JP4871380B2 - 鋳造用銅基合金 - Google Patents

Description

本発明は鋳造用銅基合金に関する。

一般的な鋳造用黄銅、例えばＹＢｓＣ３（ＣＡＣ２０３）は、スズ（Ｓｎ）が１．０質量％以下、鉛（Ｐｂ）が０．５〜３．０質量％、アルミニウム（Ａｌ）が０．５質量％以下、鉄（Ｆｅ）が０．８質量％以下、銅（Ｃｕ）が５８．０〜６４．０質量％、亜鉛（Ｚｎ）が残部である。ＹＢｓＣ３は、鋳造性、切削性等の観点から水栓金具や水道管等の水道用器具等の製品に用いられている。

しかし、ＹＢｓＣ３では、脱亜鉛腐食が発生するという問題がある。脱亜鉛腐食とは、黄銅の成分中の亜鉛が抜けてしまう脱成分腐食の一種である。発明者らの試験結果によれば、ＹＢｓＣ３は、ＪＢＭＡＴ−３０３試験にて１９８μｍの脱亜鉛深さを示した。また、潰食とは、水の流れにより、材料が削られる腐食である。例えば、単水栓や止水栓のように、シート部にて止水する機構をもつ製品を一般的な黄銅を用いて作製した場合、シート部に潰食が発生し、止水不良を招く。

よって、現在、一般的な鋳造用黄銅からなる製品には、より高い耐食性が要求されている。このため、特許文献１開示の耐食性を考慮した鋳造用銅基合金が提案されている。

特許文献１開示の鋳造用銅基合金は、スズが０．０５〜０．２質量％、鉛が０．５〜３．０質量％、アルミニウムが０．１〜０．５質量％、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）又はリン（Ｐ）のいずれか１種又は２種以上が０．０５〜０．３質量％、亜鉛が３３．０〜３７．０質量％、銅が残部である。

この鋳造用銅基合金は、一般的な鋳造用黄銅よりも高い耐食性を有している。例えば、特許文献１の鋳造用銅基合金は、発明者らの試験結果によれば、ＪＢＭＡＴ−３０３試験にて約３０〜５０μｍの脱亜鉛深さを示した。

特許第３４６１０８１号公報

しかし、発明者らの試験結果によれば、上記のような耐食性を考慮した鋳造用銅基合金であっても、耐脱亜鉛性及び鋳造性が十分ではない。他の市販されている鋳造用銅基合金も同様である。このため、より優れた耐脱亜鉛性及び鋳造性を発揮可能な鋳造用銅基合金が望まれている。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、より優れた耐脱亜鉛性及び鋳造性を発揮可能な鋳造用銅基合金を提供することを解決すべき課題としている。

発明者らは、上記課題解決のために鋭意研究を行い、銅を主成分とし、亜鉛、スズ及びアンチモンを含む鋳造用銅基合金であって、スズ量及びアンチモン量を最適化することにより、耐脱亜鉛性及び鋳造性が向上することを発見した。こうして、発明者らは本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の鋳造用銅基合金は、銅を主成分とし、亜鉛、スズ及びアンチモンを含む鋳造用銅基合金であって、
スズ量及びアンチモン量は、スズ量及びアンチモン量を質量％で表した座標系において、アンチモンが０．０１５質量％かつスズが０．０１３〜０．２０３質量％の直線と、スズが０．２０３質量％かつアンチモンが０．０１５〜０．０４７質量％の直線と、アンチモンが０．０４７質量％かつスズが０．０４７〜０．２０３質量％の直線と、スズが０．０４７質量％かつアンチモンが０．０４７〜０．１４１質量％の直線と、アンチモンが０．１４１質量％かつスズが０．０１３〜０．０４７質量％の直線と、スズが０．０１３質量％かつアンチモンが０．０１５〜０．１４１質量％の直線とで囲まれた範囲内（境界を含む。）であり、
鉛が２．０±０．２質量％、鉄が０．１１±０．０５質量％、ニッケルが０．５〜１．０質量％、アルミニウムが０．４±０．１質量％、亜鉛が３６．０±０．５質量％、残部が銅であることを特徴とする（請求項１）。

