JP2005350753A - 銅合金からの鉛分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 銅合金から効率的に鉛を分離することのできる銅合金からの鉛分離方法を提供する。
【解決手段】 銅合金に、Ｓｎ、ＺｎおよびＳｉを添加して溶融し、凝固させることを特徴とする。また、銅合金に、Ｓｎ又はＺｎの少なくとも何れか一方と、Ｓｉとを添加して溶融し、溶融状態にある温度から７００℃となるまで０．１〜５００℃／ｍｉｎの速度で冷却することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、銅合金からの鉛分離方法に関し、より詳しくは、スクラップとして廃棄される銅合金からの鉛分離方法に関する。

廃家電や廃電子部品を初めとするスクラップ中には、銅合金が多量に含まれており、環境問題の解決が急務であると指摘されるなか、このような銅合金を有効利用する方法が要望されている。
ところが、斯かる該銅合金中には比較的多くの鉛が含まれているため、従来、このような銅合金は、鉛が含まれていてもよい用途に使用されているに過ぎなかった。
しかしながら、近年、例えば水道関連業界において見受けられるように、鉛フリーの銅合金が使用される傾向にあり、鉛を含有する銅合金の用途は徐々に減りつつある。

一方、銅合金中の鉛を分離する方法としては、銅の精錬工程のような、酸化精錬と電解精錬によって銅合金中の不純物を除去する方法が知られている。
しかしながら、このような銅の精錬方法によれば、長時間の精錬が必要となり、リサイクルに要するコストが高くなり過ぎるという問題がある。

そこで、本発明者らは、銅−鉛合金の溶融液に第３元素を添加することによって偏晶組成が変化する点に着目した。
銅−鉛合金に関しては、偏晶組成が３７質量％Ｐｂであり、偏晶温度が９５５℃であること、および、第３成分としてＳｉを添加することによって該偏晶組成が変化することが知られている。
但し、斯かる性質を利用した従来技術としては、Ｓｉを添加することにより、銅合金中に鉛を均一に分散させる方法が開示されているに過ぎない（非特許文献１）。
伸銅技術研究会誌 第２４巻（１９８５年）１９２〜２００頁

ところで、上述のようにスクラップ等として回収される銅合金は、銅合金中の鉛の含有量が３７質量％未満（即ち、亜偏晶組成）であるものが多く、このような場合には偏晶温度以上に加熱しても上記のような２液相状態とはならず、また、第３元素としてＳｉを添加しても、銅と鉛とを分離することはできない。
これは、冷却の際に銅を主成分とするＬ１相が微細な網目状の樹脂状晶（デンドライト）として晶出するため、鉛を含むＬ２相がこの微細な樹脂状晶の間隙に取り込まれてしまい、非常に微細な状態で分散してしまうからであると考えられる。
また、このような亜偏晶組成の銅合金のみならず、合金中の鉛の含有量が３７質量％以上である偏晶組成の銅合金についても、銅合金から鉛をより一層効率良く分離することが望まれている。

そこで、本発明は、例えばスクラップ等として回収される銅合金を初めとして、鉛を含有する銅合金中から、効率的に鉛を分離することのできる鉛分離方法を提供することを一の課題とする。

前記従来の課題に鑑みて、本発明者らが鋭意研究したところ、該銅合金に添加する第３元素として特定の元素を用いることにより、従来よりも、より一層効率的に銅合金から鉛を分離しうることを見出し、本発明を想到するに至った。
さらに、該銅合金に特定の第３元素を添加した状態で溶融し、これを徐々に冷却するという方法によれば、さらに効率的に該銅合金から鉛を分離しうることを見出し、本発明を想到するに至った。

即ち、本発明の銅合金からの鉛分離方法に係る第一の方法は、銅合金に、第３成分として、Ｓｎ、ＺｎおよびＳｉの３種類を添加して溶融し、凝固させることを特徴とするものである。

銅合金に添加する第３成分として、Ｓｎ、ＺｎおよびＳｉという３種類の成分を添加し、溶融および凝固させることにより、銅合金中で鉛を比較的大きな粒状で晶出させることが可能となる。凝固させた後の銅合金は、破砕又は溶融等することにより、銅と鉛とを比較的容易に分離することができる。

Ｓｎ、ＺｎおよびＳｉの添加量は、好ましくは、溶融状態にあるこれら金属全量に対して、それぞれ１〜１０質量％とする。

より具体的には、Ｓｎの添加量は、銅合金中に含まれる鉛の量によって多少異なるが、例えば０．１〜６質量％の鉛を含むような一般的な銅合金を処理対象とする場合には、溶融状態にある金属全量に対して、１〜１０質量％とすることが好ましく、３〜８質量％とすることがより好ましく、４〜６質量％とすることがさらに好ましい。

