FR2621928A1 - Alliages de coulee et procede de production d'un article coule au moyen desdits alliages - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un alliage de coulée. Cet alliage comprend 1,5 à 7 % en poids de bismuth, 5 à 15 % en poids de zinc, 1 à 12 % en poids d'étain, le reste, hormis des impuretés et de faibles quantités d'additifs élémentaires, étant du cuivre. Application : production de composants coulés destinés à être utilisés dans des installations d'adduction d'eau potable, par exemple des robinets, des compteurs d'eau, des manchons de tuyaux et les pièces qui les constituent.

Description

La présente invention a pour objet des alliages de coulée, en particulier,

mais non exclusivement, des alliages destinés à être utilisés dans la production de composants convenant pour des systèmes d'adduction transportant de l'eau destinée à la consommation humaine

(désignée ci-après sous le nom d'eau "potable").

Jusqu'à présent, il était courant de produire ces composants, par exemple des robinets, des vannes, des compteurs et des manchons de tuyaux, & partir d'alliages de coulée à base de cuivre tels que les bronzes à canon. Comme il est nécessaire d'usiner la pièce d'alliage coulée pour former le produit final, il est nécessaire d'utiliser un alliage d'usinage aisé. De manière classique, les bronzes & canon et d'autres alliages de coulée à base de cuivre sont rendus aisément usinables par addition de certaines

quantités de plomb, comprises habituellement dans l'inter-

valle d'environ 1 à 9 %, égales habituellement & environ %, en poids. Cependant, ces toutes dernières années, l'effet nocif cumulatif du plomb dans l'eau de boisson est

devenu une préoccupation générale. Certaines eaux dissol-

vant le plomb entraînent aisément le plomb hors de ces alliages par lessivage. Un risque supplémentaire provient de la présence inévitable de plomb dans l'atmosphère des fonderies dans lesquelles ces alliages sont produits et traités. De même, les déchets de fonderie tels que le sable

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usagé contiennent du plomb et posent ainsi des problèmes d'élimination. En conséquence, des efforts ont été faits ces dernières années pour mettre au point des composants en alliages pratiquement dépourvus de plomb destinés à être utilisés dans l'eau potable et pour d'autres applications, mais, à ce jOur, il n'a pas été trouvé, & la connaissance de la Demanderesse, un alliage de substitution convenable du point de vue industriel et technique. A ce propos, et en particulier dans le contexte des composants destinés aux systèmes d'adduction d'eau potable, un tel alliage de substitution quelconque devrait de préférence présenter un coût comparable & celui des alliages classiques contenant du plomb et doit bien entendu posséder des propriétés de traitement, des propriétés mécaniques et des propriétés de résistance à la corrosion acceptables. En particulier, ils doivent pouvoir être coulés sous forme de pièces solides, étanches sous pression, qui sont aisément usinables en composants finis présentant, entre autres, des propriétés acceptables de résistance et d'étanchéité. En outre, dans les cas o l'alliage contient du zinc, ils doivent être capables d'être rendus résistants à une dézincification ou

doivent être par nature insensibles à une dézincification.

Il a été trouvé à présent de manière inattendue qu'un alliage de coulée pratiquement dépourvu de plomb, d'usinage aisé et insensible à la dézincification, qui

convient pour l'utilisation dans, par exemple, la produc-

tion de composants destinés à être utilisés dans l'adduc-

tion en eau potable et qui ne pose aucun problème de pollution notable connu lié à l'adduction d'eau peuvent être produits par l'incorporation de bismuth, remplaçant en grande partie ou en totalité le plomb, & certains alliages

de cuivre.

En conséquence, conformément & un aspect de la présente invention, il est proposé un alliage contenant 1,5 à 7 % en poids de bismuth, 5 & 15 % en poids de zinc, i à 12 % en poids d'étain, le reste, hormis toutes les impuretés et quelques faibles quantités d'additifs

élémentaires, étant constitué par le cuivre.

La teneur en bismuth va avantageusement de 1,5 à 5 % en poids, de préférence de 2 à 5 % en poids et notamment de 2 à 3 % en poids, la teneur en zinc va avantageusement de 5 à 12 % en poids, de préférence de 5 à % en poids et notamment de 6 à 8 % en poids, et la teneur en étain va de préférence de 2,5 à 5 % en poids. Un alliage particulièrement apprécié de la présente invention comprend 2 à 3 % en poids de bismuth, 5 à 8 % en poids de zinc et 2,5 à 5 % en poids d'étain, notamment 2 à 2,2 % en poids de bismuth, 7,1 à 7,8 % en poids de zinc et 3,3 à

3,6 % en poids d'étain.

