JP2018538431A - 銅−ニッケル−亜鉛合金およびその使用法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、重量％で以下の組成：
Ｃｕ ４６．０から５１．０％まで、
Ｎｉ ８．０から１１．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．５％まで、
Ｆｅおよび／またはＣｏ それぞれ０．８％まで
（その際、Ｆｅ含有量と、Ｃｏ含有量の２倍との合計は、少なくとも０．１重量％である）、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有し、
αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、鉄およびマンガン含有、および／またはニッケル、コバルトおよびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在している、銅−ニッケル−亜鉛合金に関する。本発明はさらに、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の使用法に関する。
Ｃｕ ４６．０から５１．０％まで、
Ｎｉ ８．０から１１．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．５％まで、
Ｆｅおよび／またはＣｏ それぞれ０．８％まで
（その際、Ｆｅ含有量と、Ｃｏ含有量の２倍との合計は、少なくとも０．１重量％である）、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有し、
αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、鉄およびマンガン含有、および／またはニッケル、コバルトおよびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在している、銅−ニッケル−亜鉛合金に関する。本発明はさらに、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の使用法に関する。
Description
本発明は、αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、鉄およびマンガン含有、および／またはニッケル、コバルトおよびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在している銅−ニッケル−亜鉛合金、ならびにそのような銅−ニッケル−亜鉛合金の使用法に関する。
銅、ニッケルおよび亜鉛からなる合金は、その銀に似た色から洋銀と呼ばれている。工業的に一般的な合金は、銅４７から６４重量％およびニッケル７から２５重量％を有する。旋盤加工および穿孔が可能な合金では、通常、チップブレーカとして鉛を３重量％まで添加し、しかも鋳造合金では９重量％まで添加する。残部は亜鉛である。市販の洋銀合金は、焼き鈍しに対する脆弱性を軽減するために、混入物としてさらにマンガン０．２から０．７重量％を含有してもよい。このマンガン添加物は、脱酸および脱硫作用もある。
例えばＣｕＮｉ１２Ｚｎ２４またはＣｕＮｉ１８Ｚｎ２０のような洋銀合金は、とりわけ光学工業において眼鏡の蝶番を製造するために使用される。これらの製品の小型化が進む上で、より高い強度を有する材料が求められる。その上さらに、これらの製品では、表面の品質に対して高い要求が課せられている。
洋銀合金は、装飾品および時計部品の製造にも使用される。これらの製品では、表面の品質に対して特に高い要求が課せられている。この材料は、引伸ばした状態ですでに、例えば筋や空洞のような瑕がない、輝く、研磨されたような効果を持つ表面を有していなくてはならない。さらに、この材料は、機械加工性が非常に良好で、必要な場合には研磨することも可能でなくてはならない。また、この材料の色は使用中に変化してはならない。全く同様の要件が、医療技術または楽器製造に使用される材料にも適用される。
特許文献１から、鋳造性および熱間加工性に関し有利な特性を有する高い強度の洋銀合金が公知である。この合金は、Ｓｉ０．０１から５％まで、Ｎｉ１０を超えて３０％まで、Ｃｕ４５から７０％まで、Ｍｎ０．３から５％まで、残部亜鉛が少なくとも１０％からなる。少量のＳｉ添加物が、合金の脱酸と鋳造性の改善に用いられる。マンガン添加物は、合金の靭性および冷間加工性を高めるという役目を有し、ニッケルの節約にも用いられる。選択的に、マンガンは完全にアルミニウムと取り替えることができ、ニッケルは部分的にコバルトと取り替えることができる。鉄は合金の耐食性を低下させるので、鉄を合金に添加することは避けるべきである。１％のマンガン含有量で、約４００ＭＰａの強度係数が得られる。機械特性を改善するために熱処理が提案されている。
特許文献２には、熱間および冷間加工性が良好な、機械加工しやすい洋銀合金が記載されている。この合金は、Ｎｉ６から１５％まで、Ｍｎ３から８％まで、Ｐｂ０．１から２．５％まで、Ｚｎ３１から４７％まで、残部Ｃｕと不可避な不純物からなる。熱間加工前の加熱による粒の成長を防止するために、選択的に少量のＦｅ、Ｃｏ、Ｂ、ＳｉまたはＰを添加してもよい。
特許文献３からは、構造中に、ニッケル、鉄およびマンガン含有、および／またはニッケル、コバルトおよびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在している、鉛含有銅−ニッケル−亜鉛合金が公知である。この合金は、高い引張強さ、高い冷間加工性および良好な機械加工性により優れている。１．０から１．５重量％の鉛含有量により、この合金の良好な機械加工性が保証される。この合金は、ボールペン用の高価な芯先の製造に用いられる。この材料の表面特性は、表面品質に対しての要求が特に高い用途にとって必ずしも十分ではない。
