JPWO2006137557A1 - 銅合金系水道用部材 - Google Patents
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Abstract
鉛の含有量を微量に抑えつつ、機械的性質、鋳造性、切削性、耐圧性等を、従来の鉛使用銅合金と同程度に維持した銅合金による水道用部材を得る。スズを２．０重量％以上５．９重量％以下、ニッケルを１．５重量％以上５．０重量％以下、亜鉛を５．０重量％以上１２．１重量％以下、ビスマスを０．４重量％以上３．３重量％以下、リンを０．００９重量％以上０．１５重量％以下含有し、残分が銅と不純物である銅合金を製造する。
Description
この発明は、銅合金製であって、鉛の浸出が規定以下である水道用部材に適用する材料に関する。
従来、水道用資機材や給水装置の部品に用いられてきた鋳造溶製銅合金ＣＡＣ４０６は鉛を４．０〜６．０重量％含んでおり、水道水への鉛の溶出が多く見られた。そのため、有害な鉛の溶出量を削減するために、鉛の含有量を低下させた、又は鉛を使用しない鉛フリー銅合金の製造が検討されている。
ただし、鉛の含有量を低下させたり、鉛を用いなかったりすると、銅合金の鋳造性や切削性、耐圧性が低下し、例えばバルブに用いた場合に水漏れが発生するなどの要因となっている。そこで、単に鉛の含有量を削減するだけではなく、耐圧性などの機能性の低下を、鉛使用合金に比べて出来るだけ抑えた合金が検討されている。
このような合金として、例えば、特許文献１に記載のように、ビスマスやセレンを添加して切削性を高めた合金がある。また、特許文献２に記載のように、シリコンやマグネシウムを、強度及び浸出特性を満足させるために添加させた合金もある。
しかしながら、セレンにも毒性があるために、セレンを多く含む特許文献１に記載の合金は水道用部材として用いるにはその有害性が懸念される。また、シリコンを含有した合金は、羊毛状の珪酸塩を生成するために、微小空隙（ミクロポロシティ）の発生を助長し、耐圧性を下げる要因となり、さらに、マグネシウムは酸化マグネシウムのような酸化物を形成しやすく、材料中に酸化マグネシウムが分散して、伸びを低下させ、湯流れ性を著しく阻害してしまうなどの問題を生じてしまった。
一方で、世界的に資源を有効活用することが求められており、金属資源の有効活用のために、リサイクル材料を使用することが推進されている。しかしながら、従来の金属製品を元にしたリサイクル材料は、かつて一般的に使われていた鉛が微量ながら不純物として混入することが避けられず、製造される合金はどうしても微量の鉛が含まれる場合があった。
そこでこの発明は、鉛の含有量と金属の溶出量とを微量に抑えつつ、機械的性質、鋳造性、切削性、耐圧性等を、従来の鉛使用銅合金と同程度に維持した銅合金による水道用部材を得ることを目的とする。
この発明は、スズを２．０重量％以上５．９重量％以下、ニッケルを１．５重量％以上５．０重量％以下、亜鉛を５．０重量％以上１２．１重量％以下、ビスマスを０．４重量％以上３．３重量％以下、リンを０．００９重量％以上０．１５重量％以下含有し、残分が銅と不純物である銅合金により水道用部材を製造することで、上記の課題を解決したのである。
この発明にかかる水道用部材に用いる銅合金は、鉛の含有量は材料として用いるリサイクル材料に不純物として含まれる程度であり、鉛の溶出量を低く抑えることができる。また、スズ、ニッケル、亜鉛、リン、ビスマスを所定量加えることで、鉛が少なくても鋳造性、機械的性質、耐圧性、浸出特性、切削性を維持することができ、水道用部材の材料として好適に用いることができる。
以下、この発明について詳細に説明する。
この発明は、スズ、ニッケル、亜鉛、ビスマス、リンを所定量含有し、残分が銅と不純物とからなり、不純物の中に含まれる鉛とシリコンが所定量以下である銅合金からなる銅合金系水道用部材である。まず、この水道用部材に用いる銅合金を構成する各々の元素について説明する。
この発明は、スズ、ニッケル、亜鉛、ビスマス、リンを所定量含有し、残分が銅と不純物とからなり、不純物の中に含まれる鉛とシリコンが所定量以下である銅合金からなる銅合金系水道用部材である。まず、この水道用部材に用いる銅合金を構成する各々の元素について説明する。
上記銅合金は、スズを２．０重量％以上含むことが必要であり、２．４重量％以上であるとより好ましい。スズの含有量が上がるほど銅合金の引張強さは増加し、伸びは低下する傾向にある機械的性質の観点から、スズの含有量が２．０重量％未満であると、安定した引張強さを得られなくなる場合がある。一方で、スズの含有量は５．９重量％以下である必要があり、５．２重量％以下であると好ましい。５．９重量％を超えると、銅合金の伸びが低下し過ぎる場合がある。なお、この発明において機械的性質とは、引張強度や伸びを意味し、機械的性質がよいとは、引張強度が高く、伸びが高いことをいう。
