JP5916544B2

JP5916544B2 - 鋳造用銅基合金及び水道用器具

Info

Publication number: JP5916544B2
Application number: JP2012154359A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　宏昌; 宏昌鈴木; 継志伊藤; 文康石黒
Original assignee: Lixil Corp
Current assignee: Lixil Corp
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: JP2013167011A

Description

本発明は、鋳造用銅基合金及びこの合金を用いた水道用器具に関する。

水栓金具や水道管等の水道用器具には、通水路の確保や温度調節といった機能上の要求等から、内部形状が複雑で大型な製品が多く含まれる。このような複雑な形状の製品の場合、効率良く作製できることから一般に鋳造が用いられる。鋳造用材料として、黄銅系合金はＪＩＳＣＡＣ２０３、特許文献１、２等が用いられ、青銅系合金はＪＩＳＣＡＣ４０６等が用いられている。

黄銅系合金は、製造設備の簡便な金型を用いる鋳造が可能なメリットがあるものの、潰食と脱亜鉛腐食との発生が問題となる。ここで、潰食とは水の流れ等により合金が削られる腐食をいい、脱亜鉛腐食とは合金成分中の亜鉛が抜けてしまう腐食をいう。特許文献１、２等、耐脱亜鉛腐食についてはある程度満足できる材料が開発されているが、耐潰食性が不十分なため、潰食が発生しても機能不良に至らない製品に用途が限定されている。

他方、青銅系合金は、高い耐潰食性と耐脱亜鉛腐食とを有するが、緑青が多く発生する。緑青が剥がれた場合に機能部の小孔等が目詰まりを起こし、機能不良に至ることがある。また、青銅系合金は、金型を用いる鋳造が困難であり、設備が大型で粉塵や騒音等が発生しやすい砂型を用いた鋳造でしか生産ができないという問題もある。

特開平８−３３７８３１号公報特開２００９−２６３７８７号公報

黄銅系合金において、水道用器具に必要な耐潰食性と脱亜鉛腐食との二つの性能を満足することができれば、青銅系合金で発生する緑青の目詰まりによる機能不良の防止や、簡便な設備で幅広い製品の生産が可能となる。このため、耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能な黄銅系の鋳造用銅基合金が望まれている。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能な鋳造用銅基合金を提供することを解決すべき課題としている。また、本発明は、上記性能を発揮する水道用器具を鋳造によって提供することも解決すべき課題としている。

本発明の鋳造用銅基合金は、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム、鉛、アンチモン、リン、鉄及び不可避不純物からなる鋳造用銅基合金であって、
亜鉛が２０．７〜３４．０質量％、スズが１．０〜２．０質量％、アルミニウムが０．７〜２．０質量％、鉛が１．８〜２．２質量％、アンチモンが０．０１〜０．１質量％、リンが０．０１〜０．１質量％、鉄が０．１質量％未満、残部が銅及び不可避不純物からなり、亜鉛当量が３５．０〜４４．０質量％であることを特徴とする。

発明者らの試験結果によれば、スズ及びアルミニウムの添加により、従来の黄銅系合金にない耐潰食性が発揮される。スズが１．０質量％未満では、耐潰食性が十分でなく、スズが２．０質量％を超えると、鋳造性が損なわれる。アルミニウムが０．７質量％未満では、耐潰食性が十分でなく、アルミニウムが２．０質量％を超えると、アルミニウムの過剰添加が原因と推測される腐食生成物の付着が発生する。また、亜鉛当量を３５．０〜４４．０質量％に制御することにより高い耐脱亜鉛腐食性が発揮される。亜鉛当量が３５．０質量％以上までは、鋳造性が十分であることを確認できており、亜鉛当量が４４．０質量％を超えると、耐脱亜鉛腐食性が低下する。

したがって、本発明の鋳造用銅基合金によれば、耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能である。

本発明の鋳造用銅基合金は、アンチモンが０．１質量％以下であることが好ましい。発明者らの試験結果によれば、アンチモンは鋳造用銅基合金の耐脱亜鉛腐食性を向上させる。アンチモンを０．１質量％を超えて含有しても、その作用が頭打ちになることから、上限を０．１質量％とする。アンチモンは０．０１〜０．１質量％であることがより好ましい。アンチモンが０．０１質量％未満では、耐脱亜鉛腐食性が十分ではない。

