JP2015175008A - 鉛レス黄銅材料および水道用器具 - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工性や鋳造性、耐食性等の特性を両立し得る鉛レス黄銅材料および水道用器具を提供する。
【解決手段】銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含む鉛レス黄銅材料において、セレンの含有量が０．０４〜０．５８質量％であり、また、ビスマスの含有量が０．５９〜２．４４質量％であり、シリコンの含有量が０．３０〜１．６８質量％である鉛レス黄銅材料。鉛を不純物としてわずかに含む場合、従来より低減した場合も含まれ、鉛の含有量は０．２５％未満である鉛レス黄銅材料。
【選択図】図５

Description

本発明は、鉛レス黄銅材料および水道用器具に関する。

従来、水道用器具には黄銅系の合金が多く用いられており、このような合金の中には鉛（Ｐｂ）を含むものがある。鉛を含む合金を用いて製造された水道用器具は、合金から鉛が溶出し飲料水等を介して人体へ摂取されるおそれが否定できない。そのため、近年、規制等により鉛の低減化や鉛を含まない材料への切替えが強化されつつある。一方、鉛は、鋳造の際に発生する巣の低減や切削加工性の向上に役立つ材料として用いられていた。そのため、単に鉛を入れない、または鉛を低減したといった黄銅材料だと、所望の特性を満足できない。

そこで、鉛のかわりにビスマス（Ｂｉ）を添加して切削加工性を改善したとされる無鉛黄銅合金が考案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３３５００２号公報

しかしながら、上述の合金では切削加工性以外の鋳造性や耐食性について更なる改善の余地がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところは、切削加工性や鋳造性、耐食性等の特性を両立し得る合金材料を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の鉛レス黄銅材料は、銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含む。この鉛レス黄銅材料は、セレンの含有量が０．０４〜０．５８質量％である。

この態様によると、切削加工性をある程度維持しつつ鋳造性を向上できる。なお、鉛レスとは、鉛を完全に含まない場合や不純物として僅かに含む場合だけでなく、従来よりも鉛の含有量を低減した場合も含み得る。

ビスマスの含有量が０．５９〜２．４４質量％であり、シリコンの含有量が０．３０〜１．６８質量％であってもよい。これにより、切削加工性をある程度維持しつつ耐食性を向上できる。

本発明の別の態様もまた、鉛レス黄銅材料である。この鉛レス黄銅材料は、銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含み、セレンの含有量が０．０４〜０．５８質量％であり、ビスマスの含有量が０．７６〜１．７２質量％であり、シリコンの含有量が０．５３〜１．００質量％である。

この態様によると、切削加工性、鋳造性、耐食性をより高いレベルで両立し得る。

本発明のさらに別の態様もまた、鉛レス黄銅材料である。この鉛レス黄銅材料は、銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含む鉛レス黄銅材料であって、セレンの含有量が０．０４〜０．１５質量％であり、ビスマスの含有量が０．７６〜１．００質量％であり、シリコンの含有量が０．５３〜１．００質量％である。

この態様によると、切削加工性、鋳造性、耐食性をより高いレベルで両立しつつ、材料コストを低減できる。

鉛の含有量が０．２５質量％未満であってもよい。これにより、水栓金具や水道管等の水道用器具へ用いやすくなる。鉛の含有量は、好ましくは、０．１５質量％未満、より好ましくは、０．１０質量％未満、更により好ましくは０．０５質量％未満である。

本発明の他の態様は水道用器具である。この水道用器具は、上述の鉛レス黄銅材料を用いて製造されている。

この態様によると、内部形状が複雑で外部形状も単調でない水道用器具を製造しても不具合がなく、また切削加工も容易な水道用器具を得られる。

本発明によれば、切削加工性や鋳造性、耐食性等の特性を両立し得る合金材料を提供することができる。

鋳造性の評価に用いた両端拘束試験用金型の平面図である。 図２（ａ）は、評価試験による耐食性が良好な試験片の断面写真を示す図、図２（ｂ）は、評価試験による耐食性が悪い試験片の断面写真を示す図である。 図３（ａ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料における銅（Ｃｕ）の分布を示す画像、図３（ｂ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料における亜鉛（Ｚｎ）の分布を示す画像である。 図４（ａ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料におけるスズ（Ｓｎ）の分布を示す画像、図４（ｂ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料におけるビスマス（Ｂｉ）の分布を示す画像である。 図５（ａ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料におけるセレン（Ｓｅ）の分布を示す画像、図５（ｂ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料におけるシリコン（Ｓｉ）の分布を示す画像である。

