(57)【要約】      （修正有）【課題】低い鉛含量であり、機械的特性、耐食性を有する銅合金およびその使用、成形品の製造のためのプロセス、並びにそれらから形成された成形品の提供。【解決手段】Ｓｎ：２〜６％、Ｚｎ：０〜５％、Ｓ：０．０５〜０．６％、Ｐｂ：０．２５％未満、Ｎｉ：０．６％未満、Ｓｂ：０．２％未満を含み、場合により、最大０．０６重量％までのリン、最大０．０３重量％までのＢ、最大０．０３重量％までのＺｒ、および不可避的不純物を含み、残部がＣｕである銅合金。成形品を製造するための、銅合金の少なくとも１つの熱間成形操作を含むことを特徴とするプロセス。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの熱間成形操作を含むプロセスによる成形部品の製造に適した銅合金であって、該合金は、重量％で以下の組成、すなわち、
Ｓｎ：２〜６％
Ｚｎ：０〜５％
Ｓ：０．０５〜０．６％
Ｐｂ：０．２５％未満
Ｎｉ：０．６％未満
Ｓｂ：０．２％未満
を含み、場合により、最大０．０６重量％までのリン、最大０．０３重量％までのＢ、最大０．０３重量％までのＺｒ、および不可避的不純物を含み、残部がＣｕであることを特徴とする銅合金。
【請求項２】
少なくとも１つの熱間成形操作を含むプロセスによる成形部品の製造のための銅合金の使用であって、該合金は、重量％で以下の組成、すなわち、
Ｓｎ：２〜６％
Ｚｎ：０〜５％
Ｓ：０．０５〜０．６％
Ｐｂ：０．２５％未満
Ｎｉ：０．６％未満
Ｓｂ：０．２％未満
を含み、場合により、最大０．０６重量％までのリン、最大０．０３重量％までのＢ、最大０．０３重量％までのＺｒ、および不可避的不純物を含み、残部がＣｕである銅合金である、銅合金の使用。
【請求項３】
銅合金から成形部品を製造するためのプロセスであって、前記銅合金は、重量％で以下の組成、すなわち、
Ｓｎ：２〜６％
Ｚｎ：０〜５％
Ｓ：０．０５〜０．６％
Ｐｂ：０．２５％未満
Ｎｉ：０．６％未満
Ｓｂ：０．２％未満
を含み、場合により、最大０．０６重量％までのリン、最大０．０３重量％までのＢ、最大０．０３重量％までのＺｒ、および不可避的不純物を含み、残部がＣｕである銅合金であり、前記プロセスは、
成形品を製造するための銅合金の少なくとも１つの熱間成形操作を含む
ことを特徴とするプロセス。
【請求項４】
不純物の合計が０．２５重量％を超えない、請求項１に記載の銅合金、請求項２に記載の使用、または請求項３に記載のプロセス。
【請求項５】
スズの含有量が２〜４重量％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の銅合金、使用またはプロセス。
【請求項６】
亜鉛の含有量が０〜３重量％である、請求項１〜５のいずれかに記載の銅合金、使用またはプロセス。
【請求項７】
硫黄の含有量が０．１〜０．４５重量％である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の銅合金、使用またはプロセス。
【請求項８】
前記銅合金が、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅ、ＣおよびＢｉ族の元素を含まず、および／または合金がＰｂを含まない、請求項１〜７のいずれか一項に記載の銅合金、使用またはプロセス。
【請求項９】
前記銅合金が、少なくとも１つの熱間成形後の機械加工ステップをさらに含むプロセスによって成形部品を製造するのに適しており、前記プロセスが、少なくとも１つの熱間成形ステップをさらに含むか、前記使用が熱間成形に続く機械加工プロセスを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の銅合金、使用またはプロセス。
【請求項１０】
請求項１または４〜９のいずれかに記載の銅合金から形成された、または請求項２および４〜９のいずれか一項に記載の使用によって得られた、または請求項３〜９のいずれかに記載のプロセスによって得られた成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は銅合金、その使用、並びに成形品の製造のためのプロセスおよびそれから形成された成形品に関する。
【背景技術】
【０００２】