上記銅合金は、ニッケルの含有量が１．５重量％以上であり、２．０重量％以上であるとより好ましい。１．５重量％未満であると、鋳造欠陥や微小空隙が発生しやすくなり、一部の成分の浸出が無視できなくなる場合がある。一方で、５．０重量％以下である必要があり、４．１重量％以下であるとより好ましい。５．０重量％を上回ると伸びが低下しすぎてしまうためである。ニッケルは、主成分である銅と全率固溶体を形成し、結晶構造は銅と同じ面心立方格子からなるので、基材ベースの一方を担うのに適当である。また、凝固の際に固液界面での液相側のスズ濃度を緩和する効果が大きく、偏析を防止すると共に、鋳造欠陥を低減でき、耐圧性を向上する効果がある。さらに、スズ、リンと化合物を形成し、デンドライト間隙に生成するため、微小空隙を埋める働きをするとともに、その化合物がチップブレーカーの役割を果たし、細かく分断したせん断型切削粉を形成する役割がある。
上記銅合金は、亜鉛の含有量が５．０重量％以上である必要があり、６．０重量％以上であるとより好ましい。一方で１２．１重量％以下である必要があり、１０．１重量％以下であるとより好ましい。亜鉛には脱酸効果があり、湯流れ性を向上させ、機械的性質を安定にすることができる。上記の上限と下限の間となる含有量では、上記銅合金はほぼ同様の強度を示し、機械的性質への影響は小さいが、亜鉛の含有量が５．０重量％未満であると、上記銅合金の湯流れ性が不十分なものとなってしまうだけでなく、微小空隙が生じる場合がある。一方で、１２．１重量％を超えると、伸びの低下が無視できなくなり、また、製造過程において、亜鉛滓により鋳造欠陥が増加する可能性が高まり、さらに、亜鉛の浸出基準値を超えて亜鉛の浸出量が多くなると、脱亜鉛腐食の危険性が高まるとともに、水道用部材として使用できなくなる。
上記銅合金は、ビスマスの含有量が０．４重量％以上である必要がある。一方で、３．３重量％以下である必要があり、２．０重量％以下であるとより好ましい。ビスマスは、実用範囲内のマトリックスに固溶せず、結晶粒界や粒内に存在するため、青銅鋳物に特有の凝固形態による鋳造欠陥の発生を抑制でき、また、合金内に含まれていると切削加工性を向上させる効果を有する。ビスマスの含有量が０．４重量％未満であるとその効果が不十分となる可能性がある。一方で、ビスマスが増加することにより引張強さは低下しないものの、伸びは低下する傾向にあり、２．０重量％を超えて過剰であると、伸びが低下しやすくなるとともに微小空隙等が発生しやすくなってしまい、３．３重量％を超えると伸びが低下しすぎて、微小空隙等の発生が無視できなくなってしまう。
また、スズの含有量が５．１重量％以上５．２重量％以下である場合には、ビスマスの含有量が２．０重量％を超えても伸びの低下や微小空隙の発生等は比較的抑制されたものとなる。しかし、スズの含有量がそれより少なくなると、それらの欠点が現れやすくなるため、スズの含有量が２．０重量％以上６．０重量％以下の範囲でそれらの欠点を抑制するには、ビスマスの値は０．４重量％以上２．０重量％以下であることが好ましい。
上記銅合金は、リンの含有量が０．００９重量％以上である必要があり、０．０１４重量％以上であると好ましい。一方、リンの含有量は０．１５重量％以下である必要があり、０．１０重量％以下であるとより好ましい。リンは、溶解や鋳造の際に脱酸剤として作用して、鋳造時の湯流れ性や、鋳物の健全性を高める効果がある。０．００９重量％未満であるとその効果が不十分であり、鋳造欠陥等が生じやすくなるおそれが高まってしまう。一方で０．１５重量％を超えると、リンが鋳型の水分と反応して鋳造欠陥の要因となるおそれが高まる。
また、この発明で用いる合金中で、ニッケルがスズ及びリンとの間で生じるニッケル化合物が占める、材料断面中の面積率は、０．０４％以上であると好ましい。０．０４％未満であると、ビスマスが埋める微小空隙の、ビスマスの周囲を埋める効果が不十分となってしまう可能性がある。一方で１．９５％以下であると好ましい。１．９５％を超えると空隙を埋めるだけではなく、ニッケル化合物自体の物性が合金全体に及ぼす影響が無視できなくなってしまう可能性がある。
さらに、ビスマスと上記ニッケル化合物とを合わせた材料断面中の面積率の合計は、０．７２％以上であると好ましい。０．７２％未満では、微小空隙を埋める効果が不十分となってしまう可能性がある。一方で、５．９５％以下であると好ましい。５．９５％を超えると、これらが合金全体の物性に及ぼす効果が無視できなくなってしまう可能性がある。
上記銅合金は、上記の成分と残分である銅以外に、不純物を含んでもよい。この不純物とは、上記銅合金を製造するにあたり、例えば、環境に配慮してリサイクル材料を利用する場合に、必然的に含まれるものである。もちろん、この不純物の含有量は少ないほど好ましい。この不純物に含まれる成分としては、例えば鉛やシリコン等が挙げられる。
上記銅合金が含む鉛の量は、０．２重量％以下であることが好ましく、その中でも含有量が低いほどより好ましい。鉛は人体への影響が大きく、この発明にかかる水道用部材として用いた場合に水道水に浸出する量を出来るだけ抑える必要がある。０．２重量％を超えると、ＪＷＷＡ Ｚ １０８−浸出試験方法による浸出基準値を満足することが難しくなってしまう。また、鉛の含有量が増加しすぎると、引張強さや伸びが低下しすぎたり、鋳造欠陥等が生じてしまったりするおそれもある。なお、鉛の含有量は０であるのが最も好ましいが、資源の有効利用のためにリサイクル材料を用いて銅合金を作製する際に含有量が０となるのは現実的ではない。