以下、図面や表を参照しながら、本発明を実施するための形態について各試験に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

表１及び表２に添加元素の成分を示す比較例１〜２０及び実施例１〜４５からなる鋳塊を一般的な方法で作製した。そして、各比較例および各実施例の鋳塊を用いて、切削加工性評価試験、鋳造性の評価試験、耐脱亜鉛腐食性評価試験を行った。

（切削加工性評価試験）
鋳塊から加工した直径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、黄銅（鉛を０．５〜３．０質量％程度含有）の鋳物であるＣＡＣ２０３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＝（ＣＡＣ２０３の抵抗値／各棒材の抵抗値）×１００

表１及び表２の切削加工性については、切削加工性指数が９０以上を○、８０以上９０未満を△、８０未満を×としている。

（鋳造性の評価）
鋳造性を矢印拘束試験法により評価した。図１は、鋳造性の評価に用いた両端拘束試験用金型の平面図である。この試験法では、図１に示す両端拘束試験用金型を用いた。この金型は、中央に設けられる矩形の中央型１１と、両端に設けられる一対の矩形の拘束型１２ａ、１２ｂとを有している。これら中央型１１及び拘束型１２ａ、１２ｂはＳ４５Ｃからなる。これらは組み合わせられた状態で図示しないボルトによって互いに固定され、金型とされる。

中央型１１の中央には正方形状の凹部１３が形成されている。また、中央型１１には、凹部１３と連通しつつ、幅方向に延びる溝１４が形成されている。凹部１３と溝１４とは同一の深さを有している。凹部１３内には、溝１４と連通する部分１５を除き、鋳砂とワックスとからなる断熱材１６が充填されている。

中央型１１には、溝１４及び部分１５と連通する溝１７が形成されている。拘束型１２ａ、１２ｂには、それぞれ溝１４、部分１５及び溝１７の端部と連通する三角形の凹部１８ａ、１８ｂが形成されている。溝１７及び凹部１８ａ、１８ｂの深さも凹部１３及び溝１４と同一である。溝１４、部分１５、溝１７及び凹部１８ａ、１８ｂによって両矢印形状のキャビティが形成されている。

この金型のキャビティ内に実施例及び比較例に係る合金の溶湯１９を注いだ。キャビティ内の溶湯１９は、冷却され、凝固していく過程において、凹部１８ａ、１８ｂが拘束され、凝固収縮力が発生する。キャビティ内の溶湯１９の中央部分は、断熱材１６によって凹部１８ａ、１８ｂに比べて冷却が遅れて最終凝固部となり、凝固収縮力が集中する。この中央部分での割れの有無や程度により鋳造性を評価した。

表１及び表２の鋳造性については、溝１４、部分１５及び溝１７から形成されている直線状のキャビティ（凹部１８ａ、１８ｂは含まない。）の長さが２００ｍｍ以上でも割れがない場合を○、２００ｍｍ以上では割れがあるが１５０ｍｍでは割れがない場合を△、１５０ｍｍで割れがある場合を×としている。

なお、表１や表２に示す判定結果は、３つの試験で全て○の場合が「Ａ」判定、３つの試験で１つだけ△で残りが○の場合が「Ｂ」判定、３つの試験で１つでも×がある場合または△が２つ以上ある場合が「Ｃ」判定である。

（耐脱亜鉛腐食性評価試験）
各鋳塊から作製した試験片を用い、日本伸銅協会技術標準（ＪＢＭＡ Ｔ３０３）に基づき、耐脱亜鉛腐食性評価試験を行った。図２（ａ）は、評価試験による耐食性が良好な試験片の断面写真を示す図、図２（ｂ）は、評価試験による耐食性が悪い試験片の断面写真を示す図である。

