BRPI0516067B1 - Liga de cobre/zinco/silício, e seu processo de produção - Google Patents
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Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "LIGA DE COBRE/ZINCO/SILÍCIO, E SEU PROCESSO DE PRODUÇÃO". A presente invenção se refere a uma liga de cobre-zinco-silício e ao uso e produção de uma liga de cobre-zinco-silício desse tipo.
Uma necessidade prioritária das ligas de cobre-zinco-silício é que elas sejam resistentes à dezincificação e sejam usináveis. Até aqui, bo- as propriedades de usinabilidade de ligas de latão desse tipo têm sido al- cançadas com a adição de chumbo, conforme descrito, por exemplo, na EP 1 045 041 A1. Recentemente, entretanto, foram desenvolvidas ligas de latão isentas de chumbo com boas propriedades de usinabilidade, conforme descrito, por exemplo na EP 1 038 981 A1 e na DE 103 08 778 B3. Tanto as ligas de Cu-Zn-Si isentas de chumbo quanto as que contêm chumbo têm uma tendência de serem oxidadas e formar uma camada de carepa a tem- peraturas entre 300Ό e 800Ό. Essa camada de carep a é apenas levemen- te aglutinada ao metal e pode facilmente ser retirada do mesmo, de forma que é então dispersa através dos equipamentos de produção, com o resul- tado de que esta camada tem um efeito contaminante destruidor. A limpeza dos equipamentos de produção é onerosa, tornando altos os custos de pro- dução. Uma outra desvantagem das ligas Cu-Zn-Si conhecidas é que as propriedades mecânicas do material mudam para peças de trabalho longas, uma vez que o material carece de homogeneidade.
Em vista desses fatos, a presente invenção é portanto baseada no problema do fornecimento de uma liga de cobre-zinco-silício que seja me- lhorada em termos de sua homogeneidade e, além disso, seja menos pro- pensa à formação de carepa, e forneça o uso e produção de uma liga de latão desse tipo. O primeiro objetivo, em relação à liga, é alcançado de acordo com a invenção por uma liga de cobre-zinco-silício compreendendo, em % em peso, 70 a 80% de cobre, 1 a 5% de silício, 0,0001 a 0,5% de boro, 0 a 0,2% de fósforo e/ou arsênico, o zinco remanescente mais as inevitáveis impurezas. O teor de cobre está entre 70 e 80%, uma vez que um teor de cobre de menos de 70% ou acima de 80% teria um efeito adverso nas pro- priedades de usinagem da liga. O mesmo se aplica se a concentração de silício sair da faixa indicada de 1% a 5%. A concentração de boro na liga está entre 0,0001 e 0,5%. Surpreendentemente, foi agora descoberto que a adição de boro dentro da faixa de concentração reivindicada por um lado reduz a formação de carepa e por outro lado melhora significativamente a aglutinação da carepa restante ao material. Além disso, é também surpreen- dente que a adição de boro melhore a homogeneidade da microestrutura e portanto evite flutuações nas propriedades mecânicas. O fósforo e o arsêni- co podem estar presentes cada um na liga em uma concentração de até 0,2%, e podem ser substituídos um pelo outro. O fósforo e o arsênico têm um efeito benéfico na formação da microestrutura lingotada inicial e nas pro- priedades de corrosão, e além disso melhoram as propriedades de fluxo do fundido e reduzem a susceptibilidade à fratura por corrosão por estresse. O principal componente remanescente da liga é zinco.
Em adição às vantagens listadas acima de evitar as camadas fa- cilmente destacáveis de carepa que aumentam os custos de produção e me- lhorar as propriedades mecânicas e, além disso, são fornecidas boas propri- edades de usinagem e propriedades de conformação em combinação com uma alta resistência à corrosão, a resistência à dezincificação e à fratura por corrosão por estresse são também particularmente pronunciadas na inven- ção. Os testes de dezincificação executados de acordo com a ISO 6509 dá profundidades de dezincificação de apenas até 26 pm. O segundo objetivo, em relação ao uso de uma liga de cobre- zinco-silício desse tipo, é alcançado por seu uso para componentes de en- genharia elétrica, para componentes de louças sanitárias, para recipientes para transporte ou armazenagem de líquidos ou gases, para componentes de carga torcidos, para componentes recicláveis, para componentes forjados a martelo mecânico, para produtos semi-acabados, para tiras, para folhas, para seções perfiladas, para chapas ou como uma liga fundida, laminada ou lingotada. A liga Cu-Zn-Si é usada para contatos, pinos ou elementos de segurança na engenharia elétrica, por exemplo como contatos estacionários ou contatos fixos, inclusive conexões de fixação e ligação ou contatos de ligação. A liga tem uma alta resistência à corrosão em relação ao meio lí- quido e gasoso. Além disso, é extremamente resistente à dezincificação e à fratura por corrosão por estresse. Conseqüentemente, a liga é particular- mente adequada para uso para recipientes para transporte ou armazenagem de líquidos ou gases, em particular para recipientes usados na refrigeração ou para tubos, conexões para água, extensões de válvulas, conectores de tubos e válvulas em louças sanitárias.