この範囲は、図１に示すように、スズ量及びアンチモン量を質量％で表した座標系において、ＡＢＣＤＥＦで囲まれている。発明者らの試験結果によれば、銅を主成分とし、亜鉛、スズ及びアンチモンを含む鋳造用銅基合金であって、スズ量及びアンチモン量がこの範囲内の鋳造用銅基合金は、ＪＢＭＡＴ−３０３試験にて平均脱亜鉛深さが１５μｍ以下であり、従来の耐食性を考慮した鋳造用銅基合金に比べ、耐脱亜鉛性が向上した。スズ及びアンチモンの含有量を最適化することで効果的に相互作用が発現したと推測される。例えスズが０．０１３〜０．２０３質量％であっても、アンチモンが０．０４７〜０．１４１質量％である鋳造用銅基合金は耐脱亜鉛性が十分でない。例えばスズが０．０８１質量％、かつアンチモンが０．０８４質量％である鋳造用銅基合金は、平均脱亜鉛深さが３２μｍであり、耐脱亜鉛性が十分でない。

また、本発明の鋳造用銅基合金は、凝固潜熱が７２Ｊ／ｇを超え、溶湯の湯流れ性が良好である。なお、凝固潜熱とは、物質の相が変化するときに必要とされる熱エネルギーの総量であり、その値が大きいほど、液体の状態から固体の状態になりにくいため、湯流れが良くなると考えられている。この点においても、スズ及びアンチモンの含有量を最適化することで効果的に相互作用が発現したと推測される。例えスズが０．０１３〜０．２０３質量％であっても、アンチモンが０．０４７〜０．１４１質量％である鋳造用銅基合金は溶湯の湯流れ性が十分でない。例えばスズが０．０８１質量％、かつアンチモンが０．０８４質量％である鋳造用銅基合金は、凝固潜熱が７２Ｊ／ｇであり、溶湯の湯流れ性が十分でない。

したがって、本発明の鋳造用銅基合金によれば、より優れた耐脱亜鉛性及び鋳造性を発揮可能である。

発明者らの試験結果によれば、本発明の鋳造用銅基合金は、スズが０．０１３〜０．０４７質量％であり、かつアンチモンが０．０１５〜０．１４１質量％であることが好ましい（請求項２）。この範囲は、図１に示すように、スズ量及びアンチモン量を質量％で表した座標系において、ＡＧＥＦで囲まれている。この鋳造用銅基合金は、平均脱亜鉛深さが１３μｍ以下であり、より耐脱亜鉛性が向上する。また、この鋳造用銅基合金は、凝固潜熱が７８Ｊ／ｇ以上であり、溶湯の湯流れ性がより良好である。

また、発明者らの試験結果によれば、本発明の鋳造用銅基合金は、スズが０．０１３〜０．２０３質量％であり、かつアンチモンが０．０１５〜０．０４７質量％であることも好ましい。この範囲は、図１に示すように、スズ量及びアンチモン量を質量％で表した座標系において、ＡＢＣＨで囲まれている。この鋳造用銅基合金は、不純物として含まれ易いスズの量を広い範囲にしている一方、不純物として含まれ難いアンチモンの量を狭くしている。このため、この場合には、簡易な管理条件で本発明の鋳造用銅基合金を製造することが可能になる。

特に、発明者らの試験結果によれば、本発明の鋳造用銅基合金は、スズが０．０１３〜０．０４７質量％であり、かつアンチモンが０．０１５〜０．０４７質量％であることが好ましい。この範囲は、図１に示すように、スズ量及びアンチモン量を質量％で表した座標系において、ＡＧＤＨで囲まれている。この鋳造用銅基合金は、平均脱亜鉛深さが９μｍ以下であり、より一層耐脱亜鉛性が向上する。

