ES2927042T3

ES2927042T3 - Aleación de Cu-Zn libre de Pb

Info

Publication number: ES2927042T3
Application number: ES21716326T
Authority: ES
Inventors: Björn Reetz; Tileman Münch; Thomas Plett
Original assignee: Otto Fuchs KG
Current assignee: Otto Fuchs KG
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2041-03-30
Also published as: KR20220155437A; EP3908682A1; WO2021198236A1; EP3908682B1; JP2023520678A; DE202020101700U1; BR112022015524A2; CN115103921A; US20230091831A1

Abstract

La invención se refiere a una aleación de Cu-Zn libre de Pb para la producción de productos de aleación utilizados en condiciones lubricadas, que tiene la siguiente composición (datos en % en peso): CU: 57 - 59 %, Mn: 1,7-2, 7 %, AI : 1,3-2, 2 %, Si: 0,4 -1,0 %, Ni: 0,4-0,85 %, Fe: 0,3 -0,7 %, Sn: 0,15-0,4 %, siendo el resto Zn junto con impurezas inevitables. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aleación de Cu-Zn libre de Pb

La invención se refiere a una aleación de Cu-Zn libre de Pb, en particular para producir productos de aleación utilizados en condiciones de lubricación. También se describe un producto de aleación fabricado con dicha aleación. El latón de alta resistencia CuZn37Mn3Al2PbSi (CW713R) descrito en la hoja de datos de materiales (de 2005) del Instituto Alemán del Cobre es una aleación ampliamente utilizada desde hace muchos años y se caracteriza por su alta resistencia al desgaste y sus buenas propiedades de conformabilidad en caliente. Este material tiene unos valores de resistencia elevados, una maquinabilidad media y una buena resistencia a la corrosión. Por esta razón, esta aleación se utiliza para piezas estructurales en ingeniería mecánica, para anillos de sincronización y tubos guía de válvulas en ingeniería automotriz, así como para una serie de elementos de cojinetes lisos y piezas prensadas en caliente. Esto significa que los productos fabricados con esta aleación se utilizan en condiciones de lubricación. Las posibles aplicaciones incluyen la inmersión permanente en aceite o el suministro de lubricante a través de sistemas de canales y ranuras diseñadas para este fin. Los anillos sincronizadores están en un entorno de aceite. Lo mismo puede aplicarse a los elementos de cojinetes lisos, que, sin embargo, también se pueden lubricar únicamente con aceite. Esta aleación también se utiliza para fabricar componentes utilizados en la hidráulica, como las placas distribuidoras. Esta aleación previamente conocida tiene la siguiente composición (datos en % en peso): Cu: 57,0 -59,0 %, Mn: 1,5 - 3,0 %, Al: 1,3 - 2,3 %, Si: 0,3 - 1,3 %, resto de zinc más impurezas inevitables. Se toleran los aditivos admisibles (en % en peso): Ni: máx. 1,0 %, Fe: máx. 1,0 %, Sn: máx. 0,4 %, Pb: 0,2 - 0,8 %.

Como se desprende de la designación del material ya indicada al principio, esta aleación conocida anteriormente contiene Pb. Este elemento es responsable de la maquinabilidad e influye en el comportamiento de rodaje, así como en la fricción y el desgaste en aplicaciones de deslizamiento debido a su incorporación en capas tribológicas.

La aleación especial de latón CW713R se caracteriza por sus versátiles propiedades de aplicación, como su alta resistencia al desgaste y a la cavitación, su compatibilidad con los lubricantes y sus suficientes propiedades mecánicas, especialmente en lo que respecta a la resistencia y la tenacidad del producto de aleación. También incluyen una buena maquinabilidad. El elemento Pb se introduce en las aleaciones de latón para conseguir la maquinabilidad deseada.

Por razones sanitarias y medioambientales, recientemente se ha intentado diseñar aleaciones de latón sin plomo. Al hacerlo, se procura, en la medida de lo posible, no tener que prescindir de las propiedades causadas por el elemento Pb en la aleación.

La patente alemana núm. DE 102005017574 A1 describe una aleación de latón resistente al desgaste para anillos sincronizadores con un contenido opcional de plomo. La composición (en % en peso) es de 57,5 - 59 % de cobre, 2 -3,5 % de manganeso, 1 - 3 % de aluminio, 0,9 -1,5 % de silicio, 0,15 - 0,4 % de hierro, 0 -1 % de plomo, 0 -1 % de níquel, 0 - 0,5 % de estaño y el resto de zinc.

