JP7180488B2 - 銅合金丸棒材 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、切削加工によって各種部品を成形する際に用いられる切削加工用素材に適した銅合金丸棒材に関するものである。
例えば、銅又は銅合金からなる銅合金部品においては、銅素材を切削加工することによって成形されることがある。特に、ソレノイドバルブ等の車載用部品やインサートナット等の円柱形状及び円筒形状の部品においては、丸棒材を切削加工することによって成形される。このため、切削加工用の銅素材（特に丸棒材）においては、被削性に優れることが求められる。
被削性に優れたＣｕ－Ｚｎ系合金としては、例えばＪＩＳ Ｈ３２５０－Ｃ３６０４、Ｃ３７７１等に規定されたものが提供されている。これらのＣｕ－Ｚｎ系合金は、鉛を含有することで被削性を向上している。
近年では、環境負荷を低減する観点から、鉛を含有することなく被削性が確保されたＣｕ－Ｚｎ系合金が求められている。そこで、特許文献１－３には、Ｓｉを適量添加することによって、被削性を向上したＳｉ含有Ｃｕ－Ｚｎ系合金が提案されている。
近年では、環境負荷を低減する観点から、鉛を含有することなく被削性が確保されたＣｕ－Ｚｎ系合金が求められている。そこで、特許文献１－３には、Ｓｉを適量添加することによって、被削性を向上したＳｉ含有Ｃｕ－Ｚｎ系合金が提案されている。
ここで、円柱形状及び円筒形状の部品を製造する際に素材となる丸棒材においては、加工時における曲がり等を矯正して、同軸度を向上する必要がある。丸棒材の矯正方法としては、特許文献４に示すロール矯正法が一般的に適用される。また、特許文献５には、高強度銅合金棒材の矯正法として、拘束焼鈍法が開示されている。
ここで、上述の丸棒材においては、特許文献４及び特許文献５に示すような方法によって同軸度を向上させた場合であっても、切削前の丸棒材に蓄積された残留応力によって切削加工時に変形が生じ、切削加工後の部品の同軸度が低下するといった問題があった。
最近では、ソレノイドバルブ等の車載用部品においては、従来よりも高い寸法精度が求められることから、従来にも増して、切削加工後の部品の同軸度をさらに向上させる必要がある。
最近では、ソレノイドバルブ等の車載用部品においては、従来よりも高い寸法精度が求められることから、従来にも増して、切削加工後の部品の同軸度をさらに向上させる必要がある。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、切削加工時における変形が抑えられ、切削加工後の同軸度を向上させることが可能な銅合金丸棒材を提供することを目的とする。
この課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、矯正後で切削加工前の銅合金丸棒材における軸方向残留応力σＺの径方向分布と、切削加工後の同軸度との間に一定の関係が存在することを見出し、軸中心からの径方向距離をｒ（ｍｍ）としたときに、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置を規定することで、切削加工後の同軸度を十分に向上させることが可能であるとの知見を得た。
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明の銅合金丸棒材は、切削加工用の銅合金丸棒材であって、Ｃｕを６９ｍａｓｓ％以上７９ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｓｉを２．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる銅合金棒材であって、引張強度が５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の範囲内とされ、軸線方向に直交する断面において、直径をφ（ｍｍ）、軸中心からの径方向距離をｒ（ｍｍ）としたときに、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ≦０．４２の範囲内であることを特徴としている。
上述の構成の銅合金丸棒材によれば、Ｃｕを６９ｍａｓｓ％以上７９ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｓｉを２．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる組成を有しているので、耐食性に優れ、かつ被削性に優れている。
また、引張強度が５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の範囲内とされており、強度にも優れている。
また、引張強度が５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の範囲内とされており、強度にも優れている。
そして、軸線方向に直交する断面において、直径をφ（ｍｍ）、軸中心からの径方向距離をｒ（ｍｍ）としたときに、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置をｒ／φ≦０．４２の範囲内としているので、切削加工後の同軸度の向上を図ることができる。
なお、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法とは、丸棒材の一定長さ領域の外周面を段階的に切削し、丸棒材の長さの変化を測定することにより、軸方向残留応力σＺの径方向分布を求めるものである。
なお、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法とは、丸棒材の一定長さ領域の外周面を段階的に切削し、丸棒材の長さの変化を測定することにより、軸方向残留応力σＺの径方向分布を求めるものである。
