JP2016539248A - 抗菌性白色銅合金 - Google Patents

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Abstract

白色／銀色銅合金は、機械加工でき、砂型および永久成形および鋳造に使用するのに十分な物理的および機械的性質を有する。合金は、０．０９質量％未満の鉛を含み、飲料水供給への使用を可能にする。合金はまた、病院で使用するために抗菌性を呈するのに十分な銅も含有する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、全内容が参照により本明細書に組み込まれる、２０１３年１０月７日出願の米国仮特許出願第６１／８８７，７６５号の優先権を請求する。
本発明は、一般に、合金の分野に関する。具体的には、本発明の実施形態は、バラ色、銀色、白色等を含むが、これらに限定されない落ち着いた銅色を呈し、また抗菌性も有する銅合金に関する。
銅合金は、多くの商業的応用例において使用されている。これらの応用例の多くは、鋳型または鋳造を利用して溶融合金を粗い形態に成形することを要する。次いで、この粗い形態を、最終的な形態に機械加工してよい。したがって、銅合金の機械加工性は重要であると考えられ得る。さらに、最大抗張力（「ＵＴＳ」）、降伏強さ（「ＹＳ」）、伸びパーセント（「％Ｅ」）、ブリネル硬度（「ＢＨＮ」）、および弾性係数（「ＭｏＥ」）など、その他の物理的および機械的性質は、銅合金の最終的用途に応じて様々な重要度であり得る。
銅によって銅合金に付与される一特性は、抗菌効果である。一般に、６０％超の含有率で銅を含有する合金が抗菌効果を示すと考えられている。この抗菌効果は、複数の経路を通るように見え、生体にとって抵抗菌株を発達することを非常に困難にする。
銅合金、特に高レベルの銅を有する銅合金は、典型的には、銅のような色を呈する。この色は、消費者の好みまたは最終製品に使用される他の材料との適合性のために、最終製品には望ましくない場合がある。
さらに、銅は多くの有用な特性を銅ベース合金に付与するが、銅（および高銅合金）は変色しやすい。曝露された銅または銅合金の表面は退色し、緑青が発生し得る。これにより、望ましくない視覚的特徴がもたらされ得る。
黄銅合金の特性を維持しながら、白色／銀色金属の色をもたらす「ホワイトブラス」を開発する試みが成されてきた。当産業において白色Ｔｏｍｂａｓｉｌ（商標）として知られている、銅開発協会（Copper Development Association）登録番号Ｃ９９７００は、やや銀色をもたらす加鉛黄銅合金である。しかし、Ｃ９９７００には、多くの問題がある。まず、所望の機械加工性を維持するために比較的高含有率（約２％）の鉛を必要とし、商用または住宅用水の使用には極めて高すぎる含有率である。さらに、合金は、機械加工が困難であり、流し込みが困難であり、目的とする銀色は退色（黒化）しやすい。
銅合金が変色する傾向の結果として、銅合金から作られた消費財の多くは、より引き立つ色を与え、変色の悪影響を防止するために、塗布またはめっきされる。その一例として、衛生器具がある。しかし、銅合金をめっきする必要があり、これを望むと、消費財の表面は、下層の銅合金ではなく、めっき材料になるため、銅合金が与える抗菌効果も防止してしまう。
本発明の一実施形態は、機械加工性であり、成形および鋳造における使用に十分な物理的特性を有する白色／銀色銅合金に関する。合金は、水の供給における使用を可能にさせる０．０９％未満の鉛を含み、抗菌特性を示すのに十分な銅も含有する。従来市販されている合金と比べて鉛が低含有率であるにもかかわらず、白色合金の機械加工性は、非常に良好に保たれている。
本開示のさらなる特徴、利点、および実施形態を、以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲を考慮して、説明できる。その上、本開示の前述の概要および以下の詳述は両方とも、例示に過ぎず、特許請求される本開示の範囲をこれ以上限定せずに、さらに説明を加えることを意図したものである。
添付の図面と関連付けて以下の説明を参照することにより、前述のその他の本開示の目的、態様、特徴、および利点がより明らかになり、より良好に理解されるであろう。
市販の合金組成物を列挙した表である。 砂型鋳造用の標的Ｃ９９７６１合金を、それに対応する実際の試験ヒート（ｈｅａｔ）と共に列挙した表である。 特定のヒートについての銅、ニッケル、亜鉛、イオウ、マンガン、スズ、アンチモン、およびアルミニウム含有率ならびにＵＴＳ、ＹＳ、伸び％、ＢＨＮ、および弾性係数を列挙した、図２Ａの標的合金についての表である。 永久鋳型用途の第１の標的Ｃ９９７６１合金を、それに対応する実際の試験ヒートと共に列挙した表である。 特定のヒートについての銅、ニッケル、亜鉛、イオウ、マンガン、スズ、アンチモン、およびアルミニウム含有率ならびにＵＴＳ、ＹＳ、伸び％、ＢＨＮ、および弾性係数を列挙した、図３Ａの標的合金についての表である。 砂型鋳造用の標的Ｃ９９７７１合金およびそれに対応する実際の試験ヒートを列挙した表である。 特定のヒートについての銅、ニッケル、亜鉛、イオウ、マンガン、スズ、アンチモン、およびアルミニウム含有率ならびにＵＴＳ、ＹＳ、伸び％、ＢＨＮ、および弾性係数を列挙した、図４Ａの標的合金についての表である。 特定のヒートについての銅、ニッケル、亜鉛、イオウ、マンガン、スズ、アンチモン、およびアルミニウム含有率ならびにＵＴＳ、ＹＳ、伸び％、ＢＨＮ、および弾性係数を列挙した、図４Ａの標的合金についての表である。 永久鋳型用途の標的Ｃ９９７７１合金を、それに対応する実際の試験ヒートと共に列挙した表である。 特定のヒートについての銅、ニッケル、亜鉛、イオウ、マンガン、スズ、アンチモン、およびアルミニウム含有率ならびにＵＴＳ、ＹＳ、伸び％、ＢＨＮ、および弾性係数を列挙した、図５Ａの標的合金についての表である。 特定のヒートについての銅、ニッケル、亜鉛、イオウ、マンガン、スズ、アンチモン、およびアルミニウム含有率ならびにＵＴＳ、ＹＳ、伸び％、ＢＨＮ、および弾性係数を列挙した、図５Ａの標的合金についての表である。 硫化アンチモンなどの様々な硫化物の自由エネルギー図である。 硫化アンチモンの分解を示すグラフである。 平衡条件下でＳｂを含まないＣ９９７６１の変形形態の相図である。 ０．６質量％のＳｂを含むＣ９９７６１の実施形態の相図である。 平衡条件下でＳｂを含まないＣ９９７６１の実施形態の相集合図（phase assemblage diagram）である。 Ｓｂを含まないＣ９９７６１の変形形態の拡大相集合図である。 ０．６質量％のＳｂを含むＣ９９７６１の相集合図である。 ０．６質量％のＳｂを含むＣ９９７６１の拡大相集合図である。 Ｓｂを含まないＣ９９７６１の変形形態の相集合図（Ｓｃｈｅｉｌ冷却）である。 ０．６質量％のＳｂを含むＣ９９７６１の相集合図（Ｓｃｈｅｉｌ冷却）である。 平衡条件下のＣ９９７７１の実施形態の相図である。 ０．６質量％のＳｂを含むＣ９９７７１の実施形態の相図である。 平衡条件下でＳｂを含まないＣ９９７７１の実施形態の相集合図である。 Ｓｂを含まないＣ９９７７１の変形形態の拡大相集合図である。 ０．６質量％のＳｂを含むＣ９９７７１の相集合図である。 ０．６質量％のＳｂを含むＣ９９７７１の拡大相集合図である。 Ｓｂを含まないＣ９９７７１の変形形態の相集合図（Ｓｃｈｅｉｌ冷却）である。 ０．６質量％のＳｂを含むＣ９９７７１の相集合図（Ｓｃｈｅｉｌ冷却）である。 図１０Ｂ〜Ｃに示した試験に利用したＣ９９７６１脱亜鉛配合を列挙した表である。 金属組織部分の薄い部分における、最大深さ（水平線）が、曝露面（水平な上面）から０．０００２インチ（５．１ミクロン）の脱亜鉛腐食を示す写真である。 金属組織部分の厚い部分において、有意な脱亜鉛腐食がないことを示す写真である。 図１１Ｂ〜１１Ｃに示した試験に利用したＣ９９７７１脱亜鉛配合を列挙した表である。 供試試料から横方向で調製された金属組織の薄い部分における曝露面（水平な上面）から０．０００２インチ（５．１ミクロン）の最大深さ（赤色の線）を示す脱亜鉛腐食の試験を示す写真である。エッチングは施していない。（４９４Ｘ）。 供試試料から縦方向で調製された金属組織の厚い部分における曝露面（水平な上面）から０．０００２インチ（５．１ミクロン）の最大深さ（赤色の線）を示す脱亜鉛腐食の試験を示す写真である。 砂型鋳造合金Ｃ９９７６１の実施形態の組成（６２．６Ｃｕ、８．１７Ｎｉ、１６．９４Ｚｎ、１０．３６Ｍｎ、０．０１２Ｓ、０．４９２Ｓｂ、０．８８２Ｓｎ、０．１２６Ｆｅ、０．３５０Ａｌ、０．０４０Ｐ、０．００９Ｐｂ、０．００２Ｓｉ、０．００２Ｃ）を示す表である。 顕微鏡写真である。 注釈付き位置および対応するＥＤＳスペクトルを示すＢＥ画像である。 合金Ｃ９９７６１の実施形態のＳＥＭ画像である。 図１３Ａに示す部分のイオウの元素マッピングを示す画像である。 図１３Ａに示す部分のリンの元素マッピングを示す画像である。 図１３Ａに示す部分の亜鉛の元素マッピングを示す画像である。 図１３Ａに示す部分の銅の元素マッピングを示す画像である。 図１３Ａに示す部分のマンガンの元素マッピングを示す画像である。 図１３Ａに示す部分のスズの元素マッピングを示す画像である。 図１３Ａに示す部分のアンチモンの元素マッピングを示す画像である。 図１２Ａの砂型鋳造Ｃ９９７６１合金の後方散乱電子画像（２００倍）である。 図１２Ａの砂型鋳造Ｃ９９７６１合金の後方散乱電子画像（１０００倍）である。 図１２Ａの砂型鋳造Ｃ９９７６１試料の顕微鏡写真（５００倍）である。 砂型鋳造合金Ｃ９９７７１の実施形態の組成（６９．２Ｃｕ、３．２１Ｎｉ、８．１０Ｍｎ、１７．５６Ｚｎ、０．０１４Ｓ、０．６８５Ｓｂ、０．３１９Ｆｅ、０．６１６Ｓｎ、０．００６Ｐｂ、０．２２４Ａｌ）を示す表である。 顕微鏡写真である。 