WO2016157413A1 - 水道部材用銅合金 - Google Patents

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casting
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宮本　武明
山本　匡昭
昌平 松葉
浩士 山田
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株式会社栗本鐵工所
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent

Definitions

  • This invention relates to a material that is made of a copper alloy and that is applied to a water supply member in which lead leaching is below a specified level.
  • Patent Document 1 in a brass alloy containing 8 to 40% by mass of Zn, 0.0005 to 0.04% by mass of Zr and 0.01 to 0.25% by mass of P are contained, and Pb is 0.005 to 0.45 mass%, Bi is 0.005 to 0.45 mass%, Se is 0.03 to 0.45 mass%, and Te is 0.01 to 0.45 mass%. Describes one or two or more brass alloys, the remainder of which is adjusted to a component composed of Cu and inevitable impurities.
  • This brass alloy is an alloy solidified in a semi-molten state in which a solid metal and a liquid metal are mixed. In the solidification process, a granular ⁇ primary crystal is crystallized or an ⁇ solid phase is present.
  • Si may be contained in one or more of 2 to 5% by mass, Sn of 0.05 to 6% by mass, and Al of 0.05 to 3.5% by mass.
  • Zr is effective in miniaturization in a semi-molten state by coexisting with P.
  • Ni is limited to less than 0.5% by mass
  • Pb is less than the detection limit
  • Bi is contained in an amount of 0.2 to 0.9% by mass
  • Zn is 12.0%.
  • Sn is contained in 1.5-4.5 mass%
  • P is contained in 0.005-0.1 mass%
  • the total content of Zn + Sn is 21.5 mass% or less.
  • a copper alloy for water supply members is described in which the balance is made of inevitable impurities and Cu. Further, it has been proposed to additionally contain B in an amount of 0.0003 to 0.006% by mass.
  • the alloy according to Patent Document 1 has a problem that dezincification is easily caused in a range where the Zn content is high, and the lead leaching standard cannot be satisfied in a range where the Pb content is high. Further, since Bi is contained, there is a problem of recycling as described above. Furthermore, when Zr is contained in a range where the Zn content is high and the Sn content is low, it effectively works to improve properties in a casting process having a narrow solidification temperature range such as solidification from a semi-molten state.
  • the alloy according to Patent Document 2 also has a problem of recycling as described above because it contains Bi.
  • an object of the present invention is to provide a copper alloy for water supply members that has suitable mechanical properties and castability while maintaining recyclability as well as suppressing lead leaching.
  • Ni content is 0.5 mass% or less
  • Zn is 12 mass% or more and 21 mass% or less
  • Sn is 1.4 mass% or more and 4.5 mass% or less
  • the total content of Zn and Sn is 23.5 mass% or less
  • 0.005 mass% or more and 0.15 mass% or less of P, 0.05 mass% or more and 0.30 mass% or less of Pb are contained,
  • the above problem has been solved by a copper alloy having a Bi content of less than 0.2% by mass and the balance being Cu and inevitable impurities.
  • the shrinkage nest generation can be suppressed by setting Ni to 0.5 mass% or less.
  • this copper alloy may contain limited elements that can be mixed as other inevitable impurities. However, it is necessary to keep the total amount within a range that does not hinder the effects of the present invention, and it is preferably less than 1.0% by mass, and the content per element concerned is less than 0.5% by mass. preferable.
  • the present invention is a copper alloy for water supply members that uses Pb in a limited manner and is compounded without using Bi.
  • the Zn content of the copper alloy needs to be 12% by mass or more, preferably 13% by mass or more. If it is less than 12% by mass, the cutting powder is wound and the machinability is lowered. On the other hand, it is necessary to be 21% by mass or less, preferably 20% by mass or less, and more preferably 18% by mass or less. If there is too much Zn, not only the mechanical properties will deteriorate, but also the zinc will increase, making casting difficult.
  • the Sn content of the copper alloy needs to be 1.4% by mass or more, and is preferably 2.0% by mass or more. If it is less than 1.4% by mass, the cutting powder is wound and the machinability is lowered, as is the case with the effect of Zn. In addition, the oxide film that protects the surface of the water supply member is stripped by the water flow, and the resistance to erosion corrosion in which corrosion of the alloy progresses becomes insufficient. On the other hand, it is necessary to be 4.5% by mass or less, preferably 4.3% by mass or less, and more preferably 3.0% by mass or less. This is because if the amount of Sn is too large, the elongation will decrease, or shrinkage cavities will occur during sand casting.
  • the total content of Zn and Sn in the copper alloy needs to be 23.5% by mass or less, preferably 21.0% by mass or less.
  • Zn dissolves in Cu
  • the solid solubility of Sn decreases
  • Sn is concentrated in the residual liquid phase at the time of solidification, and the ⁇ phase is easily crystallized by the peritectic reaction.
  • an ⁇ + ⁇ phase in which ⁇ phases are interspersed in hard ⁇ phase (Cu 31 Sn 8 ) is generated between dendrites, resulting in a decrease in material strength.
