JP6420566B2

JP6420566B2 - 低鉛黄銅製接液部材の製造方法

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Publication number: JP6420566B2
Application number: JP2014094053A
Authority: JP
Inventors: 友行小笹
Original assignee: Kitz Corp
Current assignee: Kitz Corp
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: JP2015208842A

Description

本発明は、低鉛黄銅により設けられる接液部材に関して、浸出試験を実施することなく鉛の溶出基準を事前にクリアするための低鉛黄銅製接液部材の製造方法に関する。

従来より、接液部品、又は接液部品から構成される水栓金具やバルブ等の給水器具を含む接液部材には、優れた生産性、耐食性、適度な機械的性質を有することから銅合金が広く使用されている。この場合、被削性を確保して加工性を高めるためには特に鉛の含有が必要になり、この種の接液部材用の材料として、例えば、ＣＡＣ４０６・ＣＡＣ４０１（青銅）、Ｃ３７７１（鍛造用黄銅）、Ｃ３６０４（快削黄銅）、ＣＡＣ２０３（鋳造用黄銅）などの銅合金は、一般材と称されて多くの接液部材に使用されている。

その一方で、鉛を含有する銅を飲料水用の接液部材として使用する場合、飲料水中に鉛が溶出して健康に悪影響を及ぼす可能性があるため、近年では、給水器具に対する鉛の溶出基準が特に厳しくなってきている。例えば、米国においては、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ６１ではＡｎｎｅｘＦが２０１２年７月から米国全土で適用され、飲料水配管に使用される器具の鉛の溶出基準がこれまでの１５μｇ／Ｌから５μｇ／Ｌへと厳しい数値になっている。さらに、２０１４年１月からはＡｎｎｅｘＧ（ＮＳＦ／ＡＮＳＩ３７２）が同じく全米で適用され、上記給水器具の鉛の含有量が接水表面の加重平均において０．２５ｍａｓｓ％以下となり、一般的な鉛入り青黄銅材料に鉛の溶出防止を目的とする表面処理を実施することができなくなっている。

このように、厳しい鉛の溶出基準をクリアする手段として、材料に含まれる不純物の鉛の量を低減する場合が一般的であり、この場合、例えば、上記のように不純物として含まれる鉛を全体の０．２５ｍａｓｓ％以下に抑えることで、鉛の溶出を抑制するようにした青黄銅材料が提案されている。
一方、特許文献１〜特許文献３においては、鉛の含有を許容する銅合金に対して鉛の溶出を防止する方法が開示されており、これらの鉛溶出方法では、接水表面に存在する鉛を表面処理により溶かして除去することにより、鉛の溶出が防止されるようになっている。

特許第３１８２７６５号公報特許第３３４５５６９号公報特許第５０３７７４２号公報

しかしながら、前者のように不純物の鉛の含有量を例えば０．２５ｍａｓｓ％以下に低減することで鉛の溶出を抑えようとする場合、このように鉛の含有をある程度許容していることで、前述のＡｎｎｅｘＦの基準である鉛の溶出基準５μｇ／Ｌをクリアできない場合がある。これを回避するために鉛浸出試験を実施すると、多大な時間がかかるという問題が生じ、例えば、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ６１の浸出試験方法を実施する場合、非常に高価である上に約１か月の試験期間を要するため、プレ試験が十分に行われないままの状態でこの認証試験を実施して不合格となるケースが多い。また、ＮＳＦの認証試験期間は約３か月を要し、仮に不合格となった場合に再試験を実施した場合、原因究明のための試験、製品の再設計・製作、再認証試験なども含めて最低６か月、場合によっては１年を要する場合もある。

後者の特許文献１〜特許文献３の鉛溶出防止方法においては、低鉛黄銅材料に表面処理を施した場合、一般の黄銅材料に比較して高価な鉛フリー材料であることに加えて、この鉛フリー材料に表面処理を施すことで一層のコストアップにつながる。

さらに、鉛含有量の低減や銅合金の表面処理などを組み合わせて鉛の溶出を防止しようとすると、浸出試験が容易ではないことから検証が不十分になり、鉛の溶出基準に対して過剰品質でコスト高になったり、或は、ＮＳＦ認証試験で不合格となる可能性も高くなる。
また、給水器具全体をステンレス材料で設ける場合、鉛の溶出を防止することは可能になるが、生産性や製造コストの点において銅合金に劣るためその使用が限られる。給水器具を樹脂材料としたときにも鉛の溶出を防止できるが、銅合金の場合と比較して信頼性の点で劣るため、その使用が限られる。

