ITBS20130119A1 - COPPER ALLOY INCLUDING GRAPHITE - Google Patents
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Classifications
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- C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
Description
I0140881/GN TITOLARE: ALMAG S.P.A. I0140881 / GN OWNER: ALMAG S.P.A.
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Forma oggetto della presente invenzione una lega di 5 rame, in particolare un ottone essenzialmente privo di piombo e contenente grafite. The subject of the present invention is an alloy of copper 5, in particular a brass essentially lead-free and containing graphite.
Negli ottoni tradizionali (contenenti una base di Rame e Zinco) è presente una certa percentuale di Piombo, aggiunto appositamente per incrementare la lavorabilità 10 della lega. In particolare, per “lavorabilità” si intende la produzione di truciolo corto durante la lavorazione all’utensile, una minore usura dell’utensile e un impiego per le lavorazioni anzidette di macchine con potenze installate ridotte. In traditional brasses (containing a copper and zinc base) there is a certain percentage of lead, added specifically to increase the machinability 10 of the alloy. In particular, "workability" means the production of short chips during tool processing, less tool wear and use for the aforementioned machining of machines with reduced installed power.
15 A seguito di nuove normative ambientali, la quantità di piombo nella lega deve essere ridotta o eliminata: il piombo presente nell’ottone risulta infatti ad elevata tossicità a contatto con acqua potabile. 15 Following new environmental regulations, the amount of lead in the alloy must be reduced or eliminated: the lead present in brass is in fact highly toxic in contact with drinking water.
Stanno quindi conoscendo una notevole diffusione gli 20 ottoni senza piombo. Tuttavia, eliminando semplicemente il piombo dalla lega si ottiene un ottone binario ramezinco (Cu-Zn) che, per la sua plasticità, si lavora con difficoltà alle macchine utensili, ove si “impasta” e forma trucioli lunghi a causa della continuità 25 microstrutturale della lega. The 20 lead-free brasses are therefore experiencing a notable diffusion. However, by simply eliminating the lead from the alloy, a copper-zinc (Cu-Zn) binary brass is obtained which, due to its plasticity, is difficult to work with on machine tools, where it "mixes" and forms long shavings due to the microstructural continuity of the League.
Pertanto, la rimozione del piombo dall’ottone a causa della sua tossicità implica anche la perdita delle proprietà positive legate alla presenza di piombo nella lega, con la conseguenza di notevoli difficoltà di 5 lavorazione del materiale. Therefore, the removal of lead from brass due to its toxicity also implies the loss of the positive properties linked to the presence of lead in the alloy, with the consequence of considerable difficulties in processing the material.
All’ottone binario rame-zinco è quindi necessario aggiungere ulteriori elementi che ne migliorino la lavorabilità. It is therefore necessary to add additional elements to the copper-zinc binary brass to improve its workability.
Nel settore si riscontra pertanto la necessità di 10 ottenere un ottone essenzialmente privo di piombo, che abbia le stesse caratteristiche di lavorabilità delle leghe con piombo, le stesse caratteristiche richieste al prodotto finale in termini di proprietà massive e qualità superficiale, e che non dia problemi di 15 carattere ambientale. Therefore, in the sector there is a need to obtain a brass that is essentially lead-free, which has the same workability characteristics as leaded alloys, the same characteristics required of the final product in terms of massive properties and surface quality, and which does not cause problems. of 15 environmental character.
Scopo della presente invenzione è di risolvere i problemi dell’arte nota tenendo conto delle necessità del settore. The purpose of the present invention is to solve the problems of the known art taking into account the needs of the sector.
In particolare, scopo della presente invenzione è 20 quello di realizzare un ottone essenzialmente privo di piombo che abbia proprietà confrontabili con la lega al piombo e sia inoltre facilmente riciclabile nel processo di fabbricazione. In particular, the object of the present invention is 20 that of realizing an essentially lead-free brass which has properties comparable to the lead alloy and is also easily recyclable in the manufacturing process.
Tale scopo è raggiunto da una lega di rame in accordo 25 con la rivendicazione 1, e dal relativo metodo di produzione della lega in accordo con la rivendicazione 14. Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite o vantaggiose della lega. This object is achieved by a copper alloy according to claim 1, and by the relative method of producing the alloy according to claim 14. The dependent claims describe preferred or advantageous embodiments of the alloy.
Le caratteristiche ed i vantaggi della lega secondo la 5 presente invenzione saranno evidenti dalla descrizione di seguito riportata, data a titolo esemplificativo e non limitativo, in accordo con le figure allegate, in cui: The characteristics and advantages of the alloy according to the present invention will be evident from the description given below, given by way of non-limiting example, in accordance with the attached figures, in which:
- la figura 1 mostra la microstruttura dei campioni di 10 leghe di rame con diverse percentuali di grafite a confronto con il campione di lega di rame con piombo, osservata al microscopio ottico; - Figure 1 shows the microstructure of the samples of 10 copper alloys with different percentages of graphite compared with the sample of copper alloy with lead, observed under an optical microscope;
- la figura 2 mostra la microstruttura del campione di lega di rame con l’1% di grafite a confronto con il 15 campione di lega di rame con piombo, osservata al microscopio elettronico a scansione. - Figure 2 shows the microstructure of the copper alloy sample with 1% graphite compared with the 15 sample of copper alloy with lead, observed under a scanning electron microscope.
L’ottone secondo la presente invenzione comprende una base di rame e zinco, preferibilmente in una concentrazione 60% Cu e 40% Zn. The brass according to the present invention comprises a base of copper and zinc, preferably in a concentration of 60% Cu and 40% Zn.