  • Bi is dispersed and generated in the vicinity of the ⁇ + ⁇ phase, thereby causing a synergistic decrease in strength.
  • the P content of the copper alloy needs to be 0.005% by mass or more, preferably 0.01% by mass or more. Since P exerts a deoxidizing effect, if it is too small, the deoxidizing effect at the time of casting is lowered and not only gas defects are increased, but also the molten metal is oxidized and the molten metal flowability is lowered. On the other hand, it is necessary to be 0.15% by mass or less, and preferably 0.05% by mass or less. If P increases too much, it reacts with the moisture in the mold, and gas defects and shrinkage defects increase, and mechanical properties also decrease.
  • the copper alloy contains a large amount of Zn, it absorbs less gas due to the degassing effect of Zn, and it has less casting defects even if it contains less P than JIS H5120 CAC406, which is represented by bronze. Can be manufactured.
  • the Pb content of the copper alloy needs to be 0.05% by mass or more, preferably 0.07% by mass or more. This is because, even if Pb is contained even slightly, the machinability is greatly improved, but if it is less than 0.05% by mass, the effect becomes insufficient. On the other hand, it is necessary to be 0.30% by mass or less, and preferably 0.20% by mass or less. Pb is an element that should suppress leaching as much as possible. If it exceeds 0.30% by mass, it becomes difficult to satisfy the leaching standard value in the leaching test.
  • Ni content of the alloy must be 0.5% by mass or less. Ni does not need to be contained, but has the effect of exhibiting stable mechanical properties, and at the same time has the effect of suppressing the formation of shrinkage cavities, making it easier to make a sound casting. On the other hand, if the Ni content exceeds 0.5% by mass, the machinability tends to decrease.
  • the copper alloy may contain, in addition to Cu, other elements that are impurities as long as they do not impair the effects of the present invention. However, it is preferable to suppress the content to the extent that it is included as an unavoidable impurity contained unavoidably due to problems in raw materials and manufacturing.
  • the total amount of elements that are inevitable impurities is preferably less than 1.0% by mass, and more preferably less than 0.5% by mass. This is because if there are too many unexpected elements, the physical properties may be hindered even in the range of the above elements. Further, the content per element is preferably less than 0.4% by mass.
  • the Bi content is preferably less than 0.2% by mass, more preferably less than 0.1% by mass, and most preferably less than the detection limit. preferable. Since Bi disperses without dissolving in Cu, a large content tends to cause a decrease in strength such as tensile strength. Also, the dispersed Bi tends to cause shrinkage cavities during sand casting. Furthermore, if there is too much Bi, various disadvantages such as deterioration of mechanical properties caused by mixing Bi into the alloy to be recycled are caused when recycling the water supply member manufactured using the copper alloy. It will be necessary to collect
  • the Si content is preferably less than 0.01% by mass, and more preferably less than 0.005% by mass. If there is too much Si, the shrinkage cavity is promoted and a sound casting cannot be made.
  • the content of Al is preferably less than 0.01% by mass, and more preferably less than 0.005% by mass. As with Si, if there is too much Al, the shrinkage cavity is promoted and a sound casting cannot be made.
  • the content of Sb is preferably less than 0.05% by mass, more preferably less than 0.03% by mass, and less than the detection limit. Most preferred. Sb tends to produce a Cu—Sn—Sb-based intermetallic compound and easily deteriorates toughness, which may lead to a decrease in mechanical properties.
  • the content of Zr is preferably less than 0.01% by mass, more preferably less than 0.0005% by mass, and less than the detection limit. Further preferred. By containing Zr, the mechanical properties are deteriorated and the shrinkage nest is promoted, and a sound casting cannot be made.
  • the other elements that are unavoidable impurities contained in the copper alloy are preferably less than 0.4% by mass, more preferably less than 0.2% by mass, and even more preferably less than the detection limit.
  • impurities include Fe, Mn, Cr, Mg, Ti, Te, Se, and Cd.
  • Se and Cd which are known to be toxic, are preferably less than 0.1% by mass, and more preferably less than the detection limit.
  • the value of content in this invention shows content at the time of manufacturing, such as casting and forging, not the ratio in a raw material.
  • the remainder of the copper alloy is Cu.
  • the copper alloy concerning this invention can be obtained with the manufacturing method of a general copper alloy, and when manufacturing a water supply member with this copper alloy, it can manufacture with a general casting method (for example, sand casting). it can. For example, there is a method in which an alloy is melted using a heavy oil furnace, a gas furnace, a high frequency induction melting furnace, etc., and cast into a mold of each shape.
  • tensile strength and elongation were measured according to JIS Z2241. The numerical value of the result and evaluation as a mechanical property are shown. -Evaluation of tensile strength made (circle) 195MPa or more x for less than 195MPa. ⁇ Evaluation of elongation was evaluated as ⁇ for 15% or more and x for less than 15%. In addition, this threshold value is a standard value of JIS H5120 CAC406 normally used for water supply members.
