(57)【要約】  本発明は、実質的に鉛を含まない黄銅合金に関する。本発明の合金において、鉛は、テルル、硫黄またはテルルと硫黄のブレンドにより置き換えられ、優れた機械加工性および導電率を示す合金が得られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黄銅合金において、
銅、
亜鉛、
硫黄、および
鉛、
を有してなり、
前記鉛が前記合金の０．２５％未満を構成し、前記硫黄が前記合金の約０．０２５％から約１％を構成し、
前記合金が約２４０ＭＰａから約５３０ＭＰａの引張強さを有し、
前記合金がケイ素を含まないことを特徴とする合金。
【請求項２】
前記銅が前記合金の約５７％から約９８％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項３】
前記亜鉛が前記合金の約２．０％から約４３％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項４】
約０．０２％未満のリンをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項５】
黄銅合金において、
約５７％から約９８％の銅、
約２％から約４３％の亜鉛、および
約０．０２５％から約１．０％の硫黄、
を有してなり、
前記合金が約２４０ＭＰａから約５３０ＭＰａの引張強さを有し、
前記合金がケイ素を含まないことを特徴とする合金。
【請求項６】
約０．０２５％未満の鉛をさらに含むことを特徴とする請求項５記載の合金。
【請求項７】
約２００ＭＰａから約４５０ＭＰａの降伏強さを有することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項８】
前記亜鉛が前記合金の約５％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項９】
前記亜鉛が前記合金の約１０％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項１０】
前記亜鉛が前記合金の約１５％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項１１】
前記亜鉛が前記合金の約４０％を構成することを特徴とする請求項１記載の合金。
【請求項１２】
約０．５％未満の鉛含有量を有することを特徴とする請求項５記載の合金。
【請求項１３】
約０．０１％未満の鉛含有量を有することを特徴とする請求項５記載の合金。
【請求項１４】
約２００ＭＰａから約４５０ＭＰａの降伏強さを有することを特徴とする請求項１４記載の合金。
【請求項１５】
約５７％から約９８％の銅、約２％から約４３％の亜鉛、および約０．０２５％から約１．０％の硫黄とテルルのブレンドを有してなる黄銅合金であって、
前記合金が約２４０ＭＰａから約５３０ＭＰａの引張強さを有し、
前記合金がケイ素を含まないことを特徴とする合金。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００９年３月９日に出願された米国特許出願第１２／４００２８３号の一部継続出願である２０１０年４月１３日に出願された米国特許出願第１２／７５９４０２号に優先権を主張するものであり、これらの出願の全てをここに引用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、鉛含有量が極めて少ないまたは鉛が全く含まれてない黄銅組成物に関する。この組成物は、従来の鉛入り黄銅合金の快削性黄銅のものと類似の良好な機械加工性および強度を示す。本発明の合金は、黄銅合金の機械加工性を改善するために添加される鉛の代わりに、硫黄または硫黄とテルルのブレンドを使用する。
【背景技術】
【０００３】
結果として得られる生成物の機械加工性を改善するために、黄銅組成物に４．５％までの鉛を加えることが一般に行われてきた。しかしながら、鉛は有毒物質であり、合金の生産に使用することは、法律と費用のかかる規制手続きによって包囲されている。例えば、衛生器具の鉛の量を０．２５％以下に制限するカリフォルニア州で可決された法律が２０１０年に施行された。
【０００４】
さらに、銅鉛合金中の鉛相は、高温の有機油または鉱油による腐食性攻撃によって影響を受け得る。例えば、そのような合金の温度が上昇すると、油が分解して過酸化物および有機ガスを形成し、これが、合金内の鉛相の浸出の度合いに影響を与えることが知られている。この浸出がかなりの程度まで進行すると、構成部材は、ベアリングまたは構造部材である場合、やがてうまく作動しなくなるか破損してしまうであろう。
【０００５】
