(57)【要約】とくに銅合金を金属マトリックスとした場合、切削加工において加工条件に関係なく切削性に優れ、Ｐｂの溶出量規制（０．０１ｍｇ／ｌ以下）を満足させることが可能であり、且つコスト的にも有利な金属材料およびその製造方法を提供するもので、金属マトリックス中に、Ｂｉ、Ｐｂのうちの少なくとも１種とＳｎとによって形成される低融点合金相が分散していることを特徴とする。低融点合金の粒子数は１０４個／ｍｍ３以上、低融点合金相は体積率で０．３５〜１０％の範囲で分散させるのが好ましい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属マトリックス中に、Ｂｉ、Ｐｂのうちの少なくとも１種とＳｎとによって形成される低融点合金相が分散していることを特徴とする金属材料。
【請求項２】
前記低融点合金相は、前記金属マトリックス中に固溶したＳｎと、添加されたＢｉおよび／またはＰｂとの反応により形成されることを特徴とする請求項１記載の金属材料。
【請求項３】
前記低融点合金相が前記金属マトリックス中に１０４個／ｍｍ３以上分散していることを特徴とする請求項１または２記載の金属材料。
【請求項４】
切削用に供されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属材料。
【請求項５】
前記金属マトリックスが銅合金からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属材料。
【請求項６】
前記銅合金がＣｕ−Ｚｎ系合金からなることを特徴とする請求項５記載の金属材料。
【請求項７】
前記銅合金またはＣｕ−Ｚｎ系合金のＦｅ含有量が０．５％以下に規制されることを特徴とする請求項５または６記載の金属材料。
【請求項８】
前記銅合金が０．６％（質量％、以下同じ）以下のＰｂを含有することを特徴とする請求項５または６記載の金属材料。
【請求項９】
前記低融点合金相が金属マトリックス中に体積率で０．３５〜１０％形成されていることを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の金属材料。
【請求項１０】
Ｓｎ１．０〜３．５％を含有し、ＢｉとＰｂを総量で０．４〜０．６％含有することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の金属材料。
【請求項１１】
Ｓｎ２．０〜４．５％を含有し、ＢｉとＰｂを総量で０．４〜０．６％含有することを特徴とする請求項９記載の金属材料。
【請求項１２】
Ｐを含有することを特徴とする請求項１０または１１記載の金属材料。
【請求項１３】
Ｐ０．０２〜０．０４％を含有することを特徴とする請求項１２記載の金属材料。
【請求項１４】
鋳造材として切削用に供されることを特徴とする請求項１３記載の金属材料。
【請求項１５】
前記銅合金またはＣｕ−Ｚｎ系合金がＳｎおよびＢｉを含有し、Ｂｉ０．３〜２．９％を含有することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の金属材料。
【請求項１６】
前記銅合金またはＣｕ−Ｚｎ系合金がＳｎおよびＰｂを含有し、Ｐｂ０．２〜０．６％を含有することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の金属材料。
【請求項１７】
前記銅合金またはＣｕ−Ｚｎ系合金がＳｎ、Ｂｉおよび０．６％以下のＰｂを含有し、Ｐｂの含有量が０．２％未満の場合にはＢｉを（０．３％−Ｐｂ含有量％×１．５）〜（２．９％−Ｐｂ含有量％×１．５）％含有し、Ｐｂの含有量が０．２〜０．６％の場合には（２．９％−Ｐｂ含有量％×１．５）％以下であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の金属材料。
【請求項１８】
切削用に供される請求項５〜１７のいずれかに記載の金属材料であって、金属マトリックス中に分散する低融点合金相が、硬質で脆い合金相と隣接して析出、分散していることを特徴とする金属材料。
