JP5148279B2 - 銅／亜鉛／ケイ素の合金、その使用方法およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、銅−亜鉛−ケイ素の合金およびこの種の銅−亜鉛−ケイ素の合金の使用方法および製造方法に関する。

銅−亜鉛−ケイ素の合金にとって重要度の高い要件は、脱亜鉛現象に対する抵抗、および機械加工が可能なことである。ここで、この種の真鍮の合金の良好な機械的特性は、例えばＥＰ １ ０４５ ０４１ Ａ１に記載されるように、鉛を加えることにより得られる。しかしながら、近年では、例えばＥＰ １ ０３８ ９８１ Ａ１やＤＥ １０３ ０８ ７７８ Ｂ３に記載されるように、良好な機械的特性を有する、鉛のない真鍮の合金が開発されてきた。鉛のない銅−亜鉛−ケイ素合金および鉛を含む銅−亜鉛−ケイ素合金のどちらも、酸化されやすく、３００〜８００℃の範囲内の温度でスケールの層を形成する。このスケールの層は、更に金属への付着が弱くなり、金属から容易に分離するようになる。このため、製品の設備に分散し、この層は設備を酷く汚染してしまうことになってしまう。製品の設備は清浄するのに大きな費用がかかり、製造コストが高くなってしまう。公知の銅−亜鉛−ケイ素合金の更なる問題点は、材料が均質性を有さないために、加工中の長い製品に沿って材料の機械的特性が変化してしまうことにある。

このような事実を鑑み、本発明は、均質性という観点において性能が向上し、更に、スケールが形成されにくくなるような銅−亜鉛−ケイ素の合金を提供する、ならびにこの種類の真鍮の合金の使用方法および製造方法を提供するという課題に基づいている。

合金に関する第１の目的は、７０〜８０質量％の銅と、１〜５質量％のケイ素と、０．０００１〜０．５質量％のホウ素と、０〜０．２質量％のリンおよび／またはヒ素と、不純物が不可避的に加わった、残りの亜鉛と、を含んだ銅−亜鉛−ケイ素の合金に係る発明により達成される。

銅の含有率は、７０〜８０質量％の間にある。銅の含有率が７０質量％よりも小さい、または８０質量％よりも大きい場合には、合金の機械的特性に悪影響を与えるからである。同様のことが、ケイ素の濃度が上述のような１〜５質量％の範囲から外れた場合にも当てはまる。合金におけるホウ素の濃度は０．０００１〜０．５質量％の範囲内にある。驚くべきことに、このように主張された濃度の範囲内においてホウ素を追加することにより、一方ではスケールの形成を抑止し、他方では残ったスケールの材料への付着力を大幅に増加させることができることがわかった。更に驚くべきことに、ホウ素を加えることにより微細構造の均質性を向上させ、このため機械的特性のばらつきを抑止することができることがわかった。リンやヒ素が各々０．２質量％以下の濃度で合金中に存在していてもよく、お互い代用することができる。リンやヒ素は、最初の鋳造の微細構造の形態および腐食性能に対してプラス効果を有し、更に溶融の流れ性能を向上させ、応力腐食割れの起こりやすさを減少させる。合金における残りの主要な構成要素は亜鉛である。

製造コストを増加させる容易に分離しやすいスケールの層を抑止し、機械的特性を向上させるという上述のように挙げられた利点に加えて、更に、腐食に対する高抵抗力と組み合わせられた良好な機械的特性および成形性能が得られる。脱亜鉛現象および応力腐食割れに対する抵抗力は本発明においてとりわけ明確となる。ＩＳＯ６５０９に基づいて行われる脱亜鉛現象テストにより、脱亜鉛現象によるたった２６μｍ以下の深さが得られる。

