JP2019014946A - 無鉛快削りん青銅棒線材及び無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 りん青銅を用いた部品に必要とされる高い強度が得られると共に、被削性にも優れ、切削屑が繋がらず細かくなり、精密加工も十分可能となる、無鉛快削りん青銅棒線材及び無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法を提供する。【解決手段】 Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる、無鉛快削りん青銅棒線材などにより、課題を達成した。【選択図】 なし

Description

本発明は、高い強度が得られると共に、被削性にも優れる、無鉛快削りん青銅棒線材及び無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法に関する。

りん青銅は、Ｃｕ（銅）−Ｓｎ（すず）−Ｐ（リン）系の合金で、Ｓｎの含有量により、種々の特性が生まれる。りん青銅は、強靱であり、耐食性、耐摩耗性、半田付け性に優れ、広範囲の用途に適している。

快削りん青銅は、りん青銅にＰｂ（鉛）を添加することにより、りん青銅の被削性を改善した合金で、小ねじ、軸受、ブッシュ、ボルト、ナット、ボールペン部品などに用いられる。

Ｐｂは、人の中枢神経系を犯す可能性がある、特定有害物質であるため、Ｐｂの含有量は少なければ少ない程望ましい。

快削りん青銅は、りん青銅にＰｂを添加することにより、りん青銅の被削性を改善したものであるため、Ｐｂの含有量が少なくなれば、当然、被削性が悪くなる。精密な切削加工を行うという観点からすれば、Ｐｂは、少なくとも３．５重量％必要であると考えられる。

電子・電気機器における特定有害物質の使用制限についての欧州連合による指令（ＲｏＨＳ指令）では、Ｐｂが１０００ｐｐｍを超えて含まれた電子・電気機器は、欧州連合で上市することができないとされているが、銅合金は、適切な代替手段がないため、４重量％まで適用が免除されている。

ところが、近い将来、適用免除が撤廃される可能性もあるため、Ｐｂの含有量が１０００ｐｐｍ（０．１重量％）を超えない代替材の開発が喫緊の課題とされている。

無鉛銅合金としては、特許文献１には、Ｓｎを０．５〜１１．０ｍａｓｓ％、Ｐを０．０３〜０．３５ｍａｓｓ％、Ｓを０．０２〜１．０ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する銅合金展伸材（例えば、特許文献１の（００３０）段落「本発明例８」参照）が記載されている。

また、鋳物用無鉛銅合金としては、特許文献２には、Ｃｕの他、Ｓｎ、Ｓ（硫黄）、Ｆｅ（鉄）、Ｐを含む銅合金が記載され、特許文献３には、Ｃｕの他、Ｓｎ、Ｚｎ（亜鉛）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓ、Ｐを含む銅合金が記載されている。

特許第５９１６４６４号公報 特許第４６５８２６９号公報 特許第５３３５５５８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された銅合金展伸材では、りん青銅を用いた部品に必要とされる強度（例えば、曲げ強度、ヘッダー加工性、耐摩耗性など）が得られないという問題点がある。

特許文献２及び特許文献３に開示された銅合金は、いずれも鋳物である。鋳物は、展伸材とは機能及び用途が大きく異なるため、展伸材に応用できるものではない。また、特許文献２及び特許文献３には、展伸材を得るための冷間加工等に関する技術の開示はなく、得られた銅合金を展伸する示唆すらもない。

切削性を向上させるため、Ｐｂの代わりにＢｉ（ビスマス）を添加することも行われているが、展伸中に割れやすく、冷間圧延、冷間伸線などの塑性加工ができないため、所望の棒線材に加工できないという問題点がある。

本発明の目的とするところは、りん青銅を用いた部品に必要とされる高い強度が得られると共に、被削性にも優れ、切削屑が繋がらず細かくなり、精密加工も十分可能となる、無鉛快削りん青銅棒線材及び無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法を提供することにある。

本発明の発明者は、前記課題を解決するため、鋭意検討を重ねた結果、Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる、無鉛快削りん青銅棒線材などにより、上記目的を達成することを見出し、本発明をするに至った。

即ち、本発明の第一の無鉛快削りん青銅棒線材は、Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。

また、本発明の第二の無鉛快削りん青銅棒線材は、Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｆｅを０．９重量％以下（０重量％を含まない。）、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。

本発明の無鉛快削りん青銅棒線材において、Ｓｎの含有量とＮｉの含有量は、重量％で、２．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦９．２％の関係を満たすという構成を採用することができ、更に、重量％で、３．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦８．５％の関係を満たすという構成を採用することもできる。

