JP2022074112A

JP2022074112A - 鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金

Info

Publication number: JP2022074112A
Application number: JP2021177365A
Authority: JP
Inventors: ビョルンリーツ，; Reetz Bjoern; ティレマンミュンヒ，; Muench Tileman; トーマスプレット，; Plett Thomas
Original assignee: Otto Fuchs KG
Current assignee: Otto Fuchs KG
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-05-17
Also published as: BR102021020600A2; CN114427051A; EP3992320A1; US20220136086A1; KR20220057455A

Abstract

【課題】ＣｕＺｎ４２合金と比較して改善された機械加工特性を有する鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金を提供する。【解決手段】鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金であって、（データは重量％）Ｃｕ：５７～５９．３％、Ｆｅ：０．１２～０．１７％（第１の代替形態）又はＦｅ：最大０．０６％及びＭｎ：０．３～０．７％（第２の代替形態）、Ｐ：０．０３％～０．１％、Ｓｎ：最大１．０％、Ｐｂ：最大０．１％、残部が、元素当たり０．０５％許容される不可避の不純物とともにＺｎで構成され、不可避の不純物の合計が０．１５％を超えず、以下の元素が、記載された含有量まで許容され、Ｎｉ：最大０．０３％、Ａｌ：最大０．０５％Ｓｉ：最大０．０１％、Ｃｒ：最大０．０１％、からなる、鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金である。【選択図】なし

Description

本発明の目的は、ＣｕＺｎ４２合金と比較して改善された機械加工特性を有する鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金である。

合金の構造に関与する元素の数が少ないため、ＣｕＺｎ４２合金は、５７．０～５９．０重量％のＣｕ含有量を有する非常に単純な構造の黄銅合金である。原則として、この合金に他の元素は関与しない。Ｐｂは最大で０．２重量％、Ｓｎは最大０．０３重量％、Ｆｅは最大０．３重量％、Ｎｉは最大０．０２重量％及びＡｌは最大０．０５重量％許容され、不可避の不純物を伴う。この合金は、非常に容易に熱間加工することができ、とりわけ半製品としての異形材の製造に使用される鉛フリー合金である。この合金は、従来使用されている合金ＣｕＺｎ３９Ｐｂ３の鉛フリー変形例である。ＣｕＺｎ３９Ｐｂ３合金の場合、元素鉛は主に機械加工性を向上させるために使用される。ＣｕＺｎ４２合金は鉛フリーであるが、そのα／βミクロ組織のために、旋削部品の製造などの機械加工にも使用される。しかしながら、この合金から製造された加工物の機械加工性には限界がある。これは、合金に起因する機械加工の欠点を、工作機械の適切な加工パラメータによって補償することができないことを意味する。これは、例えば、成形ツールを用いた機械加工工程に適用され、加工パラメータの制限は、それぞれの自由度を許容しない。そのような場合、そのような合金の機械加工性は不十分である。

この合金から製造された加工物に対する特定の機械加工作業のための機械加工性が許容可能な場合であっても、所望の機械加工性を達成するために、快削合金に従来使用されているＰｂ及びＢｉ元素を使用する必要なく機械加工性を改善することができれば望ましいのは、これらが健康に有害であると分類されるためである。

改善された機械加工特性を有するＣｕ－Ｚｎ合金は、欧州特許第３６９００６９号明細書から知られている。この合金は、５８～７０重量％のＣｕ、０．５～２．０重量％のＳｎ、０．１～２．０重量％のＳｉを含有し、残部は亜鉛及び不可避の不純物であり、元素Ｓｎ及びＳｉの合計はそれぞれ１．０重量％及び３．０重量％である。元素Ｐｂ及びＢｉを使用することなく改善された機械加工性は、Ｓｎ及びＳｉの含有量によってこの合金にもたらされる。特定の割合では、これらの元素はε相の形成を担い、ε相は合金中にミクロ組織として分布し、したがって切りくず折断を促進する。合金中に含有されるＳｉはまた、特に、合金中に許容される元素Ａｌ及びＮｉ並びに／又はＭｎとともにケイ化物の形成をもたらし、このことはリサイクル材料の通常の使用のために合金中に規則的に見出される。この既知の合金中のＳｉ含有量は２．０重量％であり得る。マトリックス中に含有されるケイ化物は、いくつかの用途、特に耐摩耗性要件が存在する場合に有益であるが、ケイ化物は、工具摩耗の増加による機械加工性において顕著であり得る。