上記銅合金が含むシリコンの量は、０．０１重量％未満であると好ましい。シリコンは、銅合金の湯流れ性を向上させる効果がある反面、凝固する際に羊毛状の酸化シリコンを生成し、溶湯の補給性を低下させるだけでなく、固液界面での液相側のスズ濃度を高めてしまう効果がある。これにより、デンドライト間又は粒界に多くの微細な鋳造欠陥を発生させることを助長させ、水漏れの原因ともなる。さらに、含有していると上記銅合金の伸びを著しく低下させる。０．０１重量％以上含むとこれらの不利な効果が無視できなくなってしまう。このため、出来るだけシリコンを含有しない方がよく、含有量が０．０１重量％未満であればそれらの不利な効果はほとんど生じないで済む。
なお、この発明において規定するそれぞれの成分の重量混合比は、製造段階での原料の混合比ではなく、原料を溶融して得られた合金における成分の重量混合比である。
なお、一般に青銅鋳物は凝固温度範囲が広いため、マッシー型の凝同形態となる。鉛を含まない青銅鋳物は、デンドライト間隙に微細な収縮巣を発生させやすい。この性質は水道用部材に使用する材抖として耐圧性を阻害し、水漏れが発生する要因となる。特に厚肉品であると、鋳造時の冷却速度が遅くなるためにこの傾向が顕著である。これに対して、鉛を多く含有している銅合金では、鉛が上記のデンドライト間隙に疑集し、微小空隙の発生を抑制する役割を果たしている。この発明にかかる銅合金では、この鉛の役割を、ビスマス、ニッケル−スズ化合物、ニッケル−リン化合物によって補うことができる。ニッケル及びビスマスを所定量添加することで、肉厚中心部に発生する微細な微小空隙を抑制できる。さらに、リンを所定量添加することでガス欠陥となる溶湯中の酸素と反応してＰ２Ｏ５を形成することで、溶湯を健全化して、微小空隙の発生を抑制できる。なお、シリコンの含有量が多いと、ニッケル等によっても補えないほどの鋳造欠陥が生じる。
上記の銅合金の残分は銅である。上記の元素成分を含む合金は、一般的な銅合金の製造方法で得ることができ、この銅合金からなる銅合金系水道用部材は、一般的な鋳造方法により製造することが出来る。その方法としては、例えば高周波誘導溶解炉により溶解させる方法が挙げられる。
この発明にかかる銅合金系水道用部材は、構成する銅合金が、鉛を不純物程度含むのみで、鉛を多く含有する銅合金と比べても、良好な湯流れ性、機械的性質、鋳造欠陥の少なさ、浸出特性、切削性等を発揮するので、水道用部材として鉛の浸出が少なく、かつ切削加工性、耐圧性等に優れたものとなる。
具体的には、切削性としては、従来のＣＡＣ４０６合金を比較材として用いた場合の被削性係数が少なくとも７０以上であり、配合比によってはより高い被削性係数を示すものである。
ここで被削性係数は、バイトにかかる主分力：Ｐ１（周方向の力）、送分力：Ｐ２（送り方向の力）、背分力：Ｐ３（工具の軸方向の力）の３つの応力を佐藤工機（株）製：ＡＳＴ式切削工具動力計ＡＳＴ−ＴＴＨにより測定し、また、比較材であるＣＡＣ４０６についても同様に３つの応力を測定して、下記式（１）により算出した。なお、下記式（１）中の「３合力」とは、下記式（２）により算出される値をいう。
（被削性係数）＝（比較材の３合力）／（各々の材料の３合力）×１００ （１）
（３合力）＝｛（主分力）２＋（送分力）２＋（背分力）２｝１／２ （２）
また、切削速度１００から４００ｍ／ｍｉｎ、切込量１．０ｍｍ、送り量０．１ｍｍ／ｒｃｖでの面粗さが実施例では０．６から１．１μｍで、同条件でのＣＡＣ４０６の面粗さ０．８から１．０μｍとなり、ほぼ同等の面粗さとなる。なお、面粗さは小さいほど表面が滑らかなことを意味し、小さいほど良好な値である。
これらの数値を満たす上に、切削形状は渦巻き状、折れた切削粉状、又は剪断型切り屑状となり、直線やヘリカル巻、円筒巻きの形状にはならずに済む。
次に、この発明にかかる銅合金の湯流れ性は、銅合金を鋳造する際に、一般的な鋳造温度の範囲で従来より温度を上げることにより従来の鉛含有銅合金と同等以上の湯流れ性を発揮するものであると好ましく、従来と同じ温度で同等以上の湯流れ性を発揮するものであるとより好ましい。なおこの湯流れ性を発揮するための鋳造温度範囲は、１１００℃から１２００℃であると好ましい。
また、この発明にかかる銅合金の機械的性質は、Ｊ１Ｓ Ｚ ２２４１に従って測定される引張強さと伸びとが、従来の鉛含有銅合金であるＣＡＣ４０６とほぼ同等以上であるので好ましい。具体的には、引張強さが１９５ＭＰａ以上であり、伸びが１５％以上となる。
さらに、鋳造欠陥については、ＪＩＳ Ｚ ２３４３の浸透探傷試験において、肉厚中心部に欠陥指示模様が確認されず、従来の鉛含有銅合金であるＣＡＣ４０６と同様の鋳造方法での生産が可能である。
さらに、浸出特性等についても、ＪＷＷＡ Ｚ １０８−浸出試験方法−及びＪＷＷＡ Ｚ １１０−浸出液−での分析方法で、鉛が０．１ｍｇ／ｌ以下、亜鉛が１０ｍｇ／ｌ以下、銅が０．１ｍｇ／ｌ以下、カドミウムが０．００１ｍｇ／ｌ以下となり、必要な基準値を満たし、かつ、ＣＡＣ４０６の値である鉛の浸出量０．３８ｍｇ／ｌを下回り。カドミウムの浸出量０．０００４ｍｇ／ｌを下回り、従来の鉛含有銅合金よりも安全である。
