JP4620963B2

JP4620963B2 - 黄銅およびその製造方法ならびにこれを用いた部品

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Publication number: JP4620963B2
Application number: JP2004106930A
Authority: JP
Inventors: 義統山岸
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005290475A

Description

本発明は、有害とされるＰｂをほとんど含有せず、Ｂｉを添加することで切削性を得ている快削黄銅において、さらに良好な熱脆化特性、快削性、低コストを実現する快削黄銅に関するものである。

Ｃｕ-Ｚｎ-Ｐｂ系の快削黄銅は熱間加工性、切削性等に優れ古くから水回り部品やガスバルブなどに広く使用されてきており、一般に鍛造用黄銅棒（ＪＩＳＣ３７７１）、快削黄銅棒（ＪＩＳＣ３６０４）、高力黄銅棒（ＪＩＳＣ６７８２）等が知られているが、これらの合金はいずれも人体に有害とされる鉛を多量に含有するものであるため、鉛を低減させまたは含有せずに切削性を向上させるべく開発が行われてきた。
すなわち、快削黄銅においてＰｂを低減させまたは含有せずに切削性を得る方法として、Ｃｕ-Ｚｎ合金にＳｉを添加することで、切削性、強度を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

またＰｂに代えてＢｉを添加することで快削黄銅の優れた切削性を維持する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。さらには、黄銅にＢｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｐなどを添加して切削性と耐食性を向上させる方法（例えば、特許文献３参照。）や、黄銅にＢｉ、Ｓｎ、Ｓｉなどを添加して、切削性と耐食性を改善させる方法（例えば、特許文献４参照。）が提案されている。
特開２０００-１１９７７４号公報特開昭５４-１３５６１８号公報特開２００３-２７７８５５号公報特開２００３-２４７０３５号公報

Ｓｉを添加した快削黄銅はこれまでの快削黄銅に比べて、強度が高く、伸びが低いものとなって、特性が変化するため代替品として使いにくいという欠点があった。
ＢｉはＰｂと同様に黄銅中に固溶せず、切粉を分断させる効果があり、かつ機械的特性にも大きな影響を与えないため、これまでの快削黄銅中のＰｂ代替品として添加が試みられきた。しかし、不純物として混入しやすいＰｂとＢｉが同時に存在すると熱脆化温度が下がることがあるという問題があった。また、切削性に対するＢｉの効果はＰｂに比べて若干劣っているという問題もあった。
本発明はＰｂに代えてＢｉを含有する快削黄銅の上記のような問題点を解決し、優れた快削性、熱脆化特性を得ることを目的とするものである。

本発明者はＰｂに代えてＢｉを含有する快削黄銅における従来の問題点を解決するために鋭意研究を行い、快削性向上のための所定量のＢｉと微量のＰｂを含んだ黄銅に所定量のＢ、さらにはＮｉを添加し、適当な条件の鋳造を行うことにより、切削性（切削抵抗、切粉の分断性）および熱脆化特性を向上させ得ることを見出したものである。

すなわち本発明は第１に、５７〜７８質量％の銅（Ｃｕと表す。）、０．５〜３．５質量％のビスマス（Ｂｉと表す。）、０．００１以上〜２．０質量％未満の鉛（Ｐｂと表す。）、０．０１〜１．２質量％のニッケル（Ｎｉと表す。）、および０．００２〜０．３質量％のホウ素（Ｂと表す。）を含有し、残部が亜鉛（Ｚｎと表す。）と不可避的不純物からなり、該Ｂ含有量と該Ｎｉ含有量の質量比が０．２以下である黄銅；第２に、５７〜６６質量％のＣｕ、０．５〜３．５質量％のＢｉ、０．００１以上〜２．０質量％未満のＰｂ、０．０１〜１．２質量％のＮｉ、および０．００２〜０．３質量％のＢを含有し、残部がＺｎと不可避的不純物からなり、該Ｂ含有量と該Ｎｉ含有量の質量比が０．２以下である黄銅；第３に、前記黄銅がさらに０．０１〜０．５質量％の鉄（Ｆｅと表す。）、０．０１〜０．８質量％の錫（Ｓｎと表す。）、０．０１〜０．７質量％のケイ素（Ｓｉと表す。）、０．０１〜３．４質量％のアルミニウム（Ａｌと表す。）、０．００１〜０．５質量％のヒ素（Ａｓと表す。）、０．０１〜０．５質量％のアンチモン（Ｓｂと表す。）、０．００５〜０．１質量％のリン（Ｐと表す。）のうちから選ばれる１種以上の元素を合計で０．０１〜２質量％含有する第１または２に記載の黄銅；第４に、結晶粒度が１４０μｍ以下である第１〜３のいずれかに記載の黄銅；第５に、切削抵抗指数が３０％以上である第１〜４のいずれかに記載の黄銅；第６に、前記黄銅の溶体を前記黄銅組成に調整し、出湯時の温度を１１５０℃以上として鋳造する第１〜５のいずれかに記載の黄銅の製造方法；第７に、第１〜５のいずれかに記載の黄銅を用いた伸銅棒材または鋳物製品；第８に、第１〜５のいずれかに記載の黄銅を用いた切削加工品である。