本発明は、上記課題点を解決するために鋭意研究により開発されたものであり、その目的とするところは、少量の鉛の含有を許容しつつ、低鉛黄銅製接液部材を製造する方法であり、黄銅のリサイクル性を確保しつつ浸出試験を実施することなく鉛溶出量を求めてその鉛溶出を抑制できる低鉛黄銅製接液部材の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、０．２５ｍａｓｓ％以下のＰｂの含有を許容している低鉛黄銅製接液部材の接液面を切削加工及びショットブラストにより形成する際に、所定の鉛溶出量を満たすことができるように、接液面の切削加工面及びショットブラスト面における各面積の割合を調整する低鉛黄銅製接液部材の製造方法である。

請求項２に係る発明は、接液部材は、接液部品又は接液部品から構成される接液器具を含み、各接液部品の鉛溶出量の総和量を接液器具の鉛溶出量とし、この鉛溶出量を鉛溶出基準値以下とした低鉛黄銅製接液部材の製造方法である。

請求項３に係る発明は、ショットブラストを鉛フリー専用ショットブラストとした低鉛黄銅製接液部材の製造方法である。

請求項１に係る発明によると、黄銅に表面処理を施したり、鉛の代替成分を添加する必要がなく、少量の鉛の含有を許容した低鉛黄銅を用いて接液部材を製作して黄銅のリサイクル性を確保し、このとき、接液面のショットブラスト面及び切削加工面における各面積の割合を調整することで鉛溶出を抑制でき、鉛溶出による人体への悪影響を防止した接液部材を製作できる。また、銅合金のリサイクル性を可能とするばかりでなく、被削性と耐応力腐食割れ性に優れた接液部材を製造できる。
このように、配管途中における接液部材の接水表面性状は、切削加工面とショットブラスト面とに大別できる。本発明者の検討によれば、切削加工面は、ショットブラスト面よりも、接液面の単位投影面積あたりの鉛含有量に対する鉛の溶出量が少ないことが判明した。この知見に基づき、接液部材の製造の際に切削加工面とショットブラスト面の割合を調整することで、所定の基準値を満たす鉛溶出量とすることが可能となる。その際、切削加工面とショットブラスト面の、接水表面の鉛含有量と単位面積あたりの鉛溶出量を明らかにすれば、製品の接水表面における切削加工面ならびにショットブラスト面の表面積に乗ずることで製品の鉛溶出量を予測することが可能になり、これにより、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ６１などの浸出試験において、事前に鉛の溶出量を予測して短納期、少ない費用で製品化が可能となる。そして、例えば、配管径違いのラインナップが必要なバルブや継手においては、鉛の溶出量の少ない比較的小口径のものは溶出対策をせず、鉛が多く溶出する大口径のものに関しては溶出防止対策を実施する、または認証の取得範囲を限定するなどの対策を設計段階で把握できるなどの利点がある。
ショットブラスト面及び切削加工面からの鉛の総溶出量を予測するためには、鉛の溶出量に影響を与える因子を特定し、さらにはその影響度合いを明確にして鉛の溶出量を数式化すればよい。

請求項２に係る発明によると、バルブや継手などの接液器具の各接液部品に対して切削面及びショットブラスト面の面積の割合を調整し、この接液部品を組み合わせて接液器具全体の構成時に鉛溶出量総和量を鉛溶出基準値以下に抑えることが可能となる。このため、接液器具を構成する接液部品ごとに切削加工やショットブラスト加工の割合を調整できることは勿論、鉛の含有量を低減させた黄銅を材料として用いたり、黄銅に表面処理を施したり、さらには黄銅以外のステンレスや樹脂などの別材料により接液部品を形成し、これらの各接液部品を組み合わせて、コスト等に応じた鉛溶出基準以下に抑えた接液部材を設けることが可能になる。

請求項３に係る発明によると、鉛フリー専用のショットブラストを用いることで、ショットブラスト内の投射材であるショット玉に鉛入り黄銅による鉛が転写されることを防いで、投射材からワークへの鉛の付着を防止できる。これにより、接液部表面からの鉛の溶出量を抑えて所定の鉛溶出量を満たすことができる。

ショット玉のＳＥＭ画像を示した写真である。図１の一部拡大写真である。未使用のショット玉のＳＥＭ画像を示した写真である。図３の一部拡大写真である。ボールバルブを示した断面図である。バルブボデーを示した断面図である。ゲートバルブのボデーを示した断面図である。

以下に、本発明における低鉛黄銅製接液部材の製造方法とその接液部材との実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明は、低鉛黄銅製の接液部材を製造する方法において、当該接液部材の接液面を切削加工及びショットブラストにより形成する際に、所定の鉛溶出量を満たすことができるように、接液面の切削加工面及びショットブラスト面における各面積の割合を調整する低鉛黄銅製接液部材の製造方法である。この場合、所定の鉛溶出量とは、例えば、当該接液部材に要求される鉛の溶出基準をいう。また、切削加工面やショットブラスト面の面積とは、各面において肉眼で確認できる表面の面積を表す。すなわち、肉眼で視認できない微細な凹凸等までを考慮した表面積ではなく、あくまでも見かけ上の面積である投影面積等を意味する。