【請求項１９】
低融点合金相と隣接する前記硬質で脆い合金相が、金属マトリックス中に体積率で１０％以下存在することを特徴とする請求項１８記載の金属材料。
【請求項２０】
切削用に供される請求項４に記載の金属材料を製造する方法であって、ＳｎとＢｉ、Ｐｂの少なくとも１種を含有する金属マトリックスを、該金属マトリックス中にＳｎが均一に固溶する温度まで加熱し、ＳｎおよびＳｎと金属マトリックスとの合金相の析出が生じないような十分に速い冷却速度で冷却した後、再加熱することによって固溶したＳｎと、Ｂｉおよび／またはＰｂを反応させ、形成される低融点合金相を均一に分散させることを特徴とする金属材料の製造方法。
【請求項２１】
切削用に供される請求項４に記載の金属材料を製造する方法であって、ＳｎとＢｉ、Ｐｂの少なくとも１種を含有する金属マトリックスを、該金属マトリックス中にＳｎが均一に固溶する温度まで加熱し、固溶したＳｎとＢｉおよび／またはＰｂが反応するような十分に遅い冷却速度で冷却し、均一に分散した低融点合金相を形成することを特徴とする金属材料の製造方法。
【請求項２２】
切削用に供される請求項４に記載の金属材料を製造する方法であって、ＳｎとＢｉ、Ｐｂの少なくとも１種を含有する金属マトリックスを４００℃以上の温度域に１分以上保持することによって、金属マトリックス中に低融点合金相を析出させることをと特徴とする金属材料の製造方法。
【請求項２３】
前記金属マトリックスが銅合金からなることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれかに記載の金属材料の製造方法。
【請求項２４】
前記銅合金がＣｕ−Ｚｎ系合金からなることを特徴とする請求項２３記載の金属材料の製造方法。
【請求項２５】
金属マトリックスが銅合金からなる請求項５に記載の金属材料の製造方法であって、熱間加工工程を有し、熱間加工後冷却し、熱間加工のまままたは冷間加工を加えた後、４００℃以上の温度に再加熱して４００℃以上の温度域に１分以上保持することを特徴とする金属材料の製造方法。
【請求項２６】
金属マトリックスが銅合金からなる請求項５に記載の金属材料の製造方法であって、熱間加工工程を有し、熱間加工後、４００℃以上の温度域に１分以上保持されるよう冷却することを特徴とする金属材料の製造方法。
【請求項２７】
熱間加工後冷却し、冷間抽伸加工を加えた後、４００℃以上の温度に再加熱して４００℃以上の温度域に１分以上保持することを特徴とする請求項２６記載の金属材料の製造方法。
【請求項２８】
断面減少率５〜３０％の最終冷間加工を施すことを特徴とする請求項２０〜２７のいずれかに記載の金属材料の製造方法。
【請求項２９】
最終冷間加工を断面減少率１０〜２０％で行うことを特徴とする請求項２８記載の金属材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、鉄、ステンレス鋼、銅合金、アルミニウム合金などの金属材料、とくに切削用に供される金属材料およびその製造方法、さらには、切削用の銅合金に適用して最も好適な金属材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】  従来、快削性をそなえた鉄、ステンレス鋼などの鉄鋼材料、銅合金材料、アルミニウム合金材料などには０．３５〜１０％程度のＰｂが含有されている場合が多く、例えば、機械加工による切削性に優れたＣｕ−Ｚｎ合金などの快削性銅合金は、ＪＩＳ  Ｃ３６００、Ｃ３７００などとして日本工業規格（ＪＩＳ）に登録され、水栓金具、バルブ部品、軸受け、歯車、その他の用途に広く使用されている。
近年、Ｐｂは人体や環境に悪影響を及ぼす有害物質とされ、世界的にその使用が制限される傾向にある。上記のＪＩＳに規定されているＰｂ入り快削銅合金を水栓金具などの給水、給湯用部品として使用した場合には、切削加工が施されるが、その際の加工熱などの影響によりＰｂが溶融して材料表面に付着し、加工面と接触する飲料水中へ溶出する。溶出量についての規制は国内においても次第に厳しくなっており、現在、厚生省令における飲料水へのＰｂの溶出量規制は０．０１ｍｇ／ｌ以下に強化されている。
