(57)【要約】【課題】人体に対する有害性を一層低減したＰbレス快削黄銅を提供する。【解決手段】上記目的は、質量％で、Ｃu：５７〜６６％、Ｂi：０.５〜３.５％好ましくは０.５〜２.２％を含み、Ｐb：０.１％以下、Ｃd：０.０１％以下、必要に応じて更にＳe：０.０１％以下、Ｔe：０.０１％以下、Ｂe：０.０１％以下、Ａs：０.０１％以下、あるいは更にＦe：０.５％以下、Ｎi：０.１％以下、Ａl：０.１％以下、Ｓi：０.１以下に制限され、かつＣu、Ｂi、Ｚnを除く元素の合計が１％以下であり、残部Ｚnからなる快削黄銅によって達成される。特に、成形加工性の低下防止を図ったものとして、Ｓn含有量を０.３質量％以下にコントロールし、Ｂiを０.５〜２.２質量％含有する上記快削黄銅が提供される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃu：５７〜６６％、Ｂi：０.５〜３.５％を含み、Ｐb：０.１％以下、Ｃd：０.０１％以下、かつＣu、Ｂi、Ｚnを除く元素の合計が１％以下であり、残部Ｚnからなる快削黄銅。
【請求項２】
質量％で、Ｃu：５７〜６６％、Ｂi：０.５〜３.５％を含み、Ｐb：０.１％以下、Ｃd：０.０１％以下、Ｓe：０.０１％以下、Ｔe：０.０１％以下、Ｂe：０.０１％以下、Ａs：０.０１％以下、かつＣu、Ｂi、Ｚnを除く元素の合計が１％以下であり、残部Ｚnからなる快削黄銅。
【請求項３】
質量％で、Ｃu：５７〜６６％、Ｂi：０.５〜３.５％を含み、Ｐb：０.１％以下、Ｃd：０.０１％以下、Ｓe：０.０１％以下、Ｔe：０.０１％以下、Ｂe：０.０１％以下、Ａs：０.０１％以下、Ｆe：０.５％以下、Ｎi：０.２％以下、Ａl：０.１％以下、Ｓi：０.１以下、かつＣu、Ｂi、Ｚnを除く元素の合計が１％以下であり、残部Ｚnからなる快削黄銅。
【請求項４】
Ｓn：０.３％以下である請求項１〜３に記載の快削黄銅。
【請求項５】
Ｓn：０.２４％以下である請求項１〜３に記載の快削黄銅。
【請求項６】
Ｂi含有量が０.５〜２.２％である請求項１〜５に記載の快削黄銅。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆるＰbレス快削黄銅であって、さらに人体に有害とされる諸元素の含有量を極力低減したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
黄銅にＰbを添加したＣu−Ｚn−Ｐb系合金は、いわゆる快削黄銅と呼ばれ、熱間加工性、切削性等に優れることから古くから水周り部品やガスバルブなどに広く使用されてきた。快削黄銅には、一般に鍛造用黄銅（Ｃ３７７１）、快削黄銅棒（Ｃ３６０４）、高力黄銅棒（Ｃ６７８２）等がＪＩＳ規格にも規定されているが、これらの黄銅はいずれもＰbを多く含むことで良好な快削性を得ている。しかし、Ｐbは人体に有害であることから、Ｐbを含まずに黄銅の切削性を改善させる取り組みがなされてきた。
【０００３】
特許文献１には黄銅にＳiを添加することで、Ｐbを含まずに快削性を向上させることが記載されている。
特許文献２にはＰbの代わりにＢiを添加することで快削黄銅の優れた切削性を維持することが記載されている。
特許文献３にはＢiと、Ｓn、Ａl、Ｐ等を、特許文献４にはＢiとＳn、Ｓiを添加して黄銅の快削性を改善したものが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１１９７７４号公報
【特許文献２】特開昭５４−１３５６１８号公報
【特許文献３】特開２００３−２７７８５５号公報
【特許文献４】特開２００３−２４７０３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、これまで、黄銅の快削性改善元素として、Ｐbの代わりにＢiやＳi等を添加する手法を用いていわゆるＰbレス快削黄銅の成分設計がなされてきた。
一方、快削黄銅はリサイクル性が高いことから、原料の多くをスクラップで賄っているという実状がある。そのため、多くの不純物元素の含有が事実上許容されてきた。
