JP6000300B2

JP6000300B2 - 鋳造用無鉛快削青銅合金

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Publication number: JP6000300B2
Application number: JP2014112695A
Authority: JP
Inventors: 山本　秀樹; 秀樹山本; 智樹伊藤; 誠上野; 祐行森岡
Original assignee: Joetsu Bronz1 Corp
Current assignee: Joetsu Bronz1 Corp
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: JP2015227475A

Description

本発明は、水道関連部材において耐腐食性、機械的性質及び被削性に優れた鋳造用無鉛快削青銅合金に関するものである。

日本国内においては、接水部品の多くにＪＩＳＨ５１２０ＣＡＣ４０６またはＣＡＣ９０２等の青銅が多用されている。これは、日本の多くの地域が軟水である為、通水部に炭酸カルシウム等のスケールが付着し難く、脱成分腐食を受けやすい為である。特に、脱亜鉛腐食が進行する為に黄銅ではなく青銅が多用されている。ところが、耐脱亜鉛性能を付加した黄銅も開発されており、銅相場の高騰が激しい近年においては、より安価な黄銅材料へ材質転換が進む傾向もあり、青銅においても鉛無しでかつ既存のＣＡＣ９０２より安価な材料が求められてはいるが、現状では適当なものがない。

また、近年、水道用水栓金具や一般配管用接水器具、あるいは各種バルブに含有されるＰｂは、合金の溶解・鋳造工程における蒸発、あるいは接水部品として使用した際の飲料水への溶出などにより、人体や環境衛生へ悪影響を及ぼす有害元素との認識が高まり、その含有は厳しく制限される傾向にある。

例えば、被削性が良い上記ＪＩＳＨ５１２０ＣＡＣ４０６等の青銅系合金は、Ｐｂを４〜６ｍａｓｓ％程含有させることにより、工業的に満足しうる被削性を確保したものであるが、上記の問題があることから、その代替としてＢｉ添加により被削性を与えた銅合金である、ＪＩＳＨ５１２０で、ビスマス青銅と称されるＣＡＣ９０１〜ＣＡＣ９０３のＣｕ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系銅合金が提案されている。この合金の被削性はＰｂを含有したものに比べてやや劣るが、Ｂｉは優れた被削性を付与するために多量に添加することで被削性を改善することができる。しかしながら、Ｂｉは非常に高価であるため更に材料コストを上げてしまうことになる。

特開２０１１−２１９７８６号公報

本発明者等は、鉛無青銅において素材の低コスト化をはかりつつも、一般的な鉛無青銅のＪＩＳＨ５１２０ＣＡＣ９０２と変わらない特性を維持させた合金組成範囲を見出すべく検討を行ったところ、次のような現象が起きることが予想された。

即ち、ＣＡＣ９０２をベースとして、コストが高いＳｎ量を下げると、機械的性質、耐エロージョン・コロージョン性の低下が起き、同様にコストが高いＢｉ量を下げると被削性の低下が起きる。逆にコストが安いＺｎ量を上げると、より黄銅に近づくため耐脱亜鉛性の低下が起きることが予想された。

特許文献１では同様なＣｕ-Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金が提案されているが、更にコストダウンを進めようとすると、機械的性質（特に引張強さ）や耐エロージョン・コロージョン性の低下が起き、ＣＡＣ９０２の機械的性質規格を下回ってしまうことや特性の劣化が予想されるが、特許文献１には詳細のデータは開示されていない。

本発明は、上述のような知見に基づき発明者等が種々実験を行った結果、コストダウンを図りつつ特性を維持若しくは大きく劣化させない組成を見出し完成したもので、上述の問題点を解決し、低コスト化を達成しつつ重要な特性を維持した鋳造用無鉛快削青銅合金を提供することを目的としている。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

Ｚｎ：１５．０〜２０．０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．５０〜１．５０ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．６〜１．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．３０ｍａｓｓ％以下を含有し、残余がＣｕと不可避不純物から成り、不可避不純物としてのＰｂの含有量を０．２０ｍａｓｓ％以下に規制したことを特徴とする鋳造用無鉛快削青銅合金に係るものである。

また、ｘ軸にＢｉのｍａｓｓ％、ｙ軸にＳｎのｍａｓｓ％をプロットしたグラフにおいて、下式（ａ）〜（ｃ）で表される直線で囲まれた範囲となるように、Ｓｎ及びＢｉの含有量を設定したことを特徴とする請求項１記載の鋳造用無鉛快削青銅合金に係るものである。

