JP2004068096A - 銅合金の切削性を改善するＳｅ含有合金 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛レス青銅合金に、切削性を改善するＳｅを安全に取込むためのＳｅ含有低融点合金を提供する。
【解決手段】Ｓｅと、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか一種以上とのＳｅ含有低融点合金。このＳｅ含有低融点合金は、Ｓｅの発煙無しで製造することができ、さらにこのＳｅ含有低融点合金は、Ｓｅの発煙を起こすことなく鉛レス青銅合金中に投入でき、鉛レス青銅合金に所望の量のＳｅを安全に添加し、その切削性を改善することができる。

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、銅合金、例えばバルブ、コック等水道用器具の鋳造用材料として使用される銅合金に添加して、その鋳造性、切削性、耐圧性を改善するＳｅ含有合金、特にＳｅ含有低融点合金に関する。さらに詳細に言えば、従来水道用器具の鋳造用材料として使用されていた青銅合金に代わって使用される、鉛の水道水中への溶出を低減できる所謂鉛レス青銅合金に、従前の青銅合金に匹敵する鋳造性、切削性、耐圧性を付与するのに好適に使用できるＳｅ含有合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、水道用器具の鋳造用材料としては、日本水道協会により、ＪＩＳ　Ｈ　５１２０のＣＡＣ４０６が標準仕様として指定されている。このＣＡＣ４０６の成分組成は、質量％でＣｕ：８３〜８７％、Ｓｎ：４．０〜６．０％、Ｚｎ：４．０〜６．０％、Ｐｂ：４．０〜６．０％である。
【０００３】
この青銅合金は、鋳造性、切削性、耐圧性に優れている。他方、水道用器具は一般に複雑な形状を有することからその製作は鋳造による必要があり、他の器材との連結部などを機械で後加工する必要があり、使用時には高い水圧に耐える必要があり、これらからこのＣＡＣ４０６に規定される材料がきわめて好適である。そして、上記成分のうち、Ｐｂは特に切削性及び耐圧性を向上させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現行の水道水の水質基準では、Ｐｂの溶出基準値は０．０５ｍｇ／ｌ以下と規定されており、現在使用されているＣＡＣ４０６の鋳造用青銅合金で十分対応できている。しかし、平成１４年３月２７日付け厚生労働省の「水質基準に関する省令の一部を改正する省令（厚生労働省令第４３号）」によれば、平成１５年４月１日以降は、Ｐｂ基準値が０．０１ｍｇ／ｌ以下に改定されることとなっている。この基準値を前記ＣＡＣ４０６規格の鋳造用青銅材料でクリアすることは一般的には困難である。従って従来使用していたＣＡＣ４０６の材料に代わり得る、鋳造性、切削性、耐圧性に優れた材料の開発が求められている。
【０００５】
上記目的を達成する新しい材料として、Ｐｂの代替成分としてＢｉ、Ｂｉ−Ｓｅ、Ｂｉ−Ｓｂを使用した銅合金が提案されており（例えば、米国特許第５６１４０３８号参照）、市販もされている。これらは鉛の溶出抑制の点で優れた効果を奏しており、新しいＰｂ基準値をクリアできるものとして評価されている。
【０００６】
ところで、上記のＢｉ−Ｓｅ系銅合金は、従来水道用器具に使用されていたＣＡＣ４０６規格の青銅合金に代わっての鋳造用材料として使用しようとするもので、先に説明したＣＡＣ４０６の青銅合金の成分中のＰｂに代えてＢｉ、Ｓｅを含むものであり、銅中にこれらを他の成分と一緒に溶融混合して作るものである。
【０００７】