【０００６】
しかし、最近では人体に有害なＣdの使用が種々の分野で規制されるようになり、快削黄銅においてもＣdの含有量を抑制する必要が生じてきた。さらに使用するスクラップによっては、Ｓe、Ｂe、Ａs、Ｔeが混入する場合もあり、これらの元素についても人体に摂取されると悪影響があると言われている。従来のＰbレス快削黄銅では、これら、Ｐb以外の有害成分については特段の配慮がされていなかった。
【０００７】
本発明は、人体に有害とされる元素の含有量を厳しくコントロールした快削黄銅を開発し提供することを目的とする。また、そのような組成コントロールをしたものにおいて、加工性の良好なものを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、質量％で、Ｃu：５７〜６６％、Ｂi：０.５〜３.５％好ましくは０.５〜２.２％を含み、Ｐb：０.１％以下、Ｃd：０.０１％以下、必要に応じて更にＳe：０.０１％以下、Ｔe：０.０１％以下、Ｂe：０.０１％以下、Ａs：０.０１％以下、あるいは更にＳn：０.３％以下好ましくは０.２％以下、Ｆe：０.５％以下、Ｎi：０.２％以下、Ａl：０.１％以下、Ｓi：０.１以下に制限され、かつＣu、Ｂi、Ｚnを除く元素の合計が１％以下であり、残部Ｚnからなる快削黄銅によって達成される。
【０００９】
ここで、Ｃu、Ｂi、Ｚnを除く元素はいずれも０％（分析限界以下）であっても構わない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来のＰbレス黄銅においてはまだ十分とは言えなかった人体への有害性の問題を解消した。しかも、本発明の黄銅は良好な快削性を維持し、特に、成形加工性を十分に確保したものが提供されるに至った。
したがって本発明は、Ｐbレス快削黄銅の用途拡大および普及に寄与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を特定するための事項について説明する。
Ｃuは、銅合金の主要な構成元素であるが、Ｃu−Ｚn系において、Ｃu含有量が５７質量％未満になると高温でβ単相組織となりやすく、結晶粒が粗大化しやすい。一方、Ｃu含有量が６６質量％を超える領域ではβ相が十分に析出せず、熱間加工性が低下する。したがって、本発明ではＣu含有量が５７〜６６質量％のＣu−Ｚn系合金が対象となる。Ｃu含有量は５９〜６２質量％であることが一層好ましい。
【００１２】
Ｂiは、切削性（切削抵抗、切粉分断性）を改善する元素である。Ｐbレス黄銅において、Ｂiが０.５質量％未満では十分な切削性向上効果が得られない。一方、３.５質量％を超えても切削性の顕著な改善は見込めず、不経済となる。このため、Ｂi含有量は０.５〜３.５質量％とする。ただし、ＢiはＣu、Ｚnと比較すると高価な元素であるため、２.２質量％以下の範囲で含有させることが好ましい。切削性と経済性をバランス良く達成するには、多くの用途において１.０〜２.０質量％のＢi含有量とするのが望ましい。
【００１３】
Ｐbは、これまで切削性を改善するために添加されてきたが、人体に有害であるため、本発明では添加しない。Ｐb含有量は０％（分析限界以下）としてもよいが、スクラップの使用を前提とした場合、ある程度のＰb混入は避け難い。発明者らが種々検討したところ、Ｐb含有量が０.１質量％以下であれば、一般的な快削黄銅の多くの用途において、人体への悪影響はほとんど問題にならない。また、０.１質量％以下のＰb含有量であれば、後述の他の不純物の混入を考慮したスクラップ管理がされている限り、多くのスクラップが使用可能である。したがって本発明ではＰb含有量を０.１質量％以下とする。Ｐb含有量を０.０１質量％以下に規制すると、Ｐbに対する安全性が更に確実なものとなり、好ましい。
【００１４】
Ｃdは、Ｚn母合金、黄銅切粉などから不純物として混入しやすい元素である。Ｃdの人体への有害性を回避するには、銅合金中へのＣd含有量は０.０１質量％以下に規制することが望ましい。０.００５質量％以下であれば更に好ましい。
