JP2012519781A - 鉛不含有黄銅合金 - Google Patents

Abstract

本発明は、鉛を実質的に含まない黄銅合金に関する。本発明の合金において、鉛はテルルにより置き換えられ、優れた機械加工性および導電性を示す合金が得られる。

Description

優先権

本出願は、ここに全てを引用する、２００９年３月９日に出願された米国特許出願第１２／４００２８３号に優先権を主張するものである。

本発明は、鉛含有量が極めて少ないまたはない黄銅組成物に関する。この組成物は、従来の鉛入り黄銅合金である快削黄銅と同程度の良好な機械加工性および強度を示す。

得られる生成物の機械加工性を改善するために、４．５％までの鉛を黄銅組成物に添加することが一般に行われてきた。しかしながら、鉛は毒性物質であり、合金製造での鉛の使用は、法律および費用のかかる浄化手法により包囲されている。例えば、カリフォルニア州では、２０１０年に施行される、衛生器具中の鉛の量を０．２５％以下に制限する法律が採択された。

さらに、銅鉛合金中の銅相は、高温の有機油または鉱油による腐食性攻撃により影響をうけ得る。例えば、そのような合金の温度が上昇すると、油が分解して、過酸化物および有機ガスを形成し得、これらが、合金内の鉛相への浸出の程度に影響を与えることが知られてきた。この浸出が感知できる程度まで進行すると、その構成材は、軸受けまたは構造構成材である場合、最終的に機能しないか破損するであろう。

したがって、粉末冶金組成物内の鉛の含有量を減少させる、またはできればなくすことに、相当な便宜がある。このようにするために、様々な提案が出されている。過去に粉末冶金材料中に含まれる鉛の相当な割合は、結果として得られる製品の構成材の機械加工性の容易さおよび耐久性をもたらすためであった。鉛の一部をビスマスで置き換えることが特許文献１に提案された。これにより、機械加工性を著しく損なわずに、鉛の一部をうまく置換できる。しかしながら、それには、材料の横強度がある程度減少してしまう。多くの目的にとって、横強度のこのような減少は著しい問題ではない。

別の手法が特許文献２に記載されている。この製品において、０．１から１．５％のグラファイトが合金に添加され、鉛を合金の２％以下に減少させることができる。

先に記載された合金は、鉛を実質的に含まない合金を生成するが、それらは、鉛含有合金と同じ機械加工性を有していない。このため、給排水設備などの、最終製品を製造するために使用される設備を相当改良する必要性が生じる。その上、鉛製品の製造中に生じた廃物は、最終製品の製造業者では容易に再利用できない。再利用は、一般に、合金の製造業者にしかできない。最初の鋳造所に戻すための廃物の輸送費のために、最終製品の全体の製造コストが増してしまう。

国際公開第９１／１４０１２号パンフレット 米国特許第５４４５６６５号明細書

それゆえ、鉛含有製品の機械加工性と同程度の機械加工性を示し、顧客により再利用できる鉛不含有黄銅合金が依然として必要とされている。

本発明は、一般に黄銅組成物に添加される、鉛の置換物として約０．２０％から１．５％のテルルを含有する黄銅合金を含む。一連の実施の形態において、テルルは、約０．４％から約１．０％に及ぶ。結果として得られる合金は、一般に、約０．０２５％未満から約０．００１％未満の鉛含有量を有し、これは、「鉛不含有」と考えられる。

本発明の黄銅合金は、一般に、約９８％から約５７％の銅含有量、約４３％から約２％の亜鉛含有量、約１．０％から約０．０２％のテルル含有量、約０．０２５％から約０．００１％の鉛含有量、および約０．０５％の最大リン含有量を有する。

結果として得られる合金は、優れた機械加工性および導電性を示す。合金の組成に応じて、引張強度は２４０ＭＰａと５３０ＭＰａの間で変動し、降伏強度は約２００から約４５０ＭＰａまで変動する。導電率は、約２８％から約４９％のＩＡＣＳに及ぶ。本発明の新規の合金の機械加工性は、鉛含有組成物のものと同程度である。これにより、そのような衛生器具などの完成製品を製造するために新規合金を使用するのに必要な改良の程度がなくなるか、または減少する。