20 Tale tipologia di ottone CuZn40, noto anche come ottone Muntz, è tipico per lavorazioni di deformazione plastica a caldo, come stampaggio, fucinatura, estrusione. 20 This type of CuZn40 brass, also known as Muntz brass, is typical for hot plastic deformation processes, such as stamping, forging, extrusion.
Preferibilmente, il rame (Cu) è presente in una 25 concentrazione compresa tra 50% e 70%, preferibilmente tra 57% e 65%. Preferably, copper (Cu) is present in a 25 concentration comprised between 50% and 70%, preferably between 57% and 65%.
Preferibilmente, lo zinco (Zn) è presente in una concentrazione compresa tra 30% e 50%, preferibilmente tra 35% e 42%. Preferably, zinc (Zn) is present in a concentration comprised between 30% and 50%, preferably between 35% and 42%.
5 L’elemento identificato per migliorare la lavorabilità della lega di ottone senza piombo è la grafite, o carbonio (C). 5 The element identified to improve the machinability of the lead-free brass alloy is graphite, or carbon (C).
La grafite è stata selezionata come sostituto del piombo nell’ottone grazie alle sue proprietà 10 lubrificanti, all’inerzia chimica, alla tossicità in sostanza nulla, e soprattutto per la facilità di eliminazione del carbonio dalla lega per semplice fusione. Graphite was selected as a substitute for lead in brass thanks to its lubricating properties, chemical inertia, essentially zero toxicity, and above all for the ease of elimination of carbon from the alloy by simple casting.
La lega di rame secondo la presente invenzione 15 comprende grafite in una concentrazione compresa tra 0,5% e 2%. The copper alloy according to the present invention 15 comprises graphite in a concentration of between 0.5% and 2%.
Preferibilmente, la lega di rame comprende grafite in una concentrazione compresa 0,8% e 1%. Preferably, the copper alloy comprises graphite in a concentration ranging from 0.8% to 1%.
Al fine di facilitare l’inserimento della grafite nel 20 bagno di produzione della lega e di migliorarne l’omogeneità di distribuzione, la dimensione delle particelle di grafite è compresa tra 2 e 40 micron. In order to facilitate the insertion of graphite in the 20 production bath of the alloy and to improve its homogeneity of distribution, the size of the graphite particles is between 2 and 40 microns.
Preferibilmente, il 90% delle particelle di grafite ha una dimensione minore di 20μm. Preferably, 90% of the graphite particles have a size less than 20μm.
25 Preferibilmente, le particelle di grafite hanno una dimensione media di circa 10μm. 25 Preferably, the graphite particles have an average size of about 10μm.
Nella lega sono presenti inoltre elementi residuali, ciascuno in concentrazione minore dello 0,3%. The alloy also contains residual elements, each in a concentration of less than 0.3%.
Gli elementi residuali presenti nella lega sono stagno 5 (Sn) e/o ferro (Fe) e/o alluminio (Al) e/o arsenico (As) e/o fosforo (P) e/o boro (B) e/o manganese (Mn) e/o nickel (Ni) e/o silicio (Si) e/o cromo (Cr) e/o piombo (Pb). The residual elements present in the alloy are tin 5 (Sn) and / or iron (Fe) and / or aluminum (Al) and / or arsenic (As) and / or phosphorus (P) and / or boron (B) and / or manganese (Mn) and / or nickel (Ni) and / or silicon (Si) and / or chromium (Cr) and / or lead (Pb).
Gli elementi Sn, Al e As sono aggiunti per incrementare 10 la resistenza alla corrosione dell’ottone. Il Fe è aggiunto per contrastare la crescita dei grani cristallini durante il riscaldo del materiale per lo stampaggio a caldo. The elements Sn, Al and As are added to increase 10 the corrosion resistance of the brass. Fe is added to counteract the growth of crystalline grains during reheating of the material for hot molding.
Gli elementi Sn, Al, As e Fe, se presenti nella lega, 15 sono in concentrazione minore dello 0,3%. The elements Sn, Al, As and Fe, if present in the alloy, 15 are in a concentration lower than 0.3%.
Preferibilmente, lo stagno (Sn) è presente in una concentrazione compresa tra 0,01% e 0,3%, preferibilmente tra 0,2% e 0,3%. Preferably, tin (Sn) is present in a concentration comprised between 0.01% and 0.3%, preferably between 0.2% and 0.3%.
Preferibilmente, l’alluminio (Al) è presente in una 20 concentrazione minore dello 0,1%, preferibilmente minore dello 0,05%. Preferably, aluminum (Al) is present in a concentration of less than 0.1%, preferably less than 0.05%.
Preferibilmente, il ferro (Fe) è presente in una concentrazione compresa tra 0,01% e 0,3%, preferibilmente tra 0,2% e 0,3%. Preferably, the iron (Fe) is present in a concentration comprised between 0.01% and 0.3%, preferably between 0.2% and 0.3%.
25 I rimanenti elementi P, B, Mn, Ni, Si, Cr, Pb sono residui derivanti dalle impurità presenti nelle materie prime utilizzate nel processo di lavorazione. 25 The remaining elements P, B, Mn, Ni, Si, Cr, Pb are residues deriving from the impurities present in the raw materials used in the manufacturing process.
Gli elementi P, B, Mn, Ni, Si, Cr, Pb, se presenti nella lega, sono in concentrazione minore dello 0,1%. The elements P, B, Mn, Ni, Si, Cr, Pb, if present in the alloy, are in a concentration lower than 0.1%.
5 Nella lega di rame, il piombo (Pb) è assente o presente in quantità solo residuale, meno dello 0,2%, preferibilmente meno dello 0,05%. 5 In the copper alloy, lead (Pb) is absent or present only in residual quantities, less than 0.2%, preferably less than 0.05%.