図１（ａ）に、ロール矯正前（引抜加工後）の丸棒材の軸方向残留応力σＺの径方向分布を示す。また、図１（ｂ）に、ロール矯正後の丸棒材の軸方向残留応力σＺの径方向分布（ｂ）を示す。
ロール矯正した丸棒材においては、図１（ｂ）に示すように、軸方向残留応力σＺの径方向分布は、軸中心部が圧縮（－）となり、径方向外側に向かって引張（＋）となって極大値を取り、径方向外周端では圧縮（－）となる。本発明では、この軸方向残留応力σＺの極大値σＺｍａｘの径方向位置を制御することによって、切削加工後の同軸度を向上させているのである。
ロール矯正した丸棒材においては、図１（ｂ）に示すように、軸方向残留応力σＺの径方向分布は、軸中心部が圧縮（－）となり、径方向外側に向かって引張（＋）となって極大値を取り、径方向外周端では圧縮（－）となる。本発明では、この軸方向残留応力σＺの極大値σＺｍａｘの径方向位置を制御することによって、切削加工後の同軸度を向上させているのである。
ここで、本発明の銅合金丸棒材においては、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘが１００ＭＰａ以下であることが好ましい。
この場合、切削加工前の銅合金丸棒材に蓄積された残留応力が比較的少なく、切削加工時における銅合金丸棒材の変形をさらに抑制することができる。
この場合、切削加工前の銅合金丸棒材に蓄積された残留応力が比較的少なく、切削加工時における銅合金丸棒材の変形をさらに抑制することができる。
また、本発明の銅合金丸棒材においては、さらに、Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ａｌ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｍｎ，Ｎｉから選択される一種又は二種以上の元素を合計で０．０２ｍａｓｓ％以上０．７ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有してもよい。
この場合、上述の元素を含有することにより、銅合金丸棒材の各種特性をさらに向上させることが可能となる。このため、要求される特性に応じて、適宜選択して添加することが好ましい。
この場合、上述の元素を含有することにより、銅合金丸棒材の各種特性をさらに向上させることが可能となる。このため、要求される特性に応じて、適宜選択して添加することが好ましい。
本発明によれば、切削加工時における変形が抑えられ、切削加工後の同軸度を向上させることが可能な銅合金丸棒材を提供することができる。
以下に、本発明の一実施形態である銅合金丸棒材について説明する。
本実施形態である銅合金丸棒材は、Ｃｕを６９ｍａｓｓ％以上７９ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｓｉを２．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる組成とされている。
なお、本実施形態である銅合金丸棒材においては、さらに、Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ａｌ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｍｎ，Ｎｉから選択される一種又は二種以上の元素を合計で０．０２ｍａｓｓ％以上０．７ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有してもよい。
本実施形態である銅合金丸棒材は、Ｃｕを６９ｍａｓｓ％以上７９ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｓｉを２．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる組成とされている。
なお、本実施形態である銅合金丸棒材においては、さらに、Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ａｌ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｍｎ，Ｎｉから選択される一種又は二種以上の元素を合計で０．０２ｍａｓｓ％以上０．７ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有してもよい。
また、本実施形態である銅合金丸棒材においては、引張強度が５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の範囲内とされている。
そして、本実施形態である銅合金丸棒材においては、軸線方向に直交する断面において、直径をφ（ｍｍ）、軸中心からの径方向距離をｒ（ｍｍ）としたときに、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ≦０．４２の範囲内とされている。
なお、本実施形態である銅合金丸棒材においては、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘが１００ＭＰａ以下とされていてもよい。
なお、本実施形態である銅合金丸棒材においては、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘが１００ＭＰａ以下とされていてもよい。
ここで、上述のように成分組成、引張強度、残留応力を規定した理由について以下に説明する。
（Ｃｕ，Ｚｎ）
本実施形態である銅合金丸棒材は、ＣｕとＺｎとを主成分としている。
ここで、Ｃｕの含有量が６９ｍａｓｓ％未満である場合、すなわち、Ｚｎ等に対してＣｕの含有量が少ない場合には、β相が多く存在することになり、結晶粒の微細化を図ることができなくなるおそれがある。また、延性、冷間加工性、耐変色性、耐応力腐食割れ性、プレス性といった特性が低下することになる。
一方、Ｃｕの含有量が７９ｍａｓｓ％を超える場合、すなわち、Ｚｎ等に対してＣｕの含有量が多い場合には、強度、耐摩耗性が低下するとともに、結晶粒の微細化効果が低減するおそれがある。