本発明の鋳造用銅基合金は、表１に示すように、鉛が１．８〜２．２質量％、アンチモンが０．０１〜０．１質量％、リンが０．０１〜０．１質量％、鉄が０．１質量％未満、銅が残部であることが好ましい。発明者らはこれらを満足する鋳造用銅基合金により本発明の効果を確認した。発明者らの試験結果によれば、鉛は鋳造用銅基合金の切削加工性を向上させる。鉛が１．８質量％未満では、切削加工性が十分でなく、鉛が２．２質量％を超えると、引張強さ及び伸びを低下させる。アンチモンは鋳造用銅基合金の耐脱亜鉛腐食性を向上させる。リンは鋳造用銅基合金の耐脱亜鉛腐食性を向上させる。リンが０．１質量％を超えると、引張強さが低下する。リンは０．０１〜０．１質量％であることがより好ましい。リンが０．０１質量％未満では、耐脱亜鉛腐食性が十分ではない。鉄は不可避の不純物である。鉄が０．１質量％未満であれば、鋳造用銅基合金の特性にほとんど影響がない。

本発明の鋳造用銅基合金は、珪素及びビスマスの少なくとも一方が実質的に０質量％であることが好ましい。これらは鋳造用銅基合金のリサイクルを阻害し易いからである。ここで、実質的に０質量％とは、０．１質量％未満をいう。

本発明の鋳造用銅基合金は、亜鉛当量が４０．０質量％未満であることがより好ましい。亜鉛当量が４０．０質量％未満であれば、本発明の鋳造用銅基合金は、より良好な耐脱亜鉛腐食性を発揮する。

本発明の鋳造用銅基合金は、亜鉛当量が３８．０質量％以上であることがより好ましい。亜鉛当量が３８．０質量％以上であれば、本発明の鋳造用銅基合金は、より良好な鋳造性を発揮する。

本発明の水道用器具は、上記鋳造用銅基合金からなることを特徴とする。この水道用器具は鋳造によって製造される。そして、この水道用器具によれば、従来では困難だった耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を兼ね備えることができる。

止水部の模式断面図である。耐潰食性評価試験の結果を示すグラフである。耐潰食性評価試験後の比較例１０の表面を示す写真である。耐潰食性評価試験後の比較例６の表面を示す写真である。耐潰食性評価試験後の比較例７の表面を示す写真である。耐潰食性評価試験後の実施例１８の表面を示す写真である。耐潰食性評価試験後の実施例４の表面を示す写真である。耐潰食性評価試験後の実施例７の表面を示す写真である。耐潰食性評価試験後の実施例１９の表面を示す写真である。耐潰食性評価試験後の実施例１の表面を示す写真である。耐潰食性評価試験後の比較例１７の表面を示す写真である。耐潰食性評価試験後の比較例１の表面を示す写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例７の断面写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例１８の断面写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例１９の断面写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例１７の断面写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例１の断面写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例４の断面写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例７の断面写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例１５の断面写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例６の断面写真である。耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例１０の断面写真である。鋳造性の評価に用いた両端拘束試験用金型の平面図である。鋳造にて試作した水栓金具の外観図である。水栓金具の製造方法を示す工程図である。実使用相当試験後の実施例１８に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。実使用相当試験後の実施例１９に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。実使用相当試験後の比較例１７に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。実使用相当試験後の比較例７に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。実使用相当試験後の比較例１０に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。

以下、本発明を試験に基づいて説明する。

表２及び表３に成分を示す実施例１〜１９及び比較例１〜１８の合金からなる鋳塊を準備した。

（耐潰食性評価試験）
各鋳塊から水栓金具の止水部を模したサンプルを切削により製造した。各サンプルの口径は９ｍｍ、口径周りのシートは径方向で１ｍｍの寸法である。止水部の機構を図１に示す。図１に示すように、各サンプル１の上方には止水板２が設けられている。各サンプル１の内部を経た試験液３は、止水板２によって折り返され、各サンプル１に当接するようになっている。