Ｂｉは、周期律表でＰｂの隣に位置し、Ｐｂの特性を多くそなえているため、Ｐｂに代えて同じく低融点金属のＢｉを添加する手法が提案されている（特開平７−３１０１３３号公報）。しかしながら、例えば、切削用銅合金の場合、機械加工条件によらず良好な被削性を得るためには、低融点金属粒子の分散径を小さくすることが有効であるが、ＢｉはＰｂと比べ銅合金に対する濡れ角が小さく、マトリックスの粒成長に伴ってＢｉ粒子も粗大化するため、単純にＢｉをＰｂに置き換えるだけでは、Ｂｉ粒子が微細に分散せず、製造工程を改善しない限り十分な被削性が得られないという問題がある。
先に発明者の１人は本発明の発明者以外の他の発明者とともに、快削性銅合金において、ＢｉをＰｂに代替した場合における切削性の向上を目的として、Ｂｉ添加の影響について検討を行った結果として、切削加工における加工条件に関係なく優れた切削性を得ることができるものとして、Ｂｉ０．５〜４．０％、Ｐｂ０．１〜１．０％を含有し、ＢｉとＰｂが化合物としてマトリックス中に存在する快削性銅合金を提案した（特開２００２−１４６４５５号公報）。
しかしながら、上記提案の快削性銅合金において、従来のＰｂ入り銅合金と同等の切削性を達成するためには、Ｂｉの添加量をＰｂと同程度以上としなければならず、ＢｉはＰｂと比べて資源上希少であり、また供給体制も十分に整っていないため、きわめてコスト高となるという難点がある。
【発明の開示】
発明者らは、上記の難点を解消するために、Ｂｉを添加した銅合金において、切削性を確保しながらＢｉ添加量を低減するための手法について、試験、検討を重ねた結果、Ｂｉおよび／またはＰｂをＳｎと共存させることにより、ＳｎがＢｉ、Ｐｂと低融点化合物を形成して、それぞれの単独添加量を低減することができることを見出した。
発明者らは、上記の知見に基づいてさらに検討を重ねた結果、上記の知見は他の金属材料にも適用し得ることを見出した本発明に到ったものであり、本発明は、Ｂｉ、Ｐｂのうちの少なくとも１種とＳｎとにより形成される低融点合金相が分散した金属マトリックスの形成を特徴とし、とくに切削用金属材料、最も好適には切削用銅合金に適用した場合に、加工条件に関係なく優れた切削性が得られ、また、Ｐｂの溶出量規制（０．０１ｍｇ／ｌ以下）を満足させることが可能であり、コスト的にも有利な金属材料およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の請求項１による金属材料は、金属マトリックス中に、Ｂｉ、Ｐｂのうちの少なくとも１種とＳｎとによって形成される低融点合金相が分散していることを特徴とする。
請求項２による金属材料は、請求項１において、前記低融点合金相は、前記金属マトリックス中に固溶したＳｎと、添加されたＢｉおよび／またはＰｂとの反応により形成されることを特徴とする。
請求項３による金属材料は、請求項１または２において、前記低融点合金相が前記金属マトリックス中に１０４個／ｍｍ３以上分散していることを特徴とする。
請求項４による金属材料は、請求項１〜３のいずれかにおいて、切削用に供されることを特徴とする。
請求項５による金属材料は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記金属マトリックスが銅合金からなることを特徴とする。
請求項６による金属材料は、請求項５において、前記銅合金がＣｕ−Ｚｎ系合金からなることを特徴とする。
請求項７による金属材料は、請求項５または６において、前記銅合金またはＣｕ−Ｚｎ系合金のＦｅ含有量が０．５％以下に規制されることを特徴とする。
請求項８による金属材料は、請求項５〜７のいずれかにおいて、前記銅合金またはＣｕ−Ｚｎ系合金が０．６％以下のＰｂを含有することを特徴とする。