この発明にかかる銅合金を用いた銅合金系水道用部材とは、水道用施設や給水装置に使用される資機材及び給水器具などを主体とし、その他鉛害に制限される部材などをいう。具体的には、バルブ類では、仕切弁、補修弁、逆止弁、玉型弁、電磁弁、止水栓、サドル弁、吸水管バルブなどに使用される、管、弁体、軸受などが挙げられ、量水器では量水器ケース本体が挙げられ、その他には、配管用継手、給止水栓金具、ポンプ部品などが挙げられる。
以下、実施例を挙げてこの発明をより具体的に説明する。それぞれの材料を混合し、高周波誘導溶解炉にて溶製した後、ＣＯ２鋳型により鋳造して表１から表６に記載の配合率となる各々の例で供試材を作製した。また、比較例１として、従来から用いられていた鉛入りの青銅材料ＣＡＣ４０６を基準材として用い、物性の比較対象とした。それぞれの得られた銅合金について、下記の試験を行った。
＜湯流れ性試験＞
図１に示す渦巻き試験形状鋳型に、加熱して溶解させたそれぞれの実施例及び比較例の銅合金を１１００℃〜１２００℃の鋳込温度で流し込んだ。渦巻き試験形状は、枠の最初の４分の１周が半径９５ｍｍの円弧状に繋がっており、その枠の部分を８等分して、１８．６５ｍｍごとに目盛りが刻まれている。次の４分の１周は半径８９ｍｍの円弧状で、１７．４７ｍｍごとに目盛りが刻まれている。以下同じように、図中の括弧書きは、その内側の枠に刻まれた目盛りの幅（ｍｍ）であり、丸囲い数字は何番目の目盛りであるかを示す。試験は１番目の目盛りの内側の枠と枠との間に溶解させた銅合金を流し、最終的に到達した地点の外側の枠の目盛りを読むことにより行った。
図１に示す渦巻き試験形状鋳型に、加熱して溶解させたそれぞれの実施例及び比較例の銅合金を１１００℃〜１２００℃の鋳込温度で流し込んだ。渦巻き試験形状は、枠の最初の４分の１周が半径９５ｍｍの円弧状に繋がっており、その枠の部分を８等分して、１８．６５ｍｍごとに目盛りが刻まれている。次の４分の１周は半径８９ｍｍの円弧状で、１７．４７ｍｍごとに目盛りが刻まれている。以下同じように、図中の括弧書きは、その内側の枠に刻まれた目盛りの幅（ｍｍ）であり、丸囲い数字は何番目の目盛りであるかを示す。試験は１番目の目盛りの内側の枠と枠との間に溶解させた銅合金を流し、最終的に到達した地点の外側の枠の目盛りを読むことにより行った。
基準材であるＣＡＣ４０６（比較例１）を、鋳込温度１１００℃で試験した際の到達した目盛りが１２．０ポイントであり、鋳込温度１１８０℃で試験した際の到達した目盛りが２１．０ポイントであった。それぞれの銅合金について測定した値を表７に示す。鋳込温度の線形軸と目盛りの線形軸からなる平面上にプロットしたとき、ＣＡＣ４０６の値を繋いで得られる下記式（３）の直線よりも目盛りが大きい、すなわち図２のグラフにおける直角三角形よりも高いポイントにあるものを「○」と評価し、ＣＡＣ４０６の直線より目盛りが小さいながら、１２００℃近い鋳込温度では目盛りが１２．０ポイント以上となるものを「△」と評価し、１２００℃近い鋳込温度でも目盛りが１２．０ポイント未満となるものを実操業上の観点から「×」と評価した。それらの結果を、下記のそれぞれの銅合金の表に示す。なお、Ｘは鋳込温度、Ｙは目盛りの基準値を示す。
Ｙ＝０．１１２５×Ｘ−１１１．７５ （３）
＜機械的性質試験＞
各々の合金について、ＪＩＳ Ｈ ５１２０に記載のＡ号供試材を鋳造した後、ＪＩＳ Ｚ ２２０１に従って４号試験片に機械加工を行い、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に従って引張強さと伸びとを測定した。その結果を表８に示し、評価を表１乃至表６に示す。基準材である比較例１と比べて、引張強さ（ＭＰａ）と伸び（％）のどちらも優れていれば「○」と判定し、どちらかが比較例１より劣っていれば「×」と判定する。
各々の合金について、ＪＩＳ Ｈ ５１２０に記載のＡ号供試材を鋳造した後、ＪＩＳ Ｚ ２２０１に従って４号試験片に機械加工を行い、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に従って引張強さと伸びとを測定した。その結果を表８に示し、評価を表１乃至表６に示す。基準材である比較例１と比べて、引張強さ（ＭＰａ）と伸び（％）のどちらも優れていれば「○」と判定し、どちらかが比較例１より劣っていれば「×」と判定する。
＜階段状供試材における浸透探傷試験＞
各々の合金について、肉厚を２０、３０、４０ｍｍの３段階に変化させた図３に示すように押湯効果を少なくし鋳造欠陥を生じやすい形状とした階段状のＣＯ２鋳型を作製して、これにより得られた鋳物の中心部を切断し、ＪＩＳ Ｚ ２３４３ 浸透探傷試験に従って試験を行い、この浸透探傷試験における鋳造欠陥及び微小空隙の発生状況を観察した。その判定した結果をそれぞれの表に示す。判定方法は、肉厚中心部に欠陥指示模様が確認されず、基準材となるＪＩＳ材ＣＡＣ４０６と同様の鋳造方法での生産が可能であるものを（○）とし、肉厚中心部に欠陥指示模様が確認されるものの、同様の鋳造方法での生産が可能であるものを合格（△）とした。ただしこれは、鋳造品形状や鋳造条件によっては欠陥が発生する場合があるため、製造方法等を考慮すべきものである。また、その他の結果のものを（×）とした。その結果をそれぞれの表に示す。なお、これらのうち、選択した実施例と比較例の断面の写真を例として図４（ａ）乃至（ｅ）に示す。このうち、実施例３，２０、２３，２５，２６，２７、２８、３１、３２、３３、３４、３６、３９と比較例１２において断面外周域に染みとして観測される指示模様は、観察面以外に残存した浸透液が発色したものであり、鋳造欠陥とは無関係である。