このような理由から、Ｃｕの含有量を６９ｍａｓｓ％以上７９ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定している。
なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、Ｃｕの含有量の下限を７２ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、７４ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｃｕの含有量の上限を７８ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、７７ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
また、Ｚｎは、引張強度、耐力等の機械的特性に影響を与える元素であるが、他の含有元素との関係から、Ｃｕ等の他の元素の残部として含有量を規定している。
本実施形態である銅合金丸棒材は、ＣｕとＺｎとを主成分としている。
ここで、Ｃｕの含有量が６９ｍａｓｓ％未満である場合、すなわち、Ｚｎ等に対してＣｕの含有量が少ない場合には、β相が多く存在することになり、結晶粒の微細化を図ることができなくなるおそれがある。また、延性、冷間加工性、耐変色性、耐応力腐食割れ性、プレス性といった特性が低下することになる。
一方、Ｃｕの含有量が７９ｍａｓｓ％を超える場合、すなわち、Ｚｎ等に対してＣｕの含有量が多い場合には、強度、耐摩耗性が低下するとともに、結晶粒の微細化効果が低減するおそれがある。
このような理由から、Ｃｕの含有量を６９ｍａｓｓ％以上７９ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定している。
なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、Ｃｕの含有量の下限を７２ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、７４ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｃｕの含有量の上限を７８ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、７７ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
また、Ｚｎは、引張強度、耐力等の機械的特性に影響を与える元素であるが、他の含有元素との関係から、Ｃｕ等の他の元素の残部として含有量を規定している。
（Ｓｉ）
Ｓｉは、被削性を向上させる作用を有する元素である。また、引張強度、耐力、衝撃強さ、疲労強度等の機械的特性を向上させる作用も有する。さらに、溶湯の流動性を向上させ、溶湯の酸化を防ぎ、融点を下げる作用も有する。
ここで、Ｓｉの含有量が２．０ｍａｓｓ％未満である場合には、上述の作用効果を奏することができなくなる。すなわち、被削性を確保することができなくなる。
一方、Ｓｉの含有量が４．０ｍａｓｓ％を超える場合には、初晶としてβ相が生成することになり、結晶粒の微細化効果を得ることができなくなる。
このような理由から、Ｓｉの含有量を２．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定している。
なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、Ｓｉの含有量の下限を２．５ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、２．７ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｓｉの含有量の上限を３．５ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、３．２ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
Ｓｉは、被削性を向上させる作用を有する元素である。また、引張強度、耐力、衝撃強さ、疲労強度等の機械的特性を向上させる作用も有する。さらに、溶湯の流動性を向上させ、溶湯の酸化を防ぎ、融点を下げる作用も有する。
ここで、Ｓｉの含有量が２．０ｍａｓｓ％未満である場合には、上述の作用効果を奏することができなくなる。すなわち、被削性を確保することができなくなる。
一方、Ｓｉの含有量が４．０ｍａｓｓ％を超える場合には、初晶としてβ相が生成することになり、結晶粒の微細化効果を得ることができなくなる。
このような理由から、Ｓｉの含有量を２．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定している。
なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、Ｓｉの含有量の下限を２．５ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、２．７ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｓｉの含有量の上限を３．５ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、３．２ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
（Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ａｌ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｍｎ，Ｎｉから選択される一種又は二種以上の添加元素）
