JP3761741B2 - 黄銅とこの黄銅製品 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無鉛化或は鉛の低減化を図ると共に、耐脱亜鉛性、熱間鍛造性若しくは切削加工性に優れた黄銅とこの黄銅製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種の銅基合金には、Ｃｕを主成分とするＣｕ−Ｚｎ系合金である黄銅合金とＣｕ−Ｓｎ系合金である青銅合金が広く用いられている。
このうち黄銅合金は、耐食性、加工性、鍛造性や機械的性質が良好で、かつ、他の銅基合金に比較して価格的にも有効であるため広く一般に普及している。
この黄銅合金には、快削黄銅（ＪＩＳ Ｃ３２５０、Ｃ３６０４）、鋳造用黄銅（ＪＩＳ Ｃ３７７１）或は英国規格（ＢＳ規格）のＣＺ１３２等が知られいる。
【０００３】
このうち、快削黄銅棒は、Ｐｂの含有量が１.８〜３.７％と多いため、これをバルブ等の接水金具に使用した場合は、Ｐｂが水中に溶出するので、Ｐｂの溶出基準（例えば、０.０５ｍｇ／ｌ以下）の条件を満足することは困難であり、そのため、これらの鉛溶出による課題点を緊急に解決する必要がある。
【０００４】
また、この快削黄銅棒は、組織がα＋β相の黄銅材料であって、相対的比率としてα相にはＣｕが多く含まれており、β相にはＺｎが多く含まれているため、この黄銅が腐食液雰囲気中に存在すると、α相とβ相との電位差から、局部電池を形成するので、Ｚｎが溶出して脱亜鉛腐食を生じさせる。
また、通常の鍛造用黄銅棒の場合も、快削黄銅棒と同様のＰｂの溶出問題と脱亜鉛腐食の問題を有している。
【０００５】
このような鉛溶出の環境問題に対して、銅基合金に含有されているＰｂの代わりに、Ｂｉ単体或はＳｅ、Ｂｉを含有させる青黄銅の鉛対策技術が既に提案されている（米国特許第５６１４０３８号公報参照）。
【０００６】
また、このような鉛対策技術にＰを添加することにより金属間化合物Ｃｕ3Ｐを形成して耐摩耗性を向上させる青銅技術も知られている（特開平８−１２０３６９号公報参照）。その他、各種の鉛対策技術が提案されるに至っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の銅基合金材は、銅基合金における鉛対策技術を対象としているが、それに加えて、切削加工性と鍛造性並びに耐脱亜鉛性等にも優れた技術は無く、特に、黄銅特有の耐脱亜鉛腐食性の点についても解決したものは、現在までに開発されていないのが実情である。
本発明は、従来の課題点を解決するために鋭意研究の結果、開発に至ったものであり、その目的とするところは、鉛溶出の環境問題をクリアすると共に、耐脱亜鉛性、切削加工性、熱間鍛造性等に優れた黄銅とこの黄銅製品を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、Ｃｕ５９．０〜６３．２質量％（以下同じ），Ｓｎ０．３〜２．０ % ，Ｂｉ０．７〜２．５％，Ｐ０．０５〜０．１５％，Ｓｅ０．０３〜０．２５％と、残部がＺｎと不可避不純物とからなり、耐脱亜鉛性、熱間鍛造性及び切削加工性に優れている黄銅である。
【０００９】
請求項２に係る発明は、Ｃｕ５９．０〜６２．０質量％（以下同じ），Ｓｎ０．５〜１．５ % ，Ｂｉ１．０〜２．０％，Ｓｅ０．０３〜０．２０％，Ｆｅ０．０５〜０．２０％，Ｐ０．０５〜０．１０％を含有し、熱間鍛造に用いられる黄銅である。
【００１０】
請求項３に係る発明は、Ｃｕ６１〜６３．０質量％（以下同じ），Ｓｎ０ . ３〜０．７ % ，Ｂｉ１．５〜２．５％，Ｓｅ０．０３〜０．２０％，Ｆｅ０．１〜０．３０％，Ｐ０．０５〜０．１０％を含有し、切削加工に用いられる黄銅である。
【００１１】
請求項４に係る発明は、０．２質量％以下のＰｂを含有した黄銅である。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の黄銅を用いた黄銅製品である。
【００１３】
この場合、低融点成分であるＢｉとＳｅを添加することによって、低融点成分であるＢｉを均一分散させることにより切削抵抗の低下、表面仕上り状態の良好性或は切粉の評価を含む切削加工性を向上させることができる。
【００１４】
このＢｉは、図１に示すように、ベース相が細分化しており、Ｐｂと同様に低融点（２７１℃）であり、切削時の発熱によって溶融するので潤滑効果があり、そのため切削加工性が向上する。
【００１５】
また、図２に示すように、Ｓｅによって金属間化合物（Ｚｎ＋Ｓｅ、Ｃｕ＋Ｓｅ）を形成するので、同様に析出するＢｉが均一分散する。
従って、Ｂｉが金属結晶間で細かく点在することになるので、切削抵抗が均一化され、かつ、潤滑効果と相俟って滑らかに切削できる。
【００１６】
このように、結晶粒径が細分化されると、Ｂｉは図１、図２及び図４、図５に示すように、結晶粒界上に均一分散され、切削性が向上する。
