Aleación de cobre de fácil mecanización, que consiste en del 71,

5 al 78,5 por ciento, en peso, de cobre; del2,0 al 4,5 por ciento, en peso, de silicio; del 0,005 por ciento y hasta pero menor que el 0,02 por ciento, en peso, deplomo; y el porcentaje restante, en peso, de zinc e impurezas inevitables, en la que el tanto por ciento en peso decobre y silicio en la aleación de cobre satisface la relación

61 - 50Pb ≤ X - 4Y + aZ ≤ 66 + 50Pb,

en la que

Pb es el tanto por ciento, en peso, de plomo,

X es el tanto por ciento, en peso, de cobre, e

Y es el tanto por ciento, en peso, de silicio, y en la que se satisfacen cada una de las siguientes relacionesadicionales:

30% ≤ fase ≤ del área de fase total de la aleación;

0% ≤ fase ß ≤ 5% del área de fase total de la aleación;

0% ≤ fase μ ≤ 20% del área de fase total de la aleación;

y

18-500(Pb)% ≤ fase κ + fase γ + 0,3 (fase μ) - fase ß ≤ 56+500 (Pb)% del área de fase total de la aleación.

Aleación de cobre de fácil mecanización que contiene muy bajo contenido en plomo

REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS

Esta solicitud está relacionada con la solicitud de patente estadounidense con n.º de serie 09/983.029, presentada el 27 de octubre de 1999, que a su vez es una continuación en parte de la solicitud de patente estadounidense con n.º de serie 09/403.834 presentada el 27 de octubre de 1999, solicitud que reivindica la prioridad de la solicitud japonesa n.º 10-287921, presentada el 9 de octubre de 1998. Esta solicitud está relacionada además con la solicitud de patente estadounidense con n.º de serie 09/987.173 presentada el 13 de noviembre de 2001, ahora patente estadounidense 6.413.330, cuya solicitud es una continuación en parte de la solicitud de patente estadounidense con n.º de serie 09/555.881, presentada el 8 de junio de 2000, solicitud que reivindica la prioridad de la solicitud japonesa n.º 10-288590, presentada el 12 de octubre de 1998.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1. Campo de la invención

La presente invención se refiere a aleaciones de cobre de fácil mecanización, tales como las usadas en todas las clases de industrias, pero especialmente a aleaciones usadas en el campo de proporcionar agua potable para el consumo humano.

2. Técnica relacionada

Entre las aleaciones de cobre con una buena trabajabilidad están las aleaciones de bronce tales como las que tienen la designación JIS H5111 BC6 y las aleaciones de latón tales como las que tienen las designaciones JIS H3250-C3604 y C3771. Estas aleaciones se potencian en trabajabilidad con la adición del 1, 0 al 6, 0 por ciento, en peso, de plomo de modo que se proporcionen resultados satisfactorios a escala industrial como aleaciones de cobre fáciles de trabajar. Debido a su trabajabilidad excelente, las aleaciones de cobre que contienen plomo han sido un material básico importante para una variedad de artículos tales como grifos para aguas municipales y válvulas y adaptadores metálicos para el suministro/drenaje de agua.

En esas aleaciones de cobre de fácil mecanización convencionales, el plomo no forma una disolución sólida en la matriz sino que se dispersa en forma granular, mejorando de ese modo la trabajabilidad de estas aleaciones. Para producir los resultados deseados, el plomo había tenido, hasta ahora, que añadirse en hasta el 2, 0 por ciento en peso o más. Si la adición de plomo en tales aleaciones es menor que el 1, 0 por ciento en peso, las virutas serán de forma espiral, tal como se muestra en la figura 1G. Las virutas espirales provocan diversos problemas tales como, por ejemplo, enmarañamiento con la herramienta de corte. Si, por otro lado, el contenido en plomo es del 1, 0 por ciento en peso o más y no mayor que el 2, 0 por ciento en peso, la superficie de corte será rugosa, aunque eso producirá algunos resultados tales como reducción de resistencia al corte. Es habitual, por tanto, que se añade el plomo en un grado de no menos del 2, 0 por ciento en peso. Algunas aleaciones de cobre expandidas en las que se requiere un alto grado de propiedad de corte se mezclan con un 3, 0 por ciento en peso o más de plomo. Además, algunas piezas coladas de bronce tienen un contenido en plomo de hasta un 5, 0 por ciento, en peso. La aleación que tiene la designación JIS H 5111 BC6, por ejemplo, contiene un 5, 0 por ciento en peso de plomo.