ｙ＝１．５０・・・（ａ）
ｙ＝０．８６×ｘ＋０．０６・・・（ｂ）
ｘ＝０．６０・・・（ｃ）

また、Ｚｎ：１５．０〜２０．０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．５０〜１．５０ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．６〜１．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０５０ｍａｓｓ％以下を含有し、残余がＣｕと不可避不純物から成り、不可避不純物としてのＰｂの含有量を０．２０ｍａｓｓ％以下に規制したものであり、砂型鋳造に用いることを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の鋳造用無鉛快削青銅合金に係るものである。

本発明は上述のように構成したから、低コスト化を達成しつつ重要な特性を維持した鋳造用無鉛快削青銅合金となる。

供試材の化学成分を示す表である。機械的性質の評価結果を示す表である。Ｓｎ量と機械的性質の関係を説明するグラフである。Ｂｉ量と機械的性質の関係を説明するグラフである。Ｓｎ，Ｂｉ量と機械的性質の関係を説明するグラフである。被削性評価（外径切削）の試験条件を示す表である。被削性評価（外径切削）の試験結果を示す表である。被削性評価（穿孔切削）の試験条件を示す表である。被削性評価（穿孔切削）の試験時の穿孔位置を示す図である。被切削性評価（穿孔切削）の試験結果を示す表である。Ｓｎ，Ｂｉ量と機械的性質及び被削性の関係を説明するグラフである。耐エロージョン・コロージョン性評価の試験片形状を示す図である。耐エロージョン・コロージョン性評価の試験条件を示す表である。耐エロージョン・コロージョン性評価の試験結果を示す表である。Ｓｎ量と腐食減量重量の関係を示す表である。Ｓｎ量と最大腐食深さの関係を示す表である。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明は、ＣＡＣ９０２をベースにコストの高いＳｎとＢｉの添加量を抑え、コストの安いＺｎを増量しつつ素材のトータルコストを抑え、機械的性質、被削性、耐エロージョン・コロージョン性の特性を著しく劣化させない、または同等程度になるよう調整したものである。

ＳｎはベースとなるＣｕよりコスト的に高い元素であることから、できるだけ下げることが望ましいが、０．５ｍａｓｓ％未満にすると、機械的性質、エロージョン・コロージョン性が工業的に満足しうる特性とならないことから、本発明ではＳｎ量を限定的な範囲としている。

ＺｎはベースとなるＣｕよりコスト的に安い元素であることから、できるだけ上げることが望ましいが、２０．０％を超えると、β相が出現し脱亜鉛腐食や機械的性質が工業的に満足しうる特性とならないことから、本発明ではＺｎ量の含有率を限定的な範囲としている。

ＢｉはＰｂと同様に銅合金のマトリクスには固溶せず、粒状に分散して存在するためチップブレーカとして機能する。その効果は０．３０ｍａｓｓ％以上で出現するが、Ｂｉ量は１．５ｍａｓｓ％を越えて含有させると、延性の低下や鋳造性の低下を招きやすく、さらには高価なＢｉ量の添加に見合う被削性の改善効果が得難くなる。従って、できるだけ下げることが望ましいが、０．６ｍａｓｓ％未満とすると、被削性が工業的に満足しうる特性とならないことから、本発明ではＢｉ量を限定的な範囲としている。

Ｐは、砂型鋳造においては脱酸の効果をもたらし、若干の残有リンを残すことで脱酸の効いた健全な鋳物を製造でき、連続鋳造においては、鋳造時の湯流れ性確保のため、上限を０．３０ｍａｓｓ％以下（砂型鋳造の場合、特に好ましくは０．０５ｍａｓｓ％以下）と限定的な範囲としている。

Ｐｂは、その含有量を０．２０ｍａｓｓ％以下とすることにより、合金の溶解・鋳造過程における蒸発、あるいは接水部品として使用した際の飲料水への溶出等による人体や環境衛生への鉛害を、実質的に回避することが可能となる。このような理由から、Ｐｂ量を０．２０ｍａｓｓ％以下に規制した。

Ｃｕは、脱亜鉛腐食感受性を弱め、耐脱亜鉛腐食性や延性を改善する元素であるが、本発明合金においては、その含有率はＳｎ、Ｚｎ、Ｂｉ及びＰ含有率とのバランスにより、残余として決定されるものであり、実質的な含有量は７７．０〜８４．０ｍａｓｓ％である。

