Latones y zamak para componentes en contacto con el agua potable (página 3)

Los recubrimientos electrolíticos tienen que
responder, en todos los casos, al número de
clasificación internacional (EN 12540) Zn/Cu 20 Ni 10b
(condiciones de utilización Nº 2), lo que significa
que el espesor mínimo de Cu debe ser de 8 (m., el de Ni de
10 (m., el de Cr de 0.3 (m. y el de Cu+Ni como mínimo de
20 (m. No obstante es frecuente utilizar espesores de cobre del
orden de las 30 (m. y de Cu+Ni de 45 a 50 (m., aceptando el zamak
también los recubrimientos de PVD, CVD o PECVD.

La electrodeposición de metales como el
cobre, níquel, cromo, etc., sobre este material tiene como
finalidad, además de proteger contra la corrosión, aportar a la pieza
características funcionales y/o decorativas, sin embargo
las empresas
galvánicas dedicadas a la aplicación de estos
acabados, cuando la preparación de la superficie de zamak
no ha sido la adecuada, suelen tener problemas a la
hora de obtener recubrimientos de buena calidad. Esta
preparación puede constar de varias etapas como son
vibrado, pulido, desengrases y decapados. Una mala
preparación puede llegar a provocar la corrosión
del zamak, y puesto que sus productos de
corrosión tienen un mayor volumen,
ejercerán una importante presión
sobre el depósito aplicado posteriormente, lo que puede
provocar su levantamiento, dando lugar a diferentes tipos de
defectos superficiales como pueden ser picados, ampollas o
incluso rotura del depósito. Todo ello deriva en una
reducción significativa tanto de las propiedades
estéticas como funcionales de las piezas, y con ello
incrementando el índice de rechazo de las
empresas.

3.3.- ANÁLISIS Y ENSAYOS
EFECTUADOS

Por encargo de la Asociación de Fabricantes de
grifería y valvuleria de España
(AGRIVAL), el autor de este articulo dirigió un estudio
técnico encaminado a determinar la adecuación del
zamak para fabricar cuerpos de grifería, ampliando la
utilización que se venia haciendo, con buenos resultados,
para la producción de elementos exteriores de la
grifería y valvuleria, es decir de elementos no sometidos
al flujo del agua ni a la
presión de la red. Con el criterio de
conocer su eventual idoneidad o sus inconvenientes si los
tuvieran, se efectuaron análisis y ensayos de resistencia a la
corrosión en cámara de niebla salina de cuerpos de
zamak, recurriendo para ello al L.G.A.I. (Laboratori General
d´Assaigs i investigacions) del Departament
d´Indústria i Energia de la
Generalitat de Catalunya)

Para determinar la idoneidad de este material para
fabricar los cuerpos de los grifos a través de los cuales
circula agua potable
para el consumo
humano, se seleccionaron siete muestras de grifos, tres
fabricados con latón y cuatro en zamak.

Zamak hay muchos aunque, para su aplicación en
grifería, el campo queda limitado a muy pocas de cada una
de estas aleaciones,
siendo obvio que cualquier estudio riguroso sobre la idoneidad de
estos materiales,
tanto desde el punto de vista corrosión como
toxicológico, pasa en primer lugar por conocer el tipo de
aleación de que están hechas las muestras objeto de
estudio, ya que según el tipo utilizado los resultados
diferirán. La determinación de la
composición del zamak fue encomendada también al
"Laboratori General d´Assaigs i investigacions de
Catalunya" (6), obteniéndose mediante
espectrometría de plasma Inducido. Se supuso, por tener
los cuatro grifos la misma procedencia, que la composición
de la aleación de zamak es la misma para todos ellos,
obviándose determinar las de los grifos de latón
por disponer de las especificaciones de los materiales
utilizados, facilitadas por los fabricantes.

El mismo ya citado laboratorio
efectuó el ensayo de
corrosión acelerada en cámara de niebla salina
neutra (ensayo NNS en
las condiciones previstas en la Norma ISO
9227.1.990) durante un periodo de 500 horas, de tres
griferías niqueladas y cromadas fabricadas con
latón y cuatro con zamak. Hay que aclarar que este ensayo
es muy diferente al contemplado en la Norma UNE 19-709-91 (EN
248) "Grifería sanitaria. Especificaciones técnicas
generales de los revestimientos electrolíticos de Ni-Cr"
(según la Norma ISO 3768) en el que las griferías,
entre otros aspectos, permanecen en la cámara durante 200
horas.

