MX2013004777A - Lingote bajo en plomo. - Google Patents

Abstract

Una composición para un lingote bajo en plomo que comprende principalmente cobre y que incluye estaño, zinc, azufre, fósforo, níquel. La composición puede contener manganeso. El lingote bajo en plomo, cuando se solidifica, incluye azufre o compuestos que contienen azufre tales como sulfuros distribuidos a través del lingote. La presencia y una distribución sustancialmente uniforme de estos compuestos de azufre imparte capacidad de maquinado mejorada y mejores propiedades mecánicas.

Description

LINGOTE BAJO EN PLOMO ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los materiales de plomería actuales típicamente se hacen de aleaciones de cobre que contienen plomo. Una formulación de aleación de latón estándar es referida en la técnica como C84400 o la aleación "81,3,7,9" (que consiste de 81% de cobre, 3% de estaño, 7% de plomo y 9% de zinc) (después en la presente la "aleación 81") . Mientras que ha existido una necesidad, debido a los problemas de salud y ambientales (como es dictado, en parte, por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos sobre el contenido de plomo máximo en aleaciones de cobre para aplicaciones de agua para beber) y también por razones de costo, reducir el plomo contenido en accesorios de plomería, la presencia del plomo ha continuado siendo necesaria para lograr las propiedades deseadas de la aleación. Por ejemplo, la presencia de plomo en una aleación de latón proporciona características mecánicas deseables y ayuda en el maquinado y terminado de la pieza fundida. La remoción simple del plomo o la reducción abajo de ciertos niveles sustancialmente degrada la capacidad de maquinado así como la integridad estructural de la pieza fundida y no es practicable.

La remoción o · reducción de plomo de las aleaciones de latón se ha intentado previamente. Tales intentos previos en la técnica de sustituir otros elementos en lugar del plomo han dado por resultado problemas mayores en el maquinado y el terminado en el proceso de fabricación, que incluye la fundición primaria, el maquinado primario, el maquinado secundario, la pulimentación, enchapado y ensamblaje mecánico.

Varias formulaciones bajas o sin plomo se han descrito previamente. Ver, por ejemplo, los productos vendidos bajo los nombres comerciales SeBiLOY® o EnviroBrass®, Federalloy® y Eco Brass® asi como las Patentes de los Estados Unidos 7,056, 396 y 6,413, 330. La Figura 1 es una tabla que incluye la formulación de varias aleaciones conocidas en base a su registro con la Asociación de Desarrollo de Cobre. La técnica existente para piezas fundidas a base de cobre bajas en plomo o sin plomo consiste en dos categorías mayores: materiales a base de silicio y materiales de bismufeo/selenio .

Sin embargo, hay una necesidad por una solución baja en plomo que proporcione una aleación de bajo costo con propiedades similares a las aleaciones de cobre/plomo actuales sin degradación de las propiedades mecánicas o propiedades químicas, así como interrupción significante al proceso de fabricación debido a que la sustitución de plomo en el material que causa problemas de la herramienta cortante y el terminado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Una modalidad de la invención se relaciona a un latón semi-rojo que tiene una composición de aproximadamente 83% a aproximadamente 91% de cobre, aproximadamente 0.1% a aproximadamente 0.8% de azufre, aproximadamente 2.0%' a aproximadamente 4.0% de estaño, menor que aproximadamente 0.09% de plomo, aproximadamente 4.0% a aproximadamente 14.0% de zinc y aproximadamente 1.0% a aproximadamente 2.0% de níquel.

Una modalidad de la invención se relaciona a un bronce de estaño que tiene una composición de aproximadamente 86% a aproximadamente 89% de cobre, aproximadamente 0.1% a aproximadamente 0.8% de azufre, aproximadamente 7.5% a aproximadamente 8.5% de estaño, menor que 0.09% de plomo, aproximadamente 1.0% a áproximadamente 5.0% de zinc y aproximadamente 1.0% de níquel.

Características adicionales, ventajas y modalidades de la presente descripción se pueden exponer de la consideración de la siguiente descripción detallada, dibujos y reivindicaciones. Por otra parte, se va a entender que tanto la breve descripción anterior de la presente descripción como la siguiente descripción detallada son ejemplares y se proponen para proporcionar explicación adicional sin limitar adicionalmente el alcance de la presente descripción reclamada.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Lo anterior y otros objetivos, aspectos, características y ventajas de la descripción llegarán a ser más evidentes y mejor entendidos por referencia a la siguiente descripción tomada en conjunción con los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 proporciona la Tabla 1 que lista formulaciones para varias aleaciones de cobre comerciales conocidas .

La Figura 2 proporciona la Tabla 2 que lista formulaciones para Grupos de Aleación de acuerdo con modalidades de la presente invención.

La Figura 3A proporciona la Tabla 3 que lista formulaciones de aleación para ejemplos de propiedad mecánica del Grupo I-A mediante su calentamiento de fundición respectivo. La Figura 3B proporciona la Tabla 4 que lista los resultados de la prueba de propiedad mecánica promedio del Grupo I-A mediante su calentamiento de fundición respectivo.

La Figura 4A proporciona la Tabla 5 que lista formulaciones de aleación para ejemplos de propiedad mecánica del Grupo I-B mediante su calentamiento de fundición respectivo. La Figura 4B proporciona la Tabla 6 que lista los resultados de la prueba de propiedad mecánica promedio del Grupo I-B.

La Figura 5A proporciona la Tabla 7 que lista las formulaciones de aleación para los ejemplos de propiedad mecánica del Grupo II-A mediante su calentamiento de fundición respectivo. La Figura 5B proporciona la Tabla 8 que lista los resultados de la prueba de propiedad mecánica promedio del Grupo II-A.

La Figura 6 proporciona la Tabla 9 que lista las propiedades típicas y mínimas observadas para modalidades de ciertos Grupos de Aleación de la presente invención y aquellas propiedades reportadas para aleaciones comercialmente disponibles tales como aquellas en la Tabla 1 (Figura 1) .

La Figura 7 proporciona la Tabla 10 que lista las composiciones de aleación utilizadas para la prueba SEM/EDS.

Las Figuras 8A y 8B ilustran el mapeo de elementos de azufre (0.16% de S) de la Aleación I-A-lOa.

La Figura 9A es un SEM de la Aleación I-A-10a; las Figuras 9B-H ilustran el mapeo de elementos; la Figura 9B es un EDS para Sn; la Figura 9C es un EDS para Zn; la Figura 9D es un EDS para Cu; la Figura 9E es una EDS para Fe; la Figura 9F es un EDS para Ni; la Figura 9G es un EDS para P; la Figura 9H es un EDS para S.

La Figura 10A es una micrografia de la aleación I- A-lOa, con las regiones 1, 2 y 3 marcadas; las Figuras 10B-D muestran la presencia de las fases intermetálicas Cu2S, ZnS y Cu-Zn: las Figura 10B es un espectro de EDS de la región 1; la Figura 10C es un espectro de EDS de la región 2; la Figura 10D es un espectro EDS de la región 3.

Las Figuras 11A-B son imágenes ópticas de la aleación I-A-10a en bajo (Figura 11A) y alto aumento (Figura 11B) .

La Figura 12A es un SE de la aleación IB-10A y 12B ilustra el mapeo de elementos de azufre en la aleación IB-10a (0.31% de S) .

