JP2006083443A

JP2006083443A - 熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料

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Publication number: JP2006083443A
Application number: JP2004270902A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ando; 哲也安藤; Teruo Kanamori; 照夫金森
Original assignee: SHINNITTO KINZOKU KK; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: SHINNITTO KINZOKU KK; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【目的】熱間鍛造性などの熱間加工性に優れ、良好な被削性をそなえるとともに、優れた耐脱亜鉛腐食性を有し、とくに切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料を提供する。
【構成】Ｃｕ：５８．１〜６２．５％、Ｂｉ：０．１０〜１．００％、Ｓｎ：０．２０％以上０．９０％未満、Ｐ：０．０１〜０．０４％、および０．５×［Ｓｎ％］≦［Ｂｉ％］≦０．５×［Ｓｎ％］＋１．１５の関係を満足する量のＢｉを含有し、残部Ｚｎおよび不純物からなることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料、とくに、切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料に関する。

マトリックス中に固溶しない低融点金属を分散させた銅合金、例えば、Ｐｂを含有するＣｕ−Ｚｎ合金は、鋳造性、熱間および冷間加工性、機械加工性に優れているため、水栓金具、バルブ部品、軸受け、歯車などとして使用されている。これらの部品は、一般に、切削加工あるいは熱間鍛造と切削加工の併用により製作されており、切削加工は一般に自動旋盤を使用して行われるため、その材料特性としては、被削抵抗が低く且つ切り屑（被削屑）が分断される良好な被削性が要求されている。

上記のＰｂ入りＣｕ−Ｚｎ合金は、良好な被削性を有し、ＪＩＳＣ３６００、Ｃ３７００に快削黄銅として登録されているが、近年、Ｐｂは人体や環境に悪影響を及ぼす有害物質とされる傾向にあり、環境規制や溶出規制などの理由でＰｂが使用できない場合の切削用黄銅として、Ｐｂに代えてＢｉを添加した黄銅材料、例えば、Ｂｉ：０．２〜４％、Ｓｎ：０．２〜３％を含有する無鉛快削黄銅合金（特許文献１参照）、Ｂｉ：０．５〜４．０％、Ｓｎ：０．２〜２．０％、Ｐ：０．０２〜０．１０％を含有する無鉛快削性銅合金材（特許文献２参照）、Ｂｉ：０．５〜２．２％、Ｓｎ：０．５〜１．６％、Ｐ：０．０４〜０．１５％を含有する無鉛快削黄銅合金材（特許文献３参照）が提案されている。

ＢｉおよびＳｎを合金成分とし含有するこれらの黄銅は、優れた特性を有する場合もあるが、成分の組み合わせによっては、機械加工条件において切り屑が連続し十分な被削性が得られないことがあり、また、熱間鍛造した場合、溶融したＢｉが表面張力差の大きなα相に対し濡れて粒界に層状化し、粒界強度を著しく低下させるため、粒界に張力が負荷された場合に割れを生じるという難点がある。
特開平７−３１０１３３号公報特開２００１−５９１２３号公報特開２００３−２７７８５５号公報

発明者らは、良好な熱間加工性と被削性とを兼ね備えた黄銅材料を得るために、熱間加工および切削加工におけるＳｎとＢｉの作用について再検討を加えた。Ｓｎについては、Ｓｎを例えば１％を越えて含有させると硬質なγ相が生成する。γ相の存在は、切削加工における切り屑の分断については有効に作用するが、硬質なγ相は被削抵抗を増大させ、重切削時の切削加工機への過負荷や仕上げ面のせん断割れなどを誘発するおそれがある。さらに、γ相の存在により素材の延性低下が生じるため、素材製造時の引き抜き加工や、部品のカシメ加工などの塑性変形において、割れや破断が生じ易くなる。

また、改善された熱間加工性を得るためには、見掛け上のＺｎ含有量を３９〜４３％に調整するのが好ましい。Ｚｎ含有量を変化させるためには、Ｚｎ含有量自体を変化させる以外に第３元素を少量添加する方法もあり、第３元素としてＳｎの含有は好ましく、スクラップの混入を考慮した場合にも、一般の鉛含有快削黄銅に含まれないＡｌ、Ｓｉ、Ｎｉなどの元素よりＳｎを含有する方が好都合である。

Ｂｉについては、Ｂｉは切削時のチップブレーカーとして作用するため、被削性を向上させるためには有効であるが、多量例えば１％を越えるＢｉを添加した場合、Ｃｕ濃度や熱間加工の条件によっては割れが生じ易くなることが判明し、さらに試験、検討を行った結果、切削性に悪影響を及ぼさない程度の限定された少量のＳｎをＢｉと共存させることによって、優れた熱間加工性と被削性が達成できることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、熱間加工性とくに熱間鍛造性に優れ、良好な被削性をそなえ、とくに、切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料を提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料は、Ｃｕ：５８．１〜６２．５％、Ｓｎ：０．２０％以上０．９０％未満、Ｐ：０．０１〜０．０４％、および０．５×［Ｓｎ％］≦［Ｂｉ％］≦０．５×［Ｓｎ％］＋１．１５の関係を満足する量のＢｉを含有し、残部Ｚｎおよび不純物からなることを特徴とする。