本発明に係る快削黄銅は鉛含有量を大幅に低減させ、かつ熱脆化温度を向上し、切削性（切削抵抗、切粉分断性）を改善できるという利点がある。

まず、本発明に係る快削黄銅の合金成分範囲について説明する。
（１）Ｃｕ含有量が５７質量％未満では高温でβ単相となりやすく結晶粒が粗大化しやすくなる。また、好ましくはＣｕ含有量が７８質量％を超えないようにする。Ｃｕ含有量が７８質量％を超えると相対的にＺｎ含有量が低下しマトリックスの強度が不足する。さらに、熱間加工性を特に重視する場合には、Ｃｕが６６質量％を超えると高温域でもβ相が十分に析出せず熱間加工性が低下する。このため、Ｃｕ含有量は好ましくは５７〜７８質量％とし、さらに好ましくは５７〜６６質量％とし、５９〜６２質量％が一層好ましい。
（２）Ｂｉは切削性（切削抵抗、切粉分断性）を向上させる。Ｂｉ含有量が０.５質量％未満では十分な切削性が得られず、また３.５質量％を超えると切削性の効果が飽和する。またＢｉはＣｕ、Ｚｎと比較して高価でもあり、Ｂｉ含有量は０.５〜３.５質量％とし、好ましくは１.０〜２.０質量％とする。

（３）Ｐｂは切削性を向上させるため、これまでの快削黄銅に含有されてきた。Ｐｂ含有量を０.００１質量％未満とするためには、原料、溶解炉、鋳造機などからのＰｂ混入を防がなくてはならず、コストアップ要因となる。また、Ｐｂが２.０質量％以上に含有されると、Ｐｂ含有量やＰｂ溶出量の規制をクリアするのが困難な場合があり、Ｐｂ含有量は０.００１以上〜２.０質量％未満とし、好ましくは０.００１〜０.２質量％未満とし、更に好ましくは０.００１〜０.１質量％とする。なお、Ｐｂは不純物程度に含有された場合、または上記範囲内において添加した場合においても機能する。
（４）Ｂは結晶粒の微細化に寄与し、熱間加工性や機械的特性を向上させると共に、粒界に析出して切粉の分断性を向上させる。また、結晶粒微細化、および粒界への析出によりＢｉとＰｂの共晶による熱脆化を妨げる効果もある。Ｂは０.００２質量％未満では十分な効果が得られず、０.３質量％を超えて添加しても微細化効果が飽和するので、０.００２〜０.３質量％とし、好ましくは０.０１〜０.０５質量％とする。
（５）Ｎｉの添加は結晶粒を微細化させ、また、亜鉛当量が負であるため、α相の割合を増加させ、耐脱亜鉛性を向上させる効果もある。Ｎｉ量の好ましい範囲は０.０１〜１.２質量％の範囲であって、０.０１質量％未満では添加の効果が不十分であり、また、１.２質量％を超えると機械的特性や添加コストの問題が発生する。さらに好ましいＮｉ量範囲は０.１〜０.４質量％である。

（６）次に、含有されるＢとＮｉの質量比を０.２以下に制御し、鋳造時の溶体の鋳型への注入温度を１１５０℃以上、鋳造後の結晶粒度を１４０μｍ以下とする理由について説明する。Ｂは融点が高く、黄銅中への添加が難しい元素である。添加にはＮｉ₁₅Ｂの母合金を用いることがコスト、作業性の面から有効である。この母合金を用いて鋳造を行い、Ｂを適当に分散させるためには鋳造時の溶体の鋳型への注入温度は１１５０℃以上とし、さらに鋳造にあたっては０.２〜１０℃/秒の冷却速度で冷却することが望ましい。Ｂが適当に分散すると鋳造後の結晶粒を微細化する効果がある。黄銅の場合はＢを添加することで鋳造後の結晶粒度が１４０μｍ以下となり、熱間加工性を向上させる。また、逆に結晶粒度が１４０μｍ以下、さらには３０μｍ以下であればＢの分散状態が適当であると言える。さらに、ＢとＮｉの質量比を０.２以下に制御することで、ＢとＮｉの化合物の析出が期待でき、切粉の分断性に寄与することができる。