La Figura 13A es un SEM de la aleación IB-10a; las Figuras 13B-H ilustran el mapeo de elementos en aumento lOOOx; la Figura 13B es un EDS para Sn; la Figura 13C es un EDS para Zn; la Figura 13D es un EDS para Cu; la Figura 13E es un EDS para el Fe; la Figura 13F es un EDS para Ni; la Figura 13G es un EDS para P; la Figura 13H es un EDS para S.

La Figura 14A es un SEM de la Aleación I-B-10b; (0.13% de S) ; las Figuras 14B-H ilustran el mapeo de elementos en aumento 5000x; la Figura 14B es un EDS para Si; la Figura 14C es un EDS para S; la Figura 14D es un EDS para Fe; la Figura^ 14E es un EDS para Cu; la Figura 14F es un EDS para Zn; la Figura 14G es un EDS para Sn: la Figura 14H es un EDS para Pb; la Figura 141 es un EDS para Ni.

Las Figuras 15A-B son imágenes ópticas de la Aleación I-B-10a (0.31% de S) en bajo (Figura 15A) y alto aumento (Figura 15B) .

Las Figuras 16A y 16B ilustran el mapeo de elementos de azufre en la aleación II-A-10a (0.30% de S) .

La Figura 17A es un SEM de la Aleación II-A-10a; las Figuras 17B-H ilustran el mapeo de elementos; la Figura 17B es un EDS para Sn; la Figura 17C es un EDS para Zn; la Figura 17D es un EDS para Cu; la Figura 17E es un EDS para Fe; la Figura 17F es un EDS para Ni; la Figura 17G es un EDS para P; la Figura 17H es un EDS para S.

La Figura 18A es un SEM de la aleación II-A-10b (0.19% de S) ; las Figuras 18B-I ilustran el mapeo de elementos en aumento lOOOx; la Figura 18B es un EDS para Si; la Figura 18C es un EDS para S; la Figura 18D es una EDS para Fe, la Figura 18E es una EDS para Cu; la Figura 18F es una EDS para Zn; la Figura 18G es una EDS para Sn; la Figura 18H es una EDS para Pb; la Figura 18 I es un EDS para Ni.

Las Figuras 19A-B son imágenes ópticas de la aleación II-A en bajo (Figura 19A) y alto aumento (Figura 19B) .

Las Figuras 20A y 20B ilustran el mapeo de elementos de azufre en la Aleación III-A (0.011% de S).

La Figura 21A es un SEM de la Aleación III-A; las Figuras 21B-H ilustran el mapeo de elementos; la Figura 21B es un EDS para Sn; la Figura 21C es un EDS para Zn; la Figura 2ID es un EDS para Cu; la Figura 2IE es una EDS para Fe, la Figura 2IF es un EDS para Ni; la Figura 21G es un EDS para P; la Figura 21H es un EDS para S.

Las Figuras 22A-B son imágenes ópticas de la Aleación III-A en bajo (Figura 22A) y alto aumento (Figura 22B) .

La Figura 23 es un diagrama de energía libre de azufre de sulfuros primarios formados en las aleaciones del Grupo I-A, I-B y II-A.

La Figura 24 es una sección vertical de diferentes aleaciones en las aleaciones de Cu-Sn-Zn-S.

La Figura 25A es un diagrama de distribución de fases de la aleación I-A-lla utilizando el enfriamiento Scheil, la Figura 25B es una parte aumentada del diagrama de distribución de fases que muestra las cantidades relativas de las fases secundarias.

La Figura 26A es un diagrama de distribución de fases de la aleación I-A-llb utilizando el enfriamiento Scheil, la Figura 26B es una parte aumentada del diagrama de distribución de fases que muestra las cantidades relativas de las fases secundarias.

La Figura 27A es un diagrama de distribución de fases de la aleación I-A-llc utilizando el enfriamiento Scheil, la Figura 27B es una parte aumentada del diagrama de distribución de fases que muestra las cantidades relativas de las fases secundarias.

La Figura 28A es un diagrama de distribución de fases de la aleación I-A-lld utilizando el enfriamiento Scheil, la Figura 28B es una parte aumentada del diagrama de distribución de fases que muestra las cantidades relativas de las fases secundarias.

La Figura 29A es un diagrama de distribución de fase de la aleación I-A-lle utilizando el enfriamiento Scheil, la Figura 29B es una parte aumentada del diagrama de distribución de fases que muestra las cantidades relativas de las fases secundarias.

La Figura 30A es un diagrama' de distribución de fase de la aleación C83470 comercial (Tabla 1, Figura 1) utilizando el enfriamiento Scheil, la Figura 30B es una parte aumentada del diagrama de distribución de fases que muestra las cantidades relativas de las fases secundarias.

La Figura 31 es el diagrama de fases de la sección vertical del Grupo I-A.

La Figura 32A es un diagrama de empalme de Fase Scheil del Grupo I-A, la Figura 32B es un diagrama de empalme de Fase Scheil aumentado del Grupo I-A.

La Figura 33 es una sección vertical del Grupo I-B.

La Figura 34A es un diagrama de empalme de Fase Scheil del Grupo I-B, la Figura 34B es un diagrama de empalme de Fase Scheil aumentado del Grupo I-B.

La Figura 35 es una sección vertical del Grupo II- A.

La Figura 36A es un diagrama de empalme de Fase Scheil del Grupo II-A, la Figura 36B es un diagrama de empalme de Fase Scheil aumentado del Grupo II-A.

La Figura 37 es una gráfica de la resistencia a la tensión final (UTS) que muestra varios calentamientos de la aleación del Grupo I-A comparado con varias aleaciones conocidas, indicado por su número CDA.

La Figura 38 es una gráfica de la resistencia a la deformación que muestra varios calentamientos de la aleación del Grupo I-A comparado con varias aleaciones conocidas, indicado por su número CDA.

La Figura 39 es una gráfica del alargamiento que muestra varios calentamientos de la aleación del Grupo I-A comparado con varias aleaciones conocidas, indicado por su número CDA.

La Figura 40 es una gráfica de la resistencia a la tensión final (UTS) que muestra varios calentamientos de la aleación del Grupo I-B comparado con varias aleaciones conocidas, indicado por su número CDA.

La Figura 41 es una gráfica de la resistencia de deformación que muestra varios calentamientos de la aleación del Grupo I-B comparado con varias aleaciones conocidas, indicado por su número CDA.

La Figura 42 es una gráfica del alargamiento que muestra varios calentamientos de la aleación del Grupo -I-B comparado con varias aleaciones conocidas, indicado por su número CDA.

La Figura 43 es una gráfica de la resistencia a la tensión final (UTS) que muestra varios calentamientos de la aleación del Grupo II-A comparado con varias aleaciones conocidas, indicado por su número CDA.

La Figura 44 es una gráfica de la resistencia de deformación que muestra varios calentamientos de la aleación del Grupo II-A comparado con varias aleaciones conocidas, indicado por su número CDA.

La Figura 45 es una gráfica del alargamiento que muestra varios calentamientos de la aleación de Grupo II-A comparado con varias aleaciones conocidas, indicado por su número CDA.

La Figura 46A ilustra los tamaños de partícula de sulfuro para un latón de azufre comercial, BiWalite™ (C83470) y la Figura 46B es una fotomicrografía que muestra el tamaño de partícula de la aleación del Grupo I-A (0.13 S - 4.45 Zn -3.63 Sn) .