水は貴重な原料であり、日常の使用に欠かすことができないものである。従って、飲料水が供給システムから取られるとき、それが細菌学的に、その後の消費が人間の病気をもたらさないようでなければならない。これを達成するために、飲料水に直接接触する材料に高い要求が課される。銅は最も高品質な汎用材料であり、水系システムの産業および技術において不可欠な材料と見なされている。銅は静菌性を有しており、優れた耐食性も提供する。銅はまた、成形においても優れた特性を示す。銅鋳造合金は鋳造が容易であり、材料の高い強度と靭性により、プラストメカニカル成形に特に適している。
【０００３】
しかしながら、機械加工中に問題を引き起こすのは、まさにこの塑性変形能である。ここで、均一な銅材料は長い切り屑（チップ）を形成する傾向がある。このタイプの切り屑は、全自動旋削または穴開け中の作業シーケンスを阻害し、工具の刃先の激しい摩耗に繋がる。銅の切り屑形成は、機械加工の制限要因である場合が多いため、ワークピースの経済効率に直接的な影響を有する。
【０００４】
ガンメタルは、銅鋳造合金のグループに属し、良好な鋳造性と最適な機械加工性および高強度の組み合わせによって特徴付けられる。ガンメタルは、その優れた耐食性のため、継手や衛生技術などの水系システムに特に適している。一般的なガンメタル合金は、強度と耐食性を高めるためにスズを含んでいる。費用対効果の高い銅の代替品として、亜鉛が添加される。ガンメタルで作られた製品を経済的に処理できるようにするために、重金属リードが添加される。これは、合金のチップブレーカーとして機能し、ＣＮＣマシンおよび従来の自動旋盤での加工を可能にする。
【０００５】
市販の鉛含有継手において飲料水が長期間流れない場合、金属イオンの移動によって、水道水に鉛が放出される可能性がある。高い鉛濃度は健康に害があると考えられている。このため、飲料水と接触する材料の鉛含有量には世界中でさらに厳しい要件が課されている。ドイツ内でも、法定飲用水条例により、２０１３年１月１２日以降、鉛含有量が１０μｇ／Ｌに削減された。飲料水中の鉛含有量をさらに削減する圧力が世界中で高まっており、今後も増加し続けるだろう。例えば、米国の法的要件により、銅合金の鉛含有量は、飲料水中の実際の鉛濃度に関係なく、０．２５％の平均鉛含有量を超えてはならない。
【０００６】
理想的なガンメタルは、鉛および他の疑わしい物質を含まず、生産において同じまたはよりよい効率を有し、耐食性、高い機械的強度および良好な加工性を損なうことはない。
【０００７】
特許文献１は、４〜６重量％のスズ、４〜６重量％の亜鉛、および０．２５重量％未満の鉛を含む無鉛ガンメタル合金を記載している。この合金を用いて、鋳造プロセスによって鉛フリーの部品を製造することができる。しかしながら、これらのコンポーネントの機能面を形成するための後続の機械的処理は考慮されていない。鉛なしに、特定の組成は均一なα−ＭＫ微細構造を示し、これは長い切り屑を形成する傾向があり、経済的に機械加工することができない。また、想定される鋳造プロセスは、成形部品の生産のために、代替の成形プロセスよりも高い材料投入量を必要とする。特許文献２〜５は、銅合金を開示している。特許文献６は、２〜８重量％のスズ、２．５〜１３重量％の亜鉛、および０．２５重量％未満の鉛を含み、ホットプレスに適しており、ホットプレスの最後に均質な構造を示す鉛フリーのガンメタル合金の形成プロセスを記載している。熱間成形により、少ない材料投入量で成形部品を経済的に製造することができる。ブランクの成形までのプロセスシーケンスは説明されているが、コンポーネントの機能面の形成に必要な後続の機械加工プロセスは考慮されていない。化学組成とそれに続く熱間成形により、均質な微細構造が形成される。ここでも、チップブレーカーが存在しない場合には、加工中に長い切り屑が形成され、部品の経済的な加工がより困難になる。
【０００８】
特許文献７は、比較的低いが有意な割合のＭｎ、Ａｌ、およびＺｒに加えて、Ｓｉ含有量が比較的高い銅合金で作られた低マイグレーション成分を記載している。同様の銅合金は、特許文献８にも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第２２９０１１４号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１２／００８２５８８号
【特許文献３】欧州特許第２２４１６４３号
【特許文献４】欧州特許第３２２５７０７号
【特許文献５】米国特許第９１８１６０６号
【特許文献６】欧州特許第２８７２６６０号
【特許文献７】欧州特許第１８０１２５０号
【特許文献８】国際公開第２００７／０６８４７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