特開平０３２５３５２７号公報は、電気ヒューズを製造するためのＣｕ－Ｚｎ合金を開示している。複数の合金がこの先行技術に開示されている。開示された合金のうちの１つは、２５～４０重量％のＺｎ、０．０１～０．１重量％のＰ、０．０２～０．５０重量％のＦｅを含み、残部は不可避の不純物とともにＣｕである。代替的実施形態によれば、元素Ｆｅは、それぞれ等しい割合で元素Ｃｏ、Ｎｉ、又はＭｎで置き換えられる。したがって、この既知の合金は、５９．４～７５重量％のＣｕ含有量を有することができる。この既知の合金のＦｅ変形例について所与の実施形態は、０．０３～０．１２重量％のＦｅ含有量を有する。不可避の不純物を除いて、他の元素は許容されない。これは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎの変形例にも当てはまる。電気ヒューズを製造するための材料としての上述の適合性に加えて、この材料はまた、良好な強度及びばね特性を示す。

特開昭５９１５３８５６号公報は、熱交換器を製造するための改善された耐食性を有するＣｕ－Ｚｎ合金を開示している。この合金は、２５～４０重量％のＺｎ、０．００５～０．０７０重量％のＰ、０．０５～１．０重量％のＳｎ、合計０．００５～１．３重量％から０．００５～１．０重量％のＦｅ並びに／又は０．００５～０．３重量％のＰｂの組成を有し、残部は銅及び不可避の不純物である。この既知のＣｕ－Ｚｎ合金はまた、広範囲のＣｕ含有量を有し、すなわち５７．９～７４．９である。この予め知られた合金の粒径は、１５μｍ以下に制御される。Ｐ含有量は、所望の特性を得るために提供される。表１の合金１２は、６３．８重量％のＣｕ、０．１重量％のＦｅ、０．０７重量％のＰ及び１．０重量％のＳｎの組成を有し、残部はＺｎである。Ｍｎは、この既知の合金において承認された合金化元素ではない。

したがって、最初に説明したこの先行技術に基づいて、本発明は、ＣｕＺｎ４２合金と比較して改善された機械加工特性を有する鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金を提案する目的に基づいており、この提案された合金は単純な構造を有し、所望の良好な機械加工性を達成するために特別なあらゆる製造工程を必要としない。

合金ＣｕＺｎ３９Ｐｂ３（左）及び本発明による合金１（右）の切りくず折断の比較を示す。

本発明によれば、この目的は、ＣｕＺｎ４２合金と比較して改善された機械加工特性を有する鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金であって、
－Ｃｕ：５７～５９．３％
－Ｆｅ：０．１２～０．１７％（第１の代替形態）
又は
Ｆｅ：最大０．０６％及びＭｎ：０．３～０．７％（第２の代替形態）
－Ｐ：０．０３％～０．１％
－Ｓｎ：最大１．０％、
－Ｐｂ：最大０．１％、
－残部は、元素当たり０．０５％許容される不可避の不純物とともにＺｎで構成され、不可避の不純物の合計は０．１５％を超えず、
－以下の元素は、記載された含有量許容され、
Ｎｉ：最大０．０３％、
Ａｌ：最大０．０５％
Ｓｉ：最大０．０１％、
Ｃｒ：最大０．０１％、
からなる（データは重量％で提供される）、鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金によって達成される。

不可避の不純物は元素当たり０．０５重量％で許容され、不可避の不純物の合計は０．１５重量％を超えない。

特許請求される発明の意味における合金は、そのＰｂ含有量が０．１重量％を超えない場合、鉛フリーであるとみなされる。

この合金は、リン化鉄又はリン化マンガンが、第１の代替形態又は第２の代替形態の合金の設計に応じて形成されるように、Ｐを含有する。上記の割合でリンを添加することは、リンが粒子低減効果を有するため、鋳造に正の効果を有する。これは、所望の改善された機械加工性に正の効果を有する。これに関連して、合金から製造された加工物は、プレス後の水焼入れなどの追加の手段を必要とせずに微細な粒子を有することが重要である。特許請求される合金の組成により、押出半製品は既に十分に微細な粒子を有する。また、マトリックスに含有される微細に分散したリン化物は、切りくず折断効果を有する。この合金から製造した加工物の機械加工中に生成された切りくずは、それらの切りくずの形状（崩れかけた切りくず又は非常に短い螺旋形の切りくず）により、ＣｕＺｎ４２合金の機械加工中に生成されたものよりも著しく良好であり、鉛含有機械加工ＣｕＺｎ３９Ｐｂ３合金の機械加工中に生成されたものに非常に近い。リン化物を形成するためのリンの添加にもかかわらず、この合金から製造された製品の強度特性は比較例のＣｕＺｎ４２合金の強度特性に相当することが不可欠である。改善された切りくず折断に加えて、機械加工によって得られる表面仕上げは、鉛含有先行合金ＣｕＺｎ３９Ｐｂ３の機械加工によって得られる表面仕上げに匹敵する。これは驚くべきことが観察され、なぜなら、マトリックス中に分布するリン化物のために、したがってＣｕＺｎ４２及びＣｕＺｎ３９Ｐｂ３合金と比較してより不均一なマトリックスのために、実際にはより低い表面仕上げが予想されたためである。

