(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｐｂ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．２〜０．５％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ及びＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％及び残部がＺｎと不純物からなる銅基合金を用いて金型鋳造し、その後に４５０〜５５０℃×３０分以上熱処理することを特徴とする銅基合金からなる金型鋳造材の製造方法。
【請求項２】
質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｐｂ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．２〜０．５％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ及び又はＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％、更に、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％、Ｓｅ：０．０２〜０．４５％のうち、少なくとも１種の元素を含有し、残部がＺｎと不純物からなる銅基合金を用いて金型鋳造し、その後に４５０〜５５０℃×３０分以上熱処理することを特徴とする銅基合金からなる金型鋳造材の製造方法。
【請求項３】
質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｐｂ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．２〜０．５％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ及びＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％、更に、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％、Ｓｅ：０．０２〜０．４５％のうち、少なくとも１種の元素又は／及び、Ｍｇ：０．００１〜０．２％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％のうち、少なくとも１種の元素を含有し、残部がＺｎと不純物からなる銅基合金を用いて金型鋳造し、その後に４５０〜５５０℃×３０分以上熱処理することを特徴とする銅基合金からなる金型鋳造材の製造方法。
【請求項４】
質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｂｉ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．２〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ及びＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％及び残部がＺｎと不純物からなる銅基合金を用いて金型鋳造し、その後に４５０〜５５０℃×３０分以上熱処理することを特徴とする銅基合金からなる金型鋳造材の製造方法。
【請求項５】
質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｂｉ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．２〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ及びＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％、更に、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％、Ｓｅ：０．０２〜０．４５％のうち、少なくとも１種の元素又は／及び、Ｍｇ：０．００１〜０．２％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％のうち、少なくとも１種の元素を含有し、残部がＺｎと不純物からなる銅基合金を用いて金型鋳造し、その後に４５０〜５５０℃×３０分以上熱処理することを特徴とする銅基合金からなる金型鋳造材の製造方法。
【請求項６】
前記銅基合金は、更にＢを３〜１５ｐｐｍ添加したものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の銅基合金からなる金型鋳造材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐脱亜鉛腐食性に優れた銅基合金に関し、特に水栓やバルブなどに最適な、耐食性に優れた金型鋳造用銅基合金及び金型鋳造材の製造方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