請求項２による熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料は、請求項１において、前記ＣｕおよびＳｎの含有量が、０．５８≦［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）≦０．６２の関係を満足することを特徴とする。

請求項３による熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料は、請求項２において、前記ＣｕおよびＳｎの含有量が、０．６０≦［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）≦０．６２の関係を満足することを特徴とする。

請求項４による熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記Ｃｕ、ＳｎおよびＢｉの含有量が、２×［Ｃｕ％］−５×［Ｓｎ％］＋［Ｂｉ％］≧１１３の関係を満足することを特徴とする。

本発明によれば、熱間鍛造性などの熱間加工性に優れ、良好な被削性をそなえるとともに、優れた耐脱亜鉛腐食性を有し、とくに、切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料が提供される。

本発明の黄銅材料の含有成分の意義および限定理由について説明すると、Ｃｕは５８．１〜６２．５％の範囲で含有させることが好ましく、この範囲で、熱間加工性と切削加工性を兼ねそなえ、機械的性質の安定した材料を提供することが可能となる。５８．１％未満では、熱間加工時に過加熱された場合にα相が針状化し、その結果靱性や延性が低下して、製品使用時の事故の原因となるおそれがある。６２．５％を超えると、熱間加工性および切削性が低下し、本発明のようにＢｉを必須合金成分として含有する場合には、Ｃｕ濃度の増加によりＢｉを層状化させ易いα相の比率が増大するため、熱間加工時に割れが生じ易くなる。Ｃｕのさらに好ましい含有範囲は５９．０〜６１．５％である。

Ｓｎは、第３元素として見掛けのＺｎ含有量を調整して熱間加工性を確保し、被削性を高める。Ｓｎの好ましい含有量は０．２０％以上０．９０％未満の範囲であり、０．２０％未満では、Ｃｕを上記のように管理しても、合金成分のＢｉを微細分散させることができなくなり、その結果として熱間加工時における割れ発生の原因となる。Ｓｎが０．９０％以上含有されると、硬質なγ相が生成する。γ相の存在は、切削加工における切り屑の分断については有効に作用するが、硬質なγ相は被削抵抗を増大させ、重切削時の切削加工機への過負荷や仕上げ面のせん断割れなどを誘発するおそれがあり、さらに、γ相の存在により素材の延性低下が生じるため、素材製造時の引き抜き加工や、部品のカシメ加工などの塑性変形において、割れや破断が生じ易くなる。

Ｂｉは、切削加工時にチップブレーカーとして作用し、被削性を向上させるよう機能するが、前記のように、過剰なＢｉの含有は熱間加工時の割れの原因となる。現行の熱間鍛造品の製造条件と同等の加工条件において割れを生じさせないためには、Ｂｉの含有量を、０．５×［Ｓｎ％］≦［Ｂｉ％］≦０．５×［Ｓｎ％］＋１．１５の関係を満足する量とするのが好ましい。Ｂｉが（０．５×［Ｓｎ％］）％未満ではその効果が十分でなく、（０．５×［Ｓｎ％］＋１．１５）％を超える量含有すると、Ｃｕ濃度や熱間加工条件によっては割れが生じ易くなる。

Ｐの添加は、溶湯の流動性を向上させ、引け巣などの鋳造欠陥の発生を抑制し、鋳塊組織の微細化を達成するよう機能する。鋳造組織の微細化により、Ｂｉ粒子の微細化が達成され、熱間鍛造性が向上する。Ｐは脱酸剤としても機能する。Ｐの好ましい含有量は０．０１〜０．０４％の範囲であり、０．０１％未満ではその効果が十分に得難く、残留分が０．０１％未満では脱酸剤としての効果を十分に発揮させることが難しい。鋳造後の残留分が０．０４％を超えると、結晶粒界に低融点化合物を生成させ、この低融点化合物は平衡状態図の相律に従って黄銅材料の一般的な熱間加工温度近傍で低融点金属の生成量を増大させるため、熱間加工時に割れを生じるおそれがある。Ｐのさらに好ましい含有量は０．０１５〜０．０３０％である。なお、本発明においては、Ｐｂの許容量は０．１０％未満、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、その他の元素の許容量は、それぞれ０．０１％未満とするのが好ましい。