Ｓｎ、Ｚｎを銅合金溶湯中へ単独で投入することは従前から一般的に行なわれており、なんら問題はない。またＢｉの銅溶湯中への取り込みにも何ら問題はない。しかし、Ｓｅの取込みに苦慮しているのが実情である。
【０００８】
すなわち、Ｓｅはその融点が２１７℃であり、沸点が６８６℃である。一方銅合金の溶湯温度は通常１１００℃以上あり、Ｓｅの沸点をはるかに上回る。このため、Ｓｅを単独で銅合金溶湯中に投入すると、Ｓｅは激しく発煙し、この発煙物質は人体に有害とされている。これがために、Ｂｉ−Ｓｅ系は鋳造性、切削性、耐圧性、機械的強度などで高い評価を受けているが、従前使用している設備、装置では実操業が非常に困難であり、その製造が敬遠されてきたのが実情である。　そして、必要な場合には、Ｓｅを含有している銅合金のインゴットを購入し、それを必要量だけ銅合金溶湯中に投入して所望のＳｅ含有銅合金を製造していた。この場合においても、Ｓｅ含有の銅合金のインゴットを製造して供給する側においては、安全面に配慮した高度な設備を備え、その管理、監視体制にも相当の費用を必要とする。なお、ＣＡＣ４０６の鋳造用青銅合金で使用しているＰｂは、融点が３２７℃であるが、沸点は１６２０℃であり、合金製造に格別の配慮は必要ではなかった。
【０００９】
本願発明は上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、従来使用していた設備を用いて、切削性を向上させる目的で銅合金にＳｅを、安全に添加することを可能とする手段を提供することをその課題とする。
【００１０】
さらに具体的に言えば、従来切削性を付与するために添加されていたＰｂに代えて、ＢｉとＳｅをその成分として含有する銅合金に、安全にＳｅを取込むことを可能とし、鉛レス銅合金の切削性を改善する手段を提供することをその課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、Ｓｅと、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか一種以上からなることを特徴とする、銅合金の切削性を改善する低融点合金を提供する。
【００１２】
また、本発明は、Ｓｅ含有量が２０％を越えない、Ｓｅと、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか一種以上からなることを特徴とする、銅合金の切削性を改善する低融点合金を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る、銅合金を製造する際にこれに添加して、銅合金の切削性を改善するＳｅ含有低融点合金について説明する。このＳｅ含有低融点合金は、Ｓｅと、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか一種以上からなるＳｅ含有低融点合金である。ここで、前記各元素の融点及び沸点を示すと、表１のとおりである。
【００１４】
【表１】

本実施の形態に係る、銅合金の切削性を改善するために添加するＳｅと、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか一種以上の低融点合金は、通常の集塵設備のある溶解炉で、溶解された低融点元素であるＳｎ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか一種以上からなる溶湯にＳｅを添加し、攪拌、沈静後、インゴットケースに注湯することにより行う。表１に示されるように、Ｓｅの融点は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれの融点よりも低く、一方Ｓｅの沸点はＳｎ、Ｚｎ、Ｂｉの融点よりもずっと高く、したがって、これらＳｎ、Ｚｎ、Ｂｉの溶湯中にＳｅを単体で投入して溶融しても、Ｓｅの発煙は起こらない。