この種の銅−亜鉛−ケイ素の合金の使用方法に関する第２の目的は、電気工学の構成要素、衛生陶器の構成要素、液体または気体の搬送または貯留を行う容器、ねじり負荷のある構成要素、再利用可能な構成要素、落とし鋳造による構成要素、半製品、ストリップ、シート、輪郭のある部分、プレートに用いられるような使用方法、もしくは、鍛錬された、圧延された、または成型された合金としての使用方法により達成される。

銅−亜鉛−ケイ素の合金は、電気工学における接点、ピン、または固定部材として使用され、例えば、クランピングおよびプラグ接続またはプラグイン接点を含むような、固定された接点または取り付けられた接点として使用される。

合金には、液体や気体の媒体に関して腐食に対する高抵抗力を有する。さらに、脱亜鉛現象および応力腐食割れに対する抵抗力はとりわけ大きい。その結果、合金は、特に液体または気体の搬送または貯留を行う容器への使用に適合し、とりわけ、冷凍庫に使用される容器やパイプ、水用器具、バルブの拡張器、パイプのコネクタおよび衛生陶器のバルブへの使用に適合する。

腐食割合が低いことにより、金属の洗脱、すなわち液体または気体の媒体の動作により失われた合金の構成要素の特性が、本質的に確実に低くなる。この点において、材料は、環境を保護するために汚染物質排出を少なくすることを必要とする応用分野に適合する。このことにより、本発明による合金は、リサイクル可能な材料の分野に使用することができる。

応力腐食割れが発生しにくいことは、高い弾性エネルギーが貯留されるという技術的な理由により、合金が、ねじまたはクランプで締められた接続部への使用に好ましいことを意味する。このため、合金は、とりわけ引っ張り荷重および／またはねじり荷重を受ける全ての構成要素、特にナットおよびボルトに適合する。冷間成形の後に、材料に大きな値の耐力が得られる。その結果、必ずしもプラスチックのように変形させられていないようなねじ接続において、より大きな締めトルクを用いることができる。銅−亜鉛−ケイ素合金の降伏強度の割合は、快削真鍮の場合よりも低くなる。工程中において一度だけしか締められないようなねじ接続は、意図的に拡張し過ぎるようになり、とりわけ高い保持力が得られる。

銅−亜鉛−ケイ素合金の可能な使用方法により、チューブおよび細長い一片の形態の両方の出発材料となる。また、合金は、装飾目的またはリードフレームの適用において、圧延されたまたは穿孔された細長い一片、シートおよびプレート、とりわけ鍵、版木に極めて適合する。

この種の銅−亜鉛−ケイ素の合金の製造方法に関する第３の目的は、通常の連続的な鋳造および６００〜７６０℃の範囲内の温度での熱圧延を行い、その後変形を行うような、とりわけ冷間圧延を行い、また、好ましくは焼きなましおよび変形工程を追加的に行うような、製造方法により達成される。

この種の銅−亜鉛−ケイ素の合金の製造方法に関する目的は、通常の連続的な鋳造および７６０℃以下の温度、好ましくは６５０〜６８０℃の範囲内の温度での射出を行い、その後空気中で冷却するような、製造方法でも達成される。

銅−亜鉛−ケイ素の合金におけるより有利な改良は、銅は７５〜７７質量％であり、ケイ素は２．８〜４質量％であり、ホウ素は０．０００１〜０．０１質量％であり、リンおよび／またはヒ素は０．０３〜０．１質量％であり、残りは不純物が不可避的に加わった亜鉛であることである。

他の好ましい態様において、銅−亜鉛−ケイ素の合金は、０．０１〜２．５質量％の鉛と、０．０１〜２質量％の錫と、０．０１〜０．３質量％の鉄と、０．０１〜０．３質量％のコバルトと、０．０１〜０．３質量％のニッケルと、０．０１〜０．３質量％のマンガンと、からなる群から選択された少なくとも１つの要素を追加的に含んでいる。鉛を追加することは、機械的特性にプラス効果がある。