各々の合金について、肉厚を２０、３０、４０ｍｍの３段階に変化させた図３に示すように押湯効果を少なくし鋳造欠陥を生じやすい形状とした階段状のＣＯ２鋳型を作製して、これにより得られた鋳物の中心部を切断し、ＪＩＳ Ｚ ２３４３ 浸透探傷試験に従って試験を行い、この浸透探傷試験における鋳造欠陥及び微小空隙の発生状況を観察した。その判定した結果をそれぞれの表に示す。判定方法は、肉厚中心部に欠陥指示模様が確認されず、基準材となるＪＩＳ材ＣＡＣ４０６と同様の鋳造方法での生産が可能であるものを（○）とし、肉厚中心部に欠陥指示模様が確認されるものの、同様の鋳造方法での生産が可能であるものを合格（△）とした。ただしこれは、鋳造品形状や鋳造条件によっては欠陥が発生する場合があるため、製造方法等を考慮すべきものである。また、その他の結果のものを（×）とした。その結果をそれぞれの表に示す。なお、これらのうち、選択した実施例と比較例の断面の写真を例として図４（ａ）乃至（ｅ）に示す。このうち、実施例３，２０、２３，２５，２６，２７、２８、３１、３２、３３、３４、３６、３９と比較例１２において断面外周域に染みとして観測される指示模様は、観察面以外に残存した浸透液が発色したものであり、鋳造欠陥とは無関係である。
＜浸出試験＞
日本水道協会制定のＪＷＷＡ Ｚ １０８−浸出試験方法−及びＪＷＷＡ Ｚ １１０−浸出液−の分析方法に従い、試験を行った。その結果を表９に示し、総合評価を表１乃至表６に示す。試験片と浸出溶液の接触面積比は、１０００ｃｍ２／リットルで実施した。ただし、実施例２７のみ、浸出試験条件を厳しくし、接触面積比を２０００ｃｍ２／リットルで実施して浸出量の調査を行った。なお、鉛、亜鉛、銅の浸出値については、その判定を、基準値の上限を１００倍に補正した値を用いて判定した。ただし鉛については、浸出値が基準値の０．００１ｍｇ／リットルを上回った値については、実際の判断値として使用される、１００分の１を乗じた値を補正値として併記する。また、亜鉛と銅においても、基準値を超えた例については１００分の１を乗じた補正値を併記する。これらの補正値は、規定された基準値の達成が極めて困難であるために、一般に判断の基準として用いられる値である。鉛について補正値無しの条件（０．００１ｍｇ／リットル以下）を満たし、それ以外の項目については少なくとも補正値有りの条件を満たすものを（○）と判定し、鉛について補正値無しの条件を満たさないものの、それ以外の条件を満たすものを（△）と判定し、補正値有りでも条件を満たさないものを（×）と判定した。なお、鉛を４〜６重量％含む比較例１は、補正をしても鉛の浸出基準を満たさない。また、比較例５乃至８及び１３、１４は色度の条件を満たしていないため（×）と判定した。
日本水道協会制定のＪＷＷＡ Ｚ １０８−浸出試験方法−及びＪＷＷＡ Ｚ １１０−浸出液−の分析方法に従い、試験を行った。その結果を表９に示し、総合評価を表１乃至表６に示す。試験片と浸出溶液の接触面積比は、１０００ｃｍ２／リットルで実施した。ただし、実施例２７のみ、浸出試験条件を厳しくし、接触面積比を２０００ｃｍ２／リットルで実施して浸出量の調査を行った。なお、鉛、亜鉛、銅の浸出値については、その判定を、基準値の上限を１００倍に補正した値を用いて判定した。ただし鉛については、浸出値が基準値の０．００１ｍｇ／リットルを上回った値については、実際の判断値として使用される、１００分の１を乗じた値を補正値として併記する。また、亜鉛と銅においても、基準値を超えた例については１００分の１を乗じた補正値を併記する。これらの補正値は、規定された基準値の達成が極めて困難であるために、一般に判断の基準として用いられる値である。鉛について補正値無しの条件（０．００１ｍｇ／リットル以下）を満たし、それ以外の項目については少なくとも補正値有りの条件を満たすものを（○）と判定し、鉛について補正値無しの条件を満たさないものの、それ以外の条件を満たすものを（△）と判定し、補正値有りでも条件を満たさないものを（×）と判定した。なお、鉛を４〜６重量％含む比較例１は、補正をしても鉛の浸出基準を満たさない。また、比較例５乃至８及び１３、１４は色度の条件を満たしていないため（×）と判定した。
＜切削性試験＞
それぞれの銅合金について、超硬の工具を使用し、切削速度を４００（ｍ／ｍｉｎ）とし、切込量１．０ｍｍ、送り量０．１ｍｍ／ｒｅｖで旋盤加工を行い、その影響を調査した。評価方法は、被削性係数、面粗さ、切削粉の形状で判断した。それぞれの表にこれらの結果を示す。また、理想的な切削性を示す合金として、比較例１の合金（ＣＡＣ４０６）についても同様に面粗さと切削粉の形状を評価した。その結果を表１０に示すとともに、表１乃至６に示す。なお、実施例２７及び比較例１においては切削速度を１００（ｍ／ｍｉｎ）と２００（ｍ／ｍｉｎ）に変更した条件での測定も行ったが、切削速度の差による変化は小さいものとなった。