Para ver en cada caso el efecto del ensayo sobre las
superficies desnudas (metales base) y conductos interiores, uno
de los grifos de latón se seccionó en dos partes e
igualmente se hizo con dos de zamak. Con este mismo criterio al
finalizar el ensayo los restantes grifos enteros (uno de
latón y dos de zamak) fueron también seccionados
longitudinalmente para conocer el estado
interior de los materiales fundidas o inyectados
respectivamente

Las piezas en el interior de la cámara de ensayo
se situaron en posición vertical, colgadas de un hilo de
nylon a una temperatura de
36? ºC ± ?1? ºC, efectuándose
inspecciones cada 24 horas a excepción de los fines de
semana correspondientes. Una vez finalizado el ensayo se
procedió, como se ha indicado, al corte longitudinal de
las muestras enteras y correspondiente examen visual de sus
superficies interiores.

Como una de las cuestiones a determinar es que los
materiales no representen ningún peligro para la salud, ni generen
alteración en la calidad alimentaria del agua, se
creyó conveniente analizar, cuando su cantidad y
extensión lo aconsejó, los residuos de la
corrosión que se produjera, caracterización
química
igualmente encomendada al Laboratori General d´Assaigs i
investigacions de Catalunya lo que se efectuó mediante
ensayo NSS ISO 9227:1990 por la técnica de
Difracción de Rayos X y
mediante el método de
polvo, es decir previa molturación de la muestra tomada
sobre el producto de
corrosión observado en las muestras. La
composición, en su caso, de los productos de la
corrosión, aun a sabiendas de que la naturaleza del
ensayo los limitará a unas pocas sales, orientará
sobre su eventual capacidad de alterar la calidad del agua que
circule por ellos

3.4.- LIMITACIONES DEL ESTUDIO

Dado que el ensayo efectuado en cámara de niebla
salina está encaminado a conocer la resistencia a la
corrosión de las superficies en contacto con el ambiente
salino de la cámara, se expusieron a ella grifos
seccionados (acción
directa sobre la base metálica de zamak y latón),
además de las superficies con recubrimiento
metálico (cuerpos enteros y seccionados). El resultado
sobre estas últimas superficies depende de las
características del recubrimiento electrolítico de
uno y otro material, por lo que previamente se debería
haber determinado los espesores de los recubrimientos que para el
caso de los grifos de latón sabemos que son de Ni-Cr,
dando por entendido, después de su observación visual, que son de Cu-Ni-Cr
para el caso del zamak.

Los eventuales productos insolubles de la
corrosión pueden tener numerosos efectos, siendo necesario
consignar que, en el caso de una superficie metálica
vertical, tal como se ha realizado el ensayo, es normal que tales
productos se desplacen a lo largo de la superficie bajo la
fuerza de la
gravedad. Puesto que su presencia suele estar asociada a la
aparición de regiones locales de especial actividad
corrosiva, se desarrollaron sobre las superficies formas
peculiares de ataque vertical.

Los componentes de los productos de la corrosión
que se produjeron fueron, en ambos materiales, mucho mas
limitados de los que posiblemente se obtendrían en los
grifos en uso en un ambiente agresivo y en los que, a
consecuencia de las características del agua (agresiva o
corrosiva), podrían aparecer en las superficies desnudas
del metal (conductos y pasos interiores) elementos como sulfatos
y nitratos o calcio, magnesio, etc., que no se presentaron en el
ensayo de la cámara.

Se aclara que los resultados obtenidos para el interior
de los conductos, tampoco permitirian extraer conclusiones
extrapolables a los grifos en uso, ya que el agua y los
factores cinéticos del flujo, introducen sobre el
mecanismo de la corrosión condiciones diferentes. Aspectos
fisicoquímicos del agua (el pH, la
conductividad, el contenido de cloruros y sulfatos y los gases en
disolución, fundamentalmente el CO2 y el O2 ) son
determinantes en los procesos de
corrosión. La temperatura, los choques térmicos,
los ciclos seco-mojado (evaporación del agua en los
periodos de no uso) son igualmente elementos de la mayor
importancia no considerados.