発明者らの試験結果によれば、本発明の鋳造用銅基合金は、亜鉛が３５．０〜３７．０質量％であるであることが好ましい。発明者らは、これらの鋳造用銅基合金において、上記効果を確認した。

また、発明者らの試験結果によれば、本発明の鋳造用銅基合金は、鉛、鉄、ニッケル及びアルミニウムを含むことが好ましい。本発明の鋳造用銅基合金は、鉛が２．０±０．２質量％、鉄が０．１１±０．０５質量％、ニッケルが０．５〜１．０質量％、アルミニウムが０．４±０．１質量％、亜鉛が３６．０±０．５質量％、残部が銅であることがより好ましい。発明者らは、これらの鋳造用銅基合金において、上記効果を確認した。鉛は鋳造用銅基合金の加工性を向上させ、鉄は鋳造用銅基合金の結晶を微細化させ、ニッケルは鋳造用銅基合金の耐食性を向上させ、アルミニウムは湯流れを向上させる。なお、本発明の鋳造用銅基合金は他の不可避の不純物を含み得る。

スズ量及びアンチモン量を質量％で表した座標系である。 スズ量及びアンチモン量と平均脱亜鉛深さとの関係を示すグラフである。 スズ量及びアンチモン量と平均脱亜鉛深さとの関係を拡大して示すグラフである。 スズ量及びアンチモン量と凝固潜熱との関係を示すグラフである。 スズ量及びアンチモン量と凝固潜熱との関係を拡大して示すグラフである。

以下、本発明を試験に基づいて説明する。

スズ及びアンチモンの添加の効果を調べるため、表１に示す組成でスズ、アンチモン等を添加した鋳造用銅基合金を用意し、これらの鋳造用銅基合金を用いてサンプル１〜３０を鋳造した。各サンプルについて、後述の耐脱亜鉛性試験及び凝固潜熱評価を行った。

（耐脱亜鉛性試験）
ＪＢＭＡ Ｔ−３０３試験：塩化物（０．５ＮａＣｌ）を含む炭酸塩緩衝液（５×１０^-3ＭのＮａＨＣＯ₃）を試験液（６０°Ｃ）として、ＣＯ₂＋Ｏ₂＋Ｎ₂（１０：２０：７０）の混合ガスを飽和させた環境下、樹脂に埋め込んだ各サンプル（面積１００〜２００ｍｍ²）にリード線を通じて１．０ｍＡ／ｃｍ²のアノード電流を２４時間通電した後、顕微鏡で断面を観察して、脱亜鉛層の平均深さ（μｍ）を測定した。

（凝固潜熱評価）
ＤＳＣ分析：各サンプルについて、熱分析を行った。測定条件は、昇温速度が２０°Ｃ／ｍｉｎ（７００°Ｃ）→１０°Ｃ／ｍｉｎ（１０３０°Ｃ）→１０°Ｃ／ｍｉｎ（７００°Ｃ）である。雰囲気は、Ｎ₂とし、標準サンプル及び使用セルはＡｌ₂Ｏ₃とした。

各サンプルの組成、平均脱亜鉛深さ（μｍ）及び凝固潜熱（Ｊ／ｇ）を表１に示す。また、図２及び図３にスズ量及びアンチモン量と平均脱亜鉛深さとの関係を示し、図４及び図５にスズ量及びアンチモン量と凝固潜熱との関係を示す。

表１、図２及び図３に示すように、スズ量及びアンチモン量が図１のＡＢＣＤＥＦで囲まれた範囲内のサンプル４〜８、１１〜１７、２０、２１、２３、２６、２７、２９、３０は平均脱亜鉛深さが１５μｍ以下である。一方、従来の耐食性を考慮した鋳造用銅基合金であるサンプル２４は平均脱亜鉛深さが３２μｍである。このため、サンプル４〜８、１１〜１７、２０、２１、２３、２６、２７、２９、３０は、サンプル２４に比べ、耐脱亜鉛性が向上している。また、サンプル４〜８、１１〜１７、２０、２１、２３、２６、２７、２９、３０は、スズが図１のＡＢＣＤＥＦで囲まれた範囲より少ないサンプル３や、アンチモンが図１のＡＢＣＤＥＦで囲まれた範囲より少ないサンプル９、１０、１８、１９、２５、２８よりも、耐脱亜鉛性が向上している。このため、鋳造用銅基合金において、スズやアンチモンは多すぎず、かつ少なすぎず、最適化することで優れた効果を発揮できることがわかる。