接液面を形成する場合には、（１）鉛溶出基準を満たすように初めから切削加工面とショットブラスト面との割合を決めて接液部材を形成する場合、（２）既に製造した接液部材が鉛溶出基準を満たしていない場合に、切削加工面を増やして基準を満たすようにする場合が考えられ、何れの場合にも適用できる。（１）の場合には、事前に鉛溶出量を予測する必要があり、これについては後述する予測方法によって切削加工面とショットブラスト面との割合を設定すればよい。

本発明の低鉛黄銅製接液部材の製造方法において、接液部材は、接液部品又は接液部品から構成される接液器具を含み、各接液部品の鉛溶出量の総和量を接液器具の鉛溶出量とし、この鉛溶出量を鉛溶出基準値以下としたものである。

上記のショットブラスト加工を施す場合には、鉛入り材料及び鉛フリー材料（低鉛材料）の双方を対象とする、いわゆる鉛入り材料兼用ショットブラストと、鉛フリー材料のみを対象とする、いわゆる鉛フリー専用ショットブラストとをそれぞれ適用可能であり、本発明では、鉛フリー専用ショットブラストを用いてショットブラスト加工を施すことが望ましい。ショットブラストを行う場合、一般に用いられるショットブラスト設備を用いることができる。本発明における鉛フリー材料とは、鉛含有量が０．２５ｍａｓｓ％以下の材料が該当し、鉛フリー材料が黄銅に限定されることはない。この条件を満たす材料にしか用いられたことがないショットブラストは、全て鉛フリー専用に該当する。

この場合、黄銅にはＰｂを０．２５ｍａｓｓ％以下の含有を許容している。このように、接液部材の材料の低鉛黄銅（鉛フリー黄銅）は、鉛含有量が０．２５ｍａｓｓ％以下であり、この条件を満たす範囲であれば、意図的に鉛を添加したもの及び不可避的に鉛が混入したものの両方を含有することとする。

また、低鉛黄銅製の接液部材は、接液面が切削加工面及びショットブラスト面の両方を含み、所定の鉛溶出量を満たすことができるように、前記切削加工面とショットブラスト面の割合が調整されている。

続いて、本発明の低鉛黄銅合金製の接液部材の製造方法において、鍛造用の素材となる黄銅合金に含まれる元素とその望ましい組成範囲、及びその理由を説明する。
Ｓｎ：１．００〜１．８０ｍａｓｓ％
Ｓｎは、黄銅合金における耐応力腐食割れ性（耐ＳＣＣ性）、耐脱亜鉛性、耐エロージョン・コロージョン性などの耐食性を向上させる元素である。Ｓｎの含有によりγ相を析出し耐ＳＣＣ性を向上させるためには、１．００ｍａｓｓ％以上の含有が必要である。また、Ｃ３７７１やＣ３６０４などの鉛入り黄銅と同等以上の耐ＳＣＣ性を確保するためには後述するＳｂやＮｉの相乗効果を利用して、１．２０ｍａｓｓ％以上の含有が望ましく、１．４０ｍａｓｓ％以上含有させると比較的大きな口径の鍛造製バルブや薄肉の鍛造品など、熱間加工性を特に重視しつつ耐ＳＣＣ性を確保することができる。一方で、Ｓｎの含有は合金を硬くし機械的性質（特に伸び）を低下させ製品の信頼性を損ねる可能性があるため、１．８０ｍａｓｓ％以下とする。また、冷間加工性を特に重視する場合には１．３０ｍａｓｓ％以下とし、優れた冷間加工性を得るためには１．６０ｍａｓｓ％以下とするのが望ましい。

Ｓｂ：０．０５〜０．１５ｍａｓｓ％
Ｓｂは、黄銅合金の耐脱亜鉛性と耐ＳＣＣ性を向上させる元素として知られ、Ｓｎの含有とともに耐ＳＣＣ性の向上と安定化、さらにはＮｉとの相乗効果により耐ＳＣＣ性を飛躍的に向上させる必須元素である。耐脱亜鉛性と耐ＳＣＣ性を向上させるためには０．０５ｍａｓｓ％の含有が必要で、０．０７ｍａｓｓ％以上の含有でより確実に効果が得られる。一方で過剰に含有してもこれらの効果は飽和することから耐食性を得るための必要最低限必要な含有量として０．１５ｍａｓｓ％とし、より好ましくは０．１０ｍａｓｓ％を上限とするのが望ましい。
また、Ｓｂは、０．３０〜２．００ｍａｓｓ％の含有で黄銅合金の被削性を向上する元素として知られているが、１．００ｍａｓｓ％以上のＳｎの含有によるγ相の析出を前提として、このγ相にＳｂを固溶させることによりＳｂの含有量を０．１５ｍａｓｓ％以下でも被削性の改善効果（特に切りくずの破砕性）を得ることが可能である．これにより、過剰なＳｂの含有による金属間化合物の生成により伸びが小さくなることを防ぐことができる。被削性の改善効果は、少なくとも０．０７ｍａｓｓ％以上の含有量で得られる。

