JP5116976B2

JP5116976B2 - 半融合金鋳造用原料黄銅合金

Info

Publication number: JP5116976B2
Application number: JP2006034126A
Authority: JP
Inventors: 恵一郎大石
Original assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Shindoh Co Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: US20090016927A1; WO2007091690A1; US20090294087A1; CN101379205A; JP2007211310A

Description

この発明は、溶湯を撹拌処理することなく半融合金鋳造することにより結晶粒が微細な黄銅合金鋳物を製造することができる半融合金鋳造用原料黄銅合金に関するものである。

工業上使用されている黄銅はＺｎ：８〜５０質量％を含有し、その用途によって区別されている。代表的なものとしてＺｎ：８〜２０質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる黄銅合金、Ｚｎ：２５〜３５質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる黄銅合金、Ｚｎ：３５〜４５質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる黄銅合金などに分類されている。Ｚｎ：８〜２０質量％を含有する黄銅合金は黄金色に最も近い色調を呈するところから装飾品の製造に使用されている。さらに、Ｚｎ：２５〜３５質量％を含有する黄銅合金は代表的なものとして、銅：７０質量％，亜鉛：３０質量％からなり、均一なα固溶体組織を有する７−３黄銅として知られており、さらにＺｎ：３５〜４５質量％を含有する黄銅合金は代表的なものは銅：６０質量％，亜鉛：４０質量％からなり、α＋β固溶体組織を有する６−４黄銅として知られており、これらの黄銅合金は各種機械部品の製造に広く使用されている。さらに、Ｓｉを添加して湯流れ性を改善した特殊黄銅合金、快削性を向上させるためにＰｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅを単独又は複数添加した特殊黄銅合金、さらに、強度、耐蝕性、耐摩耗性を向上させるためにＡｌ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉなどを単独又は複数添加した特殊黄銅合金なども知られている。

かかる黄銅合金の溶湯を通常の方法で溶解し鋳造しても、デンドライト組織が生成して微細な結晶粒を有する黄銅合金鋳物は得られない。そこで、結晶粒が微細な黄銅合金鋳物を得るためのいろいろな鋳造法が提案されており、その一例として半融合金鋳造法が提案されている。この方法は、合金の液相線温度未満でかつ固相線温度を越える温度範囲内に保持して固体金属と液体金属とが混合したスラリー状態に保持された合金（このスラリー状態の合金を「半融合金」と呼んでいる）を、機械的撹拌や電磁撹拌などにより撹拌しながら冷却し凝固させ、所定の固相率となったところで撹拌を停止したのち鋳造する方法である。この方法によると撹拌により固液混合スラリー中に生成したデンドライトは分断され、固液混合スラリー中の初晶固体は球状となり、そのために高い固相率まで流動性を保持することが出来るとされている。また、この方法によると、結晶粒が微細な黄銅合金鋳物を得ることができるとされている（非特許文献１参照）。
「金属便覧改訂５版」日本金属学会編、丸善（平成４年４月２０日発行）、Ｐ１０４１〜１０４２

しかし、溶湯を攪拌する半融合金鋳造法を実施するには、溶湯温度を制御しながら攪拌する必要があることから装置が大型化し、条件によって溶湯中に余分なガスを巻き込む恐れがあった。さらに金型の損耗を考慮した場合には、溶湯温度を下げる必要があるが、上記従来の黄銅合金は半融状態で攪拌してもデンドライト組織の生成を完全に避けることができず、そのために溶湯の流動性が著しく悪くなり、最終的には鋳造不良につながる恐れもあった。

本発明者等は、液相中のデンドライトを分断して粒状化するための攪拌手段を施すことなく、半融黄銅合金の流動性を向上させ、低温での半融黄銅合金を鋳造しても鋳造不良がなく結晶粒が微細な黄銅合金鋳物を製造すべく研究を行った。その結果、
（イ）Ｚｎ：８〜４０質量％を含む黄銅合金に、さらに、質量％で、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４ｗｔ％, Ｐ：０．０１〜０．２５ｗｔ％を含有せしめた黄銅合金を原料合金として、これを完全溶解したのち冷却して得られた半融黄銅合金または再溶解して得られた半融黄銅合金はいずれも流動性に優れ、この半融黄銅合金を鋳造すると、結晶粒が微細な黄銅合金鋳物を製造することができ、したがって、従来のように半融合金状態で撹拌処理を施す必要がない、
（ロ）前記（イ）記載の黄銅合金に、さらにＰｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の内の１種または２種以上含有する成分組成を有する黄銅合金についても同様の効果を奏する、
（ハ）前記（イ）〜（ロ）記載の黄銅合金が半融合金状態で流動性が良い理由は、前記（イ）〜（ロ）記載の黄銅合金が完全溶解したのち冷却して凝固する過程においてデンドライトではなく粒状の微細なα初晶が晶出することによるものであり、また、前記（イ）〜（ロ）記載の黄銅合金を再溶解して得られた半融黄銅合金は液相中に粒状の微細なα固相が共存していることによるものである、などの研究結果がえられたのである。