Ｂｉ又はＰｂは、通常、結晶の粒内及び粒界に析出しており、Ｂｉ、Ｐｂの添加量が同じであれば、偏析のない均一に分散している方がＢｉ、Ｐｂの切削性に及ぼす効果は大きい。そこで、均一分散化させるためには、結晶を細かくする必要があり、例えば、ビレットの押出し温度を下げて押出す方法以外に、本発明における手段としてＦｅを添加することによって均一分散化を図っている。
その結果、切削抵抗が減じられ、また、切粉１が図３の写真に示すように、細かく裁断されるので、加工装置の切削刃が所定時間内で損傷することがないため、切削加工性が向上することになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明における黄銅の各成分範囲とその制限範囲の理由について説明する。なお、成分比率は質量％を示している。
Ｃｕ：Ｃｕ量を増加させる程、耐脱亜鉛性は向上するが、ＣｕはＺｎにより材料単価が高価であるため低く抑えなければならないこと、良好な熱間鍛造性を得ること及び耐脱亜鉛性を得るために添加したＰの量を考慮して、Ｃｕの組成範囲を５９.０〜６３.２％とした。中でも、熱間鍛造用黄銅の場合は、５９.０〜６２.０％が好ましく、切削加工用黄銅の場合は、６１.０〜６３.０％が好ましい。
【００１８】
Ｓｎ：耐脱亜鉛性を向上させるために添加した。
Ｓｎは、Ｚｎより材料単価が高価であり、材料コストを低く抑えるため極力低下抑える必要がある。
Ｓｎの添加量が増えると、硬くて脆いγが析出して切削抵抗が増大するが、ＣｕとＰの添加量における耐脱亜鉛性を考慮して、Ｓｎの組成範囲を０.３〜２.０％とした。中でも、熱間鍛造用黄銅の場合は、０.５〜１.５％の範囲が好ましく、切削加工用黄銅の場合は、０.３〜０.７％の範囲が好ましい。
【００１９】
Ｂｉ：切削加工性を向上させるために添加した。
Ｂｉが０.７％未満になると、切削加工性に大きく影響して切削加工性が低下し、また、２.５％を超えると、引張り強さ、伸び、熱間鍛造性、熱間加工性が低下するので、Ｂｉの組成範囲を０.７〜２.５％とした。中でも、熱間鍛造用黄銅の場合は、１.０％未満になると、切削加工性を得られなくなるので、好ましくは、下限値を１.０％に設定し、特に、熱間鍛造性と熱間加工性を考慮して上限値を２.０％に設定しており、また、切削加工用黄銅の場合は、１.５〜２.５％の範囲が好ましい。
【００２０】
Ｓｅ：微量添加することにより切削加工性を向上させる。
Ｓｅは、ＣｕやＺｎと化合物を作り、合金中に存在することによって、切削加工性を向上させるが、Ｃｕ、Ｚｎより材料単価が高価であるため、極力抑える。
また、熱間鍛造性や熱間加工性の悪影響も考慮してＳｅの組成範囲を０.０３〜０.２５％とした。中でも、熱間鍛造用黄銅や切削加工用黄銅の場合は、０.０３〜０.２０の範囲が好ましい。
【００２１】
Ｆｅ：微量添加することによって結晶粒を微細化させ、強張り強度を向上させるが、ＰやＳｎと化合物を作り、硬くて脆いＦｅ2ＰやＦｅ3Ｓｎなどが合金中に存在すると、熱間鍛造性に悪影響を及ぼす。そこで、引張り強さ、熱間鍛造性、熱間加工性を考慮してＦｅの組成範囲を０.０５〜０.３％とした。中でも、熱間鍛造性黄銅の場合は、０.０５〜０.２％の範囲が好ましく、切削加工用黄銅の場合は、０.１〜０.３％の範囲が好ましい。
【００２２】
Ｐ：耐脱亜鉛性を得るために添加した。増加量が増える程、耐脱亜鉛性は向上するが、添加したＰの一部が、ＣｕやＦｅと化合物を作り、硬くて脆いＣｕ3ＰやＦｅ2Ｐが合金中に存在するため熱間鍛造性や熱間加工性に悪影響を及ぼす。そこで、良好な耐脱亜鉛性と熱間鍛造性、熱間加工性を得るＰの組成範囲を０.０５〜０.１５％とした。中でも、熱間鍛造性黄銅の場合は、０.０５〜０.１％の範囲が好ましく、切削加工用黄銅の場合も、０.０５〜０.１％の範囲が好ましい。
【００２３】
次に、本発明における黄銅を切削用黄銅棒と鍛造用黄銅棒に分けて、その含有成分範囲について説明する。
切削用黄銅棒において、耐脱亜鉛性を確保するために、ＣｕとＰを適量添加する。
また、切削性を得るため従来Ｐｂを３％程度添加しているが、Ｐｂの溶出基準を考慮すると、Ｐｂは、０.２％以下に抑える必要がある。Ｐｂの含有量は、本来的には少ない程良いが、少量になる程、Ｐｂの含有する量が極力少ない原材料を使用しなければならないので、生産コストは増加する。例えば、成分の調整用に使用するＺｎでは、品質によって不純物としてのＰｂの含有量は大きく変わる。高品質な電気Ｚｎでは、０.００４％、低品質な再生Ｚｎでは、０.８％程度を含有し、価格的には１５％程度の差がある。
【００２４】
Ｐｂを含有する従来材と同等以上の切削性と表面の仕上り状態を得るためには、Ｐｂと同様の性質を有するＢｉに置換するが、その結果、切削性においてＰｂより切削抵抗がやや高いことが判った。