L'alliage peut contenir de petites quantités d'impuretés et/ou d'additifs élémentaires, notamment ceux présents couramment dans les alliages de coulée à base de cuivre, sous réserve que leur présence ne possède pas une influence néfaste notable sur les propriétés requises de l'alliage et que, lorsque l'alliage doit être utilisé pour des composants destinés à l'adduction d'eau potable, ils ne soient pas, s'ils sont toxiques, entraînés en des quantités importantes hors de l'alliage par lessivage par l'eau potable. A cet égard, le bismuth est considéré comme étant pratiquement non toxique au degré o il peut être entraîné hors des alliages de la présente invention par lessivage par l'eau potable. La quantité totale d'impuretés doit de préférence ne pas dépasser environ 1 % en poids et, en général, toutes les additions délibérées représentent une quantité n'excédant pas environ 3, de préférence 2, * en poids. Des exemples d'impuretés et/ou d'additifs autorisés et de leurs teneurs maximales préférées, sont les suivants Nickel - 0 à 2 % en poids inclus Plomb - 0 à 0,4 % en poids inclus Fer/antimoine/ arsenic - 0 & 0,75 % en poids inclus, au total Aluminium - 0 à 0,01% en poids inclus Silicium - 0 à 0,02 % en poids inclus Soufre - 0 & 0,01% en poids inclus

Manganèse - 0 à 0,5 % en poids inclus.

Parmi ce qui précède, le nickel et/ou le fer et/ou le manganèse, par exemple, peuvent être ajoutés délibérément afin de modifier légèrement les propriétés des alliages mais, en variante, ils peuvent être présents à

titre d'impuretés.

Il faut noter que les alliages peuvent contenir de petites quantités de plomb (habituellement, mais non obligatoirement, sous forme d'impureté accidentelle), mais que ces quantités sont beaucoup plus faibles que les quantités de plomb qui ont été ajoutées jusqu'à présent à

des alliages de cuivre afin d'améliorer leur usinabilité.

Conformément à un autre aspect de la présente invention, il est proposé un composant destiné à être utilisé dans des installations d'adduction d'eau potable, par exemple un robinet, une vanne, un compteur ou un manchon de tuyau, comprenant un alliage de la présente

invention.

Le corps principal d'un tel robinet, etc., est constitué en grande partie de l'alliage, bien que le terme "composant" comprenne n'importe quelle pièce métallique, et notamment des pièces mises en contact lors de leur utilisation avec de l'eau potable, telles que, par exemple, des pièces métalliques internes de robinets, de vannes, de compteurs d'eau, etc. Les alliages conformes à la présente invention

peuvent être produits et traités par des moyens classiques.

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Ils peuvent en particulier être coulés et sont aisément usinables. En outre, ils présentent en général des propriétés qui les rendent particulièrement appropriés pour l'utilisation dans la production de composants convenables pour l'utilisation avec l'eau potable, tels que des robinets à boisseau, des robinets, des compteurs d'eau, des robinetsvannes, des vannes d'arrêt et des manchons de tuyaux du type soudure capillaire ou mécanique (par exemple à compression, à bride ou fileté). Parmi les propriétés les plus importantes de ces composants, se trouvent les suivantes: Etanchéité sous pression (une indication, entre autres, de faible porosité) Propriétés de traction Propriétés de fatigue Propriétés de résistance au choc

Résistance à la corrosion (comprenant l'insen-

sibilité à la dézincification) Propriétés de vieillissement Soudabilité (notamment dans le cas des manchons

de type soudure capillaire).

Effectivement, les propriétés précitées des alliages de la présente invention sont pratiquement égales aux propriétés correspondantes des bronzes à canon au plomb couramment utilisés, présentant les compositions nominales suivantes: 3 % en poids d'étain, 5 % en poids de plomb, 8 % en poids de zinc, le reste étant du cuivre (désignés ci-après sous le nom de "LGI" par le British Standard 1400 (1985), tableau 5), et 5 % en poids d'étain, 5 % en poids de plomb et 5 % en poids de zinc, le reste étant du cuivre (désignés ci-après sous le nom de "LG2" par le British

Standard 1400 (1985), tableau 5), respectivement.