  • ⁇ Erosion corrosion test> As shown in FIG. 3, a sample cast into a ⁇ 20 ⁇ 120 mmL mold was processed into a cylindrical shape of ⁇ 16 mm as a test piece 12, and a clearance of 0.4 mm was formed with respect to this test piece 12. A nozzle 11 having a diameter of 1.6 mm was set, and a 1% CuCl 2 aqueous solution 13 was continuously flowed from the nozzle 11 toward the sample at a flow rate of 0.4 L / min for 5 hours. And the maximum depth was measured. ⁇ Evaluation of the amount of depletion was ⁇ for less than 150 mg, ⁇ for 150 mg or more and less than 200 mg, and ⁇ for 200 mg or more. In the evaluation of the maximum depth, less than 100 ⁇ m was evaluated as ⁇ , 100 ⁇ m or more and less than 150 ⁇ m as ⁇ , and 150 ⁇ m or more as x.
  • ⁇ Machinability test and drilling test> Each alloy was subjected to a drilling test using a drilling machine.
  • each sample material is processed into a cylindrical sample of ⁇ 18 mm ⁇ 20H, and the time taken for drilling 5 mm deep from the deep part of the cylinder using a drilling machine is measured and evaluated under the drilling conditions shown in Table 1. It was. Less than 6 sec was evaluated as ⁇ , 6 sec or more and less than 7 sec was evaluated as ⁇ , and 7 sec or more was evaluated as ⁇ .
  • ⁇ Casting defect test> ⁇ Penetration flaw test on staircase specimen>
  • the penetration flaw test in the step-like test material was done, and the quality regarding a casting defect was determined.
  • "-" In the table is an example that is not implemented. Specifically, it is as follows. For each alloy to be manufactured, a stepped CO 2 mold is produced in which the thickness is changed in three stages of 10, 20, and 30 mm, as shown in FIG. (Casting temperature 1120 ° C.), the center part of the casting thus obtained was cut and tested according to the JIS Z2343 penetration test, and the occurrence of casting defects and microvoids in this penetration test was observed.
  • Defect indication patterns such as shrinkage defects and gas defects are not observed at a thickness of 10 or 20 mm, ⁇ , those not observed at a thickness of 10 mm are observed at a thickness of 20 mm, ⁇ , What was observed in a 20 mm part was evaluated as x. The thickness of 30 mm was not evaluated.
  • CAC406 of Comparative Example 12 will be described.
  • the mechanical properties of CAC406 are JIS standard values of tensile strength of 195 MPa or more and elongation of 15% or more. Further, since 5.38% by mass of Pb contained, good results were obtained in the drilling test. Furthermore, in the hot water flow test, the flow length was 298 mm, and the evaluation was ⁇ . On the other hand, since Pb is contained in 4 to 6% by mass, there is a problem in leaching of lead.
  • Comparative Example 1 and Examples 1 to 4 were prepared in which the content of elements other than Zn was made as close as possible by changing the Zn content. These were arranged in the first item in Table 2 and Table 3 in the order of Zn content. All the mechanical properties showed values exceeding the tensile strength of 195 MPa and the elongation of 15%, but in Comparative Example 1 where Zn was less than 12% by mass, the time required for cutting was too long. On the other hand, in Example 4 where Zn was close to the upper limit of 21% by mass, the machinability tended to be slightly lowered.
  • Comparative Example 2 Examples 5, 6, 7, and Comparative Example 3 were prepared in which the content of Sn was changed with reference to Example 2 to make the content of elements other than Sn as close as possible. These were arranged in the second item in Tables 2 and 3 in the order of Sn content.
  • Example 5 where Sn is 1.43% by mass close to the lower limit value, the erosion-corrosion resistance tends to be slightly lowered, and in Comparative Example 2 where Sn is 0.99 mass%, the erosion-corrosion resistance is remarkably high. I have run out.
  • Example 7 in which Sn is 4.5% by mass shows a tendency that the machinability is slightly reduced
  • Comparative Example 3 in which Sn exceeds 4.5% by mass and is 4.92% by mass elongation and machinability are exhibited. Has caused problems.
  • Examples 5, 3, and 4 are arranged in the order of the total content of Zn + Sn in Table 2, and the content of Zn + Sn is higher than these, and Comparative Example 4 is prepared, which exceeds 23.5% by mass.
  • the third item in Tables 2 and 3 was arranged in the order of the total content of Zn + Sn. In Comparative Example 4, both tensile strength and elongation were greatly reduced.
  • Comparative Example 5 Example 5 in which P was less than 0.005% by mass and Comparative Example 6 in which P was more than 0.15% by mass both resulted in problems with hot water flow.
  • FIG. 6 shows the result of the penetration flaw detection test.
  • P exceeds 0.15% by mass, shrinkage cavities were formed throughout.
  • the location with a thickness of 30 mm is not subject to evaluation in the photograph, and the problem is that red and fine spots are generated even in thinner portions. Except for Comparative Example 6, spots were not seen at locations with a wall thickness of 20 mm or less, and good results were obtained.