（７）Ｆｅ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐは黄銅のスクラップ中に含まれる元素であり、これらの元素を許容できることでコスト的に有利となる。また、Ｆｅ、Ｓｎ、Ａｌには特に素材の強度を上げる効果があり、Ｓｎ、Ｓｉ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐには材料の耐脱亜鉛性を向上させる効果がある。そのため、０.０１〜０.５質量％のＦｅ、０.０１〜０.８質量％のＳｎ、０.０１〜０.７質量％のＳｉ、０.０１〜３.４質量％のＡｌ、０.００１〜０.５質量％のＡｓ、０.０１〜０.５質量％のＳｂ、０.００５〜０.１質量％のＰのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で０.０１〜２質量％含有することで、さらなる特性の向上が期待できる。
なお、上記成分は化学分析によって測定され、好ましくはＩＣＰ等を用いれば良い。
また、本発明でいう不可避的不純物とは、前記のような所望の成分の他の元素成分を言う。特に、黄銅の原材料としてスクラップを使用する場合には、雑多な成分が含まれるため、その所望の成分以外の成分の総量が１質量％以下であるのが望ましい。

なお、本発明に係る切削加工品としては、バルブ、継ぎ手、管、水洗、給湯器などの水回り部品、ならびにガス器具、空調機などの電気、機械部品、自動車向けなどの輸送機器用部品が挙げられる。

以下に実施例を記載するが、本発明の技術的範囲はこの記載に限定されるものではないことは言うまでもない。

本発明における快削黄銅を適用した実施例および比較例を説明する。
まず、試料の作成方法について説明する。表１に示す化学成分をそれぞれ誘導炉で溶解した後、８０ｍｍ直径の円柱状のビレットを半連続鋳造した。

表２に表１の成分の試料製造時の鋳造温度と鋳造後の結晶粒度を示す。鋳造で得られた直径８０ｍｍの円柱状のビレットを７００〜８００℃で、３０分保持した後、直径２６ｍｍもしくは３０ｍｍまで熱間押し出しを行い、その後、空冷した。棒材として試験する場合、直径２６ｍｍの前記押し出し棒を直径２５ｍｍまで冷間引き抜きおよび矯正をおこない、その後４００℃の温度で３０分間保持した後、空冷した。鍛造品として試験をおこなう場合は直径３０ｍｍの押出棒を素材温度６５０〜７５０℃、３０〜７０％のアプセット率、歪速度１５ｍｍ/秒で鍛造し、その後０.３２〜５.４℃/秒で冷却した。結晶粒度は鋳造後、常温まで冷却したビレットの組織を測定した。結晶粒度の測定方法はＪＩＳＨ０５０１の切断法を用いた。

表３に切削性（切削抵抗、切粉分断性）および熱脆化温度、表４に引張強さ、伸び、硬さの結果を示す。切削性は切削抵抗と切粉の分断性の２点で評価をおこなった。切削抵抗、切粉の分断性ともＰｂ入り快削黄銅（前述のＪＩＳＣ３６０４）と比較し、切削抵抗指数と切粉分断性指数を用いて評価した。切削性指数、切粉分断性指数の計算式を下に示す。
切削抵抗指数（％）＝ JIS H3250 C3604の切削抵抗 ×100
試験片切削時の切削抵抗
切粉分断性指数（％）＝JIS H3250 C3604の１ｇあたりの切粉の数×100
試験片切削時の１ｇあたりの切粉の数