耐食性に優れ、金型鋳造にて鋳造割れを抑えた銅基合金として、特許３４６１０８１に、組成がＳｎ，Ｓｂ，Ａｓ，Ｐ，Ｐｂ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｚｎ，及びＣｕである金型鋳造用合金において、各組成分の配合比が、Ｓｎ０．０５〜０．２重量％、Ｓｂ，Ａｓ又はＰのいずれか１種又は２種以上０．０５〜０．３重量％、Ｚｎ＝１、Ｓｎ＝２、Ｐｂ＝１、Ａｌ＝６、Ｆｅ＝０．９のＧｕｉｌｌｅｔの係数により算出される亜鉛当量が３５．７〜４１．０重量％、残部がＣｕからなり、β相の面積占有比率を１５％以下とした、凝固温度範囲１７℃以下であることを特徴とする金型鋳造用合金が開示されている。
【０００３】
しかし、同公報に開示する銅基合金では、Ｓｎが０．２重量％以上で、（凝固温度範囲が１７℃を越えると）金型鋳造した場合に凝固割れを起こすと明記されている。
ところで、黄銅材の製造には一般的にバージン材のみならず、リサイクル原料も使用されているが、一般快削黄銅のリサイクル原料中にはＳｎが最大で０．８％程度含有している場合がある。
従って、同公報に開示する銅基合金では、リサイクル原料を少量しか使えず、電気銅や電気亜鉛などのバージン材料の使用比率が高くなる結果、コストアップになる。
また、Ｓｎ成分は耐エロージョン・コロージョン性も改善する作用があることから、Ｓｎの高い金型鋳造用合金の開発が要望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３４６１０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、Ｓｎの添加量を多くしても金型鋳造時に凝固割れを起こさない耐食性金型鋳造用銅基合金及びその鋳造材の製造方法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】
【０００６】
本発明による銅基合金は、耐脱亜鉛腐食性及び金型鋳造性に優れていて、Ｐｂ系の銅基合金とＢｉ系の銅基合金の２つのタイプがあり、まず、Ｐｂ系の銅基合金としては、質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｐｂ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．２〜０．５％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ及びＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％及び残部がＺｎと不純物からなる銅基合金を特徴とする。
本発明の特徴は銅基合金（黄銅）において，Ｓｎ成分の添加により耐食性を改善しつつ、Ｆｅ成分やＳｉ成分の組み合せの最適化により鋳造性を改善した点にある。
【０００７】
また、本発明に係る金型鋳造用銅基合金は、質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｐｂ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．２〜０．５％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ及びＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％更に、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％、Ｓｅ：０．０２〜０．４５％のうち、少なくとも１種の元素を含有し、残部がＺｎと不純物からなることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る金型鋳造用銅基合金は、質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｐｂ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．２〜０．５％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．５％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ，又はＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％更に、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％、Ｓｅ：０．０２〜０．４５％のうち、少なくとも１種の元素又は／及び、Ｍｇ：０．００１〜０．２％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％のうち、少なくとも１種の元素を含有し、残部がＺｎと不純物からなることを特徴とする。
【０００９】