注釈付き位置および対応するＥＤＳスペクトルを示すＢＥ画像である。 合金Ｃ９９７７１の実施形態のＳＥＭ画像である。 図１６Ａに示す部分のリンの元素マッピングを示す画像である。 図１６Ａに示す部分のイオウの元素マッピングを示す画像である。 図１６Ａに示す部分の亜鉛の元素マッピングを示す画像である。 図１６Ａに示す部分の銅の元素マッピングを示す画像である。 図１６Ａに示す部分のマンガンの元素マッピングを示す画像である。 図１６Ａに示す部分のスズの元素マッピングを示す画像である。 図１６Ａに示す部分のアンチモンの元素マッピングを示す画像である。 図１５Ａの砂型鋳造Ｃ９９７７１合金の後方散乱電子画像（２００倍）である。 図１５Ａの砂型鋳造Ｃ９９７７１合金の後方散乱電子画像（１０００倍）である。 図１５Ａの砂型鋳造Ｃ９９７７１試料の顕微鏡写真（５００倍）である。 永久鋳型鋳造用の合金Ｃ９９７６１の実施形態の組成を示す表である。 図１８ＡのＣ９９７６１合金の２００倍の後方散乱電子画像である。 図１８ＡのＣ９９７６１合金の１０００倍の後方散乱電子画像である。 図１８Ａ合金のＣ９９７６１合金の顕微鏡写真（５００倍）である。 ５つの印が付いた領域に関して注釈付けられた、図１８ＡのＣ９９７６１合金の倍率５０００倍の顕微鏡写真である。 図１９Ｂは、図１９Ａの注釈付きの位置１に対応するＥＤＳスペクトルであり、図１９Ｃは、図１９Ａの注釈付きの位置２に対応するＥＤＳスペクトルであり、図１９Ｄは、図１９Ａの注釈付きの位置３に対応するＥＤＳスペクトルであり、図１９Ｅは、図１９Ａの注釈付きの位置４に対応するＥＤＳスペクトルである。 図１９Ａの注釈付きの位置５に対応するＥＤＳスペクトルである。 図２０Ａは、図１８ＡのＣ９９７６１合金のＳＥＭ画像であり、図２０Ｂは、図２０Ａに示す部分の銅の元素マッピングを示す画像であり、図２０Ｃは、図２０Ａに示す部分のマンガンの元素マッピングを示す画像である。 図２０Ｄは、図２０Ａに示す部分の鉛の元素マッピングを示す画像であり、図２０Ｅは、図２０Ａに示す部分のスズの元素マッピングを示す画像であり、図２０Ｆは、図２０Ａに示す部分の亜鉛の元素マッピングを示す画像である。 図２０Ａに示す部分のニッケルの元素マッピングを示す画像である。 図２０Ｈは、図２０Ａに示す部分のアルミニウムの元素マッピングを示す画像であり、図２０Ｉは、図２０Ａに示す部分のアンチモンの元素マッピングを示す画像である。 永久鋳型鋳造用の合金Ｃ９９７７１の実施形態の組成を示す表である。 図２１ＡのＣ９９７７１合金の後方散乱電子画像（２００倍）である。 図２１ＡのＣ９９７７１合金の後方散乱電子画像（１０００倍）である。 図２１Ａ合金のＣ９９７７１合金の顕微鏡写真（５００倍）である。 ５つの印が付いた領域に関して注釈付けられた、図２１ＡのＣ９９７７１合金の倍率５０００倍の顕微鏡写真である。 注釈付きの位置１に対応する、図２２ＡのＥＤＳスペクトルである。 注釈付きの位置２に対応する、図２２ＡのＥＤＳスペクトルである。 注釈付きの位置３に対応する、図２２ＡのＥＤＳスペクトルである。 注釈付きの位置４に対応する、図２２ＡのＥＤＳスペクトルである。 注釈付きの位置５に対応する、図２２ＡのＥＤＳスペクトルである。 図２３Ａは、図２１ＡのＣ９９７６１合金のＳＥＭ画像であり、図２３Ｂは、図２３Ａに示す部分の銅の元素マッピングを示す画像であり、図２３Ｃは、図２３Ａに示す部分のマンガンの元素マッピングを示す画像である。 図２３Ｄは、図２３Ａに示す部分の鉛の元素マッピングを示す画像であり、図２３Ｅは、図２３Ａに示す部分のスズの元素マッピングを示す画像である。 図２３Ｆは、図２３Ａに示す部分のニッケルの元素マッピングを示す画像であり、図２３Ｇは、図２３Ａに示す部分の亜鉛の元素マッピングを示す画像であり、図２３Ｈは、図２３Ａに示す部分のアルミニウムの元素マッピングを示す画像である。 図２３Ａに示す部分のアンチモンの元素マッピングを示す画像である。 機械的性質の試験に使用する砂型鋳造Ｃ９９７６１合金のヒート組成を列挙した表である。 図２４ＡのＣ９９７６１の砂型鋳造合金についての機械的性質のグラフである。 機械的性質の試験に使用する永久鋳型Ｃ９９７６１合金のヒート組成を列挙した表である。 図２５ＡのＣ９９７６１の永久鋳型合金についての機械的性質のグラフである。 機械的性質の試験に使用する砂型鋳造Ｃ９９７７１合金の組成を示す図である。 図２６ＡのＣ９９７７１の砂型鋳造合金についての機械的性質のグラフである。 機械的性質の試験に使用する永久鋳型Ｃ９９７７１合金の組成を示す図である。 図２７ＡのＣ９９７７１の永久鋳型合金についての機械的性質のグラフである。 Ｃ９９７６１合金およびＣ９９７７１合金の機械加工性を他の既知の合金（ＣＤＡ登録番号）と比較するグラフである。 Ｃ９９７６１の実施形態（６１．７２Ｃｕ、８．８０Ｎｉ、１６．６９Ｚｎ、１０．６９Ｍｎ、０．０１１Ｓ、０．７３２Ｓｂ、０．７３６Ｓｎ、０．２４５Ｆｅ、０．３０５Ａｌ、０．０４４Ｐ、０．００９Ｐｂ、０．００２Ｓｉおよび０．００２Ｃを有する９９７６１−０９１１１３−Ｐ１４Ｈ８−１）の機械加工性試験のチップを示す表である。 Ｃ９９７６１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７６１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７６１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７６１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７６１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７７１の実施形態（６５．０４Ｃｕ、３．０４Ｎｉ、１９．３０Ｚｎ、１０．６３Ｍｎ、０．００４Ｓ、０．６７５Ｓｂ、０．７７６Ｓｎ、０．１７７Ｆｅ、０．２９１Ａｌ、０．０４６Ｐ、０．００８Ｐｂ、０．００２Ｓｉ、０．００１Ｃを有する９９９７７１−０８２７１３−Ｐ１１Ｈ１９−１）の機械加工性試験のチップを示す表である。 Ｃ９９７７１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７７１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７７１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７７１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７７１合金の代替実装形態のチップ形態を示す写真である。 アンチモンを含まない以外は図３０Ａ〜Ｆの組成と同様の組成を示す表である。 図３１Ａの組成のチップ形態を示す写真である。 Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１と、対照のクロムめっき部分との比色データのグラフである。
以下の詳細な説明において、その一部を構成する添付の図面について述べる。図面中、別段の指示がない限り、類似の記号は典型的には、類似の成分を同一のものとする。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲の中に記載される例示的実施形態は、限定されることを意図しない。本明細書で挙げられる主題の趣旨または範囲から逸脱せずに、他の実施形態を利用してもよく、また他の変更を加えてもよい。本明細書中で概説され、図中に示される本開示の態様が、明確に企図されて本開示の一部を成す種々様々な異なる構成のすべてにおいて、配置され、置換され、組み合わされ、設計されることが可能であることは容易に理解されよう。
図２Ａ（Ｃ９９７６１砂型鋳造）、３Ａ（Ｃ９９７６１永久鋳型）、４Ａ（Ｃ９９７７１砂型鋳造）、および５Ａ（Ｃ９９７７１永久鋳型）の表に記載する、参照しやすいようにＣ９９７６１およびＣ９９７７１と称する２種の合金の様々な実施形態を、本明細書において記載する。それぞれ砂型鋳造および永久鋳型向けのＣ９９７６１およびＣ９９７７１各合金のための２種の別々の標的組成物を参考図に記載する。記載されている合金は、抗菌性である。どちらの合金も、抗菌性の特徴をもたらす従来技術による合金と比べて、比較的少量の銅を利用する。これらの合金は、ビスマスなど、ある種の不要な元素を含まないまたはほんの微量しか含まないために、再利用が容易になる。Ｂｉチップと他の非鉛合金との混合は、鍛錬用合金に亀裂の問題を起こす。ビスマスを含む合金を機械加工すると、ビスマスチップの任意の不純物が、汚染チップの価値を３３％と同等分低減し、その分、製品の製造費が嵩む。
合金の融点は、同様の適用例に有用な従来型の合金に比べて比較的低い。より低い融点は、より低コストの製品を可能にするであろう。合金はまた、クロムめっきの必要をなくす仕上げおよび色も与え、その結果、より環境にやさしい製品を生成する。
一実施形態は、抗菌効果を示すのに十分な量の銅を含有し、銅の平均質量％が好ましくは６０％超である、銅合金の組成物に関する。銅合金は、銅の他に、以下：亜鉛、ニッケル、マンガン、イオウ、鉄、アルミニウム、スズ、アンチモンを含む黄銅でもよい。銅合金は、少量のリン、鉛、および炭素をさらに含有してもよい。好ましくは、銅合金は、鉛を含有しない、または０．０９％未満の鉛を含有することで、飲料水の適用例における浸出の有害な影響を低減する。一実施形態において、合金は、０．０９％未満の鉛を供給し、一方で少なくとも６０％の銅を含んで抗菌特性を付与し、これまでのめっき赤黄銅合金と実質的に同等の最終色および光沢、すなわちニッケルまたはクロムめっきに一般に関連する白色または銀色を有する機械加工性最終製品を生成する。一実装形態において、合金の鋳放しの色は灰色であるが、バフ研磨および／または艶出しの後に銀白色の輝きを得ることができる。しかし、灰色の鋳放し条件は、この合金が、鉛が少なく、他の加鉛合金とは視覚的に異なり、加鉛率が低い合金であることを識別するため、特定の適用例において有益である。この要因は、スクラップストリームにおける合金の選別および再溶融のための未来の識別を助けるであろう。