本発明の課題は、改善された表面品質と、同時に高い強度を有する銅−ニッケル−亜鉛合金を提供することである。表面は、引伸ばした状態ですでに研磨されたように見えるべきである。さらに、前記合金は、良好な機械加工性および優れた耐変色性を有しているべきである。さらに、本発明の課題は、このような銅−ニッケル−亜鉛合金のための使用法を提供することである。
本発明は、銅−ニッケル−亜鉛合金に関しては請求項１の特徴により記載され、使用法に関しては請求項４および５の特徴により記載されている。その他の従属請求項は、本発明の好適な実施態様に関する。
本発明は、重量％で以下の組成：
Ｃｕ ４６．０から５１．０％まで、
Ｎｉ ８．０から１１．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．５％まで、
Ｆｅおよび／またはＣｏ それぞれ０．８％まで（その際、Ｆｅ含有量と、Ｃｏ含有量の２倍との合計は、少なくとも０．１％である）、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有し、
αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、鉄およびマンガン含有、および／またはニッケル、コバルトおよびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在している、銅−ニッケル−亜鉛合金を包含する。
Ｃｕ ４６．０から５１．０％まで、
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残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有し、
αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、鉄およびマンガン含有、および／またはニッケル、コバルトおよびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在している、銅−ニッケル−亜鉛合金を包含する。
本発明は、合金に珪素を添加することにより析出珪化物が形成されるように洋銀材料の構造を変化させる、という考察から始まっている。金属間化合物としての珪化物は、母材構造のαおよびβ相よりも明らかに高い約８００ＨＶの硬度を有する。基本的に、冷間および熱間加工性の改善および強度の上昇のためにマンガンが合金に添加される。その上、マンガンには脱酸および脱硫作用がある。珪素は、マンガン、鉄およびニッケルが同時に存在する場合、主に（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ）２Ｓｉと（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ）３Ｓｉの間の近似組成を有する混合珪化物を形成する。同様に、珪素は、マンガン、コバルトおよびニッケルが同時に存在する場合、（Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）ｘＳｉｙ（式中、ｘ≧ｙ）の近似組成の混合珪化物を形成する。さらに、マンガンとニッケルの他に鉄もコバルトも含有する混合珪化物を形成してもよい。混合珪化物は、球形または楕円形粒子として微細に分散して母材構造中に存在する。粒子の体積相当径の平均値は０．５から２μｍである。前記構造は、面積が大きく母材構造から容易に突き出る珪化物を含有しない。これらの好適な性質は、本発明による合金においては特に少量のマンガンおよび鉄もしくはコバルトにより得られる。鉄もコバルトも、珪化物形成の核部位として作用する。すなわち、鉄および／またはコバルトが存在する場合、熱力学的平衡からのずれが少なくてもすでに十分なので、小さい析出物が生じる。本発明の合金組成物においてニッケルも含んでいるかもしれないこれらの析出物核は、前記構造中に微細に分散している。これらに、マンガンも含むさらに別の珪化物が有利には堆積する。合金のマンガン含有量が少ないことにより、それぞれの珪化物の大きさは限定される。少量のマンガンと組み合わされた少量の鉄および／またはコバルトが、したがって混合珪化物形成の前提である。鉄もしくはコバルトの最小量は、鉄含有量と、コバルト含有量の２倍との合計が少なくとも０．１重量％である、ということにより定義される。
驚くべきことに、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金が優れた表面品質を有していることは明らかである。引伸ばした状態ですでに、この材料の表面は非常に滑らかで、銀色に輝き、目に見える瑕はない。この表面はすでに研磨されたように見える。これにより、例えば延伸または圧延プロセスのような加工プロセスにより本発明による合金から製造された半製品の表面は、多くの場合、すでに最終製品の品質要件を満たしている。この表面を改良するための他の加工はもはや必要ではない。このような半製品の平均表面粗さＲａは、代表的には最大０．２μｍである。この平均粗さＲａは、このとき、少なくとも４ｍｍの測定長さにわたって算出される。
本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の表面品質は、これまで光学工業で使用されてきた材料と少なくとも同じである。本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の強度は、しかし、これまで使用されてきた材料よりも明らかに高い。この強度の増加により、部品をさらに小さく、さらに細かい細工で構成することができ、したがって、実際のデザイン要件に合わせることができる。本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の引張強さは、材料の加工程度に応じて、７００から９００ＭＰａの間である。硬い状態では少なくとも８００ＭＰａである。