しかし、その反面、Ｂｉ＋Ｓｅ又はＢｉを含有することにより、Ｐｂと同様な軟質相であるＢｉと、Ｓｅの化合物である硬質相とが相俟って良好な表面の仕上り状態を得ることができた。しかし、Ｓｅが多すぎると硬質相が増え、切削性は劣化するので、Ｓｅは０.０３〜０.２が良い。Ｂｉの量は、Ｐｂの２％程度の切削性を得るには、１.５〜２.５％が相応する量であることが判った。
【００２５】
また、熱間鍛造用黄銅棒において、Ｐｂの含有量については、切削用と同様に、０.２％以下とする。なるべく少ない方が好ましい。
耐脱亜鉛性を得るためには、Ｃｕの量は多い方が良いが、熱間鍛造温度領域で適量のβ相を得るためには、耐脱亜鉛性をやや犠牲にしてもＣｕの量を減らす必要がある。それを補うために、Ｓｎを添加して耐脱亜鉛性を確保する。そこで、Ｓｎを０.５〜１.５％添加する。
良好な熱間鍛造性を得るためには、従来よりＰｂは少ない方が良いとされている。従って、Ｂｉ、Ｓｅも極力少ない方が良いが、良好な切削性を得るために、Ｂｉ、Ｓｅを添加する。
【００２６】
また、本発明における黄銅を製造する一例について説明する。所定成分範囲の原料を配合して溶解する溶解工程を経た後に、連結鋳造により鋳造ビレットを形成し、この鋳造ビレットを押出し又は圧延の後に、熱処理を施し、次いで、これを抽伸又は圧延により塑性加工し、又は更に空冷又は炉冷の熱処理工程を経て棒材、板材等の銅基合金材を製造するようにした銅基合金の製造方法であり、更に詳しく述べると、この鋳造ビレットを抽出し又は圧延の後に、４７５〜６００℃、１〜５時間の熱処理を施し、次いで、材料強度を上げるため、１０〜３０％の減面率にて抽伸又は圧延により、塑性加工を加え、又は更に加熱温度２５０〜４００℃、１〜５時間保持後、空冷又は炉冷の熱処理を行うことにより製造するようにしている。
【００２７】
所定成分範囲の原料を配合して溶解する溶解工程を経た後に、連続鋳造により鋳造ビレットを形成し、この鋳造ビレットを押出し又は圧延して熱間鍛造用銅基合金を製造するようにした。これを鍛造品にする場合は、鍛造後の熱処理が必要である。
【００２８】
この場合、Ｂｉ、Ｓｅを添加して黄銅を溶製するには、各例を挙げることができるが、例えば、適量のＳｅ、Ｂｉを含んだ中間銅合金をＳｅ、Ｂｉ以外の成分の溶湯中に投入し、Ｓｅ、Ｂｉ以外の成分を調整した後に、黄銅を対象とする成分の銅合金を溶製する方法、Ｓｅ−Ｂｉ焼結体とＳｅ、Ｂｉ以外の成分を共に溶融加熱して、黄銅を対象とする成分の銅合金を溶製する方法、又は、銅合金成分の溶解金属内に、Ｓｅ−Ｂｉ焼結体を投入等の方法等を挙げることができる。
【００２９】
また、本発明における黄銅は、バルブ、継手、管、水栓、給水・給湯用品等の水接触製品（黄銅製品）を加工成形したり、ガス器具、洗濯機、空調機等の電気・機械製品（黄銅製品）を加工成形したりするのに適している。
【００３０】
その他、本発明の黄銅を材料として好適な部材・部品は、特に、バルブや水栓等の水接触部品、即ち、ボールバルブ、ボールバルブ中の空用ボール、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、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、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の（黄銅製品）にも広く適用できる。
【００３１】
【実施例】
次に、本発明における黄銅の試験結果と共に、本発明の一実施例を説明する。
（１）切削加工性
本発明における切削加工性とは、切削抵抗と表面仕上り状態と切粉の評価を含むものである。
本発明における各例の素材についての切削加工性を従来品と比較して評価した結果、切削加工性は、良好であった。
具体的には、切削加工条件を表１に示すように設定し、各材料のテストピース毎の加工時の切削抵抗を歪ゲージにより測定し、また、切削時の切屑も採取し形状を観察した。
【００３２】
【表１】
切削加工条件
【００３３】
この切削加工性の試験結果は、表２に示すとおりである。
【表２】
各素材の切削性指数
切削性指数＝{［Ｃ３６０４ＢＤの切削抵抗値］／［各材料の切削抵抗値］}×100
【００３４】
この結果、本発明品の切粉１の形状は、図１に示すように、細かく裁断されており、また、切削性指数も各素材と同等で、切削加工性は良好であることを確認した。
【００３５】
（２）耐脱亜鉛性
本発明材と比較材について、脱亜鉛腐食試験（ＩＳＯ６５０９−１９８１）により評価した。
その試験方法は、１２.７ｇ／Ｌ塩化第二銅二水和物水溶液中にて、７５℃で２４時間加熱腐食後、脱亜鉛層の深さを測定した。その試験結果を表３に示す。
【００３６】
【表３】
脱亜鉛腐食性（ＩＳＯ）
【００３７】
このように、本発明の耐脱亜鉛性は、Ｃ３７７１（鍛造用黄銅）よりも優れており、比較材（脱亜鉛対策材）と同等以上であり、本発明材は、耐脱亜鉛性に優れていることが確認された。
【００３８】