En las aleaciones que contienen un cierto tanto por ciento de plomo, se dispersan partículas de plomo finas en la estructura metálica. Durante el procedimiento de corte, puede concentrarse tensión sobre estas partículas de plomo blandas, finas. Por consiguiente, las virutas producidas cuando se corta son más pequeñas y la fuerza de corte es menor. Las partículas de plomo actúan como un rompevirutas, en estas circunstancias.

Mientras tanto, cuando se añaden del 2, 0 al 4, 5% de Si a aleaciones de Cu-Zn en un intervalo de composición y condiciones de producción dados, aparece (n) en la estructura metálica una o más de las fases K, Y, 1

o º ricas en Si aparte de la fase alfa. Entre estas fases, K, y, y J son duras y tienen propiedades totalmente diferentes de Pb. Sin embargo, cuando se está cortando, se concentra tensión sobre el área en la que están presentes estas tres fases de modo que estas fases también actúan como rompevirutas, reduciendo de ese modo la fuerza de corte requerida. Esto significa que aunque Pb y las fases K, y y J generadas en una aleación de Cu-Zn-Si tienen poco o nada en común en sus propiedades y/o características, todos rompen virutas, y como resultado, reducen la fuerza de corte requerida.

Aún así, la trabajabilidad mejorada de las aleaciones de Cu-Zn-Si que tienen fases K, Y y 1 no es suficiente, en algunos aspectos, en comparación con C83600 (latón rojo al plomo) , C36000 (latón de fácil mecanización) y C37700 (latón de forja) que contienen el 5%, el 3% y el 2% de plomo, en peso, respectivamente.

La aplicación de aleaciones mixtas de plomo se ha limitado mucho en los últimos años, debido a que el plomo contenido en las mismas es nocivo para los seres humanos como contaminante ambiental. Es decir, las aleaciones que contienen plomo representan una amenaza para la salud humana y la higiene ambiental debido a que el plomo va a parar al vapor metálico generado en las etapas de procesamiento de tales aleaciones a altas temperaturas, tales como durante la fusión y colada. También existe un peligro de que el plomo contenido en las válvulas, adaptadores metálicos del sistema de agua, etcétera, compuestos por estas aleaciones se disolverá en el agua potable.

Por estos motivos, los Estados Unidos y otros países avanzados han propuesto en los últimos años hacer más estrictas las normas para aleaciones de cobre que contienen plomo para limitar drásticamente el nivel admisible de plomo en aleaciones de cobre. En Japón, también, se ha restringido cada vez más el uso de aleaciones que contienen plomo, y ha habido una atención creciente para el desarrollo de aleaciones de cobre de fácil mecanización con un bajo contenido en plomo. No es necesario decir, que es deseable reducir el contenido en plomo tanto como sea posible.