【００１５】
そして、このようにして製造されたＳｅと、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか一種以上からなるＳｅ含有低融点合金を、銅合金中に投入しても発煙がほとんど生じないことが確認できた。
【００１６】
ここで、本発明において採用された元素のうちＳｎ、Ｚｎは、従来から水道器具鋳造用として使用されているＣＡＣ４０６の青銅合金に必要な機能を付与するために主要成分として含まれるものであり、またそれに代わって使用されるＢｉ−Ｓｅ系鉛レス青銅合金にもこれらは同様の機能を付与するために含まれるものであり、Ｂｉも切削性、耐圧性を改善するためにＢｉ−Ｓｅ系鉛レス青銅合金に当然含まれるものである。
【００１７】
従って、これらのＳｅ含有低融点合金を製造する際に各成分の比率を、そのＳｅ含有低融点合金を用いて製造しようとする鉛レス青銅合金中のそれら元素の成分比率を考慮して決定すれば、適宜計算をして算出した量だけこのＳｅ含有低融点合金を添加すればよく、別途それらの成分を単体として添加する必要はない。すなわち本発明者は、従来のＣＡＣ４０６の青銅合金及びそれに代わって使用されるＢｉ−Ｓｅ系鉛レス青銅合金にはいずれもＳｎ、Ｚｎが含まれること、Ｂｉが切削性及び耐圧性を付与するためにＢｉ−Ｓｅ系鉛レス青銅合金に添加されるものであること、さらにこれら元素の融点がＳｅの融点に比較的に近い低融点であること、またこれらの元素の融点がＳｅの沸点よりはるかに低いことに着目し、各種実験を行なった結果、Ｓｅの発煙を起こすことなくこれら低融点合金の製造が可能であること、この合金をＳｅの沸点より高い温度の溶融温度を有する銅合金中に投入しても、Ｓｅの発煙が起こらないことを見出し、本発明に至ったものである。
【００１８】
本発明のＳｅ含有低融点合金のＳｅ含有量は、最大２０％であることが望ましい。いかに合金化して銅合金中に取込むとはいっても、Ｓｅの量が少ない方が銅合金溶湯中に投入した際のＳｅの発煙の可能性はさらに低くなるからである。
【００１９】
後述するように、本発明者による実験と測定の結果によれば、Ｂｉ−Ｓｅ系鉛レス青銅合金としては、Ｓｅの含有量は僅かでよいことが確認されており、従って、その製造に使用するＳｅ含有低融点合金中のＳｅの含有量も数％で良く、このようなＳｅの含有量の少ない合金として銅合金溶湯中に添加されるので、発煙等の環境の悪化は起こらず、Ｓｅ分の損失もほとんど無い状態で合金化され、最終合金成分の調整も容易に行うことができる。
【００２０】
例えば具体的な例としてＳｎ−Ｓｅ合金について説明すると、これを製造する場合、Ｓｎの融点２３２℃プラス３０℃の範囲に安定して保てる溶解炉で所望量のＳｎを溶解する。次いで例えばフレーク状のＳｅを目的含有量となるように静かに投入し、溶融Ｓｎ中に均一に分布するように炭素棒等で攪拌し、沈静後インゴットケースに注湯し、Ｓｎ−Ｓｅ合金塊を作製する。
【００２１】
本発明に係るＳｅ含有低融点合金を使用して、出願人は、代表的な成分組成範囲が質量％で、Ｓｎ：４．０〜６．０％、Ｚｎ：４．０〜７．０％、Ｂｉ：１．５〜３．０％、Ｓｅ：０．１から０．３％、残部Ｃｕ及び残余成分としたＳｅ含有即ちＢｉ−Ｓｅ系鉛レス青銅合金（セイフアロイ：商標登録第４５８０９７６号）を製造した。この合金は、Ｓｅの量が先に例として説明したＢｉ−Ｓｅ系鉛レス銅合金よりＳｅの量が少ないが、鋳造性、切削性、耐圧性、機械的強度も水道用器具の鋳造用材料として十分であることが確認された。