  • Comparative Example 7, Example 10, Example 11, and Comparative Example 8 were prepared by changing the content of Pb on the basis of Example 2 and making contents other than Pb as close as possible. These were arranged in the fifth item in Tables 2 and 3 in the order of Pb content. In Comparative Example 7 in which Pb was less than 0.05% by mass and less than 0.05% by mass, a problem occurred in machinability.
  • Examples 13, 14, and 15 containing Comparative Examples 9 and 10 containing Ni with a composition close to that of Example 2 were prepared. None of them had a problem in mechanical properties. However, Comparative Examples 9 and 10 in which Ni exceeds 0.5% by mass cause problems in machinability.
  • Comparative Example 11 having a composition close to that of Example 2 and containing 0.3% by mass of Bi was prepared.
  • the tensile strength was greatly reduced, causing problems in mechanical properties.
  • this content has a problem in recycling.

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Abstract

本発明は、Ｂｉの使用量を抑制してリサイクル性を確保しながら、Ｐｂの浸出を抑え、好適な機械的性質と鋳造性を発揮する水道部材用銅合金を得ることを目的とする。本発明合金は、Ｎｉの含有量を０．５質量％以下とし、Ｚｎを１２質量％以上２１質量％以下、Ｓｎを１．５質量％以上４．５質量％以下含有し、ＺｎとＳｎとの合計含有率が２３．５質量％以下であり、Ｐを０．００５質量％以上０．１５質量％以下、Ｐｂを０．０５質量％以上０．３０質量％以下含有し、Ｂｉの含有量が０．２質量％未満であり、残部がＣｕと不可避不純物とからなる。

Description

水道部材用銅合金
　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青銅鋳物（ＪＩＳ　Ｈ５１２０　ＣＡＣ４０６）は、鋳造性、耐食性、切削性、耐圧性に優れており、水道用資機材や給水装置の部品など様々な分野に用いられている。この青銅鋳物（ＣＡＣ４０６)は、鉛を４．０～６．０重量％含むことで高い切削性を有しており、加工しやすいという特徴がある。しかし、この含有する鉛は、接触する水道水へ浸出する性質があり、昨今の鉛浸出量規制に対応できない。このため、有害な鉛の浸出量を削減することを目標として、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が検討されている。
　例えば下記特許文献１には、Ｚｎを８～４０質量％含む黄銅合金において、Ｚｒを０．０００５～０．０４質量％含有させ、かつＰを０．０１～０．２５質量％含有させ、かつ、Ｐｂを０．００５～０．４５質量％、Ｂｉを０．００５～０．４５質量％、Ｓｅを０．０３～０．４５質量％、Ｔｅを０．０１～０．４５質量％のうちから一種又は２種以上含有し、残りがＣｕ及び不可避不純物からなる成分に調整された黄銅合金が記載されている。この黄銅合金は固体金属と液体金属とが混合した半融状態で凝固させた合金であり、その凝固過程において、粒状のα初晶が晶出し、あるいはα固相が存在するものである。また他の元素の条件として、Ｓｉを２～５質量％、Ｓｎを０．０５～６質量％、Ａｌを０．０５～３．５質量％のうち１種又は２種以上を含有しても良く、特にＺｒはＰと共存することにより半融状態で微細化に効果があると記載されている。
　また、下記特許文献２には、Ｎｉを０．５質量％未満に制限し、Ｐｂを検出限界未満とする一方で、Ｂｉを０．２～０．９質量％含有し、Ｚｎを１２．０～２０．０質量％、Ｓｎを１．５～４．５質量％、Ｐを０．００５～０．１質量％で含有し、かつ、Ｚｎ＋Ｓｎの合計含有量が２１．５質量％以下であり、残部が不可避不純物とＣｕとからなる水道部材用銅合金が記載されている。また、追加でＢを０．０００３～０．００６質量％含有させる旨が提案されている。