新規の合金の組成物により、最終製品の製造業者が、製造プロセスからの廃物自体を再利用できる。これにより、廃物を再利用のために合金の製造業者に戻す必要がなくなる。本発明のさらに別の重要な特徴は、約１５％未満の亜鉛を含有する合金が優れた耐脱亜鉛性を示すことである。

先の記載は、以下の本発明の詳細な説明がよりよく理解されるように、本発明の特徴および技術的利点をかなり広く述べてきた。本発明の追加の特徴および利点は以後に記載されており、それらが本発明の請求項の主題を形成する。開示された概念および特定の実施の形態は、本発明の同じ目的を実施するための他の構造の改良または設計の基礎として容易に利用されるであろうことが当業者には認識されよう。そのような同等の構成は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲から逸脱しないことが当業者には理解されよう。構成と動作方法の両方に関して、本発明に特徴的であると考えられる新規の特徴は、さらに別の目的と利点と共に、添付の図面と共に検討したときに、以下の説明からよりよく理解されるであろう。しかしながら、図面の各々は、例証と説明の目的で与えられたものであり、本発明の範囲の定義として意図されていないことが明白に理解されよう。

延伸後のサンプルＣ１に使用された合金の顕微鏡写真 延伸後のサンプルＣ２に使用された合金の顕微鏡写真 延伸後のサンプルＣ３に使用された合金の顕微鏡写真

本発明の黄銅合金は、最初に約１０５０℃の温度で銅を溶融することにより調製される。次いで、溶融銅に亜鉛とテルルが添加される。次いで、黄銅合金は、水平または垂直鋳造方法を利用して、ビレットに鋳造される。

この合金を製造するために使用される銅は、一般に、銅陰極または最低で９９．９５％の銅および０．０５％までの不純物からなる高品位の汚染されていない純粋な銅屑である。鉛は一般に不純物であり、使用される銅の０．０２５％未満を構成する。本発明の合金の形成において、銅は、合金の約５７．００％から約９８．００％を構成する。

亜鉛は、合金の約２．００％から約４３．００％を構成する、次に主要な成分である。

テルルは、鉛の置換物として使用される。鉛のように、テルルは、鉛のマイナスの寄与なく、合金の機械加工性を改善するために添加される。テルルは、合金の約０．２０％から約１．５％に及ぶ量で添加される。一連の実施の形態において、テルルは約０．４％から約１．０％に及ぶ。ある実施の形態において、テルルは合金の約０．５％を構成する。使用されるテルルの量は、一部には、合金に使用される銅の量に依存する。銅のレベルが増加するにつれて、使用されるテルルの量が減少する。鉛のように、合金のテルルを添加すると、図１〜３に示されたもののように、合金の銅相と亜鉛相に不連続部が生じる。これらの不連続部がうまく分散すると、合金の機械加工性が改善される。

本発明の利点の１つは、合金が、著しく少量のテルルを使用しながら、鉛含有合金の機械加工性と同程度の機械加工性を示すことである。

黄銅合金に添加してよい他の材料としては、ヒ素、ニッケル、マンガン、ケイ素、およびリンが挙げられる。リンが使用される場合、存在する量は、一般に、合金の０．０５％未満である。

結果として得られる合金は、一般に、ＡＳＴＭ Ｂ１４０法を使用して決定した、約２４０ＭＰａから約５３０ＭＰａに及ぶ最大引張強度（ＵＴＳ）および約２００ＭＰａから約４５０ＭＰａの降伏強度により示されるように、優れた機械加工性および導電性を示す。実際の引張強度および降伏強度は、一部には、合金の実際に組成に依存する。合金の導電率は、約２８％から約４５％のＩＡＣＳに及ぶ。

