(57)【要約】【課題】りん青銅を用いた部品に必要とされる高い強度を有するとともに切削性と加工性に優れた無鉛快削りん青銅棒線材を提供することを目的とする。【解決手段】無鉛快削りん青銅棒線材は、ニッケルを４．６〜７．５質量％、スズを４．０〜７．５質量％、硫黄を０．０５〜０．５質量％、亜鉛を０〜３．０質量％、及びリンを０．０２〜０．５質量％含有し、残分が銅と不可避的不純物である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケルを４．６〜７．５質量％、スズを４．０〜７．５質量％、硫黄を０．０５〜０．５質量％、亜鉛を０〜３．０質量％、及びリンを０．０２〜０．５質量％含有し、残分が銅と不可避的不純物であることを特徴とする無鉛快削りん青銅棒線材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削性と強度に優れる無鉛快削りん青銅棒線材に関する。
【背景技術】
【０００２】
りん青銅は、銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）−リン（Ｐ）系の合金で、Ｓｎの含有量により、種々の特性が生まれる。りん青銅は、強靱であり、耐食性、耐摩耗性、及び半田付け性に優れ、広範囲の用途に適している。
【０００３】
また、この快削りん青銅は、りん青銅に鉛（Ｐｂ）を添加することにより、りん青銅の切削性を改善した合金であり、小ねじ、軸受、ブッシュ、ボルト、ナット、及びボールペン部品等などに用いられる。
【０００４】
ここで、近年、鉛は人体や環境に影響を及ぼすとされていることから、使用が制限されつつあり、鉛を含有せずに切削性を向上させた材料の要求が高まっている。
【０００５】
また、電子・電気機器における特定有害物質の使用制限に関する欧州連合による指令（ＲｏＨＳ指令）においては、Ｐｂが１０００質量ｐｐｍを超えて含まれた電子・電気機器は、欧州連合で上市することができないとされているが、現状、銅合金は、適切な代替手段がないため、４質量％まで適用が免除されている。
【０００６】
しかし、近い将来、上述の適用免除が撤廃される可能性もあるため、Ｐｂの含有量が１０００質量ｐｐｍ（０．１質量％）を超えない代替材であって、切削性に優れた線材の開発が切望されている。
【０００７】
そこで、鉛を含まない銅線材が提案されている。より具体的には、例えば、Ｓｎを０．５〜１１．０ｍａｓｓ％、Ｐを０．０３〜０．３５ｍａｓｓ％、硫黄（Ｓ）を０．０２〜１．０ｍａｓｓ％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する銅合金展伸材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、例えば、Ｓを０．１〜０．７質量％、Ｓｎを８質量％以下（０％を含まない）、亜鉛（Ｚｎ）を６％以下（０％を含まない）含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物である鋳物用無鉛銅合金が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第５９１６４６４号公報
【特許文献２】特許第５３３５５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記特許文献１に記載された銅合金展伸材においては、りん青銅を用いた部品に必要とされる強度（例えば、曲げ強度、ヘッダー加工性、耐摩耗性など）が得られないという問題点があった。
【００１０】
また、上記特許文献２に記載された銅合金は鋳物であり、この鋳物は、展伸材とは機能及び用途が大きく異なるため、展伸材に応用できるものではない。
【００１１】
また、切削性を向上させるため、Ｐｂの代わりにＢｉ（ビスマス）を添加することも行われているが、展伸中に割れやすく、冷間圧延、冷間伸線などの塑性加工ができないため、所望の棒線材に加工できないという問題点がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、りん青銅を用いた部品に必要とされる高い強度を有するとともに切削性と加工性に優れた無鉛快削りん青銅棒線材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る無鉛快削りん青銅棒線材は、ニッケルを４．６〜７．５質量％、スズを４．０〜７．５質量％、硫黄を０．０５〜０．５質量％、亜鉛を０〜３．０質量％、及びリンを０．０２〜０．５質量％含有し、残分が銅と不可避的不純物であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、りん青銅を用いた部品に必要とされる高い強度を有するとともに切削性に優れた無鉛快削りん青銅棒線材を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本実施形態における無鉛快削りん青銅棒線材について説明する。
【００１６】
本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材は、ニッケルとスズと亜鉛と硫黄とリンとを所定量含有し、残分が銅と不可避的不純物である線材である。