これらの添加元素は、銅合金丸棒材の各種特性を向上させる作用を有するものであり、要求特性に応じて、適宜、添加することができる。
ここで、Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ａｌ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｍｎ，Ｎｉから選択される一種又は二種以上の添加元素の合計含有量が０．０２ｍａｓｓ％未満では、これらの添加元素の作用効果が得られないおそれがある。一方、添加元素の合計含有量が０．７ｍａｓｓ％を超えると、銅合金丸棒材の基本特性を確保できなくなるおそれがある。
なお、上述の添加元素の合計含有量の下限は０．０２５ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。一方、上述の添加元素の合計含有量の上限は０．２ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、０．１ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
また、上述の添加元素について意図的に添加しない場合には、不純物として０．０２ｍａｓｓ％未満で含有されていてもよい。
これらの添加元素は、銅合金丸棒材の各種特性を向上させる作用を有するものであり、要求特性に応じて、適宜、添加することができる。
ここで、Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ａｌ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｍｎ，Ｎｉから選択される一種又は二種以上の添加元素の合計含有量が０．０２ｍａｓｓ％未満では、これらの添加元素の作用効果が得られないおそれがある。一方、添加元素の合計含有量が０．７ｍａｓｓ％を超えると、銅合金丸棒材の基本特性を確保できなくなるおそれがある。
なお、上述の添加元素の合計含有量の下限は０．０２５ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。一方、上述の添加元素の合計含有量の上限は０．２ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、０．１ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
また、上述の添加元素について意図的に添加しない場合には、不純物として０．０２ｍａｓｓ％未満で含有されていてもよい。
（不可避不純物：０．０５ｍａｓｓ％以下）
その他の不可避的不純物としては、Ａｇ、Ｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、希土類元素、Ｔｉ、（Ｚｒ）、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、（Ｍｎ）、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、（Ｓｅ）、（Ｔｅ）、Ｒｈ、Ｉｒ、（Ｎｉ）、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｄ，Ｈｇ、（Ａｌ）、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ、（Ｓｎ）、（Ａｓ）、（Ｓｂ）、Ｔｌ、（Ｐｂ）、（Ｂｉ）、Ｂｅ、Ｎ、Ｃ、Ｌｉ、Ｈ、Ｏ、（Ｐ）、Ｓ等が挙げられる。これらの不可避不純物は、銅合金丸棒材の各種特性を劣化させるおそれがあるため、総量で０．０５ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、０．０２ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
その他の不可避的不純物としては、Ａｇ、Ｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、希土類元素、Ｔｉ、（Ｚｒ）、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、（Ｍｎ）、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、（Ｓｅ）、（Ｔｅ）、Ｒｈ、Ｉｒ、（Ｎｉ）、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｄ，Ｈｇ、（Ａｌ）、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ、（Ｓｎ）、（Ａｓ）、（Ｓｂ）、Ｔｌ、（Ｐｂ）、（Ｂｉ）、Ｂｅ、Ｎ、Ｃ、Ｌｉ、Ｈ、Ｏ、（Ｐ）、Ｓ等が挙げられる。これらの不可避不純物は、銅合金丸棒材の各種特性を劣化させるおそれがあるため、総量で０．０５ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、０．０２ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
（引張強度：５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下）
本実施形態である銅合金丸棒材において、引張強度が５４０ＭＰａ未満の場合には、強度が不足し、各種部品の素材として不適である。一方、引張強度が８００ＭＰａを超える場合には、延性が不足して耐衝撃性が低くなり、各種部品の素材として不適である。
よって、本実施形態である銅合金丸棒材においては、引張強度を５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の範囲内に設定している。
