(57)【要約】【課題】従来の銅製接液部材と同様の製造工程で、追加処理を必要とせずにスケールの発生を抑制した接液部材を製造できるようにする。【解決手段】Ｚｎを０．２質量％以上２２．０質量％以下、Ｓｎを１．５質量％以上９．０質量％以下、Ｐを０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有し、Ｐｂを０．２５質量％以下、Ｎｉを５質量％以下、Ｂｉを３．０質量％以下の範囲で含有してもよく、残部がＣｕと不可避不純物である接液部材用銅合金を用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを０．２質量％以上２２．０質量％以下、Ｓｎを１．５質量％以上９．０質量％以下、Ｐを０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有し、
Ｐｂを０．２５質量％以下、Ｎｉを５質量％以下、Ｂｉを３．０質量％以下の範囲で含有してもよく、
残部がＣｕと不可避不純物である接液部材用銅合金。
【請求項２】
上記不可避不純物に含まれる元素のうちＳが０．３質量％以下である、請求項１に記載の接液部材用銅合金。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の接液部材用銅合金からなる接液部材。
【請求項４】
スケールが付着しうる水と接触する接液部材に、請求項１又は２に記載の接液部材用銅合金を用いる、スケール付着防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭酸カルシウムを主成分としたスケールの付着によって機能が阻害される接液関連部材に用いる銅合金、及びそれを使用した接液関連部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
青銅は、鋳造性、耐食性、切削性、耐圧性に優れており、水道用資機材や給水装置の部品、湯沸かし部品、ポンプ部品、消火栓部材など様々な分野に用いられている。その代表例として、鉛を４．０〜６．０質量％含むＪＩＳ  Ｈ５１２０  ＣＡＣ４０６が用いられることが多い。
【０００３】
ところで、カルシウムイオン濃度が高い水環境では、炭酸カルシウムを主成分とするスケールの付着によって、それらの機材や部品等の機能が阻害される事態が発生している。付着したスケールの除去は手間がかかり、場合によっては部品等を交換しなければならなくなるので、スケールの付着を抑制できる材料が求められている。
【０００４】
特許文献１には、金属製基材の水と接する部分にオルガノシラン系親水性被膜をコーティングすることで、基材表面へのスケールの付着を抑える手段が記載されている。
【０００５】
一方、特許文献２及び３には、スケールが付着しやすい熱交換器用のＰｂフリー銅合金として、Ｚｒを添加した合金が記載されている。この合金は結晶粒径を適切に制御し、負に帯電する適切な大きさの析出物を表面に生じさせて、スケールの元になるＣａＣＯ３の付着を抑制し、スケールを堆積させないようにするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１３０９９０号公報
【特許文献２】特許第４９２１４１０号公報
【特許文献３】特許第５２６０１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の手法を利用するには新たにコーティング工程を設けなければならず、製造期間及びコストの増加に繋がってしまう。
【０００８】
また、特許文献２及び３に記載の銅合金製の部材は、その製造手順において、焼鈍や圧延を行って粒径等を調製することが必須である。砂型鋳造することが多い青銅鋳物にこれらの文献の合金を適用しようとしても、肉厚の違いなどによって粒径制御することが困難である。また、後工程により粒径制御することは、熱処理炉の導入や製造工程の見直しなどが必要になり、製造期間やコストの増加に繋がってしまう。
【０００９】