3.5.- RESULTADOS DE LOS ENSAYOS Y ANÁLISIS

TIPO DE ALEACION:

Figura 11. Vacuolas en la masa de
Zamak

En el caso de los grifos de latón la
aleación era conocida y en los de zamak se trataba
efectivamente de un "zamak 5" equivalente a una aleación
de cinc ZnAl4Cu1, según normas UNE
37302:1988 ("Aleaciones de zinc para moldeo. Lingotes"), UNE
37306 ("Piezas coladas a presión en las aleaciones de
zinc") y EN 1774:1997, con un 0.04 % de contenido de magnesio
(límites
actualmente establecidos entre el 0.035 y el 0.06), 0.88 % de
cobre (límites actualmente establecidos entre 0.70 y 1.1)
y 4.10 % de aluminio
(límites aceptables entre el 3.8 y el 4.2). El resto de
los componentes, excepto el zinc, se encontraban en porcentajes
inferiores al 0.005 % (el Pb y el Cd
deberían ser menores del 0.003 y el Sn y el Fe menores del
0.002 para evitar la corrosión intercristalina y obtener
unas buenas propiedades). Hay que advertir que la
problemática resistencia de esta aleación frente a
las condiciones climáticas extremas, determinó que
el organismo asesor del cinc de Düsseldorf, emitiera el
Comunicado Técnico V 3.10, febrero de 1.977 aconsejando
que, para hacer frente a estas posibles circunstancias, se fuera
muy meticuloso con las medidas de limpieza y mantener unas
condiciones de proceso
adecuadas. En este sentido puede apreciarse en las secciones de
los grifos de zamak una cierta falta de homogeneidad en la masa
metálica, apreciándose porosidad y existencia de
vacuolas, alguna importante, situada en zona crítica
(reflejado en la Figura 11)

RESULTADO DEL ENSAYO EN CÁMARA DE
NIEBLA SALINA

Se examinaron las muestras a diversos intervalos de
tiempo siendo
los resultados al final del ensayo según el laboratorio
los indicados en el cuadro IV

SUPERFICIES DEL MATERIAL BASE DE LOS GRIFOS
SECCIONADOS

En las dos superficies desnudas (material base) de la
sección del grifo de latón se observa a las 24
horas un leve obscurecimiento. A las 478 horas muestran ambas
indicios localizados de corrosión verde-azulada que, al
finalizar el ensayo, es calificada por el laboratorio como un muy
ligero grado de afectación, no repercutiendo sobre el
aspecto exterior del recubrimiento .

En todas las superficies desnudas de las secciones de
los dos grifos de zamak se observan al finalizar el ensayo
síntomas de corrosión con producción de
residuo blanco, lo cual indica un grado de afectación
importante. A las 24 horas ya se inicia el proceso con la
aparición de los residuos blancos, quedando ya a las 142
horas degradado el recubrimiento exterior con la formación
de ampollas.

SUPERFICIES EXTERIORES CON RECUBRIMIENTO
ELECTROLÍTICO

– En ninguna de las superficies revestidas de las
muestras enteras y seccionadas de los tres grifos de latón
se observaron, al finalizar las 500 horas, variaciones
apreciables de su estado inicial
(Cuadro IV).

– En todas las superficies de las muestras enteras y
seccionadas de los cuatro grifos de zamak se observaron, al
finalizar las 500 horas, alteraciones generalizadas y ampollas en
el recubrimiento con residuo blanco asociado. A las 142 horas el
proceso de corrosión esta o bien localizado o bien
generalizado en la mayoría de ellas (sólo una de
las muestras no ha experimentado alteración). A las 478
horas se han formado ampollas en todas las muestras (Foto
1).

