JP4537728B2 - 無鉛銅合金およびその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉをベースにした銅合金およびその使用方法に関するものである。

真鍮は機械工学、電子技術、衛生技術の種々の分野で使用される。

機械工学および電子技術では小型化の傾向にあるため、部品はますます小さく、微小になってきている。また、真鍮からなる部品を他の金属材料および非金属材料と結合させて複雑なアッセンブリを形成させることもある。しかしながら、両者とも分断または細分を基本とする材料リサイクルを困難にしている。

他の難点は、特に、リサイクルを必要とする部品が有毒要素または健康に有害な元素或いは物質を含んでいる場合に生じる。これらの元素または物質は、これらの材料を製造または加工している稼動時の作業員を直接危険に曝すことがある。この種の材料を長時間保管しなければならず、その際に天候の影響を受けると、環境汚染が発生する。さらに、沈殿方式または浮遊方式でシュレッダー切片を処理する際に使用されるたとえば分離材のような補助物質を有毒物質が汚染する場合がある。この場合、高コストの汚染した補助物質の除去が必要である。もちろん、健康に有害な物質および元素は、周囲もしくは有機生体への放射を完全に回避できない限りは、部品の使用中においても望ましいものではない。

したがって、この種の生産物に対してはエコロジーと有毒性の点で心配のない組成が重要である。たとえば最近追加された飲料水条例ＤＩＮ５０９３０−６や廃品条例のような数多くの規則および技術規定に見出される環境意識の高まりは、適切な材料を要求している。

電子技術においては、主にＰｂを含んだ真鍮が接点材料として使用され、より厳密には円形の接点または固定接点として使用される。円形の接点または固定接点としてはたとえばクランプ・プラグコネクション或いはプラグコンタクトが挙げられる。材料の選定にあたっては、加工が容易であることが優先される。この種のアッセンブリは、Ｐｂを含んだ加工真鍮から切削により高生産率で製造することができる。

組織にＰｂが沈積することにより不具合が生じる。Ｐｂの沈積はチップブレーカーとして作用するが、しかしノッチ作用と支持横断面の減少とのために材料の強度または延性を低下させる。この不具合は部品のサイズを適当に選定することにより補償されねばならない。

すべての固定要素においては、製造に起因して多かれ少なかれ大きな機械的内部応力が存在する。この機械的内部応力がねじ結合に由来する引張り応力と重畳することがある。クランプ結合部を通常のＰｂ真鍮から製造すると、この種の応力のために応力腐食割れの恐れが大いにある。

加えて、電子技術および電子工学においては、エコロジー的に好ましい材料に対する需要もある。電気電子廃棄器具に関する欧州議会要綱は、Ｐｂは将来的に望ましくない合金成分であると中間報告している。これに関連して、材料リサイクルにおいて環境にやさしい材料成分を高めようというのがこのイニシアティブの目的である。

さらに、Ｐｂを含んだ真鍮から、液体の搬送または保管用の部品或いは容器が製造される。重要な分野は衛生技術である。金属に無頓着であることはこの分野でこそ特に問題である。したがって、使用される材料はいかなる種類の腐食に対しても抵抗力がなければならない。通常、液体の搬送または保管用の部品の製造は切削により行なわれる。切削の前に落とし鍛造による熱変形が行なわれることもしばしばある。

鉛を含んだこの種の真鍮合金は、たとえば特許文献１から知られている。この真鍮合金は光学産業、装飾産業、および飲料水設備、衛生設備で鍛錬用合金または鋳造合金として使用される。この合金も、かなりの成分の鉛を混入して好適な切削姓を得ている。

銅をベースにした、被削性に優れる無鉛の鍛錬用合金の開発は、特許文献２から知られている。この合金は、加工条件を変更することなく、従来の鉛を含んだ材料の代用とすることを目的としたものである。このため、鉛の代わりに、ビスマスおよび他の元素、すなわち燐、インジウム、錫が少ない成分で合金に添加される。

ドイツ連邦共和国特許第４３１８３７７Ｃ２号明細書 ドイツ連邦共和国特許第６９１２４８３５Ｔ２号明細書

本発明の課題は、無鉛銅合金をその特性に関しさらに改善すること、およびその使用方法を提供することである。

この課題は、７０ないし８３％のＣｕと、１ないし５％のＳｉおよび他のマトリックス活性元素、すなわち０．０１ないし２％のＳｎ、０．０１ないし０．３％のＦｅおよび／またはＣｏ、０．０１ないし０．３％のＮｉ、０．０１ないし０．３％のＭｎと、残りはＺｎおよび不可避の不純物とから成る、銅、亜鉛、および錫をベースにした銅合金によって解決される。