それぞれの銅合金について、超硬の工具を使用し、切削速度を４００（ｍ／ｍｉｎ）とし、切込量１．０ｍｍ、送り量０．１ｍｍ／ｒｅｖで旋盤加工を行い、その影響を調査した。評価方法は、被削性係数、面粗さ、切削粉の形状で判断した。それぞれの表にこれらの結果を示す。また、理想的な切削性を示す合金として、比較例１の合金（ＣＡＣ４０６）についても同様に面粗さと切削粉の形状を評価した。その結果を表１０に示すとともに、表１乃至６に示す。なお、実施例２７及び比較例１においては切削速度を１００（ｍ／ｍｉｎ）と２００（ｍ／ｍｉｎ）に変更した条件での測定も行ったが、切削速度の差による変化は小さいものとなった。
被削性係数の測定においては、上記式（１）及び（２）を用い、ＡＳＴ式切削工具動力計として、佐藤工機（株）製：ＡＳＴ−ＴＴＨを用い、各々の実施例の３つの応力（３合力）と、比較材であるＣＡＣ４０６の３つの応力（３合力）を測定して計算した。この被削性係数が７０以上であれば良好と判定した。比較例１０、１３、１５は、被削性係数が７０未満となり切削抵抗が大きく、切削速度を遅くしなければならず、生産性が低下する。
面粗さは、面粗さ計（（株）ミツトヨ製：Ｓｕｒｆｔｅｓｔ−４）により測定し、測定した面粗さを、比較材であるＣＡＣ４０６（比較例１）の面粗さと比較した。いずれの切削速度でも各々の実施例の銅合金の面粗さは比較材と比べても最大で０．３μｍ大きくなる程度であり、いずれも比較材と同等の仕上がりが得られた。それぞれの表にこれらの結果を示す。
また、切削粉の形状による判定は、図５に示すように、形状により分類して判定した。各々の実施例の切削粉の形状を図６（ａ）乃至（ｅ）に示す。すなわち、良好を○とし、不良を×とした。なお、実施例７がビスマス含有量０．６重量％であり、実施例２１がビスマス含有量１．０重量％であって、これらはいずれも折れた切削粉状であった。ビスマス含有量が１．６重量％の実施例２５や、１．７重量％の実施例２３では高速では折れた切削粉状になり、３．３重量％の実施例２６では理想的なせん断型切削粉状を示した。また、切削粉は、ビスマス含有量が増加するほど理想的な切削粉状を示す。しかし、実施例２５と比較してビスマス含有量が０．１重量％多い実施例２３は、折れた切削粉状となる。一方、実施例２５は、ビスマス含有量が実施例２３と比較して０．１重量％少ないにもかかわらず、理想的なせん断型切削粉状となっている。これは、実施例２３と比較してスズ含有量が２倍多い実施例２５は、ニッケル−スズ化合物がより多く生成し、ビスマスと同様チップブレーカーの役割を果たしていることを意味している。一方、比較例１３および１５は、ヘリカル巻切削粉となり、切削粉がつながった形状となるため、切削工具の温度が上昇し、工具寿命が低下することが懸念される。なお、実施例２７と比較例１の付記数値は切削速度（ｍ／ｍｉｎ）を示し、それ以外は全て４００（ｍ／ｍｉｎ）である。
（亜鉛含有量についての検討）
表１のように、亜鉛の含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの重量比となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。なお、比較例２及び実施例１乃至５はスズを２．５重量％程度としたものであり、比較例３、４及び実施例６乃至９はスズを５．０重量％程度としたものである。いずれの場合も亜鉛が５．０重量％未満となる比較例２及び比較例３では、湯流れ性と浸透探傷の結果が×となった。また、亜鉛の量を増加させた比較例４では機械的性質に問題が生じてしまった。なお、以下表中それぞれの元素の単位は重量％であり、引張強さは（ＭＰａ）であり、伸びは（％）である。
表１のように、亜鉛の含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの重量比となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。なお、比較例２及び実施例１乃至５はスズを２．５重量％程度としたものであり、比較例３、４及び実施例６乃至９はスズを５．０重量％程度としたものである。いずれの場合も亜鉛が５．０重量％未満となる比較例２及び比較例３では、湯流れ性と浸透探傷の結果が×となった。また、亜鉛の量を増加させた比較例４では機械的性質に問題が生じてしまった。なお、以下表中それぞれの元素の単位は重量％であり、引張強さは（ＭＰａ）であり、伸びは（％）である。
（ニッケル含有量についての検討）