先行技術で現在知られている多くの銅合金にもかかわらず、一方では、鉛（Ｐｂ）を使用せずに管理し、これは環境および健康の観点からの問題であり、他方では、機械的特性と耐食性を損なうことなく成形プロセスを可能にするガンメタル合金を特定することは、依然として課題である。良好な熱間成形性を示し（すなわち、機械的特性の著しい低下なしに）、好ましくは機械加工が容易な銅合金の提供は、特に課題であることが証明されている。
【００１１】
先行技術における上述した欠点のために、本発明の課題は、これらの欠点を克服する銅合金を示すことである。特に、可能な限り少ない成分を含む銅合金は、鉛を含まないか、本質的に鉛を含まず、高価な金属成分および／または混合が困難な金属成分を省くことができる。
【００１２】
この課題は、請求項１に記載の銅合金、請求項２に記載のその使用、および請求項３に記載の成形部品の製造方法によって解決される。好ましい設計は、従属請求項および以下の説明に示される。ここで説明する銅合金を使用して製造された成形部品も応力に晒される。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、本発明は、本発明に従う合金に関して以下に説明される。しかし、この文脈で説明した好ましい設計は、説明した使用、説明した製造プロセス、および説明した成形部品にも適用でき、本発明のこれらの態様に対する好ましい設計と見なさなければならないことは、当業者には明らかである。
【００１４】
本発明は、低材料入力での熱間成形により、その微細構造にチップブレーカーを有するガンメタル合金から、高い機械的強度、高い寸法安定性および高い耐食性を備える成形部品を製造することを可能にする。これらの部品は、ホットプレス後に経済的な機械加工を施すこともできる。本発明の熱間成形可能なガンメタル合金は、微細構造にチップブレーカーを形成するためにＡｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅ、ＣおよびＢｉなどの元素を必要とせず、従って容易に再利用することができる。
【００１５】
従って、本発明は、特に、少なくとも１つの熱間成形プロセスと、それに続く機械加工からの成形部品の製造のための、重量％で以下の組成、すなわち、
Ｓｎ：２〜６％
Ｚｎ：０〜５％
Ｓ：０．０５〜０．６％
Ｐｂ：０．２５未満
Ｎｉ：０．６未満
Ｓｂ：０．２％未満、
を含み、任意で、最大０．０６重量％までのリン、最大０．００３重量％までのＢ、最大０．０３重量％までのＺｒ、不可避的不純物を含み、不純物の合計が好ましくは０．２５重量％を超えず、残部はＣｕである銅合金を提供する。
【００１６】
上述のように、特に、本発明の合金は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅ、ＣおよびＢｉ族の元素を含まず、好ましい形態では、Ｐｂも含まない。
【００１７】
本発明に従って使用される合金成分の好ましい含有量は以下の通りであり、それにより、これらは、本発明による各組み合わせと同様に個別に開示され、特許請求される（いずれの場合も重量％である）。
Ｓｎ：２〜４％、複数の実施形態では、２〜３．２５％などの２％以上３．５％未満
Ｚｎ：０〜３％、複数の実施形態では、０〜１．５％未満、特に０．１％以上１．５％未満
Ｓ：０．１〜０．４５％、複数の実施形態では、０．１〜０．２％などの０．１以上０．２５％未満
Ｎｉ：０．５％未満、０〜０．２５％などの０％以上０．４％以下
【００１８】
合金中の銅含有量は、好ましくは８８重量％以上、より好ましくは９０重量％以上である。
【００１９】
本明細書に開示される銅合金は、先行技術からの既知の欠点を克服できることが予想外に示された。特に、銅合金製の半製品および中間製品は、熱間成形に非常に適している。熱間成形中のひずみ硬化の頻繁な劣化にもかかわらず（典型的には約６００〜９５０℃の温度で）、本発明による合金は、優れた機械的特性を有し、耐食性の低下を示さない（例えば、機械加工によりさらに加工され得る）成形部品の製造を可能にする。
【００２０】