表１及び表２の耐食性については、平均脱亜鉛深さが５０μｍ未満の場合を○、平均脱亜鉛深さが５０μｍ以上１００μｍ未満の場合を△、平均脱亜鉛深さが１００μｍ以上の場合を×としている。

（元素分布）
次に、本実施の形態の一例である実施例３８に係る鉛レス黄銅材料の元素分布をＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyser）を用いて測定した。図３（ａ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料における銅（Ｃｕ）の分布を示す画像、図３（ｂ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料における亜鉛（Ｚｎ）の分布を示す画像である。図４（ａ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料におけるスズ（Ｓｎ）の分布を示す画像、図４（ｂ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料におけるビスマス（Ｂｉ）の分布を示す画像である。図５（ａ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料におけるセレン（Ｓｅ）の分布を示す画像、図５（ｂ）は、実施例の１つである鉛レス黄銅材料におけるシリコン（Ｓｉ）の分布を示す画像である。なお、図３（ａ）〜図５（ｂ）に示す各画像は、試料の同一領域を撮像したものである。

各図において、白い（明るい）領域は該当元素の濃度が相対的に高いことを示し、黒い（暗い）領域は該当元素の濃度が相対的に低いことを示す。例えば、図３（ａ）、図３（ｂ）に示す白い領域は、銅と亜鉛が多く存在していることを示す。特に、図３（ａ）における点線で囲まれた領域は、他の白い領域と比較してわずかに暗い領域となっている。一方、図３（ａ）における点線で囲まれた領域に対応する図３（ｂ）における点線で囲まれた領域は、他の白い領域よりも更に明るい領域となっている。つまり、点線で囲まれた領域は、黄銅合金において相対的に亜鉛が多いβ相であり、それ以外の白い領域は相対的に銅が多いα相である。

また、図４（ａ）に示すスズの分布や図５（ｂ）に示すシリコンの分布は、点線で囲まれている白い領域が示すように、前述のβ相に多く存在していることがわかる。一方、図４（ｂ）に示すビスマスの分布や図５（ａ）に示すセレンの分布は、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すα相やβ相以外の黒い領域に多く存在していることがわかる。

（添加元素による性能の相違）
次に、表１や表２に示す各比較例や各実施例の試験結果に基づき、黄銅に添加する元素（特にビスマス、シリコン、セレン）が各特性に与える影響について定性的に説明する。表３は、添加元素の組合せによる性能の相違を相対的に示したものである。

例えば、鉛の代替材料として用いられることがあるビスマスが添加された比較例８〜１２では、切削加工性は良好であるが、鋳造割れや耐食性はよくない。これは、鉛に比べてビスマスは鋳造時の巣を埋める性能が低く、残存した鋳造時の巣が鋳造割れの起点となると考えられる。

また、シリコンが添加された比較例１３，１４では、鋳造性や耐食性は良好であるが、切削加工性が悪化していることがわかる。これは、図５（ｂ）に示すように、シリコンが相対的に亜鉛が多いβ相に多く存在し、β相の腐食を防ぐためと考えられる。また、シリコンの添加により強度が向上し、鋳造割れが発生しにくくなる一方、切削加工性は悪化したと考えられる。

そこで、ビスマスとシリコンの両者が添加された比較例１５〜１９を見ると、シリコンのみを添加した比較例１３，１４と比較して、切削加工性が良化したものもあるが、一方で鋳造性が悪化している。また、ビスマスとセレンの両者が添加された比較例２０〜２４を見ると、切削加工性は良化するものの、耐食性が悪い傾向が見られる。

本発明者らは以上の知見に基づき更にセレンを添加することに想到した。具体的には、実施例１〜４５に係る鉛レス黄銅材料は、銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含む。また、スズやアルミニウム（Ａｌ）、その他の不純物も適宜含み得る。セレンの添加により、セレンがビスマスと共存し（図４（ｂ）、図５（ａ）参照）、切削加工性が向上したと考えられる。また、セレンがシリコンと共存することで、巣を埋めて鋳造割れを改善できたと考えられる。