特許第５１１６９７６号公報 特許第５４０６４０５号公報
　従来、有害なＰｂを削減した銅合金は切削性や耐圧性などの性質の悪化を防ぐためにＰｂの代替としてＢｉやＳｉを含有させた銅合金が使用されている。一方で、水道用部材以外の鉛の浸出に関係がない機械部品などでは、鉛を使用した青銅鋳物が多く使用されている。これらの銅合金を同一ラインで製造する場合、ＢｉやＳｉを含有する鉛フリー銅合金の後に鉛を含有する青銅鋳物を溶解・鋳造すると、先に製造した鉛フリー銅合金のＢｉやＳｉが溶解炉に残り、次に溶解・鋳造する青銅鋳物に混入してしまう。意図せずにこれらの元素が混入した青銅鋳物製品は製品の不良が増加したり、機械的性質を大きく低下させることがあり、製造現場の都合上、ＢｉやＳｉといった元素はできるだけ使わないことが望ましい。
　また、特許文献１にかかる合金は、Ｚｎ含有量が多い範囲では脱亜鉛腐食を起こしやすいという問題があり、Ｐｂ含有量が多い範囲では鉛の浸出基準を満足できない性質となっていた。また、Ｂｉをに含有するため、上記のようなリサイクルの問題があった。さらに、Ｚｎ含有量が多くＳｎ含有量が少ない範囲においてＺｒが含有された場合、半融状態からの凝固のように凝固温度範囲が狭い鋳造プロセスでは性質の改善に有効に働くが、Ｚｎ含有量が少なくＳｎ含有量が多い範囲でＺｒが含有され半融状態ではなく完全な液体金属を鋳型に鋳造するプロセスの場合、凝固までの温度範囲は広くなり、Ｚｒにかかる化合物が生成したり、引け巣を助長して機械的性質を低下させるおそれがある。
　また、特許文献２にかかる合金でも、Ｂｉを含有するため、上記のようなリサイクルの問題があった。
　そこでこの発明は、鉛の浸出を抑えるだけでなく、リサイクル性を維持しながら、好適な機械的性質と鋳造性を有する水道部材用銅合金を提供することを目的とする。
　この発明は、
　Ｎｉの含有量を０．５質量％以下とし、Ｚｎを１２質量％以上２１質量％以下、Ｓｎを１．４質量％以上４．５質量％以下含有し、ＺｎとＳｎとの合計含有率が２３．５質量％以下であり、
　Ｐを０．００５質量％以上０．１５質量％以下、Ｐｂを０．０５質量％以上０．３０質量％以下含有し、
　Ｂｉの含有量が０．２質量％未満であり、残部がＣｕと不可避不純物である銅合金により、上記の課題を解決したのである。
　Ｂｉを０．２質量％未満に制限することで、リサイクルにあたって他の合金と混在しても扱うことができるようになる。一方で、Ｂｉが上記のように０．２質量％未満であっても、Ｐｂが０．３０質量％以下であれば、鉛の浸出量規制を満足しながら、Ｐｂの添加による切削性などの性質向上効果を発揮させることができる。さらに、ＺｎとＳｎの値を複合的に調整することで、リサイクル時に影響が大きいＢｉを使うことなく、十分な機械的性質を発揮できるような配合となる。
　また、Ｎｉを０．５質量％以下とすることで、引け巣の発生を抑制することができる。
　さらに、この銅合金は、他の不可避不純物として混入しうる元素を限定的に含んでいてもよい。ただし、その合計量は本発明の効果を阻害しない範囲に留める必要があり、１．０質量％未満であると好ましく、かつ一つの当該元素あたりの含有量が０．５質量％未満であると好ましい。
　この発明により、Ｐｂの含有量を制限しつつＢｉを用いないことで、リサイクル性にも優れ機械的性質が良好な銅合金を得ることができ、より安全性を確保した水道部材を製造することができる。
実施例において引張試験評価方法に用いる供試材を採取するＪＩＳＨ　５１２０で規定するＡ号の模式図 実施例において引張試験評価方法に用いるＪＩＳＺ　２２４１で規定する４号試験片の模式図 エロージョン－コロージョン試験の構造を示す構成図 実施例において湯流れ性試験に用いる渦巻型試験形状鋳型 実施例において引け巣試験に用いる階段状鋳型の構成図 実施例における浸透探傷試験の結果を示す写真
　以下、この発明について詳細に説明する。
　この発明は、Ｐｂを限定的に用い、Ｂｉを使わずに配合した水道部材用の銅合金である。
　上記銅合金のＺｎ含有量は、１２質量％以上である必要があり、１３質量％以上であると好ましい。１２質量％未満であると、切削粉が巻いた形状となり、切削性が低下してしまう。一方で、２１質量％以下である必要があり、２０質量％以下であると好ましく、１８質量％以下であるとより好ましい。Ｚｎが多すぎると機械的性質が低下するだけでなく、亜鉛滓が増加して鋳造が困難となってしまう。
　上記銅合金のＳｎ含有量は、１．４質量％以上である必要があり、２．０質量％以上であると好ましい。１．４質量％未満であると、Ｚｎの効果同様、切削粉が巻いた形状となり切削性が低下してしまう。また、水道用部材の表面を保護する酸化膜が水流にはぎ取られて合金の腐食が進行するエロージョンコロージョンに対する耐性が不十分となってしまう。一方で、４．５質量％以下である必要があり、４．３質量％以下であると好ましく、３．０質量％以下であるとより好ましい。Ｓｎが多すぎると伸びが低下してしまったり、砂型鋳造時に引け巣が発生したりするためである。