El archivo de patente o de solicitud contiene por lo menos un dibujo ejecutado en color. Las copias de esta Patente o Publicación de Solicitud de Patente con dibujo (s) a color serán proporcionadas por la Oficina en la petición y pago de los derechos necesarios.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS En la siguiente descripción detallada, la referencia se hace a los dibujos acompañantes, que forman una parte de la misma. En los dibujos, símbolos similares típicamente identifican componentes similares, a menos que el contexto lo dicte de otra manera. Las modalidades ilustrativas descritas en la descripción detallada, dibujos y reivindicaciones no se proponen para ser limitantes. Otras modalidades pueden ser utilizadas, y otros cambios se pueden hacer, sin apartarse del espíritu o alcance del tema presentado aquí. Será fácilmente entendido que los aspectos de la presente descripción, como se describen generalmente en la presente., e ilustrados en las, figuras, se pueden arreglar, sustituir, combinar y diseñar en una amplia variedad de configuraciones diferentes, todas las cuales se contemplan explícitamente y hacen parte de esta descripción.

En una modalidad, la invención se relaciona a una composición de materia y métodos para hacerla. La composición de materia es una aleación a base de cobre que tiene un "bajo" nivel de plomo como sería entendido por uno de habilidad ordinaria en la técnica de dispositivos de cavidad que hacen contacto con agua potable, que incluye, por ejemplo, accesorios de plomería. El nivel de plomo está abajo de aquel que normalmente se utiliza para impartir las propiedades benéficas a la aleación necesaria para la utilidad en la mayoría de las aplicaciones, tal como la resistencia a la tensión, alargamiento, capacidad de maquinado y hermeticidad a la presión. Las alternativas sin plomo de la técnica previa al latón con plomo típicamente requieren cambios a la alimentación de metal para las piezas fundidas en arena con el fin de producir hermeticidad a la presión suficiente (tal como no tener porosidad del material) . Las aleaciones de la presente invención incluyen cantidades particulares de azufre, y en cierta modalidad, el azufre se adiciona a través de un método preferido, para impartir las propiedades benéficas perdidas por la reducción en el plomo.

Las aleaciones de la presente invención generalmente se relacionan a formulaciones de latón semi-rojo adecuado, estaño-bronce y latón amarillo. Ciertas modalidades se formulan para uso principalmente en aplicaciones de fundición en arena, aplicaciones de fundición en molde permanente o aplicaciones forjadas.

La Tabla 2 (Figura 2) ilustra un grupo de aleaciones de acuerdo con la presente invención. Cada una de las aleaciones se caracteriza, por lo menos en parte, por el bajo nivel relativo de plomo (aproximadamente 0.09% menos) y la presencia de azufre (aproximadamente 0.1% a 0.8%). Se proporcionan tres grupos de latón semi-rojo, etiquetados Aleación Grupo I-A, Aleación Grupo I-B y Aleación Grupo I-C. En una modalidad, estas aleaciones de latón semi-rojo son adecuadas para la fundición en arena. Se proporcionan tres grupos de estaño bronce, etiquetados Aleación Grupo II-A, Aleación Grupo II-B y Aleación Grupo II-C. En una modalidad, estas aleaciones de estaño bronce son adecuadas para fundición en arena. Se proporcionan seis grupos de latón amarillo, etiquetados Aleación Grupo III-A, Aleación Grupo III-B, Aleación Grupo III-C, Aleación Grupo IV-A, Aleación Grupo IV-B y Aleación Grupo IV-C. En una modalidad, las Aleaciones Grupo III son adecuadas para la fundición en molde permanente. En una modalidad, las aleaciones de la Aleación Grupo IV son adecuadas para aplicaciones forjadas.

Componentes de la aleación Las aleaciones de la presente invención comprenden cobre, zinc, estaño, azufre, níquel y fósforo. En ciertas modalidades, se incluyen uno o más de manganeso, zirconio, boro, titanio y/o carbono. Las modalidades, diferentes del latón amarillo forjado del Grupo IV, también incluyen uno o más de antimonio, estaño, níquel, fósforo, aluminio y silicio .

Las aleaciones, comprenden como un componente principal, cobre. El cobre proporciona las . propiedades básicas a la aleación, incluyendo propiedades antimicrobianas y resistencia a la corrosión. El cobre puro tiene una resistencia de deformación relativamente baja, y resistencia de tensión, y no es muy duro con relación a sus . clases de aleación comunes de bronce y latón. Por lo tanto, es deseable mejorar las propiedades del cobre para el uso en muchas aplicaciones a través de la formación de aleación. El cobre típicamente será adicionado como un lingote base. La pureza de la composición de lingote base variará dependiendo de la mina de fuente y el procesamiento de post minería. Por lo tanto, se debe apreciar que la química del lingote puede variar, de esta manera, en una modalidad, la química del lingote base se toma en cuenta. Por ejemplo, la cantidad de zinc en el lingote base se toma en cuenta cuando se determina cuanto . zinc adicionar agregar para llegar a la composición final deseada para la aleación. El lingote base debe ser seleccionado para proporcionar el cobre requerido para la aleación, mientras que se consideran los elementos secundarios en el lingote base y su presencia propuesta en la aleación final puesto que cantidades pequeñas de varias impurezas, tal como hierro, son comunes y no tienen efecto material sobre las propiedades deseadas.

El plomo típicamente se ha incluido como un componente en las aleaciones de cobre, particularmente para aplicaciones tal como plomería donde la capacidad de maquinado es un factor importante. El plomo tiene un bajo punto de fusión con relación a muchos de otros elementos comunes a las aleaciones de cobre. Como tal, el plomo, en una aleación de cobre, tiende a migrar a las áreas interdendríticas o de límite de grano a medida que se enfría la parte fundida. La presencia de plomo en las áreas interdendríticas o de límite de grano puede mejorar grandemente la capacidad de maqüinado y la hermeticidad a la presión. Sin embargo, en décadas recientes los impactos perjudiciales serios del plomo han hecho el uso de plomo en muchas aplicaciones de aleaciones de cobre indeseable. En particular, la presencia de plomo en las áreas interdendriticas o de limite de grano, la característica que es generalmente aceptada para mejorar la capacidad de maquinado, es, en parte, responsable para la facilidad indeseada con la cual el plomo pueden lixiviarse de una aleación de cobre.

El azufre se adiciona a las aleaciones de la presente invención para superar ciertas desventajas de la utilización de aleaciones de cobre con plomo. El azufre presente en el material fundido típicamente reaccionará con los metales de transición también presentes en el material fundido para formar sulfuros de metal de transición, por ejemplo, el sulfuro de cobre y el sulfuro de zinc se puede formar, o para modalidades donde está presente el manganeso, puede formar sulfuro de manganeso. La Figura 23 ilustra un diagrama de energía libre para varios sulfuros de metal de transición que pueden formarse en las modalidades de la presente invención. El punto de fusión para el sulfuro de cobre es de 1130 grados Celsius, 1185 grados Celsius para sulfuro de zinc, 1610 grados Celsius para sulfuro de manganeso y 832 grados Celsius para sulfuro de estaño. Así, sin limitar el alcance de la invención, en vista de la energía libre de formación, se cree que una cantidad significante de la formación de sulfuro será sulfuro de zinc para aquellas modalidades que no tienen manganeso. Se cree que los sulfuros que solidifican después de que el cobre ha llegado a solidificar, para de esta manera formar dendritas en el material fundido, se agregan en las áreas interdendríticas o límites de grano.

