JP2009041088A

JP2009041088A - 鋳造性に優れた無鉛快削性黄銅

Info

Publication number: JP2009041088A
Application number: JP2007209618A
Authority: JP
Inventors: Kyo Uchida; 田亨内
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】本発明は、鉛を含まず、かつ切削性、鋳造性、機械特性等に優れた黄銅の提供。
【解決手段】Ｃｕを５６ｗｔ％以上６２ｗｔ％未満、Ｂｉを０．３ｗｔ％以上４．０ｗｔ％以下、Ａｌを０〜０．０５ｗｔ％未満、Ｆｅを０．３ｗｔ％超過４．０ｗｔ％未満、そしてＳｉを、Ｆｅ／Ｓｉ（重量比）が１．６以下となる量含んでなり、残部が実質的にＺｎからなることを特徴とする黄銅は、鋳造性に優れ、かつ切削性、機械特性等にも優れる。
【選択図】なし

Description

発明の背景

技術分野
本発明は、鉛を含まない、いわゆる鉛フリーの黄銅に関し、さらに詳しくは鉛を含まないため水栓金具等に好ましく用いられる、切削性、鋳造性、機械特性等に優れた鋳造用黄銅に関する。

背景技術
水栓金具は一般に黄銅や青銅を材料として製造されており、その切削性を向上させるために鉛（Ｐｂ）が黄銅では２〜３％、青銅では４〜６％程度添加されている。しなしながら、近年、Ｐｂの人体や環境に与える影響が懸念されるようになり、各国でＰｂに関する規制の動きが活発化している。例えば、米国カリフォルニア州では、２０１０年１月より、給水栓のＰｂ含有量を０．２５％以下とする規制が発効した。また、米国ＮＳＦ規制にあっても、Ｐｂの浸出量を１１ｐｐｍから５ｐｐｍ程度にする規制の導入が検討されており、将来的には２ｐｐｍ程度までの規制がなされるであろうと言われている。米国以外の国あっても、その規制の動きは顕著であり、これらＰｂ含有量またはＰｂ浸出量の規制に対応した材料の開発が求められている。

特開平７−３１０１３３号公報（特許文献１）には、ビスマス（Ｂｉ）は、黄銅においてＰｂと類似の挙動を示すことから、Ｐｂに代えてをＢｉ添加した黄銅が提案されている。また、特開２００５−２９０４７５号公報（特許文献２）には、Ｂｉを添加した系において、その切削性を改善するためホウ素（Ｂ）、ニッケル（Ｎｉ）等を添加することが開示されている。さらに、特開２００１−５９１２３号公報（特許文献３）には、Ｂｉを添加した系において、鉄（Ｆｅ）を添加することで結晶を微細化できるとの知見が開示されている。しかしながら、これら従来技術が開示する系は、その鋳造性、とりわけ鋳造時の割れにおいて改善の余地を残すものであった。よって、Ｐｂを含まず、かつ鋳造性、切削性、機械特性等に優れた黄銅への希求が依然として存在しているといえる

特開平７−３１０１３３号公報特開２００５−２９０４７５号公報特開２００１−５９１２３号公報

本発明らは、今般、Ｐｂに代えてＢｉを添加した黄銅において、Ａｌの添加を実質的に不可避不純物程度まで低減し、かつＦｅおよびＳｉを添加することで、鋳造割れを有効に防止でき、かつ切削性、機械特性等にも優れる黄銅が得られるとの知見を得た。本発明は係る知見に基づくものである。
従って、本発明は、鉛を含まず、かつ切削性、鋳造性、機械特性等に優れた黄銅の提供をその目的としている。
そして、本発明による黄銅は、Ｃｕを５６ｗｔ％以上６２ｗｔ％未満、Ｂｉを０．３ｗｔ％以上４．０ｗｔ％以下、Ａｌを０〜０．０５ｗｔ％未満、Ｆｅを０．３ｗｔ％超過４．０ｗｔ％未満、そしてＳｉを、Ｆｅ／Ｓｉ（重量比）が１．６以下となる量含んでなり、残部が実質的にＺｎからなることを特徴とするものである。