　上記銅合金のＺｎとＳｎとの合計含有量は、２３．５質量％以下である必要があり、好ましくは２１．０質量％以下である。Ｃｕに固溶するＺｎが多くなりすぎると、Ｓｎの固溶度が低下し、凝固時の残留液相中にＳｎが濃縮され、包晶反応によってβ相を晶出しやすくなる。最終的に硬いδ相（Ｃｕ３１Ｓｎ８）の中にα相が点在するα＋δ相がデンドライト間に生成し、材料強度低下を招く。さらに、このα＋δ相近傍にＢｉが分散して生成することで、相乗的な強度の低下を招く。また、厚肉鋳物や砂型鋳物など、凝固速度が遅い条件で鋳造を行った場合、最終凝固するときに、Ｓｎが汗をかいたように滲み出てくるスズ汗と呼ばれる欠陥や引け巣欠陥といった鋳造欠陥が生じてしまうおそれもある。Ｚｎ＋Ｓｎの合計含有量が２３．５質量％を越えるとこれらの機械的性質の低下や鋳造欠陥が無視できなくなってしまう。
　上記銅合金のＰ含有量は、０．００５質量％以上である必要があり、０．０１質量％以上であると好ましい。Ｐは脱酸効果を発揮するので、少なすぎると鋳造時の脱酸効果が低下し、ガス欠陥が増加するだけでなく、溶湯が酸化して湯流れ性が低下してしまう。一方、０．１５質量％以下である必要があり、０．０５質量％以下であると好ましい。Ｐが増加しすぎると、鋳型の水分と反応しガス欠陥の発生や引け巣欠陥が増加し、さらには機械的性質も低下してしまう。一方、上記銅合金は、Ｚｎを多く含有しているため、Ｚｎの脱ガス効果によりガス吸収が少なく、青銅で代表されるＪＩＳ　Ｈ５１２０　ＣＡＣ４０６と比較して、Ｐが少なくても鋳造欠陥の少ない鋳物が製造できる。
　上記銅合金のＰｂ含有量は、０．０５質量％以上である必要があり、０．０７質量％以上であると好ましい。Ｐｂはわずかでも含有されることで切削性が大きく向上するが、０．０５質量％未満ではその効果が不十分となるからである。一方、０．３０質量％以下である必要があり、０．２０質量％以下であると好ましい。Ｐｂは本来浸出をできるだけ抑制すべき元素であり、０．３０質量％を越えると、浸出試験において浸出基準値を満足することが困難になってしまう。
　上記合金のＮｉ含有量は、０．５質量％以下である必要がある。Ｎｉは、含有しなくても良いが、安定した機械的性質を発揮する効果があると同時に、引け巣の発生を抑制する効果があり健全な鋳物を作りやすくなる。一方で、Ｎｉ含有量が０．５質量％を超えると切削性が低下しやすくなる。
　上記銅合金は残分としてＣｕの他に、この発明にかかる効果を阻害しない範囲で、不純物となる上記以外の元素を含有してもよい。ただし、含有する量は原材料や製造時の問題から不可避的に含有される不可避不純物として含まれる程度に抑えることが好ましい。その不可避不純物となる元素の合計量は、１．０質量％未満であると好ましく、０．５質量％未満であるとより好ましい。予期せぬ元素が多すぎると上記の元素の範囲であっても、物性に支障を来すおそれがあるからである。また、一つの元素あたりの含有量は、０．４質量％未満であると好ましい。
　上記銅合金が含有しうる不可避不純物となる元素のうち、Ｂｉの含有量は０．２質量％未満であると好ましく、０．１質量％未満であるとより好ましく、検出限界未満であると最も好ましい。Ｂｉは、Ｃｕに固溶せずに分散するため、含有量が多いとそれだけ引張強さなどの強度低下を招きやすい。また、その分散したＢｉによって砂型鋳造時に引け巣が発生しやすくなる傾向にある。さらに、Ｂｉが多すぎると、上記銅合金を用いて製造した水道用部材をリサイクルするにあたり、リサイクルする合金にＢｉが混入することで生じる機械的性質の低下などの様々なデメリットを生じるため、当該水道用部材を別途回収しなければならなくなってしまう。
　上記銅合金が含有しうる不可避不純物となる元素のうち、Ｓｉの含有量は０．０１質量％未満であると好ましく、０．００５質量％未満であるとより好ましい。Ｓｉが多すぎると引け巣を助長し、健全な鋳物ができなくなってしまう。
　上記銅合金が含有しうる不可避不純物となる元素のうち、Ａｌの含有量は０．０１質量％未満であると好ましく、０．００５質量％未満であるとより好ましい。Ｓｉと同様に、Ａｌも多すぎると引け巣を助長し、健全な鋳物ができなくなってしまう。
　上記銅合金が含有しうる不可避不純物となる元素のうち、Ｓｂの含有量は、０．０５質量％未満であると好ましく、０．０３質量％未満であるとより好ましく、検出限界未満であると最も好ましい。Ｓｂは、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｓｂ系の金属間化合物を生成しやすく、靭性が低下しやすいため、機械的性質の低下を招くおそれがある。
　上記銅合金が含有しうる不可避不純物となる元素のうち、Ｚｒの含有量は、０．０１質量％未満であると好ましく、０．０００５質量％未満であるとより好ましく、検出限界未満であるとさらに好ましい。Ｚｒが含有されることで、機械的性質の低下および引け巣を助長し、健全な鋳物ができなくなってしまう。