En ce qui concerne en particulier la résis-

tance à la corrosion, les alliages de la présente invention

se sont révélés être par nature insensibles à la dézin-

cification. Les exemples suivants illustrent la présente invention. ExemDles i & 5 Une série d'alliages ayant les compositions nominales présentées sur le tableau I ci-dessous a été produite en faisant fondre ensemble les constituants énumérés. Afin d'éviter l'élimination sous forme de gaz du

zinc présent, le zinc a été ajouté sous forme de laiton.

TABLEAU I

Exemple % en poids % en poids % en poids Le reste N" de Zn de Sn de Bi

1 5,5 4 3

) Cu, indé-

2 10,0 4 3) pendamment

) des impu-

3 5,5 4 2) retés

) acciden-

4 10,0 4 2) telles

7,5 3,5 2,1)

Puis les alliages ont été coulés en un certain nombre d'échantillons afin de déterminer le pourcentage en

volume correspondant à la porosité, ainsi que les pro-

priétés de traction et de résistance au choc.

Les tableaux II, III, IV et V ci-dessous présentent les valeurs moyennes des résultats obtenus, conjointement avec des résultats comparatifs correspondants

pour les alliages LGl et/ou LG2.

Les mesures de porosité ont été déterminées au moyen d'un Analyseur d'Image Quantimet en utilisant des

échantillons polis et non décapés.

Les essais de traction ont été effectués sur des échantillons de deux dimensions différentes, à savoir des baguettes ayant des diamètres respectivement égaux &

6,04 mm et 7,98 mm, et à des températures différentes.

Les essais de résistance au choc ont été effectués, à différentes températures, en utilisant un

appareil Izod, sur des échantillons usinés et entaillés.

TABLEAU I

Essais de Dorosité Exemple N' Porosité (% en volume)

1 0,2

2 3,4

3 0,25

4 5,1

1,2

LG1 1,6

LG2 1,1

TABLEAU III

Essais de traction sur les échantillons de plus petit diautre Exemple Température, Allongement & RRT* N/umz Ne o Cla rupture, %

1 20 23 231

23 211

150 14 188

2 20 13 145

13 137

9 114

3 20 25 232

23 214

24 213

4 20 23 220

16 168

11 151

N 0 N E F F E C T U E

LG1 20 13 201

13 194

5 131

1.2 20 8 186

11 175

-

RRT signifie résistance à la rupture en traction

TABLEAU IV

Essais de traction sur les échantillons de plus grand diamètre Exemple Température, Allongement à RRT* N/I' N' oC la rupture, %

1 20 15 202

14 180

150 21 205

2 20 7 130

9 124

9 124

3 20 7 119

10 140

9 130

4 20 11 141

9 134

10 132

20 5 132

100 3 96

2 67

LG1 20 8 163

8 155

150 8 162

LG2 20

N 0 N E F F E C T U E

150.

TABLEAU V

Essais de résistance au choc

Exemple N' Température, Energie du choc -

C Joules

1 20 26

25

27

2 20 23

25

26

3 20 23

25

31

4 20 26

100 21

29

20 23

21

150 18

LG1 20 19

21

24

LG2 100 N 0 N E F F E C T U E

Eu égard aux difficultés connues d'essai mécanique de pièces coulées de petites sections et la large gamme de résultats généralement admise à partir de ces essais, les résultats ci-dessus indiquent que chacun des alliages des exemples 1 à 5 supporte favorablement la comparaison avec les bronzes à canon connus contenant du plomb, désignés sous les noms de LG1 et LG2, lorsque la

détermination a été effectuée pour ce dernier.

En outre, l'usinabilité de chacun de ces derniers est comparable à celle de LG1 et de LG2, chacun d'entre eux parvenant au taux d'évaluation "excellent",

conformément au BS 1400 (1985).

En outre, leur soudabilité avec des soudures tendres étain/plomb ou étain/cuivre ou des alliages pour soudure forte étain/argent, c'est-àdire ceux couramment utilisés en plomberie, est tout à fait acceptable et de

nouveau comparable & la soudabilité de LG1 et de LG2.

Finalement, chacun s'est révélé être par nature insensible & une dézincification, telle qu'elle est définie

dans BS 2872.