As baixas taxas de corrosão também asseguram que a lixiviação de metal, isto é, a propriedade de perda dos constituintes de ligação através da ação de meio líquido ou gasoso, é inerentemente baixa. A esse respeito, o material é adequado para áreas de aplicação que requeiram baixas emis- sões de poluentes para proteger o ambiente. Portanto, a liga conforme a in- venção pode ser usada no campo de componentes recicláveis. A carência de susceptibilidade à fratura por corrosão por estres- se significa que a liga é recomendada para uso em conexões aparafusadas ou grampeadas nas quais por razões técnicas são armazenadas altas ener- gias elásticas. Portanto, a liga é particularmente adequada para todos os componentes que sejam submetidos a cargas de tensão e/ou de torção, em particular para porcas e parafusos. Após a conformação a frio, o material alcança altos valores para a prova de estresse. Conseqüentemente, maiores torques de aperto podem ser realizados em conexões aparafusadas que não devem ser deformados plasticamente. A razão do limite de elasticidade da liga Cu-Zn-Si é menor que no caso do latão livre de usinagem. Conexões aparafusadas que sejam apertadas apenas uma vez e no processo sejam deliberadamente prolongadas alcançam portanto forças de manutenção par- ticularmente altas.
Usos possíveis da liga de Cu-Zn-Si resultam em materiais de partida tanto na forma de tubo quanto na forma de tiras. A liga é também eminentemente adequada para tiras, folhas e chapas que possam ser fresa- das ou puncionadas, em particular para chaves, talhados, para propósitos decorativos ou para aplicações de tiras de terminais ("leadframe"). O terceiro objetivo relativo à produção de uma liga de cobre- zinco-silício desse tipo é alcançado pelo lingotamento contínuo convencional e laminação a quente a uma temperatura entre 600 e 760°C com a subse- qüente deformação, em particular laminação a frio, preferivelmente com a adição de etapas de recozimento e deformação. O objetivo relativo à produção de uma liga cobre-zinco-silício desse tipo é também alcançado pelo lingotamento contínuo convencional e por extrusão até 760°C, preferivelmente entre 650 e 680°C, seguido por res- friamento ao ar.
Em um refino vantajoso da liga Cu-Zn-Si, a liga compreende 75 a 77% de cobre, 2,8 a 4% de silício e 0,001 a 0,1% de boro, bem como 0,03 a 0,1% de fósforo e/ou arsênico, bem como zinco como elemento remanes- cente mais as inevitáveis impurezas.
Em uma alternativa preferida, a liga cobre-zinco-silício compre- ende pelo menos um elemento, em % em peso, selecionado do grupo con- sistindo em 0,01 a 2,5% de chumbo, 0,01 a 2% de estanho, 0,01 a 0,3% de ferro, 0,01 a 0,3% de cobalto, 0,01 a 0,3% de níquel e 0,01 a 0,3% de man- ganês. A adição de chumbo tem uma influência positiva nas propriedades de usinagem. A liga nesse caso compreende vantajosamente pelo menos um elemento, em % em peso, selecionado do grupo consistindo em 0,01 a 0,1% de chumbo, 0,01 a 0,2% de estanho, 0,01 a 0,1% de ferro, 0,01 a 0,1% de cobalto, 0,01 a 0,1% de níquel e 0,01 a 0,1% de manganês.
Em um refino preferido, a liga Cu-Zn-Si em adição compreende pelo menos um elemento, em % em peso, dentre até 0,5% de prata, até 0,5% de alumínio, até 0,5% de magnésio, até 0,5% de antimônio, até 0,5% de titânio e até 0,5% de zircônio, e preferivelmente selecionado do grupo consistindo em 0,01 a 0,1% de prata, 0,01 a 0,1% de alumínio, 0,01 a 0,1% de magnésio, 0,01 a 0,1% de antimônio, 0,01 a 0,1% de titânio e 0,01 a 0,1% de zircônio.