発明の具体的説明

Ｂｉ
本発明による黄銅は、Ｂｉを０．３ｗｔ％以上４．０ｗｔ％以下の範囲で含む。Ｂｉは、黄銅においてＰｂと類似の挙動を示すことから、Ｐｂに代わりそれと同等の切削性を付与する。本発明において、良好な切削性を得るためにはＢｉは０．３ｗｔ％以上とされる。他方、Ｂｉが過剰なると、Ｂｉの凝集が生じる傾向にあり、その凝集した部分が鋳造割れの起点となるおそれがあるから、その上限は４．０ｗｔ％とされる。本発明の好ましい態様によれば、Ｂｉの好ましい下限は０．５ｗｔ％以上であり、切削性を考慮すると、より好ましくは１．０ｗｔ％であり、また好ましい上限は３．０ｗｔ％以下であり、より好ましくは２．０ｗｔ％以下である。
なお、本発明によれば、Ｐｂを全く含まなくとも良好な切削性が実現される。Ｐｂは全く含まれないことが好ましく、仮に含まれていたとしても、それは不可避不純物としての存在が許容されるに止まる。

Ａｌ
本発明による黄銅は、Ａｌを不可避不純物として含むことが許容され、具体的には０〜０．０５ｗｔ％未満の量で含む。本発明の好ましい態様によれば、Ａｌは全く含まれない。本発明者らの得た知見によれば、Ａｌは、後記するＦｅおよびＳｉの添加の効果、とりわけ鋳造割れの防止の効果を損なうからである。

ＦｅおよびＳｉ
本発明において、ＦｅおよびＳｉは結晶（とりわけ初晶β）の微細化を促進し、その結果、Ｂｉが微細分散され、鋳造時の割れを有効に防止できる。

本発明による黄銅は、Ｆｅを０．３ｗｔ％超過４.０ｗｔ％未満の範囲で含み、好ましくは下限が０．４ｗｔ％以上、より好ましくは０．５ｗｔ％以上であり、また好ましい上限は１．０ｗｔ％以下である。結晶を微細化するとの効果のためには０．３ｗｔ％を超えるＦｅの添加が必要であるが、Ｆｅを４．０ｗｔ％以上添加すると、Ｓｉと硬度の高い金属間化合物がマトリクス上に多数生成し、工具寿命を低下させるおそれがある。また、本発明による黄銅は、Ｓｉを、Ｆｅ／Ｓｉ（重量比）が１．６以下となる量含んでなる。Ｓｉは、Ｇｕｉｌｌｅｔが提唱したＺｎ当量が１０であり、Ｓｉの添加がＺｎの１０倍の添加量に相当するため、結晶組織中のβ相が多くなってしまうおそれがある。そこで、本発明の好ましい態様によれば、Ｓｉの添加量は３．０ｗｔ％未満とすることが好ましく、より好ましくは下限が０．２ｗｔ％超過であり、上限が２．０ｗｔ％未満である。

本発明の好ましい態様によれば、Ｆｅが０．４以上１．０ｗｔ％以下の範囲にあり、かつＳｉが０．３ｗｔ％以上３．０ｗｔ％未満である組成が、より良好な鋳造性を与えることから好ましい。

Ｃｕ、Ｚｎ、およびその他成分
本発明による黄銅は、銅（Ｃｕ）を５６ｗｔ％以上６２ｗｔ％未満含んでなる。Ｃｕが上記範囲を上回ると、初晶α相のデンドライト晶出によるクラックの発生が懸念される。また、Ｃｕが上記範囲を下回ると、α相の影響は受けがたくなるが、黄銅として性能の低下が懸念される。本発明の好ましい態様によれば、Ｃｕの好ましい下限は５８ｗｔ％であり、好ましい上限は６１ｗｔ％である。

本発明による黄銅は、上述の成分からなる部分の残部は実質的に亜鉛（Ｚｎ）からなる。
本発明による黄銅は、黄銅の特性を改質するために種々の添加物を含むことが可能である。また、本発明にあっては不可避不純物の存在を排除するものではないが、それらは出来るだけ少ないものとされることが好ましい。

本発明の一つの態様によれば、Ｓｎは、鋳造性を低下させる元素と言われているが、耐食性を向上させるためには、本発明においても効果的な元素である。Ｓｎはβ相中に固溶して耐食性の劣るβ相の耐食性を向上させる。その添加量は、好ましくは０．５ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下である。

用途
本発明による黄銅は、鉛を含まず、一方でその切削性、鋳造性、機械特性等は鉛を含む黄銅と同等またはそれ以上の性能を有することから、水栓金具材料に好ましく用いられる。具体的には、給水金具、排水金具、バルブなどの材料として好ましく用いられる。