【００１５】
Ｓe、Ｂe、Ａs、Ｔeは、銅合金への添加元素として使用されることがある。したがって、スクラップから混入する場合が多い。しかし、これらの元素についても人体に悪影響があると言われており、本発明では、この点についても対策を講じる。種々検討の結果、こららの元素はいずれも銅合金中への含有量を０.０１質量％以下にしておくことが望ましいと判断された。０.００５質量％以下とすることが一層好ましい。スクラップ管理をしっかり行うことで、このような含有量範囲を達成することが可能である。
【００１６】
Ｆe、Ｎi、Ａl、Ｓiは、快削黄銅に添加され、強度や耐食性を向上させることが知られている。しかし、種々検討の結果、人体に有害とされる前記各元素の含有量を規制した不純物の少ないＢi含有黄銅においては、Ｆe、Ｎi、Ａl、Ｓi等の元素を添加しなくても、実際上問題となるような強度低下や耐食性劣化は生じないことが確かめられた。材料のリサイクル性、添加元素のコストを考慮すると、Ｆe、Ｎi、Ａl、Ｓiは無添加とすることが好ましく、本発明では、Ｆe：０.５％以下、Ｎi：０.２％以下、Ａl：０.１％以下、Ｓi：０.１以下に規定する。特にＦeについては０.３質量％以下、Ｎiについては０.１質量％以下、Ｓiについては０.００５質量％以下に低減することが一層好ましい。
【００１７】
Ｓnは、銅合金の強度や耐食性を向上させることが知られている。これらの作用を十分に享受するには、０.０１質量％以上のＳn含有量とすることが好ましい。０.０５質量％以上が一層好ましい。ただし、多量のＳn含有は伸びや加工性の低下につながる。また、材料のリサイクル性確保や添加元素のコスト低減の面からも、Ｓnを添加する場合は含有量の適正化を図るべきである。本発明の快削用途では、Ｓn含有量は０.３質量％以下、好ましくは０.２４質量％以下、更に好ましくは０.２質量％以下とするのがよい。
【００１８】
ここで、リサイクル性確保とは、黄銅系であればほとんどの合金にリサイクルでき、かつ経済的に使用可能なことを意図している。また、添加元素のコスト低減とは、黄銅の主成分であるＣu、Ｚnと比べ高価な元素の使用をできるだけ抑えるべきであることを意図している。そのためには、Ｓn含有量や、Ｆe、Ｎi、Ａl、Ｓiの含有量を上記範囲に調整することが望ましい。
【００１９】
以上のように各元素の含有量が規制されるが、快削性を重視する本発明合金においては、「Ｃu、Ｂi、Ｚn」を除く他の元素の合計含有量を１質量％以下とする。Ｓnを含有させる場合でも同様であり、他の不純物とＳnとの合計含有量は１％以下に制限される。
【００２０】
本発明では特に、以下の[1]〜[3]の組成の合金を採用することができる。
[1] 質量％で、Ｃu：５７〜６６％、Ｂi：０.５〜３.５％を含み、Ｐb：０.１％以下、Ｃd：０.０１％以下であり、残部Ｚnおよび不可避的不純物からなる快削黄銅。
[2] 質量％で、Ｃu：５７〜６６％、Ｂi：０.５〜３.５％を含み、Ｐb：０.１％以下、Ｃd：０.０１％以下、Ｓe：０.０１％以下、Ｔe：０.０１％以下、Ｂe：０.０１％以下、Ａs：０.０１％以下であり、残部Ｚnおよび不可避的不純物からなる快削黄銅。
[3] 質量％で、Ｃu：５７〜６６％、Ｂi：０.５〜３.５％を含み、Ｐb：０.１％以下、Ｃd：０.０１％以下、Ｓe：０.０１％以下、Ｔe：０.０１％以下、Ｂe：０.０１％以下、Ａs：０.０１％以下、Ｆe：０.５％以下、Ｎi：０.２％以下、Ａl：０.１％以下、Ｓi：０.１以下であり、残部Ｚnおよび不可避的不純物からなる快削黄銅。
【００２１】
上記[1]〜[3]の組成において、Ｓn：０.３％以下、あるいは０.２４％以下とすることができる。また、Ｂi含有量を０.５〜２.２％とすることができる。
【００２２】
また、具体的な合金特性として、良好な切削性を維持した上で、引張強さが３８０ＭＰａ以上、伸びが２５％以上好ましくは３０％以上、ビッカース硬さが１００ＨＶ以上であることが望ましい。
【００２３】