Los avances recientes han reducido el contenido en plomo en aleaciones de cobre de fácil mecanización a tan sólo el 0, 02%, por ejemplo, tal como se describe en el documento US 2002-0159912 A1 (publicación de solicitud estadounidense n.º 10/287921) . Sin embargo, en vista de las fuertes preocupaciones públicas sobre el contenido en plomo, es deseable reducir el contenido en plomo aún más. Aunque las aleaciones sin plomo se conocen en la técnica, por ejemplo, tal como se describen en la patente estadounidense 6.413.330, el presente inventor ha encontrado que existen determinadas ventajas al tener pequeñas cantidades de plomo en la aleación.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Es un objeto de la presente invención proporcionar una aleación de cobre de fácil mecanización que contiene una cantidad extremadamente pequeña (es decir, el 0, 005 por ciento y hasta pero menor que el 0, 02 por ciento, en peso) de plomo como un elemento de mejora de la trabajabilidad. Es un objeto proporcionar una aleación que es excelente en trabajabilidad, aunque puede usarse como un sustituto seguro para aleaciones de cobre fáciles de cortar convencionales, que tienen un contenido en plomo relativamente grande. Es un objeto proporcionar una aleación que no presenta problemas de higiene ambiental mientras que permite la recirculación de las virutas, proporcionando así una respuesta oportuna a la atención creciente para la restricción de productos que contienen plomo. La presente invención logra estos resultados en determinadas realizaciones preferidas reconociendo y aprovechando un efecto sinérgico de combinar las fases K, y y J con pequeñas cantidades de Pb sobre la trabajabilidad de la aleación.

Es otro objeto de la presente invención proporcionar una aleación de cobre de fácil mecanización que tiene alta resistencia a la corrosión asociada con una trabajabilidad excelente y es adecuada como material básico para piezas de corte, piezas forjadas, piezas coladas y otros, teniendo así un valor práctico muy alto. Las piezas de corte, piezas forjadas, piezas coladas, etcétera, en las que puede emplearse la presente aleación, incluyen grifos para aguas municipales, adaptadores metálicos para suministro/drenaje de agua, contadores de agua, aspersores, juntas, válvulas... [Seguir leyendo]

1. Aleación de cobre de fácil mecanización, que consiste en del 71, 5 al 78, 5 por ciento, en peso, de cobre; del 2, 0 al 4, 5 por ciento, en peso, de silicio; del 0, 005 por ciento y hasta pero menor que el 0, 02 por ciento, en peso, de plomo; y el porcentaje restante, en peso, de zinc e impurezas inevitables, en la que el tanto por ciento en peso de cobre y silicio en la aleación de cobre satisface la relación

61. 50Pb : X - 4Y + aZ : 66 + 50Pb, en la que Pb es el tanto por ciento, en peso, de plomo, X es el tanto por ciento, en peso, de cobre, e Y es el tanto por ciento, en peso, de silicio, y en la que se satisfacen cada una de las siguientes relaciones

adicionales: 30% : fase a del área de fase total de la aleación; 0% : fase : 5% del área de fase total de la aleación; 0% : fase J : 20% del área de fase total de la aleación; y 18-500 (Pb) % : fase K + fase y + 0, 3 (fase J) - fase : 56+500 (Pb) % del área de fase total de la aleación.

2. Aleación de cobre de fácil mecanización, que consiste en del 71, 5 al 78, 5 por ciento, en peso, de cobre; del 2, 0 al 4, 5 por ciento, en peso, de silicio; el 0, 005 por ciento y hasta pero menor que el 0, 02 por ciento, en peso, de plomo; al menos un elemento seleccionado de entre el 0, 01 y el 0, 2 por ciento, en peso, de fósforo, el 0, 02 y el 0, 2 por ciento, en peso, de antimonio, el 0, 02 y el 0, 2 por ciento, en peso, de arsénico, el 0, 1 y el 1, 2 por ciento en peso, de estaño, y el 0, 1 y el 2, 0 por ciento, en peso, de aluminio; y el porcentaje restante, en peso, de zinc e impurezas inevitables, en la que el tanto por ciento en peso de cobre y silicio en la aleación de cobre satisface la relación

61. 50Pb : X - 4Y + aZ : 66 + 50Pb, en la que Pb es el tanto por ciento, en peso, de plomo, X es el tanto por ciento, en peso, de cobre, e Y es el tanto por ciento, en peso, de silicio, y aZ = a1Z1 + a2Z2 + aZ3Z3 + … en la que Z1, Z2, Z3, etc. son tantos por ciento, en peso, de elementos seleccionados de entre fósforo, antimonio,

arsénico, estaño y aluminio, y a1, a2, a3, etc. coeficientes determinados experimentalmente de los elementos seleccionados, en la que a es -3 cuando el elemento seleccionado es fósforo, a es 0 cuando el elemento seleccionado es antimonio, a es 0 cuando el elemento seleccionado es arsénico, a es -1 cuando el elemento seleccionado es estaño y a es -2 cuando el elemento seleccionado es aluminio, y en la que se satisfacen cada una de las siguientes relaciones adicionales:

30% : fase a del área de fase total de la aleación; 0% : fase : 5% del área de fase total de la aleación; 0% : fase J : 20% del área de fase total de la aleación; y 18-500 (Pb) % : fase K + fase y + 0, 3 (fase J) - fase : 56+500 (Pb) % del área de fase total de la aleación.

3. Aleación de cobre de fácil mecanización, que consiste en del 71, 5 al 78, 5 por ciento, en peso, de cobre; del 2, 0 al 4, 5 por ciento, en peso, de silicio; del 0, 005 por ciento y hasta pero menor que el 0, 02 por ciento, en peso, de plomo; al menos un elemento seleccionado de entre el 0, 01 y el 0, 2 por ciento, en peso, de fósforo, el 0, 02 y el 0, 2 por ciento, en peso, de antimonio, el 0, 02 y el 0, 15 por ciento, en peso, de arsénico, el 0, 1 y el 1, 2 por ciento, en peso, de estaño, y el 0, 1 y el 2, 0 por ciento, en peso, de aluminio; al menos un elemento seleccionado de entre el 0, 3 y el 4 por ciento, en peso, de manganeso, y el 0, 2 y el 3, 0 por ciento, en peso, de níquel de modo que el tanto por ciento total, en peso, de manganeso y níquel esté entre el 0, 3 y el 4, 0 por ciento, en peso; y el porcentaje restante, en peso, de zinc e impurezas inevitables, en la que el tanto por ciento en peso de cobre y silicio en la aleación de cobre satisface la relación

61. 50Pb : X - 4Y + aZ : 66 + 50Pb, en la que Pb es el tanto por ciento, en peso, de plomo, X es el tanto por ciento, en peso, de cobre, e Y es el tanto por ciento, en peso, de silicio, y

aZ = a1Z1 + a2Z2 + aZ3Z3 + …

en la que Z1, Z2, Z3, etc. son tantos por ciento, en peso, de elementos seleccionados de entre fósforo, antimonio, arsénico, estaño, aluminio, manganeso y níquel, y a1, a2, a3, etc. coeficientes determinados experimentalmente de los elementos seleccionados, en la que a es -3 cuando el elemento seleccionado es fósforo, a es 0 cuando el elemento seleccionado es antimonio, a es 0 cuando el elemento seleccionado es arsénico, a es -1 cuando el elemento seleccionado es estaño, a es -2 cuando el elemento seleccionado es aluminio, a es 2, 5 cuando el elemento seleccionado es manganeso y a es 2, 5 cuando el elemento seleccionado es níquel, y en la que se satisfacen cada una de las siguientes relaciones adicionales:

30% : fase a del área de fase total de la aleación;

0% : fase : 5% del área de fase total de la aleación;

0% : fase J : 20% del área de fase total de la aleación;

y

18. 500 (Pb) % : fase K + fase y + 0, 3 (fase J) - fase : 56+500 (Pb) % del área de fase total de la aleación.

4. Aleación de cobre de fácil mecanización, que consiste en del 71, 5 al 78, 5 por ciento, en peso, de cobre; del 2, 0 al 4, 5 por ciento, en peso, de silicio; del 0, 005 por ciento y hasta pero menor que el 0, 02 por ciento, en peso, de plomo; al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en del 0, 01 al 0, 2 por ciento, en peso, de bismuto, del 0, 03 al 0, 2 por ciento, en peso, de telurio, y del 0, 03 al 0, 2 por ciento, en peso, de selenio; y el porcentaje restante, en peso, de zinc e impurezas inevitables, en la que el tanto por ciento en peso de cobre y silicio en la aleación de cobre satisface la relación