本発明の一実施形態の銅合金は、白色／銀色を与える。この色と、合金の表面の抗菌態様とにより、合金製の製品のめっきが必要なくなる。黄銅合金のめっきの必要をなくせば、環境負荷を実質的に低減する機会が与えられる。一般に使用される電気めっきプロセスには大量のエネルギーが必要とされ、このプロセスは、刺激の強い化学薬品の使用も要する。
合金組成物
上述したように、目下、合金群Ｃ９９７６１および第２の合金群Ｃ９９７７１について記載する。本明細書に記載の組成物に関するすべてのパーセンテージ範囲は、質量パーセンテージである。
合金の一実施形態は、最低限約６０％の銅、約８〜１０％のニッケル、約１６〜２１％の亜鉛、約８〜１２％のマンガン、約０．２５％のイオウ、約０．１％〜１％のアンチモン、約０．２％〜１．５％のスズを含む。さらなる実施形態において、合金は、約０．６％の鉄、約０．１〜２．０％のアルミニウム、約０．１％の炭素、約０．０５％のリン、０．０９％未満の鉛、および０．０５％未満のケイ素のうちの１つ以上を含む。このような実施形態は一般に、本明細書においてＣ９９７６１合金と称され、例えば、図２Ａおよび３Ａに列挙されたヒートの標的配合物である。
第１の合金群９９７６１は、５８〜６４質量％の銅と、８〜１０質量％のニッケル、１６〜２１質量％の亜鉛、８〜１２質量％のマンガン、０質量％超〜０．２５質量％未満のイオウ、０．１〜１．０質量％のアンチモン、０．２〜１．５質量％のスズ、０質量％超〜０．６質量％未満の鉄、０．１〜２．０質量％のアルミニウムとのバランスを含む砂型鋳造用の標的合金を生成する。この砂型鋳造用標的Ｃ９９７６１合金は、０質量％超〜０．０５質量％未満のリン、０．０９質量％未満の鉛、０質量％超〜０．０５質量％未満のケイ素、および０質量％超〜０．１質量％未満の炭素をさらに含んでよい。
第２の合金群９９７６１は、少なくとも５８〜６４質量％の銅と、８〜１０質量％のニッケル、１６〜２１質量％の亜鉛、８〜１２質量％のマンガン、０質量％超〜０．２５質量％未満のイオウ、０．１〜１．０質量％のアンチモン、０．２〜１．５質量％のスズ、０質量％超〜０．６質量％未満の鉄、０．１〜２．０質量％のアルミニウムとを含む永久鋳型鋳造用の標的合金を生成する。この永久鋳型用の標的Ｃ９９７６１合金は、０質量％超〜０．０５質量％未満のリン、０．０９質量％未満の鉛、０質量％超〜０．０５質量％未満のケイ素、および０質量％超〜０．１質量％未満の炭素をさらに含んでよい。
上記の砂型鋳造および永久鋳型両方の実施形態では、特定の一実装形態においてアルミニウム含有率を０．２％超に選択して、給排弁などの特定の用途向けに機械的性質を改善することができる。ＳｎとＡｌの好ましい量は１．８％であり、０．８％のＳｎおよび１％のＡｌが最も好ましい。
合金の一実施形態は、最低限約６２〜７０％の銅、約２〜４％のニッケル、約１６〜２１％の亜鉛、約８〜１２％のマンガン、約０．２５％のイオウ、約０．１％〜１％のアンチモン、約０．２％〜１．５％のスズを含む。さらなる実施形態において、合金は、約０．６％の鉄、約０．１〜２．０％のアルミニウム、約０．１％の炭素、約０．０５％のリン、０．０９％未満の鉛、および０．０５％未満のケイ素のうちの１つ以上を含む。このような実施形態は一般に、本明細書においてＣ９９７７１合金と称され、例えば、図４Ａおよび５Ａに列挙されたヒートの標的配合物である。
第１の合金群９９７７１は、少なくとも６２〜７０質量％の銅と、２〜４質量％のニッケル、１６〜２１質量％の亜鉛、８〜１２質量％のマンガン、０質量％超〜０．２５質量％未満のイオウ、０．１〜１．０質量％のアンチモン、０．２〜１．５質量％のスズ、０質量％超〜０．６質量％未満の鉄、０．１〜２．０質量％のアルミニウムとを含む砂型鋳造用の標的合金を生成する。この砂型鋳造用の標的Ｃ９９７７１合金は、０質量％超〜０．０５質量％未満のリン、０．０９質量％未満の鉛、０質量％超〜０．０５質量％未満のケイ素、および０質量％超〜０．１質量％未満の炭素をさらに含んでよい。
第２の合金群９９７７１は、少なくとも６２〜７０質量％の銅と、２〜４質量％のニッケル、１６〜２１質量％の亜鉛、８〜１２質量％のマンガン、０質量％超〜０．２５質量％未満のイオウ、０．１〜１．０質量％のアンチモン、０．２〜１．５質量％のスズ、０質量％超〜０．６質量％未満の鉄、０．１〜２．０質量％のアルミニウムとを含む永久鋳型鋳造用の標的合金を生成する。この永久鋳型鋳造用の標的Ｃ９９７７１合金は、０質量％超〜０．０５質量％未満のリン、０．０９質量％未満の鉛、０質量％超〜０．０５質量％未満のケイ素、および０質量％超〜０．１質量％未満の炭素をさらに含んでよい。
上記の砂型鋳造および永久鋳型両方の実施形態では、特定の一実装形態においてアルミニウム含有率を０．２％超に選択して、給排弁などの特定の用途向けに機械的性質を改善することができる。一実施形態において、Ｓｎ＋Ａｌは１．８質量％であり、約０．８％のＳｎおよび１％のＡｌが最も好ましい。
本発明の合金は、いくつかの所望の性質のバランスを示し、従来の合金より優れた特性および性能を示す。図２Ｂおよび３Ｂは、本発明のＣ９９７６１合金のいくつかのヒートについてのＵＴＳ、ＹＳ、伸び％、ＢＨＮ、および弾性係数を列挙した表である。図４Ｂおよび５Ｂは、本発明のＣ９９７７１合金のいくつかのヒートについてのＵＴＳ、ＹＳ、伸び％、ＢＨＮ、および弾性係数を列挙した表である。
合金は、主要成分として銅を含む。銅は、抗菌性および耐腐食性などの基本的性質を合金に与える。純粋な銅は、降伏強さおよび最大抗張力が比較的弱く、一般の合金分類の青銅および黄銅と比べてさほど硬くない。したがって、合金化によって、銅の性質を多くの適用例における使用向けに改善することが望ましい。銅は、典型的にはベースインゴット（base ingot）として添加される。ベースインゴットの組成純度は、採鉱源および採鉱後の処理によって様々である。また、銅は、再利用物質を供給源とすることもでき、これらは組成物中でばらつきが大きい可能性がある。したがって、本発明の合金は、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、ある種の微量な元素を有していてもよい。さらに、インゴット化学特性が様々であり得ることから、一実施形態において、ベースインゴットの化学特性が考慮されることを理解すべきである。例えば、合金に望ましい最終組成物にするにはどの程度の亜鉛を添加するかを決定する際、ベースインゴット中の亜鉛の量を考慮に入れる。少量の様々な不純物は一般的であり、所望の性質に重大な影響は与えないことから、ベースインゴット中の二次的元素および最終合金中におけるこれらの意図的存在を考えながら、ベースインゴットを、合金に必要な銅を供給するように選択すべきである。
多量の亜鉛の存在は、固溶体強化により、またＣｕ3ＺｎなどのＣｕ−Ｚｎ金属間層を形成することにより、強度および硬度を高めるが、延性を低減すると考えられている。また、凝固範囲も増加する。鋳造流動性は、亜鉛含有率と共に増加する。Ｚｎの存在はＳｎと類似しているが、上記の言及した特性の改善に比べて影響は小さく、ある種の実施形態では、約２％のＺｎは大体１％のＳｎと同等である。Ｚｎは十分な量で、銅をアルファ相ではなくベータ相に存在させることが知られている。ベータ相は、より硬い材料をもたらすため、Ｚｎは固溶体硬化によって強度および硬度を増加する。しかし、Ｃｕ−Ｚｎ合金は、狭い凝固温度範囲を有する。亜鉛は、慣例的にスズよりも安価であるため、より容易に使用されてきた。ある種の量、典型的には約１４％の上記の亜鉛は、脱亜鉛の影響を受けやすい合金を生成し得る。さらに、より多くの量の亜鉛は、イオウがまとまって溶融するのを防ぐことを発見した。Ｚｎの幾分かは、Ｃｕ含有固溶体中に残存すると考えられている。幾分かのＺｎは、いくつかの金属間層と関連する。残分はＳと反応してＺｎＳを形成する。一実施形態において、Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１合金は１６％〜２１％のＺｎを含む。この量の亜鉛の悪影響、例えば脱亜鉛感受性は、合金中の他の置換基、特にアンチモンによって軽減される。したがって、Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１合金は、高含有率の亜鉛に関連する有益な性質を示し、同時に従来の合金が示す欠点を最小限に抑える。亜鉛と比較した元素の相対的インパクトに関して以下に考察する「亜鉛同等物」の観点から多くの元素が言及される。
典型的には、アンチモンは、スズの粗悪品、低品質のインゴットおよびスクラップから取り出される。多くの黄銅合金にとって、アンチモンは不純物として見なされてきた。しかし、本出願のいくつかの実施形態は、アンチモンを利用して、脱亜鉛研究に関して以下にさらに記載される脱亜鉛耐性を高める。アンチモンは、一実施形態において、合金化元素として使用される。相図分析（図８および９）は、ＳｂがＮｉＳｂ化合物を形成することを示す。図３Ａ〜３Ｂは、アンチモンを有する実施形態が、良好な機械的性質を有することを示し、図２９Ｂ〜Ｆおよび３０Ｂ〜Ｆは、０．０１〜０．０２５％のＳの存在にもかかわらず、良好な機械加工性を示す。これは、Ｓｂに起因するものと考えられる。硫化物およびＮｉＳｂの存在が良好な機械加工性に寄与していると考えられる。しかし、Ｓｂ含有率が増加すると、強度および伸び％が低減するとさらに考えられている。