なお、本実施形態である銅合金丸棒材においては、引張強度の上限を７５０ＭＰａ以下とすることが好ましく、７００ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。
本実施形態である銅合金丸棒材において、引張強度が５４０ＭＰａ未満の場合には、強度が不足し、各種部品の素材として不適である。一方、引張強度が８００ＭＰａを超える場合には、延性が不足して耐衝撃性が低くなり、各種部品の素材として不適である。
よって、本実施形態である銅合金丸棒材においては、引張強度を５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の範囲内に設定している。
なお、本実施形態である銅合金丸棒材においては、引張強度の上限を７５０ＭＰａ以下とすることが好ましく、７００ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。
（軸方向残留応力σＺの極大値σＺｍａｘの径方向位置：ｒ／φ≦０．４２）
本実施形態である銅合金丸棒材においては、軸線方向に直交する断面において、直径をφ（ｍｍ）、軸中心からの径方向距離をｒ（ｍｍ）としたときに、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ≦０．４２の範囲内とされている場合には、切削加工後の同軸度の向上を図ることが可能となる。
本実施形態である銅合金丸棒材においては、軸線方向に直交する断面において、直径をφ（ｍｍ）、軸中心からの径方向距離をｒ（ｍｍ）としたときに、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ≦０．４２の範囲内とされている場合には、切削加工後の同軸度の向上を図ることが可能となる。
ロール矯正した従来の丸棒材においては、軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ＞０．４２となっており、極大値σＺｍａｘの径方向位置が径方向外側に位置している。この状態で切削加工を施すと、切削加工時に変形が生じやすく、切削加工後の部品の同軸度が低下することになる。
本実施形態においては、後述する矯正工程Ｓ０７における矯正条件を適正化することにより、軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置をｒ／φ≦０．４２の範囲内とし、切削加工後の部品の同軸度を向上させているのである。
本実施形態においては、後述する矯正工程Ｓ０７における矯正条件を適正化することにより、軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置をｒ／φ≦０．４２の範囲内とし、切削加工後の部品の同軸度を向上させているのである。
また、軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置をｒ／φ≦０．４０とすることがさらに好ましい。
なお、ロール矯正した丸棒材においては、軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置をｒ／φ＜０．３とすることは、丸棒材に表面キズが生じやすく、また、矯正後の丸棒材の直径が軸方向でバラつきやすくなるため、現実的ではない。
なお、ロール矯正した丸棒材においては、軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置をｒ／φ＜０．３とすることは、丸棒材に表面キズが生じやすく、また、矯正後の丸棒材の直径が軸方向でバラつきやすくなるため、現実的ではない。
（軸方向残留応力σＺの極大値σＺｍａｘ：１００ＭＰａ以下）
本実施形態である銅合金丸棒材において、軸方向残留応力σＺの極大値σＺｍａｘが１００ＭＰａ以下とされている場合には、切削加工前の銅合金丸棒材に蓄積された残留応力が比較的少なく、切削加工時における銅合金丸棒材の変形をさらに抑制することが可能となる。
したがって、軸方向残留応力σＺの極大値σＺｍａｘの上限は１００ＭＰａ以下とすることが好ましく、７５ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。
本実施形態である銅合金丸棒材において、軸方向残留応力σＺの極大値σＺｍａｘが１００ＭＰａ以下とされている場合には、切削加工前の銅合金丸棒材に蓄積された残留応力が比較的少なく、切削加工時における銅合金丸棒材の変形をさらに抑制することが可能となる。
したがって、軸方向残留応力σＺの極大値σＺｍａｘの上限は１００ＭＰａ以下とすることが好ましく、７５ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。
ここで、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法による軸方向残留応力σＺの測定方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、円柱形状の測定試料１０を準備する。この測定試料１０においては、その一端（図２において上端）側に形成された固定部１１と、他端（図２において下端）側に形成された切削部１２と、固定部１１と切削部１２との間に形成された非切削部１３と、を有している。このとき、切削部１２は、所定の初期長さＬ０（図２においてはＬ０＝５０ｍｍ）に設定しておく。
そして、以下に示す（１）～（１１）を実施して、軸方向残留応力σＺの軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置を求める。
（１）：マシニングセンタのチャック部に、測定試料１０の固定部１１を配置して取り付ける。
（２）：切削インサートを固定する。
（３）：測定試料１０の切削部１２の先端をツールセッタに接触させて、切削前の測定試料１０の切削部１２の先端位置をゼロ点として決定する。