　上記銅合金が含有しうるその他の不可避不純物となる元素は、いずれも０．４質量％未満であると好ましく、０．２質量％未満であるとより好ましく、検出限界未満であるとさらに好ましい。このような不純物としては、例えば、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｃｄなどが挙げられる。この中でも特に、毒性が知られているＳｅ、Ｃｄは０．１質量％未満であることが望ましく、検出限界未満であるとさらに望ましい。
　なお、この発明における含有量の値は、原料における比ではなく、鋳造や鍛造など製造した時点における含有量を示す。
　上記銅合金の残分はＣｕである。この発明にかかる銅合金は、一般的な銅合金の製造方法で得ることができ、この銅合金で水道部材を製造する際には、一般的な鋳造方法（例えば砂型鋳造）により製造することができる。例えば、重油炉、ガス炉、高周波誘導溶解炉などを用いて合金の溶解を行い、各形状の鋳型に鋳造する方法が挙げられる。
　以下、この発明にかかる銅合金を実際に製造した例を挙げて報告する。まず、銅合金に対して行う試験方法について説明する。
　＜機械的性質試験＞
　ＪＩＳＨ　５１２０で規定するＡ号供試材の形状に鋳造した試料から、ＪＩＳＺ　２２４１で規定する４号試験片に加工した。具体的形状は各々図１、図２の通りである。このうち、図１におけるＡ号試験片は図中ハッチの部分であり、寸法の単位はｍｍである。また、図２における径ｄｏは１４±０．５ｍｍ、試験片の原標点距離Ｌｏは５０ｍｍ、平行部長さＬｃは６０ｍｍ以上、肩部の半径Ｒは１５ｍｍ以上である
　この試験片について、ＪＩＳ　Ｚ２２４１に従って引張強さと伸びとを測定した。その結果の数値と、機械的性質としての評価を示す。
・引張強さの評価は、１９５ＭＰａ以上を○、１９５ＭＰａ未満を×とした。
・伸びの評価は、１５％以上を○、１５％未満を×とした。
なお、この閾値は通常水道部材に用いられるＪＩＳ　Ｈ５１２０　ＣＡＣ４０６の基準値である。
＜エロージョンコロージョン試験＞
　Φ２０×１２０ｍｍＬの金型に鋳造した試料を図３に記載のように、φ１６ｍｍの円柱状に加工したものを試験片１２とし、この試験片１２に対して隙間を０．４ｍｍあけた位置に、１．６ｍｍ口径のノズル１１をセットし、ノズル１１から試料へ向けて１％ＣｕＣｌ２水溶液１３を流量０．４Ｌ／ｍｉｎの順流で５時間流し続け、試験前後における試料の重量損失（減耗量）及び最大深さを計測した。
・減耗量の評価は、１５０ｍｇ未満を○、１５０ｍｇ以上２００ｍｇ未満を△、２００ｍｇ以上を×とした。
・最大深さの評価は、１００μｍ未満を○、１００μｍ以上１５０μｍ未満を△、１５０μｍ以上を×とした。
＜切削性試験・穿孔試験＞
　各々の合金について、ボール盤による穿孔試験を実施した。穿孔試験は、各供試材をφ１８ｍｍ×２０Ｈの円柱試料に加工し、ボール盤を用いて円柱深部から５ｍｍ深さの孔明けにかかる時間を、表１に示す穿孔条件で測定して評価を行った。６ｓｅｃ未満を○、６ｓｅｃ以上７ｓｅｃ未満を△、７ｓｅｃ以上のものを×と評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
＜湯流れ性試験＞
　図４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鋳造し、渦巻き試験片を作製した。鋳込温度は、各々のＺｎ含有量によって凝固開始温度が異なるため、一定の鋳込温度では、合金本来の湯流れ性が評価できない。このため、各々の合金について熱分析法により凝固開始温度を測定した後、凝固開始温度＋１１０℃の温度で鋳造を行った。その後、鋳造した渦巻き試験片の渦巻き部の流動長を測定した。３００ｍｍ以上のものを〇、２８０ｍｍ以上３００ｍｍ未満のものを△、２８０ｍｍ未満のものを×と評価した。
＜鋳造欠陥試験＞
＜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、階段状供試材における浸透探傷試験を行い、鋳造欠陥に関する良否を判定した。表中「―」は実施していない例である。具体的には次の通りである。実施する各々の合金について、肉厚を１０、２０、３０ｍｍの３段階に変化させた図５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鋳型を製作して（鋳込み温度１１２０℃）、これにより得られた鋳物の中心部を切断し、ＪＩＳ　Ｚ２３４３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。引け巣欠陥やガス欠陥といった欠陥指示模様が、肉厚１０、２０ｍｍ部に観察されないものを〇、肉厚１０ｍｍ部には観察されず肉厚２０ｍｍ部に観察されるものを△、肉厚１０、２０ｍｍ部に観察されるものを×とし評価をおこなった。肉厚３０ｍｍ部は評価対象外とした。
＜製造方法＞