La patente internacional núm. WO 2014/152619 A1 describe una aleación de latón para turbocompresores con la siguiente composición, que contiene opcionalmente plomo (datos en % en peso): 57 - 60 % de cobre, 1,5 - 3,0 % de manganeso, 1,3 - 2,3 % de aluminio, 0,5 - 2,0 % de silicio, 0 -1 % de níquel, 0 -1 % de hierro, 0 - 0,4 % de estaño, 0 - 0,1 % de plomo y el resto de zinc.

Para aplicaciones de deslizamiento, la patente japonesa núm. JP S56-127741 A reivindica una aleación de latón con la siguiente composición (datos en % en peso): 54 - 66 % de cobre, 1,0 - 5,0 % de manganeso, 1,0 - 5,0 % de aluminio, 0,2 -1,5 % de silicio, 0,5 - 4,0 % de níquel, 0,1 - 2,0 % de hierro, 0,2 - 2,0 % de estaño y el resto de zinc. A partir de este estado de la técnica descrito, la invención se tiene el objetivo de proponer una aleación de Cu-Zn libre de Pb que sea adecuada en principio para una aplicación o uso para el que la aleación CuZn37Mn3Al2PbSi descrita anteriormente con respecto al estado de la técnica era también adecuada. Sería posible que las propiedades de resistencia mecánica mejoraran incluso en comparación con esta aleación especial de latón conocida hasta ahora, pero sin tener que aceptar pérdidas en términos de conformabilidad en frío y en caliente y de maquinabilidad.

Esta tarea se resuelve con una aleación de Cu-Zn libre de Pb con la siguiente composición (datos en peso):

Cu: 57 - 59 %,

Mn: 1,7-2,7%,

Al: 1,3-2,2%,

Si: 0,4-1,0%,

Ni: 0,4 - 0,85 %,

Fe: 0,3-0,7%,

Sn: 0,15-0,4%,

Resto de Zn junto con las impurezas inevitables al 0,05 % en peso por elemento, sin que la suma de las impurezas inevitables supere el 0,15 % en peso.

Las impurezas inevitables en la aleación se admiten en un 0,05 % en peso por elemento, sin que la suma de las impurezas inevitables supere el 0,15 % en peso.

Esta aleación se caracteriza sobre todo por la selección de los elementos de aleación Ni, Fe y Sn, así como por los contenidos reivindicados de estos elementos en la composición de la aleación en relación con los demás elementos de aleación sobre todo Mn, Al y Si. Esta composición balanceada de la aleación garantiza unas propiedades especialmente buenas del producto de aleación en términos de conformabilidad en frío y en caliente, maquinabilidad, fuerza y resistencia al desgaste, esta última especialmente en condiciones de lubricación. Este resultado es sorprendente ya que el Bi se utiliza como sustituto del Pb en otras aleaciones especiales de latón, pero la aleación de acuerdo con la invención no utiliza Bi. Mientras que la aleación anteriormente conocida CuZn37Mn3Al2PbSi también presenta una buena conformabilidad en caliente, el objeto de la aleación reivindicada no solo presenta una conformabilidad en caliente especialmente buena, sino también una buena conformabilidad en frío. Este último no era el caso de la aleación conocida anteriormente. Lo interesante de esta aleación es que es adecuada para producir piezas forjadas. Si las piezas forjadas se someten a un posterior recocido de alivio de tensiones, que se lleva a cabo en un rango de temperatura entre 300 °C y 450 °C, la proporción de cristales a-mixtos incrustados puede aumentar hasta un 10 - 15 % mediante esta medida. Para conseguir las propiedades deseadas, el recocido a una temperatura de entre 350 y 380 °C ya es suficiente en muchos casos. Esta mayor proporción de cristales a-mixtos es la razón de la mejora de la conformabilidad en frío. Sin esta etapa de recocido, la estructura de la aleación contiene una proporción de cristales a-mixtos inferior al 3 - 5 %. Las mismas ventajas del recocido de alivio de tensiones se aplican también a los productos extruidos, en donde también se puede conseguir una microestructura con un contenido de cristales a-mixtos del 10-15 % mediante el mencionado tratamiento térmico. Las personas que participaron en el desarrollo de esta aleación no podían prever los valores de resistencia que se pueden alcanzar con esta aleación y la resistencia a la cavitación, sorprendentemente mejor que la de otras aleaciones. Los productos de aleación producidos a partir de la aleación de la invención por forjado tienen un límite elástico de 0,2 % entre 330 y 350 MPa, que es significativamente más de lo que era habitual con las forjas de la aleación CuZn37Mn3Al2PbSi (valores de 230 a 300 MPa). La resistencia a la tracción de los productos fabricados con la aleación de acuerdo con la invención es de 600 a 640 MPa. En el caso de la aleación CuZn37Mn3Al2PbSi conocida anteriormente, los valores de resistencia a la tracción suelen estar entre 590 y 670 MPa. Con tratamientos especiales, también se pueden alcanzar valores de resistencia a la tracción algo más elevados.