また、該Ｓｎの由来については特に限定されず、銅合金に対して外から添加されたものや、元々処理対象である銅合金中に含まれているものであってもよい。即ち、銅合金中に含まれるＳｎ量と、必要に応じて外から添加したＳｎの合計量が上記範囲となるようにすればよい。

Ｚｎの添加量についても、溶融状態にある金属全量に対して、１〜１０質量％とすることが好ましく、３〜８質量％とすることがより好ましく、４〜６質量％とすることがさらに好ましい。
また、該Ｚｎの由来についても特に限定されず、銅合金に対して外から添加されたものや、元々処理対象である銅合金中に含まれているものでもよい。

Ｓｉの添加量は、溶融状態にある金属全量に対して、１〜１０質量％とすることが好ましく、３〜８質量％とすることがより好ましく、４〜６質量％とすることがさらに好ましい。
また、該Ｓｉの由来についても特に限定されず、銅合金に対して外から添加されたものや、元々処理対象である銅合金中に含まれているものでもよい。

また、銅合金を溶融させる際の温度については特に限定されず、第３成分が添加された状態で溶融する温度であればよいが、通常、８００〜１５００℃である。また、該合金を溶融する手段としても、従来公知の方法を使用することができる。該溶融手段としては、例えば、電気炉、ガス炉、重油炉等を挙げることができる。、

また、本発明の銅合金からの鉛分離方法に係る第二の方法は、銅合金に、Ｓｎ又はＺｎの少なくとも何れか一方と、Ｓｉとを添加して溶融し、溶融状態にある温度から７００℃となるまで０．１〜５００℃／ｍｉｎの速度で冷却することを特徴とするものである。

銅合金に、Ｓｎ又はＺｎの少なくとも何れか一方と、Ｓｉとを添加して溶融し、溶融状態にある温度から７００℃となるまで０．１〜５００℃／ｍｉｎという比較的ゆっくりした速度で冷却することにより、鉛を含むＬ２相が、銅を主成分とする微細な網目状の樹脂状晶（デンドライト）であるＬ１相の間隙に取り込まれないよう、その間を通り抜けて沈降させ、銅合金の下方側に大きな塊として晶出させることができる。
よって、例えば、該銅合金を鉛の除去された上部側と、鉛の晶出した下方側とに切断することにより、銅合金中から鉛を効率良く分離することができる。

前記ＳｎおよびＺｎの添加量は、溶融状態にある金属全量に対してそれぞれ１〜１０質量％とすることが好ましく、３〜８質量％とすることがより好ましく、４〜６質量％とすることがさらに好ましい。

また、斯かる第二の方法においても、前記ＳｎおよびＺｎを両方添加することが好ましい。ＳｎとＺｎとを両方添加する場合には、両者の合計量が、溶融状態にある金属全量に対して、５〜２０質量％とすることが好ましい。

一方、必須成分であるＳｉの添加量については、溶融状態にある金属全量に対して１〜１０質量％とすることが好ましく、３〜８質量％とすることがより好ましく、４〜６質量％とすることがさらに好ましい。

また、前記第一の方法と同様に、Ｓｎ、ＺｎおよびＳｉの由来については特に限定されず、銅合金に対して外から添加されたものや、元々処理対象である銅合金中に含まれているものであってもよい。

また、銅合金を溶融させる際の温度や溶融手段についても、前記第一の方法と同様、特に限定されるものではない。

また、冷却速度は溶融状態にある温度から７００℃までの間、０．１〜５００℃／ｍｉｎの範囲内で制御するものであるが、１〜１０℃／ｍｉｎとすることが好ましく、３〜５℃／ｍｉｎとすることがより好ましい。
冷却速度を０．１℃／ｍｉｎ未満とすると、冷却に要する時間が長くなりすぎ、処理効率が低下する。一方、冷却速度を５００℃／ｍｉｎより速くすると、銅合金と鉛との分離が不十分となり、好ましくない。

尚、本発明における冷却速度は、溶融状態にある温度から７００℃までの温度差を、その冷却にかけた時間で除した値、即ち、溶融状態にある温度から７００℃までの平均の冷却速度をいう。また、ここでいう温度とは、銅合金の中心部において測定される温度をいうものとする。

本発明の処理対象である銅合金は、偏晶組成（鉛の含有量が３７質量％以上）のものであってもよく、また、亜偏晶組成（鉛の含有量が３７質量％未満）のものであってもよい。さらに、鉛以外の他の成分が含まれた銅合金であってもよい。
鉛を含む銅合金としては、例えば、バルブや継手などの水周り製品として使用されているものや、鉛青銅等を挙げることができ、これらのスクラップ等は好適な処理対象物となる。

以上のように、本発明に係る銅合金からの鉛分離方法によれば、鉛を含有する銅合金中から、従来よりも効率的に鉛を分離、除去することが可能となり、鉛を含む銅合金のリサイクルに極めて有効な技術となる。