１％ＣｕＣｌ₂水溶液１０Ｌを試験液とし、この試験液を０．３ＭＰａの圧力、５．０Ｌ／分の流量で、上記サンプルに対して水栓金具と同様の流路になるように流す耐潰食性評価試験を行った。試験時間は２時間であり、圧力は３０分毎に調整した。

各サンプルの重量減少（ｇ）と時間（ｈｒ）との関係を求めた。各サンプルの内から、実施例１、４、７、１８、１９及び比較例１、６、７、１０、１７の結果を図２に示す。また、上記実施例及び比較例の試験後の表面の写真を図３〜１２に示す。

図２及び図３〜１２に示す通り、スズ量及びアルミニウム量の添加により合金は耐潰食性が向上する。しかし、スズ量のみを増加した場合、鋳造時に割れが生じることや切削加工性が悪化すること等が一般に知られている。このため、他の性能に悪影響を与えない範囲でスズを添加し、それに加えてアルミニウムを添加することで、他の性能を損なうことなく、スズのみを添加する場合を凌ぐ高い耐潰食性を発揮させることを得た。これは、合金の表面に強固な酸化皮膜が形成されることによると考えられる。

（耐脱亜鉛腐食性評価試験）
各鋳塊を用い、ＪＢＭＡＴ３０３に基づき、耐脱亜鉛腐食性評価試験を行った。

この結果、脱亜鉛深さは、比較例７が４７μｍ、実施例１５が１５１μｍ、実施例１６が１２７μｍ、比較例１７が１７６μｍ、実施例１が４２μｍ、実施例４が４０μｍ、実施例７が５４μｍ、実施例１５が８３μｍ、比較例６が５９μｍ、比較例１０が１８７μｍであった。また、試験後の上記実施例及び比較例の断面写真を図１３〜２２に示す。

耐脱亜鉛腐食性評価試験の結果より、スズの含有量を１．５質量％として、アルミニウム量を増加させると、耐脱亜鉛腐食性が悪化する傾向が確認され、耐潰食性と耐脱亜鉛腐食性の両立が困難であることがわかる。しかし、亜鉛を減少させて亜鉛当量を４０．０質量％以下に制御することでアルミニウム量の増加による耐脱亜鉛腐食性の悪化を抑えることができ、耐潰食性と耐脱亜鉛腐食性の両立が可能となる。

（鋳造性の評価）
鋳造性を矢印拘束試験法により評価した。この試験法では、図２３に示す両端拘束試験用金型を用いた。この金型は、中央に設けられる矩形の中央型１１と、両端に設けられる一対の矩形の拘束型１２ａ、１２ｂとを有している。これら中央型１１及び拘束型１２ａ、１２ｂはＳ４５Ｃからなる。これらは組み合わせられた状態で図示しないボルトによって互いに固定され、金型とされる。

中央型１１の中央には正方形状の凹部１３が形成されている。また、中央型１１には、凹部１３と連通しつつ、幅方向に延びる溝１４が形成されている。凹部１３と溝１４とは同一の深さを有している。凹部１３内には、溝１４と連通する部分１５を除き、鋳砂とワックスとからなる断熱材１６が充填されている。

中央型１１には、溝１４及び部分１５と連通する溝１７が形成されている。拘束型１２ａ、１２ｂには、それぞれ溝１４、部分１５及び溝１７の端部と連通する三角形の凹部１８ａ、１８ｂが形成されている。溝１７及び凹部１８ａ、１８ｂの深さも凹部１３及び溝１４と同一である。溝１４、部分１５、溝１７及び凹部１８ａ、１８ｂによって両矢印形状のキャビティが形成されている。

この金型のキャビティ内に実施例及び比較例の溶湯１９を注いだ。キャビティ内の溶湯１９は、冷却され、凝固していく過程において、凹部１８ａ、１８ｂが拘束され、凝固収縮力が発生する。キャビティ内の溶湯１９の中央部分は、断熱材１６によって凹部１８ａ、１８ｂに比べて冷却が遅れて最終凝固部となり、凝固収縮力が集中する。この中央部分での割れの有無や程度により鋳造性を評価した。