Ｎｉ：０．５０ｍａｓｓ％以下
Ｎｉは、黄銅合金の機械的性質や耐食性を向上する元素として知られている．耐ＳＣＣ性に関しては、多少の効果があるとの見解が一般的であるが、４０／６０黄銅＋Ｓｎ（ネーバル黄銅）をベースとする合金にＮｉを含有すると耐ＳＣＣ性が低下することが明らかになっている。一方で、４０／６０黄銅＋Ｓｎ＋ＳｂをベースとしＮｉを含有した場合、Ｓｎ：１．００〜１．８０（好ましくはＳｎ：１．１０〜１．６０）ｍａｓｓ％及びＳｂ：０．０５〜０．１５（好ましくはＳｂ：０．０８〜０．１０）ｍａｓｓ％の範囲において耐ＳＣＣ性が向上し、つまり耐ＳＣＣ性に関してＳｂとＮｉによる相乗効果の存在が明らかになった。これにより飛躍的に耐ＳＣＣ性を向上かつ安定化させ、伸びを低下させるＳｎの含有量を低くすることが可能となった。Ｎｉの耐ＳＣＣ性向上効果は０．０５ｍａｓｓ％以上の含有で得られ、０．１０ｍａｓｓ％以上の含有でより確実となる。一方で過剰な含有は硬質な金属間化合物の生成により被削性などが低下することから０．５０ｍａｓｓ％を上限とし、また、Ｎｉは熱間延性を低下させる元素でもあることから、より好ましくは０．２５.ｍａｓｓ％を上限とするのが良い。

Ｃｕ：５９．２〜６２．５ｍａｓｓ％
黄銅製品は、熱間加工（熱間押出し、熱間鍛造）、冷間加工の工程を経て生産される。更に、材料特性として、機械的性質、被削性、耐食性などが用途に応じて求められる。
Ｃｕ含有量は、これらを加味して決定されるものであり、本来は、黄銅合金中に種々の目的で添加されているＳｎ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｐ含有量に応じてＣｕ含有量の調整がなされるべきであるが、本発明では、概ね以下のように成分範囲を決定する。
安定した冷間加工性を得るためＣｕの下限を５９．２ｍａｓｓ％とし、また、熱間加工性は、約６００〜８００℃において変形能が高いβ相を６０％以上１００％未満となるＣｕ含有量に調整することが重要であることが一般的に知られている。このような条件を満たすＣｕ含有量の上限は６２．５ｍａｓｓ％とするのが良い。
この場合、上限を６１．９ｍａｓｓ％以下とすることで、熱間加工性が安定し、被削性も向上する。とりわけ熱間鍛造用として使用する場合には、上限を６１．０ｍａｓｓ％程度にすべきであり、より優れた熱間鍛造性を確保するためには、６０．８ｍａｓｓ％以下とするのが良い。
冷間加工用として使用する場合、優れた伸びを確保することが必要なので下限は５９．２ｍａｓｓ％とするのが良く、さらに優れた冷間加工性を得るためには６１．０ｍａｓｓ％以上とするのが良い。また、より優れた耐脱亜鉛性を得るためには６０．０ｍａｓｓ％を下限とするのが良い。

Ｐ：０．０５〜０．１５ｍａｓｓ％
Ｐは、黄銅の耐脱亜鉛性を向上させる元素として公知の元素である。ＩＳＯ６５０９−１９８１の耐脱亜鉛腐食試験において、最大脱亜鉛腐食深さが２００μｍなどの厳しい耐脱亜鉛性の要求がある場合には、Ｓｂの含有とともにＰの含有が必須である。Ｐの耐脱亜鉛性向上効果は０．０５ｍａｓｓ％以上の含有で得られ、より確実には０．０８ｍａｓｓ％以上とするのが良い。一方で、過剰な含有は硬質の金属間化合物の生成により特に熱間加工性を低下させることから、上限を０．１５ｍａｓｓ％とするのが良い。
また、Ｐは、上記金属間化合物の生成により被削性（特に切りくずの破砕性）を改善する元素であり、Ｐの金属間化合物が生成する０．０８ｍａｓｓ％程度で顕著な効果が得られる。被削性を向上する効果はＰの含有量の増加とともに大きくなるが、上記熱間加工性の低下も考慮して０．１５ｍａｓｓ％とし、より好ましくは０．１０ｍａｓｓ％を上限とするのが良い。

