JPWO2009136552A1 - 黄銅合金粉末、黄銅合金押出材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明の発明者らは、基材となる黄銅そのものの強度を上げることによって、従来にはない高強度の快削性黄銅部材を作る方法について検討した。黄銅の強度を上げる方法として、一般的には、種々の添加物を加える方法が採用される。例えば、高力黄銅は、銅亜鉛合金に、鉄、アルミニウム、マンガンなどを添加したものであり、その引張強さが460MPaと高く、耐食性も良好なため、船舶用プロペラ等に応用されている。しかしながら、この高力黄銅は、その伸びが15%程度しか保証されず、決して加工性が良いとはいえない。
通常、クロムは、黄銅にほとんど固溶しない。しかし、水アトマイズ法のような急冷凝固法を採用することにより、液相状態で溶解しているクロムは、ある一定量だけ、黄銅の母相中に強制固溶される。また、凝固の過程における結晶の成長に伴い、クロムの一部は、結晶粒界に凝縮して微細結晶粒として析出する。黄銅の母相中に固溶する成分は、厳密に言えば、母相中に固溶して分散する成分と、母相中に析出物として分散する成分とを含む。母相中に強制固溶したクロム成分と、結晶粒界に析出したクロム成分とは、加えられる応力に対して異なった作用を呈する。すなわち、母相中に強制固溶したクロム成分は、結晶中の転位運動を抑制して黄銅合金部材の耐力値の向上に寄与する。他方、結晶粒界に析出したクロム成分は、粒界すべりを抑制して極度の加工硬化を引き起こし、引張強度の向上に大きく寄与する。
本発明の効果が顕著に現れる要因は、急冷凝固法によって黄銅合金粉末を作製することによって、非平衡相および微細な結晶粒を生成することに加えて、クロムの粒界析出を利用した加工硬化を引き起こしたことにある。本発明者らは、急冷凝固法の一例として、水アトマイズ法を利用した。6/4黄銅組成の水アトマイズ粉末の特徴は、非平衡相のβ相になることである。より具体的に説明する。6/4黄銅合金の急冷凝固過程において、固液相線を越えたところはβ相領域であるので、粉末はβ相として凝固する。そのままゆっくりと冷却すれば、相変態してα相とβ相の混合相になるはずであるが、急冷度が高いためにこの相変態はほとんど起こらない。このβ相粉末を熱間加工する過程で昇温したとき、β相からα相への相変態が起こり、混合相となる。
黄銅合金押出材の強度の向上には、押出温度が非常に重要な因子となる。押出温度は、低いほど望ましい。粉末の集合体を押出加工するには、粉末を加熱する必要がある。この加熱温度が高ければ、原子拡散が早くなり、急冷凝固で作られた非平衡相が熱平衡状態に近づいてしまう。従って、黄銅合金粉末集合体を、押出加工が可能な最低温度で押出すことが重要である。好ましい押出温度は650℃以下である。押出温度の下限値を決定することは困難である。なぜなら、下限温度は、押出ビレットの大きさ、押出比、装置の押出最大荷重等によって決まるからである。500℃での押出が可能であればその温度が適切な条件であるといえるが、実際には、押出加工を行なうには550℃以上が必要になると思われる。
第三元素の添加量については、各種元素により適量がある。
Cu−40%Znの黄銅素材より、水アトマイズ法によって、Cr無添加の黄銅粉末、0.5質量%Cr添加の黄銅粉末、および1.0質量%Cr添加の黄銅粉末を作製した。粉末の化学組成を表1に示し、粉末の外観のSEM(Scanning Electron Microscope)写真を図1に示す。図1の(a)はCrを添加していない6/4黄銅合金粉末を示し、(b)は0.5質量%Crを添加した6/4黄銅合金粉末を示し、(c)は1.0質量%Crを添加した6/4黄銅合金粉末を示す。
水アトマイズ法で作製された組成59%Cu−40%Zn−1%Crの粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレットとした。このビレットを電気炉で加熱して押出加工を行なった。加熱用電気炉の温度条件を、650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした。ビレットを、押出機によって押出速度3mm/s、押出比37の条件で加工し、棒材を得た。
水アトマイズ法で作製された組成59.5%Cu−40%Zn−0.5%Crの粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレットとした。このビレットを電気炉で加熱して押出加工を行なった。加熱用電気炉の温度条件を、650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした。ビレットを、押出機によって押出速度3mm/s、押出比37の条件で加工し、棒材を得た。
水アトマイズ法で作製された組成59%Cu−40%Zn−1.0%Niの粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレットとした。このビレットを電気炉で加熱して押出加工を行なった。加熱用電気炉の温度条件を、650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした。ビレットを、押出機によって押出速度3mm/s、押出比37の条件で加工し、棒材を得た。
水アトマイズ法で作製された組成59%Cu−40%Zn−0.7%%Mnの粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレットとした。このビレットを電気炉で加熱して押出加工を行なった。加熱用電気炉の温度条件を、650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした。ビレットを、押出機によって押出速度3mm/s、押出比37の条件で加工し、棒材を得た。
