JP2006152373A

JP2006152373A - 耐圧性に優れた鋳物用無鉛銅合金

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Publication number: JP2006152373A
Application number: JP2004344541A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kobayashi; 武小林; Toru Maruyama; 徹丸山; Hiroshi Nishiuchi; 廣志西内; Hiroyuki Abe; 弘幸阿部; Ryozo Matsubayashi; 良蔵松林
Original assignee: Shiga Valve Cooperative
Current assignee: Shiga Valve Cooperative
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-29
Also published as: JP3957308B2

Abstract

【課題】水質悪化を招く鉛を含有させずとも優れた耐圧性および被削性を発揮すると共に、強度、伸び等の機械的特性にも優れ、水栓金具や接水栓等の素材として有用な鋳物用無鉛銅合金を提供する。
【解決手段】本発明の鋳物用無鉛銅合金は、Ｓ：０．０５〜１．５％（質量％の意味、以下同じ）を含有すると共に、Ｆｅ：０．５％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０％を含まない）を含有し、且つ硫化物が分散されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐圧性に優れた鋳物用銅合金に関するものであり、殊に人体に有害な鉛を含有させずとも優れた耐圧性および被削性を発揮すると共に、強度等の機械的特性にも優れた鋳物用無鉛銅合金に関するものである。

銅合金は、導電性や熱伝導性に優れていることから、従来から各種電気部品等の素材として広く使用されている。また銅合金のうち鋳物用銅合金については、ＪＩＳＨ５１２０に各種規定されており、バルブ胴体、給水栓、軸受等、各種用途で使用されることが予定されている。

ところで、上下水道の水栓金具や一般配管用の接水栓には、鋳物用銅合金が一般に使用されており、特に上記ＪＩＳＨ５１２０に規定されているもののうち、ＣＡＣ２０３合金等の黄銅系（Ｃｕ−Ｚｎ系）の銅合金やＣＡＣ４０３，４０６等の青銅系（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ−Ｚｎ系）等がその素材として知られている。

上記の様な水栓金具や接水栓等に使用される場合には、耐圧性、耐磨耗性、鋳造性、機械的特性（強度や硬さ）の他、被削性が良好であることも要求されるのであるが、こうした被削性を向上させる手段として、鉛（Ｐｂ）を含有させることが良く知られており、上記鋳物用銅合金のうちＣＡＣ４０６は鉛を４〜６％程度含有させることによって被削性を向上させたものである。また鉛を含有させることは、銅合金の耐圧性を向上させる上でも有用であることが知られている（例えば、非特許文献１）。

しかしながら、鉛を含有させた鋳物用銅合金によって水栓金具や給水栓等を製作すると、その中に含まれる有害な鉛が飲料水中に溶出して水質悪化を招き、人体に悪影響を及ぼすことが指摘されている。特に、我が国においては、平成１５年度から鉛の水質基準が従来の１／５に強化され、それにともなって水栓金具や給水栓等に使用される鋳物用銅合金における鉛の規制が厳しくなってきている。

こうしたことから、鉛を積極的に含有させずに被削性を向上させる鋳物用銅合金がこれまでにも様々提案されている。切削性改善のために、鉛の代替としてＢｉやＳｅを添加した銅合金が欧米を中心に開発され、ＣＤＡ（Copper Development Association）規格として登録されている（例えば、非特許文献２）。また、ＢｉとともにＳｂを含有することも知られている（前記非特許文献１）。

これらの銅合金は、快削性元素として鉛の代わりにＢｉ、Ｓｅ、Ｓｂを含有させるものであり、こうした技術の開発によって鉛による害を防止しつつ比較的良好な被削性を維持できたのである。

しかしながら、これまで開発されている無鉛銅合金では、鋳造欠陥である「鋳巣」が発生しやすくなっており、これが原因して従来の規格銅合金よりも耐圧性が劣化することがあり、更なる改善が望まれているのが実情である。また、ＢｉやＳｅは、埋蔵量の少ないレアメタルであるので、原料や資源利用の点からも問題を残している。
「まてりあ」、第４３巻、第８号（２００４）、第６４７〜６５０頁「素形材」、２００３．８月、（財）素形材センター発行、第７〜第１４頁

本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、水質悪化を招く鉛を含有させずとも優れた耐圧性および被削性を発揮すると共に、強度、伸び等の機械的特性にも優れ、水栓金具や接水栓等の素材として有用な鋳物用無鉛銅合金を提供することにある。

上記の目的を達成し得た本発明の鋳物用無鉛銅合金とは、Ｓ：０．０５〜１．５％（質量％の意味、以下同じ）を含有すると共に、Ｆｅ：０．５％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０％を含まない）を含有し、且つ硫化物が分散されたものである点に要旨を有するものである。この銅合金においては、Ｓの含有量は０．０５〜０．６％程度であることが好ましい。