Ｐｂ：０．０５〜０．２５ｍａｓｓ％以下
Ｐｂの上限を厳しく管理してしまうと限られた溶解材料の使用を強いられ合金のコストアップ要因となることから、リサイクル性の観点からは一定量を許容することが望ましく、その下限を０．０５ｍａｓｓ％とすることができる。一方、上限としては、水道水への溶出基準のひとつであるＮＳＦ６１−Ｓｅｃｔｉｏｎ８−ＡｎｎｅｘＦのクリアを前提とした場合、製品形状にもよるが０．２５ｍａｓｓ％以下とすることが望ましい。Ｐｂの含有規制のひとつであるＮＳＦ６１−ＡｎｎｅｘＧによると、Ｐｂは接液部品の加重平均で０．２５ｍａｓｓ％までは許容されることから、この規格に準拠するためにも、鉛の上限を０．２５ｍａｓｓ％とするのが望ましい。また、Ｒｏｈｓ指令の暫定基準の４ｍａｓｓ％が撤廃された場合、Ｐｂの上限は０．１０ｍａｓｓ％となる可能性が高い。したがって、電気電子部品などに使用される場合のＰｂの上限は、０．１０ｍａｓｓ％とするのが望ましい。さらにはＣＤＡの抗菌素材としての登録を考慮した場合、０．０９ｍａｓｓ％を上限とするのが望ましい。

不可避不純物：Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ
本発明における鉛フリー黄銅合金の実施形態の不可避不純物としては、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎが挙げられる。これらの元素を含有すると、硬い金属間化合物の析出により合金の切削性が低下し、切削工具の交換頻度が上昇するなどの悪影響を生ずる。従って、Ｆｅ：０．１０ｍａｓｓ％以下（より高い耐食性が要求される場合には０．０１ｍａｓｓ％以下）、Ｓｉ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．０３ｍａｓｓ％以下を、切削性への影響が低い不可避不純物として扱う。
その他、Ａｓ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｔｉ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｏ：０．３０ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ：０．３０ｍａｓｓ％以下、Ｃａ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｂ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｄ：７５ｐｐｍ以下が不可避不純物として挙げられる。
以上の元素に基づき、本発明の低鉛黄銅合金製の接液部材の製造方法で素材として用いられる低鉛黄銅合金が構成される。

上述した組成範囲の黄銅合金に対して、前記した本発明の製造方法を用いることで、リサイクル性を確保しつつ、鉛の溶出基準を満足するように鉛溶出を抑制できる。以下に、その根拠を詳細に説明する。

先ず、接液部材の鉛の溶出量を予測するにあたり、鉛の溶出量に影響を与える因子について調査を行った。その結果、切削加工面とショットブラスト面とでは鉛の溶出量に大きな差があり、さらに鉛の溶出量は、黄銅素材に含まれる鉛含有量よりも、接水表面の鉛含有量との相関が高いことが判明した。

次に、切削加工面とショットブラスト面とにおける各鉛溶出量、接水表面の鉛含有量と鉛溶出量との関係を把握するため、各種条件にて浸出試験を行った。浸出試験に供した供試材１及び２の材料である材質１及び２の化学成分値を表１に示す。材質１は耐脱亜鉛腐食性を有するネーバル黄銅ベースの鉛フリー黄銅Ｃ４６７５０であり、α化熱処理を実施したφ２５引抜棒を使用している。材質２は、鉛フリー黄銅のＥＮ規格材であるＣＷ５１０Ｌであり、φ２４の押出材を使用している。

続いて、表２に示した前処理の洗浄を各供試材に施し、その後、これら供試材を用いて浸出試験を実施した。切削加工面からの鉛溶出量を評価するための供試材としては供試材１を使用し、この場合、供試材１をφ２３×２８ｍｍの棒材に切削加工したものを用いるようにした。

この供試材を用いた実験水準を表３に示す。
ショットブラスト面からの鉛溶出量を把握するための供試材２は鍛造品を使用した。鍛造品はボール弁のキャップを使用し、鍛造後、材質１はα化熱処理後にショットブラスト加工を実施し、材質２は熱処理を実施することなくショットブラスト加工を実施した。
このショットブラスト加工として、低鉛黄銅合金の加工を対象とした専用ショットブラストと、鉛入り黄銅（Ｃ３７７１）を通常生産するショットブラスト（鉛入り兼用ショットブラスト）を使用し、ショットブラストからの鉛の混入量と溶出量を調査するための供試材とした。また、鍛造品も切削加工品と同様に、表２の前処理を実施して浸出試験を行った。