製造方法
本発明による黄銅を材料とする成型品は、その良好な鋳造性から、金型鋳造、砂型鋳造のいずれによっても製造可能であるが、金型鋳造においてその良好な鋳造性の効果をより享受できる。また、本発明による黄銅は、その切削性においても良好であるから、鋳造後に切削加工されてもよい。また、本発明による黄銅は、連続鋳造後に押し出しで成形される切削用棒材や鍛造用棒材、さらに抽伸により成形される線材とされてもよい。

本発明を以下の実施例によって更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
評価試験
以下の実施例における各評価試験の詳細は以下の通りとした。

（１）鋳造割れ性試験
鋳造割れ性を両端拘束型試験法により評価した。使用した金型１の形状は図１に示される通りであった。図１において、中央部に断熱材２を設け、中央部の冷却が、両端拘束部３よりも遅れるようにし、また拘束端距離（２Ｌ）は１００ｍｍ、断熱材長さ（２ｌ）は７０ｍｍとした。
試験は、拘束部が急冷されて両端が拘束され、その状態でさらに中央部で凝固が進むようにし、発生した凝固収縮応力により、最終凝固部となる試験片中央部で割れが生じるか否かを調べることにより行った。
その結果、割れなしの場合を◎、部分的に割れを生じたが、破断するまでには至らなかった場合を○、割れが発生し破断した場合を×と判定した。

（２）切削性試験
直径３５ｍｍ、長さ１００ｍｍの鋳塊を金型鋳造で作製し、外径部を旋削加工して切削性を評価した。具体的には、切削性は、黄銅鋳物３種（ＪＩＳＣＡＣ２０３）に対する切削抵抗指数で評価した。切削条件は、周速８０〜１７５ｍ／ｍｉｎ、送り量０．０７〜０．１４ｍｍ／ｒｅｖ．、切り込み量０．２５〜１ｍｍとし、切削抵抗指数は下記式で算出した。
切削抵抗指数（％）＝ＣＡＣ２０３の切削抵抗／試験材の切削抵抗×１００
その結果、切削抵抗指数が７０％以上を◎、５０以上７０％未満を○、５０％未満を×と判定した。

（３）機械特性試験
直径３５ｍｍ、長さ１００ｍｍの鋳塊を金型鋳造で作製し、ＪＩＳＺ２２０１１４Ａ号試験片に機械加工して引張試験を行った。すなわち、０．２％耐力、引張強さ、破断伸びを測定し、０．２％耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上、引張強さが２４５Ｎ／ｍｍ２以上、破断伸びが２０％以上を判定基準とした。３項目全てを満足する場合を◎、２項目を満足する場合を○、１項目以下しか満足できない場合を×と判定した。

例１〜２９：
下記の表に記載の組成の黄銅を鋳造した。すなわち、電気Ｃｕ、電気Ｚｎ、電気ビスマス、電気Ｓｎ、Ｃｕ−３０％Ｎｉ母合金、Ｃｕ−１０％Ｆｅ母合金、電気Ａｌ、Ｃｕ−１５％Ｓｉ母合金を原料として、高周波溶解炉で成分調整しながら溶解し、まず、両端拘束試験金型に鋳造して鋳造割れ性を評価した。
引き続き、円筒形金型に鋳造して直径３５ｍｍ、長さ１００ｍｍの鋳塊を作製し、鋳塊を共試材として切削性および機械特性を評価した。
その評価結果は以下の表に示される通りであった。

鋳造割れ性を評価する、両端拘束型試験法に使用した金型１の形状を示す図である。

符号の説明

１金型
２断熱材
３両端拘束部

Claims

Ｃｕを５６ｗｔ％以上６２ｗｔ％未満、
Ｂｉを０．３ｗｔ％以上４．０ｗｔ％以下、
Ａｌを０〜０．０５ｗｔ％未満、
Ｆｅを０．３ｗｔ％超過４．０ｗｔ％未満、そして
Ｓｉを、Ｆｅ／Ｓｉ（重量比）が１．６以下となる量含んでなり、
残部が実質的にＺｎからなることを特徴とする、黄銅。
Ｆｅが０．４以上１．０ｗｔ％以下である、請求項１に記載の黄銅
Ｓｉが０．２ｗｔ％超過３．０ｗｔ％未満である、請求項１または２に記載の黄銅。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の黄銅からなる、水栓金具。
金型鋳造により製造された、請求項４に記載の水栓金具。