Las investigaciones han demostrado que la interacción de los elementos Ni, Fe y Sn entre sí, pero también con el Mn, el Al y el Si, y en relación con la formación de fases intermetálicas, conduce a resultados especialmente buenos cuando el contenido de Mn se controla a 1,9 - 2,6 %, el de Al a 1,4 - 2,1 %, el de Ni a 0,45 - 0,75 % y el de Fe a 0,3 -0,6 %. La composición de la aleación ha resultado ser particularmente adecuada para los fines deseados, con una característica especial de buena conformabilidad en frío y en caliente, maquinabilidad, fuerza y resistencia al desgaste cuando se selecciona como sigue (datos en % en peso):

Cu: 57,5 - 58,5 %,

Mn: 2,0-2,5% ,

Al: 1,5-2,0 %,

Si: 0,50 - 0,70 %,

Ni: 0,50-0,70%,

Fe: 0,5-0,55%,

Sn: 0,20 - 0,35 %.

Las propiedades especiales de un producto de aleación fabricado a partir de esta aleación se deben a que el contenido de Si es preferentemente no inferior al de Ni. Además, el contenido de Sn de la aleación se ajusta preferentemente para que sea como máximo sólo 50 % del contenido de Ni o como máximo sólo 50 % del contenido de Si. Preferentemente, el contenido de Ni no es inferior al contenido de Si, en donde se toleran desviaciones de hasta 0,075 %. El contenido de Fe también juega un papel en la interacción con los otros elementos. Preferentemente, el contenido de Fe es de aproximadamente 0,05 % a 0,1 % en peso menos que el contenido de Ni. Las propiedades especiales descritas anteriormente de un producto de aleación fabricado con esta aleación resultan tanto en productos forjados como en productos extruidos.

Ejemplos

Algunas aleaciones fabricadas a partir de la aleación de acuerdo con la invención se fundieron, luego se extrudieron y partes de ella se sometieron a una etapa de forjado posterior. Paralelamente, se produjo una muestra comparativa del material CW713R de la misma manera. A continuación, se presenta un ejemplo de dos muestras de acuerdo con la invención en cuanto a su composición de aleación -muestras 1 y 2- y la composición de una muestra comparativa (CW713R):

Después de la fundición (extrusión), se aserraron los bloques y, a continuación, se extrudieron barras de 50 mm de diámetro y 20 m de longitud a partir de los bloques. La temperatura de extrusión de la serie de muestras investigada se situó entre 685 °C y 710 °C. La temperatura de extrusión de las muestras descritas era de unos 700 °C. La microestructura resultante es muy homogénea en la barra extruida, tanto en la dirección longitudinal como en la dirección transversal de la barra extruida en toda su longitud. Lo único que se puede observar es que el tamaño del grano disminuye un poco desde el principio hasta el final de la extrusión, como suele ocurrir en el caso de la extrusión. La microestructura consiste casi exclusivamente en la fase p con compuestos intermetálicos (siliciuros mixtos, que se regulan en la dirección de la extrusión). La proporción de compuestos intermetálicos es de aproximadamente 3 -4 %.

Las Figuras 1a, 1b muestran micrografías de la muestra 1 en estado de prensado desde el inicio del prensado (Figura 1a longitudinal a la dirección de prensado; Figura 1b transversal a la dirección de prensado). Las Figuras 2a, 2b muestran las correspondientes micrografías del final del prensado. Las muestras cortadas a partir de las barras prensadas se sometieron a un alivio térmico en una etapa posterior, concretamente a 360 °C durante tres horas. Como resultado del recocido de alivio de tensiones, se formó una fase de solución a-sólida en la microestructura, de modo que se formó una microestructura dominada por la solución p-sólida con un contenido de solución a-sólida de aproximadamente 14 %. La proporción de fases intermetálicas es de un buen 3 %.

