JP2011214095A

JP2011214095A - 鋳造用無鉛快削黄銅合金

Info

Publication number: JP2011214095A
Application number: JP2010084232A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yamamoto; 秀樹山本; Ko Hoshino; 耕星野; Tomoki Ito; 智樹伊藤; Makoto Ueno; 誠上野
Original assignee: Joetsu Bronz1 Corp
Current assignee: Joetsu Bronz1 Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27
Also published as: WO2011121799A1

Abstract

【課題】Ｐｂを含有しないＣｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金において、耐エロージョン・コロージョン性を持たせ、且つ鋳造組織での良好な機械的性質（靭性）を確保でき、水道用接水部品等の鋳造品において、連続鋳造、金型鋳造、砂型鋳造といった各種鋳造も可能になる極めて実用性に秀れた鋳造用無鉛快削黄銅合金の提供。
【解決手段】Ｚｎ：１９．０〜２２．０ｗｔ％、Ｓｉ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ｂｉ：０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ｐｂ：０．２０ｗｔ％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物から成る鋳造用無鉛快削黄銅合金。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐エロージョン・コロージョン性及び鋳造組織での機械的性質に優れ、さらに良好な被削性を併せ持つ、鋳造用無鉛快削黄銅合金に関するものである。

近年、水道用水栓金具や一般配管用接水器具、あるいは各種バルブに含有されるＰｂは、合金の溶解・鋳造過程における蒸発、あるいは接水部品として使用した際の飲料水への溶出などにより、人体や環境衛生へ悪影響を及ぼす有害元素との認識が深まり、その含有は厳しく制限される傾向にある。

しかしながら、被削性が良いＪＩＳＨ５１２０ＣＡＣ４０６等の青銅系合金は、Ｐｂを４〜６ｗｔ％、ＪＩＳＨ３２５０Ｃ３６０４やＣ３７７１等の黄銅系合金は、Ｐｂを１〜４ｗｔ％程含有させることにより、工業的に満足しうる被削性を確保したものであるため、Ｐｂを含有しない快削性銅合金の開発が望まれてきた。

また、Ｐｂを実質的に含有せずに、Ｓｉ添加により快削性を与えた銅合金として、ＪＩＳＨ５１２０に、シルジン青銅と称されるＣＡＣ８０１〜ＣＡＣ８０４のＣｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金がある。このＣＡＣ８０４等に代表されるＣｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金の被削性は、Ｐｂを含有したものに比べ若干劣るため、特許文献１に開示されるような被削性を改善した合金も提案されている。ＪＩＳＨ５１２０によると、これらのＣｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金は、優れた機械的性質と耐食性を具備しているとされているが、耐食性で言えば耐脱亜鉛腐食性と耐エロージョン・コロージョン性のうち、前者しか性能的に満足したものが得られていないのが現状であり、水道用接水部品として流速を持つ水中では使用できずに、用途を限定せざるを得なかった。

特開２００９−７６５７号公報特開２００１−６４７４２号公報

前述した背景により、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金の耐エロージョン・コロージョン性は必ずしも工業的に満足し得ないものであり、水道用接水部品として流速を持つ水中では使用できずに、用途を限定せざるを得なかった。

耐食性の改善にはＳｎの添加が非常に有効であり、特許文献２のＣｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金には、Ｓｎを０．２〜４．０ｗｔ％の範囲で添加することで脱亜鉛腐食と選択腐食の防止に効果があると述べられているが、実施例には脱亜鉛腐食に関する調査結果はあるものの、耐エロージョン・コロージョン性についてのデータは示されていない。また、Ｓｎは４ｗｔ％を超えると効果が飽和すると共に硬くて脆い相が生じ、材料の靭性を損なう。特に０．５〜２ｗｔ％の範囲で好ましく作用するともあるが、これについても靭性がどの程度損なわれるかの機械的性質のデータは示されていない。

発明者等の調査結果では、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金の耐エロージョン・コロージョン性は、Ｓｎを０．２ｗｔ％程度含有させてもほとんど効果が得られず、さらに添加し２．０ｗｔ％で最も大きな効果が得られることが認められ、最低でも１ｗｔ％以上の添加が必要とされる。と同時にＳｎは０．５ｗｔ％以上添加すると、鋳造組織において著しく靭性が低下することを見出した。

以上の理由から、耐エロージョン・コロージョン性を確保するために、Ｓｎは最低でも１ｗｔ％以上添加しなければならないが、その場合、鋳造組織での良好な靭性が得られなくなってしまうという二律背反の関係にあるため、両者を満足させることが大きな課題であり、良好な耐エロージョン・コロージョン性を保ちつつ、靭性の改善を図ることが必要不可欠となる。