En outre, chacun des alliages des exemples 1 à 4 et LG2 a été soumis à des essais similaires de traction à des températures élevées comprises dans l'intervalle de 'C à 350C. Les résultats sont présentés sur le tableau VI.-

TABLEAU VI

Essais de traction à température élevée Exemple N' Température, Allongement & RRT, C la rupture, % N/mm2

1 250 16 177

300 4 121

340 2 100

2 250 2 85

300 4 79

3 200 5 140

250 2 107

300 2 86

4 250 9 153

300 2 92

LG2 250 4 156

300 6 155

Ces résultats indiquent que les alliages de la présente invention possèdent, aux températures élevées, des propriétés de traction qui supportent favorablement la comparaison avec celles de LG2. Dans des applications concernant l'eau potable, les propriétés de traction & température élevée ne concernent bien entendu pas les

composants en service car la température maximale suscep-

tible d'être atteinte dans la pratique est d'environ 20-C, bien que ces composants puissent également être utilisés dans des applications de distribution d'eau chaude; cependant, même dans ce cas, il est peu problable que la

température maximale de service excède environ 70-C.

Cependant, les propriétés de traction à température élevée de certains alliages de la présente invention indiquent une fragilité à chaud, c'està-dire une

tendance & présenter une moindre ductilité à des tempéra-

tures supérieures à leur plage habituelle de service. Cela dépend du traitement et, en particulier, signifie que, dans certains cas, il est souhaitable de laisser les pièces coulées se refroidir à une vitesse relativement lente afin d'éviter la formation de défauts dans les composants de la

pièce coulée.

Exemple 6

Un alliage ayant la composition suivante (précise à 1 % des quantités indiquées): Cuivre 86,00 % en poids Zinc 7,70 % en poids Etain 3,35 % en poids Bismuth 2,08 % en poids Plomb (à titre d'impureté) 0,35 % en poids Autres impuretés 0,52 % en poids

TOTAL 100 %

a été fondu en une charge pesant environ 165,5 kg, a été

coulé par moulage en coquille et a été usiné en 1358 rac-

cords coudés avec plaque d'appui British Standard Pipes, de mm x 12,7 mm (raccords "NO 15" de IMI Yorkshire Fittings Ltd.). Un tel raccord comprend une partie femelle filetée

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BSP de 12,7 mm, un manchon capillaire de 15 m et une plaque d'appui en une seule pièce pour le montage du raccord, par exemple sur une paroi. Plusieurs des raccords ont été installés de la manière habituelle afin de les soumettre & des essais et les corps des raccords, les joints filetés et les joints par soudure capillaire étaient tous étanches à une pression d'eau d'essai de 0,5 MPa. En outre, chaque raccord (et, en particulier, la jonction entre le corps principal et la plaque d'appui) présentait

une résistance tout à fait acceptable.

Une autre charge de 24,5 kg de l'alliage précité a été coulée par moulage en coquille et usinée en pièces mâles coudées de raccordement de tuyaux BSP de 54 mm x 50,8 mm (raccords "N' 13" de IMI Yorkshire Fittings Ltd.). Une telle pièce de raccordement comprend un manchon capillaire de 54 mm et une portion filetée mâle BSP de ,8 mm. Les raccords ont été installés de la manière habituelle afin d'être soumis à des essais et les corps et les joints se sont révélés être étanches à une pression

d'eau d'essai de 0,5 MPa.

Exemple 7

Un alliage ayant la composition suivante (précise à + 1 % des quantités indiquées): Cuivre 86,00 % en poids Zinc 7,25 % en poids Etain 3,55 % en poids Bismuth 2,15 % en poids Plomb (à titre d'impureté) 0,34 % en poids Autres impuretés 0,71% en poids

TOTAL 100 %

a été fondu en des charges de volumes similaires & celui de l'ailiage de l'exemple 7 et les mêmes raccords ont été coulés par moulage en coquille et ont été usinés & partir de cet alliage. De manière similaire, une bonne étanchéité (sous une pression d'eau de 0,5 MPa) et de bons résultats

de résistance ont été obtenus.

Les alliages de coulée de la présente invention possèdent avantageusement une teneur en (cuivre + zinc + étain) d'au moins 90 % en poids et de préférence d'au moins 95 % en poids, c'est-à-dire une teneur minimale en cuivre avantageusement égale à 63 % en poids, de préférence égale à 68 % en poids. La teneur en (cuivre + zinc + étain) est avantageusement comprise dans l'intervalle d'environ ,7 à 97,5 % en poids, ce qui correspond à une teneur en cuivre comprise avantageusement dans l'intervalle de 80 à

% en poids.

