JP2013194277A - 切削加工用銅基合金及びその合金を用いた水道用器具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能な切削加工用銅基合金を提供する。
【解決手段】本発明の切削加工用銅基合金は、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム及び鉛を含む切削加工用銅基合金である。スズは１．０〜２．０質量％、アルミニウムは０．７〜２．０質量％、亜鉛当量は３５．０〜４０．０質量％である。
【選択図】図１

Description

本発明は切削加工用銅基合金及びその合金を用いた水道用器具に関する。

水道用器具には、物理的な強度や耐食性の確保の為に銅合金が多く用いられる。この水道用器具の製造方法としては、主に鋳造、鍛造、棒材の切削加工がある。

一般に、鋳造は形状が複雑で大型の製品の製造に適する。鍛造は形状が単純で鋳造よりも比較的小型の製品や部品の製造に適する。切削加工は形状が単純で小型の部品の製造に適する。

鋳造用材料は、黄銅系合金としてＪＩＳＣＡＣ２０３、特許文献１、２、青銅系合金としてＪＩＳＣＡＣ４０６が多く用いられる。

鍛造用材料は、ＪＩＳＣ３７７１、特許文献３、４（いずれも黄銅系合金）が多く用いられる。青銅系合金は、鍛造時に割れが発生するなどの問題があり、適さない。

切削加工用材料は、黄銅系合金としてＪＩＳＣ３６０４、特許文献３、４が多く用いられる。青銅系合金にも棒材はあるが、棒材の製造上の問題から太さが限られ、細い棒材の自由な入手が困難である。

黄銅系合金は、鋳造、鍛造、切削加工とさまざまな製造方法に対応できるが、青銅系合金に比べると耐食性が劣る。特に、潰食と脱亜鉛腐食の発生が問題となる。ここで、潰食とは水の流れ等により合金が削られる腐食をいい、脱亜鉛腐食とは合金成分中の亜鉛が抜けてしまう腐食をいう。特許文献１、２、３、４は、耐脱亜鉛腐食についてはある程度満足できる材料であるが、耐潰食性が十分でないため、潰食が発生しても機能不良に至らない製品や部品に使用が限定されている。

一方、青銅系合金は、高い耐潰食性と耐脱亜鉛腐食を有するが、前述の通り鍛造には適さない。また、自由な棒材の入手が困難である。

特開平８−３３７８３１号公報 特開２００９−２６３７８７号公報 特開２００６−９０５３号公報 特開平７−２０７３８８号公報

黄銅系合金において、水道用器具に必要な耐潰食性と脱亜鉛腐食の２つの性能を満足することができれば、用途を限定せず幅広い製品を、最適な製造方法で生産することが可能となる。このため、耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能な黄銅系の銅基合金が望まれている。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能な切削加工用銅基合金を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の切削加工用銅基合金は、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム及び鉛を含む切削加工用銅基合金であって、
スズが１．０〜２．０質量％、アルミニウムが０．７〜２．０質量％、亜鉛当量が３５．０〜４０．０質量％であることを特徴とする（請求項１）。

発明者らの試験結果によれば、スズ及びアルミニウムの添加により、従来の黄銅系合金にない耐潰食性が発揮される。スズが１．０質量％未満では、耐潰食性が十分でなく、スズが２．０質量％を超えると、切削加工性が悪化する。アルミニウムが０．７質量％未満では、耐潰食性が十分でなく、アルミニウムが２．０質量％を超えると、アルミニウムの過剰添加が原因と推測される腐食生成物の付着が発生する。また、亜鉛当量を３５．０〜４０．０質量％に制御することにより高い耐潰食性と耐脱亜鉛腐食性が発揮される。亜鉛当量が３５．０質量％以上では、耐潰食性が優れていることが確認され、亜鉛当量が４０．０質量％を超えると、耐脱亜鉛腐食性が低下する。

したがって、本発明の切削加工用銅基合金によれば、耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能である。

本発明の切削加工用銅基合金は、アンチモンが０．０１〜０．１質量％であることが好ましい（請求項２）。発明者らの試験結果によれば、アンチモンは切削加工用銅基合金の耐脱亜鉛腐食性を向上させる。アンチモンが０．０１質量％未満では、耐脱亜鉛腐食性が十分ではなく、アンチモンを０．１質量％を超えて過剰に含有しても、その作用が頭打ちになることから、上限を０．１質量％とする。