　それぞれの元素を構成する材料を混合し、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２に記載の含有量となる各々の例で供試材を作製した。なお、含有量の値は全て質量％であり、製造後の測定値である。また、比較例１２として、従来から用いられていた鉛入りの青銅材料ＪＩＳ　Ｈ５１２０　ＣＡＣ４０６を用い、物性の比較対象とした。その含有量も記載する。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。表中「―」は検出限界未満であることを示す。なお、比較例１１を除き、いずれの例においても、Ｂ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅは検出限界未満であった。総合評価は、試験した項目全てが○であれば○とし、試験した項目のうち一つでも△があれば△とし、一つでも×があれば×とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　はじめに、比較例１２のＣＡＣ４０６について説明する。ＣＡＣ４０６の機械的性質は、ＪＩＳの規格値である引張強さ１９５ＭＰａ以上、伸び１５％以上となっている。また、５．３８質量％のＰｂが含有するため、穿孔試験において良好な結果が得られた。さらに、湯流れ試験では流動長が２９８ｍｍとなり、評価は△となった。一方、Ｐｂを４～６質量％含有するため、鉛の浸出に問題がある。
　まず、Ｚｎの含有量を変化させ、Ｚｎ以外の元素の含有量を出来るだけ近いものとした比較例１、実施例１～４を調製した。表２、表３中の第一項目にこれらをＺｎの含有量順に並べた。機械的性質はいずれも引張強さ１９５ＭＰａ，伸び１５％を上回る値を示したが、Ｚｎが１２質量％未満となる比較例１では、切削にかかる時間が長くなりすぎてしまった。一方、Ｚｎが上限の２１質量％に近くなる実施例４では、切削性がやや低下する傾向が見られた。
　次に、実施例２を基準としてＳｎの含有量を変化させ、Ｓｎ以外の元素の含有量を出来るだけ近いものとした比較例２、実施例５、６、７、比較例３を調製した。表２、表３中の第二項目にこれらをＳｎの含有量順に並べた。Ｓｎが下限値に近い１．４３質量％である実施例５では耐エロージョン－コロージョン性がやや低下する傾向を示し、Ｓｎが０．９９質量％である比較例２は耐エロージョン－コロージョン性が著しく不足してしまった。一方、Ｓｎが４．５質量％である実施例７は切削性がやや低下する傾向を示し、Ｓｎが４．５質量％を超えて４．９２質量％である比較例３では伸びと切削性に問題を生じてしまった。
　次に、表２中にＺｎ＋Ｓｎの合計含有量の順に実施例５，３，４を並べ、さらにこれらよりもＺｎ＋Ｓｎの含有量が上回り、２３．５質量％を上回る比較例４を調製して、表２、表３中の第三項目にＺｎ＋Ｓｎの合計含有量順に並べた。比較例４は引張強さと伸びの両方が大きく低下してしまった。
　次に、実施例２を基準としてＰの含有量を変化させ、Ｐ以外の元素の含有量を出来るだけ近いものとした比較例５、実施例８，９、比較例６を調製した。表２、表３中の第四項目にこれらをＰの含有量順に並べた。Ｐが０．００５質量％未満である比較例５と、Ｐが０．１５質量％を上回る比較例６はいずれも湯流れ性に問題を生じる結果となった。また、浸透探傷試験を行った結果を図６に示す。Ｐが０．１５質量％を上回る比較例６では全体に引け巣を生じてしまった。なお、写真中、肉厚３０ｍｍの箇所は評価対象外であり、より薄い部分にまで赤く細かい斑点が生じている点を問題としている。比較例６以外は肉厚２０ｍｍ以下の箇所には斑点が見られず、良好な結果となった。
　次に、実施例２を基準として、Ｐｂの含有量を変化させ、Ｐｂ以外の含有量を出来るだけ近いものとした比較例７，実施例１０，実施例１１，比較例８を調製した。表２、表３中の第五項目にこれらをＰｂの含有量順に並べた。Ｐｂが０．０５質量％未満である０．０３質量％の比較例７では、切削性に問題を生じることとなった。
　さらに、実施例２に近い組成で、Ｎｉを含有させた実施例１３、１４、１５比較例９、１０を調製した。いずれも機械的性質には問題がなかった。ただしＮｉが０．５質量％を超える比較例９、１０は、切削性に問題を生じることとなった。
　さらに、実施例２に近い組成で、Ｂｉを０．３質量％含有させた比較例１１を調製した。引張強さが大きく低下して機械的性質に問題を生じてしまった。また、この含有量ではリサイクル上の問題があった。

Claims (1)

  1. 　Ｎｉの含有量を０．５質量％以下とし、Ｚｎを１２質量％以上２１質量％以下、Ｓｎを１．４質量％以上４．５質量％以下含有し、ＺｎとＳｎとの合計含有率が２３．５質量％以下であり、
    　Ｐを０．００５質量％以上０．１５質量％以下、Ｐｂを０．０５質量％以上０．３０質量％以下含有し、
    　Ｂｉの含有量が０．２質量％未満であり、
    　残部がＣｕと不可避不純物である水道部材用銅合金。
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