浸出試験はＮＳＦ／ＡＮＳＩ６１−Ｓｅｃｔｉｏｎ８に準じて行った。浸出試験に用いる浸出液は、鉛の溶出に対して不利なｐＨ１０、試験温度８２℃、また、浸出液量は１００ｍＬとした。浸出試験により得られた鉛の溶出量は、浸出液量、浸出時間により変化するため、一元的な評価ができるよう補正計算をする必要がある。補正計算式は、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ６１に則り以下の通りとした。
補正値＝鉛の溶出量（μｇ／Ｌ）×浸出液量（１００ｍＬ）／１０００ｍＬ×１２ｈｒ／浸出時間（１６ｈｒ）×０．３３

また、補正値は供試材の単位表面積あたりの鉛の溶出量として評価するため、以下の式により表面積補正をおこない、これを評価値とした。
評価値＝補正値÷本試験サンプルの表面積（ｃｍ^２）

続いて、接水表面の鉛の含有量と鉛の溶出量との相関を調査するため、接水表面の鉛含有量をＸＧＴ（蛍光Ｘ線分析装置）にて測定した。表４に接水表面の鉛の含有量と鉛の溶出量の関係を示す。

表４の結果より、切削加工面の鉛含有量は、素材の鉛含有量０．１９ｍａｓｓ％に対し０．２７ｍａｓｓ％、０．２４ｍａｓｓ％となった。これは切削加工により鉛が切削加工面に引き伸ばされていることが要因と思われる。ショットブラスト面における鉛含有量は、鉛入り黄銅材料と鉛フリー黄銅材料の兼用ショットブラストを使用したＮｏ．３〜Ｎｏ．６の場合、平均で０．４ｍａｓｓ％程度増加することが示された。一方で、低鉛黄銅専用ショットブラストを使用したＮｏ．７〜Ｎｏ．１０の場合、表面の鉛にほとんど変化の無い結果となった。

鉛入り黄銅との兼用ショットブラストにより表面の鉛含有量が増加する要因を調査するため、ショット玉表面をＳＥＭにより観察した。鉛入り黄銅との兼用ショットブラストのショット玉表面のＳＥＭ観察を行った結果を図１に示し、この一部拡大写真を図２に示す。写真に示されるように、鉛入り黄銅に使用されているショットブラストのショット玉表面には白色で表示される鉛がショット玉表面に一度溶融したような状態で存在することが確認された。この鉛が低鉛黄銅材料表面に転写されて表面の鉛含有量が高くなり、その結果、鉛の溶出量が高くなるものと考えられる。

一方、図３、図４において、未使用のショット玉を比較例として示している。図に示されるように、この場合のショット玉の形状は整った球形であり、表面に鉛の付着は見られず、全体的に腐食生成物で覆われているような性状を示している。このようなショット玉を使用した場合、鉛フリー黄銅表面への鉛の付着は抑えられる。

上記の実験の結果、切削加工面ならびにショットブラスト面の鉛含有量と鉛の溶出量の関係は正の相関があり、このように接水表面の鉛含有量と鉛の溶出量は高い相関を有することが示された。また、ショットブラスト面から溶出する鉛は、切削加工面に対して約４倍溶出しやすいことがわかった。これは、ショットブラスト面はショットブラストにより荒らされ、表面積が切削加工面よりも大きくなることなどが理由として考えられる。

以降に、実製品を接液部材としたときの鉛溶出量の予測方法を説明する。
実製品の鉛溶出量を予測する場合、接液表面の単位表面積あたりの鉛の含有量に対する鉛の溶出量を、切削加工面及びショットブラスト面について予め求めておき、それに基づいて対象となる接液部材の接液表面からの鉛の溶出量を予測するようにする。以下に、これを具体的に述べる。

図５においては、接液器具として用いたボールバルブ１を示しており、図６においては、この接液器具を構成する接液部品であるボデー２を示している。このような接液器具１、又は接液器具１を構成する接液部品２からなる接液部材の接水表面性状は、切削加工面１０とショットブラスト面１１とに大別され、それぞれの単位表面積あたりの鉛溶出量と鉛含有量との関係が個々に設けられている。これをもとに、実製品のある部品から溶出する鉛の量Ｌｐ（μｇ／Ｌ）は以下のように数式化される。すなわち、接水表面から溶出する鉛の量Ｌｐは、切削加工面１０およびショットブラスト面１１から溶出する鉛の量の和で示される。
Ｌｐ＝Ｌｍ+Ｌｓ（式Ａ）
このとき、Ｌｍ：切削加工面１０から溶出する鉛の量（μｇ／Ｌ）、Ｌｓ：ショットブラスト面１１から溶出する鉛の量（μｇ／Ｌ）となる。