Preferibilmente, il nickel (Ni) è presente in una concentrazione compresa tra 0,01% e 0,3%, 10 preferibilmente inferiore a 0,1%. Preferably, nickel (Ni) is present in a concentration comprised between 0.01% and 0.3%, 10 preferably less than 0.1%.
Preferibilmente, il manganese (Mn) è presente in una concentrazione inferiore a 0,3%, preferibilmente inferiore a 0,1%. Preferably, manganese (Mn) is present in a concentration lower than 0.3%, preferably lower than 0.1%.
Preferibilmente, il silicio (Si) è presente in una 15 concentrazione inferiore a 0,1%, preferibilmente inferiore a 0,05%. Preferably, the silicon (Si) is present in a 15 concentration lower than 0.1%, preferably lower than 0.05%.
Preferibilmente, il fosforo (P) è presente in una concentrazione inferiore a 0,1%, preferibilmente tra 0,01% e 0,08%. Preferably, the phosphorus (P) is present in a concentration lower than 0.1%, preferably between 0.01% and 0.08%.
20 Preferibilmente, il cromo (Cr) è presente in una concentrazione inferiore a 0,1%, preferibilmente inferiore a 0,02%. 20 Preferably, chromium (Cr) is present in a concentration lower than 0.1%, preferably lower than 0.02%.
Preferibilmente, il boro (B) è presente in una concentrazione inferiore a 0,1%, preferibilmente 25 inferiore a 0,05%. Preferably, boron (B) is present in a concentration lower than 0.1%, preferably 25 lower than 0.05%.
La lega di rame secondo la presente invenzione è priva di elementi quali titanio (Ti) o elementi delle terre rare (RE). The copper alloy according to the present invention is free of elements such as titanium (Ti) or rare earth elements (RE).
La lega di rame secondo la presente invenzione 5 comprende quindi essenzialmente rame, zinco e carbonio. The copper alloy according to the present invention 5 therefore essentially comprises copper, zinc and carbon.
Pertanto, quando la lega viene rifusa per il riciclo degli scarti di lavorazione (come trucioli da tornitura, spezzoni o in altra forma) la grafite scorifica lasciando come “residuo” la lega binaria rame 10 e zinco (CuZn40). Infatti, gli elementi residuali presenti nella lega, come stagno, ferro, nickel, alluminio, manganese, silicio, fosforo, cromo, boro, sono tipici dell’ottone, ed elementi come titanio e terre rare (che tenderebbero a rimanere 15 indesideratamente all’interno della lega), sono del tutto assenti. Therefore, when the alloy is remelted for the recycling of processing waste (such as turning shavings, blanks or other forms), the graphite scorches leaving the binary alloy copper 10 and zinc (CuZn40) as a “residue”. In fact, the residual elements present in the alloy, such as tin, iron, nickel, aluminum, manganese, silicon, phosphorus, chromium, boron, are typical of brass, and elements such as titanium and rare earths (which would tend to remain undesirable to 15 inside the alloy), are completely absent.
L’ottone contenente grafite secondo la presente invenzione soddisfa una serie di requisiti, tra i quali: The brass containing graphite according to the present invention satisfies a series of requirements, including:
20 - lavorabilità, intesa come truciolabilità e usura all’utensile, confrontabile con gli ottoni al piombo; - medesima rugosità superficiale delle leghe al piombo dopo la lavorazione meccanica; 20 - workability, understood as chip breaking and tool wear, comparable to lead brass; - same surface roughness of lead alloys after mechanical processing;
- caratteristiche meccaniche e tecnologiche almeno 25 paragonabili (come richiesto dalla normativa UNI EN 12164:2001; - mechanical and technological characteristics at least 25 comparable (as required by the UNI EN 12164: 2001 standard;
- assenza di controindicazioni per le operazioni di estrusione e stampaggio a caldo e trafilatura a freddo effettuate secondo gli attuali processi; - absence of contraindications for extrusion and hot forging and cold drawing operations carried out according to current processes;
5 - processi di produzione quanto più vicini agli attuali; 5 - production processes as close to current ones;
- costo finale di produzione comparabile con gli attuali costi di produzione delle leghe con piombo; - final production cost comparable with the current production costs of leaded alloys;
- l’elemento o il composto aggiunto non deve rilasciare 10 nelle acque sostanze pericolose al disopra del livello prestabilito dalle normative nazionali, europee ed extra-europee per la qualità dell’acqua destinata al consumo umano; - the added element or compound must not release 10 hazardous substances into the water above the level set by national, European and extra-European regulations for the quality of water intended for human consumption;
- l’elemento o il composto aggiunto non deve dar luogo 15 a difetti di sorta, come la porosità, in ogni fase di lavorazione tali da pregiudicare la tenuta dei particolari in esercizio; - the added element or compound must not give rise 15 to defects of any kind, such as porosity, in each processing phase such as to affect the tightness of the parts in operation;
- composizione chimica tale che gli sfridi di lavorazione siano facilmente riciclabili (non è 20 accettabile una gestione separata dei rottami in fase di preparazione della carica liquida). - chemical composition such that the processing scraps are easily recyclable (separate management of the scraps during the preparation of the liquid feedstock is not acceptable).
La presente invenzione riguarda anche un metodo di produzione di una lega di rame, comprendente le fasi di: The present invention also relates to a method of producing a copper alloy, comprising the steps of:
25 - preparare un bagno fuso di rame (Cu), in una concentrazione compresa tra 50% e 70%, e zinco (Zn), in una concentrazione compresa tra 30% e 50%; 25 - preparing a molten bath of copper (Cu), in a concentration between 50% and 70%, and zinc (Zn), in a concentration between 30% and 50%;
- aggiungere al bagno fuso grafite (C), in una concentrazione compresa tra 0,5% e 2%, in cui le 5 particelle di grafite hanno una dimensione compresa tra 2 e 40 micron. - add graphite (C) to the molten bath, in a concentration between 0.5% and 2%, in which the 5 graphite particles have a size between 2 and 40 microns.