（実施例１）
鉛を５質量％含む銅合金に、ＳｎおよびＺｎを金属全量に対してそれぞれ５質量％となるように添加し、さらに、Ｓｉを同じく２質量％となるように添加し、電気炉にて１２００℃まで加熱して該銅合金を溶融させた。その後、該銅合金の融液を金型に流し込んで凝固させることにより、円柱状の試料を作成した。尚、金型に流し込んだ際には、銅合金が約５００℃／ｍｉｎで急冷された。

（実施例２）
Ｓｉの添加量を４質量％とする以外は実施例１と同様にして試験を行った。

（実施例３）
Ｓｉの添加量を５質量％とする以外は実施例１と同様にして試験を行った。

（実施例４）
Ｓｉの添加量を６質量％とする以外は実施例１と同様にして試験を行った。

（実施例５）
Ｓｉの添加量を８質量％とする以外は実施例１と同様にして試験を行った。

（比較例１）
Ｓｉを添加しないこと以外は実施例１と同様にして試験を行った。

上記実施例および比較例で作成した円柱状の試料を中央部で径方向に切断した。そして、２％酢酸溶液に５分間浸漬した後、ろ紙でかるく拭き取ったＰＣ用インクジェットプリント紙をその試料断面に接触させ、５分間放置した。その後、該プリント紙を断面から剥がし、該プリント紙に硫化水素を吹き付けることにより、鉛が付着した部分を黒褐色に着色した。このプリント紙を撮影した図面代用写真を図１に示す。

図１に示すように、第３成分の一つであるＳｉを添加せずに行った比較例１の試料では、鉛が銅合金中に極めて微細な状態で分散しており、銅合金と鉛とを容易に分離できないものであることが認められた。
これに対し、実施例１〜５の試料においては、銅合金中に鉛が粒子状又は塊状となって晶出しており、これを破砕又は溶融することにより、比較的容易に鉛を分離しうるものであることが認められた。

（実施例６）
鉛を５質量％含む銅合金に、Ｚｎを金属全量に対して１０質量％となるように添加し、さらに、Ｓｉを同じく５質量％となるように添加し、電気炉にて１２００℃まで加熱して該銅合金を溶融させた。その後、該銅合金の融液を、溶融状態にある１０００℃から７００℃まで、約３〜５℃／ｍｉｎとなるように制御しながら徐々に冷却し、さらに常温まで冷却して円柱状の試料を作成した。

（実施例７）
Ｚｎを７質量％とし、さらに、Ｓｎを３質量％添加することを除き、他は実施例６と同様にして円柱状の試料を作成した。

（実施例８）
Ｚｎを５質量％とし、さらに、Ｓｎを５質量％添加することを除き、他は実施例６と同様にして円柱状の試料を作成した。

（実施例９）
Ｚｎを３質量％とし、さらに、Ｓｎを７質量％添加することを除き、他は実施例６と同様にして円柱状の試料を作成した。

（実施例１０）
Ｚｎを添加せず、Ｓｎを１０質量％添加することを除き、他は実施例６と同様にして円柱状の試料を作成した。

上記実施例で作成した円柱状の試料を切断し、その断面を観測したところ、銅合金の下方部で鉛が塊状となって晶出していることが認められた。中でも、実施例７〜９の試料では、銅合金の下方部で鉛が集中的に晶出しており、特に実施例８の試料では、図２に示すように、鉛が層状となって下端に晶出しており、極めて容易に鉛を分離できることが認められた。

実施例１〜５および比較例１で得られた試料の断面を示した図面代用写真。 実施例８で得られた試料の垂直方向の断面を示した図面代用写真。

Claims (6)

1. 銅合金に、Ｓｎ、ＺｎおよびＳｉを添加して溶融し、凝固させることを特徴とする銅合金からの鉛分離方法。
2. 前記Ｓｎ、ＺｎおよびＳｉの添加量が、溶融状態にあるこれら金属全量に対して、それぞれ１〜１０質量％であることを特徴とする請求項１記載の銅合金からの鉛分離方法。
3. 銅合金に、Ｓｎ又はＺｎの少なくとも何れか一方と、Ｓｉとを添加して溶融し、溶融状態にある温度から７００℃となるまで０．１〜５００℃／ｍｉｎの速度で冷却することを特徴とする銅合金からの鉛分離方法。
4. 前記Ｓｎ又はＺｎの添加量が、溶融状態にある金属全量に対して１〜１０質量％であり、且つ前記Ｓｉの添加量が、溶融状態にある金属全量に対して１〜１０質量％であることを特徴とする請求項３記載の銅合金からの鉛分離方法。
5. 前記ＳｎおよびＺｎを両方添加することを特徴とする請求項３又は４記載の銅合金からの鉛分離方法。
6. 前記ＳｎおよびＺｎの添加量の合計が、溶融状態にある金属全量に対して５〜２０質量％であることを特徴とする請求項５記載の銅合金からの鉛分離方法。

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