この場合の合金は、前記群が、０．０１〜０．１質量％の鉛と、０．０１〜０．２質量％の錫と、０．０１〜０．１質量％の鉄と、０．０１〜０．１質量％のコバルトと、０．０１〜０．１質量％のニッケルと、０．０１〜０．１質量％のマンガンと、からなることがより有利となる。

好ましい改良において、銅−亜鉛−ケイ素の合金は、０．５質量％以下の銀と、０．５質量％以下のアルミニウムと、０．５質量％以下のマグネシウムと、０．５質量％以下のアンチモンと、０．５質量％以下のチタニウムと、０．５質量％以下のジルコニウムと、からなる群から選択された少なくとも１つの要素を追加的に含み、より好ましくは、０．０１〜０．１質量％の銀と、０．０１〜０．１質量％のアルミニウムと、０．０１〜０．１質量％のマグネシウムと、０．０１〜０．１質量％のアンチモンと、０．０１〜０．１質量％のチタニウムと、０．０１〜０．１質量％のジルコニウムと、からなる群から選択された少なくとも１つの要素を追加的に含んでいる。

他の好ましい態様において、銅−亜鉛−ケイ素の合金は、０．３質量％以下のカドミウムと、０．３質量％以下のクロムと、０．３質量％以下のセレンと、０．３質量％以下のテルルと、０．３質量％以下のビスマスと、からなる群から選択された少なくとも１つの要素を追加的に含み、より好ましくは、０．０１〜０．３質量％のカドミウムと、０．０１〜０．３質量％のクロムと、０．０１〜０．３質量％のセレンと、０．０１〜０．３質量％のテルルと、０．０１〜０．３質量％のビスマスと、からなる群から選択された少なくとも１つの要素を追加的に含んでいる。

例示的な実施の形態について、図面および以下の記載によってより詳細に説明する。

例示的な実施の形態におけるＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金（銅−亜鉛２１−ケイ素３−リン合金）は、成分の濃度についてバリエーションがある。銅の量は７５．８〜７６．１質量％の範囲内にあり、ケイ素の量は３．２〜３．４質量％の範囲内にあり、リンの量は０．０７〜０．１質量％の範囲内にあり、残りは不純物が不可避的に加わった亜鉛となっている。合金の様々なサンプルは、０質量％、０．０００４質量％および０．００９質量％という異なる量のホウ素を含んでいる。合金は、連続的な鋳造を行い、その後７６０℃よりも低い温度、好ましくは６５０〜６８０℃の範囲内の温度で射出を行い、その後急速な冷却を行うことにより製造される。

全ての合金は、脱亜鉛現象に対して優れた抵抗力を有している。ＩＳＯ６５０９に基づいて行われる脱亜鉛現象テストにより、たった２６μｍより小さな脱亜鉛現象の深さが明らかになる。

もしＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金が例えば熱間加工において３００〜８００℃の範囲内の温度で露呈された場合には、スケール（ｓｃａｌｅ、薄い酸化膜）が形成される。このスケールは容易に分離され、製品の設備を汚染することになる。ホウ素を含まないＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金の広範囲にわたるスケール形成による表面を図１ａに示す。被検査物の表面は図１ａにおいて大部分を占める灰色として表される。この灰色は、ＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金におけるスケールが形成された表面を示す。規則的な分布ではないようなわずかな個々の輝いた点が、合金の表面で観察される。これに対して、図１ｂに示されるような０．０００４質量％のホウ素を含むＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金は、ホウ素を含まない合金よりも、はるかに多くの白い点を表面に有している。これらの白い点は、合金における輝く金属の領域を示している。これらの輝く金属の領域、すなわちスケールのない領域は、合金の表面で不均一に分布している。スケールが形成される表面の割合は大幅に減少し、残ったスケールは、ホウ素がない合金の場合と比較してよりしっかりと金属に付着する。図１ｃは、０．００９質量％のホウ素を含むＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金を示す。この図は、輝く金属の表面の数、すなわち白い点の数が、更に増加していることをはっきりと示している。いくつかの領域では、輝く金属材料の比較的大きな連続的な領域があり、またこの図は合金の表面における非常に規則的な分布が表れている。スケールが形成される表面の割合は更に減少し、残ったスケールはしっかりと金属に付着する。このため、０．０００１〜０．５質量％の範囲内の低濃度のホウ素が、銅−亜鉛−ケイ素合金のスケールの形成を制限し、同時に、金属へのスケールの付着力が大幅に増加し、その結果製品の設備に対する望ましくない汚染を防止することが、驚くほどに明らかになった。