銅合金は、選択的に、さらに０．１％までのＰと、選択的にそれぞれ０．５％までのＡｇ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒととを含んでいる。

合金成分の成分表示はすべて重量％で示したものである。

本発明が出発点とする思想は、合金要素の適当な組み合わせと個々の成分の協働とから結果する特性がその全体において合金に対する期待を満たし、したがって材料に対する要求がカバーされるというものである。このため材料は同時に以下の点をも特徴としている。
・有害元素の欠如
・優れた被削性
・優れた成形性
・高い耐食性
・鉛を含んだ切削真鍮に比べて強度レベルが向上し、同時に延性が高い
・半製品製造工場での大量生産への適格性
・半製品製造工場での安定した製造、すなわち稼動パラメータが変動しても影響を受けない。

さらに銅合金は、有害添加物のない、Ｓｉを含んだＣｕＺｎ合金（特殊真鍮）として構成されている。これによって必然的に健康およびエコロジーに対する適合性への要求が満たされる。

本発明による合金のＣｕ含有量は７０％と８３％の間である。Ｃｕ含有量が７０％以下であると、脆化の原因になる。これは破断伸びまたは切欠き棒衝撃曲げ引張り強さが著しく小さい点で顕著になる。したがって、たとえば切削成形で不具合が生じる。Ｃｕ含有量が８３％を越えると、カッティングを中断せずに切削加工を行なう場合に長い、かさばる切屑が発生する。

Ｓｉ含有量に関してもこれに対応している。Ｓｉの濃度が１％以下であると、切屑が短いという利点が失われる。５％以上であると、引張り強さがかなり低下する。

Ｓｎ、Ｍｎ、Ｎｉを使用するのは、与えられた銅含有量で組織構造を目的に応じて制御するためである。ＳｎとＭｎは体心立方ベータ層の成分を増大させ、Ｎｉは面心立方の銅・錫混合結晶の成分を安定させる。

Ｓｎが０．０１％以下であれば、ベータ層の成分が少なすぎるので有利でなく、Ｓｎが２％以上であると、冷間成形性が損なわれる。

Ｍｎが０．０１％以下であれば、ベータ層の成分が少なすぎるので有利でない。Ｍｎが０．３％以上であると、成形性と応力腐食割れに対する耐久性とが損なわれる。

Ｎｉが０．０１％以下であれば、銅混合結晶を十分に安定させるには十分でなく、さらに平面腐食作用に対する好ましい抵抗作用がなくなる。Ｎｉが０．３％以上であると、冷間成形時の凝固が強すぎ、有利ではない。

アルファ層の粒径を制御するにはＦｅまたはＣｏが必要である。０．０１％以下であれば効果が十分に発現しない。０．３％以上であれば、Ｓｉと一緒でも析出が粗くなるという危険がある。これは冷間成形にとって不具合である。

本発明による材料の特徴は、ＥＮ１００４５に従って決定された、室温でのその切欠き棒衝撃曲げ引張り強さを、Ｐｂを含んだ真鍮とＰｂを含んでいない真鍮との間に分類することができ、他方６００℃以上の温度では、Ｐｂが存在しない真鍮のレベルに達することである。

選択的にＰが含まれているのは、初期の鋳造組織の形成と腐食特性とを好都合に制御するためである。燐は溶融物の流動能を向上させ、応力腐食割れに対する感度に対し好都合に影響する。

特に０．００３％以上の成分はこの作用が著しくなる。しかし、０．１％以上であると、結晶粒界における粒間腐食への強い傾向による不具合が解消されない。

くもり層の発生を可能にするため、０．５％までのアルミニウムをオプションで添加することができる。これは特に装飾目的のために有利である。特に０．００３％以上の成分でこの効果が顕著になる。０．５％以上の含有量はベータ層の形成を促進させるので有利でない。