El azufre proporciona propiedades similares como el plomo impartiría a una aleación de cobre, sin los problemas a la salud asociados con el plomo. El azufre forma sulfuro que se cree que tienden a agregarse en las áreas interdendríticas o de límite de grano. La presencia de los sulfuros proporciona una ruptura en la estructura metálica y un punto para la formación de una astilla en la región límite de grano y mejora la lubricidad del maquinado, permitiendo la capacidad de maquinado total mejorada. Los sulfuros predominan en. las aleaciones de la presente invención para proporcionar lubricidad. La buena distribución de los sulfuros mejora la hermeticidad a la presión, así como, la capacidad de maquinado.

Se cree que la presencia del estaño en algunas modalidades incrementa la resistencia y dureza, pero reduce la ductilidad mediante el fortalecimiento de solución sólida y al formar la inferíase ínter metálica de Cu-Sn tal como Cu3Sn. Esto también incrementa la gama de solidificación. La fluidez de la fundición se incrementa con el contenido de estaño. El estaño también incrementa la resistencia a la corrosión. Sin embargo, actualmente el Sn es muy costoso con relación a los otros componentes.

Con respecto al zinc, se cree que la presencia de Zn es similar a aquella de Sn, pero a un grado menor, y en ciertas modalidades . aproximadamente 2% de Zn es aproximadamente equivalente a 1% de Sn con respecto a las mejoras mencionadas en lo anterior con respecto a las características mencionadas en lo anterior. El Zn incrementa la resistencia y dureza mediante el endurecimiento de solución sólida. Sin embargo, las aleaciones de Cu-Zn tienen un intervalo de congelación corto. El Zn es mucho menos costoso que el Sn.

Con respecto a ciertas modalidades, el hierro se puede considerar como una impureza recolectada de las barras de agitación, batidores, etc. durante las operaciones de fusión y vaciado, o como una impureza en el lingote base. Tales categorías de impureza no tienen efecto material sobre las propiedades de la aleación.

Para el latón rojo y bronces de estaño, el antimonio se puede considerar como una impureza en las aleaciones descritas. Típicamente, el antimonio se recolecta de marcas inferiores de estaño, desechos y pobre calidad de los lingotes y el desecho. Sin embargo, el antimonio se adiciona deliberadamente a latones amarillos en un molde permanente para incrementar la resistencia de dezincificación .

En algunas modalidades, el níquel se incluye para incrementar la resistencia y dureza. Además, el níquel ayuda en la distribución de las partículas de sulfuro en la aleación. En una modalidad, la adición de níquel ayuda al sulfuro a precipitar durante el proceso de enfriamiento de la fundición. La precipitación del sulfuro es deseable ya que los sulfuros suspendidos actúan como un sustituto al plomo para romper la astilla y la lubricidad del maquinado durante las operaciones de maquinado de post fundición. Con el contenido de plomo menor, se cree que el precipitado de sulfuro minimizará los efectos de capacidad de maquinado disminuida .

El fósforo se puede adicionar para proporcionar la desoxidación. La adición de fósforo reduce el contenido de gas en la aleación líquida. La remoción de gas generalmente proporciona piezas fundidas de más alta calidad al reducir el contenido de gas en la fusión y al reducir la porosidad en la aleación terminada. Sin embargo, el exceso de fósforo puede contribuir a la reacción del metal-molde que da origen a bajas propiedades mecánicas y piezas fundidas porosas.

El aluminio es, en algunas modalidades, tales como latones semi-rojos y bronces de estaño, tratado como una impureza. En tales modalidades, el aluminio tiene efectos perjudiciales sobre la hermeticidad a la presión y las propiedades mecánicas. Sin embargo, el aluminio en las piezas fundidas de latón amarillo puede selectivamente mejorar la fluidez de la fundición. Se cree que el aluminio favorece una estructura dendrítica muy fina en tales modalidades.

El silicio también se considera una impureza. En las fundiciones con múltiples aleaciones, los materiales a base de silicio pueden conducir a la contaminación de silicio en aleaciones que no contienen silicio. Una pequeña cantidad de silicio residual puede contaminar las aleaciones de latón semi-rojo, haciendo la producción de múltiples aleaciones casi imposible. Además, la presencia de silicio puede reducir las propiedades mecánicas de las aleaciones de latón semi-rojo.

El manganeso se puede adicionar en ciertas modalidades. El manganeso se cree que ayuda en la distribución de los sulfuros. En particular,, la presencia de manganeso se cree que ayuda en la formación de y retención de sulfuro de zinc en el material fundido. En una modalidad, una pequeña cantidad de manganeso se adiciona para mejorar la hermeticidad a la presión. En una modalidad, el manganeso se adiciona como MnS .

Ya sea zirconio o boro se puede adicionar individualmente (no en combinación) para producir una estructura de grano fino que mejora el terminado superficial de las piezas fundidas durante la pulimentación.

El carbono se puede adicionar en ciertas modalidades para mejorar la hermeticidad a la presión, reducir la porosidad y mejorar la capacidad de maquinado.

El titanio se puede adicionar en combinación con carbono, tal como en forma de grafito. Sin limitar el alcance de la invención, se cree que el titanio ayuda a unir las partículas de carbono con la matriz de cobre, particularmente-para grafito en bruto. Para modalidades que utilizan cobre recubierto con carbono, el titanio no puede ser útil para distribuir el carbono.

Características de la Aleación En una modalidad, una aleación de la presente invención solidifica de una manera tal que una multitud de partículas discretas de azufre/sulfuro se distribuyen- por toda esta en una manera generalmente uniforme por toda' la 1 pieza fundida. Estas partículas de azufre no metálicas sirven para mejorar la lubricidad y romper las astillas desarrolladas durante el maquinado de las partes fundidas en esta- nueva aleación, para de esta manera mejorar la capacidad de maquinado con una reducción significante o completa en la cantidad de plomo. Sin limitar el alcance de la invención, los sulfuros se creen que mejoran la lubricidad.

Las modalidades preferidas de la aleación descrita retienen las ventajas de capacidad de maquinado de las aleaciones actuales tal como la aleación "81" o una aleación con plomo similar. Además, se cree que debido a la relativa escasez de ciertos materiales involucrados, las modalidades preferidas de la aleación de lingote costarán consideradamente menos que aquellas de los latones aleados con bismuto y/o selenio que son actualmente apoyados para el reemplazo de aleaciones de latón con plomo, tal como "81". El azufre está presente en ciertas modalidades descritas en la presente como un sulfuro que es soluble en el material fundido, pero se precipita como un sulfuro durante la solidificación y el enfriamiento subsecuente de la aleación en una parte de pieza. Este azufre precipitado permite la capacidad de maquinado mejorada al servir como un rompedor de astillas similar a la función del plomo en aleaciones, tal como la "81" y en aleaciones de bismuto y selenio. En el caso de aleaciones de bismuto y/o selenio la formación de bismuturos o selenuros, junto con algo de bismuto metálico, realiza un objetivo similar como esta nueva aleación que contiene azufre. La mejora en la capacidad de maquinado puede mejorar una vida de la herramienta incrementada, superficies de maquinado mejoradas, fuerzas de la herramienta reducidas, etc. Esta nueva idea también se suministra a la industria con un latón/bronce bajo en plomo que en el ambiente de hoy en día se observa que cualquier número de autoridades reguladoras limitan por ley y la cantidad de plomo que puede • ser contenido en accesorios de plomería.