請求項２では図１１における直線（ａ）〜（ｃ）に囲まれた範囲内で、ＣＡＣ９０２並に優れるまたは同等の機械的性質のＳｎ及びＢｉ量の臨界範囲を示すことにより、より安定した機械的性質の確保が容易になる。これにより、Ｃｕよりも高価なＳｎとＢｉ量の含有量を最小限に抑えつつ、良好な機械的性質及び被削性、且つ青銅並の耐エロージョン・コロージョン性を具備させることができ、素材のトータルコストを抑えた鋳造用無鉛快削青銅合金とすることができる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、Ｚｎ：１５．０〜２０．０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．５０〜１．５０ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．６〜１．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．３０ｍａｓｓ％以下及び不純物としてＰｂ：０．２０ｍａｓｓ％以下を含有し、残余がＣｕと不可避不純物から成ることを特徴とする鋳造用無鉛快削青銅合金である。

具体的には、砂型鋳造用若しくは連続鋳造用であり、本実施例においてはＰ：０．０５ｍａｓｓ％以下に設定した砂型鋳造用無鉛快削青銅合金としている。

そして本合金においては、図５（ii）に図示したように、ｘ軸にＢｉのｍａｓｓ％、ｙ軸にＳｎのｍａｓｓ％をプロットしたグラフにおいて、機械的性質のみを考慮した場合は下式（ａ）、（ｂ）、（ｄ）で表される直線で囲まれた範囲が最適となる。更に、機械的性質だけでなく被削性を加味した場合は図１１に図示した範囲が最適となる。そのため、本実施例においては、機械的性質及び被削性を考慮して、下式（ａ）〜（ｃ）で表される直線で囲まれた範囲となるように、Ｓｎ及びＢｉ量を設定している。
ｙ＝１．５０・・・（ａ）
ｙ＝０．８６×ｘ＋０．０６・・・（ｂ）
ｘ＝０．６０・・・（ｃ）
ｘ＝０・・・（ｄ）

以下、具体的な実験例に基づいて詳述する。

（１）供試材
供試材の化学成分を図１のＮｏ.１〜２５に示す。比較合金としては一般的な鉛無青銅のＪＩＳＨ５１２０ＣＡＣ９０２を用い、化学成分をそれぞれＮｏ.４，９に示す（Ｎｏ．４，９を除く他の供試材が本実施例に係る合金である。）。供試材は黒鉛坩堝を用いて電気炉にて溶解し、試験用途に応じてＮｏ.１〜３、５は、穿孔試験用で直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍの金型と、切削合力測定用でＪＩＳＨ５１２０Ｅ号金型に、Ｎｏ.４は、穿孔試験用で直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍの金型に、Ｎｏ.６〜２５は機械的性質測定用でＪＩＳＨ５１２０Ｅ号金型と、そのうちＮｏ.６〜９は耐エロージョン・コロージョン性試験用に直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍの金型に、各々鋳造し、試験片を採取した。

被削性として、穿孔に関する評価のために、図１に示す各合金（Ｎｏ.１〜５）の直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍ金型鋳造材は、底部を３０ｍｍ高さで切断し、穿孔用試験片を採取し、穿孔試験に供した。また、外径切削に関する評価のために、図１に示す各合金（Ｎｏ.１〜５）のＥ号金型鋳造材は、直径１８ｍｍ長さ２００ｍｍに機械加工し、切削合力測定に供した。

機械的性質（引張強さと伸び）を評価するために、図１に示す各合金（Ｎｏ.６〜２５）のＥ号金型鋳造材から、ＪＩＳＺ２２０１４号引張試験片を採取し、引張試験に供した。

耐エロージョン・コロージョン性を評価するために、図１に示す各合金（Ｎｏ. ６〜９）の直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍの金型鋳造材から、図１２に示す試験片形状に機械加工し、エロージョン・コロージョン試験に供した。

（２）機械的性質の評価
供試材Ｎｏ.６〜２５について引張試験を行った結果を図２に示す。ＪＩＳＨ５１２０ＣＡＣ９０２における機械的性質規格の引張強さは１９５ＭＰａ以上、伸びは１５％以上であり、参考までにそれを満たす場合は○、満たさない場合は×と評価した。

図３のＳｎ量と機械的性質の関係において、Ｓｎ量の減少とともに引張強さは減少の傾向にあり、図４のＢｉ量と機械的性質の関係においては、Ｂｉ量の増加とともに引張強さは減少の傾向が見られる。よって、１９５ＭＰａ以上を一定の基準とした場合、機械的性質を満たすＳｎ、Ｂｉの下限量から、それらと機械的性質の関係は図５のようになる。