次に、本発明における熱間鍛造用黄銅棒の評価について説明する。
アプセット試験による評価
○試料：φ１５×１５ｌ
○試験方法：所定の温度に加熱した試料をプレス機によって、予め決めたアプセット率まで押しつぶす。
【００３９】
この場合のアプセット率は、数１のとおりである。
【数１】
１５−ｈ
アプセット率（％）＝ １５ ×１００
○評価方法：押しつぶされた試料の表面に発生した割れの有無によって各材料を評価した。
【００４０】
その結果、比較材の熱間鍛造用耐脱亜鉛黄銅棒は、図７と表４に示すとおりである。
【表４】
比較材の黄銅棒
【００４１】
一方、本発明における熱間鍛造用耐脱亜鉛黄銅棒は、図８と表５に示すとおりである。
【表５】
本発明の黄銅棒
【００４２】
そこで、両者を評価すると、本発明の熱間鍛造性は、比較材と比較して７００〜７３０℃の低温側でやや劣るが、７４０〜８００℃と適切な鍛造温度で鋳造を行えば、比較材とほぼ同等の鍛造を行うことができることを確認した。
【００４３】
次に、熱間鍛造用黄銅棒の切削性の評価を行う。
○切削加工条件は、表１に同じである。
○切粉の状況
・従来（ＪＩＳ Ｃ３７７１）における熱間鍛造用耐脱亜鉛黄銅棒は、図９に示すとおりである。
そこで、図９に示す切粉３の状態と図１０に示す本発明における熱間鍛造用耐脱亜鉛黄銅棒の切粉２の状態を評価すると、切削加工時の切粉２、３の状況は、何れの材料においても細かく分断されており、良好な切削性を示している。
【００４４】
次に、鉛の浸出性能試験による評価について述べる。
○試供品：
形状 丸棒φ１２×４２.９Ｌ
試供品を４００番のサンドペーパーにて乾式研磨し、また、隙間腐食防止のため、片側端面を絶縁塗料にてマスキングした。暴露表面積は、１本あたり１７.２９cm2である。
【００４５】
この場合における成分は、表６に示すとおりである。
【表６】
本発明の場合、Ｐｂを０.１９添加した。
【００４６】
○試験方法：
浸出試験
ＪＩＳ Ｓ３２００−７：１９９７水道用器具−浸出性能試験方法による。試験は、７．２部品及び材料試験とし、操作方法は、７．１．３配管途中に設置される給水器具（加熱した水を通水することを目的としたもの）による。
・調整した浸出液（コンディショニング用及び浸出用）の確認は、ｐＨのみとし、初回調整時及び浸出操作時のみｐＨ、硬度、アルカリ度、残留塩素を確認した。
・加熱操作は、９０±２℃で行った。
・ブランクとして、浸出操作時と同様な操作を行った試料液を作成した。
・浸出操作時の浸出液（試料液）は、１００ｍＬとし、浸出終了後、分析操作のために試供品及び容器を洗浄しながら浸出液を２５０ｍＬ（０.１ｍｏｌ／Ｌ硝酸酸性）に希釈調整した。
・試料液の分析は、ＩＣＰ発光分光分析法にて行った。
○判断基準
水道法に基づく給水装置の構造及び材質に関する基準よると、鉛の浸出性能の判定基準は、０.０５ｍｇ／リットル以下となっているので、この値を判断基準とした。
【００４７】
この場合の試験結果は、表７に示すとおりである。
【表７】
【００４８】
即ち、従来材は、切削性を得るために必要な量の鉛を含有させているため、判定基準を上回っているが、本発明Ａ、Ｂは、判定基準を下回り合格している。
鉛の含有量は、本来的には少ない程良いが、少量になる程、生産コストは増加するので、鉛の溶出量の判定基準を考慮して、鉛の含有量を０.２％以下とした。
【００４９】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、本発明によると、鉛溶出の環境対策を満足させることを可能とした黄銅を得ることができるばかりでなく、切削加工性、耐脱亜鉛性並びに熱間鍛造性に優れている従来材には存在しなかった黄銅を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一例を示す組織概要図である。
【図２】 図１における他例を示す組織概要図である。
【図３】 本発明材の切粉の状態を示す写真である。
【図４】 本発明における銅基合金の顕微鏡写真（×４００）である。
【図５】 本発明における銅基合金の顕微鏡写真（×４００）である。
【図６】 熱間鍛造用黄銅棒のアプセット試験の方法を示した説明図である。
【図７】 図６における比較材の結果を示す写真である。
【図８】 図６における本発明材の結果を示す写真である。
【図９】従来の熱間鍛造用黄銅棒の切粉の状態を示す写真である。
【図１０】 本発明における熱間鍛造用黄銅棒の切粉の状態を示す写真である。
【符号の説明】
１、２ 切粉
【発明の属する技術分野】
本発明は、無鉛化或は鉛の低減化を図ると共に、耐脱亜鉛性、熱間鍛造性若しくは切削加工性に優れた黄銅とこの黄銅製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種の銅基合金には、Ｃｕを主成分とするＣｕ−Ｚｎ系合金である黄銅合金とＣｕ−Ｓｎ系合金である青銅合金が広く用いられている。