本発明は、上述のような現状に鑑みなされたもので、Ｐｂを含有しないＣｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金において、耐エロージョン・コロージョン性を持たせ、且つ鋳造組織での良好な機械的性質（靭性）を確保でき、水道用接水部品等の鋳造品において、連続鋳造、金型鋳造、砂型鋳造といった各種鋳造も可能になる極めて実用性に秀れた鋳造用無鉛快削黄銅合金を提供することを目的としている。

本発明の要旨を説明する。

Ｚｎ：１９．０〜２２．０ｗｔ％、Ｓｉ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ｂｉ：０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ｐｂ：０．２０ｗｔ％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物から成ることを特徴とする鋳造用無鉛快削黄銅合金に係るものである。

また、Ｚｎ：１９．０〜２２．０ｗｔ％、Ｓｉ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ｂｉ：０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ａｌ：０．０１〜１．０ｗｔ％、Ｐｂ：０．２０ｗｔ％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物から成ることを特徴とする鋳造用無鉛快削黄銅合金に係るものである。

本発明は上述のように構成したから、Ｐｂを含有しないＣｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金において、耐エロージョン・コロージョン性を持たせ、且つ鋳造組織での良好な機械的性質（靭性）を確保でき、水道用接水部品等の鋳造品において、連続鋳造、金型鋳造、砂型鋳造といった各種鋳造も可能になる極めて実用性に秀れた鋳造用無鉛快削黄銅合金となる。

供試材の化学成分を示す表である。エロージョン・コロージョン試験の試験片形状を示す概略図である。エロージョン・コロージョン試験の試験条件を示す表である。穿孔試験の試験条件を示す表である。引張試験の試験結果を示す表である。Ｓｎ含有量と機械的性質との関係を示すグラフである。Ｓｉ含有量と機械的性質との関係を示すグラフである。機械的性質を比較したグラフである。エロージョン・コロージョン試験の試験結果を示す表である。Ｓｎ含有量とエロージョン・コロージョン性との関係を示すグラフである。エロージョン・コロージョン性を比較したグラフである。穿孔試験の試験結果を示す表である。穿孔性を比較したグラフである。

好適と考える本発明の実施形態を本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明は、Ｓｎを１〜２ｗｔ％添加して良好な耐エロージョン・コロージョン性を確保しつつも、鋳造組織での靭性を確保するために、Ｓｉを１〜２ｗｔ％まで下げることで、靭性を劣化させる硬質相を減らし、且つこれらの成分範囲を狭く限定することにより両者の最適なバランスを見出し、この合金組成を提案するに至ったものである。

また、ＳｉはＺｎと作用して切削加工時のチップブレーカとして機能する硬質相を出現させ、被削性を改善する効果を持つが、Ｓｉを１〜２ｗｔ％まで下げることで、硬質相が減るため若干被削性を低下させる。しかしながら、Ｂｉを０．５〜１．５ｗｔ％で添加することで、Ｐｂと同様に粒状に分散して存在するＢｉがそれを補い、ほぼ同等の被削性を担保することができる。

ところで、水道用接水部品としての耐エロージョン・コロージョン性、鋳造組織での良好な機械的性質（靭性）及び被削性を求めた場合、その成分バランスが極めて重要となり、特許文献２のような広範囲の成分設計ではそれらを満足させ得ず、極めて限定的な成分設計にせざるを得ない状況となる。

そこで、本発明は、Ｓｎを１．０〜２．０ｗｔ％、Ｓｉを１．０〜２．０ｗｔ％、Ｚｎを１９．０〜２２．０ｗｔ％及びＢｉを０．５〜１．５ｗｔ％とそれぞれの元素を極めて限定的な成分範囲とすることで、Ｐｂを含有しないＣｕ−Ｚｎ−Ｓｉ系銅合金において、耐エロージョン・コロージョン性を持たせ、且つ鋳造組織での良好な機械的性質（靭性）を確保したことを大きな特徴とし、水道用接水部品等の鋳造品において、連続鋳造、金型鋳造、砂型鋳造といった各種鋳造も可能になる鋳造用無鉛快削黄銅合金を実現した。

本発明において上記のように成分組成を特定した理由について具体的に説明する。

Ｚｎは、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉ銅合金のマトリックスに固溶し、流動性を高めて鋳造性を良化することや機械的強度を高める作用があるが、一方、Ｓｉ添加量との関係で硬質相が出現するため、靭性を低下させてしまう。このような理由から、Ｚｎの含有量を１９．０〜２２．０ｗｔ％とした。

