FI90998B

FI90998B - Kupariseosten käyttö vedenjakelusysteemien komponentteihin

Info

Publication number: FI90998B
Application number: FI884725A
Authority: FI
Inventors: William Rushton
Original assignee: Imi Yorkshire Fittings
Priority date: 1987-10-16
Filing date: 1988-10-13
Publication date: 1994-01-14
Also published as: US4879094A; GB2211206B; AU613411B2; GB2211206A; JPH01136943A; KR890006836A; GB8824031D0; NL192686B; NL8802520A; NO172904C; NO884582L; CA1331528C; BE1001816A3; AU2375388A; FI884725A0; NO172904B; DE3834460C2; NZ226478A; SE500698C2; FR2621928A1

Description

90998

Kupariseosten käyttö vedenjakelusysteemien komponentteihin

Kyseessä oleva keksintö liittyy valumetalliseok-siin, joita käytetään ihmisille tarkoitetun veden (juoma-5 veden) jakelusysteemien komponenttien valmistukseen.

Tähän asti sellaisia komponentteja kuten esim. hanoja, venttiilejä, mittareita ja putkiliittimiä on yleensä valmistettu sellaisesta kuparipohjaisesta valumetalli-seoksesta kuin tykkimetalli. Koska metalliseos pitää työs-10 tää lopullisen tuotteen muotoon, on syytä käyttää helppo-työstöistä metalliseosta. Tavallisesti tykkimetallit ja muut kuparipohjaiset valumetalliseokset tehdään helppo-työstöisiksi lisäämällä lyijyn määrää, tyypillisesti n.

1 - 9 %, yleensä n. 5 %, painoprosenteissa. Kuitenkin ol-15 laan viime vuosien aikana oltu yleisesti huolissaan juomaveteen kertyvän lyijyn haitallisista vaikutuksista. Tietyt lyijyä liuottavat vedet uuttavat helposti lyijyä tällaisista metalliseoksista. Lisäriski syntyy siitä, että vali-moiden ilmatila missä tällaisia metalliseoksia valmiste-20 taan, pakostakin sisältää lyijyä. Myös valimojätteet kuten käytetty hiekka, sisältää lyijyä ja siksi esiintyy hävit-tämisongelmia.

Viime vuosien aikana on sen vuoksi yritetty kehittää oleellisesti lyijyttömiä metalliseoksia, jotka on tar-25 koitettu käytettäväksi juomavesien yhteydessä käytettävien komponenttien valmistukseen, mutta tähän päivään asti ei ole tullut tietoon, että taloudellisesti ja teknisesti sopivaa korvaavaa metalliseosta olisi löydetty. Tässä yhteydessä, ja erityisesti juomaveden jakelusysteemikompo-30 nenttien yhteydessä, kaikkien korvaavien metalliseosten pitäisi olla kustannuksellisesti verrattavissa tavanomaisen lyijyä sisältävän seoksen kanssa, ja tietysti sen pitäisi säilyttää hyväksyttävät valmistus-, mekaaniset ja korroosionkesto-ominaisuudet. Erityisesti niiden pitää 35 olla valettavissa virheettömiksi ja painetiiviiksi valu- 2 kappaleiksi, jotka ovat helposti työstettävissä valmiiksi komponenteiksi, joilla on hyväksyttävät lujuus- ja vuoto-tiukkuusominaisuudet. Lisäksi niissä tapauksissa jolloin metalliseos sisältää sinkkiä, seos pitää pystyä muuttamaan 5 sinkkikatoa vastustavaksi, tai sen pitää olla luontaisesti immuuni sinkkikadolle.

Nyt on yllättäen havaittu, että oleellisesti lyijytön, helppotyöstöinen ja sinkinkadolle immuuni valuseos, joka on käyttökelpoinen juomaveden jakelun komponenttien 10 tuotannossa, eikä siihen liity mitään merkittävää saasteongelmaa, voidaan valmistaa sisällyttämällä tiettyihin kupariseoksiin vismuttia suurissa määrin tai kokonaan lyijyn sijasta.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti vedenjakelusys-15 teemien komponentteihin käytetään metalliseosta, joka sisältää 1,5-7 paino-% vismuttia, 5-15 paino-% sinkkiä, 1-12 paino-% tinaa, ja loput, lukuun ottamatta mahdollisia epäpuhtauksia ja pienempiä lisäainemääriä, kuparia.