Em uma alternativa vantajosa, a liga Cu-Zn-Si em adição com- preende pelo menos um elemento, em % em peso, selecionado do grupo consistindo em até 0,3% de cádmio, até 0,3% de cromo, até 0,3% de selê- nio, até 0,3% de telúrio e até 0,3% de bismuto, preferivelmente selecionado do grupo consistindo em 0,01-0,3% de cádmio, 0,01-0,3% de cromo, 0,01- 0,3% de selênio, 0,01-0,3% de telúrio e 0,01-0,3% de bismuto.
Uma modalidade exemplar é explicada em mais detalhes com referência ao desenho e com referência à descrição a seguir.
Nos desenhos: a Figura 1 - mostra a formação de uma camada de carepa após o recozimento por 2 h a 600°C em uma liga CuZn21Si3P sem adição de bo- ro (a), uma liga CuZn21Si3P contendo 0,0004% de boro (b), e uma liga CuZn21Si3P contendo 0,009% de boro (c), e a Figura 2 - mostra a formação da microestrutura lingotada de uma liga CuZn21Si3P sem a adição de boro (a), uma liga CuZn21Si3P com 0,0004% de boro (b), e de uma liga CuZn21Si3P contendo 0,009% de boro (c).
As ligas CuZn21Si3P, nas quais a modalidade exemplar é base- ada, têm variações nas concentrações dos componentes, com o cobre so- mando entre 75,8 e 76,1%, o silício somando entre 3,2 e 3,4% e o fósforo somando entre 0,07 e 0,1 %, juntamente com o zinco como o elemento re- manescente mais as inevitáveis impurezas. Os exemplos de liga têm diferen- tes teores de boro, de 0%, 0,004% e 0,009%. As ligas são produzidas por lingotamento contínuo seguido pela extrusão a temperaturas abaixo de 760°C, preferivelmente entre 650 e 680°C, seguido de resfriamento rápido.
Todas as ligas têm excelente resistência à dezincificação. Um teste de dezincificação executado de acordo com a ISO 6509 revela profun- didades de dezincificação de apenas menos de 26 pm.
Se as ligas CuZn21Si3P são expostas a temperaturas de 300- 800°C, por exemplo durante o trabalho a quente, a carepa é formada, e essa carepa pode tornar-se facilmente descolada e contamina os equipamentos de produção. Uma superfície extensivamente com carepa de uma liga CuZn21Si3P isenta de boro é ilustrada na Figura 1a. A superfície do espé- cime parece predominantemente acinzentada na Figura 1a. Essa cor cinza revela a superfície com escala da liga CuZn21Si3P. Apenas uns poucos pontos de brilho individual sem qualquer distribuição regular são visíveis na superfície da liga. Em contraste, a liga CuZn21Si3P com um teor de boro de 0,0004% na Figura 1b tem um número muito maior de pontos brancos na superfície da liga que a liga isenta de boro. Esses pontos brancos represen- tam regiões de brilho metálico da liga. Essas regiões de brilho metálico, isto é, regiões sem qualquer carepa, são distribuídas uniformemente pela super- fície da liga. A proporção da superfície na qual a carepa foi formada é consi- deravelmente reduzida e a carepa remanescente é mais firmemente aderida ao metal que no caso da liga isenta de boro. A Figura 1c ilustra uma liga CuZn21Si3P contendo 0,009% de boro. Essa figura mostra claramente que o número de superfícies metálicas brilhantes, isto é, de pontos brancos, também aumentou. Em algumas áreas, há regiões contínuas relativamente grandes de material metálico brilhante, e a figura também revela uma distri- buição muito regular na superfície da liga. A proporção da superfície na qual foi formada a carepa também diminuiu, e a carepa remanescente é agrega- da seguramente ao metal. Portanto descobriu-se surpreendentemente que baixas concentrações de boro de 0,0001 - 0,5% restringem a formação de carepa nas ligas Cu-Zn-Si e ao mesmo tempo aumentam consideravelmente a aglutinação da carepa ao metal, com o resultado de que uma contamina- ção indesejável dos equipamentos de produção é evitada.
Um resultado similar foi também descoberto para ligas Cu-Zn-Si- P com diferentes teores de chumbo, tais como, por exemplo, 0,01 %, 0,05%, 0,1% ou 2,5%.