（４）：測定試料１０を所定の回転数（本実施形態では３０００ｒｐｍ）で回転させるとともに、一定の送り速度（本実施形態では０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）でインサートに接触させ、切削部１２の外周面を０．１ｍｍ（直径変化０．２ｍｍ）切削する。
（５）：切削後の測定試料１０の切削部１２の先端をツールセッタに接触させて、ゼロ点からの長さ変化量ΔＬを記録する。
（６）：（４）及び（５）を、切削部１２の直径が６ｍｍとなるまで繰り返し実施する。
まず、図２（ａ）に示すように、円柱形状の測定試料１０を準備する。この測定試料１０においては、その一端（図２において上端）側に形成された固定部１１と、他端（図２において下端）側に形成された切削部１２と、固定部１１と切削部１２との間に形成された非切削部１３と、を有している。このとき、切削部１２は、所定の初期長さＬ０（図２においてはＬ０＝５０ｍｍ）に設定しておく。
そして、以下に示す（１）～（１１）を実施して、軸方向残留応力σＺの軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置を求める。
（１）：マシニングセンタのチャック部に、測定試料１０の固定部１１を配置して取り付ける。
（２）：切削インサートを固定する。
（３）：測定試料１０の切削部１２の先端をツールセッタに接触させて、切削前の測定試料１０の切削部１２の先端位置をゼロ点として決定する。
（４）：測定試料１０を所定の回転数（本実施形態では３０００ｒｐｍ）で回転させるとともに、一定の送り速度（本実施形態では０．１ｍｍ／ｒｅｖ．）でインサートに接触させ、切削部１２の外周面を０．１ｍｍ（直径変化０．２ｍｍ）切削する。
（５）：切削後の測定試料１０の切削部１２の先端をツールセッタに接触させて、ゼロ点からの長さ変化量ΔＬを記録する。
（６）：（４）及び（５）を、切削部１２の直径が６ｍｍとなるまで繰り返し実施する。
（７）：切削部１２の切削前の直径をφ、切削後の直径変化をΔφとして、切削毎の断面積ｆを、ｆ＝０．２５×π×（φ＋Δφ）２、から求める。
（８）：切削部１２の初期長さＬ０、ゼロ点からの長さ変化量ΔＬから、切削毎に軸方向の真ひずみεＺを、εＺ＝ｌｎ（１＋（ΔＬ／Ｌ０））、から求める。
（９）：上記の（７）及び（８）で求めたｆとεＺの関係をグラフ化し、切削箇所毎の傾きｄεＺ／ｄｆを求める。なお、傾きは、３～６次の多項式近似によって求めることが好ましい。
（１０）：測定試料１０のヤング率Ｅ（本実施形態では、Ｅ＝１０５０００ＭＰａ）から、σＺ＝－Ｅ×（εＺ＋ｆ×（ｄεＺ／ｄｆ））により軸方向残留応力σＺを求める。
（１１）：正規化半径ｒ／φ＝０．５×（φ＋Δφ）／φ（０＜ｒ／φ＜０．５）と、軸方向残留応力σＺとの関係をグラフ化し、軸方向残留応力σＺが極大値を取る位置ｒ／φを特定する。
（８）：切削部１２の初期長さＬ０、ゼロ点からの長さ変化量ΔＬから、切削毎に軸方向の真ひずみεＺを、εＺ＝ｌｎ（１＋（ΔＬ／Ｌ０））、から求める。
（９）：上記の（７）及び（８）で求めたｆとεＺの関係をグラフ化し、切削箇所毎の傾きｄεＺ／ｄｆを求める。なお、傾きは、３～６次の多項式近似によって求めることが好ましい。
（１０）：測定試料１０のヤング率Ｅ（本実施形態では、Ｅ＝１０５０００ＭＰａ）から、σＺ＝－Ｅ×（εＺ＋ｆ×（ｄεＺ／ｄｆ））により軸方向残留応力σＺを求める。
（１１）：正規化半径ｒ／φ＝０．５×（φ＋Δφ）／φ（０＜ｒ／φ＜０．５）と、軸方向残留応力σＺとの関係をグラフ化し、軸方向残留応力σＺが極大値を取る位置ｒ／φを特定する。
次に、このような構成とされた本実施形態である銅合金丸棒材の製造方法について、図３に示すフロー図を参照して説明する。
（溶解・鋳造工程Ｓ０１）
まず、銅合金溶湯を製出する。なお、元素の添加には、元素単体や母合金等を用いることができる。また、これらの元素を含む原料を銅原料とともに溶解してもよい。
そして、成分調整された銅合金溶湯を鋳型に注入して鋳塊を製出する。なお、量産を考慮した場合には、連続鋳造法または半連続鋳造法を用いることが好ましい。以上のようにして、円柱形状の鋳塊（ビレット）を得る。
まず、銅合金溶湯を製出する。なお、元素の添加には、元素単体や母合金等を用いることができる。また、これらの元素を含む原料を銅原料とともに溶解してもよい。
そして、成分調整された銅合金溶湯を鋳型に注入して鋳塊を製出する。なお、量産を考慮した場合には、連続鋳造法または半連続鋳造法を用いることが好ましい。以上のようにして、円柱形状の鋳塊（ビレット）を得る。
（加熱工程Ｓ０２）
次に、得られた鋳塊（ビレット）に対して加熱処理を行う。この加熱工程Ｓ０２により、鋳塊（ビレット）を均質化させる。
なお、鋳塊（ビレット）の加熱温度は、５００℃以上７５０℃以下の範囲内とすることが好ましく、加熱温度における保持時間を０．２時間以上１２時間以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、得られた鋳塊（ビレット）に対して加熱処理を行う。この加熱工程Ｓ０２により、鋳塊（ビレット）を均質化させる。
なお、鋳塊（ビレット）の加熱温度は、５００℃以上７５０℃以下の範囲内とすることが好ましく、加熱温度における保持時間を０．２時間以上１２時間以下の範囲内とすることが好ましい。
（押出工程Ｓ０３）
次に加熱工程Ｓ０２で加熱された鋳塊（ビレット）に対して押出加工を実施し、所定の直径に加工する。
次に加熱工程Ｓ０２で加熱された鋳塊（ビレット）に対して押出加工を実施し、所定の直径に加工する。
（焼鈍工程Ｓ０４）
必要に応じて、加工性向上のための軟化を目的として焼鈍を実施する。焼鈍条件は特に限定はないが、好ましくは４００℃以上６５０℃以下の保持温度で、０．５時間以上８時間以下の保持時間で実施する。
必要に応じて、加工性向上のための軟化を目的として焼鈍を実施する。焼鈍条件は特に限定はないが、好ましくは４００℃以上６５０℃以下の保持温度で、０．５時間以上８時間以下の保持時間で実施する。