請求項９による金属材料は、請求項４〜８のいずれかにおいて、前記低融点合金相が金属マトリックス中に体積率で０．３５〜１０％形成されていることを特徴とする。
請求項１０による金属材料は、請求項５〜７のいずれかにおいて、Ｓｎ１．０〜３．５％を含有し、ＢｉとＰｂを総量で０．４〜０．６％含有することを特徴とする。
請求項１１による金属材料は、請求項９において、Ｓｎ２．０〜４．５％を含有し、ＢｉとＰｂを総量で０．４〜０．６％含有することを特徴とする。
請求項１２による金属材料は、請求項１０または１１において、Ｐを含有することを特徴とする。
請求項１３による金属材料は、請求項１２において、Ｐ０．０２〜０．０４％を含有することを特徴とする。
請求項１４による金属材料は、請求項１３において、鋳造材として切削用に供されることを特徴とする。
請求項１５による金属材料は、請求項５〜７のいずれかにおいて、前記銅合金またはＣｕ−Ｚｎ系合金がＳｎおよびＢｉを含有し、Ｂｉ０．３〜２．９％を含有することを特徴とする。
請求項１６による金属材料は、請求項５〜７のいずれかにおいて、前記銅合金またはＣｕ−Ｚｎ系合金がＳｎおよびＰｂを含有し、Ｐｂ０．２〜０．６％を含有することを特徴とする。
請求項１７による金属材料は、請求項５〜７のいずれかにおいて、前記銅合金またはＣｕ−Ｚｎ系合金がＳｎ、Ｂｉおよび０．６％以下のＰｂを含有し、Ｐｂの含有量が０．２％未満の場合にはＢｉを（０．３％−Ｐｂ含有量％×１．５）〜（２．９％−Ｐｂ含有量％×１．５）％含有し、Ｐｂの含有量が０．２〜０．６％の場合には（２．９％−Ｐｂ含有量％×１．５）％以下であることを特徴とする。
請求項１８による金属材料は、切削用に供される請求項５〜１７のいずれかに記載の金属材料であって、金属マトリックス中に分散する低融点合金相が、硬質で脆い合金相と隣接して析出、分散していることを特徴とする。
請求項１９による金属材料は、請求項１８において、低融点合金相と隣接する前記硬質で脆い合金相が、金属マトリックス中に体積率で１０％以下存在することを特徴とする。
請求項２０による金属材料の製造方法は、切削用に供される請求項４に記載の金属材料を製造する方法であって、ＳｎとＢｉ、Ｐｂの少なくとも１種を含有する金属マトリックスを、該金属マトリックス中にＳｎが均一に固溶する温度まで加熱し、ＳｎおよびＳｎと金属マトリックスとの合金相の析出が生じないような十分に速い冷却速度で冷却した後、再加熱することによって固溶したＳｎと、Ｂｉおよび／またはＰｂを反応させ、形成される低融点合金相を均一に分散させることを特徴とする。
請求項２１による金属材料の製造方法は、切削用に供される請求項４に記載の金属材料を製造する方法であって、ＳｎとＢｉ、Ｐｂの少なくとも１種を含有する金属マトリックスを、該金属マトリックス中にＳｎが均一に固溶する温度まで加熱し、固溶したＳｎとＢｉおよび／またはＰｂが反応するような十分に遅い冷却速度で冷却し、均一に分散した低融点合金相を形成することを特徴とする。
請求項２２による金属材料の製造方法は、切削用に供される請求項４に記載の金属材料を製造する方法であって、ＳｎとＢｉ、Ｐｂの少なくとも１種を含有する金属マトリックスを４００℃以上の温度域に１分以上保持することによって、金属マトリックス中に低融点合金相を析出させることをと特徴とする。
請求項２３による金属材料の製造方法は、請求項２０〜２２にいずれかにおいて、前記金属マトリックスが銅合金からなることを特徴とする。
請求項２４による金属材料の製造方法は、請求項２３において、前記銅合金がＣｕ−Ｚｎ系合金からなることを特徴とする。
請求項２５による金属材料の製造方法は、金属マトリックスが銅合金からなる請求項５に記載の金属材料の製造方法であって、熱間加工工程を有し、熱間加工後冷却し、熱間加工のまままたは冷間加工を加えた後、４００℃以上の温度に再加熱して４００℃以上の温度域に１分以上保持することを特徴とする。
請求項２６による金属材料の製造方法は、請求項２５において、熱間加工後冷却し、冷間抽伸加工を加えた後、４００℃以上の温度に再加熱して４００℃以上の温度域に１分以上保持することを特徴とする。