本発明の切削加工用銅基合金は、表１に示すように、鉛が１．８〜２．２質量％、アンチモンが０．０１〜０．１質量％、リンが０．０１〜０．１質量％、鉄が０．１質量％未満、銅が残部であることが好ましい（請求項３）。発明者らはこれらを満足する切削加工用銅基合金により本発明の効果を確認した。発明者らの試験結果によれば、鉛は切削加工用銅基合金の切削加工性を向上させる。鉛が１．８質量％未満では、切削加工性が十分でなく、鉛が２．２質量％を超えると、引張強さおよび伸びを低下させる。アンチモンは切削加工用銅基合金の耐脱亜鉛腐食性を向上させる。リンは切削加工用銅基合金の耐脱亜鉛腐食性を向上させる。リンが０．０１質量％未満では、耐脱亜鉛腐食性が十分ではなく、リンが０．１質量％を超えると、引張強さが低下する。鉄は不可避の不純物である。鉄０．１質量％未満であれば、切削加工用銅基合金の特性にほとんど影響がない。

本発明の切削加工用銅基合金は、珪素及びビスマスの少なくとも一方が実質的に０質量％であることが好ましい（請求項４）。これらは切削加工用銅基合金のリサイクルを阻害し易いからである。ここで、実質的に０質量％とは、０．１質量％未満をいう。

本発明の水道用器具は、上記切削加工用銅基合金からなることを特徴とする（請求項５）。この水道用器具は切削加工によって製造される。そして、この水道用器具によれば、従来では困難だった耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を兼ね備えることができる。

耐潰食性評価試験の結果を示すグラフである。 耐潰食性評価試験後の比較例１２の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例３の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例７の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の実施例７の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例１６の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の実施例１３の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の実施例１６の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例１７の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例２１の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例１の表面を示す写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例７の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例１６の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例１７の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例２１の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例５の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例７の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例１３の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例１６の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例２４の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例３の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例１２の断面写真である。 水道用器具の止水部の模式断面である。

以下、本発明を試験に基づいて説明する。

表２〜５に成分を示す実施例１〜２４及び比較例１〜２２の合金からなる棒材を準備した。

（耐潰食性評価試験）
各棒材から水道用器具の止水部を模したサンプルを切削加工により製造した。各サンプルの口径は９ｍｍ、口径周りのシートは径方向で１ｍｍの寸法である。止水部の機構を図２３に示す。図２３に示すように、各サンプル１の上方には止水板２が設けられている。各サンプル１の内部を経た試験液３は、止水板２によって折り返され、各サンプル１に当接するようになっている。

１％ＣｕＣｌ₂水溶液１０Ｌを試験液とし、この試験液を０．３ＭＰａの圧力、５．０Ｌ／分の流量で、上記サンプルに対して水道用器具と同様の流路になるように流す耐潰食性評価試験を行った。試験時間は２時間であり、圧力は３０分毎に調整した。

各サンプルの重量減少（ｇ）と時間（ｈｒ）との関係を求めた。各サンプルの内から、実施例７、１３、１６および比較例１、３、７、１２、１６、１７、２１の結果を図１に示す。また、上記実施例および比較例の試験後の表面写真を図２〜１１に示す。

図１及び図２〜１１に示す通り、スズ及びアルミニウムの添加により合金は耐潰食性が向上する。しかし、スズのみを増加した場合、切削加工性が悪化することが一般に知られている。このため、他の性能に悪影響を与えない範囲でスズを添加し、それに加えてアルミニウムを添加することで、他の性能を損なうことなく、スズのみを添加する場合を凌ぐ高い耐潰食性を発揮させることを得た。これは、合金の表面に強固な酸化皮膜が形成されることによると考えられる。

