JP6605453B2 - 黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法と熱間鍛造品及びこれを用いて成形したバルブや水栓などの接液製品 - Google Patents
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Description
また、耐食性のうち耐応力腐食割れ性を向上する手段としては、電気的に卑でかつマトリックスに固溶しないPbの添加が最も一般的であるが、鉛フリー銅合金の場合は、Pbの含有量を抑制する必要があるため、その代替としてSnを1.0%以上添加することが有効であることが知られる。しかしながら、Snの添加は、伸びや衝撃値などの冷間での機械的性質を低下させることにつながるため、冷間加工や切削加工において問題を生ずる場合がある。そこで、合金設計を行う際には、伸び、衝撃値などの実用範囲を勘案し、Sn含有量を必要最低限に抑えるようになっている。
熱処理により鍛造品の耐食性を向上しようとするものとして、例えば、特許文献1においては、Cuを60〜63質量%含有する銅合金に対して、熱間鍛造後350℃〜650℃の熱処理を行うことで組織のα化を図り、耐脱亜鉛性を向上しようとしている。また、同文献によると、熱間鍛造後、10℃/秒以下で徐冷を行うことで、β相を分断しα相で包囲することによって耐脱亜鉛性が向上するとされている。
特許文献2においては、鉛フリーの黄銅合金の耐食性を向上しようとしたものであり、55〜65重量%の銅を含有する黄銅合金に対して、630〜720℃の温度で押出しを行い、420〜700℃の温度で中間熱処理し、400℃以下の温度で焼き鈍しして応力を解消したものである。
。
請求項26に係る発明は、請求項21乃至25の何れか1項に記載の熱間鍛造品を用いて形成したバルブや水栓などの接液製品である。
先ず、銅合金の耐脱亜鉛性を向上するにあたって、鉛フリー黄銅合金を用いて後述するボールバルブ1のボデー2の熱間鍛造品を成形し、この熱間鍛造品中の各部位における耐脱亜鉛性を詳細に調査した。
その結果、熱間鍛造品をα化焼鈍する場合、鍛造品の部位によってはα化が有効に働きにくい部位が存在し、この部位において耐脱亜鉛腐食性が低下することが判明した。このような部分的な耐脱亜鉛腐食性の低下は、以下の2つが大きな原因と考えられる。
(ア)熱間鍛造工程において、素材が変形を受け難い部位、すなわち加工度が小さい部位では、熱間加工による動的再結晶が起きにくく、その結果として結晶粒が粗大であり、α化焼鈍工程でSnなどの元素の拡散に時間を要する。
(イ)熱間加工後に鍛造品が放冷工程を経ることで、組織中の残留応力が除去されているため、α化に有効な駆動力が低い。
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、Cuを必須元素として、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63.0mass%、より好ましくは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。
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必須元素である。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、2.00mass%以下とし、より好ましくは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。
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い。一方で、Pbは人体に対し有害であるため、その下限を0.05mass%とし、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−Annex F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−Annex G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。
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0.29mass%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。
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0.20mass%、より好ましくは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。
Feは任意成分であり、その含有量が多い場合には、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が生ずるおそれがある。このため、Fe:0.15mass%以下とし、より高い耐食性が要求される場合には、0.01mass%以下とする。
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。従って、本発明においては、Niを任意元素として含有する。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0.25mass%を上限とするのが良い。
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、Si、Mn、Biが挙げられる。これらのうち、Si、Mnを含有している場合、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、Si:0.10mass%以下、Mn:0.03mass%以下とし、これにより切削性への影響が低い不可避不純物として扱う。