水アトマイズ法で作製された組成60%Cu−40%Znの粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレットとした。このビレットを電気炉で加熱して押出加工を行なった。加熱用電気炉の温度条件を、650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした。ビレットを、押出機によって押出速度3mm/s、押出比37の条件で加工し、棒材を得た。
組成60%Cu−40%Znの溶製材ビレットを電気炉で加熱して押出加工を行なった。加熱電気炉の温度条件を650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした。ビレットを、押出機によって押出速度3mm/s、押出比37の条件で加工し、棒材を得た。
各種ビレットを650℃の温度に加熱して押出加工した黄銅合金押出材の最大引張強度および0.2%耐力値を比較し、それを表5に示した。また、押出材の応力−ひずみ曲線を図3に示す。比較したビレットは、Cr無添加の黄銅合金の溶製ビレット、Cr無添加の黄銅合金圧粉体ビレット、0.5%Cr添加の黄銅合金圧粉体ビレット、1.0%Cr添加の黄銅合金圧粉体ビレットの4種類である。
ビレットの加熱温度を650℃にして押出加工した押出材の光学顕微鏡による組織観察結果を図4に示す。図4の(a)は1質量%Cr添加の黄銅合金圧粉体ビレットの押出材、(b)は0.5質量%Cr添加の黄銅合金圧粉体ビレットの押出材、(c)はCr無添加の黄銅合金圧粉体ビレットの押出材、(d)はCr無添加の黄銅合金溶製ビレットの押出材を示す。
クロムを添加することによって黄銅合金部材の降伏応力が増大することが認められるが、この降伏応力増大に寄与するのは、クロムのうち、特に、黄銅の母相中に固溶して分散するクロム成分である。組織解析の結果を利用し、析出物を定量化することで添加したクロムの量から母相中に固溶したクロムの量を算出した。
粉末押出による黄銅合金押出材の作製においては、黒鉛粒子を添加することにより、鉛フリーにして環境への悪影響を抑制することができる。一般の黄銅に対して黒鉛を添加することは過去になされたことがあるが、クロムを添加して強度を向上させた黄銅合金に対して黒鉛を添加した前例は無い。そこで、クロム添加により強度を向上させた黄銅への黒鉛添加を行い、切削性の向上を試みた。
本発明者らは、クロム含有黄銅合金の押出速度を制御することで、より高強度の材料が得られることを見出した。高強度材を得るための押出条件としては、低温での押出が効果的であるが、さらに押出速度を低速にすることにより、より強度を向上させることができる。実測値を記載すると、1.0%クロム含有黄銅合金の場合、通常の押出速度(ラム速度3mm/s)で押出を行ったときの耐力値は317MPaで、最大引張強度は565MPaであったが、この押出速度を十分の一(ラム速度0.3mm/s)に減じて押出加工を行ったところ、耐力値は467MPaまで向上し、最大引張強度は632MPaまで向上した。
Claims (17)
- α相とβ相の混合相からなる黄銅組成を有する黄銅合金粉末であって、
クロムを0.5〜5.0質量%含有し、
前記クロムは、黄銅の母相中に固溶する成分と、結晶粒界に析出する成分とを含む、黄銅合金粉末。 - 前記黄銅の母相中に固溶する成分は、母相中に固溶して分散する成分と、母相中に析出物として分散する成分とを含む、請求項1に記載の黄銅合金粉末。
- 前記クロムの含有量は、1.0〜2.4質量%である、請求項1に記載の黄銅合金粉末。
- 前記粉末中に、ニッケル、マンガン、ジルコニウム、バナジウム、チタン、シリコン、アルミニウムおよびスズからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素を含む、請求項1に記載の黄銅合金粉末。
- 前記粉末は、急冷凝固粉末である、請求項1に記載の黄銅合金粉末。
- 前記急冷凝固粉末は、水アトマイズ法によって急冷凝固させた粉末である、請求項5に記載の黄銅合金粉末。
- α相とβ相の混合相からなる黄銅組成を有し、クロムを0.5〜5.0質量%含有し、前記クロムが黄銅の母相中に固溶する成分と、結晶粒界に析出する成分とを含む黄銅合金粉末の集合体を押出加工することによって得られる、黄銅合金押出材。
- 0.2%耐力値が300MPa以上である、請求項7に記載の黄銅合金押出材。
- 引張強度が500MPa以上である、請求項7に記載の黄銅合金押出材。
- 前記黄銅合金粉末に対して0.2〜2.0重量%の黒鉛粒子を添加して混合した後に、この混合粉末集合体を押出加工することによって得られる、請求項7に記載の黄銅合金押出材。
- 前記添加黒鉛粒子の粒子径は、1μm〜100μmの範囲内にある、請求項10に記載の黄銅合金押出材。
- α相とβ相の混合相からなる黄銅組成を有し、クロムを0.5〜5.0質量%含有し、さらにニッケル、マンガン、ジルコニウム、バナジウム、チタン、シリコン、アルミニウムおよびスズからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素を含み、前記クロムが黄銅の母相中に固溶する成分と、結晶粒界に析出する成分とを含む、黄銅合金部材。
- 黒鉛粒子をさらに含む、請求項12に記載の黄銅合金部材。
- α相とβ相の混合相からなる黄銅組成を有し、クロムを0.5〜5.0質量%含有する黄銅合金粉末を急冷凝固法によって作製する工程と、
前記急冷凝固した黄銅合金粉末の集合体を押出加工する工程とを備える、黄銅合金押出材の製造方法。 - 前記急冷凝固法は、水アトマイズ法である、請求項14に記載の黄銅合金押出材の製造方法。
- 前記押出加工時の加熱温度は650℃以下である、請求項14に記載の黄銅合金押出材の製造方法。
- 前記押出加工に先立ち、前記黄銅合金粉末に対して0.2〜2.0重量%の黒鉛粒子を添加して混合する工程を備える、請求項14に記載の黄銅合金押出材の製造方法。
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