また、接水表面から溶出する鉛は、単位表面積あたりの鉛の溶出量に、接水表面における鉛含有量と接水表面積を乗じて算出することができ、上記のＬｍならびにＬｓは、以下の式Ｂ、式Ｃのように表される。
Ｌｍ＝ａ×Ｃｍ×Ｓｍ（式Ｂ）
Ｌｓ＝ｂ×Ｃｓ×Ｓｓ（式Ｃ）
このとき、ａ：切削加工面１０における単位表面鉛含有量に対する単位表面あたりの鉛の溶出量、Ｃｍ：切削加工面１０の接水表面における鉛含有量（ｍａｓｓ％）、Ｓｍ：切削加工面１０の接水表面積（ｃｍ^２）、b：ショットブラスト面１１における単位表面鉛含有量に対する単位表面あたりの鉛の溶出量、Ｃｓ：ショットブラスト面１１の接水表面における鉛含有量（ｍａｓｓ％）、Ｓｓ：ショットブラスト面１１の接水表面積（ｃｍ^２）である。

ここで、Ｃｍは切削加工条件にもよるが、黄銅素材の鉛含有量に対する切削加工表面の鉛含有量を予め幾つか測定しておくことで、黄銅素材の鉛含有量（ＣＰｂ）に対する切削加工表面の鉛含有量の予測倍数ｃを求めることができる。この場合、Ｃｍは以下の式Ｄで表すことができる。
Ｃｍ＝ｃ×ＣＰｂ（式Ｄ）

また、ショットブラスト面１１における表面の鉛の含有量は、ショットブラスト条件、鉛入り一般材と鉛フリー材との比率などに依存し、ショットブラスト設備ごとの固有の値になると考えられるが、黄銅素材の鉛含有量に対するショットブラスト表面の鉛含有量を予め幾つか測定しておくことで、黄銅素材の鉛含有量（ＣＰｂ）に対するショットブラスト表面の鉛含有量の増加分ｄを求めることができる。したがって、Ｃｓは式Ｅにより表される。
Ｃｓ＝ｄ＋ＣＰｂ（式Ｅ）

上記した式Ａ〜式Ｅまでにより、実製品であるボールバルブ１の接液部分における鉛の溶出量Ｌｐは、次の式により表される。
鉛溶出量Ｌｐ＝ａ×ｃ×ＣＰｂ×Ｓｍ+ｂ×（ｄ+ＣＰｂ）×Ｓｓ（式Ｆ）
この場合、図１に示したボールバルブ１のように、接液器具の多くはいくつかの接液部品により構成されており、この場合、接液部品ごとに式Ｆにより鉛溶出量Ｌｐを算出し、これらの総和にて給水器具（接液部材）全体からの鉛の溶出量を算出することが可能となる。

以上のように、ボールバルブ１全体を接液部材として式Ｆを導出したが、これら数値にはばらつきが存在することは容易に想像できる。
式Fにおける第一の変動要因は、式Ｄにおける係数ｃであり、切削加工面１０の鉛の溶出量のばらつきは経験的に小さいことが知られているため、いったん求めた係数ｃの信頼性は高いと考えられるが、固有値として用いることは難しい。

式Ｆにおける第二の変動要因は、式Ｅにおける係数ｄであるが、上記のようにショットブラスト設備固有の値となるため、設備ごとに鉛のコンタミ量を調査する必要がある。
式Ｆの第三の変動要因は、ａ：切削加工面１０における単位表面鉛含有量に対する単位表面あたりの鉛の溶出量、ｂ：ショットブラスト面１１における単位表面鉛含有量に対する単位表面あたりの鉛の溶出量であり、データのばらつきによりこれらの傾きが変化することが容易に予測できる。

以上のことから、式Ｆの意義とは、鉛の溶出量を予測するための方法を提案するものであり、各種係数の導出は設備ごとに異なり、浸出試験方法のばらつきや測定結果のばらつきなどにより係数を完全に固定することはできない。
また、上記方法では、所定の浸出試験（例えば、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ６１−Ｓｅｃｔｉｏｎ８−８２℃−ｐＨ１０）データにより式Ｆを導出しているのであって、その他の浸出試験方法の場合には各種係数は当てはまらない。しかしながら、鉛の溶出方法は上記の考え方に沿って算出可能となる。