イオウを本発明の合金に添加し、加鉛銅合金の利用についての特定の欠点を克服する。イオウは、鉛が銅合金に付与すると思われるものと同様の性質、例えば機械加工性を、鉛に関連する健康問題なしに与える。溶解物中に存在するイオウは、典型的には、同様に溶解物中に存在する遷移金属と反応して、遷移金属硫化物を形成する。例えば、硫化銅および硫化亜鉛が形成され得、またはマンガンが存在する実施形態では、硫化マンガンを形成し得る。図６は、本発明の実施形態において形成し得る、いくつかの遷移金属硫化物の自由エネルギー線図を示す。銅の融点は、セルシウス１，０８３であり、硫化銅はセルシウス１１３０、硫化亜鉛はセルシウス１１８５、硫化マンガンはセルシウス１６１０、硫化スズはセルシウス８３２である。したがって、本発明の範囲を限定せずに、形成自由エネルギーに照らして、有意な量の硫化物形成は、硫化マンガンであると考えられる。銅が固化し始めた後に硫化物が固化するため、溶融物中で樹枝状結晶を形成したと考えられる。これらの硫化物は、樹枝状結晶間領域または粒界に集合する。硫化物の存在は、金属組織に破断をもたらし、粒界領域でチップを形成する点を与え、機械加工潤滑性を改善して、機械加工性全般を改善させる。本発明の合金中で主体を成す硫化物は、潤滑性を付与する。
さらに、硫化物が良好に分布すると、機械加工性のみならず、耐圧性も改善する。硫化物の良好な分布は、ガス燃焼炉中での手攪拌と、誘導溶融する間に行なう機械攪拌と、銅はくで包まれた硫化アンチモンの投入との組み合わせによって実現できると考えられている。硫化アンチモンをアンチモンとイオウに分離すると、イオウ粉末を投入する場合に比べて、硫化銅および硫化亜鉛の均一な形成が容易になり、したがって樹枝状結晶間領域における硫化物の分布が均一になる。一実施形態において、イオウ含有率は０．２５％未満である。イオウは、上記の有益な性質をもたらすが、イオウ含有率が増加すると、他の望ましい性質が低減する恐れがある。このような低減を起こす一機構は、溶融中における二酸化イオウの形成であり得、これにより最終合金製品に気泡が入る。
鉛は、典型的には、特に機械加工性が重要な要素である配管などの用途向けに、銅合金中の成分として含まれてきた。鉛は、銅合金に共通する他の多くの元素よりも融点が低い。したがって、銅合金中の鉛は、溶解物が冷却すると、樹枝状結晶間領域または粒界領域に移動する傾向がある。樹枝状結晶間領域または粒界領域における鉛の存在は、機械加工性および耐圧性を大きく改善することができる。しかし、ここ数十年の間、鉛の重大な悪影響により、多くの銅合金の適用例において鉛の使用が望ましくないものになってしまった。具体的には、樹枝状結晶間領域または粒界領域における鉛の存在、すなわち一般に機械加工性の改善が認められる特徴が、一部、鉛が銅合金から滲出しやすいという不要な特徴に関与する。本発明の合金は、鉛の量を最小限に抑えるように、例えば約０．０９％未満のみ使用するように努める。
Ｚｎの存在はＳｎと類似しているが、上記の言及した特性の改善に比べて影響は小さく、ある種の実施形態では、約２％のＺｎは大体１％のＳｎと同等であると考えられている。多量のスズが存在すれば、固溶体強化により、またＣｕ3ＳｎなどのＣｕ−Ｓｎ金属間層を形成することにより、強度および硬度を高めるが、延性を低減すると考えられている。また、凝固範囲も増加する。鋳造流動性は、スズ含有率と共に増加し、スズは耐腐食性も高める。ある種の実施形態のスズ含有率は、従来技術に比べて非常に低い（１．５％未満）。このような低レベルで、Ｓｎは固溶体を保ち、Ｃｕ3Ｓｎ金属間化合物は形成しない。また、これは、凝固範囲を影響しない（拡げない）。このような実施形態は、Ｚｎ、ＮｉおよびＭｎ含有率が高いため、凝固範囲が広い合金である。Ｃｕ−Ｚｎ二元合金は、凝固範囲が狭い。Ｃｕ−Ｎｉ二元合金は、Ｎｉ含有率に応じて狭い〜中程度の凝固範囲を有する。Ｃｕ−Ｍｎ二元合金は、Ｍｎ含有率に応じて中程度〜広い凝固範囲を有する。したがって、本発明の特定のＣｕ−Ｚｎ−Ｍｎ−Ｎｉ合金は、凝固範囲が広い。
ある種の合金に関して、鉄は、溶融および鋳込み（ｐｏｕｒｉｎｇ）の操作中に攪拌棒、スキマーなどから取り出される不純物またはベースインゴット中の不純物として見なされ得る。このような不純物カテゴリーは、合金の性質に重大な影響はない。しかし、本発明の実施形態は、好ましくは約０．６％の範囲で、合金化成分として鉄を含む。ある種の実施形態において、鉄は、微量の非意図的成分としてのみ存在し得る。
いくつかの実施形態において、ニッケルは、強度および硬度を高めるために含まれる。一方、Ｎｉは、１．３の陰性亜鉛当量を有する。そのため、１０％のＮｉは、Ｚｎ当量を１３％低減する。一般に、高い亜鉛当量は、合金の高強度に関連する。他の合金化元素、例えばＡｌ、Ｓｎ、Ｍｎは、亜鉛当量にプラス効果を与える。さらに、ニッケルは、合金中の硫化物粒子の分布を助ける。一実施形態において、ニッケルの添加は、鋳造の冷却プロセス中に硫化物の沈降を促進する。浮遊硫化物が、鋳造後の機械加工操作の間、チップ破断および機械加工潤滑性のための鉛の代わりとして作用するので、硫化物の沈降は望ましい。本発明の範囲を限定せずに、低含有率の鉛で、硫化物の沈降は、機械加工性を低下させる影響を最小限にすると考えられている。さらに、ニッケルの添加、および２〜１０％のニッケル含有率で合金が所望の性質を維持する能力は、高レベルのニッケルに関連したコスト増加および特性の低減をもたらさずに、銅金属ではなく、ニッケル金属により類似した色、例えば白色から銀色を示す銅合金を生成する。Ｃｕ−Ｎｉ二元合金は、完全な溶解性を有する。Ｎｉ含有率が増加すると、強度が向上し、同時に鋳造成分の色も強くなる。一般に、３種類のキュプロニッケル合金が市販されている［９０／１０（Ｃ９６２００）、８０／２０（Ｃ９６３００）および７０／３０（Ｃ９６４００）］。銀白色はＮｉ含有率と共に増加する。キュプロニッケルは、１１５０〜１２４０Ｃの非常に高い融点を有するが、強度に寄与するケイ化ニオブを形成するＮｂおよびＳｉの添加に起因して、そのＵＴＳおよびＹＳも高い。キュプロニッケル合金は、典型的には、多くの用途に法外な費用がかかる。また、キュプロニッケルは、機械加工がより難しい。洋白合金（Ｃ９７３００、Ｃ９７４００など）は、１１〜１７％のＮｉおよび１７〜２５％のＺｎを有し、典型的には、相当量の鉛を含む。洋白は、Ｃ９７３００中に８〜１１％のＰｂを含有し、Ｃ９７４００中に４．５〜５．５％のＰｂを含有する。これらは、微量のＭｎを含有し、そのためＣ９９７６１およびＣ９９７７１に比べて融点が比較的高く、例えばＣ９７３００で１０４０Ｃまたは１９０４Ｆであり、Ｃ９７４００で１１００Ｃまたは２０１２Ｆである。Ｃ９９７６１およびＣ９９７１の融点は、それぞれ、１０２４Ｃまたは１８７５Ｆおよび９９５Ｃまたは１８２３Ｆである。洋白には２７％のＮｉおよび４％未満のＺｎを含むものがある。洋白は銀を含有しない。銀白色は、Ｎｉに由来する。ニッケルの量が少ないと、強度特性が弱くなるので、高含有率のニッケルを利用する。本発明の実装形態において、白色／銀色はＮｉおよびＺｎに由来し、図２Ａ、３Ａ、４Ａおよび５Ａに記載の量の亜鉛の存在が、強度特性を改善すると考えられている。一般に、Ｎｉ量が多いと、より元素ニッケルの色に近い銀色／白色になる。
脱酸素をもたらすためにリンを添加してもよい。リンの添加は、液体合金中のガス含有量を低減する。ガスの除去は、一般に、溶解物中のガス含有量を低減し、完成合金における多孔率を低減することによって高品質の鋳造を実現する。しかし、過剰のリンは、金型反応に貢献し得、低い機械的性質および多孔質鋳造を誘発する。ある種の実施形態では、約０．０５％に限定すべきである。
いくつかの黄銅合金中のアルミニウムは、不純物として扱われる。このような実施形態において、アルミニウムは、耐圧性および機械的性質に対して有害な影響を持つ。しかし、ある種の鋳造応用例において、アルミニウムは、鋳造流動性を選択的に改善できる。アルミニウムは、このような実施形態で微細羽毛状樹枝状結晶構造を促進し、液体金属を流れやすくすると考えられている。ある種の実施形態では、アルミニウムは合金化元素である。合金の亜鉛当量に寄与することによって強度をかなり高める。１％のＡｌは、６の亜鉛当量を有する。好ましくは、アルミニウムは２％を最大として含まれる。
ケイ素は一般に不純物として見なされる。複数の合金を用いる鋳造工場において、ケイ素ベース材料は、非ケイ素含有合金中のケイ素汚染を招き得る。少量の残留ケイ素が、半赤黄銅合金を汚染し得、複数の合金の製造をほとんど不可能にしてしまう。更に、ケイ素の存在は、半赤黄銅合金の機械的性質を低減し得る。本発明の実施形態の場合、ケイ素は合金成分ではなく、不純物と考えられる。これは、０．０５％未満、好ましくは０に限定されるべきである。
ある種の実施形態では、マンガンを添加してもよい。マンガンは、硫化物の分布を助けると考えられている。具体的には、マンガンの存在は、溶解物中での硫化亜鉛の形成および保持を助けると考えられている。一実施形態において、マンガンは耐圧性を向上する。一実施形態において、マンガンをＭｎＳとして添加する。相図は、ある種の実施形態の場合、ＭｎＳは１％のみしか形成されないことを示す。したがって、これらの実施形態の場合、ＭｎＳは主体の硫化物ではなく、むしろＺｎＳおよびＣｕ2Ｓが主体の硫化物であると考えられている。これは、イオウの多くがドロスに失われたさらなる結果である。図８および９に示すように、ある種の従来の合金に比べてニッケルおよびマンガンのレベルが高いので、マンガンの多くは、ＭｎＮｉ2（Ｃ９９７６１中８質量％）およびＭｎ3Ｎｉ（Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１中の両方で約１０質量％）として存在する。ある種の実施形態において、Ｍｎ含有率を高いまま維持して、合金の融点を低下させる。