（引抜工程Ｓ０５）
次に、押出加工材（又は焼鈍を実施した押出加工材）に対して、所定の直径となるように、引抜加工を実施する。このとき、皮剥きを実施してもよい。この引抜工程Ｓ０５における加工率は０．５％以上２５％以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、押出加工材（又は焼鈍を実施した押出加工材）に対して、所定の直径となるように、引抜加工を実施する。このとき、皮剥きを実施してもよい。この引抜工程Ｓ０５における加工率は０．５％以上２５％以下の範囲内とすることが好ましい。
（切断工程Ｓ０６）
次に、得られた長尺棒材を所定の長さに切断する。
次に、得られた長尺棒材を所定の長さに切断する。
（矯正工程Ｓ０７）
そして、所定の長さに切断された棒材に対して、同軸度を向上させるために、ロール矯正を実施する。本実施形態では、図４に示すように、２ロール矯正機によって棒材の矯正を実施する。
図４に示す２ロール矯正機２０においては、凸ロール２１と凹ロール２２とを、互いの軸線が所定の角度で交差するように配置し、棒材１を回転させながら凸ロール２１と凹ロール２２との間を通過させ、凸ロール２１と凹ロール２２で挟持して圧下することにより、棒材１の同軸度を向上させる。
そして、所定の長さに切断された棒材に対して、同軸度を向上させるために、ロール矯正を実施する。本実施形態では、図４に示すように、２ロール矯正機によって棒材の矯正を実施する。
図４に示す２ロール矯正機２０においては、凸ロール２１と凹ロール２２とを、互いの軸線が所定の角度で交差するように配置し、棒材１を回転させながら凸ロール２１と凹ロール２２との間を通過させ、凸ロール２１と凹ロール２２で挟持して圧下することにより、棒材１の同軸度を向上させる。
ここで、本実施形態においては、図４に示すように、ロール矯正機２０の凸ロール２１と凹ロール２２の入側での棒材１の温度をｔ０、ロール矯正機２０の凸ロール２１と凹ロール２２の出側での棒材１の温度をｔ１とした場合に、温度差ｔ１－ｔ０が１０℃以上となるように、矯正条件を設定している。すなわち、ロール矯正機２０における加工発熱量を、上述の温度差ｔ１－ｔ０によって規定しているのである。
上述の温度差ｔ１－ｔ０を１０℃以上とすることにより、棒材に対して十分な曲げによる塑性変形が付与されて矯正が行われており、軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置をｒ／φ≦０．４２の範囲内とすることが可能となる。
したがって、上述の温度差ｔ１－ｔ０の下限は１０℃以上とすることが好ましく、１５℃以上とすることがさらに好ましい。
したがって、上述の温度差ｔ１－ｔ０の下限は１０℃以上とすることが好ましく、１５℃以上とすることがさらに好ましい。
上述した工程により、本実施形態である銅合金丸棒材が製造されることになる。
以上のような構成とされた本実施形態である銅合金棒材によれば、Ｃｕを６９ｍａｓｓ％以上７９ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｓｉを２．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる組成を有しているので、耐食性に優れ、かつ被削性に優れている。
また、引張強度が５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の範囲内とされており、強度にも優れている。
また、引張強度が５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の範囲内とされており、強度にも優れている。
本実施形態である銅合金丸棒材において、さらに、Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ａｌ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｍｎ，Ｎｉから選択される一種又は二種以上の元素を合計で０．０２ｍａｓｓ％以上０．７ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有する場合には、銅合金丸棒材の各種特性をさらに向上させることが可能となる。
そして、本実施形態である銅合金丸棒材においては、軸線方向に直交する断面において、直径をφ（ｍｍ）、軸中心からの径方向距離をｒ（ｍｍ）としたときに、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ≦０．４２の範囲内とされているので、切削加工後の同軸度の向上を図ることができる。
さらに、本実施形態である銅合金丸棒材において、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘが１００ＭＰａ以下である場合には、切削加工前の銅合金丸棒材に蓄積された残留応力が比較的少なく、切削加工時における銅合金丸棒材の変形をさらに抑制することができる。
以上、本発明の実施形態である銅合金丸棒材について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述の実施形態では、２ロール矯正機によって棒材の矯正を実施するものとして説明したが、これに限定されることはなく、３ロール式、５ロール式、６ロール式、７ロール式、ロータリーハウジング式等の他のロール矯正法を用いてもよい。
例えば、上述の実施形態では、２ロール矯正機によって棒材の矯正を実施するものとして説明したが、これに限定されることはなく、３ロール式、５ロール式、６ロール式、７ロール式、ロータリーハウジング式等の他のロール矯正法を用いてもよい。