以上の考え方や特性式の導出方法をもとに、実際に製品を設ける前の段階で、接水部全体からの鉛の溶出量Ｌｔが鉛の溶出基準Ｌ、（ＮＳＦ／ＡＮＳＩ６１の場合はＬ＝５）を越えないように、接水部の表面性状をショットブラスト面１１よりも切削加工面１０の比率を大きくするか、または接水表面積自体を低減することなどを設計段階で選択することで、製品のコストアップを防ぎながら鉛の溶出量をコントロールすることが可能になる。例えば、バルブの場合、接液面の加工は、全体的にショットブラスト処置がなされた後、弁体とボデーとが接触する部位やネジ切り加工部分のみに切削加工が施されることがある。切削加工は手間がかかりコスト増の要因となる場合があるので、切削加工でないと不都合が生じる部分以外には施されないことが多い。本実施形態では、例えば通常では切削加工されない部分にまで切削加工を施すことで鉛溶出量を減らすことができ、特に上述した予測法に基づけば、そのような切削加工の増加面積を最小限とすることもできる。

上述したように、本発明の低鉛黄銅製接液部材の製造方法は、低鉛黄銅製の接液部材であるボールバルブ１の接液面を切削加工及びショットブラストにより形成する際に、所定の鉛溶出量を満たすことができるように、接液面の切削加工面及びショットブラスト面１１における各面積の割合を調整する。このとき、鉛の溶出量は主に接液表面の鉛の含有量に依存し、一定の面積における表面積に関して、ショット玉による凹凸状の表面が平坦状の切削表面よりも大きくなることから、ショットブラスト面１１の接水表面の鉛含有量に対する鉛溶出量の傾きが切削加工面よりも大きくなる。

このことから、接液部品又は接液部品から構成される接液器具１を含む低鉛黄銅製の接液部材において、素材の鉛含有量を少なくする組成の黄銅を設けたり、成形後の黄銅に表面処理を施すことなく、切削加工面１０とショットブラスト面１１との面積の割合を調整して鉛溶出用の総和量を鉛の溶出基準以下とすることができる。

これにより、低鉛黄銅により鉛の含有を許容してリサイクル性を確保しながら、接液時の鉛溶出を防止した接液部材の製作が可能になり、さらに、例えば、ボールバルブ１形成時に、鉛フリー黄銅を用いて図２のボデー２を作製する際、所定の鉛の溶出基準を満たさない（満たしそうにない）場合に、接液表面のうち、通常はショットブラスト面１１とされる部位をあえて切削加工面１０に変えたり、或は、素材の鉛の含有量を低減したり、ショットブラストを鉛フリー専用としたり、表面処理を加工したり、接水部のステンレス・樹脂化などの組み合わせを変えるなどの各種の事前の設計変更も実施可能であるため、実製品の製造の際には、製品全体のコスト等を考慮しながら様々な組み合わせにより要求される接液部材を簡便に設けることが可能になる。

さらに、ショットブラストを鉛フリー専用ショットブラストとすることで、ショット玉に鉛入り黄銅からの鉛が転写されることないため、鉛の接液部材への付着を大幅に低減でき、ショットブラスト面１１における鉛の含有量の増加を防いで所定の鉛溶出基準以下を満たす接液表面の一層形成しやすくなる。

図７においては、ゲートバルブのボデーの一例を示している。
このようなボデー３０を接液部品としてショットブラスト加工及び切削加工する場合にも、前述の場合と同様に、ショットブラスト面１１及び切削加工面１０における各面積の割合を調整することにより接液時の総鉛溶出量を求めて、このボデー２０に要求される鉛溶出量の超過を防止することができる。
さらには、本発明の接液部材の製造方法は、黄銅合金以外の合金材料にも適用でき、接液部を有する部材の成形後にショットブラスト加工が施されるものであれば、このショットブラスト面に切削加工を施すことで接液部における鉛溶出量を抑制することが可能になる。

１ボールバルブ
２ボデー
１０切削加工面
１１ショットブラスト面

Claims

０．２５ｍａｓｓ％以下のＰｂの含有を許容している低鉛黄銅製接液部材の接液面を切削加工及びショットブラストにより形成する際に、所定の鉛溶出量を満たすことができるように、前記接液面の切削加工面及びショットブラスト面における各面積の割合を調整することを特徴とする低鉛黄銅製接液部材の製造方法。
前記接液部材は、接液部品又は接液部品から構成される接液器具を含み、各接液部品の鉛溶出量の総和量を前記接液器具の鉛溶出量とし、この鉛溶出量を鉛溶出基準値以下とした請求項１に記載の低鉛黄銅製接液部材の製造方法。
前記ショットブラストを鉛フリー専用ショットブラストとした請求項１又は２に記載の低鉛黄銅製接液部材の製造方法。