Las Figuras 3a, 3b muestran las microestructuras de la muestra 2 después del recocido de alivio de tensión descrito anteriormente.

Los parámetros microestructurales mencionados y los valores de resistencia de estas muestras se muestran en la siguiente tabla:

PDI indica las fases intermetálicas. La dureza HBW se midió como HBW 2,5/62,5.

La microestructura de la muestra comparativa CW713R en la condición de prensado es dominada por la fase p con un contenido de fase a-sólida en solución de alrededor de 10 %. El Pb contenido en esta aleación tiene un efecto de refinamiento del grano y sirve como rompevirutas. La Figura 4 muestra una microestructura de la muestra CW713R en la condición de prensado y después de un tratamiento de recocido correspondiente al de la muestra 2. La porción de la fase cristalina a-mixta es de aproximadamente 40 - 45 %.

En una etapa posterior para la producción de las placas distribuidoras, se cortaron boquillas de las barras prensadas como precursores de la forja y se forjaron en caliente. Las piezas forjadas de la serie de muestras se forjaron a temperaturas entre 635 °C y 670 °C. La muestra 2 y la muestra de comparación se forjaron a unos 650 °C. La microestructura de un producto preliminar forjado de este tipo para una placa distribuidora para una aplicación hidráulica se muestra en las Figuras 5a, 5b. La Figura 5a muestra la microestructura en el borde, mientras que la Figura 5b muestra la microestructura en el núcleo del producto forjado.

Estas figuras ilustran la microestructura muy homogénea en el diámetro del producto semiacabado forjado. Esta consiste casi exclusivamente en la fase p con fases intermetálicas intercaladas de un buen 3 %.

En una etapa posterior, las muestras de este tipo se recocieron a 360 °C durante tres horas. En el transcurso de este proceso de recocido, se formó una proporción de fase a de aproximadamente 12 %. La porción de fases intermetálicas aumentó hasta aproximadamente 3,7 %. La microestructura del producto semiacabado recocido para la fabricación de una placa distribuidora para aplicaciones hidráulicas se muestra en las Figuras 6a, 6b (Figura 6a borde; Figura 6b núcleo). La fase a que contiene es claramente reconocible.

La siguiente tabla muestra los parámetros microestructurales y los valores de resistencia mecánica de estas muestras:

Cuando la muestra comparativa forjada (CW713R) se somete a un proceso de recocido como el descrito anteriormente, el contenido de la fase a aumenta significativamente, hasta aproximadamente 40 %.

También se produjeron tubos de la aleación de acuerdo con la muestra 2 y de la aleación de referencia (CW713R) mediante extrusión. Se cortaron secciones de los tubos, que luego se mecanizaron mediante torneado para comparar la maquinabilidad de las dos aleaciones. En el curso de esta operación de torneado se crearon anillos. Curiosamente, la maquinabilidad del anillo fabricado con la aleación de acuerdo con la muestra 2 es al menos tan buena como la maquinabilidad del anillo fabricado con la aleación de comparación. Esto es notable porque la muestra de acuerdo con la invención (muestra 2) no contiene Pb, en contraste con la composición de la aleación de la muestra comparativa, y ello se debe a que el elemento de aleación Pb se considera responsable de la buena maquinabilidad de esta aleación en la muestra comparativa.

El producto de aleación de acuerdo con la invención se puede estirar directamente. No obstante, se prefiere un recocido intermedio antes del estirado para conseguir un producto de aleación lo más libre de tensiones posible. Además, investigaciones adicionales con las composiciones de aleación de las muestras 1 y 2 para condiciones de material ajustadas de forma diferente han demostrado que la resistencia a la tracción Rm, el límite elástico de 0,2 %, el alargamiento de rotura y la dureza HB también aumentan significativamente para las muestras estiradas directamente o para las muestras estiradas después de una etapa de recocido intermedio en comparación con los productos semiacabados fabricados con la aleación comparativa CW713R. Se obtuvieron resultados correspondientes para ambas variantes de las muestras para una condición del material después de un recocido final de alivio de tensión. Esto se determinó en las piezas forjadas de la aleación, así como en los productos semiacabados extruidos que fueron estirados después del prensado. En ambos casos, el recocido posterior puede ser útil para aliviar las tensiones contenidas en la pieza respectiva.