請求項２７による金属材料の製造方法は、金属マトリックスが銅合金からなる請求項５に記載の金属材料の製造方法であって、熱間加工工程を有し、熱間加工後、４００℃以上の温度域に１分以上保持されるよう冷却することを特徴とする。
請求項２８による金属材料の製造方法は、請求項２０〜２７のいずれかにおいて、断面減少率５〜３０％の最終冷間加工を施すことを特徴とする。
請求項２９による金属材料の製造方法は、請求項２８において、最終冷間加工を断面減少率１０〜２０％で行うことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の特徴について説明すれば以下のとおりである。
（１）Ｓｎは、ＢｉおよびＰｂと共晶により低融点合金を生成する。共晶合金であるため、この低融点合金は、ＢｉおよびＰｂ単独の場合より融点が低い。また、共晶組成がＢｉの場合で５７％、Ｐｂの場合で３８％であるため、ＢｉおよびＰｂの添加量に対して約２倍の効果が得られる。
（２）とくに銅合金にＢｉ、Ｐｂ、Ｓｎを添加した場合、ＢｉおよびＰｂはマトリックス中に固溶せず単独で存在する。Ｓｎはマトリックス中に固溶するが、熱処理により固溶したＳｎはＢｉ、Ｐｂと反応して低融点合金相を生成する。
（３）金属マトリックス中に微細分散した低融点合金相は、ＢｉおよびＰｂ単独の場合より融点が低いため、ＢｉおよびＰｂの場合よりも少量のマトリックス１ｍｍ３当たり１０４個以上の分散粒子数分布により良好な切削性が得られる。
（４）とくに銅合金の場合には、Ｓｎの固溶量は温度の上昇とともに増大するため、高温から高速で冷却することによりＳｎの析出を抑制してマトリックス中にＳｎを固溶させることができる。Ｃｕ−Ｚｎ系合金においては、高温になると、Ｓｎ固溶限の高いβ相の比率が増加するため、高温から高速で冷却することによって、さらにＳｎの濃度を均一にすることができる。
（５）高温から高速で冷却すれば、濃度が一定の場合には分散粒子数が増加するので、一定量の分散粒子数を得るための添加濃度は低くて足りる。
（６）固溶したＳｎと、分散したＢｉ、Ｐｂは、再加熱により合金化する。合金化は、Ｓｎを高濃度で均一に固溶させ、且つＢｉ、Ｐｂの分散粒子数を増加させることにより、拡散距離が短くなり反応を容易とすることにより促進される。また、合金化はＢｉ、Ｐｂの存在位置において生じるため、Ｂｉ、Ｐｂを微細分散させることにより、合金相の微細分散を達成することができる。銅合金の場合、４００℃以上の温度（材料温度）に再加熱して４００℃以上の温度域に１分以上保持することによって、熱間押出加工温度に関係なく低融点化合物の生成が促進される。
（７）上記の再加熱は、銅合金などの金属材料を熱間加工後、徐冷することによっても代用することができる。熱間加工直後においては、Ｓｎの均一固溶およびＢｉ、Ｐｂの均一分散が達成され、徐冷することにより再加熱と同等の温度状態が得られるため合金化反応が進行する。徐冷は、４００℃（材料温度）以上の温度から４００℃までの温度域を１分以上かけて通過するよう冷却すればよい。
（８）ＢｉおよびＰｂと合金化させるためのＳｎ量は、化学量論量より多い方が効率良く反応させることができるが、Ｓｎ量が過剰な場合には金属マトリックスと反応し硬質相が分散する。言い換えれば、金属マトリックスとの反応により析出した硬質相が、低融点合金相と複合分散している場合には、ＳｎとＢｉ、Ｐｂの合金化が十分に行われているということができる。
（９）とくに金属マトリックスが銅合金の場合には、上記の硬質相が多量に存在すると冷間加工性が阻害されるから、マトリックス中に体積率で１０％以下とすることが望ましい。金属マトリックスが銅合金、とくにＣｕ−Ｚｎ系合金の場合には、過剰なＳｎとの反応によりＣｕＺｎＳｎを主成分とする硬くて脆いγ相が低融点合金相に隣接して形成される。
（１０）とくに金属マトリックスが銅合金の場合には、金属マトリックス中に分散する低融点合金相が、硬質で脆い合金相と隣接して析出、分散することにより、良好な切削性を得ることができる。Ｃｕ−Ｚｎ系合金においては、切削性を向上させるβ相が存在するため、β相と硬質γ相および低融点合金相との共存により優れた切削性を得ることができる。