Vismuttipitoisuus on edullisesti 1,5-5 paino-%, 20 edullisemmin 2-5 paino-% ja edullisimmin 2-3 paino-%, sinkkipitoisuus on edullisesti 5-12 paino-%, edullisemmin 5-10 paino-% ja edullisimmin 6-8 paino-%, ja tina-pitoisuus on edullisesti 2,5-5 paino-%. Keksinnön mukainen metalliseos, joka sisältää 2-3 paino-% vismuttia, 25 5-8 paino-% sinkkiä ja 2,5 - 5 paino-% tinaa, erityises ti 2 - 2,2 paino-% vismuttia, 7,1 - 7,8 paino-% sinkkiä ja 3,3 - 3,6 paino-% tinaa soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi vedenjakelusysteemien komponentteihin.

Metalliseos voi sisältää pieniä määriä epäpuhtauk-30 siä ja/tai lisäaineita, erikoisesti sellaisia jotka yleensä ovat läsnä kuparipohjäisissä metalliseoksissa, sillä edellytyksellä, että niiden läsnäolo ei vaikuta merkittävän haitallisesti metalliseokselta vaadittuihin ominaisuuksiin, ja jos ne ovat myrkyllisiä, että ne eivät liuke-35 ne merkitsevästi metalliseoksesta. Tässä yhteydessä tode- 90998 3 taan, että vismutin oletetaan olevan pohjimmiltaan myrkytön niissä määrin, mitä se saattaa liueta esitetyistä seoksista juomaveteen. Epäpuhtauksien kokonaismäärä ei saisi mielellään ylittää yhtä painoprosenttia, ja yleensä 5 minkään harkitun lisäyksen määrä ei saisi ylittää kolmea painoprosenttia, mieluummin kahta painoprosenttia. Esimerkkejä sallituista epäpuhtauksista ja/tai lisäaineista ja niille suositelluista maksimiarvoista on esitetty seu-raavassa: 10

Nikkeli - 0-2 paino-%

Lyijy - 0-0,4 paino-%

Rauta/Antimoni/

Arseeni - 0-0,75 paino-% yhteensä 15 Alumiini - 0-0,01 paino-%

Pii - 0-0,02 paino-%

Rikki - 0-0,1 paino-%

Mangaani - 0-0,5 paino-% 20 Ylläolevista nikkeliä ja/tai rautaa ja/tai mangaa nia voidaan harkitusti lisätä tarkoituksena hieman modifioida metalliseosten ominaisuuksia, mutta vaihtoehtoisesti ne voivat olla läsnä myös epäpuhtauksina.

Tässä huomautetaan, että metalliseokset voivat si-25 sältää pieniä määriä lyijyä (yleensä mutta ei välttämättä satunnaisina epäpuhtauksina), mutta tällaiset määrät ovat paljon paljon pienempiä siitä kuin mitä tähän asti ollaan lisättu kupariseoksiin tarkoituksena parantaa niiden työs-tettävyyttä.

30 Esillä oleva keksintö koskee juomaveteen liittyvis sä asennuksissa käytettäviä komponentteja kuten esim. hanoja, venttiilejä, mittareita ja putkiliitoksia. Yleensä ottaen tällaisen hanan jne. päärunko tehdään metalliseoksesta, vaikka tässä käytetty termi "komponentti" käsittää 35 minkä tahansa metallisen osan ja erikoisesti osat, jotka 4 joutuvat kosketukseen juomaveden kanssa kuten esim. hanojen, venttiilien, vesimittarien sisäpuoliset metalliosat.

Edellä esitetyt metalliseokset voidaan valmistaa ja prosessoida tavanomaisin menetelmin. Erikoisesti ne ovat 5 helposti valettavissa ja työstettävissä.

