JP6359523B2 - アンチモン−変性低−鉛銅合金 - Google Patents
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Description
本出願は、その全体が参照により組み込まれる、2012年5月3日に出願された米国仮特許出願第61/642,260号からの優先権を主張する。
本発明の合金は、銅、亜鉛、錫、硫黄、ニッケル、リン、およびアンチモンを含む。ある実施形態においては、マンガン、ジルコニウム、ホウ素、チタンおよび/または炭素のうちの1以上が含まれる。
図2は、半赤色真鍮、錫青銅、黄色真鍮(永久鋳型鋳造)および黄色真鍮(砂型鋳造)に対応する4つの実施形態を掲げる表を示す。図3は、種々の合金熱含有量を、注釈中に示された成分と比較する表である。表3は、例えば、種々の成分を有する合金の硫黄含有量の比較を供する。図4は、アンチモンおよび銅被覆黒鉛を有する半赤色真鍮の実施形態の化学的組成を供する。図7は、アンチモンを有する黄色真鍮の実施形態の化学的組成を供する。
1つの実施形態において、多数の離散硫黄/硫化物粒子が、鋳造を通じて一般的には均一に全体に分布するように、本発明の合金は固化する。これらの非金属硫黄粒子は、潤滑性を改良し、およびこの新しい合金に鋳造された部品の機械加工の間に生じた削屑を破壊するように働き、それにより、鉛の量の有意なまたは完全な低下を伴って機械加工性を改良する。本発明の範囲を限定することなく、硫化物は潤滑性を改良すると考えられる。アンチモンの存在は、以下に記載されるように、C84030赤色真鍮の特性をさらに改良する。輝安鉱を利用する実施形態は、合金溶融体プロセスとより容易に適合する形態にて硫黄を供給しつつ、アンチモンおよび硫黄の源を提供する。
1つの実施形態において、加熱に先立って、黒鉛は坩堝の底に置かれる。1つの実施形態において、炭化ケイ素または粘土黒鉛坩堝が溶融体で用いることが出来る。黒鉛の使用は、最終合金に実質的に一体化されるようになることなく、加熱の間に亜鉛の損失を低下させると考えられる。1つの実施形態において、90ないし95 lbの容量の坩堝のために、ほぼ2カップの黒鉛が用いられる。本明細書中で用いられる例では、90ないし95 lbの合金の容量を有するB−30坩堝が溶融体で用いられた。CPCまたはCCGを用いる実施形態では、炭素は銅ホイルに包まれ、150Cのオーブン中で予熱されて、水分を除去し、溶融体に投入され、続いて撹拌される。
本合金の種々の実施形態の機械的特性、ならびに(輝安鉱その他のような)アンチモンを加えない赤色真鍮についての機械的特性をテストした。前記した製法および得られる合金に従って調製された試料の熱を、極限引張強さ(「UTS」)、降伏強度(「YS」)、パーセント伸度(「E%」)、ブリネル硬度(「BHN」)、および弾性率(「MoE」)についてテストした。
機械加工性は、半赤色真鍮C84030および黄色真鍮C28330のある実施形態についてテストされた。本出願に記載された機械加工性テストは、以下の方法を用いて行った。部品は、冷却剤供給、2軸、CNCターニングセンターによって機械加工された。切削工具はカーバイドインサートであった。機械加工性は、前記したCNCターニングセンターでのターニングの間に用いられたエネルギーの比率に基づく。計算式は以下のように書くことが出来る。
CF=(E1/E2)×100
CF=切削力
E1=「公知の」合金C36000(CDA)のターニングの間に用いられたエネルギー
E2=新しい合金のターニングの間に用いられたエネルギー
供給速度=.005 IPR
スピンドルのスピード=1,500 RPM
切断の深さ=切断の半径方向深さ=0.038インチ