Ｓｉは、溶解時に脱酸材として作用し、溶湯の流動性を高めて鋳造性を良化させる。また、一部はマトリックスに固溶し機械的強度を高めると共に、一部はＺｎと作用して切削加工時のチップブレーカとして機能する硬質相を出現させ被削性を改善する。被削性改善の為には１．０ｗｔ％以上の添加が望ましい。一方で、後述するＳｎとの共存作用により、網目状に析出する硬質相が、著しく靭性を低下させる為、靭性確保の為にはＳｉ含有量を２．０ｗｔ％以下に抑える必要がある。

Ｓｎは、１．０ｗｔ％を超えて含有させると、流速を持つ水中でも腐食皮膜をより作りやすくなるため、耐エロージョン・コロージョン性を向上させ、２．０ｗｔ％で耐エロージョン・コロージョン性が最良となる。また、一部はマトリックスに固溶し機械的強度を高めるが、一方でＳｉと作用して網目状の硬質相を出現させるため、０．５ｗｔ％を超えて含有させると著しく靭性を低下させる。ところが、上述したようにＳｎと作用して靭性を低下させるＳｉを２．０ｗｔ％以下まで低下させると、Ｓｎは、１〜２ｗｔ％添加しても靭性は低下しないため、耐エロージョン・コロージョン性を満足し、且つ良好な靭性を確保することができるようになる。このような理由から、これらの影響を考慮しバランスをとるためには、１．０〜２．０ｗｔ％のＳｎを含有させる必要がある。

Ｂｉは、Ｐｂと同じように銅合金のマトリックスには固溶せず、粒状にマトリックス中に分散するためチップブレーカとして機能する。一方、Ｂｉは１．５ｗｔ％を越えて含有させると、機械的性質の劣化を招くと共に、高価なＢｉの添加に見合う被削性改善効果が得難くなる。このような理由から、Ｂｉの含有量を０．５〜１．５ｗｔ％とした。

Ａｌは、溶湯の流動性を高めて鋳造性を良化させる。またＳｎと同様に、多量に含有させると硬質相の成長を促進させる機能を有するものでもあるが、１ｗｔ％を超えない範囲で、Ｚｎに代えて添加することにより、耐エロージョン・コロージョン性、機械的性質及び被削性を損なわずに、材料コストを下げられる利点を持つため、０．０１〜１．０ｗｔ％とした。

Ｐｂは、その含有量を０．２０ｗｔ％以下とすることにより、合金の溶解・鋳造過程における蒸発、あるいは接水部品として使用した際の飲料水への溶出などによる人体や環境衛生への鉛害を、実質的に回避することが可能となる。このような理由から、Ｐｂの含有量を０．２０ｗｔ％以下に規制した。

Ｃｕは、脱Ｚｎ腐食感受性を弱め、耐食性や機械的性質を改善する元素であるが、本発明合金においては、その含有量はＺｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｓｉ及びＡｌ含有量とのバランスにより残余として決定されるものであり、実質的な含有量は７２．０〜７８．０ｗｔ％である。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

（１）供試材
本発明合金に係る供試材の化学成分組成を、図１のＮｏ．２〜１１、１３〜１８、２０及び２１に、比較合金の成分組成を表１のＮｏ．１、Ｎｏ．１２及びＮｏ．１９に示す。それらは黒鉛坩堝を用いて電気炉にて溶解し、試験用途に応じて、Ｎｏ．１〜１１は、ＪＩＳＨ５１２０Ｂ号金型、Ｎｏ．１２〜２１は直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍの金型にて各々鋳造し、試験片を採取した。

機械的性質（引張強さと伸び）を評価するために、図１に示す各合金のＢ号金型鋳造試験材（Ｎｏ．１〜１１）からＪＩＳＺ２２０１４号試験片を採取し、引張試験に供した。

耐エロージョン・コロージョン性を評価する為に、図１に示す各合金の直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍの金型鋳造試験材（Ｎｏ．１２〜１８）から、図２に示す試験片形状に機械加工し、図３に示す条件で、直径３０ｍｍの平試験面部に、４ｍｍ離れたところから勢い良く試験溶液を噴射し、強制的にエロージョン・コロージョンを起こさせ、試験片の腐食重量減耗、最大腐食深さを測定し、耐エロージョン・コロージョン性を評価した。

被削性を評価するために、図１に示す各合金の直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍの金型鋳造試験材（Ｎｏ．１９〜２１）から、直径４０ｍｍ、高さ１５ｍｍの円盤に機械加工し、図４に示す条件で穿孔試験に供した。各合金について１０回の穿孔試験を行い、５ｍｍ間の穿孔にかかる毎回の時間を測定し、それらの平均時間を被削性評価のための穿孔時間とした。