なお、切削抵抗指数の切削抵抗値は旋盤加工時には主分力、ドリル加工時にはトルクを用いた。切削試験の試験片は上記に記載の冷間引抜後、熱処理をおこなった直径２５ｍｍの棒材、および上記製造方法で製造した鍛造品を用いて行った。切削条件は旋盤加工では回転数９５０、２０００ｒｐｍ、切り込み量１.０ｍｍ、送り速度０.０７５ｍｍ/ｒｅｖとし、ドリル加工では回転数１０００ｒｐｍ、送り速度１.０ｍｍ/分とした。切削抵抗指数は３０％未満を×、３０〜８０％を○、８０％を超えたものを◎と記した。
切粉分断性指数は１０％未満を×、１０〜６０％を○、６０％を超えたものを◎と記した。
熱脆化温度はＪＩＳＺ２２４２の金属材料衝撃試験方法に基づいて行い、試料の吸収エネルギーが常温の1/2となる温度を熱脆化温度とした。金属材料衝撃試験の結果を横軸を試験温度（℃）、縦軸を吸収エネルギー（ｋｇｆ・ｍ）のグラフとして図１に示す。

以下に試験片の製造方法を説明する。上記製造方法で８０ｍｍのビレットを製造後、７００〜８００℃で３０分間保持した後、四角１０.７ｍｍまで熱間押出をおこない、さらに冷間引抜き、熱処理をおこない四角１０ｍｍの棒材を作成した。次に切削加工を行い、ＪＩＳＺ２２０２のシャルピー衝撃試験片を作成した。
熱脆化特性の評価は１４０℃未満を×、１４０℃以上を○と記した。
引張試験、ビッカース硬さ試験方法はそれぞれＪＩＳＺ２２４１、Ｚ２２５２に基づいておこなった。
表１、２、３から本発明の組成、鋳造条件を利用した実施例１〜９は何れも優れた切削性（切削抵抗指数、切粉分断性指数）、熱脆化温度を示している。また、表４から良好な機械的特性を示している。

一方比較例である１０、１１ではＢの添加がない。そのため、熱脆化温度が実施例と比較して低くなっている。また、比較例１１では、Ｂｉの量が若干低く、またＢやＮｉの添加をおこなっていないため、特にドリル加工で切粉の分断が悪くなっている。
比較例１２はＰｂ入り快削黄銅の成分である。切削性（切削抵抗、切粉分断性）、熱脆化温度のいずれも優れた特性を示すが、Ｐｂの含有量は２.８質量％であり、Ｐｂの溶出などの懸念があり、ＥＰ等規制国での商取引が困難となる。

なお、実施例１〜９の黄銅を用いてガスバルブ基体（部品）、電気コネクター端子（部品）が製作可能であって、既存設備の大きな変更は必要なく、生産性に優れたものであり、これにより広く鉛の溶出を抑えたガスバルブ、コネクター等の供給が可能となった。

鉛含有量を大幅に低減させ、かつ熱脆化温度を向上し、切削性（切削抵抗、切粉分断性）を改善した快削黄銅であって、Ｐｂをほとんど含有せず環境問題に適応して、水回り部品やガスバルブ部品などに広く適用できる。

金属材料衝撃試験の結果を示すグラフである。

Claims

５７〜７８質量％のＣｕ、０．５〜３．５質量％のＢｉ、０．００１以上〜２．０質量％未満のＰｂ、０．０１〜１．２質量％のＮｉ、および０．００２〜０．３質量％のＢを含有し、残部がＺｎと不可避的不純物からなり、該Ｂ含有量と該Ｎｉ含有量の質量比が０．２以下である黄銅。
５７〜６６質量％のＣｕ、０．５〜３．５質量％のＢｉ、０．００１以上〜２．０質量％未満のＰｂ、０．０１〜１．２質量％のＮｉ、および０．００２〜０．３質量％のＢを含有し、残部がＺｎと不可避的不純物からなり、該Ｂ含有量と該Ｎｉ含有量の質量比が０．２以下である黄銅。
前記黄銅がさらに０．０１〜０．５質量％のＦｅ、０．０１〜０．８質量％のＳｎ、０．０１〜０．７質量％のＳｉ、０．０１〜３．４質量％のＡｌ、０．００１〜０．５質量％のＡｓ、０．０１〜０．５質量％のＳｂ、０．００５〜０．１質量％のＰのうちから選ばれる１種以上の元素を合計で０．０１〜２質量％含有する、請求項１または２に記載の黄銅。
結晶粒度が１４０μｍ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の黄銅。
切削抵抗指数が３０％以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の黄銅。
前記黄銅の溶体を前記黄銅組成に調整し、出湯時の温度を１１５０℃以上として鋳造する、請求項１〜５のいずれかに記載の黄銅の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の黄銅を用いた伸銅棒材または鋳物製品。
請求項１〜５のいずれかに記載の黄銅を用いた切削加工品。