Les alliages de coulée entrant dans le cadre de

la présente invention, pratiquement à l'exclusion d'al-

liages contenant principalement du cuivre, du zinc, de l'étain et du bismuth, n'entrant pas dans ce cadre, présentent tous des propriétés qui les rendent appropriés à une utilisation dans la production, par coulée (notamment en utilisant des moules en sable et des moules-carapaces) et, le cas échéant, par usinage ultérieur de composants, en particulier de composants destinés à être utilisés dans des installations d'adduction d'eau potable. Pratiquement tout écart hors des plages les plus larges spécifiées pour les constituants a pour résultat une profonde altération d'une ou plusieurs des propriétés précitées. Ainsi, avec une teneur en bismuth inférieure à 1,5 % en poids, la formation de copeaux au cours de l'usinage a pour résultat de longs cordons qui sont difficiles à éliminer des machines-outils automatiques (en d'autres termes, des alliages ayant une

teneur en bismuth inférieure à 1,5 % en poids n'obtien-

draient pas le taux d'évaluation "excellent", tel qu'il est défini dans BS1400). Avec une teneur en bismuth supérieure à 7 % en poids, la fragilité à chaud au cours de la coulée devient un problème et, de même, la consommation d'énergie au cours de l'usinage augmente, ce qui constitue une indication de charge et d'usure des outils supérieures, ce qui signifie de nouveau que le taux d'évaluation d'usinage

"excellent" de BS1400 ne peut être obtenu.

Une teneur minimale en zinc de 5 % en poids est nécessaire pour réduire les effets aux limites des grains du bismuth présent comme constituant, qui altèrent notablement les propriétés mécaniques résultantes des pièces coulées. La présence d'une teneur en zinc supérieure & 15 % en poids engendre des degrés inacceptables de porosité et un accroissement important de sensibilité & la dézincification. Une teneur minimale en étain de 1 % en poids est requise pour parvenir à un degré acceptable de résistance à la corrosion, notamment dans des applications concernant l'eau potable, et pour parvenir à une fluidité

suffisante de l'alliage au cours du procédé de coulée.

Cependant, avec une teneur en étain supérieure à 12 % en poids, des phases intermétalliques sont susceptibles de se former, phases qui présentent des effets néfastes sur les

propriétés mécaniques de l'alliage.

Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées

sans sortir de son cadre.

REVIENDICATIONS

1. Alliage, caractérisé en ce qu'il contient 1,5 à 7 % en poids de bismuth, 5 & 15 % en poids de zinc, 1 à 12 % en poids d'étain, le reste, hormis toutes les impuretés et toutes les faibles quantités d'additifs, étant

formé par le cuivre.

2. Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient 1, 5 & 5 % en poids de bismuth. 3. Alliage suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il contient 2 à 3 % en poids de bismuth. 4. Alliage suivant l'une quelconque des

revendications i à 3, caractérisé en ce qu'il contient 5 à

12 % en poids de zinc.

5. Alliage suivant la revendication 4,

caractérisé en ce qu'il contient 6 à 8 % en poids de zinc.

6. Alliage suivant l'une quelconque des

revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il contient 2,5

à 5 % en poids d'étain.

7. Alliage suivant l'une quelconque des

revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend 2 à

2,2 % en poids de bismuth, 7,1 à 7,8 % en poids de zinc et

3,3 à 3,6 % en poids d'étain.

8. Alliage suivant l'une quelconque des

revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la quantité

totale d'impuretés n'excède pas environ 1 % en poids.

9. Alliage suivant l'une quelconque des

revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la teneur en

étain, si de l'étain est présent, n'excède pas environ

0,4 % en poids.

10. Alliage suivant l'une quelconque des

revendications 1 & 9, caractérisé en ce que la quantité

totale d'additifs, s'il en existe, n'excède pas environ 3 %

en poids.

11. Alliage suivant la revendication 10,

caractérisé en ce qu'il comprend, à titre d'additif/impu-

reté, jusqu'à 2 % en poids de nickel.

12. Alliage, caractérisé en ce qu'il possède une composition correspondant pratiquement à celle indiquée

dans l'une quelconque des revendications 1 à 7 de la

présente invention.

13. Composant destiné à être utilisé dans une installation d'adduction d'eau, caractérisé en ce qu'il

comprend un alliage suivant l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 12.

14. Procédé de production d'un article comprenant un alliage suivant l'une quelconque des

revendications 1 à 12 ou bien un composant suivant la

revendication 13, caractérisé en ce qu'il consiste à couler l'alliage fondu dans un moule, à faire solidifier l'alliage coulé et, le cas échéant, à usiner ultérieurement la pièce

solide coulée.

15. Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le moule est un moule en sable ou un

moule-carapace (à savoir sable/résine).