61. 50Pb : X - 4Y + aZ : 66 + 50Pb, en la que Pb es el tanto por ciento, en peso, de plomo, X es el tanto por ciento, en peso, de cobre, e Y es el tanto por ciento, en peso, de silicio, y en la que se satisfacen cada una de las siguientes relaciones

adicionales: 30% : fase a del área de fase total de la aleación; 0% : fase : 5% del área de fase total de la aleación; 0% : fase J : 20% del área de fase total de la aleación; y 18-500 (Pb) % : fase K + fase y + 0, 3 (fase J) - fase : 56+500 (Pb) % del área de fase total de la aleación.

5. Aleación de cobre de fácil mecanización, que consiste en del 71, 5 al 78, 5 por ciento, en peso, de cobre; del 2, 0 al 4, 5 por ciento, en peso, de silicio; el 0, 005 por ciento y hasta pero menor que el 0, 02 por ciento, en peso, de plomo; al menos un elemento seleccionado de entre el 0, 01 y el 0, 2 por ciento, en peso, de fósforo, el 0, 02 y el 0, 2 por ciento, en peso, de antimonio, el 0, 02 y el 0, 2 por ciento, en peso, de arsénico, el 0, 1 y el 1, 2 por ciento en peso, de estaño, y el 0, 1 y el 2, 0 por ciento, en peso, de aluminio; al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en del 0, 01 al 0, 2 por ciento, en peso, de bismuto, del 0, 03 al 0, 2 por ciento, en peso, de telurio, y del 0, 03 al 0, 2 por ciento, en peso, de selenio; y el porcentaje restante, en peso, de zinc e impurezas inevitables, en la que el tanto por ciento en peso de cobre y silicio en la aleación de cobre satisface la relación

61. 50Pb : X - 4Y + aZ : 66 + 50Pb, en la que Pb es el tanto por ciento, en peso, de plomo, X es el tanto por ciento, en peso, de cobre, e Y es el tanto por ciento, en peso, de silicio, y

aZ = a1Z1 + a2Z2 + aZ3Z3 + …

en la que Z1, Z2, Z3, etc. son tantos por ciento, en peso, de elementos seleccionados de entre fósforo, antimonio, arsénico, estaño y aluminio, y a1, a2, a3, etc. coeficientes determinados experimentalmente de los elementos seleccionados, en la que a es -3 cuando el elemento seleccionado es fósforo, a es 0 cuando el elemento seleccionado es antimonio, a es 0 cuando el elemento seleccionado es arsénico, a es -1 cuando el elemento seleccionado es estaño y a es -2 cuando el elemento seleccionado es aluminio, y en la que se satisfacen cada una de las siguientes relaciones adicionales:

30% : fase a del área de fase total de la aleación;

0% : fase : 5% del área de fase total de la aleación;

0% : fase J : 20% del área de fase total de la aleación; y

18. 500 (Pb) % : fase K + fase y + 0, 3 (fase J) - fase : 56+500 (Pb) % del área de fase total de la aleación.

6. Aleación de cobre de fácil mecanización, que consiste en del 71, 5 al 78, 5 por ciento, en peso, de cobre; del 2, 0 al 4, 5 por ciento, en peso, de silicio; del 0, 005 por ciento y hasta pero menor que el 0, 02 por ciento, en peso, de plomo; al menos un elemento seleccionado de entre el 0, 01 y el 0, 2 por ciento, en peso, de fósforo, el 0, 02 y el 0, 2 por ciento, en peso, de antimonio, el 0, 02 y el 0, 15 por ciento, en peso, de arsénico, el 0, 1 y el 1, 2 por ciento, en peso, de estaño, y el 0, 1 y el 2, 0 por ciento, en peso, de aluminio; al menos un elemento seleccionado de entre el 0, 3 y el 4 por ciento, en peso, de manganeso, y el 0, 2 y el 3, 0 por ciento, en peso, de níquel de modo que el tanto por ciento total, en peso, de manganeso y níquel esté entre el 0, 3 y el 4, 0 por ciento, en peso; al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en del 0, 01 al 0, 2 por ciento, en peso, de bismuto, del 0, 03 al 0, 2 por ciento, en peso, de telurio, y del 0, 03 al 0, 2 por ciento, en peso, de selenio; y el porcentaje restante, en peso, de zinc e impurezas inevitables, en la que el tanto por ciento en peso de cobre y silicio en la aleación de cobre satisface la relación