【００１７】
Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ合金には、スピノーダル分解する領域が存在し、その領域において合金を時効処理(熱処理)すると強度が向上（時効硬化）するが、本発明の無鉛快削りん青銅棒線材は、時効硬化させることにより、強度が不足していた従来のりん青銅では適用が困難であった用途への適用が可能になる。
【００１８】
本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材においては、時効硬化処理後の強度を向上させるとの観点から、ニッケルを４．６〜７．５質量％含むことが必要である。４．６質量％未満であると時効硬化性が低下し所定の硬度が得られない場合があり、７．５質量％よりも多い場合は、著しく冷間加工性が低下して割れが生じる場合がある。なお、ニッケルの含有量は５．０〜７．０質量％が好ましく、５．５〜６．５質量％が特に好ましい。
【００１９】
スズは、上記ニッケルとの相乗効果により、銅合金の強度を向上させるためのものである。本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材においては、スズを４．０〜７．５質量％含むことが必要である。４．０質量％未満であると材料強度が低下する。また、７．０質量％よりも多い場合は、割れが生じて冷間加工性が低下する場合がある。なお、スズの含有量は４．５〜７．２質量％が好ましく、５．０〜７．０質量％が特に好ましい。
【００２０】
このように、本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材においては、所定量のニッケル、及びスズを含有させることにより、りん青銅を用いた部品に必要とされる高い強度を得ることができるとともに、冷間加工性が向上する。
【００２１】
本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材においては、硫黄を０．０５〜０．５質量％含むことが必要である。硫黄が０．０５質量％未満であると、切削性の効果が十分に得られない場合がある。一方で、０．５質量％を超えると、割れが生じて、冷間加工が困難になる場合がある。
【００２２】
即ち、本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材においては、硫黄を０．０５〜０．５質量％含有しているため、分散した硫化物が、切削加工時においてチップブレーカとして作用し、結果として、冷間加工性を低下させることなく、切削性を改善することができる。
【００２３】
亜鉛は、切削屑の熱変色を抑制するためのものである。本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材においては、亜鉛の含有量が０〜３．０質量％である。３．０質量％よりも多い場合は、割れが生じて、冷間加工が困難になる場合がある。
【００２４】
このように、本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材においては、所定量の亜鉛を含有させることにより、冷間加工性を低下させることなく、切削屑の熱変色を抑制することができる。
【００２５】
本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材においては、リンを０．０２〜０．５質量％含むことが必要である。これは、リンの含有量が０．０２質量％未満であると、溶解時の脱酸効果が不十分になる場合があり、リンの含有量が０．５質量％を超えると、冷間加工性が低下するためである。なお、リンの含有量は、０．３５質量％以下であると、より安定した冷間加工性が得られるため、好ましい。
【００２６】
以上に説明したように、本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材においては、りん青銅を用いた部品に必要とされる高い強度を有するとともに切削性に優れているため、肉薄部品や微細部品等、高い精度が要求される加工に適している無鉛快削りん青銅棒線材を得ることができる。
【００２７】
また、本発明の無鉛快削りん青銅棒線材を用いることにより、従来のりん青銅が用いられた部品において必要とされる高い強度が得られ、時効硬化を行うことにより、更に高い強度が要求される部品への適用が可能になる。
【００２８】
また、本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材における不純物として含まれる元素としては、鉄、銀、炭素、ジルコニウム、マンガン、ビスマス、インジウム、セレン、アルミニウム、酸素、ホウ素、タングステン、アンチモン、シリコン、及び鉛などが挙げられる。なお、これらの含有量は、いずれも、０．０５質量％未満であることが好ましく、検出限界未満であることがより好ましい。
【００２９】