Además, las aleaciones a las cuales se ha adicionado plomo dan por resultado un incremento en el intervalo de temperatura sobre el cual ocurre la solidificación, normalmente haciendo más difícil producir una pieza fundida hermética a fugas, crítica en accesorios de plomería. Sin embargo, el plomo se segrega a las últimas regiones para solidificar y de esta manera sella la contracción interdendrítica y de límite de grano que ocurre. Este sellado de la porosidad interdendrítica o límite de grano no se realiza en las aleaciones que contienen azufre/sulfuro. Ni se realiza en las aleaciones de bismuto y/o selenio. Mientras que el bismuto es similar al plomo en la tabla periódica de los elementos, y se expande durante la solidificación, la cantidad de bismuto utilizada es pequeña comparada con la cantidad de plomo en las aleaciones convencionales, tal como la "81". El Bi está típicamente presente en aleaciones comerciales en la forma elemental.

Uno de habilidad ordinaria apreciará los beneficios adicionales más allá de las propiedades de desempeño de las presentes aleaciones. Comparado con el bismuto y el selenio las aleaciones de la presente invención utilizan elementos abundantemente encontrados, mientras que tanto el bismuto como el selenio están en un suministro relativamente limitado, y la conversión de piezas fundidas de latón a estos materiales significativamente incrementará la demanda para estos materiales de suministro limitado. Además, el bismuto tiene algunos problemas con la salud asociados con su uso en accesorios de plomería, en parte debido a su proximidad al plomo como un metal pesado en la tabla periódica. Además, en ciertas modalidades, las aleaciones de la presente invención utilizan un por ciento menor de cobre que las composiciones de bismuto y selenio en la técnica previa.

Beneficios de la Deformación Se ha observado que el uso del azufre como un sustituto para el plomo antes que el silicio proporciona "deformación por fusión" superior. Con el azufre, la deformación por fusión varía de 70 a 80% como es comparado con el silicio que puede deformarse 40 a 60% por fusión. Las aleaciones de latón con plomo normales se deforman 70 a 80% dependiendo de la eficacia del proceso. Como se puede apreciar por uno de habilidad ordinaria, tal incremento en la deformación refleja un costo sustancial de la diferencial de artículos. Por lo tanto, la capacidad de la instalación de fundición de metal se reduce significantemente utilizando los materiales a base de silicio. También, ciertas modalidades de la presente invención tienen un contenido de zinc menor que las aleaciones de la técnica previa a base de silicio que normalmente contienen arriba de 30% de zinc, que pueden conducir a fugas debido a la interacción del zinc y el agua que da por resultado corrosión. La menor cantidad de zinc, con relación a aquellas aleaciones a base de silicio, de la presente invención reduce la tendencia para la de-zincificación . Además, si típicamente el producto que es terminado con una superficie enchapada de cromo, los materiales a base de silicio requieren una porción de cobre o estaño antes del enchapado lo cual incrementa el costo del enchapado. Las aleaciones de la presente invención no requieren la etapa adicional (y sus costos asociados) para permitir el enchapado con cromo.

Proceso de Fusión En una modalidad, el grafito se coloca en el fondo del crisol antes del calentamiento. En una modalidad, se pueden utilizar crisoles de carburo de silicio o grafito de arcilla en las fusiones. Se cree que el uso del grafito reduce la pérdida de zinc durante el calentamiento sin llégar a ser sustancialmente incorporado en la aleación final. En una modalidad, aproximadamente dos vasos de grafito se utilizan para un crisol de capacidad de 90 a 95 libras. Para los ejemplos utilizados en la presente, un crisol B-30 se utilizó para las fusiones, que tiene una capacidad de 90 a 95 lbs de aleación.

En base a la formulación de aleación final deseada, el lingote base requerido se coloca en el crisol y se comienza el funcionamiento del horno. El lingote base, se lleva a una temperatura de aproximadamente 1,149 grados Centígrados (2,100 grados Fahrenheit) para formar un material fundido. En una modalidad se utiliza un horno caldeado con gas convencional, y en otro se utiliza un horno de inducción. El horno luego se apaga, es decir, el material fundido no se calienta por más tiempo. Luego los aditivos, excepto, en una modalidad, para azufre y fósforo, luego se sumergen en el material fundido entre 15 a 20 segundos para lograr los niveles deseados de Zn, Ni y Sn. Los aditivos comprenden los materiales necesarios para lograr la composición de la aleación deseada finál para un lingote base dado. En una modalidad, los aditivos comprenden formas elementales de los elementos para estar presentes en la aleación final. Luego una cantidad parcial de escoria se quita de la parte superior del material fundido.

El horno luego se lleva a una temperatura de aproximadamente 1,171 grados Centígrados (2,140 grados Fahrenheit)'. El horno luego se detiene y el aditivo de azufre se sumerge. Para ciertas modalidades que tienen fósforo adicionado, tal como para desgasificación del material fundido, el horno luego se recalienta. a una temperatura de aproximadamente 1,177 grados Centígrados (2,150 grados Fahrenheit) y el fósforo se sumerge en el material fundido como una aleación patrón de Cu-P. Enseguida, de preferencia toda la escoria se elimina de la parte superior, del crisol. Las piezas fundidas de la parte de atrás para la prueba de presión y evaluación de capacidad de maquinado y enchapado, botones, cuñas y mini lingotes para análisis químico, y barras de cinta para la prueba de tensión se vacian a aproximadamente 1149 (2100), aproximadamente 1116 (2040) y aproximadamente 1093°C (2000°F) , respectivamente. En una modalidad, el horno se caldea a aproximadamente 1171°C (2,140° Fahrenheit) para las Aleaciones de los Grupos I-A y I-B. En otra modalidad, el horno se caldea a aproximadamente 1121°C (2050° Fahrenheit) para la Aleación del Grupo II-A.

Prueba/Ejemplos La prueba de capacidad de maquinado descrita en la presente solicitud se realizó utilizando el siguiente método. Las partes en piezas se maquinaron mediante un Centro de Giro CNC, de 2 ejes, alimentado con refrigerante. La herramienta cortante fue un inserto de carburo. La capacidad de maquinado se basa en una relación de energía que se utilizó durante el giro en el Centro de Giro CNC mencionado en lo anterior. La fórmula de cálculo se puede escribir como sigue: CF = (Ei / E2) 100 CF = Fuerza Cortante Ei = Energía utilizada durante el giro de la Nueva Aleación.

E2 = Energía utilizada durante el giro de una aleación "conocida" C 36000 (CDA) .

Velocidad de alimentación = .005 IPR Velocidad del Husillo = 1,500 RPM Profundidad del Corte = Profundidad Radial del Corte = 0.097cm (0.038 pulgadas) Un medidor eléctrico se utilizó para medir la tracción eléctrica, mientras que la herramienta cortante estuvo bajo carga. Esta tracción se capturó por medio de la medición de miliamperios .

Propiedades Mecánicas Se probaron las propiedades mecánicas de varias modalidades de las presentes aleaciones. Las Figuras 3A-6 corresponden a las formulaciones probadas específicas y los resultados correspondientes para la Aleación Grupo I-A, aleación Grupo I-B y Aleación Grupo II-A.

Las Figuras 3A y 3B corresponden a las formulaciones probadas específicas y los resultados correspondientes para la Aleación Grupo I-A. Ocho calentamientos de muestra, preparado de acuerdo con el proceso anterior para lograr una aleación Grupo I-A, se probaron para la resistencia de tensión final ("UTS"), resistencia de deformación ("YS") , por ciento de alargamiento ("E%"), dureza Brinnell ( "BHN" ) , y Módulo de Elasticidad ("MoE") . El promedio para las ocho aleaciones de Aleación Grupo I-A fue 40.25 ksi para la resistencia de tensión final, 17.1 ksi para la resistencia de deformación, 47 para el por ciento de alargamiento, 63 para la dureza Brinnell, y 13.5 psi para el Módulo de Elasticidad.

