleaciones de cobre, zinc
y silicio, se resuelve mediante una colada continua y una
laminación en caliente convencionales a unas temperaturas
comprendidas entre 600 y 760ºC con una subsiguiente conformación, en
particular una laminación en frío, lo que se complementa
preferiblemente mediante otras etapas de recocido y
conformación.
El problema referente a una producción de una de
tales aleaciones de cobre, zinc y silicio, se resuelve también
mediante una colada continua y una extrusión convencionales a unas
temperaturas hasta de 760ºC, de manera preferida comprendidas entre
650 y 680ºC, y un enfriamiento en presencia de aire.
En un perfeccionamiento ventajoso de la aleación
de Cu-Zn-Si, ésta comprende de 75 a
77% de cobre, de 2,8 a 4% de silicio, y de 0,001 a 0,1% de boro así
como de 0,03 a 0,1% de fósforo y/o arsénico, junto con zinc como
elemento restante así como las impurezas inevitables.
En una alternativa preferida, la aleación de
cobre, zinc y silicio comprende por lo menos un elemento, expresado
en % en peso, tomado del conjunto formado por plomo con 0,01 a 2,5%,
estaño con 0,01 a 2%, hierro con 0,01 a 0,3%, cobalto con 0,01 a
0,3%, níquel con 0,01 a 0,3% y manganeso con 0,01 a 0,3%. Mediante
la adición de plomo se puede influir positivamente sobre la aptitud
para la mecanización con arranque de virutas.
En este contexto, la aleación comprende de una
manera ventajosa por lo menos un elemento, expresado en % en peso,
tomado del conjunto formado por 0,01 a 0,1% de plomo, 0,01 a 0,2% de
estaño, 0,01 a 0,1% de hierro, 0,01 a 0,1% de cobalto, 0,01 a 0,1%
de níquel y 0,01 a 0,1% de manganeso.
En un perfeccionamiento preferido, la aleación
de Cu-Zn-Si comprende adicionalmente
por lo menos un elemento, expresado en % en peso, con hasta 0,5% de
plata, hasta 0,5% de aluminio, hasta 0,5% de magnesio, hasta 0,5%
de antimonio, hasta 0,5% de titanio y hasta 0,5% de zirconio, de
manera preferida tomado del conjunto formado por de 0,01 a 0,1% de
plata, de 0,01 a 0,1% de aluminio, de 0,01 a 0,1% de magnesio, de
0,01 a 0,1% de antimonio, de 0,01 a 0,1% de titanio y de 0,01 a
0,1% de zirconio.
En una alternativa ventajosa, la aleación de
Cu-Zn-Si comprende adicionalmente un
elemento, expresado en % en peso, tomado del conjunto formado por
hasta 0,3% de cadmio, hasta 0,3% de cromo, hasta 0,3% de selenio,
hasta 0,3% de teluro y hasta 0,3% de bismuto, de manera preferida
tomado del conjunto formado por 0,01-0,3% de cadmio,
0,01-0,3% de cromo, 0,01-0,3% de
selenio, 0,01-0,3% de teluro y
0,01-0,3% de bismuto.
Un ejemplo de realización se explica con mayor
detalle con ayuda de los dibujos y con ayuda de la descripción
siguiente. En este contexto muestran
la Fig. 1 la formación de una capa de
cascarilla después de un recocido durante 2 h a 600ºC realizado en
una aleación de CuZn21Si3P sin la adición de boro (a), en una
aleación de CuZn21Si3P con 0,0004% de boro (b) y en una aleación de
CuZn21Si3P con 0,009% de boro (c), y
la Fig. 2 la formación de una estructura de
colada de una aleación de CuZn21Si3P sin la adición de boro (a), de
una aleación de CuZn21Si3P con 0,0004% de boro (b) y de una aleación
de CuZn21Si3P con 0,009% de boro (c).
Las aleaciones de CuZn21Si3P, que constituyen el
fundamento del Ejemplo de realización, tienen unas variaciones en
la concentración de las partes, con cobre entre 75,8 y 76,1%, con
silicio entre 3,2 y 3,4% y con fósforo entre 0,07 y 0,1%,
juntamente con zinc como parte restante y las impurezas inevitables.
Los ejemplos de las aleaciones muestran un contenido diverso de
boro de 0%, 0,004% y 0,009%. La producción de las aleaciones se
efectúa mediante una colada continua, una subsiguiente extrusión a
unas temperaturas situadas por debajo de 760ºC, de manera preferida
comprendidas entre 650 y 680ºC, y un enfriamiento rápido.