また、本実施形態の無鉛快削りん青銅棒線材の製造方法としては、冷間加工が行われる。この冷間加工としては、例えば、冷間圧延加工、冷間鍛造加工、冷間伸線加工などが挙げられる。また、冷間加工の回数は、特に制限されないが、無鉛快削りん青銅棒線材において均一な組成を得るとの観点から、４回以上が好ましい。なお、冷間加工の後には、焼き鈍しを行うことが好ましい。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の無鉛快削りん青銅棒線材について、具体的な実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例には限定されない。
【００３１】
（試験片の作製）
まず、スズの配合量、亜鉛の配合量、ニッケルの配合量、硫黄の配合量、リンの配合量を適宜変化させ、残りを銅及び不可避的不純物として配合し、溶解温度を１２００℃として、金型鋳造方法によりインゴットを作製した後、実施例１〜１１、及び比較例１〜４の試料を作製し、成分を分析した。以上の結果を表１〜３に示す。
【００３２】
次に、上記各インゴットについて、加工率２０〜３０％程度の冷間圧延加工と６５０℃前後の焼き鈍しを繰り返し、４回目の冷間圧延加工を行った後、実施例１〜１１および比較例１〜４となる試験片を得た。
【００３３】
＜硬度試験＞
実施例１〜５および比較例１の各試験片において、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４５（ロックウェル硬さ試験−試験方法）に準拠して、所定の熱処理条件下（溶体化処理：８００℃で２時間保持、時効処理：３５０℃で４時間保持の熱処理条件下）で、硬さを測定した。また、実施例１〜５および比較例１の各試験片において、当該熱処理前の硬さも測定し、以下の式（１）に基づいて、熱処理前の硬さに対する熱処理後の硬さの上昇率（時効硬化性）を算出した。以上の結果を表１に示す。
［数１］
時効硬化性［％］＝［（熱処理後の硬さ−熱処理前の硬さ）／熱処理前の硬さ］×１００    （１）
【００３４】
＜切削性試験＞
実施例６〜９および比較例３の各試験片において、ワシノ機械株式会社製の汎用旋盤ＬＰＴ−３５Ｃを用い、回転数４５０ｒｐｍ、送りピッチ０．７５ｍｍ、切り込み深さ０．５ｍｍで面削した。
【００３５】
そして、実施例６〜９および比較例３において、面削の際に発生した切削屑１０個の質量を株式会社島津製作所製の電子天秤ＡＵＸ１２０で計測した。以上の結果を表２に示す。また、実施例４，１０〜１１において、切削屑の変色の有無を、下記評価基準に従って、目視により評価した。以上の結果を表３に示す。
熱変色なし：◎
わずかに熱変色あり：○
明らかに熱変色が発生：×
【００３６】
＜冷間加工性評価＞
また、上述の面削した実施例４，１０〜１１および比較例４の試験片において、冷間圧延加工時の割れの発生を、下記評価基準に従って、目視にて評価した。以上の結果を表３に示す。
割れが発生しなかった：○
割れが発生した：×
【００３７】
【表１】
2020094239.tif 000002
【００３８】
【表２】
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【００３９】
【表３】
2020094239.tif 000004
【００４０】
表１に示すように、ニッケルの含有量が４．６〜７．５質量％であり、スズの含有量が４．０〜７．５質量％である実施例１〜５においては、ニッケルの含有量が４．６質量％未満であり、かつスズの含有量が４．０質量％未満である比較例１に比し、熱処理（時効処理）前後において、優れた硬さを有するとともに、時効硬化性が高いことが分かる。
【００４１】
以上より、ニッケルの含有量が４．６質量％以上であり、かつスズの含有量が４．０質量％以上である領域はスピノーダル分解する領域であると考えられる。
【００４２】
なお、比較例２においては、ニッケルの含有量が７．５質量％よりも多く、スズの含有量が７．５質量％よりも多いため、冷間加工工程において割れが生じ、冷間加工性が低下した。これは、比較例２においては、成分組成の組み合わせにおける加工限界に達したためであると考えられる。
【００４３】
一方、ニッケルの含有量が４．６質量％未満であり、かつスズの含有量が４．０質量％未満である比較例１は、成分組成中の銅含有量が多いため延性があり、比較例２に比し、加工性が良好であった。
【００４４】
また、表２に示すように、硫黄の含有量が０．０５〜０．５質量％である実施例６〜９においては、硫黄を含有しない比較例３に比し、切削屑１０個の質量が小さく、鉛が含まれていなくても優れた切削性を有することが分かる。
【００４５】
また、表３に示すように、亜鉛の含有量が３．０質量％以下である実施例１０〜１１においては、亜鉛が含まれていない実施例４に比し、切削屑の熱変色が抑制されていることが分かる。一方、比較例４においては、亜鉛の含有量が３．０質量％よりも多いため、割れが発生し、冷間加工性が低下していることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上に説明したように、本発明は、優れた強度と切削性が要求される無鉛快削りん青銅棒線材について、特に有用である。