次に、本発明に係るＢｉ系の銅基合金としては、質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｂｉ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．２〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ及びＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％及び残部がＺｎと不純物からなることを特徴とする。
【００１０】
また、質量％において、Ｃｕ：６１〜６５％、Ｂｉ：０．５〜２．０％、Ａｌ：０．２〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｎ：０．０５〜３．０％と、Ｓｂ、Ａｓ及びＰのいずれか１種又は２種以上の合計：０．０５〜０．３％、更に、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％、Ｓｅ：０．０２〜０．４５％のうち、少なくとも１種の元素又は／及び、Ｍｇ：０．００１〜０．２％、Ｚｒ：０．００５〜０．２％のうち、少なくとも１種の元素を含有し、残部がＺｎと不純物からなることを特徴とする。
【００１１】
本発明において上記合金はさらにＢ成分を３〜１５ｐｐｍ添加されているのが好ましい。
また、本合金を用いて金型鋳造後に４５０〜５５０℃で３０分以上３時間以内保持して、β相の面積占有比率を１５％以下にするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る銅基合金は、金型鋳造にて鋳造割れの発生を抑えることができ、耐脱亜鉛腐食性にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】評価に用いた銅基合金の成分表を示す。
【図２】銅基合金の金型鋳造材の評価結果を示す。
【図３】割れ性の評価に用いた金型構造を示す。
【図４】本発明に係る金型鋳造材の熱処理条件と脱亜鉛腐食試験結果を示す。
【図５】Ｓｎ成分量と脱亜鉛腐食試験結果を示す。
【図６】Ｂｉ系銅基合金の成分表を示す。
【図７】Ｂｉ系銅基合金の評価結果を示す。
【図８】Ｂｉ系銅基合金の耐食性試験結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明における銅基合金の成分について説明する。
Ｃｕ成分は、６１〜６５％の範囲が好ましい。
Ｃｕ成分が６１％未満ではβ相が増え、耐食性が低下する。
Ｃｕ成分を増やすと耐脱亜鉛腐食性等の耐食性は向上するが高価になるために好ましくは６１〜６５％の範囲である。
【００１５】
Ｐｂは被削性を向上させるための添加元素であり、本発明においては必要に応じて、０．５％以上を添加するが、３．０％を超えると、伸び、衝撃値が低下するので、３．０％以下とする。
また、被削性向上の観点からはＰｂの替わりにＢｉを０．５〜２．０％添加してもよい。
【００１６】
Ｓｎ成分は、前述したように鋳造時に凝固割れを起こしやすい。銅基合金を金型鋳造に使用する場合は、一般にＳｎ成分を０．２％以下に設定しなければならないとされていた。
本発明では、Ｓｎ：０．０５〜３．０％の範囲にて鋳造割れを防止でき、特にＳｎ：０．２１〜３．０％の範囲でも充分に鋳造性を確保できる。
【００１７】
Ｆｅ成分は、結晶の微細化を促進し、鋳造時の割れを抑え、鋳造性が向上する。
Ｆｅ成分は、０．０６〜０．２％の範囲がよい。
Ｆｅ成分をこの範囲に制御するとＳｎの添加による鋳造割れを抑える。
特にＦｅ：０．０６〜０．１％の範囲ではＳｎを３．０％まで多くしても鋳造割れが起きない。
【００１８】
Ａｌ成分は、湯流れ性を向上させるが、多いと耐脱亜鉛腐食性が低下するので、０．２〜０．７％の範囲、好ましくは、０．２〜０．５％の範囲がよい。
【００１９】
Ｓｉ成分も鋳造性の改善に寄与し、結晶の微細化を促進し、鋳造時の凝固割れを抑え、鋳造性が向上する。
特に、Ｓｉを０．２％以上添加すると、その効果が大きく、Ｓｎ：０．０５〜３．０％の範囲にて鋳造割れを防止できることが明らかになった。
特に、従来はＳｎの添加量を０．２０％以下に抑えるのが好ましいと言われていたのに本発明では、Ｓｎ：０．２１〜３．０％の範囲でも充分に鋳造性を確保できる。
ただし、Ｓｉは亜鉛当量が１０と大きく、量が多いとβ相が多くなって耐脱亜鉛腐食性を損ねるので、Ｓｉの上限は０．７％とした。
【００２０】
Ｍｎ成分は、マトリックスを強化するがＦｅと結びついて硬い金属間化合物を生成し、被削性を損なうので、０．２〜０．５％の範囲とした。
【００２１】
Ｓｂ成分は耐食性を向上させるため０．０５％以上添加するとよいが、０．２％を超えても耐食性が顕著に向上しないので、経済性を考慮して０．２％以下とした。
なお、Ｓｂの代わりにＳｂと同様な作用をするＡｓ又はＰを０．０５〜０．２％添加してもよいし、これらを組み合わせて添加してもよい。
組み合せて添加する場合には合計の上限は０．３％である。
【００２２】
Ｔｅ成分は、切削性が向上するが、０．０１％以上で効果があり、添加量相応の効果を得る点、及び経済性の点から０．４５％を上限とした。
【００２３】
Ｓｅ成分は、切削性が向上するが、材料単価が高価であるため、極力抑える。
また、熱間加工性が悪くなるので０．４５％以下が望ましい。