表２のように、ニッケルの含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの重量比となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。なお、比較例５乃至７、実施例２、及び実施例１０乃至１３はスズを２．５重量％程度としたものであり、比較例８乃至１０、実施例７及び実施例１４乃至１７はスズを５．０重量％程度としたものである。ニッケルが１．５重量％未満となった比較例５，６，８，９では、スズの量に関わらず微小空隙等が発生してしまい、さらにニッケルが少なくなった比較例５及び８では浸出試験でも問題が生じてしまった。一方でニッケルが５．０重量％を超えた比較例７及び１０では伸びが低下しすぎてしまい、また、スズの量が多い比較例１０では切削性にも問題が生じた。
表２のように、ニッケルの含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの重量比となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。なお、比較例５乃至７、実施例２、及び実施例１０乃至１３はスズを２．５重量％程度としたものであり、比較例８乃至１０、実施例７及び実施例１４乃至１７はスズを５．０重量％程度としたものである。ニッケルが１．５重量％未満となった比較例５，６，８，９では、スズの量に関わらず微小空隙等が発生してしまい、さらにニッケルが少なくなった比較例５及び８では浸出試験でも問題が生じてしまった。一方でニッケルが５．０重量％を超えた比較例７及び１０では伸びが低下しすぎてしまい、また、スズの量が多い比較例１０では切削性にも問題が生じた。
（スズ含有量についての検討）
表３のように、スズの含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの重量比となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。２．０重量％未満となった比較例１１では微小空隙等が生じてしまい、一方でスズが５．９重量％を上回る比較例１２では伸びが不足しすぎてしまった。
表３のように、スズの含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの重量比となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。２．０重量％未満となった比較例１１では微小空隙等が生じてしまい、一方でスズが５．９重量％を上回る比較例１２では伸びが不足しすぎてしまった。
（ビスマス含有量についての検討）
表４のように、ビスマスの含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの重量比となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。なお、比較例１３及び１４、実施例２，実施例２１乃至２４はスズを２．５重量％程度としたものであり、比較例１５、１６，実施例７，実施例２５及び２６は、スズを５．０重量％程度としたものである。０．４重量％未満となる比較例１３及び１５では、切削性に問題が生じ、また、比較例１３では微小空隙が生じてしまい、比較例１５では湯流れ性に問題が生じてしまった。一方で、スズが５重量％程度ある実施例２６では、ビスマスが３．３重量％でも良好な性質を示したが、スズが２．４重量％である比較例１４では、ビスマスが２．４重量％で湯流れ性や機械的性質に問題を生じてしまい、スズの量によってビスマスの許容量が違ってくることがわかった。
表４のように、ビスマスの含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの重量比となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。なお、比較例１３及び１４、実施例２，実施例２１乃至２４はスズを２．５重量％程度としたものであり、比較例１５、１６，実施例７，実施例２５及び２６は、スズを５．０重量％程度としたものである。０．４重量％未満となる比較例１３及び１５では、切削性に問題が生じ、また、比較例１３では微小空隙が生じてしまい、比較例１５では湯流れ性に問題が生じてしまった。一方で、スズが５重量％程度ある実施例２６では、ビスマスが３．３重量％でも良好な性質を示したが、スズが２．４重量％である比較例１４では、ビスマスが２．４重量％で湯流れ性や機械的性質に問題を生じてしまい、スズの量によってビスマスの許容量が違ってくることがわかった。
（リン含有量についての検討）
表５のように、リンの含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの実施例となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。なお、比較例１７、実施例２、実施例２７乃至３０はスズを２．５重量％程度としたものであり、実施例３１乃至３６は、スズを３．５重量％程度としたものであり、比較例１８及び１９、実施例７，実施例３７及び３８はスズを５．０重量％程度としたものである。リンが０．００９重量％未満となる比較例１７及び１８では、微小空隙等が発生してしまった。一方で、リンが０．１５重量％を超えた比較例１９では、伸びが低下しすぎてしまい、機械的性質に問題が生じてしまった。なお、表５中の実施例２７の値は、比較のため、切削速度４００ｍ／ｍｉｎの値を記載した。