（耐脱亜鉛腐食性評価試験）
各棒材を用いて、ＪＢＭＡＴ３０３に基づき、耐脱亜鉛腐食性評価試験を行った。

この結果、脱亜鉛腐食深さは、比較例７が４７μｍ、比較例１６が１５１μｍ、比較例１７が１２７μｍ、比較例２１が１７６μｍ、実施例５が５２μｍ、実施例７が８６μｍ、実施例１３が４０μｍ、実施例１６が５４μｍ、実施例２４が８３μｍ、比較例３が５９μｍ、比較例１２が１８７μｍであった。また、試験後の上記実施例および比較例の断面写真を図１２〜２２に示す。

耐脱亜鉛腐食性評価試験の結果より、スズの含有量を１．５質量％として、アルミニウム量を増加させると、耐脱亜鉛腐食性が悪化する傾向が確認され、耐潰食性と耐脱亜鉛腐食性の両立が困難であることがわかる。しかし、亜鉛を減少させて亜鉛当量を４０．０質量％以下に制御することでアルミニウム量の増加による耐脱亜鉛腐食性の悪化を抑えることができ、耐潰食性と耐脱亜鉛腐食性の両立が可能となる。

（切削加工性評価試験）
直径２６ｍｍの棒材を用いて、外周を下記の条件で切削加工した場合の切削加工性を評価した。条件は、切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、送り量：０．２ｍｍ／ｒeｖ、切り込み量：２ｍｍである。評価方法は、切削加工時の抵抗値を測定し、快削黄銅棒材であるＪＩＳＣ３６０４を基準（切削加工性指数１００）に、下記式を用いて切削加工性指数を算出した。
切削加工性指数＝Ｃ３６０４の抵抗値／各棒材の抵抗値 ×１００

スズの含有量の多い比較例１や比較例４、比較例９が切削加工性指数９０以下となった以外は、実施例、比較例を問わず全てのサンプルが切削加工性指数９０以上となり、良好な切削加工性を示した。

全ての実施例及び比較例について、同様に耐潰食性評価試験、耐脱亜鉛腐食性評価試験及び切削加工評価試験を行った。上記の耐潰食性評価試験において、試験後の重量減少が約０．４ｇ以下であれば、実際の使用環境で潰食が発生しないと推測されることが、発明者らの実験にて判明している。よって、耐潰食性は、試験後の重量減少が０．４ｇ以下である場合を○とし、重量減少が０．４ｇより大きい場合を×とした。耐脱亜鉛腐食性は、ＪＢＭＡＴ３０３における脱亜鉛腐食感受性の評価において１種又は２種に相当すれば○とし、それ以外を×とした。また、切削加工性は、切削加工性指数が９０以上を○、７０以上９０未満を△、７０未満を×とした。全ての実施例及び比較例における結果を、表６〜９に示す。

したがって、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム及び鉛を含み、スズが１．０〜２．０質量％、アルミニウムが０．７〜２．０質量％、亜鉛当量が３５．０〜４０．０質量％である切削加工用銅基合金であれば、従来の黄銅系合金にない耐潰食性と高い耐脱亜鉛腐食性をも有しながら、切削加工によって水道用器具を製造することが可能である。

また、珪素及びビスマスの少なくとも一方が実質的に０質量％であれば、リサイクルを推進することが容易に可能である。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は水栓金具、バルブ、水道メーター、管、継手、トイレ、ボールタップ、ロータンク、流し台、洗面台、給湯器、湯沸かし器、浄水器、製氷機、冷水機、温水ボイラー、浴槽、ユニットバス等の水道用器具に利用可能である。

Claims (5)

1. 銅、亜鉛、スズ、アルミニウム及び鉛を含む切削加工用銅基合金であって、
   スズが１．０〜２．０質量％、アルミニウムが０．７〜２．０質量％、亜鉛当量が３５．０〜４０．０質量％であることを特徴とする切削加工用銅基合金。
2. アンチモンが０．０１〜０．１質量％未満である請求項１記載の切削加工用銅基合金。
3. 鉛が１．８〜２．２質量％、アンチモンが０．０１〜０．１質量％未満、リンが０．０１〜０．１質量％未満、鉄が０．１質量％未満、銅が残部である請求項１又は２記載の切削加工用銅基合金。
4. 珪素及びビスマスの少なくとも一方が実質的に０質量％である請求項１乃至３のいずれか１項記載の切削加工用銅基合金。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の切削加工銅基合金からなることを特徴とする水道用器具。

Images