このうち黄銅合金は、耐食性、加工性、鍛造性や機械的性質が良好で、かつ、他の銅基合金に比較して価格的にも有効であるため広く一般に普及している。
この黄銅合金には、快削黄銅（ＪＩＳ Ｃ３２５０、Ｃ３６０４）、鋳造用黄銅（ＪＩＳ Ｃ３７７１）或は英国規格（ＢＳ規格）のＣＺ１３２等が知られいる。
【０００３】
このうち、快削黄銅棒は、Ｐｂの含有量が１.８〜３.７％と多いため、これをバルブ等の接水金具に使用した場合は、Ｐｂが水中に溶出するので、Ｐｂの溶出基準（例えば、０.０５ｍｇ／ｌ以下）の条件を満足することは困難であり、そのため、これらの鉛溶出による課題点を緊急に解決する必要がある。
【０００４】
また、この快削黄銅棒は、組織がα＋β相の黄銅材料であって、相対的比率としてα相にはＣｕが多く含まれており、β相にはＺｎが多く含まれているため、この黄銅が腐食液雰囲気中に存在すると、α相とβ相との電位差から、局部電池を形成するので、Ｚｎが溶出して脱亜鉛腐食を生じさせる。
また、通常の鍛造用黄銅棒の場合も、快削黄銅棒と同様のＰｂの溶出問題と脱亜鉛腐食の問題を有している。
【０００５】
このような鉛溶出の環境問題に対して、銅基合金に含有されているＰｂの代わりに、Ｂｉ単体或はＳｅ、Ｂｉを含有させる青黄銅の鉛対策技術が既に提案されている（米国特許第５６１４０３８号公報参照）。
【０００６】
また、このような鉛対策技術にＰを添加することにより金属間化合物Ｃｕ3Ｐを形成して耐摩耗性を向上させる青銅技術も知られている（特開平８−１２０３６９号公報参照）。その他、各種の鉛対策技術が提案されるに至っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の銅基合金材は、銅基合金における鉛対策技術を対象としているが、それに加えて、切削加工性と鍛造性並びに耐脱亜鉛性等にも優れた技術は無く、特に、黄銅特有の耐脱亜鉛腐食性の点についても解決したものは、現在までに開発されていないのが実情である。
本発明は、従来の課題点を解決するために鋭意研究の結果、開発に至ったものであり、その目的とするところは、鉛溶出の環境問題をクリアすると共に、耐脱亜鉛性、切削加工性、熱間鍛造性等に優れた黄銅とこの黄銅製品を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、Ｃｕ５９．０〜６３．２質量％（以下同じ），Ｓｎ０．３〜２．０ % ，Ｂｉ０．７〜２．５％，Ｐ０．０５〜０．１５％，Ｓｅ０．０３〜０．２５％と、残部がＺｎと不可避不純物とからなり、耐脱亜鉛性、熱間鍛造性及び切削加工性に優れている黄銅である。
【０００９】
請求項２に係る発明は、Ｃｕ５９．０〜６２．０質量％（以下同じ），Ｓｎ０．５〜１．５ % ，Ｂｉ１．０〜２．０％，Ｓｅ０．０３〜０．２０％，Ｆｅ０．０５〜０．２０％，Ｐ０．０５〜０．１０％を含有し、熱間鍛造に用いられる黄銅である。
【００１０】
請求項３に係る発明は、Ｃｕ６１〜６３．０質量％（以下同じ），Ｓｎ０ . ３〜０．７ % ，Ｂｉ１．５〜２．５％，Ｓｅ０．０３〜０．２０％，Ｆｅ０．１〜０．３０％，Ｐ０．０５〜０．１０％を含有し、切削加工に用いられる黄銅である。
【００１１】
請求項４に係る発明は、０．２質量％以下のＰｂを含有した黄銅である。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の黄銅を用いた黄銅製品である。
【００１３】
この場合、低融点成分であるＢｉとＳｅを添加することによって、低融点成分であるＢｉを均一分散させることにより切削抵抗の低下、表面仕上り状態の良好性或は切粉の評価を含む切削加工性を向上させることができる。
【００１４】
このＢｉは、図１に示すように、ベース相が細分化しており、Ｐｂと同様に低融点（２７１℃）であり、切削時の発熱によって溶融するので潤滑効果があり、そのため切削加工性が向上する。
【００１５】
また、図２に示すように、Ｓｅによって金属間化合物（Ｚｎ＋Ｓｅ、Ｃｕ＋Ｓｅ）を形成するので、同様に析出するＢｉが均一分散する。
従って、Ｂｉが金属結晶間で細かく点在することになるので、切削抵抗が均一化され、かつ、潤滑効果と相俟って滑らかに切削できる。
【００１６】
このように、結晶粒径が細分化されると、Ｂｉは図１、図２及び図４、図５に示すように、結晶粒界上に均一分散され、切削性が向上する。
Ｂｉ又はＰｂは、通常、結晶の粒内及び粒界に析出しており、Ｂｉ、Ｐｂの添加量が同じであれば、偏析のない均一に分散している方がＢｉ、Ｐｂの切削性に及ぼす効果は大きい。そこで、均一分散化させるためには、結晶を細かくする必要があり、例えば、ビレットの押出し温度を下げて押出す方法以外に、本発明における手段としてＦｅを添加することによって均一分散化を図っている。