マンガンは、いくつかの重要な役割を働く。第１に、融点を低下し、第２に、Ｎｉを有する金属間化合物を形成する。Ｃｕ−１１Ｍｎ二元合金の融点は、Ｃｕの融点より約８５Ｃ低くなる。同様に、Ｃｕ−１３Ｚｎの融点は、約２５Ｃ低下する。対照的に、Ｎｉは合金の融点を上げる。Ｃｕ−１０Ｎｉ合金の場合、上昇分は約５０Ｃである。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｚｎ−Ｍｎの４元合金を考慮した場合、全体の融点が低下することを予測できる。この予測は、例えば、相図が、４％Ｎｉ合金（Ｃ９９７７１）における約９９５Ｃの融点を示すことで、観察された。したがって、本発明の実施形態は、比較的低温度で鋳込みされ得る。これは、溶解損失および電気使用量（およびエネルギー費）の低減において重要な要因である。一実施形態において、約１０％のＮｉを有し、融点は約１０２４Ｃであり、９７５Ｃに近い。これは、図８の相図および示差走査熱量測定のデータによって支持される。
Ｍｎの第２の効果は、Ｎｉを有する金属間化合物の形成であり、これは場合により強度および延性に寄与する。
Ｍｎの第３の可能な効果は、＋０．５の亜鉛等価係数であり得る。したがって、１１％のＭｎは、５．５％のＺｎの添加に相当する。一方、Ｎｉは、１．３の陰性亜鉛当量を有する。したがって、１０％のＮｉはＺｎ当量を１３％低減する。比較のために、Ｓｎ、ＦｅおよびＡｌのＺｎ当量は、それぞれ＋２、＋０．９、および＋６である。一般に、Ｚｎ当量が高いほど、合金の強度は高くなる。
従来の合金に比べて、Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１の実施形態のニッケル含有率が低いほど、融点は低くなる。比較的多量の亜鉛の存在は、通常、脱亜鉛の問題が生じ得るが、アンチモンおよび本明細書に記載の他の成分の存在によって解決される。
合金適用例
Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１は両方とも砂型鋳造または永久鋳型鋳造に利用できる。永久鋳型鋳造の利点は微粒子構造であり、その理由は、急速冷却条件および良好な変色耐性のためである。
一実装形態において、合金をステンレス鋼の代わりに使用してもよい。具体的には、合金は、ステンレス鋼を使用する医療用途において使用してよく、合金は抗菌機能をもたらす。Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１合金の抗菌特性は、特に典型的なステンレス鋼と比較して優れている。例えば、研磨中にまたは乱暴な取り扱いによってステンレス鋼部品上にスクラッチまたは割れ目が形成し得る。微生物がそこに留まり得、これは多くの用途において望ましくない。
ステンレス鋼の代わりとして使用する実施形態は、一般に高いＵＴＳ、ＹＳ、および伸び％を示す。一実施形態において、銅合金は６０％超の銅を含む、抗菌効果および落ち着いた彩色の銅または白色／銀色を示す。しかし、ステンレス鋼は、約６９ｋｓｉ超のＵＴＳ、約３０ｋｓｉ超のＹＳ、および約５５％超の伸び％を有する。ステンレス鋼は、ＵＴＳ／ＹＳ／伸び％＝７０ｋｓｉ／３０ｋｓｉ／３０を最低限必要とする。ステンレス鋼の改善されたＵＴＳおよびＹＳを要するが、ステンレス鋼の伸び％は必要としない適用例の場合、Ｃ９９７６１またはＣ９９７７１において０．６％超のアルミニウムを利用する実施形態を使用する。表２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、および５Ｂのデータで見ることができるように、アルミニウムの増加は、伸び％の減少を犠牲にしてＵＴＳおよびＹＳを高めることに関与する。中程度の機械的性質、例えば４０ｋｓｉのＵＴＳ、２０ｋｓｉのＹＳおよび１５〜２０％の伸び％を有する、より一般的な適用例の場合、ＳｎおよびＡｌの範囲は、それぞれ０．５〜１．２％および０．２〜１．４％でよい。高レベルのＳｎで、低含有率のＡｌを使用して平均的な機械的性質を得ることができ、その逆も同様である。しかし、低伸び％を犠牲にした高いＵＴＳおよびＹＳ（５０ｋｓｉ超のＵＴＳおよび３０ｋｓｉ超のＹＳ）が、特定の適用例に望ましい場合、ＳｎおよびＡｌ範囲（１〜１．５％のＳｎおよび１〜２％のＡｌ）のハイエンドを用いることができる。一般に、平均的な機械的性質で、Ｓｎ＋Ａｌ含有率は約１．５総質量％である。高強度特性かつ低伸び％では、Ｓｎ＋Ａｌは２．５総質量％超である。
一実装形態において、合金は、従来の合金より十分に高い機械的性質を有し、鋳造用成分の厚さを薄くすることが可能であり、これにより原料の費用増し分を補うとさらに考えられている。このような合金は、広い凝固範囲にもかかわらず、永久鋳型鋳造を受けやすい。永久鋳型鋳造に従う機械的性質は、相対的に高い（４０〜６２ｋｓｉのＵＴＳ、２０〜３５ｋｓｉのＹＳおよび７〜２０％の伸び％）。さらに、改善された機械的性質の結果として、永久鋳型鋳造における成分の断面厚さはさらに低減することができる。
機械的性質
上で参照したように、合金の機械的性質は、異なる用途に使用する上での実現性に重要である。Ｃ９９７６１砂型鋳造（図２Ａ）、Ｃ９９７６１永久鋳型（図３Ａ）、Ｃ９９７７１砂型鋳造（図４Ａ）、およびＣ９９７７１永久鋳型（図５Ａ）の機械的性質を、それぞれ、図２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、および５Ｂの表において説明する。
Ｃ９９７６１について図２Ｂで記録された平均的な砂型鋳造機械的性質は、４２ｋｓｉのＵＴＳ、２９ｋｓｉのＹＳおよび１３％の伸び％である。図３Ｂに記録したように、永久鋳型鋳造性質は、それぞれ４７ｋｓｉのＵＴＳ、２９ｋｓｉのＹＳ、および１１％の伸び％である。
砂型鋳造（図４Ｂ）Ｃ９９７７１の平均的性質は、４３ｋｓｉのＵＴＳ、２１ｋｓｉのＹＳ、および２４％の伸び％である。永久鋳型鋳造Ｃ９９７７１（図５Ｂ）の場合、平均は、５１ｋｓｉのＵＴＳ、２８ｋｓｉのＹＳ、および１３％の伸び％である。
本発明の合金Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１の実施形態は、関連出願１４／１７５８０２に記載の従来の合金に比べて高含有率範囲のスズおよびアルミニウムを有する。本発明の合金の一実装形態は、伸び％を犠牲にして、改善されたＵＴＳおよびＹＳを可能にする。このような合金は、特に永久鋳型鋳造において、鋳造成分の厚さを低減させる。機械的性質の結果を、以下の表にまとめる。７６１および７７１型は、比較的低いＣｕおよび高いＺｎを有する。したがって、合金の費用は低い。
図２４Ａ〜Ｂ、２５Ａ〜Ｂ、２６Ａ〜Ｂ、および２７Ａ〜Ｂは、各合金へのアルミニウムおよびスズの添加の効果を示す。各合金において、アルミニウムおよびスズの個々の総含有率について明記されたそれぞれの限定を適用しながら、アルミニウムおよびスズの含有率が増加するに従い、ＵＴＳおよびＹＳは増加するが、伸び％は低下する。上記のように、好ましい実施形態において、合金は、スズおよびアルミニウム全体の量を含んでよい。永久鋳型適用例は、一般に、少なくとも５の伸び％を要し、例えば、銅の永久鋳型鋳造におけるＡＳＴＭ Ｂ８０６を見ると、Ｂｉ含有黄銅の最低伸び％は５％と規定されている。スズ＋アルミニウム総含有率がより高い、例えば少なくとも２．５％のＣ９９７６１およびＣ９９７７１の実施形態は、合計１．５質量％のスズおよび２．０質量％のアルミニウムの範囲内にさらに限定され、伸び％が低下して許容レベルを下回らないようにしなければならない。図からわかるように、永久鋳型鋳造用のＣ９９７６１およびＣ９９７７１の最低伸び％は、それぞれ７％および９％である。
砂型鋳造の場合、１５％を超える伸び％が望ましい。Ｃ９９７６１は、この基準を満たさない。この場合、伸び％は、４から３０％の間で変動し、非常に低い伸び％は高レベルのＳｎおよびＡｌ（２．６超のＳｎ＋Ａｌ）にあり、所望の伸び％（１５％超）は１〜１．５のレベルのＳｎ＋Ａｌ含有率である。
図２Ｂから、２未満のＡｌ＋Ｓｎ総含有率が、砂型鋳造に所望の伸び％をもたらし、同時に他の機械的性質を最大化することがわかる。好ましくは、Ａｌ＋Ｓｎ含有率１〜１．５％であり、最も好ましくは１〜１．２５％である。
図３Ｂから、２．５超のＡｌ＋Ｓｎ総含有率が、永久成形（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍｏｌｄｉｎｇ）に所望の伸び％をもたらし、同時に他の機械的性質を最大化することがわかる。最も好ましくは、Ａｌ＋Ｓｎ含有率は３％超である。
図４Ｂから、試験されたヒートのＡｌ＋Ｓｎ総含有率が、砂型鋳造に所望の伸び％をもたらし、同時に他の機械的性質を最大化することがわかる。
図５Ｂから、試験されたヒートのＡｌ＋Ｓｎ総含有率が、永久成形に所望の伸び％をもたらし、同時に他の機械的性質を最大化することがわかる。
機械加工性
本出願に記載の機械加工性の試験は、以下の方法を用いて実施した。供給された冷却材、２軸、ＣＮＣターニングセンターによって片部を機械加工した。切削工具は、カーバイドインサートであった。機械加工性は、上述のＣＮＣターニングセンターでターニング中に用いられたエネルギー比率に基づく。計算式を以下のように書くことができる。
ＣF＝（Ｅ1／Ｅ2）×１００
ＣF＝切削力
Ｅ1＝「既知」の合金Ｃ３６０００（ＣＤＡ）のターニング中に使用されるエネルギー
Ｅ2＝新規な合金のターニング中に使用されるエネルギー
供給量＝．００５ＩＰＲ
スピンドル速度＝１，５００ＲＰＭ
カッティング深さ＝半径方向の切込み深さ＝０．０３８インチ
電気計器を使用して、切削工具が荷重下にある間の電気的引張力（electrical pull）を測定した。この引張力は、ミリアンペア測定を介して捕らえられた。
図２８は、Ｃ９９７６１合金の実施形態およびＣ９９７７１合金の実施形態の機械加工性を、他の既知の合金（ＣＤＡ登録番号）と比較したグラフを示す。Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１試験実施形態の機械加工性は、同時係属出願１４／１７５８０２に記載の「白色」合金Ｃ９９７６０よりも優れた性能を持つ、同様の使用向けである合金に相当する。