さらに、特に長い切り屑の望ましくない形成が回避されるため、この方法で（すなわち、熱間成形後）形成された部品も経済的な方法でさらに処理できることが示された。従って、熱間成形に関与するプロセスにもかかわらず、本発明による合金は、ＰｂまたはＳｉなどの典型的なチップ破壊成分を省くものの、チップ破壊成分は依然として合金の微細構造に存在することが分かる。そこで、本発明は、所望の特性の優れたバランスを備えた銅合金を提供する。従って、銅合金の他の所望の特性の低下および高温での使用への適合性を低下させることを恐れることなく、特にここで説明したさらなる処理ステップと組み合わせて、特に熱間成形により、この合金から成形部品を製造することが可能である。
【００２１】
従って、本発明による合金は、成形部品の製造に有利に使用することができ、これらの製造プロセスは、場合によっては後続の機械加工などの他の機械加工プロセスと組み合わせた熱間成形を含む。ここで説明した銅合金の望ましい特性を維持するために、個々の合金成分のみ、およびそれらの相互作用により、合金特性の良好で再現可能な制御が可能となる。
【００２２】
スズは、固溶体硬化剤として合金中で作用し、したがって、引張強度、降伏強度および硬度を高めるが、破断点伸びを減少させる。また、スズは耐食性を高め、スズ含有量が増えると耐食性が向上する。熱間成形用ブランクの製造中に、スズによる微細構造内で強い偏析が発生し、これは固化中にゾーン結晶の形成をもたらすことが認識された。凝固の開始時に、比較的低いスズ含有量の銅結晶が沈殿し、残りの溶融物は、合金の平均含有量よりも高いスズ含有量で濃縮される。安定した銅−スズ状態図から逸脱すると、共析物が室温で微細構造内に７重量％超のスズ（α+δ）の含有量で存在し得るが、平衡状態では、この共析物は最大で１５．８重量％のスズの含有量でのみ形成される。可能なδ相は、ｋｆｚ格子で結晶化するため、容易に変形可能であるが、４１６原子の膨大な基本セルのために、相は脆性を示す。これにより、その後の熱間成形プロセスがより困難になる。共析物は、十分な時間（α+δ）の高温での熱処理によって除去できるが、熱処理は多くのエネルギーを必要とする。
【００２３】
また、処理中に微細構造の結晶粒が拡大するリスクもある。これにより、伸びが低下し、その後の熱間成形プロセスがより困難になるだろう。２〜６重量％のスズ、特に好ましくは２〜４重量％のスズの含有量により、高い伸びを伴う高い機械的強度が保証され、鋳造状態での共析物（α＋δ）の形成が回避される。
【００２４】
硫黄は、固体の銅にほとんど不溶性であり、耐食性などの材料の本来の特性は、硫黄の添加による影響を受けない。固体の銅に不溶性であるため、硫黄は、鉛と同様の態様で銅−スズ合金の凝固プロセスに影響を与える構成的挙動をもたらす。しかしながら、鉛とは異なり、固化の終わりに硫黄は微細構造内に元素として存在せず、微細構造内に均一に分布する金属間の金属硫黄化合物の形で存在する。この相は、微細構造においてインコヒーレントで脆く、従ってチップ破壊メカニズムを生成することが認識できた。
【００２５】
硫化物の特性は、ガンメタル材料の機械的、塑性的挙動に影響を及ぼす。影響は、材料中の硫化物相の量によって決定される。０．６重量％を超える硫黄含有量から、α−Ｃｕマトリックスに伝達する応力は、硫化物の影響を非常に強く受けるため、ホットプレスプロセスは極めて困難となる。０．０５重量％から０．６重量％、特に好ましくは０．１重量％から０．４５重量％の硫黄含有量は、微細構造に十分な硫化介在物が存在し、チップ破壊メカニズムを生成し、熱間成形プロセスを保証する。
【００２６】
亜鉛は、銅の経済的な代替物として合金に添加される。亜鉛含有量と硫黄含有量の間には、時間の経過および硫化物形成の分布のタイプと密接な関係があることが認識されてきた。亜鉛含有量が高いほど、鋳造凝固中に微細構造に硫化物の介在物が早く形成される。亜鉛含有量が５重量％を超える場合、硫化物の形成は、ガンメタル合金の凝固温度の範囲内の温度にシフトする。この温度範囲では、鋳造構造内に高い割合の溶融部分がなおも存在し、それらは所々において互いに結合している。
【００２７】
高い亜鉛含有量は、硫化物の早期形成に繋がる。これらの硫化物は、不均一であり、微細構造に集中しているため、α−ＭＫマトリックスの局所的な弱体化のために、ホットプレスプロセスがより困難になる。亜鉛の含有量が低い場合、形成はより低い温度にシフトし、以前の残留溶融領域に存在し、硫化物は互いに別々にかつ均一に分布する。含有量が０〜５重量％、特に０〜３重量％の亜鉛により、高温での硫化物の生成が回避される。調査により、本発明による銅合金は、その特定の組成のために、成形部品の製造プロセスで使用するのに特別な適合性を有し、このプロセスは少なくとも１つの熱間成形を含むことが示された。合金の特殊な組成により、熱間成形後に問題なく、例えば後続の機械加工など、さらなる加工ステップを行うことができる。