その結果、切削抵抗が減じられ、また、切粉１が図３の写真に示すように、細かく裁断されるので、加工装置の切削刃が所定時間内で損傷することがないため、切削加工性が向上することになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明における黄銅の各成分範囲とその制限範囲の理由について説明する。なお、成分比率は質量％を示している。
Ｃｕ：Ｃｕ量を増加させる程、耐脱亜鉛性は向上するが、ＣｕはＺｎにより材料単価が高価であるため低く抑えなければならないこと、良好な熱間鍛造性を得ること及び耐脱亜鉛性を得るために添加したＰの量を考慮して、Ｃｕの組成範囲を５９.０〜６３.２％とした。中でも、熱間鍛造用黄銅の場合は、５９.０〜６２.０％が好ましく、切削加工用黄銅の場合は、６１.０〜６３.０％が好ましい。
【００１８】
Ｓｎ：耐脱亜鉛性を向上させるために添加した。
Ｓｎは、Ｚｎより材料単価が高価であり、材料コストを低く抑えるため極力低下抑える必要がある。
Ｓｎの添加量が増えると、硬くて脆いγが析出して切削抵抗が増大するが、ＣｕとＰの添加量における耐脱亜鉛性を考慮して、Ｓｎの組成範囲を０.３〜２.０％とした。中でも、熱間鍛造用黄銅の場合は、０.５〜１.５％の範囲が好ましく、切削加工用黄銅の場合は、０.３〜０.７％の範囲が好ましい。
【００１９】
Ｂｉ：切削加工性を向上させるために添加した。
Ｂｉが０.７％未満になると、切削加工性に大きく影響して切削加工性が低下し、また、２.５％を超えると、引張り強さ、伸び、熱間鍛造性、熱間加工性が低下するので、Ｂｉの組成範囲を０.７〜２.５％とした。中でも、熱間鍛造用黄銅の場合は、１.０％未満になると、切削加工性を得られなくなるので、好ましくは、下限値を１.０％に設定し、特に、熱間鍛造性と熱間加工性を考慮して上限値を２.０％に設定しており、また、切削加工用黄銅の場合は、１.５〜２.５％の範囲が好ましい。
【００２０】
Ｓｅ：微量添加することにより切削加工性を向上させる。
Ｓｅは、ＣｕやＺｎと化合物を作り、合金中に存在することによって、切削加工性を向上させるが、Ｃｕ、Ｚｎより材料単価が高価であるため、極力抑える。
また、熱間鍛造性や熱間加工性の悪影響も考慮してＳｅの組成範囲を０.０３〜０.２５％とした。中でも、熱間鍛造用黄銅や切削加工用黄銅の場合は、０.０３〜０.２０の範囲が好ましい。
【００２１】
Ｆｅ：微量添加することによって結晶粒を微細化させ、強張り強度を向上させるが、ＰやＳｎと化合物を作り、硬くて脆いＦｅ2ＰやＦｅ3Ｓｎなどが合金中に存在すると、熱間鍛造性に悪影響を及ぼす。そこで、引張り強さ、熱間鍛造性、熱間加工性を考慮してＦｅの組成範囲を０.０５〜０.３％とした。中でも、熱間鍛造性黄銅の場合は、０.０５〜０.２％の範囲が好ましく、切削加工用黄銅の場合は、０.１〜０.３％の範囲が好ましい。
【００２２】
Ｐ：耐脱亜鉛性を得るために添加した。増加量が増える程、耐脱亜鉛性は向上するが、添加したＰの一部が、ＣｕやＦｅと化合物を作り、硬くて脆いＣｕ3ＰやＦｅ2Ｐが合金中に存在するため熱間鍛造性や熱間加工性に悪影響を及ぼす。そこで、良好な耐脱亜鉛性と熱間鍛造性、熱間加工性を得るＰの組成範囲を０.０５〜０.１５％とした。中でも、熱間鍛造性黄銅の場合は、０.０５〜０.１％の範囲が好ましく、切削加工用黄銅の場合も、０.０５〜０.１％の範囲が好ましい。
【００２３】
次に、本発明における黄銅を切削用黄銅棒と鍛造用黄銅棒に分けて、その含有成分範囲について説明する。
切削用黄銅棒において、耐脱亜鉛性を確保するために、ＣｕとＰを適量添加する。
また、切削性を得るため従来Ｐｂを３％程度添加しているが、Ｐｂの溶出基準を考慮すると、Ｐｂは、０.２％以下に抑える必要がある。Ｐｂの含有量は、本来的には少ない程良いが、少量になる程、Ｐｂの含有する量が極力少ない原材料を使用しなければならないので、生産コストは増加する。例えば、成分の調整用に使用するＺｎでは、品質によって不純物としてのＰｂの含有量は大きく変わる。高品質な電気Ｚｎでは、０.００４％、低品質な再生Ｚｎでは、０.８％程度を含有し、価格的には１５％程度の差がある。
【００２４】
Ｐｂを含有する従来材と同等以上の切削性と表面の仕上り状態を得るためには、Ｐｂと同様の性質を有するＢｉに置換するが、その結果、切削性においてＰｂより切削抵抗がやや高いことが判った。
しかし、その反面、Ｂｉ＋Ｓｅ又はＢｉを含有することにより、Ｐｂと同様な軟質相であるＢｉと、Ｓｅの化合物である硬質相とが相俟って良好な表面の仕上り状態を得ることができた。しかし、Ｓｅが多すぎると硬質相が増え、切削性は劣化するので、Ｓｅは０.０３〜０.２が良い。Ｂｉの量は、Ｐｂの２％程度の切削性を得るには、１.５〜２.５％が相応する量であることが判った。
【００２５】
また、熱間鍛造用黄銅棒において、Ｐｂの含有量については、切削用と同様に、０.２％以下とする。なるべく少ない方が好ましい。