また、スズ量及びアンチモン量が図１のＡＧＥＦで囲まれた範囲のサンプル４〜７、１１〜１７は平均脱亜鉛深さが１３μｍ以下であり、より耐脱亜鉛性が向上している。

特に、スズ量及びアンチモン量が図１のＡＧＤＨで囲まれた範囲のサンプル４、５、７、１３、１４は、平均脱亜鉛深さが９μｍ以下であり、より一層耐脱亜鉛性が向上している。

また、スズ量及びアンチモン量が図１のＡＢＣＨで囲まれた範囲のサンプル４、５、７、１３、１４、２０、２１、２３、２６、２７、２９、３０は、不純物として含まれ易いスズの量を広い範囲にしていることから、簡易な管理条件で製造可能である。

また、スズ量及びアンチモン量が図１のＡＢＣＤＥＦで囲まれた範囲のサンプル４〜８、１１〜１７、２０、２１、２３、２６、２７、２９、３０は、凝固潜熱が７２Ｊ／ｇを超えている。一方、従来の耐食性を考慮した鋳造用銅基合金であるサンプル２４は凝固潜熱が７２Ｊ／ｇである。このため、サンプル４〜８、１１〜１７、２０、２１、２３、２６、２７、２９、３０は、サンプル２４に比べ、凝固潜熱も大きく、溶湯の湯流れ性が良好である。

特に、スズ量及びアンチモン量が図１のＡＧＥＦで囲まれた範囲のサンプル４〜７、１１〜１７は、凝固潜熱が７８Ｊ／ｇ以上であり、溶湯の湯流れ性がより良好である。

したがって、本発明の鋳造用銅基合金によれば、より優れた耐脱亜鉛性及び鋳造性を発揮可能であることがわかる。また、この鋳造用銅基合金は、耐脱亜鉛性に優れていることから、水道水等の水による脱亜鉛腐食が発生し難く、止水不良等に陥り難い。このため、この鋳造用銅基合金がサーモ水栓等に代表される銅合金とゴムパッキンとによる止水部に用いられたとしても、その優れた耐脱亜鉛性により、耐久性に優れた水栓金具を構成し得る。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は水栓金具等の水道用器具に利用可能である。

Claims (2)

1. 銅を主成分とし、亜鉛、スズ及びアンチモンを含む鋳造用銅基合金であって、
   スズ量及びアンチモン量は、スズ量及びアンチモン量を質量％で表した座標系において、アンチモンが０．０１５質量％かつスズが０．０１３〜０．２０３質量％の直線と、スズが０．２０３質量％かつアンチモンが０．０１５〜０．０４７質量％の直線と、アンチモンが０．０４７質量％かつスズが０．０４７〜０．２０３質量％の直線と、スズが０．０４７質量％かつアンチモンが０．０４７〜０．１４１質量％の直線と、アンチモンが０．１４１質量％かつスズが０．０１３〜０．０４７質量％の直線と、スズが０．０１３質量％かつアンチモンが０．０１５〜０．１４１質量％の直線とで囲まれた範囲内（境界を含む。）であり、
   鉛が２．０±０．２質量％、鉄が０．１１±０．０５質量％、ニッケルが０．５〜１．０質量％、アルミニウムが０．４±０．１質量％、亜鉛が３６．０±０．５質量％、残部が銅であることを特徴とする鋳造用銅基合金。
2. スズが０．０１３〜０．０４７質量％であり、かつアンチモンが０．０１５〜０．１４１質量％である請求項１記載の鋳造用銅基合金。

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