La dimensione delle particelle di grafite aggiunte al bagno della lega resta sostanzialmente la medesima durante la produzione dell’ottone. Pertanto, anche 10 all’interno dell’ottone finito la grafite è presente con particelle di dimensione compresa tra 2 e 40 micron. The size of the graphite particles added to the alloy bath remains substantially the same during the production of brass. Therefore, even 10 inside the finished brass graphite is present with particles of size between 2 and 40 microns.
Inoltre, il metodo di produzione della lega di rame, comprendente la fase di aggiungere al bagno fuso 15 elementi residuali, come stagno (Sn) e/o ferro (Fe) e/o alluminio (Al) e/o arsenico (As), ciascuno in concentrazione minore dello 0,3%. Furthermore, the method of producing the copper alloy, comprising the step of adding 15 residual elements to the molten bath, such as tin (Sn) and / or iron (Fe) and / or aluminum (Al) and / or arsenic (As), each in a concentration of less than 0.3%.
Vengono di seguito riportati alcuni test eseguiti sulla lega di rame con grafite secondo la presente 20 invenzione, al fine di evidenziarne le proprietà meccaniche e di lavorabilità, che risultano del tutto confrontabili, se non addirittura migliori, rispetto a quelle di un tradizionale ottone con piombo. Some tests carried out on the copper alloy with graphite according to the present invention are reported below, in order to highlight its mechanical and workability properties, which are completely comparable, if not even better, than those of a traditional brass with lead. .
ESEMPI DI REALIZZAZIONE EXAMPLES OF REALIZATION
25 L’ottone secondo la presente invenzione è stato testato con diverse concentrazioni di grafite. 25 The brass according to the present invention was tested with different concentrations of graphite.
In particolare, sono state realizzate quattro leghe di rame CuZn40 con dispersione fine di grafite a diversi contenuti percentuali (lega C1=0.8%C, lega C2=1%C, lega 5 C3=1.2%C, lega C4=2%C), a confronto con una composizione standard di CuZn40 con il 2% di piombo (lega P=2%Pb). In particular, four CuZn40 copper alloys were made with fine graphite dispersion with different percentage contents (alloy C1 = 0.8% C, alloy C2 = 1% C, alloy 5 C3 = 1.2% C, alloy C4 = 2% C) , in comparison with a standard composition of CuZn40 with 2% lead (alloy P = 2% Pb).
La grafite utilizzata nella lega ha densità media AD 0.25 g/cm3 e una superficie specifica misurata in BET 10 di 19.4 m<2>/g. The graphite used in the alloy has an average density AD 0.25 g / cm3 and a specific surface measured in BET 10 of 19.4 m <2> / g.
La grafite utilizzata ha una dimensione delle particelle così distribuita: per 10% minore di 16μm, per il 25% compresa tra 10-16μm; per il 31% compresa tra 6-10μm, per il 22% compresa tra 4-6μm, e per il 12% 15 minore di 4μm. The graphite used has a particle size distributed as follows: 10% less than 16μm, 25% between 10-16μm; for 31% between 6-10μm, for 22% between 4-6μm, and for 12% 15 less than 4μm.
Le leghe di rame (con e senza piombo) sono state ottenute per sinterizzazione da polveri a granulometria controllata (circa 10 micron) e sono state sottoposte ad analisi chimica tramite: LECO (Combustion Infrared 20 Detection Technique) per la determinazione del Carbonio (C), XRF (X-ray fluorescence) per la determinazione del Rame e del Piombo, OES (Optical Emission Spectrograph) per gli altri elementi. The copper alloys (with and without lead) were obtained by sintering from powders with controlled particle size (about 10 microns) and were subjected to chemical analysis using: LECO (Combustion Infrared 20 Detection Technique) for the determination of Carbon (C) , XRF (X-ray fluorescence) for the determination of Copper and Lead, OES (Optical Emission Spectrograph) for the other elements.
L’analisi completa delle leghe di ottone (con e senza 25 piombo) è riportata nella Tabella T1, in cui i valori sono indicati in %: The complete analysis of brass alloys (with and without 25 lead) is shown in Table T1, where the values are indicated in%:
[TABELLA T1]: Analisi completa delle leghe [TABLE T1]: Complete analysis of alloys
C C.