耐脱亜鉛性を得るためには、Ｃｕの量は多い方が良いが、熱間鍛造温度領域で適量のβ相を得るためには、耐脱亜鉛性をやや犠牲にしてもＣｕの量を減らす必要がある。それを補うために、Ｓｎを添加して耐脱亜鉛性を確保する。そこで、Ｓｎを０.５〜１.５％添加する。
良好な熱間鍛造性を得るためには、従来よりＰｂは少ない方が良いとされている。従って、Ｂｉ、Ｓｅも極力少ない方が良いが、良好な切削性を得るために、Ｂｉ、Ｓｅを添加する。
【００２６】
また、本発明における黄銅を製造する一例について説明する。所定成分範囲の原料を配合して溶解する溶解工程を経た後に、連結鋳造により鋳造ビレットを形成し、この鋳造ビレットを押出し又は圧延の後に、熱処理を施し、次いで、これを抽伸又は圧延により塑性加工し、又は更に空冷又は炉冷の熱処理工程を経て棒材、板材等の銅基合金材を製造するようにした銅基合金の製造方法であり、更に詳しく述べると、この鋳造ビレットを抽出し又は圧延の後に、４７５〜６００℃、１〜５時間の熱処理を施し、次いで、材料強度を上げるため、１０〜３０％の減面率にて抽伸又は圧延により、塑性加工を加え、又は更に加熱温度２５０〜４００℃、１〜５時間保持後、空冷又は炉冷の熱処理を行うことにより製造するようにしている。
【００２７】
所定成分範囲の原料を配合して溶解する溶解工程を経た後に、連続鋳造により鋳造ビレットを形成し、この鋳造ビレットを押出し又は圧延して熱間鍛造用銅基合金を製造するようにした。これを鍛造品にする場合は、鍛造後の熱処理が必要である。
【００２８】
この場合、Ｂｉ、Ｓｅを添加して黄銅を溶製するには、各例を挙げることができるが、例えば、適量のＳｅ、Ｂｉを含んだ中間銅合金をＳｅ、Ｂｉ以外の成分の溶湯中に投入し、Ｓｅ、Ｂｉ以外の成分を調整した後に、黄銅を対象とする成分の銅合金を溶製する方法、Ｓｅ−Ｂｉ焼結体とＳｅ、Ｂｉ以外の成分を共に溶融加熱して、黄銅を対象とする成分の銅合金を溶製する方法、又は、銅合金成分の溶解金属内に、Ｓｅ−Ｂｉ焼結体を投入等の方法等を挙げることができる。
【００２９】
また、本発明における黄銅は、バルブ、継手、管、水栓、給水・給湯用品等の水接触製品（黄銅製品）を加工成形したり、ガス器具、洗濯機、空調機等の電気・機械製品（黄銅製品）を加工成形したりするのに適している。
【００３０】
その他、本発明の黄銅を材料として好適な部材・部品は、特に、バルブや水栓等の水接触部品、即ち、ボールバルブ、ボールバルブ中の空用ボール、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、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、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の（黄銅製品）にも広く適用できる。
【００３１】
【実施例】
次に、本発明における黄銅の試験結果と共に、本発明の一実施例を説明する。
（１）切削加工性
本発明における切削加工性とは、切削抵抗と表面仕上り状態と切粉の評価を含むものである。
本発明における各例の素材についての切削加工性を従来品と比較して評価した結果、切削加工性は、良好であった。
具体的には、切削加工条件を表１に示すように設定し、各材料のテストピース毎の加工時の切削抵抗を歪ゲージにより測定し、また、切削時の切屑も採取し形状を観察した。
【００３２】
【表１】
切削加工条件
この切削加工性の試験結果は、表２に示すとおりである。
【表２】
各素材の切削性指数
【００３４】
この結果、本発明品の切粉１の形状は、図１に示すように、細かく裁断されており、また、切削性指数も各素材と同等で、切削加工性は良好であることを確認した。
【００３５】
（２）耐脱亜鉛性
本発明材と比較材について、脱亜鉛腐食試験（ＩＳＯ６５０９−１９８１）により評価した。
その試験方法は、１２.７ｇ／Ｌ塩化第二銅二水和物水溶液中にて、７５℃で２４時間加熱腐食後、脱亜鉛層の深さを測定した。その試験結果を表３に示す。
【００３６】
【表３】
脱亜鉛腐食性（ＩＳＯ）
このように、本発明の耐脱亜鉛性は、Ｃ３７７１（鍛造用黄銅）よりも優れており、比較材（脱亜鉛対策材）と同等以上であり、本発明材は、耐脱亜鉛性に優れていることが確認された。
【００３８】
次に、本発明における熱間鍛造用黄銅棒の評価について説明する。
アプセット試験による評価
○試料：φ１５×１５ｌ
○試験方法：所定の温度に加熱した試料をプレス機によって、予め決めたアプセット率まで押しつぶす。
【００３９】
この場合のアプセット率は、数１のとおりである。
【数１】
１５−ｈ
アプセット率（％）＝ １５ ×１００
○評価方法：押しつぶされた試料の表面に発生した割れの有無によって各材料を評価した。
【００４０】
その結果、比較材の熱間鍛造用耐脱亜鉛黄銅棒は、図７と表４に示すとおりである。
【表４】
比較材の黄銅棒