本発明による材料から形成される半製品は、６００℃と７５０℃の間の温度での通常の連続鋳造、押出し成形を介して冷間成形で、たとえば引抜きにより製造される。

この製造順序で構成物を支障なく製造可能であり、しかもその特性はコンスタントであることが明らかになった。これは、文献では通常取り扱われない三元合金Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉには該当しない。三元合金Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉには、連続鋳造における好ましい特性と、たとえば押出し成形時の稼動パラメータの変動にあまり依存しない安定な組織形成とが欠如している。これは、最終生産物自体における技術的特性値の均一な変化と、種々加工される鋳造装入物間の不変の特性との両方に関わるものである。製造された丸棒の特性の変動幅はほぼマトリックス活性元素の含有量に依存していることが明らかになっている。多数成分であるＣｕ，Ｚｎ，Ｓｉをベースにした場合、マトリックス内で少なくとも部分的に溶解可能なマトリックス活性元素であるＳｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎの全体含有量は、半製品製造工場における変動稼動パラメータの影響を受けない製造にとって決定的に重要であり、或いは選択元素であるＰ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｓ，Ｍｇ，Ｓｂ，Ｔｉ，Ｚｒとの関連で決定的に重要である。

有利な実施形態では、銅合金は、７３ないし８３％のＣｕと、２．５ないし４％のＳｉと、残りはＺｎおよび不可避の不純物とから成っている。

これとは択一的に、有利な他の実施形態では、銅合金は、７３ないし７８％のＣｕと、３ないし３．５％のＳｉと、残りはＺｎおよび不可避の不純物とから成っている。

これとは択一的に、有利な他の実施形態では、銅合金は、７０ないし８１％のＣｕと、１．５ないし２％のＳｉと、残りはＺｎおよび不可避の不純物とから成っている。

これとは択一的に、有利な他の実施形態では、銅合金は、７３ないし８３％のＣｕと、２ないし２．５％のＳｉと、残りはＺｎおよび不可避の不純物とから成っている。

上記した実施形態ではすべて燐が含まれている。これは、特に初期鋳造組織の形成と腐食特性とを好都合に制御するためである。これらの合金成分によれば、０．０２ないし０．０５%のＰ成分により、材料に対する期待が特別に満たされる。

Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｉ以外のマトリックス活性元素が含有されていると、ある程度の成分で技術的特性にばらつきが生じて製造に持続的に影響し、極端な場合には、生産プロセスの確実な制御が不可能なことがある。これを防止するため、銅合金の場合、前記他のマトリックス活性元素と選択的に供給した元素の全含有量が０．５％ないし３％であるのが有利である。

このような含有量だけで前記ばらつきはかなり減少し、特に有利な実施形態では、標準的な多くのプロセスで０．７ないし１％の含有量が最適である。

プロセス制御に応じては、マトリックス活性元素を高成分で装入することももちろん意義があるが、実際には最大で３％までしか与えられない。しかしながら、３％以上の含有量であると、ばらつきが実際に著しく改善されることはない。というのは、添加物の作用が重なって予測できないかなりの付加作用が観察され、意図した目的を達成させないからである。

銅合金は、電子技術および通信技術において接点、ピン、または固定要素のために使用するのが有利であり、たとえば円形の接点または固定接点に使用するのが有利である。円形の接点または固定接点にはクランプ・プラグコネクション或いはプラグコンタクトが含まれる。

合金は液状媒体およびガス媒体に比べて耐食性が高い。また脱亜鉛化および応力腐食割れに対して極めて耐久性がある。したがって、本発明による合金を、液体またはガスの搬送または保管用の容器、特に冷凍技術における容器、または衛生技術における管、水栓、水栓延長継手、パイプコネクタ、および弁のために使用するのが有利である。

腐食率が小さいので、金属無頓着性、すなわち液状媒体またはガス状媒体の作用により合金成分の特性を消失させる金属無頓着性自体が少ないことが保証される。したがって本発明による材料は、環境保護のために有害物質低放出を必要とする使用分野に対し適している。よって本発明による合金をリサイクル可能な部品の分野で使用するのが有利である。

応力腐食割れに対して強いので、本発明による合金を、技術的に大きな弾性エネルギーが蓄積されるねじ結合またはクランプ結合に使用するのが好ましい。特に有利なのは、本発明による合金を、引張り応力および／またはねじり応力を受ける部品、特にねじおよびナットのために使用することである。本発明による材料は、冷間成形後、Ｐｂを含むＣｕＺｎ合金よりも弾性限度に対しより高い値を達成させる。したがって、実際に変形してはならないねじ結合では、より大きな締め付けトルクを実現できる。ＣｕＺｎＳｎ合金の降伏比Ｒ_ｐ０．２／Ｒ_ｍは快削黄銅よりも小さい。したがって、一度だけ締められ、その際意識的に過度に伸ばされるねじ結合は、特に大きな保持力を達成させる。強度レベルが高いので、コンパクト化により少なくとも１０％の軽量化が可能である。