Las Figuras 4A y 4B corresponden a las formulaciones probadas especificas y los resultados correspondientes para la Aleación Grupo I-B. Siete calentamientos de muestra, preparados de acuerdo con el proceso anterior para lograr una aleación Grupo I-B, se probaron para la resistencia de tensión final, resistencia de deformación, por ciento de alargamiento, dureza Brinnell, y Módulo de Elasticidad. El promedio para las siete aleaciones de Aleación Grupo I-B fue 31.8 ksi para la resistencia de tensión final, 17.5 ksi para resistencia de deformación, 32 para por ciento de alargamiento, 64 para dureza Brinnell y 13.8 para el Módulo de Elasticidad.

Las Figuras 5A y 5B corresponden a las formulaciones probadas especificas y los resultados correspondientes para la Aleación Grupo II-A. Ocho calentamientos de muestra, preparados de acuerdo con el proceso anterior para lograr una aleación Grupo II-A, se probaron para la resistencia de tensión final, resistencia de deformación, por ciento de alargamiento, dureza Brinnell y Módulo de Elasticidad. El promedio para las ocho aleaciones de Aleación Grupo II-A fue 43.8 ksi para la resistencia de tensión final, 23 ksi para la resistencia de deformación, 27 para por ciento de alargamiento, 80 para dureza Brinnell y 15.0 Mpsi para el Módulo de Elasticidad.

La Tabla 9 (Figura 6) ilustra el intervalo de propiedades mecánicas determinadas experimentalmente para aleaciones de la presente invención, asi como para varias aleaciones comerciales conocidas.

Estos resultados indican que los valores ÜTS mínimos y típicos para la aleación I-A son más altos por 50%, 18% y 34% para el mínimo y 30%, 9% y 12% para el típico con respecto a las aleaciones C89520, C89836, y C83470, respectivamente. De manera similar, el E% es más alto por 550%, 95% y 129% para el mínimo y 370%, 57% y 88% para el típico con respecto a C89520, C89836, C83470 respectivamente. El YS de I-A es más alto por 8% sobre la Biwalite™ (C83470) .

Con respecto a I-B, estos valores son 40%, 11% y 26% para el UTS mínimo, 24%, 4% y 7% para el UTS típico; 350%, 35% y 59% para E% mínimo y 220%, 7% y 28% para E% típico con respecto a las aleaciones C89520, C89836 y BiWalite™ (C83470) respectivamente.

Las Figuras 37 a 45 ilustran la variación entre varios calentamientos dentro de cada uno del Grupo I-A (Figuras 37 a 39), Grupo I-B (Figuras 40 a 42) y el Grupo II-B (Figuras 43 a 45) . También se proporcionan datos mecánicos para tres aleaciones comercialmente disponibles, C84400 (representado como--— ) C89836 (representado como —) y C89520 (representado como- - -) para propósitos de comparación. Los datos para los grupos de Aleación respectivos de la presente invención se muestran como puntos conectados por una linea sólida.

Considerando el Grupo I-A, la Figura 37 muestra que el UTS observado fue consistente más alto que las aleaciones comerciales. La Figura 38 muestra que el YS observado fue consistentemente más alto que todas las aleaciones comerciales, excepto C89520, una aleación que . contiene el elemento raro costoso bismuto. La Figura 39 muestra que el alargamiento observado fue consistentemente mucho más alto que todas las aleaciones comerciales. El alargamiento exhibió variabilidad del calentamiento al calentamiento para el Grupo I-A.

Considerando el Grupo I-B, la Figura 40 muestra que el UTS observado fue consistentemente más alto que las aleaciones comerciales. La Figura 41 muestra que el YS observado fue consistentemente más alto que todas las aleaciones comerciales, nuevamente, excepto C89520, una aleación que contiene el elemento raro costoso bismuto. La Figura 42 muestra que el alargamiento observado fue consistentemente más alto que todas las aleaciones comerciales. El alargamiento exhibió variabilidad significante del calentamiento al calentamiento para el Grupo I-B.

Las aleaciones del Grupo II-A también se compararon con la aleación con plomo C90300 (representada como "") , además de las aleaciones comerciales utilizadas como se discutió previamente. Considerando el Grupo II-A, la Figura 43 muestra que el UTS observado fue consistentemente más alto que las aleaciones comerciales, incluyendo ligeramente más alto que C90300. La Figura 44 muestra que el YS observado fue consistentemente más alto que todas las aleaciones comerciales incluyendo C89520. La Figura 45 muestra que el alargamiento observado fue consistentemente más alto que todas las aleaciones comerciales. El alargamiento exhibió variabilidad significante de calentamiento a calentamiento para el Grupo II-A.

Análisis con Microscopio Electrónico de Exploración ¦La Tabla 10 (Figura 7) lista las composiciones de cinco aleaciones de la presente invención. Aleación IA-10, Aleación IB-10, Aleación II-A-10, Aleación II-B-10 y Aleación III-A-10 que se analizaron utilizando un microscopio electrónico de exploración equipado con espectroscopia dispersiva de energía (SEM/EDS) . Una muestra de cada aleación en la Tabla 10 se montó, preparada metalográficamente de acuerdo con los métodos conocidos y luego se examinó tanto ópticamente y utilizando SEM/EDS. Para comparación, la aleación Biwalite™ (C83470) se fundió y se vació bajo condiciones similares a la aleación I-A y se utilizó para la evaluación y comparación de la microestructura .

Las Figuras 8A y 8B ilustran el mapeo de elemento de azufre en la Aleación IA-10 (0.16% S) . La Figura 9A es un SE de la aleación IA-10; las Figuras 9B-H ilustran el mapeo de elementos; la Figura 9B es un EDS para Sn; la Figura 9C es un EDS para Zn; la Figura 9D es un EDS para Cu; la Figura 9E es un EDS para Fe; la Figura 9F es un EDS para Ni; la Figura 9G es un EDS para P; la Figura 9H es un EDS para S. La Figura 10A es una micrografía de la aleación IA-10a, con las regiones 1, 2, y 3 marcadas; las Figuras 10B-D muestran la presencia de las fases intermetálicas Cu2S, ZnS y Cu-Zn: la Figura 10B es un espectro de EDS de la región 1; la Figura 10D es un espectro de EDS de la región 2; la Figura 10D es un espectro de EDS de la región 3. Las Figuras 11A-B son imágenes ópticas de la aleación de IA-10a en bajo (Figura 11A) y alto aumento (Figura 11B) . Los elementos se observan ampliamente distribuidos excepto para azufre, que aparece recolectado en lo que se cree que son áreas interdéntricas o limites de grano.