図２９Ａは、機械加工性の評価に利用したＣ９９７６１合金の特定のヒートの組成を列挙している。図２９Ｂ〜Ｆは、図２９ＡのＣ９９７６１ヒートの機械加工性試験からのチップを示す。
図３０Ａは、機械加工性の評価に利用したＣ９９７７１合金の特定のヒートの組成を列挙している。図３０Ｂ〜Ｆは、図３０ＡのＣ９９７７１ヒートの機械加工性試験からのチップを示す。
図３１Ａ〜Ｂは、微量のアンチモンおよびイオウ以外はすべて含まない銅ベース合金の比較例を提供する。見てわかるように、Ｃ９９７６１実施形態およびＣ９９７７１実施形態は両方とも、図２９Ｂ〜Ｆおよび３０Ｂ〜Ｆに見られる良好なチップ形態を示した。チップは、本明細書で説明したように、頻繁なチップ破壊を示し、これは、硫化物の形成と、樹枝状結晶間領域および粒界におけるＳｂの存在によって生じると思われる。対照的に、図３１Ａの表に記載した、Ｓｂを含まない合金は、図３１Ｂにおいて、チップ形成が乏しく、ターニングが長く、めったにチップ破壊が生じないことを示す。Ｃ９９７７１およびＣ９９７６１のアンチモン含有率は、チップ形態において実証済みの改善された機械加工性に寄与すると考えられている。
相図
本発明のある種の実施形態の相を研究した。図６は、様々な硫化物の自由エネルギー図である。図７は、融解状態の硫化アンチモンの分解のグラフである。図８Ａ〜Ｈから９Ａ〜Ｈは、それぞれ、Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１に対応する相図を示す。
アンチモンの影響
図７は、アンチモンおよびイオウを形成する硫化アンチモンの分解ならびに他の金属の硫化物の形成を示す。融解状態の２モルの硫化アンチモンを、１モルの銅および１モルの亜鉛（両方とも融解している）に添加した。硫化アンチモンは分解して、セルシウス約１２６０で硫化亜鉛を生成し、セルシウス約６３０でアンチモンが沈降し、セルシウス約５２０で硫化銅が沈降する。
Ｃ９９７６１合金の一実施形態では、全体で１００ｋｇの合金は、各相をｋｇで表す、以下の量を含有する。
液相線および固相線の温度は、アンチモンを含まないＣ９９７６１合金の変形形態および０．６％のアンチモンを有するＣ９９７６１の実施形態の両方について決定した。

Ｃ９９７７１合金の一実施形態では、全体で１００ｋｇの合金は、各相をｋｇで表す、以下の量を含有する。
液相線および固相線の温度は、アンチモンを含まないＣ９９７７１合金の変形形態および０．６％のアンチモンを有するＣ９９７７１の実施形態の両方について決定した。
相図は、アンチモンを含まないＣ９９７６１合金の変形形態と比較したＣ９９７６１（図８Ａ〜Ｈ）、およびアンチモンを含まないＣ９９７７１合金の変形形態と比較したＣ９９７７１（図９Ａ〜Ｈ）の両方の実施形態についての平衡条件および非平衡条件について描かれたものである（Ｓｃｈｅｉｌ計算）。評価された実施形態は、合金Ｃ９９７６１の組成：６１Ｃｕ、１８Ｚｎ、９Ｎｉ、１０Ｍｎ、０．６Ｓｂ、０．１Ｓ、０．６Ｓｎ、０．４Ａｌ、０．２Ｆｅおよび合金Ｃ９９７７１の組成：６６Ｃｕ、３Ｎｉ、１８Ｚｎ、１０Ｍｎ、０．６Ｓｂ、０．３Ｓ、０．６Ｓｎ、および０．５Ａｌを有する。０．６％Ｓｂを添加した効果も示す。
これらは、半赤黄銅ファミリーに比べて中程度の凝固温度範囲の合金であることが明白である。本発明のある種の実施形態では、凝固温度範囲は約７５〜８５Ｃである。半赤黄銅ファミリーでは、凝固温度範囲は８０Ｃ超である。したがって、本発明のこれらの実施形態の永久鋳型鋳造は好ましく、試験バーとテイル鋳物（tail castings）は両方の合金において成功裏に鋳造された。いくつかの適用例では、ほとんどの配管部品は、重力と低圧の両方の永久鋳型鋳造によって製造される。より急速な冷却速度に起因するより微粒な構造は、永久鋳型鋳造の機械的性質を向上した。
さらなる液相線実験をＳｅｔａｒａｍ ＳｅｔＳｙｓ２４００ ＤＳＣで実施して、以下の表の合金の固相線および液相線温度を評価した。
固相線および液相線温度を調べるために、試料を室温から最高１１００Ｃまで加熱し、８００Ｃに冷却し、２回目に１１００Ｃに加熱し、再度８００Ｃに冷却した。最後に、装置を室温まで下げた。これらの実験は、アルゴン雰囲気下で実施し、この雰囲気は、ＤＳＣチャンバを真空ポンプにより排気することによって先行して作っておいた。こうして２つのサイクルからデータを収集した。加熱は１０Ｃ／分で行ない、冷却は１５Ｃ／分で行なった。両サイクルから得られた固相線および液相線温度を、以下の表に列挙する。
これらの実験の前と後に試料を計量した。減量パーセントは以下の通りであった。
・合金９９７６１：２０．２％
・合金９９７７１：１８．８％
これは、第１および第２のサイクルにおける固相線および液相線のシフトを説明し得る。
第１のサイクルから得たデータは、より代表的な合金のものである。
亜鉛当量
合金が約１５％超含有するとき、銅合金は、ある種の環境において、脱亜鉛を経ることが知られている。しかし、多量の亜鉛は、銅の相を全アルファから二相またはベータ相に変更し得る。他の元素も、銅の相を変更することが知られている。複合材料「亜鉛当量」は、銅相へのインパクトを予測するために用いる。
Ｚｎ当量＝（１００＊Ｘ）／（Ｘ＋Ｃｕ％）
式中、ｘは、添加した合金化元素プラス合金中に存在する実際の亜鉛のパーセンテージによって寄与される亜鉛当量の合計である。３２．５％のＺｎ下の亜鉛当量は、典型的には、単一のアルファ相を生成する。この相は、ベータ相に比べて比較的軟らかい。
亜鉛当量値は、以下の表に示すＣ９９７６１およびＣ９９７７１の配合について計算し、一般に両方とも、図２Ａおよび４Ａそれぞれにおける範囲の中域組成である。亜鉛当量は、上式を用いて計算した。
これらの組成のＺＥ値は、それぞれ、２５．６％（Ｃ９９７６１）および２９．６％（Ｃ９９７７１）であることが判明した。Ｃ９９７７１のＺＥは、Ｃ９９７６１よりも４％高く、若干良好な機械的性質を示すべきである。これは、特にＰＭ鋳造実施形態で観察される機械的値と一致する。これはまた、我々が、少なくともＰＭ鋳造で観察したものでもある（２３〜２４頁のデータを参照）。
表２は、本明細書に記載のある種の合金化元素の亜鉛当量の値を列挙する。見てわかるように、すべての元素が同等に亜鉛当量に寄与するわけではない。実際、ニッケルなどの特定の元素は、負の亜鉛値を有し、したがって亜鉛当量数は減り、関連する機械的性質のレベルは高くなる。
脱亜鉛
図１０Ａ〜Ｃおよび１１Ａ〜Ｃの情報を基準にして、脱亜鉛の試験を行なった。Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１合金の組成は、予想より多量の亜鉛を含み、同時に脱亜鉛に対する良好な耐性も依然として示す。驚くべき性能により、銅、または亜鉛を使うほどには合金をさほど改善せずに費用が嵩む他の成分を、少量にすることが可能である。例えば、同時係属出願１４／１７５８０２に開示されるＣ９９７６０およびＣ９９７７０合金と比較して、本発明の合金は、それから予想され得る脱亜鉛の悪影響なしに、下範囲の銅（上範囲の亜鉛で相殺される）を生成する。図１０Ａおよび１１Ａは、試験合金についての配合を列挙している。約８％のＮｉを有する第１系試験合金（図２ＡのＣ９９７６１）が、２％のＮｉを有する第２系試験合金（図４ＡのＣ９９７７１）よりも白くないことが観察された。Ｚｎが、典型的には１５％過剰で存在するときに、塩素化水中で選択的に浸出すると、脱亜鉛が生じる。原子結合が弱いため、亜鉛の反応性は高い。Ｚｎ−Ｓｂ相図は、ＳｂがＳｂ3Ｚｎ4などの金属間化合物を形成することができ、Ｚｎの原子結合の強さを高めることを示す。溶液中のＣｕ++の、黄銅表面上におけるＣｕへの還元は、陽極脱亜鉛反応を伴った陰極反応であると考えられている。Ｓｂの添加は、陰極還元反応を阻害またはその作用を損なわせ、これにより効果的に脱亜鉛をなくす。したがって、原子結合の強さが強まれば、選択的な浸出に対する耐性が向上し、脱亜鉛が最小限に抑えられると考えられている。本明細書に記載のＣ９９７６１（位置１＆３）およびＣ９９７７１（位置４）のＥＤＳ分析はこれをさらに支持する。図１２Ｂ〜Ｃ（Ｃ９９７６１）および図１５Ｂ〜Ｃ（Ｃ９９７７１）は、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＭｎに加えて、ＺｎおよびＳｂの存在を示す。
Ｃ９９７６１
以下に示すように、最高２０．６％までの高含有率のＺｎにもかかわらず、脱亜鉛はない。これは、Ｓｂの存在に起因する。Ｃ９９７６１試験合金の配合を図１０Ａに示す。
この試験では、研削断面（ｇｒｏｕｎｄ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）を、７５±５℃で、１％塩化銅溶液中に２４時間浸漬する。この浸漬時間の終わりに、露出面に対して垂直に研磨断面を作製し、任意の脱亜鉛腐食の深さを測定する。この分析を、ＩＳＯ規格に準拠して鋳造の薄い領域および厚い領域の両方において実施した。
薄い部分の露出面を図１０Ｂに示す。厚い部分には脱亜鉛腐食は見られなかった（図１０Ｃ）。ＩＳＯ６５０９には、脱亜鉛許容量の合否基準は含まれていないが、これらの深さは、同様の豪州規格ＡＳ２３４５、「銅合金の脱亜鉛耐性」に明記される最大１００ミクロンを超えない。結果は、試料が脱亜鉛腐食の影響を最小限に受けやすいことを示す。
Ｃ９９７７１
以下に示すように、最高２１％までの高含有率のＺｎにもかかわらず、脱亜鉛はない。これは、Ｓｂの存在に起因する。Ｃ９９７７１試験合金の配合を図１１Ａに示す。
この試験では、研削断面を、７５±５℃で、１％塩化銅溶液中に２４時間浸漬する。この浸漬時間の終わりに、露出面に対して垂直に研磨断面を作製し、任意の脱亜鉛腐食の深さを測定する。この分析を、ＩＳＯ規格に準拠して鋳造の薄い領域および厚い領域の両方において実施した。供試部分は、均一な断面を示し、したがって、２つの試料は、横断面（図１１Ｂ）および縦断面（図１１Ｃ）上の典型的な領域から作製した。