（２）機械的性質の評価
図５は、引張試験結果を示したものである。

図６に示すように、Ｓｎは、特許文献１に係る合金（以下、特許合金１という。）の比較材（Ｎｏ．１）の成分系において、Ｎｏ．２〜４のように添加量を増加させた場合、０．５ｗｔ％を超えて添加すると、含有しているＳｉやＺｎと作用して脆い硬質相が網目状に出現するため、脆い硬質相部で破断しやすくなり、鋳造組織において著しく靭性が低下する。

図７に示すＮｏ．５〜９のようにＳｎを１．５ｗｔ％添加した成分系では、Ｓｉを１．５ｗｔ％付近まで下げないと、鋳造組織において満足した靭性は得られない。

また、図８に示すＮｏ．７の合金のように、Ｓｎを１．５ｗｔ％、Ｓｉを１．５ｗｔ％添加した成分系において、Ｚｎに替えてＡｌを添加した場合でも、機械的性質は遜色ない結果が得られている。

（３）耐エロージョン・コロージョン性の評価
図９は、エロージョン・コロージョン試験結果を示したものである。

図１０に示すように、特許合金１の比較材（Ｎｏ．１２）の成分系においては、耐エロージョン・コロージョン性は工業的に満足し得ないものである。しかし、Ｎｏ．１３〜１６のようにＳｎの添加量を増加させた場合、１．０ｗｔ％を超えた付近から、腐食重量減耗、最大腐食深さが減り始め、２．０ｗｔ％では耐エロージョン・コロージョン性が劇的に向上する。

機械的性質（靭性）を確保するためにＮｏ．１７のようにＳｉを１．５ｗｔ％まで下げた場合でも、良好な耐エロージョン・コロージョン性が得られているため、他の成分如何に関わらず、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉ合金系での耐エロージョン・コロージョン性は、Ｓｎの含有量によって決定され、最低でも１．０ｗｔ％を超えて添加することが必要である。

また、図１１に示すＮｏ．１８のように、Ｚｎに替えてＡｌを添加した場合でも、良好な耐エロージョン・コロージョン性が得られている。

（４）被削性の評価
図１２は、穿孔試験の結果を示したものである。

特許合金１の比較材（Ｎｏ．１９）に対し、Ｎｏ．２０のようにＳｎを１．５ｗｔ％添加しＳｉを１．５ｗｔ％まで下げた場合、チップブレーカとして機能する硬質相が減るために被削性は若干低下する可能性が考えられるが、同様の効果を持つＢｉを０．５〜１．５ｗｔ％含有しているため、図１３に示すように被削性はほぼ同等まで補うことができている。

また、Ｎｏ．２１のようにＺｎに替えてＡｌを添加した場合でも、結果は同様である。

（２）〜（４）の各種調査結果より、耐エロージョン・コロージョン性は、特許合金１の比較材に対し、Ｓｎを１．０ｗｔ％以上添加しないと満足するものと成り得ない。しかし、Ｓｎを添加すると、０．５ｗｔ％以上では著しく靭性が低下するため、良好な耐エロージョン・コロージョン性を確保したまま、鋳造組織において満足し得る靭性は得られない。従って、Ｓｎを１．０〜２．０ｗｔ％にし、Ｓｉを１．０〜２．０ｗｔ％にすることで、硬質相を減少させて靭性を改善し、良好な耐エロージョン・コロージョン性を確保したまま、鋳造組織における靭性を確保することが可能となる。

さらに本発明の成分構成にしても、被削性は特許合金１の比較材に対しほぼ同等の性能を有することが確認できる。

よって、本発明は、特許文献１に係る合金における基本特性を損なうことなく、良好な被削性を具備することは勿論、さらに良好な耐エロージョン・コロージョン性と鋳造組織での機械的性質を付加し、連続鋳造、金型鋳造、砂型鋳造用としても好適な鋳造用無鉛快削黄銅合金となる。

Claims

Ｚｎ：１９．０〜２２．０ｗｔ％、Ｓｉ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ｂｉ：０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ｐｂ：０．２０ｗｔ％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物から成ることを特徴とする鋳造用無鉛快削黄銅合金。
Ｚｎ：１９．０〜２２．０ｗｔ％、Ｓｉ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ｂｉ：０．５〜１．５ｗｔ％、Ｓｎ：１．０〜２．０ｗｔ％、Ａｌ：０．０１〜１．０ｗｔ％、Ｐｂ：０．２０ｗｔ％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物から成ることを特徴とする鋳造用無鉛快削黄銅合金。