本発明の無鉛快削りん青銅棒線材において、Ｓｎは３．５〜６．５重量％であるという構成を採用することができる。

本発明の第一の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法は、Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる加工用銅合金を、冷間加工してなることを特徴とする。

本発明の第二の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法は、Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｆｅを０．９重量％以下（０重量％を含まない。）、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる加工用銅合金を、冷間加工してなることを特徴とする。

本発明の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法において、Ｓｎの含有量とＮｉの含有量は、重量％で、２．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦９．２％の関係を満たすという構成を採用することができ、更に、重量％で、３．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦８．５％の関係を満たすという構成を採用することもできる。

本発明の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法において、Ｓｎは３．５〜６．５重量％であるという構成を採用することができる。

本発明の無鉛快削りん青銅棒線材は、りん青銅を用いた部品に必要とされる高い強度が得られると共に、被削性にも優れるため、肉薄部品や微細部品等、精度を必要とする加工も可能となるという利点がある。

また、本発明の無鉛快削りん青銅棒線材は、従来の快削りん青銅よりも導電性がよいため、今まで性能的に不可能だった用途への使用も可能となるという利点もある。

本発明の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法を用いることにより、りん青銅を用いた部品に必要とされる高い強度が得られると共に、被削性にも優れる、本発明の無鉛快削りん青銅棒線材が製造できるという利点がある。

本発明の第一の無鉛快削りん青銅棒線材は、Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる。

本発明において、Ｓｎの含有量が１．５〜７．０重量％であるのは、Ｓｎの含有量が１．５重量％未満であると、部品にした場合に必要とされる強度が得られないからであり、逆に、Ｓｎの含有量が７．０重量％を超えると、割れが生じ、塑性加工が困難となるからである。

ここで、Ｓｎの含有量は、３．５〜６．５重量％が好ましい。Ｓｎが３．５〜６．５重量％含まれていると、非常に高強度の棒線材が得られるからである。

本発明において、Ｎｉの含有量が０．５〜７．０重量％であるのは、Ｎｉの含有量が０．５重量％未満であると、強度が不十分で、部品にする際の強度が足りないからであり、Ｎｉの含有量が７．０重量％を超えると、塑性加工性が悪くなるからである。

なお、Ｎｉの含有量は、発明の効果が安定して得られないおそれがあるため、０．７重量％以上がより好ましく、発明の効果が安定して得られることを重視すれば、０．９重量％以上がさらに好ましい。

本発明においては、強度、導電率及び被削性を総合的に勘案し、塑性加工性も考慮すると、Ｓｎの含有量とＮｉの含有量は、重量％で、２．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦９．２％の関係を満たすのがより好ましく、導電率を重視すると、Ｓｎの含有量とＮｉの含有量は、重量％で、３．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦８．５％の関係を満たすのがさらに好ましい。

本発明において、Ｓの含有量が０．０２〜０．６重量％であるのは、Ｓの含有量が０．０２重量％未満であると、切削加工に必要とされる被削性が得られず、削り屑が長く繋がるからであり、逆に、Ｓの含有量が０．６重量％を超えると、加工用銅合金を溶解鋳造する際に均一な溶湯が得られず、正常な合金を作ることができないからである。

本発明において、Ｐの含有量が０．０１〜０．３５重量％であるのは、Ｐの含有量が０．０１重量％未満であると、溶解時の脱酸効果が不十分になるからであり、逆に、Ｐの含有量が０．３５重量％を超えると、塑性加工性が悪くなるからである。なお、Ｐの含有量は、０．２５重量％以下であると、より安定した塑性加工性が得られるため、好ましい。

本発明において不純物として含まれうる元素としては、鉄、銀、炭素、ジルコニウム、マンガン、ビスマス、インジウム、セレン、アルミニウム、酸素、ホウ素、タングステン、亜鉛、アンチモン、シリコン、鉛などが挙げられる。これらの含有量は、いずれも、０．０５重量％未満であることが好ましく、検出限界未満であることがより好ましい。

本発明の第二の無鉛快削りん青銅棒線材は、Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｆｅを０．９重量％以下（０重量％を含まない。）、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる。

本発明の第二の無鉛快削りん青銅棒線材において、Ｆｅの含有量が０．９重量％（０重量％を含まない。）未満であるのは、Ｆｅを含有させた場合には、加工用銅合金を溶解鋳造する際、欠陥の少ない良質な素材を効率的に得ることができるからであるが、Ｆｅの含有量が０．９重量％を超えると、切削性が悪くなるからである。なお、Ｆｅの含有量は、０．５重量％以下であると、より安定した切削性が得られるため、好ましい。