そこでこの発明は、湯沸かし部品、ポンプ部品、消火栓などの、主にカルシウムイオン濃度が高い水環境で用いる接液関連部材において、コーティング加工やその他特別な装置を必要とせずに、既存の製造工程で、スケール付着を抑制できる接液部材を製造できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、Ｚｎを０．２質量％以上２２．０質量％以下、Ｓｎを１．５質量％以上９．０質量％以下、Ｐを０．００１質量％以上０．０５質量％以下含有し、
Ｂｉを３．０質量％以下、Ｎｉを５質量％以下、Ｐｂを０．２５質量％以下、Ｓを０．３質量％以下の範囲で含有してもよく、
残部が銅と不可避不純物からなる青銅合金によって、上記の課題を解決したのである。
【００１１】
スケール付着に悪影響を与えるＰｂを極力削減するとともに、スケール付着抑制効果が認められたＮｉを適度に含めることを許容して、残りの元素について最適範囲を見出した。
【発明の効果】
【００１２】
この発明により、従来接液部材を製造する際に用いていた装置、工程、ノウハウ等をそのまま活用して、カルシウムイオン濃度が高い水環境におけるスケールの発生を抑制した製品を製造することができる。これにより、カルシウムイオン濃度が高い水環境における接液部材において、スケールの発生を抑制し、設備を洗浄する手間を省き、又は設備を交換する頻度を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例において引張試験方法に用いるＪＩＳ  Ｚ  ２２４１で規定する１４Ａ号試験片の模式図
【図２】実施例においてｐＨ試験方法で用いる試験体の構造を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明について詳細に説明する。
この発明は、カルシウムイオン濃度が高い水環境におけるスケールの発生を抑制する接液部材用の銅合金、及びそれを用いた接液部材、そしてそれを用いたスケール付着防止方法である。
【００１５】
上記銅合金のＺｎ含有量は、０．２質量％以上である必要があり、４．０質量％以上であると好ましい。０．２質量％未満であると、湯流れ性の低下やガス吸収が増すことで、鋳造性が悪化するおそれがある。一方で、２２．０質量％以下である必要があり、１８．０質量％以下であると好ましい。２２．０質量％を越えると、引張強さの低下が無視できなくなってくる。
【００１６】
上記銅合金のＳｎ含有量は、１．５質量％以上である必要があり、３．０質量％以上であると好ましい。一方で、９．０質量％以下である必要があり、５．０質量％以下であると好ましい。Ｓｎが多すぎると伸びが低下しすぎてしまうためである。
【００１７】
上記銅合金のＰ含有量は、０．００１質量％以上である必要があり、０．０１質量％以上であると好ましい。Ｐは鋳造時に脱酸効果を発揮するので、ガス欠陥を抑制し、溶湯の酸化を防止して湯流れ性を向上させることができるので、ある程度の量が含有されていることが望ましい。一方、０．０５質量％以下であると好ましく、０．０４質量％以下であるとより好ましい。Ｐが増加しすぎると、鋳型の水分と反応しガス欠陥を発生させたり引け巣欠陥を増加させたりするおそれがあり、さらには機械的性質も低下させる傾向にある。
【００１８】
上記銅合金は上記の元素の他に、付加元素としてＰｂ、Ｎｉ、Ｂｉを有していてもよい。
【００１９】
上記銅合金がＰｂを含有していると、切削性、耐圧性の点で好適に作用する。ただし、上記銅合金のＰｂ含有量は、０．２５質量％以下である必要がある。Ｐｂはスケールの付着を増加させてしまう作用があるためである。
【００２０】
上記銅合金がＮｉを含有していると、スケール付着を抑制する効果を発揮する。ただし、上記銅合金のＮｉ含有量は、５質量％以下である必要があり、３．５質量％以下であると好ましい。Ｎｉが多すぎると水素ガスの吸収が大きくなり脆化するおそれがあり、鋳造結果も増加するおそれが無視できなくなるからである。
【００２１】