Lisäksi niillä on yleensä ominaisuuksia, jotka tekevät niistä erikoisen sopivia juomaveden kanssa käytettäväksi kelpaavien komponenttien kuten sulkuhanojen, hanojen, vesimittareiden, luistiventtiilien, sulkuventtiilien 10 ja kapillaarista juotostyyppiä tai mekaanista (puristus-kytkennällistä, laipallista tai ruuvikierteellistä) tyyppiä olevien putkiliitosten valmistukseen. Tällaisten komponenttien eräitä tärkeimpiä ominaisuuksia ovat seuraavat: Paineenpitävyys (osoitus mm. vähäisestä huokoisuu- 15 desta)

Venymisominaisuudet Väsymisominaisuudet

Iskunkesto-ominaisuudet

Korroosionkestokyky (mukaanluettuna immuniteetti 20 sinkinkadolle)

Vanhenemisominaisuudet

Juotettavuus (erikoisesti kapillaarisesti juotettavien liitosten tapauksessa)

Ylläolevat ominaisuudet edellä esitettyjen metalli-25 seosten osalta ovat todellakin oleellisesti samanlaiset verrattuna vastaaviin ominaisuuksiin yleisemmin käytetyistä lyijyllisissä tykkimetalleissa, joiden nimelliskoostu-mus on: tinaa 3 paino-%, lyijyä 5 paino-%, sinkkiä 8 pai-no-% ja loput kuparia (alempana viitataan "LGl", BS1400 30 (1985) taulukko 5) tai tinaa 5 paino-%, lyijyä 5 paino-%, sinkkiä 5 paino-% ja loput kuparia (alempana viitataan "LG2", BS1400 (1985) taulukko 5), mainitussa järjestyksessä.

Huomioonotettavaa on korroosionkestokyky, sillä 35 edellä mainittujen metalliseosten on huomattu olevan luon nostaan immuuneja sinkinkadolle.

90998 5

Seuraavat esimerkit valaisevat keksintöä.

Esimerkit 1-5

Sarja metalliseoksia, joilla on nimellispitoisuu-det, jotka on annettu taulukossa I alla, tehtiin sulatta-5 maila aineosaset yhteen. Jotta voitiin välttää sinkin poiskaasuuntuminen, sinkki lisättiin messingin muodossa.

Taulukko I

10 -

Esimerkki Zn/ Sn/ Bi/ Loput no. paino-% paino-% paino-% 1 5,5 4 3 2 10,0 4 3 Cu, lukuun otta- 15 ^ 554 2 matta satunnai- - siä epäpuhtauk- 4 10,0 4 2 ___ s ia 5 7,5 3,5 2,1 20 Metalliseoksista valettiin sitten erinäinen määrä koekappaleita tarkoituksena määrittää huokoisuutta tilavuusprosentteina sekä venymis- ja iskunkesto-ominaisuuk-sia.

Taulukot II, III, IV ja V alla antavat saatujen 25 tuloksien keskiarvot yhdessä vastaavien vertailutietojen kanssa metalliseoksista L61 ja LG2.

Huokoisuusmittaukset tehtiin Quantimet Image Analyser -laitteella käyttämällä kiilloittamattomia ja syöpymättömiä mallikappaleita.

30 Vetojännitystestit suoritettiin kahdenkokoisilla kappaleilla, renkailla joiden läpimitat olivat 6,04 mm ja 7,98 mm, ja lisäksi testit suoritettiin eri lämpötiloissa.

Iskutestit suoritettiin lämpötiloissa Izod-koneel-la, käyttämällä työstettyjä ja lovetettuja näytekappale!- 35 ta.

6

Taulukko II Huokoisuustestit 5 Näyte no. Huokoisuus (tilavuus-%) 1 0,2 2 3,4 3 0,24 10 4 5,1 5 1,2 LG1 1,6 LG2 1,1 15 - li 90998 7

Taulukko III

Vetojännitystestit kappaleella, jolla oli pienempi halkaisija 5 n

Esimerkki no. Lämpöt./ C Murtovenymä/% Kriittinen vetolujuus KVL* N/mm2 1 20 23 231 100 23 211 150 14 188 10 - 2 20 13 145 100 13 137 150 9 114 3 20 25 232 100 23 214 15 150 24 213 4 20 23 220 100 16 168 150 11 151 5 Ei testattu 20 LG1 20 13 201 100 13 194 150 5 131 LG2 20 8 186 100 11 175 150 25 - * KVL kriittinen vetolujuus 8