本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金からなる加工品は、非常に高品質の表面および魅力的な外観により優れているので、この合金は装飾品および時計部品の製造に適している。さらに、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金からなる加工品は非常に良好に研磨できるので、それにより、必要ならばこの加工品の光学的印象をさらに改良し、製品の価値を高めることができる。さらに、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の表面は、その優れた平坦性により良好にコーティングすることができる。
特に、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の表面品質は、似たような組成の鉛含有銅−ニッケル−亜鉛合金のものよりも明らかに優れている。本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金では、不純物中に０．１重量％までの少ない鉛含有率が含まれていてもよいが、これは、母材に効果的なわけでも、混合珪化物の形成に影響を及ぼすわけでもない。有利には、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の鉛含有率は、最大０．０５重量％である。特に有利には、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金は鉛不含である。
本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の別の利点は、およそ４０重量％の高い亜鉛含有率である。これにより、例えばＣｕＮｉ１２Ｚｎ２４またはＣｕＮｉ１８Ｚｎ２０の洋銀合金よりも材料が安価になる。
その上さらに、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金は、良好な加工性を有する。前記合金は熱間でも冷間でも良好に加工できる。半製品および最終製品の製造費用はこれにより削減される。特に、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金は、せいぜい非常に少量しか鉛を含有していないにもかかわらず、大変良好な機械加工性を有する。Ｐｂ含有量が不可避不純物の閾値より明らかに小さい場合でさえ、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金は良好に機械加工できる。前記合金の良好な機械加工性の原因は、チップブレーカとして作用する微細に分散した混合珪化物である。
好適には、Ｆｅ含有量か、Ｃｏ含有量が少なくとも０．１重量％であってよい。これにより、微細に分散する混合珪化物の形成が促進される。
本発明の有利な実施態様では、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金は（重量％で）以下の組成：
Ｃｕ ４７．５から４９．５％まで、
Ｎｉ ８．０から１０．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．４％まで、
Ｆｅ ０．２から０．８％まで、
選択的にＣｏ ０．８％まで、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有する。
Ｃｕ ４７．５から４９．５％まで、
Ｎｉ ８．０から１０．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．４％まで、
Ｆｅ ０．２から０．８％まで、
選択的にＣｏ ０．８％まで、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有する。
この組成物では、αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、鉄およびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在していてよい。合金に鉄を適切に添加することにより、非常に微細な混合珪化物が形成され、これらが、材料の表面品質に有利に作用する。
本発明の別の好適な実施態様では、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金は（重量％で）以下の組成：
Ｃｕ ４７．５から４９．５％まで、
Ｎｉ ８．０から１０．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．４％まで、
Ｃｏ ０．１から０．８％まで、
選択的にＦｅ ０．８％まで、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有する。
Ｃｕ ４７．５から４９．５％まで、
Ｎｉ ８．０から１０．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．４％まで、
Ｃｏ ０．１から０．８％まで、
選択的にＦｅ ０．８％まで、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有する。
この組成物では、αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、コバルトおよびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在していてよい。合金にコバルトを適切に添加することにより、混合珪化物が形成され、これらが、材料の強度と、同時に良好な表面品質に有利に作用する。