Las Figuras 12A y 12B ilustran el mapeo de elementos de azufre en la aleación I-B-10 (0.31% S) . La Figura 13A es un SEM de la aleación I-B-10; las Figuras 3B-H ilustran mapeo de elementos; la Figura 13B es un EDS para Sn; la Figura 13C es un EDS para Zn: la Figura 13D es un EDS para Cu; la Figura 13E es un EDS para Fe; la Figura 13F es un EDS para Ni; la Figura 12G es un EDS para P; la Figura 13H es un EDS para S. La Figura 14A es un SEM de la aleación I-B-10b; las Figuras 14B-H ilustran el mapeo de elementos en aumento 5000x; la Figura 14B es un EDS para Si; la Figura 14C es un EDS para S; la Figura 14D es un EDS para Fe; la Figura 14E es un EDS para Cu; la Figura 14F es un EDS para Zn; la Figura 14G es un EDS para Sn; la Figura 14H es un EDS para Pb; la Figura 141 es un EDS para Ni. Las Figuras 15A-B son imágenes ópticas de la aleación IB-10a en bajo (Figura 15A) y alto aumento (Figura 15B) . Los elementos se observan ampliamente distribuidos excepto para el azufre, que aparece recolectado en lo que se cree que son áreas interdéntricas o limites de grano. La fracción de volumen más alta de los sulfuros es evidente debido al alto contenido de azufre. Algunos de estos sulfuros son ZnS, como es evidente en los datos de EDS. Estos sulfuros son más finos que aquellos observados en BiWalite™ (C83470), ver la Figura 46A. También son evidentes la presencia de las fases intermetálicas Cu-Zn.

Las Figuras 16A y 16B ilustran el mapeo de elementos de azufre en Aleación II-A (0.30% S) . La Figura 17A es una SEM de la Aleación II -A; las Figuras 17B-H ilustran el mapeo de elementos; la Figura 15B es un EDS para Sn; la Figura 17C es un EDS para Zn; la Figura 17D es un EDS para Cu; la Figura 21E es un EDS para Fe; la Figura 17F es un EDS para Ni; la Figura 17G es un EDS para P; la Figura 17H es un EDS para S. La Figura 18A es un SEM de la Aleación II-A-10b (0.19% S) ; las Figuras 18B-H ilustran el mapeo de elementos en aumento lOOOx; la Figura 18B es un EDS para Si; la Figura 18C es un EDS para S; la Figura 18D es un EDS para Fe; la Figura 18E es un EDS para Cu; la Figura 18F es un EDS para Zn; la Figura 18G es un EDS para Sn; la Figura 18H es un EDS para Pb; la Figura 181 es un EDS para Ni. Las Figuras 19A-B son imágenes ópticas de la Aleación II-A en bajo (Figura 19B) y alto aumento (Figura 19A) . Los elementos se observan ampliamente distribuidos excepto para el azufre, que aparece recolectado en lo que se cree que son áreas interdéntricas o limites de grano. Estas figuras muestran la presencia de Cu2S, ZnS y las fases intermetálicas de Cu-Sn y Cu-Zn.

Las Figuras 20A y 20B ilustran, el mapeo de elementos del azufre en Aleación III-A (0.011% S) . La Figura 21A es un SEM de la Aleación III-A; las Figuras 121B-H ilustran el mapeo de elementos; la Figura 21B es un EDS para Sn; la Figura 21C es un EDS para Zn; la Figura 21D es un EDS para Cu; la Figura 21E es un EDS para Fe; la Figura 21F es un EDS para Ni; la Figura 21G es un EDS para P; la Figura 21H es un EDS para S. Las Figuras 22A-B son imágenes ópticas de la Aleación III-A en bajo (Figura 22A) y alto aumento (Figura 22B) . Los elementos se observan ampliamente distribuidos excepto- para el azufre, que aparece recolectado en lo que se cree que son áreas interdéntricas o límites de grano.

Análisis de Fase La información de fase se recolectó para las aleaciones en la Tabla 11. Las Aleaciones I-A-l hasta I-A-5 y las Aleaciones I-B-l y II-A-1 se formularon y se hicieron de acuerdo con la presente invención. La aleación C83470 es una aleación conocida cuya composición completa se lista en la Tabla 1 (Figura 1) . Las aleaciones I-B-11A y II-A-lla son composiciones nominales para la Aleación Grupos I-B y II-A respectivamente. Para comparación, la composición nominal de las aleaciones comercialmente disponible C84000 y C83470 (Biwalite™) también se incluyen en la Tabla 11.

Tabla 11 Composiciones de Aleación para el análisis de Fase Con el fin de entender los mecanismos de fortalecimiento en estas aleaciones, los diagramas de fase de los sistemas Cu-Zn-Sn-S con y sin Mn se determinaron •utilizando las condiciones de enfriamiento tanto de equilibrio como no equilibrio (enfriamiento Scheil) . Se debe observar que la fundición en arena generalmente corresponde al enfriamiento de no equilibrio. Las fases presentes en estas aleaciones se han estudiado utilizando las secciones verticales de los sistemas multicomponentes .

El análisis hecho utilizando técnicas convencionales se realizó para determinar la cantidad relativa de las fases presentes a temperatura ambiente en las aleaciones de la Tabla 11. En un primer estudio de fase, las cinco formulaciones especificas de Aleación Grupo I-A se probaron para observar la variación en las fases dentro de un Grupo de la Aleación. Una aleación comercial conocida, C83470, también se estudió como una referencia. La Tabla 12 lista como un porcentaje, las fases para cada aleación. La C83470 exhibe menos de la fase Beta que las aleaciones del Grupo I-A o II-A.

Tabla 12 Cantidad relativa de las fases presentes a temperatura ambiente Figura 24 gráfica la posición de las aleaciones de la tabla 12 en un diagrama de fase de cobre/zinc/estaño. Las aleaciones proceden del porcentaje más alto de cobre y zinc a la izquierda a el cobre y zinc más bajo a la derecha. Un diagrama de distribución de fase de I-A-lla (Figuras 25A y 25B) I-A-llb (Figuras 26? y 26B) , I-A-llc (Figuras 27A y 27B) , I-A-lld ' (Figuras 28 A y 28B) , I-A-lle (Figuras 29A y 29B) utilizando el enfriamiento Scheil se muestra. Las Figuras 25 A y 25B, las Figuras 31, 32A y 32B corresponden a la aleación de I-A-12f. Figuras 33, 34A y 34B corresponden a la aleación I-B-12a. Las Figuras 35, 36A y 36B corresponden a la aleación II-A-12a. Las cantidades relativas del material fundido que tiene FCC, liquido, BCCi, BCC2, Cu2S y Cu3Sn en relación a la temperatura se muestra en las Figuras 26A, 26B 27A y 27B (aumentado en 26B y 27B para mostrar la distribución de las fases secundarias) .

Las Figuras 30A-30B ilustran una serie similar de distribuciones de fase como las Figuras 25A-29, pero para una aleación comercial existente, C83470. La Figura 30A es un diagrama de distribución de fase de la aleación C83470 utilizando el enfriamiento Scheil. La Figura 30B es una parte aumentada del diagrama de distribución de fase que muestra las cantidades relativas de fases secundarias.

Los diagramas de distribución de fase muestran la fase que puede ser esperada y la temperatura en la cual comienza a aparecer. La cantidad relativa de cada fase también se puede estimar de estos diagramas. La Tabla 12 se basa en estos diagramas lo cual muestra que para el enfriamiento de no equilibrio, es la fase ß (BCC1) (que es un compuesto intermetálico de Cu y Zn) que contribuye . a la resistencia de las aleaciones. Sin embargo, la resistencia se incrementa a expensas de la ductilidad. Las aleaciones Sloan Green muestran altas resistencia y ductilidad. Su alta ductilidad puede ser debido a la buena calidad del material fundido, bajo contenido de gas y buena homogeneidad. La distribución más fina de sulfuros también contribuye a la alta resistencia y alta ductilidad además de contribuir a la hermeticidad de presión y capacidad de maquinado.