上記銅合金がＢｉを含有していると、切削性、耐圧性の点で好適に作用する。ただし、上記銅合金のＢｉ含有量は、３．０質量％以下である必要がある。Ｂｉが多すぎると引張強さと伸びの両方が悪化してしまうためである。
【００２２】
上記銅合金は、残分として上記の付加成分の他に、この発明にかかる効果を阻害しない範囲で、不純物となる上記以外の元素を含有してもよい。ただし、含有する量は原材料や製造時の問題から不可避的に含有される不可避不純物として含まれる程度に抑えることが好ましい。その不可避不純物となる元素の合計量は、１．０質量％未満であると好ましく、０．５質量％未満であるとより好ましい。予期せぬ元素が多すぎると上記の元素の範囲であっても、物性に支障を来すおそれがあるからである。
【００２３】
上記不可避不純物となる元素の中でも、不純物となるＳの含有量は０．３質量％以下であると好ましく、０．１質量％以下であるとより好ましく、０．０５質量％以下であると更に好ましい。Ｓはスケールの付着を増加させてしまう作用があり、できるだけ少ないことが望ましい。
【００２４】
なお、この発明における含有量の値は、原料における比ではなく、鋳造や鍛造など製造した時点における含有量を示す。
【００２５】
上記銅合金の残分はＣｕである。この発明にかかる銅合金は、一般的な銅合金の製造方法で得ることができ、この銅合金で接液部材を製造する際には、一般的な鋳造方法（例えば砂型鋳造）により製造することができる。例えば、重油炉、ガス炉、高周波誘導溶解炉などを用いて合金の溶解を行い、各形状の鋳型に鋳造する方法が挙げられる。その他、製造方法は鋳造に限定されず、引抜き、押出し及び鍛造などにより製造された接液部材に対してもこの発明にかかる銅合金の効果を発揮する。
【００２６】
上記銅合金を用いて、スケールが付着しやすい水環境における接液部材を製造し、設置することで、スケールの付着を従来よりも大きく削減することができる。特に静置環境にある接液部材に対して高い効果を発揮する。例えば、貯水槽の配管その他の設備や、普段は水がほとんど流れない消火栓などの防火水系の配管その他の設備などが挙げられる。また、給湯器、熱交換器、ポンプなどの接液部材に対しても用いることができる。
【００２７】
上記銅合金を用いたこれら接液部材は、別途特殊な加工を行わなくても、接触する溶液のｐＨが塩基性に偏りすぎることを抑制することによってスケールの付着が防止され、メンテナンスの手間を省くことができる。スケール付着防止効果を発揮させるには、少なくとも水との接液面が上記銅合金で製造されていることが必要であり、接液部材が丸ごと上記銅合金で製造されていると、表面に傷が生じた場合でもスケール付着防止効果を引き続き発揮し続けるので好ましい。
【実施例】
【００２８】
以下、この発明にかかる銅合金を実際に製造した例を挙げて報告する。まず、銅合金に対して行う試験方法について説明する。
【００２９】
＜引張試験方法＞
下記の表１に記載の成分比となるように調製した溶湯を肉厚１０ｍｍ×幅７０ｍｍ×高さ１００ｍｍとしたＣＯ２鋳型へ鋳造し、最下部を底から１０ｍｍで切り出したものをＪＩＳ  Ｚ  ２２４１で規定する１４Ａ号試験片に加工して、引張試験に用いた。具体的形状は図１に示す通りである。平行部の原断面積Ｓ０と原標点距離Ｌ０とがＬ０＝５．６５×Ｓ０＾（１／２）の関係にある比例試験片である。棒状部の直径ｄ０は５ｍｍ、原標点距離Ｌ０は２５ｍｍ、円柱状とした並行部長さＬｃは３０ｍｍ、肩部の半径Ｒは１５ｍｍとした。（Ｌ０＝５．６５×（２．５×２．５×π）＾（１／２）＝２５．０３）。
【００３０】
この試験片について、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に従って引張強さと伸びとを測定した。その結果の数値と、機械的性質としての評価を示す。
・引張強さの評価は、１９５ＭＰａ以上を◎、１９５ＭＰａ未満１６５ＭＰａ以上を○、１６５ＭＰａ未満を×とした。
・伸びの評価は、１５％以上を◎、１５％未満を×とした。
なお、この閾値は通常水道部材に用いられるＪＩＳ  Ｈ５１２０  ＣＡＣ４０６の基準値である。