Cu Pb Sn Fe Ni Al Mn Si P Cr B Zn grafite Cu Pb Sn Fe Ni Al Mn Si P Cr B Zn graphite
C1 60,21 <0,0050 0,0168 0,0064 0,0065 0,0002 0,0054 0,0022 0,0019 0,0016 0,0021 0,832 38,91 C1 60.21 <0.0050 0.0168 0.0064 0.0065 0.0002 0.0054 0.0022 0.0019 0.0016 0.0021 0.832 38.91
C2 60,19 <0,0050 0,0154 0,0060 0,0054 <0,0001 0,0065 0,0022 0,0020 0,0017 0,0020 1,011 38,75 C2 60.19 <0.0050 0.0154 0.0060 0.0054 <0.0001 0.0065 0.0022 0.0020 0.0017 0.0020 1.011 38.75
C3 60,18 0,0200 0,0157 0,0061 0,0053 <0,0001 0,0071 0,0032 0,0021 0,0017 0,0020 1,232 38,52 C3 60.18 0.0200 0.0157 0.0061 0.0053 <0.0001 0.0071 0.0032 0.0021 0.0017 0.0020 1.232 38.52
C4 60,21 0,0100 0,0125 0,0061 0,0042 <0,0001 0,0072 0,0025 0,0021 0,0018 0,0016 1,786 37,95 C4 60.21 0.0100 0.0125 0.0061 0.0042 <0.0001 0.0072 0.0025 0.0021 0.0018 0.0016 1.786 37.95
P 59,63 2,11 0,0074 0,0085 0,0012 <0,0001 0,0001 0,0002 0,0015 <0,001 0,0046 0 38,23 P 59.63 2.11 0.0074 0.0085 0.0012 <0.0001 0.0001 0.0002 0.0015 <0.001 0.0046 0 38.23
Sono state successivamente determinate le caratteristiche miscrostrutturali, meccaniche e di 5 lavorabilità delle leghe di rame C1, C2, C3, C4 a confronto con la lega di rame standard P, determinandone i valori di Durezza, Carico di rottura, Snervamento, Allungamento e Resilienza. L’esito di tali prove è riportato di seguito. The miscrostructural, mechanical and machinability characteristics of the copper alloys C1, C2, C3, C4 were then determined in comparison with the standard copper alloy P, determining the values of Hardness, Tensile Strength, Yield, Elongation and Resilience. The outcome of these tests is shown below.
10 Caratterizzazione microstrutturale delle barre 10 Microstructural characterization of the bars
La Figura 1 mostrata la microstruttura delle diverse leghe testate, osservata al microscopio ottico. In particolare, l’immagine denominata “2%Pb” è relativa alla lega di rame CuZn40 con il 2% di piombo. Le 15 rimanenti immagini si riferiscono alle leghe con diverse percentuali di grafite. Figure 1 shows the microstructure of the different alloys tested, observed under the optical microscope. In particular, the image called "2% Pb" relates to the CuZn40 copper alloy with 2% lead. The remaining 15 images refer to alloys with different percentages of graphite.
Nelle immagini relative alle leghe con grafite (lega C1=0.8%C, lega C2=1%C, lega C3=1.2%C, lega C4=2%C), la fase nera rappresenta la grafite e si nota come la dimensione media dei grani diminuisce all’aumentare della percentuale di grafite inserita nella lega. Nel campione “2%Pb” la fase scura è invece il piombo. In the images relating to alloys with graphite (alloy C1 = 0.8% C, alloy C2 = 1% C, alloy C3 = 1.2% C, alloy C4 = 2% C), the black phase represents graphite and is noted as the average size of the grains decreases as the percentage of graphite inserted in the alloy increases. In the "2% Pb" sample, the dark phase is instead lead.
5 La distribuzione della grafite risulta essere abbastanza omogenea in tutta la sezione, con morfologia non sferica ma schiacciata ed allungata. 5 The distribution of graphite is quite homogeneous throughout the section, with a morphology that is not spherical but flattened and elongated.
L’inserimento nella lega di particelle di grafite con una dimensione compresa tra 2 e 40 micron, ed in 10 particolare con una dimensione media di circa 10μm, contribuisce a migliorare l’omogeneità di distribuzione della grafite. The insertion in the alloy of graphite particles with a size between 2 and 40 microns, and in particular with an average size of about 10μm, helps to improve the homogeneity of distribution of the graphite.
In Figura 2 sono riportate le microstrutture, osservate al microscopio elettronico a scansione, della lega con 15 piombo e della lega con grafite all’1% (lega C2=1%C), a due diversi ingrandimenti (a e b = x500; b e c = x1.000). Si osserva che anche in questo caso la grafite risulta essere nera (Figura 2(b)) mentre il piombo è bianco (Figura 2(a)). Figure 2 shows the microstructures, observed under the scanning electron microscope, of the alloy with 15 lead and of the alloy with 1% graphite (alloy C2 = 1% C), at two different magnifications (a and b = x500; b and c = x1) .000). It is observed that also in this case the graphite is black (Figure 2 (b)) while the lead is white (Figure 2 (a)).
20 Come evidente dalla figura 2 (in particolare dalla figura 2(b) e 2(d)), la struttura è composta di 3 fasi: quella nera è la grafite, quella grossolana è la fase α e l’altra è la fase β. 20 As evident from figure 2 (in particular from figure 2 (b) and 2 (d)), the structure is composed of 3 phases: the black one is graphite, the coarse one is the α phase and the other is the β phase .
Durezza Hardness
25 Sui campioni metallografici provenienti dalle barre sinterizzate sono state misurate le durezze. 25 Hardnesses were measured on the metallographic samples from the sintered bars.
La durezza in Brinell (HBW) è stata determinata mediante lo strumento Reicherter UH 250 secondo la UNI EN ISO 6506-1 con i seguenti parametri: The Brinell hardness (HBW) was determined using the Reicherter UH 250 instrument according to UNI EN ISO 6506-1 with the following parameters:
5 · Diametro penetratore: 2,5 mm 5 Indenter diameter: 2.5mm
· Forza: 613,125 N Strength: 613.125 N
· Tempo di indentazione 10 secondi · Indentation time 10 seconds
Le misure sono state eseguite sulla sezione della barra opportunamente lucidata e in quattro punti, partendo 10 dal Centro della barra verso l’esterno, a 1/3 del raggio, 2/3 del raggio e al bordo esterno R della barra. The measurements were performed on the section of the bar properly polished and in four points, starting 10 from the center of the bar outwards, at 1/3 of the radius, 2/3 of the radius and at the outer edge R of the bar.
Nella Tabella T2 sono riportati i valori ottenuti. Table T2 shows the values obtained.