【００２８】
本発明による熱成形プロセスは、例えば、ホットプレスプロセスであり得る。しかし、本発明によれば、専門家に既知の他の熱間成形プロセスも可能である。ブランクは、ホットプレスプロセスなどの熱間成形の前に、６００℃〜９５０℃に加熱される。６００℃から、降伏強度は十分に低く、熱間成形プロセスを用いるとガンメタル材料を塑性変形させる。本発明によれば、熱成形は、上記の温度範囲内の任意の適切な温度、例えば７００〜９００℃で行うことができる。温度は、成形物品のタイプや成形速度などに応じて、専門家によって選択される。
【００２９】
また、所与の温度範囲では、硫化物の原子結合が弱くなるため、これらの超構造における転位の動きが促進されることが認識された。この温度範囲では、相は脆性を失って変形可能になり、従って熱間成形プロセスを阻害しない。形成直後に、α−ＭＫマトリックスの動的再結晶が行われ、以前に鋳造された異なるスズ濃度の固溶体が除去され、断面全体で均一な濃度が確保されるため、一定の機械特性および腐食特性を保証する。
【００３０】
しかしながら、室温での変形プロセスの後、硫化物は再び微細構造内に分布して脆くなり、その結果、それらはチップブレーカーとして機能する。０．０５重量％以上の低硫黄含有量の熱成形された成形部品であっても、切り屑と工具との間の摩擦が時間的に変化するため、機械加工中に工具の振動が発生することが分かった。これらの変化した摩擦条件は、ホットプレスプロセス後、硫化物が埋め込まれた銅含有α−ＭＫマトリックスで構成される不均一な微細構造によるものである。振動滑りにより切り屑にせん断帯が形成され、これにより層状切り屑およびせん断切り屑が発生し、工具の切り屑ガイドステップから排出された時に、加工プロセスのさらなる過程において破壊される。これにより、長い切り屑が防止され、経済的な加工が可能となる。
【００３１】
本発明で想定されるホットプレスプロセスを可能にするために、鋳造状態の平均粒径は２ｍｍを超えてはならない。このような平均粒径を確保するために必要な手段は、専門家に公知である。結晶粒の微細化は、例えば、ジルコニウムやホウ素などの化学添加物を０．００５〜０．０３重量％の含有量まで使用するか、電磁攪拌、超音波励起、振動、ガス注入、または鋳造中の溶融物の強い過冷却の手段などの、結晶粒微細化の他の代替プロセスを使用することにより可能である。
【００３２】
上記の銅合金は、成形部品の製造での使用に特に適しており、この製造は少なくとも１つの熱間成形操作を含む。上記銅合金は、成形部品の製造にも使用でき、少なくとも１つの熱間成形操作の後に、後続の機械加工などの追加の処理ステップが続く。対応する製造プロセスは、コンポーネントの製造、例えばガスまたは水道管などの媒体パイプや、例えば継ぎ手などの接続コンポーネントなどの製造に特に適している。特に注目されている継手は、パイプ、継手、エンドキャップ、コネクタなどの家庭用配管システムのコンポーネントである。このような成形部品の製造のための基本的なプロセスステップは専門家に公知であるため、ここでは詳細に説明しない。この文脈において、使用される銅合金の特定の組成は、上記のように、熱間成形後でも機械的特性と耐食性の低下がないことを意味することに注意することが必要である。また、熱間成形の前後の双方において、得られた部品を問題なく他の機械加工プロセスにかけられることが示された。特に、長い切り屑の問題のある望ましくない形成が回避されるため、機械加工が可能である。このようにして、経済的な方法で成形部品を製造することができる（特に、良好な高温動作特性、部品と接触する物質、特に飲料水に対する不活性および腐食など、銅合金の他の望ましい特性抵抗に影響されないため）。これに関連して、従来技術でしばしば必要と考えられる成分Ｐｂ、Ｓｉなどの使用は不要であるにもかかわらず、ここで説明した本発明の利点が達成されることを特に強調すべきである。
【００３３】
本明細書に記載された銅合金のこの予期されない利点は、上述の成形部品の製造におけるその経済的な使用を可能にする。
【００３４】
例
鉛フリーのガンメタルから、飲料水設備用の成形部品が、その後の機械加工を伴う熱間成形によって細粒状態で製造された。これは、ホットプレスプロセス後、合金の微細構造にチップブレーカーが存在し、経済的な完全自動化機械加工が可能であることを示した。
【外国語明細書】
2020012193000001.pdf