添加される鉛（一般に約２％）が約０．５％のテルルにより置き換えられている一連の黄銅合金を調製した。各合金の組成が表１に示されている。

次いで、ビレットを、約７８０℃から約８６０℃に及ぶ温度で押出プレスに装填した。次いで、ビレットを異なる圧力で、様々なダイに通して高温で押し出して、様々なサイズを製造した。押出し前に各ビレットを滑らかにし、押出ダイを予熱した。その結果が表２に示されている。

次いで、バーを、硫酸ピクリング酸の浴に通し、次いで、正確な機械的性質および粒径要件を生じさせるように、低温延伸した。このプロセスにより、正確なサイズの許容範囲が満たされたことが確実になる。低温延伸操作は難なく行われた。次いで、生成物を、引張強度、硬度、導電率、および機械加工性について試験した。その結果が表３に示されている。

次いで、導電率の試験を様々なサンプルに行った。導電率は、亜鉛の含有比が増加するに連れて減少する。その結果は、最小で約２８％から最大で約４９％に及んだ。

サンプルＣ１、Ｃ２およびＣ３の顕微鏡写真は、延伸後に撮られ、図１〜３に示されている。合金における微細構造は均一であり、合金の全体に亘りテルルが良好に分散していることを示した。

本発明とその利点を詳しく記載してきたが、添付の特許請求の範囲により定義された本発明の精神および範囲から逸脱せずに、様々な変更、置換および改変を行えることが理解されよう。さらに、本発明の範囲は、明細書に記載されたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法および工程の特定の実施の形態に制限されることは意図されていない。本発明の開示から当業者には容易に認識されるように、ここに記載された対応する実施の形態と実質的に同じ機能を果たすまたは実質的に同じ結果を達成する、既存のまたは後に開発される、プロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、または工程を本発明にしたがって利用してよい。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、または工程をその範囲内に含むことが意図されている。

Claims (19)

1. 黄銅合金において、
   銅、
   亜鉛、
   テルル、および
   鉛
   を有してなり、鉛が前記合金の０．２５％未満を構成し、テルルが前記合金の約０．０２５％から約１％を構成することを特徴とする合金。
2. 銅が前記合金の約５７％から約９８％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
3. 亜鉛が前記合金の約２．０％から約４３％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
4. 約０．０２％未満のリンをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の合金。
5. 黄銅合金において、
   約５７％から約９８％の銅、
   約２％から約４３％の亜鉛、および
   約０．０２５％から約１．０％のテルル、
   を有してなる合金。
6. 約０．０２５％未満の鉛をさらに含むことを特徴とする請求項５記載の合金。
7. 約２４０ＭＰａから約５３０ＭＰａの引張強度を有することを特徴とする請求項１記載の合金。
8. 約２００ＭＰａから約４５０ＭＰａの降伏強度を有することを特徴とする請求項１記載の合金。
9. 約２８％から約４９％のＩＡＣＳの導電率を有することを特徴とする請求項１記載の合金。
10. 亜鉛が前記合金の約５％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
11. 亜鉛が前記合金の約１０％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
12. 亜鉛が前記合金の約１５％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
13. 亜鉛が前記合金の約４０％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
14. 黄銅合金において、
    約５７％から約９８％の銅、
    約２％から約４３％の亜鉛、および
    約０．０２５％から約１．０％のテルル、
    を有してなる合金。
15. 約０．５％未満の鉛含有量を有することを特徴とする請求項１４記載の合金。
16. 約０．０１％未満の鉛含有量を有することを特徴とする請求項１４記載の合金。
17. 約２４０ＭＰａから約５３０ＭＰａの引張強度を有することを特徴とする請求項１４記載の合金。
18. 約２００ＭＰａから約４５０ＭＰａの降伏強度を有することを特徴とする請求項１４記載の合金。
19. 約２８％から約４９％のＩＡＣＳの導電率を有することを特徴とする請求項１４記載の合金。