図１１Ｂおよび１１Ｃに示すように、脱亜鉛腐食は、供試試料の横方向および縦方向で作製した部分の露出面から広がる。腐食は、両方の金属組織部分の面において最長深さ０．０００２インチ（５．１ミクロン）まで広がる。ＩＳＯ６５０９には、脱亜鉛許容量の合否基準は含まれていないが、これらの深さは、同様の豪州規格ＡＳ２３４５、「銅合金の脱亜鉛耐性」に明記される最大１００ミクロンを超えない。
この検査は、供試試料が、ＩＳＯ６５０９、「金属および合金の腐食−黄銅の脱亜鉛耐性の決定」に従って試験したとき、若干の脱亜鉛腐食を呈することを示す。ＩＳＯ６５０９には、いずれの合否基準も含まれていないが、この試料の脱亜鉛深さは、同様の豪州規格ＡＳ２３４５、「銅合金の脱亜鉛耐性」に含まれる最大脱亜鉛深さ１００ミクロンを超えない。これらの結果は、この試料が脱亜鉛腐食の影響を最小限に受けやすいことを示す。対照的に、６５〜６７Ｃｕ、０．５〜１．５Ｓｎ、１．５〜３．８Ｐｂ、２４〜３２Ｚｎ、１Ｎｉ、０．３５Ａｌ、および０．０５Ｓｉを有するＣＤＡ合金Ｃ８５４００は、脱亜鉛深さが、厚い領域中で３３５から１１５１ミクロンの間で変動することを示す。６２〜６６Ｃｕ、０．３〜１．０Ａｌ、０．５〜２．０Ｓｎ、１６〜２２Ｚｎ、１２〜１５Ｍｎ、０．５〜２．０Ｂｉ、４〜６Ｎｉを有するＣ９９７８０と同等の合金と同様に、厚い部分中の脱亜鉛深さは３３２〜９３２ミクロンだった。
金属組織学
Ｃ９９７６１−砂型鋳造
図１２Ａに列挙した組成を有する、Ｃ９９７６１砂型鋳造合金試料の実施形態の試料を薄片に分割し、導電性エポキシ樹脂に取り付け、金属組織学的に調製して０．０４ミクロンの完成品にした。試験合金は、６２．６Ｃｕ、８．１７Ｎｉ、１６．９４Ｚｎ、１０．３６Ｍｎ、０．０１２Ｓ、０．４９２Ｓｂ、０．８８２Ｓｎ、０．１２６ｆｅ、０．３５０Ａｌ、０．０４０Ｐ、０．００９Ｐｂ、０．００２Ｓｉ、０．００２Ｃの配合を有していた。走査型電子顕微鏡とエネルギー分散分光法（ＳＥＭ／ＥＤＳ）を用いて、試料を検査した。この機器は、炭素および原子番号がより大きい元素を検出できる（すなわち、水素、ヘリウム、リチウム、およびベリリウムは検出できず、ホウ素の検出はかろうじてできる）軽元素検出器を備えている。二次電子（ＳＥ）および後方散乱電子（ＢＥ）検出器を用いて画像を得た。後方散乱電子の画像化において、より大きい原子番号の元素が、より明るく見える。２０ｋＶの加速電圧を使用して試料を検査した。
２００倍および１０００倍で撮影した微細構造の代表的なＢＥ画像を、それぞれ図１４Ａおよび１４Ｂに示す。ＥＤＳによるＢＥ画像化を実施して、銅合金中に存在する様々な二次相の化学特性を決定した。
図１２Ｂは、ＳＥＭ／ＥＤＳスペクトルによって５つの別々の位置でさらに分析する、Ｃ９９７６１合金の実施形態のＢＥ画像を示す。位置４の基材のＳＥＭ／ＥＤＳスペクトル結果は、高濃度の銅と、少量のマンガン、ニッケル、および亜鉛からなる（図１２Ｂの位置４を参照）。明るい白色の相は、高濃度の鉛、リン、およびマンガンと、少量の銅、ニッケル、亜鉛、スズ、およびアンチモンを示す（図１２Ｂ、位置１を参照）。この合金は、僅か０．００９％のＰｂしか含有していない。位置１における高濃度のＰｂは、鉛粒子のエントラップメントを示す。暗色の相は、高濃度のリンおよびマンガンと、少量のニッケル、銅、亜鉛、スズ、およびアンチモンを示す（図１２Ｂ、位置２を参照）。位置３の明るい相は、高濃度のスズ、アンチモン、およびマンガンと、少量のニッケル、銅、および亜鉛を示す（図１２Ｂ、位置３を参照）。位置５における暗色の相は、高濃度のイオウおよびマンガンと、少量のニッケル、銅、亜鉛、およびセレンを示す（図１２Ｂ、位置５を参照）。半定量化学分析データを、上記の位置について、以下の表に記録する。
この同じ領域の元素マッピングを図１３Ｂ〜Ｈに示す。図１３Ａは、合金Ｃ９９７６１の実施形態のＳＥＭ画像であり、図１３Ｂは、図１３Ａに示す部分のイオウの元素マッピングを示し、図１３Ｃは、図１３Ａに示す部分のリンの元素マッピングを示し、図１３Ｄは、図１３Ａに示す部分の亜鉛の元素マッピングを示し、図１３Ｅは、図１３Ａに示す部分の銅の元素マッピングを示し、図１３Ｆは、図１３Ａに示す部分のマンガンの元素マッピングを示し、図１３Ｇは、図１３Ａに示す部分のスズの元素マッピングを示し、図１３Ｈは、図１３Ａに示す部分のアンチモンの元素マッピングを示す。これらは、銅富化マトリックス中の分散粒子からなる観測された試料で見ることができる。他の非銅金属の多くは、別個のかたまりに位置する。
収縮孔が材料全体にわたって確認された。１つの５００倍画像で画像分析を行なった（図１４Ｃを参照）。最小、最大、および平均の粒径を以下の表に記録する。
後方散乱電子画像（Ｃ９９７６１については図１４Ａおよび１４Ｂ）は、樹枝状結晶間領域中にいくつかの収縮孔を有する樹枝状結晶微細構造を示す。これらは、凝固温度範囲が広い合金の特徴である。粒界および樹枝状結晶間領域に存在する相を、Ｃ９９７６１について上記に示すＥＤＳにより分析した。
Ｃ９９７７１−砂型鋳造
金属組織学の研究を、図１５Ａに列挙した合金（６９．２Ｃｕ、３．２１Ｎｉ、８．１０Ｍｎ、１７．５６Ｚｎ、０．０１４Ｓ、０．６８５Ｓｂ、０．３１９Ｆｅ、０．６１６Ｓｎ、０．００６Ｐｂ、０．２２４Ａｌ）について行なった。走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）は、光学顕微鏡が可視光を用いるのと同じように、画像化のために電子を用いる。微細なトポグラフィー特徴の最高の解像度のために二次電子（ＳＥ）を使用して画像化を実施した。後方錯乱電子（ＢＥ）によるさらなる画像化は、原子番号に基づいたコントラストを与え、微視的組成変数ならびにトポグラフィー情報を分解する。エネルギー分散Ｘ線分光分析（ＥＤＳ）とＳＥＭを用いて、定性および定量化学分析を実施した。この機器は、炭素および原子番号がより大きい元素を検出できる（すなわち、水素、ヘリウム、リチウム、ベリリウム、およびホウ素を検出できない）軽元素検出器を備えている。各試料を導電性エポキシ樹脂に取り付け、金属組織学的に０．０４μｍの完成品に調製し、ＢＥ画像化を用いて検査し、観測粒子をさらに識別した。
図１５Ｂは、ＳＥＭ／ＥＤＳスペクトルによって５つの別々の位置でさらに分析されるＣ９９７７１合金の実施形態のＢＥ画像を示す。Ｃ９９７７１試料基材のＳＥＭ／ＥＤＳスペクトル結果は、多量の銅と、少量のマンガン、鉄、ニッケル、および亜鉛からなる（図１５Ｂ、位置１を参照）。明色相は、マンガン、鉄、ニッケル、銅、および亜鉛に加えて、アンチモンおよびスズを示す（図１５Ｂ、位置２を参照）。濃い灰色の相は、多量のイオウおよびマンガン、ならびに少量の鉄、ニッケル、銅、亜鉛、セレン、およびアンチモンを示す（図１５Ｂ、位置３を参照）。位置４の明るい灰色の相は、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、およびスズに加えて、リン、スズ、およびアンチモンを示す（図１５Ｂ、位置４を参照）。半定量化学分析データを、上記の位置について、以下の表に記録する。
図１６Ａは、合金Ｃ９９７７１の実施形態のＳＥＭ画像であり、図１６Ｂは、図１６Ａに示す部分のリンの元素マッピングを示し、図１６Ｃは、図１６Ａに示す部分のイオウの元素マッピングを示し、図１６Ｄは、図１６Ａに示す部分の亜鉛の元素マッピングを示し、図１６Ｅは、図１６Ａに示す部分の銅の元素マッピングを示し、図１６Ｆは、図１６Ａに示す部分のマンガンの元素マッピングを示し、図１６Ｇは、図１６Ａに示す部分のスズの元素マッピングを示し、図１６Ｈは、図１６Ａに示す部分のアンチモンの元素マッピングを示す。これらは、銅富化マトリックス中の分散粒子からなる観測された試料で見ることができる。他の非銅金属の多くは、別個のかたまりに位置する。
２００倍および１０００倍で撮った微細構造の代表的なＢＥ画像を、それぞれ図１７Ａおよび１７Ｂに示す。ＥＤＳによるＢＥ画像化を実施して、銅合金中に存在する様々な二次相の化学特性を決定した。観測された試料は、銅富化マトリックス全体にわたって分散された粒子からなる。次いで、画像分析を実施して、粒径を決定した。最小、最大、および平均を以下の表に記録する。粒径の画像分析を、図１７Ｃの顕微鏡写真上で実施した。
後方散乱電子画像（Ｃ９９７７１については図１７Ａおよび１７Ｂ）は、樹枝状結晶間領域中の収縮孔がいくつかある樹枝状結晶微細構造を示す。これらは、凝固温度範囲が広い合金の特徴である。粒界および樹枝状結晶間領域中に存在する相を、Ｃ９９７７１について上記に示すＥＤＳによって分析した。
Ｃ９９７６１−永久鋳型
走査型電子顕微鏡とエネルギー分散分光法（ＳＥＭ／ＥＤＳ）を用いて、Ｃ９９７６１永久鋳型試料を検査した。この機器は、炭素および原子番号がより大きい元素を検出できる（すなわち、水素、ヘリウム、リチウム、およびベリリウムは検出できず、ホウ素の検出はかろうじてできる）軽元素検出器を備えている。二次電子（ＳＥ）および後方散乱電子（ＢＥ）検出器を用いて画像を得た。後方散乱電子の画像化において、より大きい原子番号の元素が、より明るく見える。２０ｋＶの加速電圧を使用して試料を検査した。２００倍および１０００倍で撮った、図１８Ａに列挙したＣ９９７６１ヒートの微細構造の代表的なＢＥ画像を、それぞれ図１８Ｂ〜Ｄに示す。