[TABELLA T2]: Durezza misurata in Brinell [TABLE T2]: Hardness measured in Brinell
HBE HBE
Lega %C Centro 1/3 R 2/3 R R media Alloy% C Center 1/3 R 2/3 R R medium
C1 0,8 90,6 90,4 90,9 88,4 90,1 C1 0.8 90.6 90.4 90.9 88.4 90.1
C2 1,0 92,8 93,7 93,2 91,7 92,8 C2 1.0 92.8 93.7 93.2 91.7 92.8
C3 1,2 89,8 91,1 90,0 89,9 90,2 C3 1.2 89.8 91.1 90.0 89.9 90.2
C4 2,0 84,0 83,3 83,9 84,4 83,9 C4 2.0 84.0 83.3 83.9 84.4 83.9
P 0,0 80,9 78,8 75,5 76,6 77,9 P 0.0 80.9 78.8 75.5 76.6 77.9
15 I risultati mostrano che per contenuti di grafite compresi tra 0.8% ed 1.2% (C1, C2, C3) la durezza rimane sostanzialmente invariata, mentre inizia a diminuire quando il contenuto di grafite raggiunge il 2% (C4). 15 The results show that for graphite contents between 0.8% and 1.2% (C1, C2, C3) the hardness remains substantially unchanged, while it begins to decrease when the graphite content reaches 2% (C4).
In ogni caso, si rileva che tutti i valori di durezza sono leggermente superiori se confrontati con lo standard al Pb sinterizzato (privo di grafite, C0%). 5 Prove di trazione a temperatura ambiente In any case, it is noted that all the hardness values are slightly higher when compared with the sintered Pb standard (free of graphite, C0%). 5 Tensile tests at room temperature
Le prove di trazione sono state eseguite su provini ricavati dalle barre sinterizzate. Tensile tests were performed on specimens obtained from sintered bars.
Le prove di trazione sono state effettuate con lo strumento Instrom 4482 secondo le norme UNI EN ISO 6892 10 – 1. È stato utilizzato un estensimetro Instrom ed il tratto utile dei provini è stato di circa 50 mm [f(Ø)]. Nella Tabella T3 sono riportati i valori numerici medi, effettuati su 3 misure (*: per C3 il dato è la media di sole due misure), delle caratteristiche meccaniche di 15 resistenza a trazione (Rm), limite di snervamento (Rp) e allungamento a rottura (A). ;;[TABELLA T3]: Caratteristiche meccaniche prova di trazione Lega %C Rm N/mm<2>Rp N/mm<2>A% ;C1 0,8 377,0 146,0 30,0 ;C2 1,0 377,0 154,0 27,0 ;C3* 1,2 365,0 150,0 23,0 The tensile tests were carried out with the Instrom 4482 instrument according to the UNI EN ISO 6892 10 - 1 standards. An Instrom strain gauge was used and the useful length of the specimens was about 50 mm [f (Ø)]. Table T3 shows the average numerical values, carried out on 3 measurements (*: for C3 the data is the average of only two measurements), of the mechanical characteristics of 15 tensile strength (Rm), yield strength (Rp) and elongation at break (A). ;; [TABLE T3]: Mechanical characteristics of tensile test Alloy% C Rm N / mm <2> Rp N / mm <2> A%; C1 0,8 377,0 146,0 30,0; C2 1,0 377.0 154.0 27.0; C3 * 1.2 365.0 150.0 23.0
C4 2,0 315,0 151,0 13,0 C4 2.0 315.0 151.0 13.0
P 0,0 347,0 146,0 34,0 P 0.0 347.0 146.0 34.0
Dalla tabella T3 si può notare che la resistenza a trazione delle barre di ottone con grafite è leggermente superiore rispetto all’ottone standard con piombo. Per quanto riguarda invece il campione di ottone con grafite al 2%, la resistenza a trazione risulta inferiore rispetto all’ottone standard con 5 piombo. From table T3 it can be seen that the tensile strength of brass bars with graphite is slightly higher than standard brass with lead. As for the brass sample with 2% graphite, the tensile strength is lower than the standard brass with 5 lead.
Per quanto riguarda l’allungamento a rottura, si nota che questo diminuisce all’aumentare della percentuale di grafite contenuta nella lega di rame. As for the elongation at break, it is noted that this decreases as the percentage of graphite contained in the copper alloy increases.
Resilienza Resilience
10 La prova di resilienza è stata compiuta in doppio con il Pendolo di Charpy secondo la UNI EN ISO 148/149, utilizzando un provino con un intaglio a V. 10 The resilience test was performed in duplicate with the Charpy Pendulum according to UNI EN ISO 148/149, using a specimen with a V-notch.
La grandezza K, riportata nella Tabella T4 per le diverse leghe di ottone, misurata in joule (J), indica 15 il valore di energia meccanica impattante che provoca la rottura del materiale, calcolata sperimentalmente mediante la differenza fra l'energia associata al pendolo prima di essere lanciato in corsa e l'energia associata ad esso in corrispondenza del percorso 20 massimo effettuato (energia cinetica del maglio pari a zero) immediatamente dopo la rottura del provino. The quantity K, reported in Table T4 for the different brass alloys, measured in joules (J), indicates 15 the impacting mechanical energy value that causes the breaking of the material, calculated experimentally by means of the difference between the energy associated with the pendulum before to be launched into the run and the energy associated with it in correspondence with the maximum path 20 carried out (kinetic energy of the hammer equal to zero) immediately after the test piece has broken.
[TABELLA T4]: Parametro K in funzione delle diverse % grafite Lega %C K (Joule) [TABLE T4]: Parameter K as a function of the different% graphite Alloy% C K (Joule)
C1 0,8 19 C1 0.8 19
C2 1,0 18 C2 1.0 18
C3 1,2 16 C3 1.2 16
C4 2,0 11 C4 2.0 11
P 0,0 23 P 0.0 23
Dalla Tabella T4 si nota che la resilienza del materiale diminuisce all’aumentare del tenore di grafite contenuto nella lega di rame. From Table T4 it can be seen that the resilience of the material decreases as the graphite content contained in the copper alloy increases.