Taulukko IV

Vetojännitystestit kappaleella, jolla oli suurempi halkaisija 5 ö

Esimerkki no. Lämpöt./ C Murtovenymä/% Kriittinen vetolujuus KVL1 N/mm2 1 20 15 202 100 14 180 150 21 130 10 - 2 20 7 130 100 9 124 150 9 124 3 20 7 119 100 10 140 15 150 9 130 4 20 11 141 100 9 134 150 10 132 5 20 5 132 100 3 96 20 150 2 67 LG1 20 8 163 100 8 155 150 8 162 LG2 20 25 100 Ei testattu 150 li KLV tarkoittaa kriittinen vetolujuus 90998 9

Taulukko V Iskutestit 5 Esimerkki no. LSmpöt./°C Iskuenergia/joulea 1 20 26 100 25 150 27 2 20 23 100 25 10 150 26 3 20 23 100 25 150 31 4 20 23 15 100 21 150 18 5 20 23 100 21 150 18 on LG1 20 19 ζυ 100 21 150 24 LG2 100 Ei testattu 25 Tunnettujen vaikeuksien kannalta, joita on pienien valupoikkileikkauksien mekaanisessa testaamisessa, ja kun huomioidaan tällaisten testituloksien yleisesti hyväksytty laaja hajonta, ylläolevat tulokset osoittavat, että kaikki esimerkki metalliseokset 1-5 vastaavat hyväksyttäväs-30 ti tunnettuja lyijypitoisia tykkimetalleja LG1 ja LG2.

Lisäksi jokaisen työstettävyys on vertailukelpoinen LGl:n ja LG2:n kanssa, jokaisen saavutettaessa arvostelussa määreen "loistava" verrattuna BS 1400 (1985).

Lisäksi niiden juotettavuus tina/lyijy tai tina/ 35 kupari hienojuotteilla tai tina/hopea seoksilla so. näillä 10 yleensä putkialalla käytetyillä menetelmillä, on täysin tyydyttävää, ja on taas vertailukelpoinen juotettavuudessa LGl:n ja LG2:n kanssa.

Lopuksi jokaisen huomattiin olevan luonnostaan im-5 muuni sinkinkadolle, kuten BS 2872:ssa määriteltiin.

Lisäksi esimerkkiseokset 1 - 4 ja LG2 alistettiin samanlaisiin vetojännitystesteihin välillä 150 °C ja 350 °C muuttuvissa lämpötiloissa. Tulokset on annettu taulukossa VI.

10 Taulukko VI

Vetojännitystestit muuttuvissa lämpötiloissa

Testattava Lämpöt./°C Murtovenymä /% Kriittinen veto- seos no._jännitys N/mm2 15 1 250 16 177 300 4 121 _340_2_100_ 2 250 2 85 _300_4_79_ 20 3 200 5 140 250 2 107 _300_2_86_ 4 250 9 153 _300_2_92_ 25 LG2 250 4 156 _300_6_155_

Tulokset osoittavat, että tämän keksinnön mukaiset metalliseokset omaavat muuttuvissa lämpötiloissa LG2:n 30 kanssa vertailukelpoiset vetojännitysominaisuudet. Juomavesi sovellutuksissa vetojännitysominaisuudet muuttuvissa lämpötiloissa eivät tietenkään ole merkityksellisiä käytössä oleville komponenteille, sillä maksimi lämpötila joka käytännössä saavutetaan on n. 20 °C, vaikkakin täl-35 laisia komponentteja voidaan yhtä hyvin käyttää kuuma-

II

90998 11 vesihuollon sovellutuksissa, tällöinkin maksimi toimin-talämpötila ei todennäköisesti ylitä n. 70 °C.

