Defect sources in brasses and new low lead compositions

Abstract

Este estágio curricular foi realizado na empresa Grohe Portugal – Indústria de Componentes Sanitários S.A, localizada na zona industrial do Areeiro (Albergaria-a-Velha), distrito de Aveiro. A empresa Grohe foi fundada na Alemanha no século XX com o objetivo de produzir torneiras. Atualmente, a Grohe é reconhecida como a maior produtora de componentes sanitários da Europa, bem como pela qualidade dos seus processos produtivos e eficiência do sistema logístico e entrega de produtos. A nível de processos produtivos, a Grohe está dividida em cinco departamentos: Fundição, Maquinagem, lixamento e polimento, Galvânica e Montagem. O departamento da Fundição, por sua vez, é constituído pela Fusão Central, Vazamento por Gravidade, Vazamento por Baixa Pressão e pela Macharia. Este trabalho teve como objetivos principais a caracterização microestrutural das três ligas de cobre de baixo teor de chumbo que a Grohe produz e identificação de possíveis origens dos defeitos mais comuns nestas ligas, sobretudo no Vazamento por Baixa Pressão. A Grohe prepara e controla quimicamente as suas próprias composições de latão num forno central de fusão, compostas maioritariamente por cobre e zinco (60% Cu, 40% Zn) e por pequenas adições de outros elementos de liga. Foi feita uma caracterização microstrutural às três ligas por microscopia ótica. Os materiais envolvidos no processo de vazamento como os revestimentos cerâmicos dos moldes, os filtros cerâmicos utilizados, a escória resultante do processo como também o tubo de vazamento constituinte da máquina de vazamento por baixa pressão foram submetidos a uma caracterização química por microscopia eletrónica de varrimento e difração de raios-X. Realizou-se uma análise química e microestrutural por SEM/EDS às inclusões presentes em sucata de torneiras de latão. As microestruturas das três ligas fabricadas em Grohe apresentam diferenças significativas. O latão Grohe 0 com o menor teor de Zn e a menor quantidade de elementos afinadores de grão tem uma morfologia do tipo de Widmanstatten com placas grandes de fase α (97 μm x 17 μm) e a fase β presente entre os grãos de fase α. O latão Grohe 0 Light é uma liga hiperperitética com fase α na forma de agulhas finas (24 μm x 3 μm) no seio dos grãos-mãe β e ao longo dos seus limites de grão. A microestrutura da liga DZR consiste numa morfologia equiaxial mais fina (16 μm) de grãos de α numa matriz de β devido à maior quantidade de afinadores de grão e teor intermédio de Zn. O maior tamanho de grão do latão Grohe 0 explica por que este tem uma dureza menor (HRB 39) do que as ligas Grohe 0 Light e DZR (HRB 59), com microestruturas mais finas. Os resultados da análise SEM/EDS aos defeitos da liga de latão Grohe 0 permitiram a sua divisão em quatro classes: (1) Defeitos ricos em Al, Si e O, tendo como possível origem o revestimento cerâmico BC11; (2) defeitos ricos em Al, Si, O e Pb, uma fase vítrea com origens no revestimento cerâmico ou em sucata reciclada; (3) defeitos ricos em Si e O, tendo como fontes prováveis a escória, partículas dos filtros cerâmicos ou sucata com restos de filtros cerâmicos, revestimento BC 15 ou mesmo areia dos machos; (4) defeitos ricos em Fe, Cr, V e Mo, muito provavelmente resultado de uma contaminação pontual com uma ferramenta fraturada usada para o processamento de matérias-primas.

This work was done at Grohe Portugal – Sanitary Components S.A, located in the industrial zone in Albergaria-a-Velha, district of Aveiro. This company was founded in Germany in the 20th century with the goal of manufacturing faucets for sanitary industries. At present time, Grohe is distinguished as the largest manufacturer of sanitary components in Europe, as well as by the quality in their productive processes and efficiency of their logistics system and product delivery. In terms of productive processes, Grohe has five departments: Foundry, Machining, Surface sanding and polishing, Galvanic and Assembly. In the foundry unit there is a central melting, sand core processing, two gravity casting units and six low pressure die casting machines. The copper-beryllium molds are manufactured in the company. The work was based on the characterization of three low lead brass alloys that the industry produces and possible sources of defects. Since Grohe owns their own central melting station, where the manufactured brass is made primarily of copper and zinc (60% Cu, 40% Zn), the company does not buy previously fabricated brass for the casting process, this means there is total control of the content of the alloys. Ultimately, this work aims in characterizing brass alloys at microstructural level, the presence of defects (pores or inclusions) and the study of the alloys that originate the larger amount of wastes. A preliminary microstructural characterization was performed on the three brasses by optical microscopy. The materials involved during the processing of casting such as ceramic coatings, ceramic filters, produced slag, as well as the riser tube in the low-pressure die casting machine, were submitted to a chemical characterization by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. A chemical analysis was performed by energy dispersive X-ray spectroscopy on specimens of inclusions detected in waste of brass faucets. The microstructures of the three alloys manufactured in Grohe are markedly different. Grohe 0 brass with lowest Zn content and smallest amount of grain refining elements has a coarse Widmanstatten structure (97 μm length x 17 μm width) with the β phase present in the periphery of the plate-like α grains. Grohe 0 Light is a hyperperitectic alloy with a finer needle-like α phase (24 μm length x 3 μm width) inside the β mother grains and along their grain boundaries. The microstructure of the DZR composition consists of a finer equiaxed morphology (16 μm) of α grains in a β matrix due to the larger amounts of grain refining elements and intermediate Zn content. The coarseness of the microstructure of the Grohe 0 brass differences explains why it has a lower hardness (HRB 39) than Grohe 0 Light and DZR brasses (HRB 59). SEM/EDS analysis of the defects of the brass alloy Grohe 0 allowed their division into four different classes: (1) Defects rich in Al, Si and O, having as a possible origin the ceramic coating BC11; (2) defects rich in Al, Si, O and Pb, a vitreous phase with origins in the ceramic coating or from recycled scrap materials; (3) defects rich in Si and O, having as likely sources the slag, particles from the ceramic filters or scraps with ceramic filters, the ceramic coating BC 15 or even sand from the cores and (4) defects rich in Fe, Cr, V and Mo, extemporaneous, and most likely a contamination from a fractured tool used in the processing of raw materials.