最初に、合金の機械的特性に対する硫黄の強い影響力を検討することが出来る。表4は、図5からの4つの合金の機械的特性(UTS、YS、および%伸度)に対する硫黄添加の効果を示す。2つの異なる標的硫黄の含有量を、硫黄の強い影響力を比較するためにテストした。理解出来るように、合金84XX5―H8P4−9A−Xおよび84XX5−H9P1−9A−Xのより低い硫黄含有量は、より低いYSを呈したが、合金84XX51−H21P3−9A−Xおよび84XX52−H22P1−9A−Xのより高い硫黄含有量よりも優れたより高いUTSおよび実質的により高い%伸度を呈した。高Sレベルは合金をドロス性かつ汚くし、鋳造における介在物および多孔性に導き、よって、より低いUTSおよび%伸度に導く。しかしながら、YSは影響されないままである。
顕微鏡分析は、図14に示されたように、C84030赤色真鍮のある実施形態についてなされた。試料1109319はボタンからのものであった。他の2つは引張試験のバーのグリップ領域からのものであった。
各試料の一部を装着し、金属組織学的に調製し、次いで、半定量的化学的含有量および元素マッピングについての後方散乱電子(BE)モードにおいて、エネルギー分散分光法(SEM/EDS)を装備した倒立金属顕微鏡および走査型電子顕微鏡を用いて光学的に調べた。BEモードは、異なる原子量パーセンテージの元素の間でより大きなコントラストを達成する。
観察された微細構造は、銅が豊富なマトリックス全体にわたり分散した粒子よりなる。研磨された金属組織として、顕微鏡写真を500×で撮影した。次いで、画像分析を行って、粒子サイズを決定した。最小、最大および平均測定は以下の表において報告される。洗練された顕微鏡写真が、各々、3つの試験された試料合金の各々について図15A、16A、および17Aにおいて提供される。
金属組織学的加工は、黄色真鍮C28330の実施形態についても行われた。この合金(28330−030613−P4H2A)の化学は図7に与えられる。各試料からの断面を導電性エポキシ中に熱装着し、0.04ミクロンの最終研磨まで金属組織学的に調製し、後方散乱モードにてSEMで調べて、観察された粒子を同定した。後方散乱モードは、異なる重量パーセンテージの元素の間のより大きなコントラストを達成する。評価は、低いおよび高い倍率で撮影された後方散乱電子(BE)ビーム画像、−定量的化学物質含有量を伴うSEM/EDSスペクトル、および元素マッピングよりなるものであった。
先に議論したように、銅はそれと合金化させるために多数の元素を利用することが出来る。本明細書中に開示された輝安鉱の使用は、炭素、CCGおよびCPC、硫黄、硫化マンガンの2つの形態と比較して、および表11に記されるその組合せと比較してテストされた。
相の情報は、赤色真鍮C84030(図21AないしC、22AないしE)および黄色真鍮C28330合金(図23および24AないしF)について集められた。
前記した観察された相に基づくと、100kgの全合金は以下の量のkgで表した各相を含有するであろう。
100kgの全合金は、以下の量のkgで表した各相を含有するであろう。
系の熱的調査は、DSC−2400 Setaram Setsys示差走査型熱量分析を用いて行った。DSCの温度較正は、150ないし1065℃の温度範囲にわたる7つの純粋な金属:In、Sn、Pb、Zn、Al、Ag、およびAuを用いて行った。試料を切断し、機械的に研磨して、いずれの可能な汚染された表面層も除去した。その後、それらをエタノールで清浄化し、蓋カバーを備えた黒鉛坩堝に入れて、可能な蒸発を制限し、装置を保護した。酸化を回避するために、分析チャンバーを10−2ミリバールまで減圧し、次いで、アルゴンで満たした。DSC測定は、流動するアルゴン雰囲気下で行った。三連の各試料をテストした。試料の重量は62ないし78mgであった。