なお、本発明の無鉛快削りん青銅棒線材は、溶接性が良好であるため、少ない単重のコイルを溶接することにより連続した伸線が可能となる。

本発明の無鉛快削りん青銅棒線材を得る方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができるが、冷間加工を行うことが好ましい。

本発明の第一の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法は、Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる加工用銅合金を、冷間加工してなる。

また、本発明の第二の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法は、Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｆｅを０．９重量％以下（０重量％を含まない。）、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる加工用銅合金を、冷間加工してなる。

本発明の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法について、本発明の無鉛快削りん青銅棒線材と同様の部分は、記載を省略する。

冷間加工としては、例えば、冷間圧延加工、冷間鍛造加工、冷間伸線加工などが挙げられる。冷間加工の回数は特に限定されないが、均一な組織を得るためには、４回以上が好ましい。なお、冷間加工の後には、焼き鈍しを行うことが好ましい。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

（試験片の作製）
まず、Ｓｎの添加量、Ｎｉの添加量、Ｆｅの添加量、Ｓの添加量、Ｐの添加量、Ｐｂの添加量を適宜変化させ、残りをＣｕ及び不可避的不純物として加えた後、混合して、合金材料１〜１１、合金材料Ｒ１〜Ｒ７を作成し、成分を分析した。

合金材料１〜１１、合金材料Ｒ１〜Ｒ７の成分分析の結果を表１に示す。

次に、合金材料１〜１１、合金材料Ｒ１〜Ｒ７それぞれについて、溶解温度を１２００℃として、金型鋳造方法によりインゴットを作製した後、加工率２０％程度の冷間圧延加工と６５０℃前後の焼き鈍しを繰り返し、４回目の冷間圧延加工を行った後、実施例となる本発明の無鉛快削りん青銅棒線材１〜１１及び比較例となる無鉛快削りん青銅棒線材Ｒ１〜Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、有鉛快削りん青銅棒線材Ｒ６を得た。

なお、合金材料Ｒ４についても、溶解温度を１２００℃として、金型鋳造方法によりインゴットを作製した後、加工率２０％程度の冷間圧延加工と６５０℃前後の焼き鈍しを繰り返したが、破断したため、無鉛快削りん青銅棒線材が得られなかった。この結果から、Ｓｎの含有量が７．０重量％を超える場合には、塑性加工が困難であることが明らかとなった。

次いで、無鉛快削りん青銅棒線材１〜１１（実施例１〜１１）、無鉛快削りん青銅棒線材Ｒ１〜Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７（比較例１〜３、５、７）、有鉛快削りん青銅棒線Ｒ６（比較例６）のそれぞれについて、直径２０ミリメートル、長さ５０ミリメートルの試験片を作成し、試験片１〜１１、試験片Ｒ１〜Ｒ３、Ｒ５〜Ｒ７とした。

（試験例１）硬さ試験
試験片１〜１１（実施例１〜１１）、試験片Ｒ１〜Ｒ３（比較例１〜３）のそれぞれについて、株式会社アカシ（現株式会社ミツトヨ）製 ＡＲＫ２４１２９を用いて、直径１／１６ｉｎ（１．５８８ｍｍ）の鋼球を用い、まず予備荷重１０ｋｇｆをかけ、次いで９０ｋｇｆを追加し、合計１００ｋｇｆの試験荷重がかかるようにした。そして、３０秒位の後、予備荷重（１０ｋｇｆ）の状態に戻した。このようにして前後２回の予備荷重の状態におけるくぼみの深さの差（ダイヤルゲージのｈ目盛、但し、１目盛は０．００２ｍｍ）から１３０−５００ｈによってロックウェル硬さ（ＨＲＢ）を求めた。

試験片１〜１１、試験片Ｒ１〜Ｒ３についてのロックウェル硬さ（ＨＲＢ）の測定結果を表２に示す。

Ｓｎの含有量が１．５重量％以上であり、かつＮｉの含有量が０．５重量％以上である、試験片１〜１１（実施例１〜１１）については、いずれも７４以上であり、りん青銅を用いた部品に必要となる高い硬度が得られ、例えば、曲げ強度、ヘッダー加工性、耐摩耗性などにも優れることが予測できるが、Ｓｎの含有量が１．５重量％未満である試験片Ｒ３（比較例３）、Ｎｉの含有量が０．５重量％未満である試験片Ｒ１（比較例１）及び試験片Ｒ２（比較例２）については、いずれも７４未満で、りん青銅を用いた部品に要求される硬度が得られないことがわかった。

また、Ｓｎの含有量が３．５〜６．５重量％である、試験片８〜１１（実施例８〜１１）については、いずれも８０を超えていることがわかった。この結果から、Ｓｎの含有量が３．５〜６．５重量％である本発明の快削りん青銅棒線材は、非常に高い硬度を備えていることが明らかとなった。