また、本実施形態においては、図３のフロー図に示す製造方法によって銅合金丸棒材を製造するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の製造方法を適用してもよい。例えば、溶解・鋳造工程Ｓ０１において、長尺の棒状鋳塊を連続鋳造するアップワード法、アップキャスト法等を適用した場合には、加熱工程Ｓ０２、押出工程Ｓ０３及び焼鈍工程Ｓ０４を省略し、溶解・鋳造工程Ｓ０１で得られた棒状鋳塊に対して引抜加工工程Ｓ０５を実施してもよい。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
本実施形態に記載した工程により、表１に示す組成の銅合金丸棒材を得た。なお、比較例１においては、矯正工程後に完全焼鈍を実施した。
本実施形態に記載した工程により、表１に示す組成の銅合金丸棒材を得た。なお、比較例１においては、矯正工程後に完全焼鈍を実施した。
（軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘ）
得られた銅合金丸棒材に対して、本実施形態に記載したように、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置、極大値σＺｍａｘを求めた。本発明例１及び比較例２の測定結果を図５に示す。
得られた銅合金丸棒材に対して、本実施形態に記載したように、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置、極大値σＺｍａｘを求めた。本発明例１及び比較例２の測定結果を図５に示す。
（引張強度）
銅合金丸棒材からＪＩＳ Ｚ２２４１に規定される４号試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定される引張試験方法により引張強度を測定した。
銅合金丸棒材からＪＩＳ Ｚ２２４１に規定される４号試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定される引張試験方法により引張強度を測定した。
（同軸度）
得られた銅合金丸棒材に対して切削加工を実施し、切削加工前の銅合金丸棒材の直径が２０ｍｍ未満の場合には、図６（ａ）に示す形状の部品を、切削加工前の銅合金丸棒材の直径が２０ｍｍ以上の場合には、図６（ｂ）に示す形状の部品を、それぞれ１０個ずつ作製した。
そして、図７に示す測定部Ａ、測定部Ｂおよび測定部Ｃにおいて、株式会社ミツトヨ製ＲＡ－Ｈ５１００ＡＨを用いて、測定部Ｂと測定部Ｃより構成される軸に対する測定部Ａの同軸度を測定した。
測定部Ａの同軸度（１か所）×部品数（１０個）＝１０点の測定結果の平均値を算出した。
得られた銅合金丸棒材に対して切削加工を実施し、切削加工前の銅合金丸棒材の直径が２０ｍｍ未満の場合には、図６（ａ）に示す形状の部品を、切削加工前の銅合金丸棒材の直径が２０ｍｍ以上の場合には、図６（ｂ）に示す形状の部品を、それぞれ１０個ずつ作製した。
そして、図７に示す測定部Ａ、測定部Ｂおよび測定部Ｃにおいて、株式会社ミツトヨ製ＲＡ－Ｈ５１００ＡＨを用いて、測定部Ｂと測定部Ｃより構成される軸に対する測定部Ａの同軸度を測定した。
測定部Ａの同軸度（１か所）×部品数（１０個）＝１０点の測定結果の平均値を算出した。
完全焼鈍を実施した比較例１においては、引張強度が５２６ＭＰａと低くなった。このため、軸方向残留応力σＺ、及び、同軸度については、評価しなかった。
Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ＞０．４２の範囲内とされた比較例２－５においては、同軸度が２２．５μｍ以上であった。
Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ＞０．４２の範囲内とされた比較例２－５においては、同軸度が２２．５μｍ以上であった。
これに対して、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ≦０．４２の範囲内とされた本発明例１－４においては、同軸度が１９．３μｍ以下となった。
以上のことから、本発明例によれば、切削加工後における同軸度を向上させることが可能な銅合金丸棒材を提供できることが確認された。
Claims (3)
- 切削加工用の銅合金丸棒材であって、
Ｃｕを６９ｍａｓｓ％以上７９ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｓｉを２．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含み、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなる銅合金棒材であって、
引張強度が５４０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の範囲内とされ、
軸線方向に直交する断面において、直径をφ（ｍｍ）、軸中心からの径方向距離をｒ（ｍｍ）としたときに、Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘの径方向位置がｒ／φ≦０．４２の範囲内であることを特徴とする銅合金丸棒材。 - Ｈｅｙｎ－Ｂａｕｅｒ法によって測定された軸方向残留応力σＺの正規化半径方向分布における極大値σＺｍａｘが１００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の銅合金丸棒材。
- さらに、Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｂｉ，Ａｌ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｍｎ，Ｎｉから選択される一種又は二種以上の元素を合計で０．０２ｍａｓｓ％以上０．７ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の銅合金丸棒材。
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