本発明による合金の場合、切欠き棒衝撃引張り強さは温度に著しく依存していることが明らかになった。温度が６００℃以上の場合、切欠き棒衝撃引張り強さは、Ｐｂを含んでいる多くの合金のそれに相当する値であって落とし鍛造部品に対し有利な使用が約束されるような値へ低下する。

合金成分としての鉛がなくとも、本発明による合金の被削性は優れている。したがって本発明による合金は、自動車製造、航空、宇宙工学用の滑動要素の製造にも適している。

銅合金は管状の出発材にもベルト状の出発材にも使用できる。有利には、フライス削りまたは押し抜きを好適に実施可能なベルト、薄板、および板の製造、特に鍵、飾り、装飾目的、またはプレススクリーンの適用のために使用するのに適している。製造のために通常の連続鋳造と、６００ないし９００℃の熱間圧延と、引き続きたとえば冷間圧延のような成形を行ない、必要に応じて補助的にさらに焼き鈍し・成形ステップを行なって、適当なベルト半製品を形成させる。合金は鍛錬用合金、圧延合金、または鋳造合金として使用可能である。

本発明によって得られる利点は、特に、耐食性が高いことと関連して被削性および成形性に優れていることである。この場合、脱亜鉛化および応力腐食割れに対する耐久性が特に優れている。

さらに有毒元素がないので、環境汚染に対する規定がますます厳しくなっているために無条件に使用することができ、特に飲料水用の管と関連させて使用することができる。本発明の他の重要な利点は、鉛を含んだ切削真鍮に対し同じ程度の延性で強度レベルが向上していることである。とりわけ、本発明による合金を製造する際に製造公差が小さいことが重要である。特に有利なことは、安定な製造に関連して、すなわち稼動パラメータの変動に対し影響を受けない製造に関連して、本発明による合金は半製品製造工場での真鍮の製造に適している。

次に、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。

図１は、生産物特性の標準偏差と、多数元素を含んでいないマトリックス活性元素の含有量との関係を示す図である。曲線の変化は、他の効果を考慮しないときに標準偏差に対し期待される傾向を示している。図からわかるように、Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｉ以外のマトリックス活性元素を含んでいる場合、ある成分に関しては技術的特性のばらつきが漸近的に減少している。これから結論されることは、マトリックス活性元素の成分量は可能な限り高くなければならないということである。しかしながら実際には、最大で３％までの全含有量でのみ望ましい材料特性が生じることが明らかになっている。含有量が３％を越えると、ばらつきの改善は見られない。これは、添加物の作用が重なって予測できないかなりの付加作用が観察され、更なる改善に至らないからである。

本発明による組成を適用することにより可変性の点で特に強調される材料特性は、材料の弾性限度、引張り強度、破断伸び、硬度、粒径、および凝固である。冷間成形と焼き鈍しにより、場合によってはこれらを交互に適用することにより加工をさらに進めると、これに対応した特性が観察される。

以下の実施例は、本発明によるＳｉを含んだ特殊真鍮から成る半製品の製造および特性に関するものである。

チル鋳造により２本の筒状の棒材（φ１５０ｍｍ×３００ｍｍ）を製造した。棒材１の組成は７３．６３％のＣｕ、２３．３７％のＺｎ、２．９４％のＳｉ、０．０１％のＳｎ、０．０２％のＦｅ、０．０１％のＮｉ、０．０１％のＭｎ、０．００６％のＰであった。棒材２の組成は７６．６５％のＣｕ、２０．０４％のＺｎ、３．２７％のＳｉ、０．０１％のＳｎ、０．０１％のＦｅ、０．０１％のＮｉ、０．０１％のＭｎ、０．００３％のＰであった。棒材は７００℃の温度で押出し成形により丸棒（φ２１．５ｍｍ）に成形させた。硫酸と過酸化水素で酸洗いすることにより表面を処理した後、引張り成形により冷間成形し、最終寸法φ２０ｍｍに仕上げた。

次の表１は、Ｓｉを含んだ特殊真鍮と、比較可能に製造したＣｕＺｎ３７およびＣｕＺｎ３９Ｐｂ３から成る半製品とのいくつかの使用特性を比較した一例である。

この例からわかるように、Ｃｕ含有量が少ないと、材料は著しく脆化する。棒材１は、棒材２よりも銅濃度がほぼ３％少ない。その結果対応的に破断伸びが減少している。Ｃｕ成分をさらに減少させると、７０％以下の値では、本発明にしたがって有利に得られる合金特性はもはや達成されない。