この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）質量％で、Ｚｎ：８〜４０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を含有し、さらに、Ｐｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の内の１種または２種以上含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成に調整された黄銅合金であって、前記黄銅合金を溶融した後の凝固過程において粒状のα初晶が晶出しあるいはα固相が存在することを特徴とする半融合金鋳造用原料黄銅合金、
（２）前記黄銅合金は、さらに、質量％で、Ｓｉ：２〜５％、Ｓｎ：０．０５〜６質量％およびＡｌ：０．０５〜３．５質量％の内の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載の半融合金鋳造用原料黄銅合金。

この発明の半融合金鋳造用原料黄銅合金は、予め成分調整したインゴットを作製して貯蔵しておき、必要量を取り出して再溶解することにより半融黄銅合金を作製し、得られた半融黄銅合金を鋳造することにより結晶粒が微細な黄銅合金鋳物を製造することができる。

この発明の半融合金鋳造用原料黄銅合金の成分組成を前述の如く限定した理由を説明する。
Ｚｎ：
ＺｎはＣｕに添加することにより融点を低下させるとともに合金溶湯の流動性を向上させ、さらに鋳物の耐食性を向上させるとともに機械的強度を向上させる作用を有するが、その含有量が８質量％未満では溶湯の流動性が低下するので好ましくなく、一方、４０％を越えて含有すると硬く脆くなって機械的強度が低下するようになるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用原料黄銅合金に含まれるＺｎは８〜４０質量％に定めた。
Ｚｒ：
ＺｒはＰと共存することにより半融合金状態において微細な粒状α初相の晶出を促進させ、また再溶解することにより半融黄銅合金の液相中にα固相を共存せしめ、それによって半融黄銅合金の流動性を改善させるとともに鋳造して得られた黄銅合金鋳物の結晶粒を微細化させる作用を有するが、その含有量が０．０００５質量％未満では鋳造した黄銅合金鋳物の結晶粒の微細化に十分な効果を発揮することがないので好ましくなく、一方、０．０４質量％を超えて含有すると、かえって黄銅合金鋳物の結晶粒が大きくなるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用原料黄銅合金に含まれるＺｒは０．０００５〜０．０４質量％に定めた。
Ｐ：
ＰはＺｒと共存することにより半融合金状態において微細な粒状α初相の晶出を促進させ、また再溶解することにより得られた半融黄銅合金の液相中にα固相を共存せしめ、それによって半融黄銅合金の流動性を改善させるとともに鋳造した黄銅合金鋳物の結晶粒を微細化させる作用を有するが、その含有量が０．０１質量％未満では鋳造した黄銅合金鋳物の結晶粒の微細化に十分な効果を発揮することがないので好ましくなく、一方、０．２５質量％を超えて含有すると、かえって鋳物の結晶粒が大きくなるので好ましくない。したがって、この発明の半融合金鋳造用原料黄銅合金に含まれるＰは０．０１〜０．２５質量％に定めた。
Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｌ：
Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｌは、それらの１種又は２種以上をＺｒ、Ｐ、ＣｕおよびＺｎと共添させると、機械的強度、耐食性、被削性、耐摩耗性を向上させ、包晶反応に与える組成範囲を広げ、顕著な結晶粒微細化効果を発揮し、さらに半融黄銅合金の流動性を一層改善させるために必要に応じて添加する。
この場合、Ｓｉの含有量は２質量％未満では所望の効果が得られず、一方、５質量％を超えて含有すると、熱伝導性が低下するとともに、かえって半融黄銅の流動性が低下するようになるので好ましくない。
また、Ｓｎは前記耐食性の内でも特に耐海水性を向上させる効果を有するが、その含有量は０．０５質量％未満では所望の効果が得られず、一方、６質量％を超えて含有すると、脆くなり、熱伝導性が低下するとともに、かえって半融黄銅の流動性が低下するようになるので好ましくない。
また、Ａｌは前記効果のほかに溶湯の流動性を向上させ、Ｚｒのロスを減少させ、さらに前記耐食性の内でも特に耐エロージョンコロージョン性を改善する作用を有するが、その含有量は０．０５質量％未満では所望の効果が得られず、一方、３．５質量％を超えて含有すると、熱伝導性が低下するとともに、かえって半融黄銅の流動性が低下するようになるので好ましくない。
したがって、この発明の半融合金鋳造用原料黄銅合金に含まれるＳｉは２〜５質量％、Ｓｎは０．０５〜６質量％、Ａｌは０．０５〜３．５質量％にそれぞれ定めた。これらＳｉ、Ｓｎ、Ａｌの成分の内でもＳｉが最も有効であり、Ｓｉを必ず含むことが最も好ましい。
その他の成分：
この発明の半融合金鋳造用原料黄銅合金にはさらにＰｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどが必要に応じて含まれるが、これらの成分が黄銅合金に含まれる場合にはＰｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の範囲で含まれることが好ましい。