Prove di lavorazione meccanica Mechanical processing tests
5 I campioni di ottone con grafite sono state inoltre caratterizzate per studiare l’effetto della grafite sulla lavorabilità della lega, a confronto con una barra estrusa di ottone standard contenente piombo al 2%. 5 The brass samples with graphite were also characterized to study the effect of graphite on the machinability of the alloy, in comparison with a standard brass extruded bar containing 2% lead.
10 Le leghe con grafite sono state valutate sulla base degli Euro Standard nel campo della lavorabilità all’utensile, monitorando una serie di parametri, quali assorbimento mandrino, assorbimento asse di avanzamento, dimensione e forma del truciolo formato e 15 rugosità campioni (misurata nel tratto utile). 10 The alloys with graphite were evaluated on the basis of the Euro Standards in the field of machinability, monitoring a series of parameters, such as spindle absorption, feed axis absorption, size and shape of the chip formed and 15 sample roughness (measured in the section useful).
I parametri di prova utilizzati sono: The test parameters used are:
- Velocità mandrino: 2500 giri/min; - Spindle speed: 2500 rpm;
- Avanzamento sgrossatura: 0,25 mm/giro (necessaria per avere lo stesso Ø di partenza); - Roughing feed: 0.25 mm / rev (necessary to have the same starting Ø);
20 - Avanzamento finitura: 0,15 mm/giro (Afferraggi) – 0,08 mm/giro (Tratto utile). 20 - Finishing feed: 0.15 mm / rev (Grips) - 0.08 mm / rev (Working length).
Per quanto riguarda la lega di rame con 1%C è stato utilizzato l’avanzamento di 0,06 mm/giro per diminuire la rugosità piuttosto elevata riscontrata nel tratto utile. As for the copper alloy with 1% C, the feed rate of 0.06 mm / rev was used to decrease the rather high roughness found in the useful section.
Nella Tabella T5 è riportato l’assorbimento del 5 mandrino mentre nella Tabella T6 l’assorbimento motore asse di avanzamento. Table T5 shows the absorption of the 5 spindle while in Table T6 the absorption of the feed axis motor.
[TABELLA T5]: Assorbimento del mandrino [TABLE T5]: Spindle absorption
Lega %C Ass % Alloy% C Ass%
C1 0,8 7 C1 0.8 7
C2 1,0 6 C2 1.0 6
C3 1,2 6 C3 1.2 6
P 0,0 6 P 0.0 6
[TABELLA T6]: assorbimento motore asse di avanzamento [TABLE T6]: feed axis motor absorption
Lega %C Ass % Alloy% C Ass%
C1 0,8 10 C1 0.8 10
C2 1,0 10 C2 1.0 10
C3 1,2 11 C3 1.2 11
P 0,0 9 P 0.0 9
I risultati di lavorabilità delle barre estruse 10 mostrano che l'ottone con 1% e con 1.2% di grafite sono equivalenti all'ottone standard con il piombo in termini di lavorabilità e di forma del truciolo. In particolare, i trucioli prodotti dal campione di ottone con 1.2% di grafite sono addirittura migliori di quelli prodotti dal campione di ottone standard con piombo grazie alla loro forma non elicoidale. The machinability results of the extruded bars 10 show that brass with 1% and 1.2% graphite are equivalent to standard brass with lead in terms of machinability and chip shape. In particular, the chips produced from the 1.2% graphite brass sample are even better than those produced from the standard leaded brass sample due to their non-helical shape.
Test di fusione Fusion test
Questo test è stato eseguito al fine di riprodurre le 5 condizioni del processo di riciclo dell’ottone, al fine di verificare il comportamento della lega, essenzialmente priva di piombo e contenente grafite, in questa particolare fase del processo produttivo. This test was performed in order to reproduce the 5 conditions of the brass recycling process, in order to verify the behavior of the alloy, essentially lead-free and containing graphite, in this particular phase of the production process.
Per questo sono stati pesati 1.472 g di spezzoni di 10 barra di ottone con 1% di grafite (campione C2) ricoperti di rame (CAN di sinterizzazione) e portati a fusione in forno ad induzione con 100 g di scorificante. For this, 1,472 g of pieces of 10 brass bars with 1% graphite (sample C2) covered with copper (sintering CAN) were weighed and melted in an induction furnace with 100 g of slagging agent.
Dopo 7 minuti dall’inizio della fase di riscaldamento 15 il materiale fuso è stato versato in una opportuna lingottiera, raffreddata all’aria per 2 minuti e dunque svuotata del provino raffreddato a temperatura ambiente in acqua. After 7 minutes from the start of the heating phase 15, the molten material was poured into a suitable mold, cooled in air for 2 minutes and then emptied of the specimen cooled at room temperature in water.
Il provino così ottenuto (C2 CAN fusione), 20 opportunamente asciugato, presenta un peso di 1.455 g. The specimen thus obtained (C2 CAN fusion), 20 suitably dried, has a weight of 1,455 g.
La perdita in peso del campione di base C2 a seguito della fusione è stata dunque pari a 17 g. The weight loss of the basic sample C2 following the melting was therefore equal to 17 g.