本実施の形態に係る鉛レス黄銅材料は、セレンの含有量が０．０４〜０．５８質量％であるとよい。比較例２５に示すように、セレンの含有量が０．０２質量％程度だと、切削加工性の向上が見られない。なお、実施例１〜４５に示すように、ビスマスの含有量が０．５９〜２．４４質量％であり、シリコンの含有量が０．３０〜１．６８質量％であるとよい。これにより、切削加工性をある程度維持しつつ耐食性を向上できる。

また、実施例１２〜４５に示すように、ビスマスの含有量が０．７６質量％以上である場合、切削加工性がより向上する。また、実施例１〜実施例４３に示すように、ビスマスの含有量が１．７２質量％以下である場合、鋳造性が向上する。

また、実施例１〜１２，１４〜２１，２３〜２５，２７〜４５に示すように、シリコンの含有量が０．５３質量％以上であると、耐食性がより向上する。実施例１〜１９，２１，２２，２４〜２９，３１〜３７，３９〜４１，４４，４５に示すように、シリコンの含有量が１．００質量％以下であると、切削加工性がより向上する。

このように、銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含む鉛レス黄銅材料において、セレンの含有量を０．０４〜０．５８質量％、ビスマスの含有量を０．７６〜１．７２質量％、シリコンの含有量を０．５３〜１．００質量％とすることで、切削加工性、鋳造性、耐食性をより高いレベルで両立し得る。

更に、銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含む鉛レス黄銅材料において、セレンの含有量を０．０４〜０．１５質量％、ビスマスの含有量を０．７６〜１．００質量％、シリコンの含有量を０．５３〜１．００質量％とすることで、切削加工性、鋳造性、耐食性をより高いレベルで両立しつつ、材料コストを低減できる。

なお、本実施の形態に係る鉛レス黄銅材料における鉛の含有量は０．２５質量％未満が好ましい。これにより、水栓金具や水道管等の水道用器具へ用いやすくなる。鉛の含有量は、好ましくは、０．１５質量％未満、より好ましくは、０．１０質量％未満、更により好ましくは０．０５質量％未満である。

上述の各実施例に示すような割合で各元素を含有する鉛レス黄銅材料を用いて水道用器具（水栓金具）を鋳造で製造した。具体的には、第１の工程において、各水栓金具が表２に示す実施例の成分になるように材料を調合した。次いで、第２の工程において、鋳造により成形した。そして、第３の工程において、得られた成形品に切削加工を施し、第４の工程において、製品を完成させた。このように、本実施の形態に係る鉛レス黄銅材料を用いて内部形状が複雑で外部形状も単調でない水道用器具を鋳造で製造しても、鋳造による不具合がなく、また切削加工も容易な水道用器具を得られる。

以上、本発明を上述の実施の形態や各実施例を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態や各実施例に限定されるものではなく、各実施例の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態や実施例における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態や実施例に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

本発明は水栓金具等の水道用器具に利用可能である。

１１ 中央型、 １２ａ，１２ｂ 拘束型、 １３ 凹部、 １４ 溝、 １６ 断熱材、 １７ 溝、 １８ａ，１８ｂ 凹部、 １９ 溶湯。

Claims (6)

1. 銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含む鉛レス黄銅材料であって、
   前記セレンの含有量が０．０４〜０．５８質量％であることを特徴とする鉛レス黄銅材料。
2. 前記ビスマスの含有量が０．５９〜２．４４質量％であり、
   前記シリコンの含有量が０．３０〜１．６８質量％であることを特徴とする請求項１に記載の鉛レス黄銅材料。
3. 銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含む鉛レス黄銅材料であって、
   前記セレンの含有量が０．０４〜０．５８質量％であり、
   前記ビスマスの含有量が０．７６〜１．７２質量％であり、
   前記シリコンの含有量が０．５３〜１．００質量％であることを特徴とする鉛レス黄銅材料。
4. 銅、亜鉛、ビスマス、セレン及びシリコンを含む鉛レス黄銅材料であって、
   前記セレンの含有量が０．０４〜０．１５質量％であり、
   前記ビスマスの含有量が０．７６〜１．００質量％であり、
   前記シリコンの含有量が０．５３〜１．００質量％であることを特徴とする鉛レス黄銅材料。
5. 鉛の含有量が０．２５質量％未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鉛レス黄銅材料。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鉛レス黄銅材料を用いて製造された水道用器具。