Tabla 13 : Estudio de Liquidus Procedimiento : La investigación térmica de los sistemas se realizó utilizando una Calorimetría de Exploración Diferencial de DSC-2400 Setaram Setsys. La calibración de temperatura de la DSC se hizo utilizando 7 metales puros: In, Sn, Pb, Zn, Al, Ag y Au que abarca el intervalo de temperatura de 156 a 1065°C. Las muestras se cortaron y se pulieron mecánicamente para remover cualquiera de las capas de superficie contaminadas posibles. Después, se limpiaron con etanol y se colocaron en un crisol de grafito con una cubierta de tapa para limitar la evaporación posible y proteger el aparato. Para evitar la oxidación, la cámara de análisis se evacuó a 10~2 mbar y luego se inundó con argón. Las mediciones de DSC se llevaron a cabo bajo atmósfera de argón fluyente. Se probaron tres réplicas de cada muestra. El peso de la muestra fue 62~78 mg.

La muestra se calentó de la temperatura ambiente a 1080°C. Luego se enfrió a 800°C y se mantuvo a esa temperatura durante 10 minutos, 600 s. Esto es llamado "primer ciclo de calentamiento y enfriamiento". En el segundo y tercer ciclos la muestra se calentó a 1080°C y luego se enfrió a 800°C dos veces. Finalmente la muestra se enfrió abajo de la temperatura ambiente. Una velocidad de constante de 5°C/min se utilizó para todo el calentamiento y el enfriamiento. Un experimento de linea de base, con dos crisoles de grafito vacío se corrió utilizando el mismo programa experimental. La línea de base se sustrajo para todas las corridas. El análisis para temperaturas y entalpias se llevó, a cabo en los termogramas ajustados con línea de base .

Los resultados del segundo y tercer ciclos se utilizaron para determinar los parámetros térmicos relevantes, específicamente la Tinici0 de fusión, la prinCipi0 de solidificación y Tpic0 de fusión y solidificación, asi también, la entalpia, E, de fusión y de solidificación. Usualmente, Tinici0 (calentamiento) y Tpico (enfriamiento) se tomaron como la Ts (solidus) y Ti (liquidus) .

Los resultados del estudio de liquidus (Tabla 13) indican que la introducción de sulfuros aparece para reducir las temperaturas de liquidus y los intervalos de congelación en comparación con las aleaciones con plomo. En el grupo A-I de aleaciones, a medida que se incrementa el contenido de Zn, disminuye la temperatura de liquidus y el intervalo de congelación .

Con respecto a los intervalos de congelación, Biwalite™ (C83470) tiene un intervalo de congelación medio. Las aleaciones de la Tabla 13 tienen un intervalo de congelación amplio. En contraste, con Biwalite™ (C83470, se puede esperar un tubo profundo en "el elevador que puede extenderse a . la pieza fundida para producir porosidad de contracción. Con las aleaciones de intervalo de congelación amplio, la porosidad se puede distribuir bien en la pieza fundida. Además, se puede minimizar/eliminar al utilizar el diseño de elevación apropiado y/o al utilizar enfriamiento de metal. En una manera, las aleaciones I-A, I-B y II-A de la Tabla 13 pueden ser menos susceptibles a la porosidad de contracción. Esto conduciría a mejores valores de resistencia y alargamiento como son observados.

Tamaño de Partícula de Sulfuro Tabla 14 Aleaciones para el Estudio de Tamaño de Partícula Tabla 15 Tamaños de Partícula Se hizo un estudio de los tamaños de partículas de sulfuro de las aleaciones en la Tabla 14 así como aleaciones seleccionadas en la Tabla 10. La Tabla 15 lista los tamaños de partícula mínimos, máximos y promedio para las aleaciones. Además, los tamaños de partícula se revisaron para dos aleaciones comerciales, C83470 y C90300. Las aleaciones de la presente invención proporcionan, en promedio, un tamaño de partícula más pequeño que C83470 y un tamaño de partícula mínimo pequeño que la aleación comercial C90300. Las Figuras 46?-46? ilustran fotomicrografías de la C83470 comercial comparada con una aleación Grupo I-B (I-B-14a) .

La descripción anterior de modalidades ilustrativas se ha presentado para propósitos de ilustración y de descripción. No se propone para ser exhaustiva o limitante con respecto a la forma precisa descrita, y modificaciones y variaciones son posibles en vista de las enseñanzas anteriores o se pueden adquirir de la práctica de las modalidades descritas. Se propone que el alcance de la invención sea definido por las reivindicaciones adjuntas a la presente y sus equivalentes.

Claims (25)

REIVINDICACIONES

1. Una composición de aleación, caracterizada porque comprende: un contenido de cobre de aproximadamente 83% a aproximadamente 91%; un contenido de azufre de aproximadamente 0.1% a aproximadamente 0.8%; un contenido de estaño de aproximadaménte 2.0% a aproximadamente 4.0%; un contenido de plomo de menor que aproximadamente 0.09%; un contenido de zinc de aproximadamente 4.0% a aproximadamente 14.0%; y un contenido de níquel de aproximadamente 1.0% a aproximadamente 2.0%

2. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende menor que 0.1% de hierro.

3. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende menor que 0.02% de antimonio.

4. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.05% de fósforo.

5. La composición de aleación de conformidad la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.005% de aluminio.

6. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende menor que 0.005% de silicio.

7. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1,„ caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.01% y aproximadamente 0.7% de manganeso.

8. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.2% de zirconio.

9. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.2% de boro.

10. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.1% y aproximadamente 0.7% de manganeso.

11. Una composición de aleación, caracterizada porque comprende: un contenido de cobre de aproximadamente 86% a aproximadamente 89%; un contenido de azufre de aproximadamente 0.1% a aproximadamente 0.8%; un contenido de estaño de aproximadamente 7.5% a aproximadamente 8.5%; un contenido de plomo de menor que 0.09%; un contenido de zinc de 1.0% a aproximadamente 5.0%; y un contenido de níquel de aproximadamente de 1.0%.

12. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende menor que 0.02% a aproximadamente 0.2% de hierro.

13. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende menor que 0.02% de antimonio.

1 . La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.05% de fósforo.

15. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.005% de aluminio.

16. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende menor que 0.005% de silicio.

17. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.1% y aproximadamente 0.7% de manganeso.

18. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.2% de zircón.

19. La composición de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.2% de boro.

20. La composición ,de aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende aproximadamente 0.1% y aproximadamente 0.7% de manganeso.

21. Un método para producir una aleación de cobre de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende : calentar un lingote base a una temperatura de aproximadamente 1,149 grados Centígrados (2,100 grados Fahrenheit) para formar un material fundido; detener el calentamiento del material fundido y sumergir los aditivos, excepto para el azufre, en el material fundido entre 15 y 20 segundos; eliminar por lo menos una cantidad parcial de la escoria del material fundido; calentar el material fundido a una temperatura de aproximadamente 1,171 grados Centígrados (2,140 grados Fahrenheit) ; detener el calentamiento del material fundido y sumergir el azufre en el material fundido; calentar el material fundido a una temperatura de aproximadamente 1,177 grados Centígrados (2,150 grados Fahrenheit) ; y y remover la escoria del material fundido.

22. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque además comprende colocar grafito en el fondo de un crisol antes del calentamiento del lingote base en el crisol.

23. El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque el crisol se calienta utilizando un horno caldeado con gas.

24. El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque el crisol se calienta utilizando un horno de inducción y en donde el material fundido se somete a agitación inductiva.

25. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque además comprende sumergir fósforo en el material fundido después del sumergimiento del azufre.