この発明の半融合金鋳造用原料黄銅合金を溶解して固液混合スラリー状態の半融黄銅合金を作製し、この半融黄銅合金を通常の方法で鋳造すると、半融黄銅合金の液相中に微細な粒状α初相が晶出しあるいはα固相が共存しているため、攪拌処理装置を用いて撹拌を行わなくても半融黄銅合金の流動性が損なわれることなく鋳造することができ、さらに得られた半融黄銅合金を鋳造して得られた黄銅合金鋳物は結晶粒が一層微細化されて機械的強度が一段と向上するという優れた効果を奏するものである。

実施例１
原料として通常の電気銅を用意し、この電気銅を電気炉に装入し、Ａｒガス雰囲気中にて溶解し、溶銅温度が１２００℃になった時点でＺｎおよびＰを添加し、さらに必要に応じてＳｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどを添加し、最後にＺｒを添加することにより成分調整した黄銅合金溶湯を作製し、得られた黄銅合金溶湯を鋳造し凝固させて表１〜６に示される成分組成を有する本発明半融合金鋳造用原料黄銅合金（以下、本発明原料黄銅合金という）１〜６７および比較半融合金鋳造用原料黄銅合金（以下、比較原料黄銅合金という）１〜８からなるインゴットを作製した。
さらに、市販の銅：７０質量％、亜鉛：３０質量％からなる７−３黄銅および銅：６０質量％、亜鉛：４０質量％からなる６−４黄銅をＡｒガス雰囲気中にて溶解し、温度：１２００℃の黄銅合金溶湯を作製し、得られた黄銅合金溶湯を鋳造し凝固させて表７に示される成分組成を有する従来半融合金鋳造用原料黄銅合金（以下、従来原料黄銅合金という）１〜２からなるインゴットを作製した。

実施例１で得られた本発明原料黄銅合金１〜６７、比較原料黄銅合金１〜８および従来原料黄銅合金１〜２からなるインゴットの一部をそれぞれ切り取り、切り取ったインゴットを固相線温度を越えかつ液相線温度未満の範囲内の所定の温度に加熱することにより再溶解して半融黄銅合金溶湯を作製し、この半融黄銅合金溶湯を超急冷することにより急冷試験片を作製した。この急冷試験片の組織を光学顕微鏡で観察することにより半融黄銅合金溶湯において液相と共存するα固相の形状を推定し、さらにその平均粒径を求め、その結果を表１〜６に示した。

なお、α固相の平均粒径の測定は急冷試験片の切断面を硝酸でエッチングしたのち光学顕微鏡で観察し測定した。

表１〜６に示される結果から、本発明原料黄銅合金１〜６７は急冷試験片のα固相がいずれも微細な粒状を呈しているところから半融状態において粒状の微細なα固相が液相と共存していると推定され、一方、従来原料黄銅合金１〜２の急冷試験片のα固相がいずれも樹枝状を呈しているところから従来原料黄銅合金１〜２は半融状態においてデンドライトが生成していることが推定され、したがって本発明原料黄銅合金１〜６７で作製した半融黄銅合金は従来原料黄銅合金１〜２で作製した半融黄銅合金に比べて流動性が優れていること、本発明原料黄銅合金１〜６７を溶解して得られた半融黄銅合金は液相中に微細な粒状のα固相が生成しているので半融黄銅合金を撹拌することなく鋳造しても微細な結晶粒を有する鋳物が得られること、この発明の条件から外れてＺｎ、ＺｒおよびＰを含む比較原料黄銅合金１〜６は半融状態ではデンドライトが発生したり、結晶粒の微細化が不足したり脆くなったりするので好ましくないこと、さらにＺｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％が共存して含有していない比較黄銅合金７〜８は、デンドライトが発生することなどがわかる。

実施例２
実施例１で作製した前記本発明原料黄銅合金１〜６７、比較原料黄銅合金１〜８および従来原料黄銅合金１〜２からなるインゴットの一部をそれぞれ切り取り、切り取ったインゴットを完全溶解して全てが液相の黄銅合金溶湯を作製し、その後冷却して固相線温度を越えかつ液相線温度未満の範囲内の所定の温度に保持された半融黄銅合金溶湯を作製し、この半融黄銅合金溶湯を超急冷することにより急冷試験片を作製した。この急冷試験片の組織を光学顕微鏡で観察することにより半融黄銅合金溶湯に晶出ているα初晶形状を推定し、さらにその平均粒径を求めた結果、実施例１とほぼ同じ結果が得られた。

Claims

質量％で、Ｚｎ：８〜４０％、Ｚｒ：０．０００５〜０．０４％、Ｐ：０．０１〜０．２５％を含有し、さらに、Ｐｂ：０．００５〜０．４５％、Ｂｉ：０．００５〜０．４５％、Ｓｅ：０．０３〜０．４５％、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％の内の１種または２種以上含有し、残りがＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成に調整された黄銅合金であって、
前記黄銅合金を溶融した後の凝固過程において粒状のα初晶が晶出しあるいはα固相が存在することを特徴とする半融合金鋳造用原料黄銅合金。
前記黄銅合金は、さらに、質量％で、Ｓｉ：２〜５％、Ｓｎ：０．０５〜６質量％およびＡｌ：０．０５〜３．５質量％の内の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の半融合金鋳造用原料黄銅合金。