同様に、リン化物は、特に高温で、ミクロ組織の再結晶阻害剤として作用することは期待できなかった。

したがって、Ｐ含有量は０．１重量％に制限される。より高いＰ含有量では、リン化物の粒粗大化が生じる。これは、機械加工と同様に研磨又はコーティングなどの特定の表面処理にとって不利である。より粗いリン化物は、合金から製造された加工物の耐摩耗性を改善するが、これは上記の他の欠点を補うものではない。Ｐ含有量が０．０３重量％未満である場合、上記の有利な特性は不十分にしか生じないか、又は全く生じない。

元素Ｆｅ及びＭｎの含有量は、記載された含有量に限定される。より多くのＦｅ又はＭｎが使用される場合、これは粒子の粗大化をもたらす。言及した限界未満では、所望のリン化物は、機械加工改善特性を達成するのに十分な程度まで発達しない。

Ｓｎは合金化に関与し得、機械加工性を支持する。Ｓｎはまた、溶融物の形成に関して有利である。Ｐの関与は溶融物を希釈する。Ｓｎはこれに対抗する。また、溶融物中のＳｎは脱酸効果を有することができる。Ｓｎは、混晶における溶解限度未満で合金中に取り込まれる。そうでない場合、Ｓｎ含有γ相が形成され、それにより合金製品に脆化作用を及ぼすおそれがある。Ｓｎが合金化元素として使用される場合、改善された機械加工性は、一方では上記のリン化物の効果に起因し、他方ではＳｎの作用機序に起因する。両方の作用機序は互いに補完する。Ｓｎの関与はまた、Ｓｎ酸化物を形成することによって乾式機械加工に役立ち、酸化物が工具表面に保護的に移動するので工具摩耗を低減する。特に単純な合金構造が望まれる場合、Ｓｎに基づく機械加工に有利な作用原理を排除することができる。そのような実施形態では、Ｓｎは合金化元素として使用されず、最大０．１重量％の割合でのみ許容される。

許容される付随元素は、本発明による合金から製造された加工物の改善された機械加工性に悪影響を及ぼさず、少なくとも有意ではない。したがって、リサイクルされた材料を使用して、不利益を受けることなく、この合金を製造することができる。この目的のために、好ましくはクローズドサイクルからのリサイクル材料が使用される、すなわち、単一タイプのリサイクル材料が使用される。例えば、その組成に関して１つ以上の元素が存在しないか、又は適切な割合で存在しないリサイクル材料が使用される場合、これらの元素をリサイクル材料に添加することができる。これは特に、本発明に必須であり、従来のリサイクル材料を使用する場合には一般に存在しない元素Ｐに適用される。

本発明による合金の亜鉛当量は、合金生成物がα／β構造を有するように、約３９～４２である。亜鉛当量は、典型的には、ＣｕＺｎ４２合金と比較してわずかに低く、その結果、比較例の合金と比較してα相の形成が促進される。これは、この合金から製造された製品（加工物）の冷間成形性に正の効果を有する。これは、Ｆｅ並びに／又はＦｅ及びＭｎ元素が、冷間成形性が改善される程度にのみ亜鉛当量を減少させたが、ＣｕＺｎ４２合金から知られている良好な熱間成形性が依然として保持され、さらに、既に上述したリン化物が形成されるため、興味深い。

本発明による合金の特別な特徴は、改善された機械加工性が合金の特別な組成のみに基づいており、特定の製造又は加工工程などの追加の手段が必要とされないことである。したがって、合金から製造される半製品は、通常の製造工程を使用して製造することができる。これはまた、半完成品を加工して最終製品を製造するために、特定の強度及び／又は構造特性を設定するためのそれぞれの処理工程を実施することができるという利点を有し、したがって、これらは半製品を製造するための製造工程ではまだ消費されていない。これに関連して、改善された機械加工特性は追加の加工工程なしで達成されるが、所望する場合、切りくず折断、したがって機械加工性を改善するための冷間成形などの特別な処理工程を介して押出成形後に再び増加させることができることは言うまでもない。