したがって、粉末冶金組成物内の鉛の含有量を減少させる、または可能であれば、なくすことが、かなりの利点である。このようにするために、様々な提案がなされてきた。過去の粉末冶金材料に含まれる鉛の大きい比率は、結果として得られる製品構成部材の機械加工性および耐久性を容易にもたらしてきた。鉛の一部をビスマスと置換することが、特許文献１に提案された。これにより、機械加工性を著しく低下させずに、鉛の一部をうまく置換することができた。しかしながら、それに伴い、その材料の横強度がある程度減少してしまう。多くの目的にとって、横強度のこの減少は重大な問題ではない。
【０００６】
別の手法が特許文献２に記載された。この製品において、合金に０．１から１．５％のグラファイトが加えられ、鉛を合金の２％以下に減少させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第９１／１４０１２号パンフレット
【特許文献２】米国特許第５４４５６６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した合金は実質的に鉛を含まない合金を生成するが、それらは、鉛含有合金と同じ機械加工性を持っていない。このため、給排水設備などの最終製品を製造するために使用される設備に相当な改善が必要になる。その上、鉛製品の製造中に生成されるスクラップは大抵、最終製品の製造業者が容易に再利用することができない。再利用は、典型的に、合金の製造業者にしか行うことができない。スクラップを最初の鋳造工場に発送する費用のために、最終製品の製品コスト全体が増加してしまう。
【０００９】
それゆえ、鉛含有製品のものと類似の機械加工性を示し、顧客が再利用できる無鉛黄銅合金が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、典型的に黄銅組成物に加えられる、鉛の代用物として、約０．２０％から１．５％のテルル、硫黄または硫黄とテルルのブレンドを含有する黄銅合金を含む。一連の実施の形態において、テルル、硫黄またはテルル／硫黄ブレンドは約０．４％から約１．０％に及ぶ。その結果得られた合金は、典型的に、約０．０２５％未満から、約０．００１％未満の鉛含有量を有し、これは「無鉛」と考えられる。その合金は、合金にケイ素が全く加えられないという点で、実質的に無ケイ素でもある。存在する唯一のケイ素は、合金に使用される他の金属に関連して一般に見られる微量である。例えば、存在するケイ素は、合金に使用される金属の１，０００百万分率（ｐｐｍ）、１００ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、１ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ、０．０１ｐｐｍ、０．００１ｐｐｍ、０．０００１ｐｐｍ未満であり、いくつかの場合には、合金に使用される金属は、完全にケイ素を含まない。
【００１１】
本発明の黄銅合金は、典型的に、約９８％から約５７％の銅含有量、約４３％から約２％の亜鉛含有量、約１．０％から約０．０２％のテルル含有量、約０．０２５％から約０．００１％の鉛含有量、および約０．０５％の最大リン含有量を有する。テルルの代わりに硫黄を使用する場合、硫黄含有量は、黄銅合金の約１．５％から約０．０２％に及ぶ。いくつかの場合には、硫黄含有量は、黄銅合金の１．５％と０．５％の間、黄銅合金の１．４％と０．５％の間、黄銅合金の１．２％と０．５％の間、黄銅合金の１．０％と０．５％の間、黄銅合金の０．９％と０．５％の間、黄銅合金の０．７％と０．５％の間、黄銅合金の１．５％と０．７５％の間、黄銅合金の１．５％と０．８０％の間、黄銅合金の１．５％と１．０％の間、黄銅合金の１．５％と１．２％の間、黄銅合金の１．５％と１．４％の間、黄銅合金の１．２５％と０．５％の間、または黄銅合金の０７５％と０．５％の間に及ぶ。テルルと硫黄のブレンドを使用する場合、それらは、重ねて、黄銅合金の１．５％と０．０２％の間、黄銅合金の１．５％と０．５％の間、黄銅合金の１．４％と０．５％の間、黄銅合金の１．２％と０．５％の間、黄銅合金の１．０％と０．５％の間、黄銅合金の０．９％と０．５％の間、黄銅合金の０．７％と０．５％の間、黄銅合金の１．５％と０．７５％の間、黄銅合金の１．５％と０．８０％の間、黄銅合金の１．５％と１．０％の間、黄銅合金の１．５％と１．２％の間、黄銅合金の１．５％と１．４％の間、黄銅合金の１．２５％と０．５％の間、または黄銅合金の０７５％と０．５％の間に及ぶ。いくつかの例において、テルルと硫黄の比は所定の比であり、テルル対硫黄の比は、１０００：１から１：１０００、１００：１から１：１００、１０：１から１：１０、１０００：１から１：１、１：１から１：１０００に及ぶ。いくつかの例において、テルルと硫黄の量は、百分率として表され、硫黄は、硫黄／テルルブレンドの総量の百分率である。それらの例において、硫黄／テルルブレンド中の硫黄の百分率は、硫黄／テルルブレンドの９９％、９５％、９０％、８５％、８０％、７５％、７０％、６５％、６０％、５５％、５０％、４５％、４０％、３５％、３０％、２５％、２０％、１５％、１０％または５％、もしくは１％から９９％または硫黄／テルルブレンドの間の任意の範囲に及ぶ。