また本発明の鋳物用無鉛銅合金には、必要によって（ａ）Ｓｎ：１０％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｚｎ：１０％以下（０％を含まない）等を含有させることも有効であり、含有される成分に応じて銅合金の特性が改善される。

本発明の銅合金では、Ｓと共にＦｅやＮｉを含有させることによって銅マトリクス内に硫化物を効果的に分散させることができ、水質悪化を招く鉛を含有させずとも優れた耐圧性および被削性を発揮すると共に、強度等の機械的特性にも優れた鋳物用無鉛銅合金が実現できた。この銅合金は水栓金具や接水栓等の素材として有用である。また、本発明でＰｂの代替となる元素には、資源の豊富なＳやＦｅを基本的に用いるものであるので、資源問題も招くことはない。

本発明者らは、鉛を含有させずとも優れた耐圧性および被削性を発揮する鋳物用銅合金を実現するべく、様々な角度から検討した。その結果、硫黄（Ｓ）を必須成分として含有させると共に、ＦｅやＮｉの含有量を適切な範囲に調整して添加し、且つ金属組織中に硫化物が形成・分散した銅合金では、上記目的が見事に達成されることを見出し、本発明を完成した。

鉄鋼材料の分野においては、Ｓは被削性向上元素であることは知られている。しかしながら、銅合金の場合には、Ｓは被削性元素として採用されていない。これは、溶解させた銅中ではＳは早期に硫化物を形成し、溶解した銅の表面に浮上・分離してしまい、硫化物を銅マトリクス中に分散させること自体が困難であると考えられていた。

本発明者らは、硫化物を銅マトリクス中に効果的に分散できたら良好な被削性が実現できるのではないかとの着想の下で更に検討してきた。その結果、所定量のＦｅやＮｉを共存させた状態では、Ｓの活量が抑えられ、硫化物が比較的低温となった段階（即ち、銅の凝固完了直前の段階）で形成されることによって、銅マトリクス中に硫化物を効果的に分散できることを見出したのである。また、硫化物を分散させた銅合金では、鋳巣の発生も抑えられて、良好な耐圧性が発揮され、機械的特性も良好に維持できたのである。

本発明の鋳物用銅合金によって、上記のような効果が得られる理由についてはその全てを解明し得た訳ではないが、おそらく次の様に考えることができた。

鋳物用銅合金が凝固する際には、デンドライト（樹枝状晶）が形成され、このデンドライト間に微小な空隙(気泡)を残しながら凝固が完了し(最終凝固領域)、それが鋳巣となることは知られている。本発明の銅合金では、Ｓと共にＦｅやＮｉを共存させることによって、比較的低温まで硫化物の形成が抑えられ、デンドライトが形成される凝固完了直前でも硫化物は銅との共晶融液の状態になっている。そして、鋳巣の原因となる気泡中にこの共晶融液が流れ込んで硫化物を形成することになる。そして、その結果として鋳巣の発生を抑制して良好な耐圧性を発揮すると共に、強度等の機械的特性が向上するものと考えられた。また、硫化物がデンドライト間に共晶状若しくは微細に分散することによって、該硫化物が切削屑を分断するチップブレーカの役割を発揮すると共に（切り屑が細かくなり）、硫化物自体が固体潤滑剤として寄与することによって、被削性が向上するものと考えられた。

本発明の無鉛銅合金では、Ｓを必須成分として含む他、所定量のＦｅやＮｉを含有するものであるが、これらの範囲限定理由は下記の通りである。

Ｓ：０．０５〜１．５％
Ｓは、Ｃｕと結合して、Ｃｕ₂Ｓ化合物（Ｚｎを含有する場合にはＺｎＳ化合物）を形成し、銅合金の良好な耐圧性、被削性および機械的強度を向上させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｓ含有量は少なくとも０．０５％以上とする必要があるが、１．５％を越えて過剰に含有されると耐圧性、機械的性質が却って低下するので１．５％以下とすべきである。尚、Ｓ含有量の好ましい上限は０．６％程度であり、この含有量では後述するＳｎを含有させずとも、良好な強度が確保できる。但し、それほど強度が要求されない部材（例えば、軸受け部材）に適用する場合には、Ｓの含有量が０．６％超〜１．５％程度であっても、Ｓｎを含有しなくても良い。