Considerando nel campione iniziale C2 la presenza di 14.9 g di grafite, sembrerebbe che nel processo di 25 fusione sia stato perso tutto il carbonio e 2,1 g di metallo pari allo 0,14% sulla quantità iniziale. La perdita relativa al metallo è da attribuire essenzialmente ai trasferimenti del materiale fuso dal crogiuolo alla lingottiera. Considering the presence of 14.9 g of graphite in the initial sample C2, it would seem that in the melting process all carbon and 2.1 g of metal equal to 0.14% of the initial quantity were lost. The loss relating to the metal is essentially attributable to the transfers of the molten material from the crucible to the mold.
5 L’analisi chimica del provino ottenuto dopo il test di fusione (C2 CAN fusione), a confronto con il provino di partenza (C2), è riportata in Tabella T7. 5 The chemical analysis of the specimen obtained after the fusion test (C2 CAN fusion), compared with the starting specimen (C2), is shown in Table T7.
[TABELLA T7]: Analisi chimica del provino [TABLE T7]: Chemical analysis of the specimen
C C.
Cu Pb Sn Fe Ni Al Mn Si P Cr B Zn (grafite) Cu Pb Sn Fe Ni Al Mn Si P Cr B Zn (graphite)
C2 82+/- C2 82 +/-
CAN 68,62 0,0073 0,0146 0,0383 0,0086 0,0002 0,0005 0,0002 0,0014 0,0004 0,0002 12 31,30 CAN 68.62 0.0073 0.0146 0.0383 0.0086 0.0002 0.0005 0.0002 0.0014 0.0004 0.0002 12 31.30
fusione ppm ppm melting
C2 60,19 <0,005 0,0154 0,0060 0,0054 <0,0001 0,0065 0,0022 0,0020 0,0017 0,0020 1 38,75 C2 60.19 <0.005 0.0154 0.0060 0.0054 <0.0001 0.0065 0.0022 0.0020 0.0017 0.0020 1 38.75
Il carbonio nell’ottone rifuso quasi assente, pari 10 solamente a 82+/-12 ppm, mentre l’arricchimento in rame è certamente da attribuire al CAN esterno di rame, alla perdita di zinco e di grafite. Pertanto, la lega di rame essenzialmente priva di piombo e con grafite secondo la presente invenzione risulta completamente 15 riciclabile nel processo di fabbricazione. The carbon in the recast brass is almost absent, equal to only 10 to 82 +/- 12 ppm, while the enrichment in copper is certainly to be attributed to the external CAN of copper, to the loss of zinc and graphite. Therefore, the essentially lead-free and graphite copper alloy according to the present invention is fully 15 recyclable in the manufacturing process.
Analisi dei risultati ottenuti Analysis of the results obtained
Dagli esiti delle prove sopra esposte risulta che la sostituzione del piombo con il carbonio (grafite) consente all’ottone di mantenere tutte le sue peculiarità positive per le applicazioni di riferimento (alta lavorabilità alle macchine utensili e stampaggio a caldo). From the results of the above tests, it appears that the replacement of lead with carbon (graphite) allows the brass to maintain all its positive characteristics for reference applications (high workability on machine tools and hot forging).
Un altro elemento positivo a favore della lega con 5 grafite secondo la presente invenzione è la sua assoluta miscibilità (come tornitura, spezzoni o in altra forma) a qualsiasi altro ottone. In fase di fusione, infatti, la grafite scorifica lasciando come “residuo” la lega binaria rame e zinco. Another positive element in favor of the 5-graphite alloy according to the present invention is its absolute miscibility (such as turning, blanks or other forms) with any other brass. In fact, during the melting phase, the graphite scalds leaving the binary alloy copper and zinc as a “residue”.
10 Inoltre le prove hanno evidenziato, che il nuovo materiale contenente carbonio in concentrazione compresa tra lo 0,8% e l ’1% (C1 e C2) presenta proprietà di deformabilità a caldo e di lavorabilità per asportazione di truciolo assolutamente simili 15 all’ottone standard contenente piombo. 10 Furthermore, the tests have shown that the new material containing carbon in a concentration between 0,8% and 1% (C1 and C2) has properties of hot deformability and machinability by chip removal which are absolutely similar 15 to brass standard containing lead.
Inoltre, la lega di rame essenzialmente priva di piombo e contenente grafite in concentrazione compresa tra lo 0,8% e l ’1,% presenta valori di durezza elevati, migliore resistenza a trazione e migliore resilienza 20 rispetto alla medesima lega con concentrazioni superiori di grafite. Furthermore, the copper alloy essentially lead-free and containing graphite in a concentration between 0.8% and 1.0% has high hardness values, better tensile strength and better resilience 20 compared to the same alloy with higher concentrations of graphite .
Innovativamente, una lega di rame contenente grafite secondo la presente invenzione, ha proprietà confrontabili con la lega al piombo. Innovatively, a graphite-containing copper alloy according to the present invention has properties comparable to the lead alloy.
25 Vantaggiosamente, una lega di rame contenente grafite secondo la presente invenzione, è facilmente riciclabile nel processo di fabbricazione. 25 Advantageously, a graphite-containing copper alloy according to the present invention is easily recyclable in the manufacturing process.
Vantaggiosamente, una lega di rame secondo la presente invenzione contiene grafite che può essere rimossa 5 dalla lega per semplice fusione rendendo dunque i residui di lavorazione dell’ottone (riciclo degli scrap di lavorazione) miscibili con qualsiasi altro materiale senza per questo ridurne il proprio valore economico. E' chiaro che un tecnico del settore potrebbe apportare 10 modifiche alla lega sopra descritta, tutte contenute nell'ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni seguenti. Advantageously, a copper alloy according to the present invention contains graphite which can be removed from the alloy by simple melting thus making the brass processing residues (recycling of processing scraps) miscible with any other material without reducing its value. economic. It is clear that a person skilled in the art could make 10 modifications to the alloy described above, all of which are within the scope of protection as defined by the following claims.
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