ＥＤＳによるＢＥ画像化を実施して、図１８Ａの９９７６１組成を有する試料の銅合金中に存在する様々な二次相の化学特性を決定した。図１９は、ＢＥ画像およびＥＤＳに指定された位置を示す。基材のＳＥＭ／ＥＤＳスペクトル結果は、高濃度の銅と、少量のマンガン、ニッケル、アルミニウム、および亜鉛からなる（図１９Ｆ、位置５を参照）。明るい灰色の相は、高濃度の銅と、低濃度のアルミニウム、マンガン、ニッケル、亜鉛、およびスズを示す（図１９Ｂ、位置１を参照）。暗色相は、高濃度の銅およびマンガンと、低濃度のアルミニウム、リン、鉄、ニッケル、亜鉛およびスズを示す（図１９Ｃ、位置２を参照）。位置３の明るい白色の相は、高濃度の鉛と、低濃度のアルミニウム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、およびスズを示す（図１９Ｄ、位置３を参照）。この領域はまた、いくらかのビスマスも示し、これは、半定量分析では捕らえられなかったが、元素マッピングで確認された。この合金は、僅か０．００９％のＰｂしか含有していない。位置１における高濃度のＰｂは、鉛粒子の捕捉を示す。位置４における明色層は、高濃度の銅と、少量のアルミニウム、マンガン、ニッケル、亜鉛、スズ、およびアンチモンを示す（図１９Ｅ、位置４を参照）。半定量化学分析データを、上記の位置について、以下の表に記録する。
観測された試料は、銅富化マトリックス中の分散粒子からなる。収縮孔が、材料全体にわたって確認された。１つの５００倍画像に対して画像分析を実施した（図１８Ｄを参照）。最小、最大、および平均の粒径を以下の表に記録する。
Ｃ９９７７１−永久鋳型
走査型電子顕微鏡とエネルギー分散分光法（ＳＥＭ／ＥＤＳ）を用いて、Ｃ９９７７１永久鋳型試料を検査した。この機器は、炭素および原子番号がより大きい元素を検出できる（すなわち、水素、ヘリウム、リチウム、およびベリリウムは検出できず、ホウ素の検出はかろうじてできる）軽元素検出器を備えている。二次電子（ＳＥ）および後方散乱電子（ＢＥ）検出器を用いて画像を得た。後方散乱電子の画像化において、より大きい原子番号の元素が、より明るく見える。２０ｋＶの加速電圧を使用して試料を検査した。２００倍および１０００倍で撮った、図２１Ａに列挙したＣ９９７７１（永久鋳型）ヒートの微細構造の代表的なＢＥ画像を、それぞれ２１Ｂ〜Ｃに示す。
ＥＤＳによるＢＥ画像化を実施して、図２１ＡのＣ９９７７１の銅合金中に存在する様々な二次相の化学特性を決定した。基材のＳＥＭ／ＥＤＳスペクトル結果は、高濃度の銅と、少量のアルミニウム、ケイ素、マンガン、ニッケル、亜鉛、およびスズからなる（図２２Ｅ、位置４を参照）。明るい白色の相は、高濃度の銅と、少量のアルミニウム、マンガン、ニッケル、亜鉛、スズ、および鉛を示す（図２２Ｂ、位置１を参照）。この合金は、僅か０．０１０％のＰｂしか含有していない。位置１における高濃度のＰｂは、鉛粒子の捕捉を示す。第２の明るい白色の相は、高濃度の銅と、少量のアルミニウム、ケイ素、マンガン、ニッケル、亜鉛、スズ、およびビスマスを示す（図２２Ｃ、位置２を参照）。位置３のより明るい相は、高濃度の銅と、低濃度のアルミニウム、マンガン、ニッケル、亜鉛、およびスズを示す（図２２Ｄ、位置３を参照）。位置５の暗色相は、高濃度の銅と、少量のアルミニウム、ケイ素、マンガン、ニッケル、亜鉛、およびスズとからなる（図２２Ｆ、位置５を参照）。この位置は、卑金属の化学特性に類似しているように見え、収縮孔性の傾向である。半定量化学分析データを、上記の位置について、以下の表に記録する。
観測された試料は、銅富化マトリックス中の分散粒子からなる。収縮孔が、材料全体にわたって確認された。図２１ＡのＣ９９７７１において、第２の相の大部分は、ほぼ連続した共晶混合物からなる。１つの５００倍画像に対して画像分析を実施した（図２１Ｄを参照）。最小、最大、および平均の粒径を以下の表に記録する。
比色
Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１合金の新規な一態様は、白色または銀色を呈すると同時に、上記の抗菌性と所望の機械的性質を与えるこれらの能力である。Ｃ９９７６１およびＣ９９７７１を六価クロムめっき（ＣＰ）部分と比較する試験を行なった。この目的を達するために、標準の六価クロムめっき（ＣＰ）カバーを使用する。これを、試験にとってのベースとするゼロとして設定する。図３２は、磨かれたＣ９９７６１およびＣ９９７７１の明るさ、赤色または緑色の値、および青色または黄色の値と、ベースラインカバーとの比較を示す。これらのデータは、合金Ｃ９９７６１が、ＣＰ部分よりも僅か３．１８単位だけ暗く、１．３５単位だけ赤色が強く、９．９３単位だけ黄色が強いことを示す。これらのデータは、合金Ｃ９９７７１が、ＣＰ部分よりも僅か２．２８単位だけ明るく、１．４９単位だけ赤色が強く、９．４２単位だけ黄色が強いことを示す。磨かれた状態のホワイトメタルを使用するため、これらのデータは、２種のホワイトメタルが、ＣＰカバーに対して都合よく比較したものであることを示す。
例示的実施形態の先の記述は、例示および説明を目的として記載されたものである。これは、開示した厳密な形態に徹底または限定することを意図せず、上記の教示に照らし合わせて、または開示された実施形態の実践を通して取得し得る修正および変更を加えることが可能である。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲およびその同等物によって定義されることを意図する。

Claims (21)

  1. 少なくとも６０質量％の銅と、
    ８質量％〜１０質量％のニッケルと、
    １６質量％〜２１質量％の亜鉛と、
    ８質量％〜１２質量％のマンガンと、
    ０．１質量％〜１質量％のアンチモンと、
    ０．２質量％〜１．５質量％のスズと、
    ０．１質量％〜２．０質量％のアルミニウムと、
    ０質量％超〜０．２５質量％未満のイオウと、
    ０質量％超〜０．６質量％未満の鉄と、
    ０質量％超〜０．１質量％未満の炭素と、
    ０質量％超〜０．０５質量％未満のリンと、
    ０質量％超〜０．０９質量％未満の鉛と、
    ０質量％超〜０．０５質量％未満のケイ素と
    から本質的になる組成物。
  2. スズおよびアルミニウムの総質量％が約１．５％である、請求項１に記載の組成物。
  3. スズおよびアルミニウムの総質量％が２．５％超である、請求項１に記載の組成物。
  4. ５８質量％〜６４質量％の銅と、
    ８質量％〜１０質量％のニッケルと、
    １６質量％〜２１質量％の亜鉛と、
    ８質量％〜１２質量％のマンガンと、
    ０．１質量％〜１質量％のアンチモンと、
    ０．２質量％〜１．５質量％のスズと、
    ０．１質量％〜２．０質量％のアルミニウムと、
    ０質量％超〜０．２５質量％未満のイオウと、
    ０質量％超〜０．６質量％未満の鉄と、
    ０質量％超〜０．１質量％未満の炭素と、
    ０質量％超〜０．０５質量％未満のリンと、
    ０質量％超〜０．０９質量％未満の鉛と、
    ０質量％超〜０．０５質量％未満のケイ素と
    から本質的になる組成物。
  5. スズおよびアルミニウムの総質量％が約１．５％である、請求項４に記載の組成物。
  6. スズおよびアルミニウムの総質量％が２．５％超である、請求項４に記載の組成物。
  7. ５８質量％〜６４質量％の銅と、
    ８質量％〜１０質量％のニッケルと、
    １６質量％〜２１質量％の亜鉛と、
    ８質量％〜１２質量％のマンガンと、
    ０．１質量％〜１質量％のアンチモンと、
    ０．２質量％〜１．５質量％のスズと、
    ０．１〜２．０質量％のアルミニウムと
    を含む組成物。
  8. ０質量％超〜０．６質量％未満の鉄をさらに含む、請求項７に記載の組成物。
  9. ０質量％超〜０．１質量％未満の炭素をさらに含む、請求項７に記載の組成物。
  10. ０質量％超〜０．０５質量％未満のリンをさらに含む、請求項７に記載の組成物。
  11. ０質量％超〜０．０９質量％未満の鉛をさらに含む、請求項７に記載の組成物。
  12. ０質量％超〜０．０５質量％未満のケイ素をさらに含む、請求項７に記載の組成物。
  13. スズおよびアルミニウムの総質量％が約１．５％である、請求項７に記載の組成物。
  14. スズおよびアルミニウムの総質量％が２．５％超である、請求項７に記載の組成物。
  15. ６２質量％〜７０質量％の銅と、
    ２質量％〜４質量％のニッケルと、
    １６質量％〜２１質量％の亜鉛と、
    ８質量％〜１２質量％のマンガンと、
    ０．１質量％〜１．０質量％のアンチモンと、
    ０．２質量％〜１．５質量％のスズと、
    ０．１質量％〜２．０質量％のアルミニウムと、
    ０質量％超〜０．２５質量％未満のイオウと、
    ０質量％超〜０．６質量％未満の鉄と、
    ０質量％超〜０．１質量％未満の炭素と、
    ０質量％超〜０．０５質量％未満のリンと、
    ０質量％超〜０．０９質量％未満の鉛と、
    ０質量％超〜０．０５質量％未満のケイ素と
    から本質的になる組成物。
  16. ６２質量％〜７０質量％の銅と、
    ２質量％〜４質量％のニッケルと、
    １６質量％〜２１質量％の亜鉛と、
    ８質量％〜１２質量％のマンガンと、
    ０．２５質量％のイオウと、
    ０．１質量％〜１質量％のアンチモンと、
    ０．２質量％〜１．５質量％のスズと、
    ０．１〜２．０質量％のアルミニウムと
    を含む組成物。
  17. ０質量％超〜０．６質量％未満の鉄をさらに含む、請求項１６に記載の組成物。
  18. ０質量％超〜０．１質量％未満の炭素をさらに含む、請求項１６に記載の組成物。
  19. ０質量％超〜０．０５質量％未満のリンをさらに含む、請求項１６に記載の組成物。
  20. ０質量％超〜０．０９質量％未満の鉛をさらに含む、請求項１６に記載の組成物。
  21. ０質量％超〜０．０５質量％未満のケイ素をさらに含む、請求項１６に記載の組成物。
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