Ｆｅ：０．５％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０を含まない）
ＦｅおよびＮｉは、硫化物（Ｃｕ₂ＳやＺｎＳ）を低温で形成させて、硫化物を銅マトリクス中に分散させるために必要な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させると、溶湯の湯流れ性が悪くなって鋳造性が悪化する。こうしたことから、Ｆｅについては０．５％以下、Ｎｉについては３．０％以下と規定した。尚、Ｆｅ含有量の好ましい下限は０．１％であり、より好ましくは０．２％以上とするのが良い。またＦｅ含有量の好ましい上限は０．４％であり、より好ましくは０．３％以下とするのが良い。一方、Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．５％であり、より好ましくは１．０％以上とするのが良い。またＮｉ含有量の好ましい上限は２．５％であり、より好ましくは２．０％以下とするのが良い。

本発明の銅合金における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に銅（Ｃｕ）からなるものであるが、必要によってＳｎ，Ｚｎ等を含有させることも有効である。これらを含有させるときの範囲限定理由は下記の通りである。尚、「実質的に銅」とは、本発明の銅合金にはＣｕ以外にその特性を阻害しない程度の微量元素（許容成分）を含み得るものであり、こうした許容成分としては、例えばＳｂ，Ｐ，Ｓｉ等の元素や、Ａｌ，Ｍｎ等の不可避不純物が挙げられる。

Ｓｎ：１０％以下（０％を含まない）
Ｓｎは銅合金の強度（引張強さ）を向上させるのに有効な元素である。特に、Ｓを含有することによって、低下する強度を、Ｓｎを含有させることによって補填することに効果がある。例えば、Ｓを０．６％超〜１．５％程度含有させた場合には、強度が低下する傾向を示すが（後記図１参照）、Ｓを含有させることによる被削性向上効果を維持しつつ（後記図２参照）、良好な強度を確保する上で有効な元素である。こうした効果は、その含有量が多くなればなるほど大きくなるが、過剰に含有されると機械的特性を劣化させるので（後記図５参照）、１０％以下とすべきである。こうした効果を発揮させる上で、Ｓｎ含有量の好ましい下限は２．０％である。またＳｎ含有量の好ましい上限は６．０％程度であり、より好ましくは５．０％以下とするのが良い。

Ｚｎ：１０％以下（０％を含まない）
ＺｎはＺｎＳ化合物を形成することによって、銅合金の耐圧性、被削性および機械的強度を更に向上させるのに有用な元素である。こうした効果はその含有量が増すにつれて大きくなるのであるが、少なくとも３．０％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｚｎが過剰に含有されるとＺｎの溶出量が増加するので１０％以下とすることが好ましく、より好ましくは８．０％以下とするのが良い。

本発明の銅合金は、金属組織（銅マトリクス）中に硫化物が分散されることによって上記の効果を発揮するものであるが、こうした硫化物は、Ｓ，Ｆｅ，Ｎｉの含有量を適切に調整して溶解・凝固させることによって必然的に形成されることになる。また、本発明の銅合金を用いて鋳物を製造するに当たっては、砂型鋳造、金型鋳造、遠心鋳造、精密鋳造等、これまで一般的に行われている方法を採用することができる。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

（実施例１）
下記表１に化学成分組成を示す各銅合金（Ｎｏ．６のものは従来のＣＡＣ４０６合金）を、常法に従って溶解・鋳造した。得られた銅合金鋳物について、各種機械的特性（引張強さおよび伸び）を調査した。尚、表１に示したＳ以外の各成分の値（含有量）は、蛍光Ｘ線分析装置［エレメント・アナライザーＪＳＸ−３２０２（商品名：日本電子株式会社製）］によって測定した値であり、Ｓは燃焼法によって求めた値である。

測定結果（Ｓ含有量と機械的特性の関係）を、図１に示す（ｎ＝２回の平均値）。尚、図中ＣＡＣ４０６の引張強さ（１９５ＭＰａ）および伸び（１５％）はＪＩＳを参照した値である。この結果から次の様に考察できる。まずＳ含有量が０．１〜０．５％程度で、引張強さや伸びの点で従来の銅合金（ＣＡＣ４０６）と遜色がないことが分かる。しかしながら、Ｓ含有量がこれより多くなると機械的性質が若干低下する傾向を示すことになる。尚、各本発明の銅合金（Ｎｏ．１〜５）のものについて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって組織を観察したところ、最終凝固領域に硫化物が分散していることが確認できた。

（実施例２）
上記表１に示した各銅合金鋳物について、被削性について調査した。このときの切削条件は下記の通りである。そして、試験片をφ２３ｍｍ→φ２２ｍｍ→２１ｍｍと削った後、φ２０ｍｍの切削で切削抵抗を測定し、下記（１）式によって求められる切削性指数によって被削性を評価した。このとき、下記表２に示す化学成分組成の銅合金（Ｎｏ．７）について、同様にして被削性を調査した。