表５のように、リンの含有量を大きく変動させ、それ以外の元素の含有量を出来るだけ変動させないようにして、それぞれの実施例となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。なお、比較例１７、実施例２、実施例２７乃至３０はスズを２．５重量％程度としたものであり、実施例３１乃至３６は、スズを３．５重量％程度としたものであり、比較例１８及び１９、実施例７，実施例３７及び３８はスズを５．０重量％程度としたものである。リンが０．００９重量％未満となる比較例１７及び１８では、微小空隙等が発生してしまった。一方で、リンが０．１５重量％を超えた比較例１９では、伸びが低下しすぎてしまい、機械的性質に問題が生じてしまった。なお、表５中の実施例２７の値は、比較のため、切削速度４００ｍ／ｍｉｎの値を記載した。
（大量の不純物の検討）
表６のように、鉛を０．２重量％含有する実施例３９と、鉛を０．５重量％含有する比較例２０となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。その結果、鉛が０．２重量％である実施例３８ではいずれも基凖を満たす結果となったが、比較例２０では微小空隙等が無視できなくなるまで悪化してしまい、問題が生じてしまった。
表６のように、鉛を０．２重量％含有する実施例３９と、鉛を０．５重量％含有する比較例２０となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。その結果、鉛が０．２重量％である実施例３８ではいずれも基凖を満たす結果となったが、比較例２０では微小空隙等が無視できなくなるまで悪化してしまい、問題が生じてしまった。
また、表６のようにシリコンが検出限界以上である０．０２重量％、０．２５重量％である比較例２１乃至２３となる銅合金を作成し、上記の測定を行った。シリコンが０．０２重量％である比較例２１だと湯流れ性が悪化し、０．２５重量％となる比較例２２，及び２３ではいずれも微小空隙等の問題が生じた。
（ＥＰＭＡによる金属組織解析）
選択した実施例の合金について、（株）島津製作所製ＥＰＭＡ−８７０５を用いて、各元素についてマッピング分析を行って金属組織解析することにより、それぞれの元素の分布や化合物の発生を確認した。調査する元素は、銅、ニッケル、スズ、亜鉛、リン、ビスマスであり、それぞれの分布状態、化合物形態について調査した。
選択した実施例の合金について、（株）島津製作所製ＥＰＭＡ−８７０５を用いて、各元素についてマッピング分析を行って金属組織解析することにより、それぞれの元素の分布や化合物の発生を確認した。調査する元素は、銅、ニッケル、スズ、亜鉛、リン、ビスマスであり、それぞれの分布状態、化合物形態について調査した。
調査対象として、上記実施例のうちのニッケル、スズ、ビスマス、リンについての検討で用いた実施例範囲から選択的に調査した。その３６０倍でのマッピング分析結果を図７（ａ）〜（ｉ）に示す。これらを元素成分量と対比させると、ニッケルを含有することにより、ニッケル−スズ化合物、ニッケル−リン化合物が形成されることがわかる。これらのニッケル化合物と、さらに微小空隙の量に関与しやすいと考えられるビスマスとについて、キーエンス社製：ＧＲＡＤＩＮＧ ＡＮＡＬＹＳＩＳを使用して面積率を測定した。
具体的には、上記ＥＰＭＡ−８７０５の分析結果を、機器に付属するデータ処理ソフトＨ５で画像に取り込み、このソフトにより、ニッケルとリン、ニッケルとスズ、ビスマス単体について、それぞれを合成して重なる部分について、画像をデジタルデータで作成し、そのデータを元に上記のＧＲＡＤＩＮＧ ＡＮＡＬＹＳＩＳにより解析を実施した。その解析、測定結果を表１１に示す。
ニッケル、スズ、及びリンの量による検討において、それぞれの検討元素の含有率が増加すると、ニッケル−スズ化合物、ニッケル−リン化合物が占める面積率も増加した。これらの化合物についてより詳細に検討するため、実施例１３、実施例２３、及び実施例２６において、さらに拡大して２０００倍の倍率としてマッピング分析を行うと、ビスマスの近傍にニッケル、スズ、リン化合物が析出しており、微小空隙を埋める役割を果たしていることが示された。
Claims (4)
- スズを２．０重量％以上５．９重量％以下、ニッケルを１．５重量％以上５．０重量％以下、亜鉛を５．０重量％以上１２．１重量％以下、ビスマスを０．４重量％以上３．３重量％以下、リンを０．００９重量％以上０．１５重量％以下含有し、残分が銅と不純物である銅合金からなる、銅合金系水道用部材。
- 上記不純物として上記銅合金に含まれる鉛の含有量が０．２重量％以下であり、かつ、シリコンの含有量が０．０１重量％未満である、請求項１に記載の銅合金系水道用部材。
- ビスマスの含有量が０．４重量％以上２．０重量％以下である、請求項１又は２に記載の銅合金系水道用部材。
- 錫の含有量が５．１重量％以上５．２重量％以下である、請求項１又は２に記載の銅合金系水道用部材。
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