（３）被削性の評価
被削性の評価は外径切削と穿孔切削で行い、外径切削は図６に示す切削条件で試験片の外径加工を行い、その切削合力を測定した。図７は供試材Ｎｏ.１〜５の切削合力測定結果を示したものである。また、穿孔切削は供試材Ｎｏ.１〜５について、図８に示す切削条件でドリルが５ｍｍ深さまで到達するまでの時間を計測し、図９の位置で試験を行った。その結果を、図１０に示す。

図７，１０における両被削性評価では、Ｂｉ０．６ｍａｓｓ％未満において、比較材のＣＡＣ９０２より急激に被削性が悪化している。従って、外径切削、穿孔の両切削条件においてはＢｉを０．６ｍａｓｓ％以上まで添加することによって、Ｂｉ量のチップブレーカ効果がより高まり、ＣＡＣ９０２に近い被削性を得ることができる。

また、機械的性質におけるＳｎ、Ｂｉの関係に、被削性を考慮した最低Ｂｉ量を加えると図１１の様になる。

（４）耐エロージョン・コロージョン性の評価
耐エロージョン・コロージョン試験は図１３に示す条件で、図１２における試験片形状の直径３０ｍｍの平試験面部に、０．４ｍｍ離れたところから勢い良く試験溶液を噴射し、強制的にエロージョン・コロージョンを起こさせ、試験片の最大腐食深さ、腐食減量重量を測定し、耐エロージョン・コロージョン性を評価した。

供試材Ｎｏ.６〜９について耐エロージョン・コロージョン試験を行った結果を図１４に、また、腐食減量重量の一般的な比較材との対比グラフを図１５に、最大腐食深さの同対比グラフを図１６に示す。一般的に耐エロージョン・コロージョン性が悪い材質では、最大腐食深さで１０００μｍ、腐食減量重量で１０００ｍｇ程度であり、Ｓｎが低くなるとともに両者が大きく劣化していくため、それらを参考としてＳｎは０．５ｍａｓｓ％以上が妥当と思われる。

以上の各種実験結果より、機械的性質を満足させるためにはＳｎ、Ｂｉは図５の左側の範囲内に入れる必要があり、被削性を同時に満足しようとした場合は、さらにＢｉを０．６０ｍａｓｓ％以上含有させる必要がある（図１１）。また、エロージョン・コロージョン性を考慮した場合の最低Ｓｎ量は０．５ｍａｓｓ％であり、良好な機械的性質を確保し耐食性とのバランスを取る為、Ｓｎは１．５０ｍａｓｓ％を上限とした。さらに、良好な被削性を備えたまま延性や鋳造性を損なうことの無いよう、Ｂｉは０．６０〜１．５ｍａｓｓ％とした。これにより、一般的な鉛無青銅のＪＩＳＨ５１２０ＣＡＣ９０２とほぼ同等な機械的性質はもとより、大きく劣化しない被削性、耐エロージョン・コロージョン性を確保することが可能となる。

よって、本実施例は、一般的な鉛無青銅のＪＩＳＨ５１２０ＣＡＣ９０２における基本特性を大きく損なうこと無く、高価なＳｎとＢｉを極めて低くまた狭い範囲内に調整することで、トータルコストを抑えつつも一般的な鉛無青銅と遜色ない機械的性質、耐エロージョン・コロージョン性、被削性を備えた鋳造用無鉛快削青銅合金となる。

Claims

Ｚｎ：１５．０〜２０．０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．５０〜１．５０ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．６〜１．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．３０ｍａｓｓ％以下を含有し、残余がＣｕと不可避不純物から成り、不可避不純物としてのＰｂの含有量を０．２０ｍａｓｓ％以下に規制したことを特徴とする鋳造用無鉛快削青銅合金。
ｘ軸にＢｉのｍａｓｓ％、ｙ軸にＳｎのｍａｓｓ％をプロットしたグラフにおいて、下式（ａ）〜（ｃ）で表される直線で囲まれた範囲となるように、Ｓｎ及びＢｉの含有量を設定したことを特徴とする請求項１記載の鋳造用無鉛快削青銅合金。
ｙ＝１．５０・・・（ａ）
ｙ＝０．８６×ｘ＋０．０６・・・（ｂ）
ｘ＝０．６０・・・（ｃ）
Ｚｎ：１５．０〜２０．０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．５０〜１．５０ｍａｓｓ％、Ｂｉ：０．６〜１．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０５０ｍａｓｓ％以下を含有し、残余がＣｕと不可避不純物から成り、不可避不純物としてのＰｂの含有量を０．２０ｍａｓｓ％以下に規制したものであり、砂型鋳造に用いることを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の鋳造用無鉛快削青銅合金。