［切削条件］
ＮＣ旋盤：ＯＫＵＭＡＬＰ２５Ｃ（商品名：オークマ株式会社製）
チップ：イゲタロイ
切削動力計：ＫＩＳＬＥＲ９２５７Ｂ（商品名：日本キスラー株式会社製）
切削油：油性
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み量：１．０ｍｍ
試験片径：φ２３ｍｍ
加工径：φ２０ｍｍ
切削性指数＝（ＣＡＣ４０６の切削抵抗値／各試験片の切削抵抗値）
×１００…（１）

その結果（Ｓ含有量と切削指数の関係）を図２に示す。尚、図２中、ラインＡはＪＩＳＣＡＣ４０６合金の切削指数を１００とした場合の切削指数８５％を示すものである。この結果から明らかなように、Ｓ含有量が増すにつれて、被削性が向上しており、特にＮｉおよびＦｅを適切量含有させたものでは（Ｎｏ．７）、被削性が大幅に向上していることが分かる。これは、硫化物が均一分散したという理由によるものと考えられる。

（実施例３）
上記表１に示した各銅合金ついて、耐圧性について調査した。耐圧性力の試験方法は、「ＪＩＳＢ２０６２水道水の仕切弁」中の「９．１弁箱の耐圧試験」に準拠して行った（水圧：３ＭＰａ，２分間）。そして、各試験片について、２４回（ｎ＝２４）試験を行い、水漏れの有無を肉眼で観察し、「漏れ」が確認された場合を不良品と判定し、その発生率（不良率＝不良品の個数／２４）で耐圧性を評価した。

その結果（耐圧性試験結果）を図３示すが、Ｓ含有量が０．５％程度までのもの（Ｎｏ．１〜３）では不良率が極めて低くなっており、良好な耐圧性を示していることが分かる。これに対して、Ｓ含有量が１．０％以上のもの（Ｎｏ．４，５）では耐圧性が悪くなっている。これは比較的粗大な硫化物の不均一分散によるものと考えられる。

（実施例４）
下記表３に化学成分組成を示す各銅合金(Ｎｏ．１１のものは表１のＮｏ．２のものと同じ)を、常法に従って溶解・鋳造し、各合金における硫化物形成温度範囲を熱分析法によって測定した。その結果を、図４に示すが、ＮｉやＦｅを全く含有しないもの（Ｎｏ．８）では、硫化物形成温度が高くなっているのに対して、ＮｉやＦｅを含有したものでは（Ｎｏ．９〜１１）、硫化物形成温度が低くなっていることが分かる。このことは、ＮｉやＦｅを含有させることによって、比較的低温まで硫化物が形成しないことを示しており、銅合金の凝固が完了するまでＳが溶融状態で維持していることが分かる。こうした現象によって、本発明の銅合金では鋳巣等の鋳造欠陥が発生し難くなるものと考えられる。

（実施例５）
下記表４に化学成分組成を示す各銅合金を、常法に従って溶解・鋳造した。得られた銅合金鋳物について、各種機械的特性（引張強さおよび伸び）を調査した。

測定結果（Ｓｎ含有量と機械的特性の関係）を、図５に示すが（ｎ＝２回の平均値）、この結果から次の様に考察できる。まずＳｎ含有量が５％程度までは引張強さや伸びが向上しており、特にＳｎ含有量が２％以上になると、従来の銅合金（ＣＡＣ４０６）と遜色がないことが分かる。これは、Ｓｎの固溶強化によるものと考えることができる。

（実施例６）
上記表４に示した各銅合金鋳物について、実施例２と同様にして被削性について調査した。その結果（Ｓｎ含有量と切削性指数の関係）を図６に示すが、Ｓｎ含有量が３％程度までは良好な被削性を発揮していることが分かる。

銅合金におけるＳ含有量と機械的特性の関係を示したグラフである。銅合金におけるＳ含有量と被削性の関係を示したグラフである。銅合金におけるＳ含有量と耐圧性の関係を示したグラフである。各種銅合金の硫化物形成温度を比較して示した棒グラフである。銅合金におけるＳｎ含有量と機械的特性の関係を示したグラフである。銅合金におけるＳｎ含有量と被削性の関係を示したグラフである。

Claims

Ｓ：０．０５〜１．５％（質量％の意味、以下同じ）を含有すると共に、Ｆｅ：０．５％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０％を含まない）を含有し、且つ硫化物が分散されたものであることを特徴とする耐圧性に優れた鋳物用無鉛銅合金。
Ｓの含有量が０．０５〜０．６％である請求項１に記載の鋳物用無鉛銅合金。
更に、Ｓｎ：１０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の鋳物用無鉛銅合金。
更に、Ｚｎ：１０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の鋳物用無鉛銅合金。