本発明による黄銅材料は、素材を製造するための途中工程としての熱間押出加工の際の加工性のみでなく、熱間押出材を素材として、最終製品の形状に加工するための熱間鍛造の際の加工性にも優れ、さらに優れた被削性をそなえているため、ＪＩＳＣ３７７１鍛造部品の代替として使用することが可能であるが、Ｂｉを微細に分散させた組織性状として良好な熱間加工性を得るためには、ＣｕおよびＳｎの含有量を、０．５８≦［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）≦０．６２の関係を満足するよう調整するのが好ましい。

［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）の値が０．５８未満では靱性や延性が低下して十分な熱間加工性が得られず、［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）の値が０．６２を超えると、鍛造条件や鍛造される部品の形状によっては割れが生じ易くなる。

本発明による黄銅材料においては、ＪＩＳＣ３７７１と同様の靱性、延性が得られるため、カシメ加工を必要とする鍛造部品として適用することが可能であるが、カシメ加工に適用する場合にはＪＩＳＣ３７７１鍛造部品と同等の耐力が要求される。前記のとおり、Ｃｕ含有量やＳｎ含有量により見掛け上のＺｎ含有量が変化し、見掛け上のＺｎ含有量は常温における材料の機械的性質を支配するため、カシメ加工に適した好ましい耐力を得るためには、Ｃｕ、ＳｎおよびＢｉの含有量を、２×［Ｃｕ％］−５×［Ｓｎ％］＋［Ｂｉ％］≧１１３の関係を満足するよう調整するのが好ましい。

２×［Ｃｕ％］−５×［Ｓｎ％］＋［Ｂｉ％］の値が１１３未満の場合には、耐力が著しく増大し、ＪＩＳＣ３７７１鍛造部品と同等のカシメ条件ではカシメ力が不足し、カシメ不良の原因となる。カシメ力を増大させることは可能であるが、カシメ条件の変更など、生産性の低下を招く原因となる。

本発明による黄銅材料においては、０．０１〜０．０４％の範囲のＰを含有させることにより耐脱亜鉛腐食性が改善されるから、耐脱亜鉛腐食性を必要とする鍛造部品への適用が可能となる。Ｐが添加された脱亜鉛腐食は、通常、Ｐ添加効果が得られないβ相に沿って生じ、β相が長く連なった状態の場合には、脱亜鉛腐食を完全に抑制することができない。鍛造条件によらず脱亜鉛腐食を抑制するためには、ＣｕおよびＳｎの含有量を、０．６０≦［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）≦０．６２の関係を満足するよう調整することが望ましい。

［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）の値が０．６０未満では、鍛造条件によってはβ相が長く連なって脱亜鉛腐食を完全に抑制することができない場合があり、［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）の値が０．６２を超えると、前記のように、鍛造条件や鍛造される部品の形状によっては割れが生じ易くなる。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明するとともに、それに基づいてその効果を実証する。なお、これらの実施例は、本発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、これにより本発明が制限されるものではない。

実施例１
電気銅、電気亜鉛を主原料とし、Ｓｎ、Ｂｉの新地金を配合して成分濃度を調整して、表１〜２に示す組成の合金（合金Ａ〜Ｇ）を溶解、鋳造し、直径２９４ｍｍのビレットに造塊した。なお、Ｐは、他の原料が全て溶解した後、Ｃｕ−１５％Ｐにより添加した。

得られたビレットを、６００℃の押出温度で直径４０ｍｍの棒材に熱間押出加工し、得られた熱間押出材を試験材として、以下の方法により熱間鍛造性、被削性、カシメ性および耐脱亜鉛腐食性を評価した。結果を表４に示す。

熱間鍛造性の評価：熱間押出加工された試験材の頭部、中央部、尾部について、直径８ｍｍ、高さ１２ｍｍに機械加工して試験片を作製し、各３個づつの試験片を用いて、温度７００℃、７５０℃および８００℃、アプセット率７０％および８０％で圧縮変形を行い、アップセット率７０％および８０％のいずれにおいても全く割れが生じなかったものは◎、アップセット率７０％において全く割れが生じなかったものは○、アップセット率７０％においても１個でも割れが生じたものは×とし、○〜◎のものを合格と評価した。

被削性の評価：表３の条件に従って切削試験を行い、いずれの条件においても切り屑が微細に分断したものは◎、いずれか１つの条件でもカールした切り屑が生じたものは○、いずれか１つの条件でもパーマネント状の切り屑が生じたものは×と評価した。さらに、送り量０．１０ｍｍ／ｒｅｖ．、切り込み量１．０ｍｍの切削条件において、切削主分力および送り分力の測定を行い、両分力ともに同様の製造条件により作製したＪＩＳＣ３７７１について同じ切削条件で測定した切削主分力および送り分力と比較し、その差が１０％以内のものは◎、いずれか１つでも１０％を超えたものは○、いずれも１０％を超えたものは×と評価した。被削性としては、切り屑形状、切削分力の双方ともに○〜◎のものを合格と評価した。