本発明の別の観点は、例えば装飾品、時計部品、眼鏡の蝶番、楽器または医療技術用機器のような、表面品質に対する要求が高い消費財を製造するための、本発明による合金の使用法を包含する。本発明による合金からなる加工品の優れた表面品質により、この合金は装飾品、時計部品および楽器の製造に特に適している。これらの用途には前記合金の高い耐変色性も好適である。耐変色性は、前記合金の高い耐食性から生じる。医療技術で使用される機器は、洗浄しやすくなければならない。前記機器の表面が滑らかであればあるほど、一層容易に、望ましくない物質を除去することができる。良好な表面品質と高い強度との組み合わせにより、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金を眼鏡の蝶番の製造に使用することができる。
本発明の別の観点は、鍵、錠、コネクタまたはボールペンの芯先を製造するための、本発明による合金の使用法を包含する。鍵または錠のような実用品を製造する場合、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の加工性に関する好適な特性、すなわち良好な成形性と良好な機械加工性、が使用される。同様のことが、形材、棒または管から機械加工により製造されるコネクタとして本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金を使用することにも当てはまる。ボールペンの芯先として使用する場合は、さらに、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金の良好な耐食性が有利に作用する。
本発明を、実施例に基づいて詳細に説明する。
本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金ならびに３つの比較用合金を精錬し、ボルトに鋳造した。これらのボルトから、熱間圧縮および冷間加工を用いて、４ｍｍの外径を有するワイヤと棒を製造した。表１は、それぞれの合金の組成を重量％で示す。
引伸ばしたワイヤにおいて、粗さの測定を実施した。以下の特性値を、延伸方向に対してそれぞれ縦と横に、４ｍｍの測定長さにわたって算出した：
Ｒａ 平均粗さ
Ｒｚ 粗さの平均深さ
Ｒｍａｘ 粗さの最大深さ
Ｒｔ 断面の総高さ
Ｒａ 平均粗さ
Ｒｚ 粗さの平均深さ
Ｒｍａｘ 粗さの最大深さ
Ｒｔ 断面の総高さ
表２は、前記試料で算出した値を相互に対照させたものである。
表２に記載された測定値は、本発明の合金の表面が、８つの測定値の内の７つにおいて最小の粗さもしくは粗さの深さを有することを示している。本発明の合金は、したがって、引伸ばした状態で最高の表面品質を有している。特に、本発明の合金で算出された測定値は、鉛含有比較試料１および３で算出された測定値よりも常に小さい。
これらの４つの試料で、機械加工試験を実施した。そのため、前記ワイヤ内に、軸に平行に内径２ｍｍの中心孔を開けた。本発明による合金ならびに２つの鉛含有比較試料１および３は問題なく機械加工できた。穿孔の切粉は細かかった。鉛不含の比較試料２は、穿孔実験で非常に熱くなり、実験中にドリルが折れた。
表１に記載の組成を有する本発明による合金の試料で、表３に記載の機械特性を算出した：
前記実験は、本発明による銅−ニッケル−亜鉛合金が、従来技術から公知の合金においてこの組み合わせでは見出せないように好適に特性を兼ね備えていることを示している。
Claims (5)
- （重量％で）以下の組成：
Ｃｕ ４６．０から５１．０％まで、
Ｎｉ ８．０から１１．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．５％まで、
Ｆｅおよび／またはＣｏ それぞれ０．８％まで
（その際、Ｆｅ含有量と、Ｃｏ含有量の２倍との合計は、少なくとも０．１％である）、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有し、
αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、鉄およびマンガン含有、および／またはニッケル、コバルトおよびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在している、銅−ニッケル−亜鉛合金。 - （重量％で）以下の組成：
Ｃｕ ４７．５から４９．５％まで、
Ｎｉ ８．０から１０．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．４％まで、
Ｆｅ ０．２から０．８％まで、
選択的にＣｏ ０．８％まで、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有し、
αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、鉄およびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在している、請求項１に記載の銅−ニッケル−亜鉛合金。 - （重量％で）以下の組成：
Ｃｕ ４７．５から４９．５％まで、
Ｎｉ ８．０から１０．０％まで、
Ｍｎ ０．２から０．６％まで、
Ｓｉ ０．０５から０．４％まで、
Ｃｏ ０．１から０．８％まで、
選択的にＦｅ ０．８％まで、
残部Ｚｎならびに不可避な不純物
を有し、
αおよびβ相からなる構造中に、ニッケル、コバルトおよびマンガン含有混合珪化物が球形または楕円形粒子として混在している、請求項１に記載の銅−ニッケル−亜鉛合金。 - 表面品質に対する要求が高い消費財を製造するための、請求項１から３までのいずれか１項に記載の銅−ニッケル−亜鉛合金の使用法。
- 鍵、錠、コネクタまたはボールペンの芯先を製造するための、請求項１から３までのいずれか１項に記載の銅−ニッケル−亜鉛合金の使用法。
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