同様の結果は、例えば０．０１質量％、０．０５質量％、０．１質量％または２．５質量％のような異なる鉛の含有率である銅−亜鉛−ケイ素−リン合金でも見られた。

銅−亜鉛−ケイ素合金のスケール形成のしやすさを減少させることに加えて、ホウ素は機械的特定にとってプラス効果がある。ホウ素は合金の微細構造をより均質なものにするからである。このような合金の微細構造の変化は、ホウ素の濃度の作用として図２に示される。ホウ素を含まないＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金が粗く不均質な微細構造を有する（図２ａ）のに対し、０．０００４質量％のホウ素を含むＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金は、既に非常に均一な粒度となっている非常に均質な微細構造を有する（図２ｂ）。ホウ素が０．００９質量％まで更に増えた場合には、更に均質な、より均一のＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金となる。この場合、微細構造の粒子はもはや裸眼では見ることができない（図２ｃ）。

微細構造の視覚的な変化に加えて、ホウ素の増加は機械的特性にとってプラス効果がある。このことは、銅−亜鉛−ケイ素合金から押し出されるロッドにおいてとりわけ明らかである。機械的特性を測定するにあたり、このようなロッドの先端および終端でサンプルが取られた。ホウ素を含まないＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金から形成されるロッドの引っ張り強さについて、ロッドの終端と比較してロッドの先端において６０Ｎ／ｍｍ^２を超える差があった。これに対して、０．０００４質量％のホウ素を含むような類似の合金において、ロッドの先端と終端との間における引っ張り強さの差は４０Ｎ／ｍｍ^２よりも小さかった。もし０．００９質量％のホウ素がＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金に加えられたときには、ロッドの先端と終端との間における引っ張り強さの差は５Ｎ／ｍｍ^２よりも小さかった。

このように、材料は先端から終端まで同一の機械的特性を有する。このため、押出された全長で均一な強さが得られる。この理由は、ホウ素の細粒化作用による。

表は、銅−亜鉛−ケイ素合金のホウ素の含有率と、合金の微細構造の均質性の増加すなわち押出された加工中の製品における強度の差の減少と関係を示す。

（ａ）ホウ素を加えなかったときのＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金、（ｂ）０．０００４質量％のホウ素を含むＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金、および（ｃ）０．００９質量％のホウ素を含むＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金について、それぞれ６００℃で２時間焼きなましを行った後のスケールの層の形態を示す。 （ａ）ホウ素を加えなかったときのＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金、（ｂ）０．０００４質量％のホウ素を含むＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金、および（ｃ）０．００９質量％のホウ素を含むＣｕＺｎ２１Ｓｉ３Ｐ合金について、それぞれ鋳造が行われた微細構造の形態を示す。

Claims (2)

1. ７５〜７７質量％の銅と、
   ２．８〜４質量％のケイ素と、
   ０．０００１〜０．００９質量％のホウ素と、
   ０．０３〜０．１質量％のリンと、
   亜鉛と、
   不可避的に加わった不純物と、
   からなる銅−亜鉛−ケイ素の合金。
2. ０．０１〜２．５質量％の鉛を更に含むことを特徴とする請求項１記載の銅−亜鉛−ケイ素の合金。

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