Todas las aleaciones presentan una sobresaliente
estabilidad frente a la eliminación de zinc. Un ensayo de
eliminación de zinc de acuerdo con la norma ISO 6509 establece unas
profundidades de eliminación de zinc de solamente menos que 26
\mum.
Si unas aleaciones de CuZn21Si3P, por ejemplo en
el caso de la conformación en caliente, son sometidas a unas
temperaturas de 300-800ºC, se forma una cascarilla,
que se desprende con facilidad e impurifica a las instalaciones de
producción. Una superficie fuertemente cubierta con cascarilla de
una aleación de CuZn21Si3P exenta de boro se representa en la Fig.
1a. La superficie de la muestra aparece en la Fig. 1a de color gris
en su parte predominante. Esta coloración de gris reproduce la
superficie cubierta con cascarilla de la aleación de CuZn21Si3P.
Solamente se pueden reconocer sobre la superficie de la aleación
algunas pocas manchas claras aisladas, que no están distribuidas
regularmente. Al contrario que esto, la aleación de CuZn21Si3P con
una proporción de boro de 0,0004%, reproducida en la Fig. 1b,
muestra un número de manchas que aparecen de color blanco sobre la
superficie de la aleación, que es mucho mayor que el de la aleación
exenta de boro. Estas manchas de color blanco reproducen unas zonas
metálicamente lisas y brillantes de la aleación. Estas zonas
metálicamente lisas y brillantes, es decir unas zonas que no están
cubiertas con cascarilla, se distribuyen uniformemente a lo largo
de la superficie de la aleación. La proporción de la superficie
cubierta con cascarilla se reduce manifiestamente, y la cascarilla
remanente se adhiere al metal más firmemente que en el caso de la
aleación exenta de boro. Una aleación de CuZn21Si3P, que contiene
0,009% de boro, se representa en la Fig. 1c. Aquí se puede reconocer
manifiestamente que el número de las superficies metálicamente
lisas y brillantes, es decir el de las manchas blancas, ha
aumentado adicionalmente. En parte se presentan unas zonas
coherentes mayores de material metálicamente liso y brillante, y se
puede reconocer una distribución muy regular sobre la superficie de
la aleación. La proporción de la superficie que está cubierta con
cascarilla ha disminuido adicionalmente y la cascarilla remanente
se adhiere firmemente al metal. Se ha mostrado por lo tanto de una
manera sorprendente que unas pequeñas concentraciones de boro, de
0,0001-0,5%, restringen la formación de cascarilla
en el caso de aleaciones de
Cu-Zn-Si y al mismo tiempo aumentan
manifiestamente la adhesión de la cascarilla al metal, con lo cual
se evita una impurificación indeseada de las instalaciones de
producción.
Un resultado comparable se encontró también para
unas aleaciones de
Cu-Zn-Si-P que
presentan diferentes contenidos de plomo, tal como por ejemplo los
de 0,01%, 0,05%, 0,1% o 2,5%.
Junto a la reducción de la tendencia a la
formación de cascarilla de las aleaciones
Cu-Zn-Si, el boro repercute también
positivamente sobre las propiedades mecánicas, puesto que mediante
el boro la estructura de la aleación se hace más homogénea. Esta
modificación de la estructura de la aleación se representa en la
Fig. 2 dependiendo de la concentración de boro. Mientras que una
aleación de CuZn21Si3P sin la adición de boro muestra una estructura
basta y heterogénea (Fig. 2a), una aleación de CuZn21Si3P con
0,0004% de boro presenta una estructura manifiestamente más
homogénea, puesto que muestra ya unos tamaños de granos muy
uniformes (Fig. 2b). Un aumento adicional del contenido de boro
hasta 0,009% da lugar a que una aleación de CuZn21Si3P sea todavía
más uniforme, o respectivamente que la homogeneidad se ha hecho
todavía mayor, ya no siendo reconocible la granulación de la
estructura a simple vista (Fig. 2c).
Junto a las modificaciones ópticas de la
estructura, la adición de boro repercute también positivamente sobre
las propiedades mecánicas. Esto se puede reconocer especialmente en
unas barras, que habían sido prensadas a partir de aleaciones de
Cu-Zn-Si. Para la determinación de
las propiedades mecánicas se tomaron muestras de tales barras al
comienzo y al final. La resistencia a la tracción de una barra a
base de una aleación de CuZn21Si3P sin la adición de boro se desvía
en el comienzo, en comparación con el final de la barra, en más de
60 N/mm^{2}. Una correspondiente aleación con una proporción de
boro de 0,0004% tiene, al contrario de esto, entre el comienzo y el
final de la barra solamente una diferencia en la resistencia a la
tracción de por debajo de 40 N/mm^{2}. Mediante una adición de
0,009% de boro a una aleación de CuZn21Si3P, la desviación en la
resistencia a la tracción entre el comienzo y el final de la barra
está situada por debajo de 5 N/mm^{2}.