（試験例２）切削性試験
試験片１〜１１（実施例１〜１１）、試験片Ｒ５〜Ｒ７（比較例５〜７）のそれぞれについて、ワシノ機械株式会社製の汎用旋盤ＬＰＴ−３５Ｃを用い、回転数４５０ｒｐｍ、送りピッチ０．７５ｍｍ、切り込み深さ０．５ｍｍで面削した。

そして、面削の際に発生した切削屑１０個の重量を株式会社島津製作所製の電子天秤ＡＵＸ１２０で計測した。

試験片１〜１１、試験片Ｒ５〜Ｒ７についての切削屑１０個の重量の計測結果を表３に示す。

試験片１〜１１（実施例１〜１１）については、いずれも、切削屑が繋がらず細かくなっており、切削屑１０個の重量も０．３ｇ未満であり、鉛が含まれていなくても、被削性に優れていることがわかった。それに対し、Ｓが含まれていない試験片Ｒ５については、切削屑が長く繋がっており、切削屑１０個の重量も２０ｇを超えていた。

なお、鉛が含まれている試験片Ｒ６（日本工業規格 ＪＩＳ Ｈ ３２７０ Ｃ５３４１）であっても、切削屑が繋がっており、切削屑１０個の重量も２ｇを超えていた。この結果から、本発明の無鉛快削りん青銅棒線材の被削性は、有鉛快削りん青銅棒線材の被削性よりもかなり優れていることが明らかとなった。

また、試験片Ｒ７（日本工業規格 ＪＩＳ Ｈ ３２７０ Ｃ５１９１）については、切削屑が完全に繋がっており、切削屑が１０個未満であったため、切削屑１０個の重量を測定することはできなかった。

（試験例３）導電率試験
試験片１〜１１（実施例１〜１１）、試験片Ｒ７（比較例７）のそれぞれについて、ＦＯＥＲＳＴＥＲ製 ＳＩＧＭＡＴＥＳＴ２．０６９を用いて、測定端子にて直接接触させて導電率を測定した。具体的には、付属の標準試験片（純銅・洋白）にて校正した後、各試験片の断面を３回測定し、平均値を測定値とした。

試験片１〜１１、試験片Ｒ７についての導電率の測定結果を表４に示す。

試験片Ｒ７（比較例７）については、１３．０であったが、試験片１〜１１（実施例１〜１１）については、いずれも１３．５を超えており、本発明の快削りん青銅棒線材は、従来の快削りん青銅棒線材よりも導電性がよいことがわかった。

また、Ｓｎの含有量とＮｉの含有量が、重量％で、３．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦８．５％の関係を満たす、試験片１〜３、５〜９（実施例１〜３、５〜９）については、いずれも１６を超えていた。この結果から、Ｓｎの含有量とＮｉの含有量が、重量％で、３．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦８．５％の関係を満たす本発明の快削りん青銅棒線材は、特に、導電性に優れることが明らかとなった。

Claims (10)

1. Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなることを特徴とする無鉛快削りん青銅棒線材。
2. Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｆｅを０．９重量％以下（０重量％を含まない。）、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなることを特徴とする無鉛快削りん青銅棒線材。
3. 前記Ｓｎの含有量と前記Ｎｉの含有量は、重量％で、２．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦９．２％の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の無鉛快削りん青銅棒線材。
4. 前記Ｓｎの含有量と前記Ｎｉの含有量は、重量％で、３．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦８．５％の関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の無鉛快削りん青銅棒線材。
5. 前記Ｓｎは、３．５〜６．５重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の無鉛快削りん青銅棒線材。
6. Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる加工用銅合金を、冷間加工してなることを特徴とする無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法。
7. Ｓｎを１．５〜７．０重量％、Ｎｉを０．５〜７．０重量％、Ｓを０．０２〜０．６重量％、Ｆｅを０．９重量％以下（０重量％を含まない。）、Ｐを０．０１〜０．３５重量％含有し、残部をＣｕ及び不可避的不純物からなる加工用銅合金を、冷間加工してなることを特徴とする無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法。
8. 前記Ｓｎの含有量と前記Ｎｉの含有量は、重量％で、２．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦９．２％の関係を満たすことを特徴とする請求項６又は７に記載の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法。
9. 前記Ｓｎの含有量と前記Ｎｉの含有量は、重量％で、３．５％≦１．３Ｓｎ＋Ｎｉ≦８．５％の関係を満たすことを特徴とする請求項８に記載の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法。
10. 前記Ｓｎは、３．５〜６．５重量％であることを特徴とする請求項６又は７に記載の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法。