Figura 12. Ampollas en grifos
enteros de zamak

GRIFOS SECCIONADOS AL FINALIZAR EL
ENSAYO

Una vez terminado el ensayo se procede a seccionar
longitudinalmente los dos grifos enteros de latón y los
dos de zamak para valuar el estado de la masa

En el caso de los grifos de latón no se observan
en sus superficies desnudas síntomas apreciables de
afectación, mientras que en los grifos de zamak es notoria
la corrosión que se manifiesta por los residuos blancos
asociados al proceso, aunque en ningún caso es de carácter tan generalizado como la producida
en las zonas equivalentes de las muestras seccionadas previamente
al ensayo.

RESIDUOS DE LA CORROSIÓN

El escaso nivel de ataque, sin apenas residuo, apreciado
tan solo en el material base de los grifos de latón
seccionados antes del ensayo, determina que solamente se analicen
los correspondientes al zamak indicando los resultados, obtenidos
mediante difracción de rayos X, que la naturaleza de los
productos se corresponden con una mezcla de hidróxido de
cloruro de cinc (simonkolleita), de óxido de cinc
(cincita), de hidróxido carbonato de cinc-aluminio y de
carbonato de cinc, así como también de cinc
metálico, todos ellos transcritos por orden de intensidad
del pico mayor del difractograma.

Figura 13. Grifo de zamak
seccionado

3.6.- INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS

En atmósferas secas y calidas es muy notable la
estabilidad que tiene el cinc. La capa molecular de oxido de cinc
o "cincita" que se forma en estas condiciones sobre su superficie
se mantiene indefinidamente. Sin embargo en el caso del zamak, el
aluminio forma un oxido de cinc-aluminio que es una espinela
deficiente que altera su estabilidad. En medio húmedo
parte del oxido de zinc se convierte en hidróxido que con
el dióxido de carbono
(anhídrido carbónico) que contiene el aire, reacciona
para dar carbonatos básicos de cinc, es decir se forman
hidróxidos carbonatos de cinc (Zn4 CO3 (OH)6 . H2 O) e
hidróxido carbonato de cinc-aluminio (Zn 6 Al 2 (OH)16 CO3
. H2 O) o similares. Finalmente el hidróxido de cinc,
ligeramente soluble en agua, formará también sales
de zinc y zincatos, así en presencia de cloruros, como
ocurre en el caso de la cámara de niebla salina,
formará cloruro de cinc (fase cristalina simonkolleita Zn5
(OH)8 Cl2 . H2O) delicuescente (tiene la propiedad de
absorber la humedad del aire). El color blanco de
los residuos de la corrosión del zamak es
característico ya que la mayoría de estos productos
son del citado color o incoloros.

Entre los residuos de la corrosión que aparecen
en la analítica se encuentra también el cinc
metálico, lo que es atribuible al procedimiento de
toma de muestra, no teniendo significación al efecto que
nos ocupa, pero si probablemente en la situación de un
grifo en uso.

En el caso del latón, al tener un contenido de
cinc superior al 20 %, el óxido que se forma sobre su
superficie está constituido por una matriz de Cu2O
con partículas de ZnO, que llegan a formar una
película (cambio de
tonalidad apreciable ya a las 24 horas en la cámara). A
pesar que la aleación contiene un soluto que se volatiliza
(cationes Zn+2) y que podría dar, a altas temperaturas, un
perfil de óxido irregular, a las temperaturas de uso y con
la presencia de aluminio se impide este efecto
consiguiéndose, por el contrario, que el crecimiento del
Cu2O disminuya no progresando su formación, que queda
limitada a una película protectora continua y compacta. En
medio húmedo solo una pequeña parte del oxido pasa
a hidróxido o se combina con los iones cloruros formando
cloruro cuproso (poco estable) que, en contacto con el aire,
origina oxicloruro cuproso (Cu2OCl2) de color verde y cloruro
cúprico (color azulado). Finalmente el hidróxido al
combinarse con el anhídrido carbónico del aire
formará una capa verde de carbonato cúprico
básico.