【００２２】
【実施例】
次に実施例として、主要成分がＳｎ４．５％、Ｚｎ５．０％、Ｂｉ２．５％、Ｓｅ０．２、残部Ｃｕ及び残余成分である鉛レス青銅合金を製造する場合について説明する。この場合、湯口、湯道など、同じ成分比率のリターン材を全重量の４５％分使用し、１００ｋｇ製造するとする。
【００２３】
このリターン材から得られるＳｎ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｓｅの量は、次のとおりとなる。
Ｓｎ　　４５ｋｇ×０．０４５＝２．０２５ｋｇ
Ｚｎ　　４５ｋｇ×０．０５０＝２．２５ｋｇ
Ｂｉ　　４５ｋｇ×０．０２５＝１．１２５ｋｇ
Ｓｅ　　４５ｋｇ×０．０００２＝０．０９ｋｇ
【００２４】
上記の各成分比の鉛レス青銅合金１００ｋｇの製造するために、新たに投入すべき上記各成分の量は以下の通りである。
Ｓｎ　　４．５ｋｇ−２．０２５ｋｇ＝２．４７５ｋｇ
Ｚｎ　　５．０ｋｇ−２．２５ｋｇ＝２．７５ｋｇ
Ｂｉ　　２．５ｋｇ−１．１２５ｋｇ＝１．３７５ｋｇ
Ｓｅ　　０．２ｋｇ−０．０９ｋｇ＝０．１１ｋｇ
【００２５】
そこで上記割合のＳｎ−Ｓｅ、Ｚｎ−Ｓｅ、Ｂｉ−Ｓｅのそれぞれ二元化合金を以下のように製造する。
Ｓｎ−Ｓｅ合金　　全重量２．５８５ｋｇ　Ｓｅの割合４．３％
Ｚｎ−Ｓｅ合金　　全重量２．８６ｋｇ　　Ｓｅの割合３．８％
Ｂｉ−Ｓｅ合金　　全重量１．４８５ｋｇ　Ｓｅの割合７．４％
【００２６】
上記のように、合金一個の重量は軽く、Ｓｅの割合は非常に低い。上記のうち、例えばＳｎ−Ｓｅ合金について説明すると、これを製造する場合、Ｓｎの融点２３２℃プラス３０℃の範囲に安定して保てる溶解炉で２．４７５ｋｇのＳｎを溶解する。次いで例えばフレーク状のＳｅを０．１１ｋｇを静かに投入し、溶融Ｓｎ中に均一に分布するように炭素棒等で攪拌し、沈静後インゴットケースに注湯し、２．５８５ｋｇのＳｎ−Ｓｅ合金塊を作製する。実操業では当然歩留まりを考慮して配合、投入を行う。
【００２７】
このように上記の鉛レス青銅合金を１００ｋｇ製造するに当たり、リターン材を４５％使用し、さらに必要なＳｅの取込みをＳｎ−Ｓｅ合金を用いて行うとすれば、上記の如く製造した総重量２．２８５ｋｇのＳｎ−Ｓｅ合金を一個投入添加すれば、Ｓｎ４．５％、Ｓｅ０．２％の鉛レス青銅合金が得られる。この場合、他のＺｎ、Ｂｉについては従来どおり必要量だけＺｎ、Ｂｉをそれぞれ含む合金或はＺｎ、Ｂｉ単独で投入し、成分調整すれば良い。
【００２８】
通常青銅鋳物は規模により２００ｋｇるつぼ、３００ｋｇるつぼ、４００ｋｇるつぼ、大きくは１トン炉等で量産される。従って、例えば４００ｋｇを製造しようとする場合、前述の如く製造したＳｎ−Ｓｅ合金４個を投入すれば、Ｓｎ、Ｓｅの必要量は得られることとなる。
【００２９】
他のリターン材を使用する場合も、そのリターン材の成分割合及び使用量をもとにして同様の計算を行ない、容易に製造することができる。
【００３０】
【発明の効果】
上記説明から明らかなとおり、本願発明によれば、従来問題とされていたＳｅの銅合金への取込みを安全容易に行うことができ、従前のＣＡＣ４０６の鋳造用青銅合金に対して鋳造性、切削性、耐圧性、機械的強度の点などで遜色のない鉛レス青銅合金を、従来使用している設備を用いて製造することが可能となる。

Claims (2)

1. Ｓｅと、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉのいずれか一種以上からなることを特徴とする銅合金の切削性を改善する低融点合金。
2. Ｓｅ含有量が２０％を越えない、請求項１記載の銅合金の切削性を改善する低融点合金。