また、Biが多く含まれる場合、Pbの含有量にもよるが、Bi−Pb共晶による脆化を抑制するため、0.03mass%以下とする。
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以下とし、これらが不可避不純物の例として挙げられる。
先ず、本発明の課題を明らかにし、鉛フリー黄銅製の熱間鍛造品の耐脱亜鉛性を向上させるために、脱亜鉛性と銅合金のα相の結晶粒度との関係に着目し、結晶粒度の違いが銅合金の耐脱亜鉛性にもたらす影響を調査した。
この調査として、鍛造用素材の結晶粒度を測定し、この素材を熱間鍛造した鍛造品の部位別結晶粒度を再度測定し、その後、処理温度470℃、処理時間2.5時間でα化熱処理を行い、これに対してISO6509−1981の耐脱亜鉛試験腐食試験を行い、最大脱亜鉛腐食深さの測定を実施した。なお、本供試品における350℃から鍛造温度740℃に至るまでの加熱速度は0.53℃/sであり、鍛造後は放冷(空冷)とした。
ボデー2の加工度中の領域の鍛造前素材20に対する結晶粒度粗大化率は53%であり、このときの最大脱亜鉛腐食深さは100μmになり、加工度大の領域の場合と比較して若干の耐脱鉛腐食性の低下が認められる。
これに対し、ボデー2の加工度小の領域の結晶粒度粗大化率は91%であり、このときの最大脱亜鉛腐食深さは191μmになり、加工度大の領域の場合と比較して約3倍の脱亜鉛腐食深さを示す結果となった。
しかしながら、熱間鍛造による加工度小の領域の耐脱亜鉛腐食性を加工度大の領域と同等のレベルにするためには、後述するように、鍛造前素材のα相の結晶粒度の粗大化を抑制することが有効であることが判明した。
このことから、加熱速度を5.2℃/s以上(上限は定義せず)、粒度粗大化率を50%以下(42%)に抑えるようなα相の平均結晶粒度8.5μm以下にすればよい。
従って、本発明に係る鍛造温度は、670℃〜790℃の間、より好ましくは、700℃〜760℃の間に設定すればよい。
このようなボデー30を鉛フリー黄銅材料により熱間鍛造により成形する場合にも、前述のボールバルブのボデー2の場合と同様に、変形部Aが加工度大の領域、変形部Bが加工度中の領域、変形部Cが加工度小の領域になるため、ボデー2の場合と同様に熱間鍛造して成形するようにすれば、α相の結晶粒度の粗大化を防止して耐脱亜鉛性を向上でき、さらに、前記の場合と同様に耐応力腐食割れ性も向上できる。
さらに、本発明の熱間鍛造品の製造方法は、一つの鍛造品を熱間鍛造する場合に、その部位により加工度が大きく異なる鍛造品を成形する場合に特に有効であり、全体の結晶粒度の粗大化を防いで耐脱亜鉛性等の耐食性を向上させることができる。このため、バルブボデー以外の各種の鍛造品にも利用できる。
バルブや水栓等の水接触部品、即ち、ボールバルブ、ボールバルブ用中空ボール、バタフライバルブ、ゲートバルブ、グローブバルブ、チェックバルブ、バルブ用ステム、給水栓、給湯器や温水洗浄便座等の取付金具、給水管、接続管及び管継手、冷媒管、電気温水器部品(ケーシング、ガスノズル、ポンプ部品、バーナなど)、ストレーナ、水道メータ用部品、水中下水道用部品、排水プラグ、エルボ管、チーズ管、ベローズ、便器用接続フランジ、スピンドル、ジョイント、ヘッダー、分岐栓、ホースニップル、水栓付属金具、止水栓、給排水配水栓用品、衛生陶器金具、シャワー用ホースの接続金具、ガス器具、ドアやノブ等の建材、家電製品、サヤ管ヘッダー用アダプタ、自動車クーラー部品、釣り具部品、顕微鏡部品、水道メーター部品、計量器部品、鉄道パンタグラフ部品、その他の部材・部品に広く応用することができる。更には、トイレ用品、台所用品、浴室品、洗面所用品、家具部品、居間用品、スプリンクラー用部品、ドア部品、門部品、自動販売機部品、洗濯機部品、空調機部品、ガス溶接機用部品、熱交換器用部品、太陽熱温水器部品、金型及びその部品、ベアリング、歯車、建設機械用部品、鉄道車両用部品、輸送機器用部品、素材、中間品、最終製品及び組立体等にも広く適用できる。これらのうち、特に、エルボ管の鍛造品は、中空ではなく中実で鍛造される際に本発明の製造方法により成形することが好適である。
2 ボデー
10 型枠
11 左パンチ
12 右パンチ
20 素材
Claims (26)
- Cu:59.2〜63.0mass%、Sn:1.00〜2.00mass%、Pb:0.05〜0.25mass%を有し、残部がZn及び不可避不純物からなる組成を有する黄銅であって、この黄銅を用いて鍛造加工を行う素材を350℃から鍛造温度に至るまで5.2℃/s以上の加熱速度で加熱処理して熱間鍛造品を製造し、この熱間鍛造品のα相の平均結晶粒度は、8.5μm以下であることを特徴とする黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項1において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、及び/又はP:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項2において、さらに、Fe:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項1において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、Ni:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項4において、さらに、P:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- Cu:59.2〜63.0