Para el caso del zamak 5 la anomalía que supone
la aparición a las 142 horas de alteraciones en las
superficies recubiertas, podría atribuirse a un inadecuado
recubrimiento del metal base, que posiblemente requerirá
mayores espesores, especialmente de cobre, y que en cualquier
caso debería responder al ya citado número de
clasificación internacional Zn/Cu 20 Ni 10b Cr r
(condiciones de utilización Nº 2)

En el caso de los recubrimientos metálicos
protectores de las muestras de zamak , algunas irregularidades de
la superficie del metal base o una inadecuada técnica
durante los procesos de recubrimiento que afecten a la adherencia
o la homogeneidad de los espesores, entre otras circunstancias,
habían originado puntos activos o
áreas de menor resistencia y que al ocasionarse reacciones
de corrosión y producirse aumento importante del volumen
del material (por ejemplo el óxido de cinc tiene un
volumen molecular 1.6 veces el del cinc y el del hidróxido
es 3.5 veces superior), dieron lugar a ampollas o vejigas que
provocan tensiones en la interfaz zamak-cobre, llegando a romper
el revestimiento de Ni y Cr para dar salida a los productos de la
corrosión.

La distribución geométrica de los
productos de la corrosión obedece en parte, tal como
indicaba al explicar las limitaciones del estudio, a un proceso
de ataque vertical debido a la posición de las muestras en
la cámara de niebla salina.

Conclusiones

Del resultado del ensayo de corrosión acelerada
en cámara de niebla salina se deduce claramente el peor
comportamiento, frente a la corrosión, de
las muestras de grifería de zamak 5 con respecto a las de
latón, siendo ostensible la rapidez e intensidad de la
degradación de la aleación de cinc, generando un
volumen importante de residuos que posiblemente determinan
pérdida sensible de resistencia mecánica.

Aunque se eviten o reduzcan las operaciones de
limado y pulido, el rigor que requieren la especificación
y posterior control de la
recepción del material (es importante la exactitud de la
composición a requerir a los proveedores),
así como durante los subsiguientes procesos
electrolíticos, el que estos a su vez deben ser
estrechamente controlados para hacer frente con éxito a
la acción del medio ambiental, la dificultad de aplicarle
recubrimientos plásticos
que requieran curado (temperaturas de mas de 150 ºC durante
bastantes minutos), la no fácil aplicación de
recubrimientos duros mediante plasma en vacío
(pulverización catódica, recubrimiento
iónico, implantación iónica, etc.), la
aparición de corrosión en el interior de los pasos
para roscar monturas, adaptar alimentaciones y en los conductos
por donde circulará el agua (cuyos productos podrán
ser arrastrados por el flujo), sin que su geometría
permita de forma sencilla su protección, tal como
especifican las normas de grifería, son claros
inconvenientes del zamak 5 (Z) ensayado, frente al latón,
para su aplicación a la fabricación de cuerpos de
grifería.

Su utilización obliga también a
replantear, en prevención de los efectos de la
corrosión galvánica (el zamak actuará como
ánodo de sacrificio), muchos de los componentes
metálicos tradicionales de la grifería que pudieran
estar en contacto con el zamak, que seria el metal directamente
afectado, debiéndose tener en cuenta además que
entre los productos de la corrosión que se
producirán estará, muy probablemente, el cloruro de
cinc que, al mezclarse con el óxido de cinc y el agua,
fragua en una masa blanca dura e insoluble, de cloruro
básico (oxicloruros de cinc), con efecto soldante entre
los metales en contacto.

El agua actúa con energía sobre la
aleación en presencia de oxigeno, sobre
todo si el metal, como ocurre en las griferías, esta unas
veces mojado y otras no, sufre condensaciones o esta expuesto a
su vapor. En estas condiciones se formará algo de
hidróxido que es ligeramente soluble, depositando sobre el
zamak desnudo y sumergido a la temperatura ordinaria, una capa de
2 ZnO, ZnCO3, 3 H2O. La cantidad de cinc disuelto alcanza al cabo
de uno o dos días el máximo, separándose
después cinc metálico, aunque todo ello
dependerá de la cantidad de cloruros, sulfatos y nitratos
que contenga el agua

En lo que afecta a su toxicidad, la OMS no ha
establecido ningún valor
guía, pudiéndose encontrar el metal en las aguas de
distribución en contenidos que sobrepasan a menudo los
0.005 mg/l proveniente generalmente de las tuberías de
hierro
galvanizado atacadas por las aguas agresivas o ricas en cloruros
y sulfatos. Para cantidades relativamente pequeñas (2
mg/l) el cinc puede comunicar al agua una opalescencia variable
con la dureza y a partir de los 3 mg/l aparecen sabores
astringentes y desagradables además de depósitos
granulosos.