Kuitenkin vetoj ännitysominaisuudet muuttuvissa lämpötiloissa tietyillä esitetyillä metalliseoksilla osoitta-5 vat kuumahaurautta, eli taipuvaisuutta elastisuuden vähenemiseen normaalien käyttölämpötilojen yläpuolella. Tällä on merkitystä valmistuksen kannalta ja erityisesti tämä tarkoittaa sitä, että tietyissä tapauksissa on toivottavaa, että valukappaleiden annetaan jäähtyä suhteellisen 10 hitaasti, jotta vältettäisiin valuvikojen muodostuminen komponentteihin.

Esimerkkiseos 6

Metalliseos, jolla on seuraava koostumus, (± 1 %:n tarkkuudella): 15 Kuparia 86,00 paino-%

Sinkkiä 7,70 paino-%

Tinaa 3,35 paino-%

Vismuttia 2,08 paino-%

Lyijyä 0,35 paino-% 20 Muita epäpuht. _0.52 paino-%

Yhteensä 100 % (painoprosentteina) sulatettiin 165,5 kg painavassa panoksessa ja valettiin vaippavaluna ja työstettiin 1358:an 15 mm x %" BSP taipeen välilevyke sovitteiksi (IMI Yorkshire Fittings Ltd's 25 "no. 15" sovitteiksi). Tällainen sovite koostuu yhdestä %" BSP naaraspuolisesta kierreosasta, yhdestä 15 mm putki-istukasta ja yhdestä suorasta välikelevystä, jolla sovite asennetaan esim. seinään. Muutamia tällaisia sovitteita asennettiin rutiininomaisesti testitarkoituksessa, ja so-30 viterungot, kierreliitokset ja putkijuotosliitokset olivat vuototiiviitä veden testipaineessa 5 bar. Lisäksi jokainen sovite (ja nimenomaan välikelevyn ja päärungon välinen liitos) oli hyväksyttävän luja.

Toinen 24,5 kg:n panos ylläolevaa metalliseosta 35 valettiin vaippavaluna ja koneistettiin 35:ksi 54 mm x 2" 12 BSP urospuolisiksi putkitaitesovitteiksi (IMI Yorkshire Fittings Ltd's "no. 13" sovitteiksi). Tällainen liitin muodostuu yhdestä 54 mm putki-istukasta ja yhdestä 2" PSB urospuolisesta kierreosasta. Sovitteet asennettiin rutii-5 ninomaisesti testitarkoituksessa ja rungot ja liitokset havaittiin vuototiiviiksi 5 baarin testipaineessa. Esimerkkiseos 7

Metalliseos, jolla oli seuraava koostumus (± 1 %:n tarkkuudella): 10 Kuparia 86,00 paino-%

Sinkkiä 7,25 paino-%

Tinaa 3,55 paino-%

Vismuttia 2,15 paino-%

Lyijyä 0,34 paino-% 15 Muita epäpuht. 0.71 paino-%

Yhteensä 100 % (painoprosentteina) sulatettiin samanlaisissa panoksissa esimerkin 7 metalli-seokseksi ja samat sovitteet valettiin vaippavaluina ja työstettiin. Samanlaiset hyvät vuototiiveys ja lujuusomi-20 naisuudet saavutettiin (5 baarin testipaineessa).

Esillä olevaan keksintöön liittyvien metalliseosten kupari + sinkki + tinapitoisuus on edullisesti vähintään 90 paino-%, edullisemmin vähintään 95 paino-%, ts. kuparin minimipitoisuus on edullisesti 63 paino-%, edullisemmin 68 25 paino-%. Edullisimmillaan kupari + sinkki + tinapitoisuus on n. 95,7 - 97,5 paino-%, mistä kuparisisältö on edullisimmillaan 80 - 90 paino-%.