カシメ性の評価：試験材から試験片を採取して引張試験を行い、引張試験における耐力値および伸びを、同様の製造条件により作製したＪＩＳＣ３７７１押出棒材の耐力値および伸びと比較して、カシメ性の評価を行い、耐力値がＪＩＳＣ３７７１押出棒材の＋５％以内のものは◎、＋５％を超え＋１０％以内のものは○、＋１０％を超えるものは×と評価し、また、伸びがＪＩＳＣ３７７１押出棒材の−５％以内のものは◎、−５％を超えるものは×と評価した。カシメ性としては、耐力値、伸びともに◎のものはカシメ性◎、耐力値が○で伸びが◎のものはカシメ性○とし、カシメ性が◎と○のものを合格、耐力値、伸びのいずれかでも×のものは不合格と評価した。

耐脱亜鉛腐食性の評価：ＩＳＯ法に従って、７５℃±５℃の温度に保持された濃度１２．７ｇ／Ｌ（リットル）のＣｕＣｌ₂・５Ｈ₂Ｏ水溶液中に２４時間浸漬保持した後、断面方向の腐食深さを測定し、最大腐食深さが１００μｍ以下のものを合格（○）、１００μｍ超えるものを不合格（×）と評価した。

表４にみられるように、本発明の条件に従う試験材Ｎｏ．１〜９はいずれも熱間鍛造性、被削性に優れ、良好なカシメ性、耐脱亜鉛腐食性をそなえている。とくに、試験材Ｎｏ．２、４、５、８は（［Ｃｕ］％／（１００＋［Ｓｎ］％））の値が０．６０を超え、良好な耐脱亜鉛腐食性をそなえている。

比較例１
電気銅、電気亜鉛を主原料とし、Ｓｎ、Ｂｉの新地金を配合して成分濃度を調整して、表５〜６に示す組成の合金（合金Ｈ〜Ｐ）を溶解、鋳造し、直径２９４ｍｍのビレットに造塊した。なお、Ｐは、他の原料が全て溶解した後、Ｃｕ−１５％Ｐにより添加した。表１において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

得られたビレットを、６００℃の押出温度で直径４０ｍｍの棒材に熱間押出加工し、得られた熱間押出材を試験材として、実施例１と同一の方法により熱間鍛造性、被削性、カシメ性および耐脱亜鉛腐食性を評価した。結果を表７に示す。

表７に示すように、試験材Ｎｏ．１０は（［Ｂｉ％］−０．５×［Ｓｎ％］）の値が負であるため、切り屑形状不良となり被削性が劣る。また（２×［Ｃｕ％］−５×［Ｓｎ％］＋［Ｂｉ％］）の値が１１３を下回り、（［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）の値が０．５８を下回っているため、カシメ性が不合格となった。試験材Ｎｏ．１１はＣｕ量が多いため、被削性、鍛造性ともに劣っている。試験材Ｎｏ．１２はＳｎ量が少ないため鍛造性が劣る。試験材Ｎｏ．１３はＳｎ量が多いため、切削抵抗が増加し被削性が不合格となった。

試験材Ｎｏ．１４は（［Ｂｉ％］−０．５×［Ｓｎ％］）の値が負であるため、切り屑形状不良となり被削性が劣る。試験材Ｎｏ．１５は（［Ｂｉ％］−０．５×［Ｓｎ％］＋１．１５）の値が負であるため鍛造性が劣る。試験材Ｎｏ．１６はＰ量が少ないため、鋳造割れが発生して健全な試験材が得られず、適用性評価ができなかった。試験材Ｎｏ．１７はＰ量が多いため、熱間押出加工時に割れが発生して健全な試験材が得られず、適用性評価ができなかった。試験材Ｎｏ．１８は（［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）の値が０．６２を上回っているため鍛造性が劣り、またＣｕ量が多いため、被削性が不合格となった。

Claims

Ｃｕ：５８．１〜６２．５％（質量％、以下同じ）、Ｓｎ：０．２０％以上０．９０％未満、Ｐ：０．０１〜０．０４％、および０．５×［Ｓｎ％］≦［Ｂｉ％］≦０．５×［Ｓｎ％］＋１．１５の関係を満足する量のＢｉを含有し、残部Ｚｎおよび不純物からなることを特徴とする熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料。
前記ＣｕおよびＳｎの含有量が、０．５８≦［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）≦０．６２の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料。
前記ＣｕおよびＳｎの含有量が、０．６０≦［Ｃｕ％］／（１００＋［Ｓｎ％］）≦０．６２の関係を満足することを特徴とする請求項１記載の熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料。
前記Ｃｕ、ＳｎおよびＢｉの含有量が、２×［Ｃｕ％］−５×［Ｓｎ％］＋［Ｂｉ％］≧１１３の関係を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料。