Desde el punto de vista fisiológico, y sin que la
toxicidad pueda entrar en juego, parece
que la cantidad de cinc tolerable en el agua queda
rápidamente limitada por la astringencia y gusto
desagradable de las sales de cinc, efectuándose su
eliminación principalmente por vía intestinal.
Dosis elevadas de cinc pueden crear problemas gastrointestinales,
irritaciones a la piel y a
anemia.

El aporte cotidiano en el adulto es de 10 a 15
mg/día, siendo pequeña su absorción por el
organismo que se realiza mediante una combinación con las
metaloenzimas, cuya acción biológica implica la
presencia de cinc.

Otro elemento a tener en cuenta es el aluminio,
clasificado dentro de la categoría de parámetro
fisicoquímico natural (máximo 200 ?g/l) y cuyo
contenido en el zamak es muy superior al del latón, pero
que tampoco provoca problemas de toxicidad (las aguas tratadas
para uso público sufren tratamiento con alúmina),
aunque hoy es objeto central de una controversia por la sospecha
de que contribuye a la enfermedad de Alzheimer, de
manera que algunos países como Estados Unidos
establecen unas concentraciones máximas en el agua mas
baja (50 ?g/l)

En definitiva, si desde el punto de vista de resistencia
mecánica y al efecto del agua el zamak no
es adecuado para este tipo de dispositivos no parece probable que
el zamak provoque problemas de toxicidad por migración
del cinc o del aluminio al agua de consumo, ni que le aporte
cantidades por encima de los límites permitidos y menos
aún de metales pesados que, como ya he indicado en
líneas anteriores, apenas están presentes en estas
aleaciones. El riesgo de
toxicidad en circunstancias excepcionales, en el caso del cinc,
queda minimizado por el mal sabor que sus sales aportan,
especialmente el cloruro que por otra parte debido a su afinidad
con el agua termina por formar con el oxido de cinc los
comentados oxicloruros insolubles en este medio.

Notas

• En el seno de la Comisión de Comunidades
  Europeas esta constituido un Comité Científico
  consejero en Materia de Toxicología y
  Ecotoxicología integrado por un representante de cada
  país miembro. Dicho comité estudia los
  problemas toxicológicos, frecuentemente después
  de consultar a especialistas en temas concretos y elabora
  informes que la Comisión tendrá en cuenta al
  redactar las directrices

• El cierre tradicional de la grifería ha sido
  el constituido por un asiento y soleta de compresión.
  Al girar el mando del grifo la soleta, normalmente de caucho
  desciende obturando el asiento e impidiendo que el agua
  fluya. Al girar el mando en sentido contrario la soleta
  asciende y abre el grifo.

• Esta norma pretende abarcar a los materiales y
  productos que se relacionan con el agua potable y su
  finalidad es evaluar los contaminantes e impurezas que
  indirectamente afectan al agua incluyendo de forma no
  limitativa a procesos, revestimientos protectores,
  soldaduras, sellados y empaquetaduras, tuberías,
  depósitos, válvulas, membranas de
  separación y dispositivos mecánicos (grifos,
  válvulas de control y de cierre), etc.

• Calificación según la A.S.T.M.
  Internacional con una pureza mínima del 99,99
  %

• La colabilidad es la aptitud de reproducir en
  detalle una superficie. La buena colabilidad normalmente se
  define como la facilidad que tiene una aleación a ser
  fundida sin técnicas especiales. Es función de
  las contracciones y el intervalo de solidificación y
  posterior enfriamiento.

• Investigación dirigida por el autor para la
  Asociación Nacional de Fabricantes de Grifería
  y Valvulería de España. En junio de
  1998

"Griferías mezcladores ecoeficientes" en Montajes
e Instalaciones, Madrid junio
1.999. en el que se aclaran aspectos de esta
aleación

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Autor:

Francisco J. Pancorbo
Floristán