Ｓｅ成分を添加する場合は、０．０２〜０．４５％の範囲が好ましい。
【００２４】
Ｍｇ成分は、結晶微細化による強度向上、湯流れ性向上、脱酸・脱硫効果がある。
溶湯に０．００１％以上のＭｇを含有させると、溶湯中のＳ成分がＭｇＳの形で除去される。
また、Ｍｇが０．２％を超えると酸化して、溶湯の粘性が高められ、酸化物の巻き込みなどの鋳造欠陥を生じる恐れがある。
よって、Ｍｇ成分は０．００１〜０．２％の範囲にて効果が認められる。
【００２５】
Ｚｒ成分は、結晶粒の微細化作用がある。
０．００５％以上の添加で効果が現れる。
また、Ｚｒは酸素との親和力が強く、０．２％を超えると酸化して、溶湯の粘性が高められ、酸化物の巻き込みなどの鋳造欠陥を生じる恐れがある。
【００２６】
次に熱処理について説明する。
本発明合金は、鋳放し状態では、α＋βの２相組織となるが、４５０〜５５０℃の熱処理によって、β相が縮小し、耐食性が増加する。
また、熱処理時間は、３０分未満ではβ相が減少しにくいため３０分以上保持する必要がある。
また、３時間を越えても熱処理効果が変わらないため、３０分以上、３時間以内とする。
【実施例１】
【００２７】
Ｐｂ系の銅基合金として、図１に示すような各種合金組成の溶湯を調整し、下記のような評価試験を実施した。
その結果を図２の表を示す。
＜評価試験＞
（１）鋳造割れ試験
鋳造割れ性を両端拘束試験法により評価した。
使用した金型の形状を図３に示す。
金型の材質としてはベリリウム銅合金を用いた。
図３において中央部に断熱材１を設けて、中央部の冷却が両端拘束部２より遅れるようにした。
拘束距離Ｌは１００ｍｍで断熱材１の長さは７０ｍｍとした。
試験は、拘束部が急冷されて両端が拘束され、発生した凝固収縮力により、最終凝固部となる試験片中央部で割れが生じるかどうか調べることにより判定した。
評価としては、中央部に割れが生じないものを○、部分的に割れが認められたが破断しなかったものを△、中央部で破断したものを×とした。
（２）耐脱亜鉛試験
ＩＳＯ法に準拠して、試験材を７５±３℃のＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏの１２．７ｇ／ｌ溶液に２４時間浸漬し、脱亜鉛腐食深さを測定し、以下の基準により評価した。
脱亜鉛深さ１００μｍ以下のものは合格（○）、脱亜鉛深さが１００μｍを超えるものは不合格（×）とした。
【００２８】
＜考察＞
発明合金Ｎｏ．６を用いて金型鋳造材を製造し、鋳造後の熱処理による組成変化を図４に示す。
この結果、５５０℃を超えると残存β相が多くなる傾向が認められた。
このことから、熱処理条件は４５０〜５５０℃の範囲がよい。
合金Ｎｏ．６とＮｏ．８とＮｏ．１１とＮｏ．１２とについての耐食性試験後の顕微鏡写真を図５に示す。
５２５℃で熱処理した合金Ｎｏ．６はＳｎ：０．１％で脱亜鉛深さは約３０μｍ「図５（ａ）」であり、Ｎｏ．８はＳｎが０．４％であるのに脱亜鉛深さは５０μｍ程度であった「図５（ｂ）」。
さらにＳｎが０．７％のＮｏ．１１「図５（ｃ）」とＳｎが１．１％のＮｏ．１２「図５（ｄ）」は、４７０℃で熱処理した結果、それぞれ３５μｍと６５μｍであった。
これに対して、比較例Ｎｏ．２３は、Ｓｎ：３．１％であったために、鋳造性のみならず、耐食性も悪かった。
このことから、少なくともＳｎは３．０％以下が良く、本発明においてはＳｎ：０．０５〜３．０％の範囲としたことにより鋳造割れを起こすことなく、鋳造後に熱処理を施すことにより耐脱亜鉛腐食性もよい。
なお、より鋳造割れを防止するには、Ｓｎ：０．０５〜２．０％の範囲が好ましく、Ｓｎ：０．２１〜２．０％の範囲はＳｎの添加効果が特に出現する。
また、比較例Ｎｏ．２１はＣｕ：６５．３％と６５．０％よりも多く、比較例Ｎｏ．２２はＳｉ：０．１９％と０．２０％より少なく、比較例Ｎｏ．２４はＦｅ：０．２１％と０．２０％を超えていたので、いずれも鋳造性に問題があった。
【００２９】
次にＢｉ系の銅基合金として図６に示すような組成の合金溶湯を試作し、先のＰｂ系銅基合金と同様に鋳造割れ試験と耐脱鉛試験を実施した結果を図７の表に示し、例として発明合金１７の耐食性試験結果の写真を図８に示す。
その結果、合金Ｎｏ．１７：Ｂｉ  ０．８８％，合金Ｎｏ．１８：Ｂｉ  １．３４％，合金Ｎｏ．１９：Ｂｉ  １．６２％のいずれにおいても良好な鋳造性と耐食性を示した。
また、Ｂｉ系銅基合金において不純物として含まれるＰｂの量は０．１２％の合金Ｎｏ．１８でも問題がなかったことから、不純物としてのＰｂは約０．１５％以下であればＢｉ系銅基合金において問題がないと言える。
【符号の説明】
【００３０】
１        断熱材
２        両端拘束部
【図１】
0005591661.tif 000002
【図２】
0005591661.tif 000003
【図３】
0005591661.tif 000004
【図６】
0005591661.tif 000005
【図７】
0005591661.tif 000006
【図４】
0005591661.tif 000007
【図５】
0005591661.tif 000008
【図８】
0005591661.tif 000009