Esillä olevaan keksintöön liittyvillä valumetalli-seoksilla, oleellisesti sulkien pois keksinnön piiriin 30 kuulumattomat seokset, jotka sisältävät pääasiassa Cu, Zn, Tn ja Bi, on kaikilla ominaisuudet jotka tekevät ne käyttökelpoisiksi valutuotannossa (erikoisesti käytettäessä hiekka- tai vaippamuotteja), ja, haluttaessa, myöhempään juomavesihuollon asennuskomponenttien työstämiseen. Yleen-35 säottaen kaikki poikkeamiset laajimmista koostumusrajoista 11 90998 13 johtavat yhden tai useamman edellä mainitun ominaisuuden selvään huononemiseen. Näin ollen jos Bi-pitoisuus on alle 1,5 paino-%, lastunmuodostus työstön aikana tuottaa tuloksena pitkiä kierukkalastuja, jotka ovat vaikeita poistaa 5 automaattisista lastuavista työstökoneista (toisin sanoen metalliseokset joissa on alle 1,5 paino-% vismuttia, eivät ole luokitukseltaan "erinomaisia", kuten BS 1400 määrää). Bi-pitoisuuden ollessa yli 7 paino-%, kuumahauraus valun aikana tulee ongelmaksi ja energian käyttö työstön aikana 10 kasvaa, mistä on osoituksena korkeammat työstövoimat ja parempien työstövälineiden tarve, so. taas tingitään BS 1400 mukaisesta luokituksesta "erinomainen".

Vähintään 5 paino-% sinkkiä on tarpeen, jotta voidaan vähentää vismuttikomponentin raerajailmiöitä, jotka 15 vaikuttavat merkittävän huonontavasti valujen lopullisiin mekaanisiin ominaisuuksiin. Yli 15 paino-%:n sinkkipitoi-suus aiheuttaa ei-hyväksyttävää huokoisuustason nousua, joka aiheuttaa huomattavaa taipumusta sinkkikatoon.

Vähintään 1 paino-% tinaa vaaditaan, jotta saavu-20 tetaan hyväksyttävä korroosionestokyky juomaveden yhteydessä ja seoksen riittävä juoksevuus valuprosessin aikana. Kuitenkin jos tinaa on yli 12 paino-%, muodostuu helposti metallien välillä faaseja, joilla on epäedullisia vaikutuksia metalliseoksen mekaanisiin ominaisuuksiin.

Claims

1. 1,5-7 paino-% vismuttia, 5-15 paino-% sinkkiä, 1-12 paino-% tinaa, ja loput, lukuunottamatta mah- 5 dollisia epäpuhtauksia ja pienempiä lisäainemääriä, kupa ria sisältävän metalliseoksen käyttö vedenjakelusysteemien komponentteihin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukaisen metalliseoksen, joka sisältää 1,5-5 paino-% vismuttia, käyttö patentti- 10 vaatimuksen 1 mukaisesti.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukaisen metalliseoksen, joka sisältää 2-3 paino-% vismuttia, käyttö patenttivaatimuksen 1 mukaisesti.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukaisen metal- 15 liseoksen, joka sisältää 5-12 paino-% sinkkiä, käyttö patenttivaatimuksen 1 mukaisesti.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukaisen metalliseoksen, joka sisältää 6-8 paino-% sinkkiä, käyttö patenttivaatimuksen 1 mukaisesti.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukaisen metal liseoksen, joka sisältää 2,5 - 5 paino-% tinaa, käyttö patenttivaatimuksen 1 mukaisesti.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukaisen metalliseoksen, joka sisältää 2 - 2,2 paino-% vismuttia, 7,1 - 25 7,8 paino-% sinkkiä ja 3,3 - 3,6 paino-% tinaa, käyttö patenttivaatimuksen 1 mukaisesti.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukaisen metalliseoksen, jonka epäpuhtauksien kokonaismäärä ei ylitä n. 1 paino-%, käyttö patenttivaatimuksen 1 mukaisesti.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukaisen metal liseoksen, jossa lyijyn määrä, mikäli lyijyä on läsnä, ei ylitä n. 0,4 paino-%, käyttö patenttivaatimuksen 1 mukaisesti .

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukaisen me- 35 talliseoksen, jossa lisäaineiden kokonaismäärä, mikäli I! 90998 lisäaineita on läsnä, ei ylitä n. 3 paino-%, käyttö patenttivaatimuksen 1 mukaisesti.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukaisen metalliseoksen, joka sisältää lisäaineena/epäpuhtautena enintään 2 paino-5 % nikkeliä, käyttö patenttivaatimuksen 1 mukaisesti.