【００１２】
上述したように、テルルまたは硫黄の使用に加え、テルルと硫黄のブレンドを使用することもできる。これらのブレンドは、約１％から約９９％のテルルと残りの量の硫黄からなる。
【００１３】
結果として得られた合金は、優れた機械加工性および導電率を示す。合金の組成に応じて、引張強さは２４０ＭＰａと５３０ＭＰａの間で様々であり、降伏強さは約２００から約４５０ＭＰａまで様々である。導電率は約２８％から約４９％ＩＡＣＳに及ぶ。本発明の新規の合金の機械加工性は、鉛含有組成物に関するものに似ている。これにより、新規の合金を使用して衛生器具などの完成製品を製造するために必要な設備の改善の量が少なくなるか、なくなる。
【００１４】
新規の合金の組成により、最終製品の製造業者は、製造プロセス自体からのスクラップを再利用することが可能になる。これにより、再利用のために合金の製造業者にスクラップを戻す必要がなくなる。本発明のさらに別の重要な特徴は、約１５％未満または約０．０００１％から１５％未満の亜鉛を含有する合金が優れた脱亜鉛現象抵抗を示すことである。
【００１５】
先の説明は、以下の本発明の詳細な説明をよりよく理解できるように、本発明の特徴および技術的利点をかなり広く概説してきた。本発明の請求項の主題を形成する、本発明の追加の特徴および利点が以下に記載されている。開示された概念および特定の実施の形態は、本発明の同じ目的を達成するための他の構造を設計するまたは改良するための基礎として容易に利用できることが当業者には認識されよう。そのような同等の構造は、添付の特許請求の範囲に述べられた本発明の精神および範囲から逸脱しないことも当業者には明確に理解されよう。さらに別の目的と利点と共に、構成と動作方法の両方に関する本発明の特徴であると考えられる新規の特徴は、添付の図面と共に考えたときに、以下の説明からよりよく理解されるであろう。しかしながら、図面の各々は、図解と説明の目的のためだけに提供されており、本発明の限定の定義として意図されていないことを明白に理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】引抜き後のサンプルＣ１に使用した合金の顕微鏡写真
【図２】引抜き後のサンプルＣ２に使用した合金の顕微鏡写真
【図３】引抜き後のサンプルＣ３に使用した合金の顕微鏡写真
【図４】引抜き後のサンプルＥ１に使用した合金の１０００倍の倍率の顕微鏡写真
【図５】引抜きおよびエッチング後のサンプルＥ１に使用した合金の１００倍の倍率の顕微鏡写真
【図６】引抜き後のサンプルＥ４に使用した合金の１０００倍の倍率の顕微鏡写真
【図７】引抜きおよびエッチング後のサンプルＥ４に使用した合金の１００倍の倍率の顕微鏡写真
【図８】引抜き後のサンプルＥ７に使用した合金の顕微鏡写真
【図９】引抜きおよびエッチング後のサンプルＥ７に使用した合金の１００倍の倍率の顕微鏡写真
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の黄銅合金は、銅を約１０５０℃の温度で最初に溶融することによって調製される。次いで、溶融銅に亜鉛とテルルを加える。次いで、水平または垂直鋳造法を使用して、黄銅合金をビレット中に注入する。硫黄またはテルル／硫黄ブレンドを使用する場合、それらは亜鉛と共に加える。
【００１８】
合金を製造するために使用される銅は、典型的に、少なくとも９９．９５％の銅および０．０５％までの不純物を含む高級で未汚染の純粋な銅スクラップまたは銅陰極である。鉛は、使用される銅の０．０２５％未満を構成する典型的な不純物である。本発明の合金の形成において、銅は、合金の約５７．００％から約９８．００％を構成する。
【００１９】
亜鉛は、合金の約２．００％から約４３．００％を構成する、次に主要な成分である。
【００２０】
テルル、硫黄およびテルル／硫黄ブレンドは、鉛の代替物として使用される。鉛と同様に、テルル、硫黄またはテルル／硫黄ブレンドは、鉛のマイナスの寄与なく、合金の機械加工性を改善するために加えられる。テルル、硫黄またはテルル／硫黄ブレンドは、合金の約０．２０％から約１．５％に及ぶ量で加えられる。一連の実施の形態において、テルル、硫黄またはテルル／硫黄ブレンドは、約０．４％から約１．０％に及ぶ。１つの実施の形態において、テルルは合金の約０．５％を構成する。使用されるテルル、硫黄またはテルル／硫黄ブレンドの量は、銅のレベルが減少するにつれて、使用されるテルルの量が増加するので、一部には、合金中に使用される銅の量に依存する。鉛と同様に、テルル、硫黄またはテルル／硫黄ブレンドを合金に添加すると、図１〜６に示される合金のように、合金の銅相と亜鉛相に不連続性が生じる。これらの不連続性の良好な分散が、合金の改善された機械加工性をもたらす。