【００３１】
＜スケール付着評価方法＞
まずスケール生成溶液として、ＮａＨＣＯ３を０．０１８ｍｏｌ／Ｌ、ＣａＣｌ２を０．００９ｍｏｌ／Ｌ含む混合水溶液を２０℃で調製し、Ｃａ（ＨＣＯ３）２を含む溶液とした。一方、評価用試験材は、直径２７ｍｍ×高さ８０ｍｍの砂型へ鋳造したものを、直径２５ｍｍ×肉厚１０ｍｍへ加工し、各面を＃８００耐水ペーパーにて、表面荒さＲａが０．４μｍ以下となるように研磨して調製した。それぞれの評価用試験材について、試験前に秤量した。
【００３２】
試験材表面積２０００ｍｍ２につき前記スケール生成溶液１００ｍｌになるように試験材を浸漬し、５０℃の環境で１００時間静置させた。その後、液から取り出して水洗し、乾燥させた後に秤量して、スケール付着前後の質量差から、スケール付着量を算出した。単位面積あたりのスケール付着量が８×１０−４ｍｇ／ｍｍ２未満であるものを◎、８×１０−４ｍｇ／ｍｍ２以上１０×１０−４ｍｇ／ｍｍ２未満であるものを○、１０×１０−４ｍｇ／ｍｍ２以上であるものを×とした。
【００３３】
＜ｐＨ試験方法＞
下記の表１に記載の成分比となるように調製した溶湯を、直径２０ｍｍ×長さ１００ｍｍの金型に鋳造した。鋳造体を下部から６０ｍｍで切断した後、切断面中心部から直径１２×深さ５０ｍｍＬの長穴をドリル加工し、図２に示す形状の円筒状の試験片を作製した。
【００３４】
上記のスケール付着評価方法で用いたスケール生成溶液４ｍLを、試験片中央の長穴に注ぎ、上面を封止した状態で５０℃において１００時間保持した後のｐＨをそれぞれ再測定した。
【００３５】
＜試験片の成分＞
下記表１のように検証例１〜５に示す各合金を調製して上記の試験片を作製した。上記のそれぞれの評価のうち、一項目でも×があれば総合評価を「×」とし、全項目が○又は◎であるもののみ総合評価を「○」とした。
【００３６】
【表１】
2018172726.tif 000002
【００３７】
＜検証例の評価＞
検証例１では特にＰｂが水道部材として用いない程度の量を含む。一方、検証例３は検証例１に対して、ＰｂをＢｉに変えたものである。Ｐｂを大量に含む検証例１は、検証例３と比べてもはっきりとスケールの付着が増加していることが確認された。また、Ｓを大量に含む検証例５もスケールの付着が増加していることが確認された。
【００３８】
次に、下記表２に示すように各合金を調製して、上記の試験片を作製した。具体的には、検証例から好適と考えられる実施例１を作製し、実施例１を基準として構成元素の含有量をＮｉ，Ｂｉ，Ｐ，Ｚｎ，Ｓｎのそれぞれについて調製した（実施例・比較例２〜６）。また、Ｂｉの代わりにＰｂを含有させた例を調製した（実施例・比較例７）。なお、表中空欄及び「―」は検出限界未満であることを示す。全ての項目が「◎」であるものを評価「◎」とし、「◎」と「○」の両方がある場合評価「○」とした。また、一つでも「×」があるものを評価「×」とした。
【００３９】
【表２】
2018172726.tif 000003
【００４０】
＜実施例の評価＞
Ｎｉの含有量を調整した実施例２では、いずれも好適な評価となった。Ｂｉの含有量を調製した実施例・比較例３ではＢｉが３．０質量％を超えると引張強さと伸びの両方が低下しすぎてしまった。Ｐが検出限界未満であった比較例４ａでは伸びが低下しすぎてしまった。Ｚｎの含有量を調整した実施例・比較例５では、Ｚｎの含有量が２２．０質量％を超えると引張強さが低下しすぎてしまった。Ｓｎの含有量を調整した実施例・比較例６では、Ｓｎが少なすぎる比較例６ａでは引張強さと伸びの両方が著しく低下する。また、Ｓｎの含有量が９．０質量％を超えた比較例６ｂでは伸びが低下しすぎてしまった。Ｂｉの代わりにＰｂを含有させた実施例・比較例７では、Ｐｂが増加するにつれてスケールの付着が悪化してしまった。
【図１】
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【図２】
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