試験
以下に示す合金（データは重量％で提供）から、

試験片は、鋳造及びその後の押出によって、それぞれが４０ｍｍの直径を有し、押出後に延伸された棒材に調製されている。試験片に対して機械加工試験を行った。合金１～３は、本発明による合金である。

機械加工試験は、１ｍｍの切削深さ、０．１ｍｍの送り量により、２００ｍ／分の切削速度で外部縦旋削加工により、すべての試験片について均一に行った。

試験の結果を０～１００の指数の形で評価した。このシステムでは、比較合金ＣｕＺｎ４２は、様々な切削指数の指数５０を得る。指数が高いほど、結果は良好である。

切りくずの形状、切削力、工具摩耗、及び切削から生じる表面品質を調べた。

試験の結果を以下の表に示す。

本発明による合金を用いて得られる切りくずの形状を説明するために、図１を参照する。図１は、所望の切りくず折断形状を示す比較例の合金ＣｕＺｎ３９Ｐｂ３（左）及び本発明による合金１（右）の切りくず折断の比較を示す。この比較は、本発明による合金が、鉛フリーの比較例の合金ＣｕＺｎ４２と比較して大幅に改善された切りくずの形状を達成することを示す。機械加工された合金２及び３の切りくずの形状は、図１に示す合金１のものに相当する。

本発明による合金を切削するためには、幾分高い切削力が必要である。この理由は、合金中に含有されるリン化物であるが、これは、しかしながら、より良好な切りくず折断、したがって全体的な機械加工性の改善にも関与する。機械加工性に関して、切りくずの形状は関連する元素であり、この点に関して、比較合金と比較して幾分高い切削力を受け入れることができる。

本発明による合金は、ＣｕＺｎ４２合金と比較して改善された工具摩耗指数を有することが重要である。これは予想外であった。

本発明による合金の表面仕上げは、２つの比較例の合金で達成される表面仕上げに実質的に一致するので、この点において欠点、少なくとも注目に値する欠点を受け入れる必要はない。
本発明による合金の機械的強度値を以下の表に示す。

プレス状態の試験片から得られた、本発明による合金から製造された半製品のこれらの機械的特性は、比較例の合金と比較して著しく改善された引張強度及びより高い硬度を有することを明らかにする。破断伸びは、比較例の合金のものと同様である。降伏強度についても同様であり、しかしながら、比較例の合金について決定された降伏強度よりも合金３について著しく高い。したがって、改善された機械加工性にもかかわらず、本発明による合金の機械的強度値に関していかなる欠点も受け入れる必要はない。その代わりに、これらはさらに改善される。

プレス中に既に確立されている正の構造特性のために、合金から製造された半製品は、多種多様な用途に使用することができる。

Claims

ＣｕＺｎ４２合金と比較して改善された機械加工特性を有する鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金であって、
－Ｃｕ：５７～５９．３％
－Ｆｅ：０．１２～０．１７％（第１の代替形態）
又は
Ｆｅ：最大０．０６％及びＭｎ：０．３～０．７％（第２の代替形態）
－Ｐ：０．０３％～０．１％
－Ｓｎ：最大１．０％、
－Ｐｂ：最大０．１％、
－残部が、元素当たり０．０５％許容される、不可避の不純物とともにＺｎで構成され、不可避の不純物の合計が０．１５％を超えず、
－以下の元素が、記載された含有量許容され、
Ｎｉ：最大０．０３％、
Ａｌ：最大０．０５％
Ｓｉ：最大０．０１％、
Ｃｒ：最大０．０１％、
からなる（データは重量％で提供される）、鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金。
第１の代替形態による合金におけるＦｅ含有量が、０．１３～０．１５％であることを特徴とする、請求項１に記載のＣｕ－Ｚｎ合金。
第２の代替形態による合金におけるＦｅ含有量が０．０４％以下であり、Ｍｎ含有量が０．３５～０．５５％であることを特徴とする、請求項１に記載のＣｕ－Ｚｎ合金。
Ｐ含有量が、０．０５～０．０８％であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のＣｕ－Ｚｎ合金。
合金が、０．８～１．０％のＳｎ含有量を有し、そのＰ含有量が最大０．０４％であることを特徴とする、第１の代替形態による請求項１又は請求項２に記載のＣｕ－Ｚｎ合金。