一方、本発明における熱間鍛造用耐脱亜鉛黄銅棒は、図８と表５に示すとおりである。
【表５】
本発明の黄銅棒
そこで、両者を評価すると、本発明の熱間鍛造性は、比較材と比較して７００〜７３０℃の低温側でやや劣るが、７４０〜８００℃と適切な鍛造温度で鋳造を行えば、比較材とほぼ同等の鍛造を行うことができることを確認した。
【００４３】
次に、熱間鍛造用黄銅棒の切削性の評価を行う。
○切削加工条件は、表１に同じである。
○切粉の状況
・従来（ＪＩＳ Ｃ３７７１）における熱間鍛造用耐脱亜鉛黄銅棒は、図９に示すとおりである。
そこで、図９に示す切粉３の状態と図１０に示す本発明における熱間鍛造用耐脱亜鉛黄銅棒の切粉２の状態を評価すると、切削加工時の切粉２、３の状況は、何れの材料においても細かく分断されており、良好な切削性を示している。
【００４４】
次に、鉛の浸出性能試験による評価について述べる。
○試供品：
形状 丸棒φ１２×４２.９Ｌ
試供品を４００番のサンドペーパーにて乾式研磨し、また、隙間腐食防止のため、片側端面を絶縁塗料にてマスキングした。暴露表面積は、１本あたり１７.２９cm2である。
【００４５】
この場合における成分は、表６に示すとおりである。
【表６】
【００４６】
○試験方法：
浸出試験
ＪＩＳ Ｓ３２００−７：１９９７水道用器具−浸出性能試験方法による。試験は、７．２部品及び材料試験とし、操作方法は、７．１．３配管途中に設置される給水器具（加熱した水を通水することを目的としたもの）による。
・調整した浸出液（コンディショニング用及び浸出用）の確認は、ｐＨのみとし、初回調整時及び浸出操作時のみｐＨ、硬度、アルカリ度、残留塩素を確認した。
・加熱操作は、９０±２℃で行った。
・ブランクとして、浸出操作時と同様な操作を行った試料液を作成した。
・浸出操作時の浸出液（試料液）は、１００ｍＬとし、浸出終了後、分析操作のために試供品及び容器を洗浄しながら浸出液を２５０ｍＬ（０.１ｍｏｌ／Ｌ硝酸酸性）に希釈調整した。
・試料液の分析は、ＩＣＰ発光分光分析法にて行った。
○判断基準
水道法に基づく給水装置の構造及び材質に関する基準よると、鉛の浸出性能の判定基準は、０.０５ｍｇ／リットル以下となっているので、この値を判断基準とした。
【００４７】
この場合の試験結果は、表７に示すとおりである。
【表７】
即ち、従来材は、切削性を得るために必要な量の鉛を含有させているため、判定基準を上回っているが、本発明Ａ、Ｂは、判定基準を下回り合格している。
鉛の含有量は、本来的には少ない程良いが、少量になる程、生産コストは増加するので、鉛の溶出量の判定基準を考慮して、鉛の含有量を０.２％以下とした。
【００４９】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、本発明によると、鉛溶出の環境対策を満足させることを可能とした黄銅を得ることができるばかりでなく、切削加工性、耐脱亜鉛性並びに熱間鍛造性に優れている従来材には存在しなかった黄銅を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一例を示す組織概要図である。
【図２】 図１における他例を示す組織概要図である。
【図３】 本発明材の切粉の状態を示す写真である。
【図４】 本発明における銅基合金の顕微鏡写真（×４００）である。
【図５】 本発明における銅基合金の顕微鏡写真（×４００）である。
【図６】 熱間鍛造用黄銅棒のアプセット試験の方法を示した説明図である。
【図７】 図６における比較材の結果を示す写真である。
【図８】 図６における本発明材の結果を示す写真である。
【図９】従来の熱間鍛造用黄銅棒の切粉の状態を示す写真である。
【図１０】 本発明における熱間鍛造用黄銅棒の切粉の状態を示す写真である。
【符号の説明】
１、２ 切粉
Claims (5)
- Ｃｕ５９．０〜６３．２質量％（以下同じ），Ｓｎ０．３〜２．０ % ，Ｂｉ０．７〜２．５％，Ｐ０．０５〜０．１５％，Ｓｅ０．０３〜０．２５％と、残部がＺｎと不可避不純物とからなり、耐脱亜鉛性、熱間鍛造性及び切削加工性に優れていることを特徴とする黄銅。
- Ｃｕ５９．０〜６２．０質量％（以下同じ），Ｓｎ０．５〜１．５ % ，Ｂｉ１．０〜２．０％，Ｓｅ０．０３〜０．２０％，Ｆｅ０．０５〜０．２０％，Ｐ０．０５〜０．１０％を含有し、熱間鍛造に用いられる請求項１に記載の黄銅。
- Ｃｕ６１〜６３．０質量％（以下同じ），Ｓｎ０ . ３〜０．７ % ，Ｂｉ１．５〜２．５％，Ｓｅ０．０３〜０．２０％，Ｆｅ０．１〜０．３０％，Ｐ０．０５〜０．１０％を含有し、切削加工に用いられる請求項１に記載の黄銅。
- ０．２質量％以下のＰｂを含有した請求項１乃至３の何れか１項に記載の黄銅。
- 請求項１乃至４の何れか１項に記載の黄銅を用いた黄銅製品。
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