Em adição à redução da susceptibilidade à formação de carepa das ligas Cu-Zn-Si, o boro tem também um efeito positivo nas propriedades mecânicas, uma vez que o boro torna a microestrutura da liga mais homo- gênea. Essa mudança na microestrutura da liga está ilustrada na Figura 2 como uma função das concentrações de boro. Enquanto uma liga CuZn21Si3P sem adição de boro tem uma microestrutura bruta, não- homogênea, (Figura 2a), uma liga CuZn21Si3P contendo 0,0004% de boro tem uma microestrutura significativamente mais homogênea que já tem ta- manhos de grão muito uniformes (Figura 2b). Um outro aumento no teor de boro para 0,009% resulta em uma liga CuZn21Si3P ainda mais uniforme de homogeneidade ainda maior, na qual os grãos da microestrutura não podem mais ser vistos a olho nu (Figura 2c).
Em adição às mudanças óticas para a microestrutura, a adição de boro também tem efeitos benéficos nas propriedades mecânicas. Isto é particularmente aparente em varas que tenham sido extrudadas a partir de ligas Cu-Zn-Si. Para determinar as propriedades mecânicas, foram tomadas amostras no início e no fim de tais varas. O limite de resistência à tração de uma vara feita de uma liga CuZn21Si3P sem a adição de boro difere em mais de 60 N/mm2 no início da vara se comparado com o fim da vara. Uma liga correspondente com um teor de boro de 0,0004%, em contraste, tem uma diferença de limite de resistência à tração de apenas menos de 40 N/mm2 entre o início e o fim da vara. Se for adicionado 0,009% de boro a uma liga CuZn21Si3P, a diferença no limite de resistência à tração entre o início e o fim da vara é de menos de 5 N/mm2.
Portanto, o material tem propriedades mecânicas idênticas por toda a sua extensão. Conseqüentemente, uma resistência uniforme é alcan- çada sobre todo o comprimento extrudado. A razão para isso é a ação de refinamento de grão do boro. A tabela mostra a relação entre o teor de boro de uma liga Cu- Zn-Si e a homogeneidade crescente da microestrutura da liga ou as diferen- ças decrescentes na resistência dentro das peças de trabalho extrudadas.
Claims (7)
1. Liga Cu-Zn-Si, caracterizada pelo fato de que compreende, em % em peso: 70 a 80% de cobre, 1 a 5% de silício, 0,0001 a 0,5% de boro, e 0 a 0,2% de fósforo e/ou arsênico, o restante sendo zinco mais as inevitáveis impurezas.
2. Liga Cu-Zn-Si, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende, em % em peso: 75 a 77% de cobre, 2,8 a 4% de silício, 0,0001 a 0,01% de boro, e 0,03 a 0,1% de fósforo e/ou arsênico.
3. Liga Cu-Zn-Si, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracte- rizada pelo fato de que compreende, em adição, pelo menos um elemento, em % em peso, selecionado do grupo consistindo em: 0,01 a 2,5% de chumbo, 0,01 a 2% de estanho, 0,01 a 0,3% de ferro, 0,01 a 0,3% de cobalto, e 0,01 a 0,3% de manganês.
4. Liga Cu-Zn-Si, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que compreende, em adição, pelo menos um elemento, em % em peso, selecionado do grupo consistindo em: 0,01 a 0,1% de chumbo, 0,01 a 0,2% de estanho, 0,01 a 0,1% de ferro, 0,01 a 0,1% de cobalto, e 0,01 a 0,1% de manganês.
5. Liga Cu-Zn-Si, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 4, caracterizada pelo fato de que compreende, em adição, pelo menos um elemento, em % em peso, selecionado do grupo consistindo em: até 0,5% de prata, até 0,5% de alumínio, até 0,5% de magnésio, até 0,5% de antimônio, até 0,5% de titânio, e até 0,5% de zircônio, preferivelmente do grupo consistindo em: 0,01 a 0,1% de prata, 0,01 a 0,1% de alumínio, 0,01 a 0,1% de magnésio, 0,01 a 0,1% de antimônio, 0,01 a 0,1% de titânio, e 0,01 a 0,1% de zircônio.
6. Liga Cu-Zn-Si, de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 5, caracterizada pelo fato de que compreende, em adição, pelo menos um elemento, em % em peso, selecionado do grupo consistindo em: até 0,3% de cádmio, até 0,3% de cromo, até 0,3% de selênio, até 0,3% de telúrio, e até 0,3% de bismuto, preferivelmente do grupo consistindo em: 0,01 a 0,3% de cádmio, 0,01 a 0,3% de cromo, 0,01 a 0,3% de selênio, 0,01 a 0,3% de telúrio, e 0,01 a 0,3% de bismuto.
7. Processo para produção de uma liga Cu-Zn-Si, como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de ser pelo lingotamento contínuo convencional e pela extrusão a uma temperatura de até 76013, preferivelmente, entre 65013 e 68013, seguid o de resfriamento ao ar.
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