【００２１】
本発明の利点の１つは、本発明の合金が、著しく少量のテルル、硫黄またはテルル／硫黄ブレンドを使用しながら、鉛含有合金のものと類似の機械加工性を示すことである。
【００２２】
黄銅合金に加えてもよい他の材料としては、ヒ素、ニッケル、マンガン、およびリンが挙げられる。リンを使用する場合、存在する量は、典型的に、合金の０．０５％未満である。ケイ素は、一般に、合金には加えられず、無ケイ素かつ無鉛の合金が得られる。
【００２３】
結果として得られる合金は、一般に、極限引張強さ（ＵＴＳ）により示される、約２４０から約５３０ＭＰａに及ぶ優れた機械加工性およびＡＳＴＭ法のＢ１４０を使用して測定される約２００ＭＰａから約４５０ＭＰａまでの降伏強さを示す。実際の引張強さおよび降伏強さは、一部には、合金の実際の組成に依存する。合金の導電率は、約２８から約４５％ＩＡＣＳに及ぶ。
【実施例】
【００２４】
添加される鉛（典型的に、約２％）が約０．５％のテルルにより置換された一連の黄銅合金を調製した。各合金の組成が表１に示されている。
【表１】
2013524023.tif 000003
【００２５】
次いで、ビレットを、約７８０℃から約８６０℃に及ぶ温度で押出プレスに変えた。次いで、ビレットを異なる圧力で様々なダイに通して熱間押出しして、様々なサイズのものを製造した。押出し前に各ショットに潤滑剤をさし、押出ダイを予熱した。その結果が表２に示されている。
【表２】
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【００２６】
次いで、バーを、硫酸の酸洗浴に通し、次いで、正確な機械的性質および粒径要件を生じさせるように、冷間引抜きを行った。このプロセスは、正確なサイズ許容誤差を満たすことを確実する。冷間引抜動作は、難なく行った。次いで、引張強さ、硬度、導電率、および機械加工性について、生成物を試験した。その結果が表３に示されている。
【表３】
2013524023.tif 000005
【００２７】
次いで、様々なサンプルに導電率試験を行った。亜鉛含有量の比率が増加するにつれて、導電率は減少する。その結果は、少なくとも約２８％から最大で約４９％に及んだ。
【００２８】
サンプルＣ１、Ｃ２およびＣ３の顕微鏡写真を引抜き後に撮った。その顕微鏡写真が図１〜３に示されている。合金の微小構造は均一であり、合金全体に亘るテルルの良好な分散を示している。
【００２９】
鉛を約０．５％の硫黄で置き換えた別の合金を調製した。その合金の組成が表４に示されている。
【表４】
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【００３０】
上述した様式と類似の様式で、次いで、合金を異なる圧力で様々なダイに通して熱間押出しして、様々なサイズのものを製造した。押出し前に各ショットに潤滑剤をさし、押出ダイを予熱した。その結果が表５に示されている。
【表５】
2013524023.tif 000007
【００３１】
次いで、バーを上述したように加工し、機械的性質の試験を行った。その結果が表６に反映されている。
【表６】
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【００３２】
先のデータに示されるように、硫黄含有合金は、テルル含有合金のものと類似の機械的性質を有する。
【００３３】
サンプルＥ１、Ｅ４およびＥ７の顕微鏡写真を引抜き後に撮った。その顕微鏡写真が、１０００倍の倍率で図４、６および８に示されている。図５、７および９は、引抜きおよびエッチング後の同じサンプルの１００倍の倍率の顕微鏡写真である。合金の微小構造は均一であり、合金全体に亘る硫黄の良好な分散を示している。
【００３４】
本発明とその利点を詳しく説明してきたが、添付の特許請求の範囲により定義された本発明の精神および範囲から逸脱せずに、ここに様々な変更、置換および改変をお粉得ることが理解されよう。さらに、本発明の範囲は、明細書に記載されたプロセス、装置、製造、物質の組成、手段、方法および工程の特定の実施の形態に制限されることは意図されていない。本発明の開示から、ここに記載された対応する実施の形態と実質的に同じ機能を果たすまたは実質的に同じ結果を達成する、既存の、または後に開発されるプロセス、装置、製造、物質の組成、手段、方法または工程を、本発明にしたがって使用してよいことが当業者には容易に認識されるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなプロセス、装置、製造、物質の組成、手段、方法または工程を範囲内に含めることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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