銅とシリコンとを十分に含んだ棒材２から製造された丸棒の引張り強度は、比較材料の場合よりも著しく大きい。破断伸び値はＣｕＺｎ３９Ｐｂ３の破断伸び値とＣｕＺｎ３７の破断伸び値との間にあり、耐食性はＳｉを含んだ材料の場合最大である。切削加工では、Ｐｂを含んだ快削黄銅の場合と同様の好ましい切屑形状が得られる。

棒材２から得られた棒に対し切欠き棒衝撃曲げ実験を行なった。図２は、切欠き棒衝撃強さａ_Ｋと温度との関係を、本発明による合金とＰｂを含んだ従来技術の合金とに対し示したものである。

図２は比較のためにＰｂを含んでいない真鍮突きぎりとＰｂを含んでいる突きぎりとを示したものである。後者には古典的な鍛造用真鍮ＣｕＺｎ４０Ｐｂ２もある。低温でのａ_Ｋ値はＰｂを含んでいないＣｕＺｎ合金のそれ以下である。これは本発明による合金の比較的好ましい切屑形状と関連している。６００℃以上の温度では、切欠き棒衝撃強さはＰｂを含んでいない合金の値に達する。したがって、Ｓｉを含んでいる合金は複雑な落とし鍛造部品の製造にも適している。

生産物特性の標準偏差と、多数元素を含んでいないマトリックス活性元素の含有量との関係を示す図である。 切欠き棒衝撃強さａ_Ｋと温度との関係を、本発明による合金とＰｂを含んだ従来技術の合金とに対し示したグラフである。

Claims (14)

1. 重量％で、
   ７０ないし８３％のＣｕ、
   １ないし５％のＳｉ、
   ０．０１ないし２％のＳｎ、
   ０．０１ないし０．３％のＦｅおよび／またはＣｏ、
   ０．０１ないし０．３％のＮｉ、
   ０．０１ないし０．３％のＭｎ、
   選択的にさらに０．１％までのＰ、
   選択的にさらにそれぞれ０．５％までのＡｇ、Ａｌ、Ａｓ、Ｍｇ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、
   残りはＺｎおよび不可避の不純物、
   から成るＣｕ−Ｚｎ−Ｓｉをベースにした銅合金。
2. ７３ないし８３％のＣｕ、
   ２．５ないし４％のＳｉ、
   であることを特徴とする、請求項１に記載の銅合金。
3. ７３ないし７８％のＣｕ、
   ３ないし３．５％のＳｉ、
   であることを特徴とする、請求項１に記載の銅合金。
4. ７０ないし８１％のＣｕ、
   １．５ないし２％のＳｉ、
   であることを特徴とする、請求項１に記載の銅合金。
5. ７３ないし８３％のＣｕ、
   ２ないし２．５％のＳｉ、
   であることを特徴とする、請求項１に記載の銅合金。
6. ０．０２ないし０．０５％のＰが含まれていることを特徴とする、請求項２から５までのいずれか一つに記載の銅合金。
7. Ｓｎ、Ｆｅおよび／またはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、選択的に供給した元素の全含有量が０．５ないし３％の全含有量であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の銅合金。
8. 電子技術において接点、ピン、または固定要素のために使用する、請求項１から７までのいずれか一つに記載の銅合金の使用方法。
9. 液体またはガスの搬送または保管用の容器、冷凍技術における容器、または衛生技術における管、水栓、水栓延長継手、パイプコネクタ、および弁のために使用する、請求項１から７までのいずれか一つに記載の銅合金の使用方法。
10. 引張り応力および／またはねじり応力を受ける部品、ねじおよびナットのために使用する、請求項１から７までのいずれか一つに記載の銅合金の使用方法。
11. 環境を保護するための低環境汚染有害物質を含んだリサイクル可能な部品のために使用する、請求項１から７までのいずれか一つに記載の銅合金の使用方法。
12. 落とし鍛造部品のために使用する、請求項１から７までのいずれか一つに記載の銅合金の使用方法。
13. フライス削りまたは押し抜きを好適に実施可能なベルト、薄板、および板の製造、鍵、飾り、装飾目的、またはプレススクリーンの適用のために使用する、請求項１から７までのいずれか一つに記載の銅合金の使用方法。
14. 鍛錬用合金、圧延合金、または鋳造合金として使用する、請求項１から７までのいずれか一つに記載の銅合金の使用方法。

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