mass%、Sn:1.00〜2.00mass%、Pb:0.05〜0.25mass%を有し、残部がZn及び不可避不純物からなる組成を有する黄銅であって、この黄銅を用いて鍛造加工を行う素材を350℃から鍛造温度に至るまでの加熱速度を、熱間鍛造による鍛造中心領域における結晶粒度の粗大化率を50%以下になるよう設定して熱間鍛造品を製造し、この熱間鍛造品のα相の平均結晶粒度は、8.5μm以下であることを特徴とする黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項6において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、及び/又はP:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項7において、さらに、Fe:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項6において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、Ni:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項9において、さらに、P:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- Cu:59.2〜63.0mass%、Sn:1.00〜2.00mass%、Pb:0.05〜0.25mass%を有し、残部がZn及び不可避不純物からなる組成を有する黄銅であって、この黄銅を用いて鍛造加工を行う素材を350℃から鍛造温度に至るまで5.2℃/s以上の加熱速度で加熱し、鍛造後の鍛造温度から350℃までの冷却速度を2℃/s以上として熱間鍛造品を製造し、この熱間鍛造品のα相の平均結晶粒度は、8.5μm以下であることを特徴とする黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項11において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、及び/又はP:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項12において、さらに、Fe:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項11において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、Ni:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項14において、さらに、P:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- Cu:59.2〜63.0mass%、Sn:1.00〜2.00mass%、Pb:0.05〜0.25mass%を有し、残部がZn及び不可避不純物からなる組成を有する黄銅であって、この黄銅を用いて鍛造加工を行う素材を350℃から鍛造温度に至るまで5.2℃/s以上の加熱速度で加熱し、鍛造後の鍛造温度から350℃までの冷却速度を2℃/s以上142℃/s未満として熱間鍛造品を製造し、この熱間鍛造品のα相の平均結晶粒度は、8.5μm以下であることを特徴とする黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項16において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、及び/又はP:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項17において、さらに、Fe:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項16において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、Ni:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- 請求項19において、さらに、P:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品の製造方法。
- Cu:59.2〜63.0mass%、Sn:1.00〜2.00mass%、Pb:0.05〜0.25mass%を有し、残部がZn及び不可避不純物からなる組成を有する鍛造品であって、この鍛造品の鍛造中心領域におけるα相の平均結晶粒度を8.5μm以下としたことを特徴とする熱間鍛造品。
- 請求項21において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、及び/又はP:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品。
- 請求項22において、さらに、Fe:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品。
- 請求項21において、さらに、Sb:0.05〜0.29mass%、Ni:0.15mass%以下を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品。
- 請求項24において、さらに、P:0.05〜0.20mass%を含有した黄銅を用いた熱間鍛造品。
- 請求項21乃至25の何れか1項に記載の熱間鍛造品を用いて形成したバルブや水栓などの接液製品。
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