61. 50Pb : X - 4Y + aZ : 66 + 50Pb,

en la que

Pb es el tanto por ciento, en peso, de plomo,

X es el tanto por ciento, en peso, de cobre, e

Y es el tanto por ciento, en peso, de silicio, y

aZ = a1Z1 + a2Z2 + a3Z3 + …

en la que Z1, Z2, Z3, etc. son tantos por ciento, en peso, de elementos seleccionados de entre fósforo, antimonio, arsénico, estaño, aluminio, manganeso y níquel, y a1, a2, a3, etc. coeficientes determinados experimentalmente de los elementos seleccionados, en la que a es -3 cuando el elemento seleccionado es fósforo, a es 0 cuando el elemento seleccionado es antimonio, a es 0 cuando el elemento seleccionado es arsénico, a es -1 cuando el elemento seleccionado es estaño, a es -2 cuando el elemento seleccionado es aluminio, a es 2, 5 cuando el elemento seleccionado es manganeso y a es 2, 5 cuando el elemento seleccionado es níquel, y en la que se satisfacen cada una de las siguientes relaciones adicionales:

30% : fase a del área de fase total de la aleación;

0% : fase : 5% del área de fase total de la aleación;

0% : fase J : 20% del área de fase total de la aleación; y

18. 500 (Pb) % : fase K + fase y + 0, 3 (fase J) - fase : 56+500 (Pb) % del área de fase total de la aleación.

7. Aleación de cobre de fácil mecanización según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, no conteniendo la aleación más del 0, 5 por ciento, en peso, de hierro como impureza.

8. Aleación de cobre de fácil mecanización según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, preparándose la aleación mediante un procedimiento que comprende la etapa de someter la aleación a un tratamiento térmico durante de 20 minutos a 6 horas a de 460ºC a 600ºC.

9. Aleación de cobre de fácil mecanización según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, incluyendo la

aleación (a) una matriz que comprende una fase alfa, y (b) una o más fases seleccionadas del grupo que consiste en una fase gamma y una fase kappa.

10. Aleación de cobre de fácil mecanización según la reivindicación 9, en la que la una o más fases, seleccionadas del grupo que consiste en una fase gamma y una fase kappa, se dispersan uniformemente en la matriz.

11. Aleación de cobre de fácil mecanización según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que una probeta redonda, formada a partir de una varilla extruida o como una pieza colada de la aleación, cuando se corta en una superficie circunferencial en una condición en seco mediante una herramienta de carburo de tungsteno, sin un rompevirutas, a un ángulo de inclinación de -6 grados y a un radio de la punta de 0, 4 mm, a una velocidad de corte de 60 a 200 m/min, una profundidad de corte de 1, 0 mm, y una velocidad de alimentación de 0, 11 mm/rev, produce

virutas que tienen una o más formas seleccionadas del grupo que consiste en una forma de arco, una forma acicular y una forma de chapa.

12. Aleación de cobre de fácil mecanización según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que una probeta redonda, formada a partir de una varilla extruida o como una pieza colada de la aleación, cuando se perfora en una condición en seco por un barrena de calidad de acero, que tiene un diámetro de barrena de 10 mm y longitud

de barrena de 53 mm, a un ángulo de hélice de 32 grados y un ángulo de la punta de 118 grados a una velocidad de corte de 80 m/min, una profundidad de perforación de 40 mm, y una velocidad de alimentación de 0, 20 mm/rev, produce virutas que tienen una o más formas seleccionadas del grupo que consiste en una forma de arco y una forma acicular.