Además, se realizaron investigaciones de cavitación con la muestra 2 forjada y recocida. Para ello, las superficies de las probetas obtenidas de la muestra 2 fueron primero rectificadas con un tamaño de grano de 1000 mallas y luego se les realizó una prueba de cavitación en agua destilada de acuerdo con la norma ASTM G32. Esto demostró que la resistencia a la cavitación altamente estimada de la aleación comparativa CW713R podía volver a aumentar significativamente. Esta reducción de la tendencia a la cavitación en el agua indica que los productos de aleación con la composición de acuerdo con la invención también presentan una estabilidad mejorada bajo una alta carga dinámica en un entorno lubricante, como ocurre en las camisas de cilindro de las bombas de pistón axial. Estas camisas se fabrican a partir de productos semiacabados extruidos y posteriormente estirados en frío. Por lo tanto, las camisas de cilindro para tales aplicaciones son especialmente adecuadas para su fabricación a partir de la aleación de acuerdo con la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Aleación de Cu-Zn libre de Pb para la fabricación de productos de aleación utilizados en condiciones de lubricación con la siguiente composición (datos en % en peso):

Cu: 57 - 59 %,

Mn: 1,7-2,7%,

Al: 1,3-2,2%,

Si: 0,4-1,0%,

Ni: 0,4 - 0,85 %,

Fe: 0,3-0,7%,

Sn: 0,15-0,4%,

2. Aleación de Cu-Zn libre de Pb de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque:

Mn: 1,9-2,6%,

Al: 1,4-2,1 %,

Ni: 0,45-0,75%,

Fe: 0,3-0,6%.

3. Aleación de Cu-Zn libre de Pb de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque:

Cu: 57,5 - 58,5 %,

Mn: 2,0-2,5%,

Al: 1,5-2,0%,

Si: 0,50 - 0,70 %,

Ni: 0,50-0,70%,

Fe: 0,35- 0,55 %,

Sn: 0,20 - 0,35 %.

4. Aleación de Cu-Zn libre de Pb de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el contenido de Si no es inferior al contenido de Ni.

5. Aleación de Cu-Zn libre de Pb de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el contenido de Sn es como máximo 50 % del contenido de Ni y como máximo 50 % del contenido de Si.

6. Aleación de Cu-Zn libre de Pb de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el contenido de Fe es de 0,05 % a 0,1 % inferior al del contenido de Ni.

7. Producto forjado producido a partir de una aleación Cu-Zn libre de Pb de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el producto forjado producido a partir de la aleación tiene una estructura p y un contenido de cristales a-mixtos intercalados inferior a 5 % y un contenido de fase intermetálica de 2,5 - 4,5 %.

8. Producto extruido producido a partir de una aleación Cu-Zn libre de Pb de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el producto extruido producido a partir de la aleación tiene una estructura p y un contenido de cristales a-mixtos intercalados inferior a 5 % y un contenido de fases intermetálicas de 2,5 - 4,5 %.

9. Producto de aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque el producto de aleación se somete a un proceso de recocido para aliviar las tensiones térmicas y mediante este proceso en la microestructura se eleva la proporción de cristales a-mixtos hasta 10-30 %, en particular hasta el 10 - 15 %, y se forma una proporción de fases intermetálicas de 3 - 5 %.

10. Producto de aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque la dureza del producto de aleación es de 160 - 190 HBW 2,5/62,5, en particular de 170 - 185 HBW 2,5/62,5.

11. Producto de aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado porque el producto de aleación tiene un límite elástico de 0,2 % entre 300 y 400 MPa, en particular entre 300 y 350 MPa, y una resistencia a la tracción de 600 - 700 MPa, en particular de 600 - 640 MPa.

12. Producto de aleación de acuerdo con las reivindicaciones 7 y 11, caracterizado porque el producto de aleación tiene un alargamiento de rotura de entre 10 - 30 %, en particular de 13 - 20 %.

13. Producto de aleación de acuerdo con las reivindicaciones 8 y 11, caracterizado porque el producto de aleación tiene un alargamiento de rotura entre 10 y 16 %.

14. Producto de aleación de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 a 13, caracterizado porque la conductividad eléctrica del producto de aleación está comprendida entre 9 y 11 MS/m, en particular 9,3 y 10,0 MS/m.