本発明の快削黄銅の製造は、小ロットであれば高純度原料を配合して高周波溶解炉等で溶製することが有効であるが、大ロットの場合はスクラップ原料を使用することが、銅資源のリサイクルおよびコスト面から不可欠となる。この場合は、各スクラップの組成（特に不純物含有量）の管理を厳密に行う必要がある。実際の溶製現場では、不純物含有量が管理されたスクラップを使用して溶解し、かつ、鋳造前（出湯前）に蛍光Ｘ線分析等による迅速分析を行うことが望ましい。Ｃu、Ｓn、Ｐb、Ｆe、Ｎi、Ａl、ＡS、Ｓi、Ｂe、Ｔe、Ｓe、Ｂi、Ｃdについての分析方法は、ＪＩＳ Ｈ１０５１、Ｈ１０５２、Ｈ１０５３、Ｈ１０５４、Ｈ１０５６、Ｈ１０５７、Ｈ１０５９、Ｈ１０６１、Ｈ１０６２、Ｈ１０６３、Ｈ１０６４、Ｈ１０６５、Ｈ１０６８、Ｈ１０６９に規定されており、これらに従うことができる。
【実施例】
【００２４】
表１に示す化学組成の銅合金を誘導炉で溶解した後、直径８０ｍｍのビレットを半連続鋳造した。
【００２５】
【表１】
2006097074.tif 000002
【００２６】
鋳造したビレットを７００〜８００℃で３０分加熱保持した後、直径２６ｍｍまたは３０ｍｍまで熱間押し出しを行い、その後、空冷した。
直径２６ｍｍのビレットについては、直径２５ｍｍまで冷間引抜きしたのち矯正を行い、次いで４００℃で３０分加熱保持した後、空冷した。
直径３０ｍｍのビレットについては、材温６５０〜７５０℃、アプセット率３０〜７０％、歪速度１５ｍｍ／秒で鍛造し、その後、冷却速度０.３２〜５.４℃／秒で冷却した。
【００２７】
上記引抜き材を用いて、ＪＩＳ Ｚ２２４１に基づいた常温での引張試験を行い、引張強さおよび伸びを求めた。
また、上記引抜き材の長手方向に垂直な断面について、ＪＩＳ Ｚ２２５２に基づいてビッカース硬さを調べた。
【００２８】
さらに、上記引抜き材および鍛造材について、切削抵抗および切粉分断性の観点で切削性の試験を行った。
切削試験は、旋盤加工およびドリル加工で行った。旋盤加工の場合、回転数９５０ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、切り込み量１.０ｍｍ、送り速度０.０７５ｍｍ／ｒｅｖとした。ドリル加工の場合、回転数９５０ｒｐｍ、送り速度１ｍｍ／分とした。比較のために、Ｐb入り快削黄銅（ＪＩＳ Ｈ６２５０のＣ３６０４）についても実施した。切削抵抗値は、旋盤の場合は主分力、ドリルの場合はトルクを用いた。
【００２９】
以下の式により、各試験材の切削性指数（％）および切粉分断性指数（％）を、Ｃ３６０４快削黄銅との比較において算出した。
切削性指数（％）＝〔Ｃ３６０４の切削抵抗〕／〔試験材の切削抵抗〕×１００
切粉分断性（％）＝〔Ｃ３６０４の１ｇあたりの切粉の数〕／〔試験材１ｇあたりの切粉の数〕×１００
切削抵抗指数は、３０％未満を×、３０〜８０％未満を○、８０％以上を◎とし、○評価以上を良好とした。
切粉分断性指数は、１０％未満を×、１０〜６０％未満を○、６０％以上を◎とし、○評価以上を良好とした。
試験結果を表２に示す。なお、切削性は、引抜き材と鍛造材とで×、○、◎の評価は同じ結果であった。
【００３０】
【表２】
2006097074.tif 000003
【００３１】
表２から判るように、本発明例、比較例とも、良好な機械的性質および切削性を有している。ただし、比較例５、６は有害であるＰbを含んでいる。また、比較例７ではＣd、比較例８ではＳe、Ｔeを含んでいる。比較例のものは、本発明のものと機械的性質、切削性、外観がほとんど変わらないのに、人体に有害な元素を含んでおり、市場に流れてからそれらを区別することは（意図的に元素分析を行わない限り）事実上困難である。逆に本発明の快削黄銅は安全かつ、比較例と遜色無い特性を有するものである。
【００３２】
なお、本発明例のものは、Ｓn含有量を０.３質量％以下にコントロールしたものであり、Ｂiを含有する比較例の中でもＳn含有量の多い比較例８と比べ、「伸び」が改善されている。Ｓn量のコントロールは、Ｂiを含有するＰbレス黄銅において伸びすなわち成形加工性を改善する上で有効である。