El material tiene por lo tanto, en términos
generales, unas propiedades mecánicas idénticas. Por consiguiente,
se ha alcanzado una resistencia mecánica uniforme a lo largo de toda
de longitud prensada. La causa de ello es el efecto afinador del
grano que tiene el boro.
En la tabla se recopilan la conexión entre el
contenido de boro de una aleación de
Cu-Zn-Si y la homogeneidad
creciente de la estructura de la aleación o respectivamente las
diferencias decrecientes de resistencia mecánica dentro de una
pieza de trabajo prensada.
Claims (6)
1. Aleación de
Cu-Zn-Si que comprende, expresado en
% en peso, de 70 a 80% de cobre, de 1 a 5% de silicio y de 0,0001 a
0,5% de boro, así como de 0 a 0,2% de fósforo y/o arsénico,
opcionalmente de modo adicional por lo menos un elemento, expresado
en % en peso, tomado entre el conjunto formado por 0,01 a 2,5% de
plomo, 0,01 a 2% de estaño, 0,01 a 0,3% de hierro, 0,01 a 0,03% de
cobalto, 0,01 a 0,3% de níquel, 0,01 a 0,03% de manganeso,
opcionalmente de modo adicional por lo menos un elemento, expresado
en % en peso, tomado del conjunto formado por hasta 0,5% de plata,
hasta 0,5% de aluminio, hasta 0,5% de magnesio, hasta 0,5% de
antimonio, hasta 0,5% de titanio y hasta 0,5% de zirconio, de manera
preferida seleccionado entre el conjunto formado por 0,01 a 0,1% de
plata, 0,01 a 0,1% de aluminio, 0,01 a 0,1% de magnesio, 0,01 a 0,1%
de antimonio, 0,01 a 0,1% de titanio y 0,01 a 0,1% de zirconio,
opcionalmente de modo adicional por lo menos un elemento, expresado
en % en peso, tomado del conjunto formado por hasta 0,3% de cadmio,
hasta 0,3% de cromo, hasta 0,3% de selenio, hasta 0,3% de teluro y
hasta 0,3% de bismuto, de manera preferida tomado del conjunto
formado por 0,01 a 0,3% de cadmio, 0,01 a 0,3% de cromo, 0,01 a 0,3%
de selenio, 0,01 a 0,3% de teluro y 0,01 a 0,3% de bismuto.
2. Aleación de
Cu-Zn-Si de acuerdo con la
reivindicación 1,
caracterizado por,
expresado en % en peso, de 75 a 77% de cobre; de
2,8 a 4% de silicio; y de 0,0001 a 0,01% de boro, así como de 0,03
a 0,1% de fósforo y/o arsénico.
3. Aleación de
Cu-Zn-Si de acuerdo con la
reivindicación 1,
caracterizado por
adicionalmente por lo menos un elemento,
expresado en % en peso, tomado del conjunto formado por de 0,01 a
0,1% de plomo, de 0,01 a 0,2% de estaño, de 0,01 a 0,1% de hierro,
de 0,01 a 0,1% de cobalto, de 0,01 a 0,1% de níquel y de 0,01 a
0,1% de manganeso.
4. Utilización de una aleación de
Cu-Zn-Si de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, para piezas componentes electrotécnicas,
para piezas componentes de técnica sanitaria, para recipientes
destinados al transporte o al almacenamiento de líquidos o gases,
para piezas componentes solicitadas por torsión, para piezas
componentes reciclables, para piezas forjadas a estampa, para
piezas semiterminadas, para bandas y cintas, para chapas, para
perfiles, para planchas así como en calidad de una aleación
maleable, para laminar o moldear por colada.
5. Procedimiento para la producción de una
aleación de Cu-Zn-Si de acuerdo con
una de las reivindicaciones 1 a 3, mediante una colada continua y
una laminación en caliente convencionales a unas temperaturas
comprendidas entre 600 y 760ºC con una subsiguiente conformación,
en particular una laminación en frío, de manera preferida
completada por otras etapas adicionales de recocido y
conformación.
6. Procedimiento para la producción de una
aleación de Cu-Zn-Si de acuerdo con
una de las reivindicaciones 1 a 3, mediante una colada continua y
una extrusión convencionales a unas temperaturas hasta de 760ºC, de
manera preferida comprendidas entre 650 y 680ºC, y un enfriamiento
en presencia de aire.
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