実施例４等では、割れが発生しなかった。実施例１〜３ではわずかに割れは発生したが両断には至らず、図２４に示す止水栓を作製することも出来た。このため、亜鉛当量を３５．０質量％以上とすることにより、良好な鋳造性が確保され、亜鉛当量を３８．０質量％以上でさらに良好な鋳造性が確保されることが確認された。

（実使用相当試験）
実施例１８、１９、比較例７、１０、１７について、図２４に示す水栓金具を試作した上で実使用場面を想定した試験を行った。この水栓金具は、図２５に示す製造方法により製造した。

この製造方法では、まず、工程Ｓ１において、各水栓金具が表２又は表３の成分になるように材料を調合した。次いで、工程Ｓ２において、鋳造により成形した。そして、工程Ｓ３において、得られた成形品に切削加工を施し、工程Ｓ４において、製品を完成させた。この水栓金具は、図１に示す止水部の機構を持つ。

試験水は、３％ＮａＣｌを含み、ｐＨが６．５〜６．６、温度が５０°Ｃである。流量は２５００ｍｌ／分、試験期間は１２週間である。この試験は約２０〜３０年の実使用に相当する。実施例１８、１９、比較例７、１０、１７のシートの断面写真及びねじの断面写真を図２６〜３０に示す。

図２６〜３０より、亜鉛当量が４０．０質量％以上でも脱亜鉛腐食が発生せず、亜鉛当量が４４．０質量％を超えると脱亜鉛腐食が発生することがわかる。つまり、実使用場面においては亜鉛当量が４４．０質量％以下であれば、鋳造用銅基合金が高い耐脱亜鉛腐食性を発揮することがわかる。

全ての実施例及び比較例について、同様に耐潰食性評価試験、耐脱亜鉛腐食性評価試験及び鋳造性の評価を行った。上記の耐潰食性評価試験において、試験後の重量減少が約０．４ｇ以下であれば、実際の使用環境で潰食が発生しないと推測されることが、発明者らの実験にて判明している。よって、耐潰食性は、試験後の重量減少が０．４ｇ以下である場合を○とし、重量減少が０．４ｇより大きい場合を×とした。耐脱亜鉛腐食性は、ＪＢＭＡＴ３０３における脱亜鉛腐食感受性の評価において１種又は２種に相当すれば○とし、１種又は２種には相当しないが、実使用相当試験で脱亜鉛腐食が見られない場合を△とし、○及び△以外を×とした。鋳造性は、矢印拘束試験法において割れがない場合を○とし、わずかに割れがあるが両断されない場合を△とし、割れて両断される場合を×とした。○および△であれば、図２４に示す水栓金具を作製でき、実用に耐え得る鋳造性と判断できる。全ての実施例及び比較例における結果を、表４及び表５に示す。

したがって、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム及び鉛を含み、スズが１．０〜２．０質量％、アルミニウムが０．７〜２．０質量％、亜鉛当量が３５．０〜４４．０質量％である鋳造用銅基合金であれば、従来の黄銅系合金にない耐潰食性と高い耐脱亜鉛腐食性をも有しながら、鋳造による成形が可能である。

また、珪素及びビスマスの少なくとも一方が実質的に０質量％であれば、リサイクルを推進することが容易に可能である。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は水栓金具等の水道用器具に利用可能である。

Claims

銅、亜鉛、スズ、アルミニウム、鉛、アンチモン、リン、鉄及び不可避不純物からなる鋳造用銅基合金であって、
亜鉛が２０．７〜３４．０質量％、スズが１．０〜２．０質量％、アルミニウムが０．７〜２．０質量％、鉛が１．８〜２．２質量％、アンチモンが０．０１〜０．１質量％、リンが０．０１〜０．１質量％、鉄が０．１質量％未満、残部が銅及び不可避不純物からなり、亜鉛当量が３５．０〜４４．０質量％であることを特徴とする鋳造用銅基合金。
亜鉛当量が４０．０質量％未満である請求項１記載の鋳造用銅基合金。
亜鉛当量が３８．０質量％以上である請求項１又は２記載の鋳造用銅基合金。
請求項１乃至３のいずれか１項記載の鋳造用銅基合金からなることを特徴とする水道用器具。