4つの真鍮試料、2つの市販の真鍮、およびC28330黄色真鍮およびC84030赤色真鍮の実施形態を、ISO 6590、「金属および合金の腐食−真鍮の耐脱亜鉛性の決定」に従って、脱亜鉛腐食に対する抵抗性について評価した。このテストでは、粉砕された断面を、1%塩化銅溶液に、75±5℃にて24時間浸漬した。浸漬時間の最後に、研磨された断面を露出した表面に対して垂直に調製し、いずれの脱亜鉛腐食の深さも測定する。この分析は、ISO規格に従い鋳物の薄い領域および厚い領域の双方で行った。可能であれば、断面は厚いおよび薄い壁断面から調製した。均一な断面の試料を呈した試料を縁およびコアから採取した。100ミクロンを超える脱亜鉛貫入は、許容される脱亜鉛を超えると考えられた。
一連の合金を作り、テストして、図2中のC84030赤色真鍮合金について記載されたものの外にある組成を有する合金の特性を決定した。図30は、イタリック体で示された分散での成分と共にC84030に対するこれらの分散の化学的組成を示す。組成は、硫黄の場合の数個のケースを除いて、Cu、Sn、Zn、Ni、およびSbのような公称C84030組成の外側にあるように、ソフトウェアによって選択された。
1)極限引張強さはC84030の最大限界よりも大きくなければならない(>42.9)。
2)降伏強度は、C84030の最大限度よりも大きくなければならない(>20.3)。
3)伸度%は、C84400の典型的な限度よりも大きくなければならない(>26)。
である。
Claims (14)
- 82重量%ないし89重量%の銅分;
0.01重量%ないし0.65重量%の硫黄分;
0.1重量%ないし1.5重量%のアンチモン分;
2.0重量%ないし4.0重量%の錫分;
0.09重量%未満の鉛分;
5.0重量%ないし14.0重量%の亜鉛分;および
0.5重量%ないし2.0重量%のニッケル分;
から成る合金組成物。 - 0.1ないし1.0重量%のアンチモン分を含む請求項1記載の合金組成物。
- さらに、0.3重量%のチタンを含む請求項1記載の合金組成物。
- さらに、0.1重量%炭素を含む請求項1記載の合金組成物。
- 58重量%ないし62重量%の銅、0.01重量%ないし0.65重量%の硫黄、0を超え、1.5重量%までのアンチモン、1.5重量%の錫、0.09重量%未満の鉛、31.0重量%ないし41.0重量%の亜鉛、および1.5重量%のニッケルから成る合金組成物。
- 0.1ないし1.0重量%のアンチモン分を含む請求項5記載の合金組成物。
- さらに、0.1重量%のチタンを含む請求項5記載の合金組成物。
- さらに、0.1重量%の炭素を含む請求項5記載の合金組成物。
- 58重量%ないし62重量%の銅、0.01重量%ないし0.65重量%の硫黄、0.1を超え、1.5重量%までのアンチモン、0.09重量%未満の鉛、および31.0重量%ないし41.0重量%の亜鉛から成る合金組成物。
- 0.1ないし1.5重量%のアンチモン分を含む請求項9記載の合金組成物。
- さらに、0.3重量%のチタンを含む請求項9記載の合金組成物。
- さらに、0.1重量%の炭素を含む請求項9記載の合金組成物。
- 86重量%ないし89重量%の銅、0.01重量%ないし0.65重量%の硫黄、0を超え、1.5重量%までのアンチモン、7.5重量%ないし8.5重量%の錫、0.09重量%未満の鉛、1.0重量%ないし5.0重量%の亜鉛、および1.0重量%のニッケルから成る合金組成物。
- ベースインゴットを2,100度華氏の温度まで加熱して、溶融体を形成し;
銅ホイルに包んだ輝安鉱を加え、2000度華氏に前記温度を維持し;
前記溶融体の加熱を中止し、添加物を前記溶融体中に加え;
少なくとも部分量のスラグを前記溶融体から掬い出し;
前記溶融体を2,140度華氏の温度まで加熱し;
前記溶融体の加熱を中止し、輝安鉱を前記溶融体に投入し;
前記溶融体を2,150度華氏の温度まで加熱し;次いで、
前記溶融体からスラグを除去することを含み、
ここに、前記添加物は錫、亜鉛、ニッケル、および炭素を含むことを特徴とする、請求項1から13の何れか一項に記載される合金組成物の製造方法。
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