（１１）金属マトリックスを銅合金とする金属材料においては、低融点合金相をマトリックス中に体積率で０．３５〜１０％存在させることにより、従来のＰｂ含有切削用銅合金において同量のＰｂを存在させた場合と同等以上の切削性を得ることができる。
（１２）本発明においては、Ｐｂ、Ｂｉの単独添加量を低減するための複合添加元素としてＳｎを選択したものであり、Ｓｎと共に、Ｐｂおよび／またはＢｉを添加することができるが、Ｐｂが添加される場合には、Ｐｂの溶出量規制、０．０１ｍｇ／ｌ以下を達成するために、Ｐｂの含有量を０．６％以下にすることが必要である。
また、金属マトリックスがＣｕ−Ｚｎ合金などの銅合金からなる切削用金属材料の特徴について以下に説明すると、ＳｎがＢｉと共存する場合、共晶により低融点化合物を生成する。ＳｎとＢｉの共晶組成はＳｎ−５７％Ｂｉであることを考慮すると、Ｂｉの好ましい含有量は０．３〜２．９％の範囲とするのが好ましい。
ＳｎがＰｂと共存する場合、共晶により低融点化合物を生成する。ＳｎとＰｂの共晶組成はＳｎ−３８％Ｐｂであることを考慮すると、Ｐｂの好ましい含有量は０．２〜１．９％の範囲とするのが好ましいが、Ｐｂの溶出量規制、０．０１ｍｇ／ｌ以下を達成するために、前記のように、Ｐｂの含有量を０．６％以下にすることが必要であるから、Ｐｂの好ましい含有範囲は０．２〜０．６％である。
ＳｎがＢｉ、Ｐｂと共存する場合にも、共晶により低融点化合物が生成する。この場合におけるＢｉ、Ｐｂの含有量については、Ｐｂの含有量は０．６％以下にすることが必要であるから、Ｐｂの含有量に対応するＢｉの好ましい含有量は、Ｐｂが０．２％未満の場合には、（０．３％−Ｐｂ含有量％×１．５）〜（２．９％−Ｐｂ含有量％×１．５）、Ｐｂが０．２〜０．６％の場合には、（２．９％−Ｐｂ含有量％×１．５）以下である。
Ｓｎの含有量については、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂの低融点化合物の生成に必要な共晶組成に基づく含有量が最低限必要であるから、好ましくは０．３％以上である。
金属マトリックスがＣｕ−Ｚｎ合金などの銅合金からなる切削用金属材料において、上記の組成のものでは、前記のように、熱間押出後の再加熱処理や徐冷処理により良好な切削性を得ることができ、このための適切な熱処理条件を選択することが必要となるが、銅合金の組成を以下の（Ａ）、（Ｂ）とするすることにより、熱処理条件に影響されることなく切削性の良好な状態を得ることが可能となる。
（Ａ）Ｓｎ１．０〜３．５％を含有し、ＢｉとＰｂを総量で０．４〜０．６％含有する銅合金。
（Ｂ）Ｓｎ２．０〜４．５％を含有し、ＢｉとＰｂを総量で０．４〜０．６％含有する銅合金。
ＳｎとＢｉおよび／またはＰｂとの反応により形成される低融点合金相が十分な量、すなわちマトリックス中に１０４個／ｍｍ３以上分散させるためには、ＢｉとＰｂを総量で０．４％以上含有させることが必要であり、熱処理後、ＳｎおよびＳｎと金属マトリックスとの合金相の析出が生じないような十分に速い冷却速度で冷却した場合においても上記の量の低融点合金相を分散させるためには、Ｓｎ濃度を１．０％以上とすることが必要である。しかしながら、多量の低融点合金相が生成されると、熱処理条件によっては低融点合金相が粗大化し、切削加工時に割れが生じ易くなるため、切削加工時の割れ抑制のために、ＢｉおよびＰｂの総量を０．６％以下とするとともに、Ｓｎ濃度を３．５％以下にするのが好ましい。
熱処理後、ＳｎおよびＳｎと金属マトリックスとの合金相が析出する場合において、ＳｎとＢｉおよび／またはＰｂとの反応により形成される低融点合金相がマトリックス中に１０４個／ｍｍ３以上、体積率で０．３５〜１０％分散する状態を得るためには、ＢｉとＰｂを総量で０．４％以上含有させ、且つＳｎを２．０％以上含有させることが必要である。この場合も、多量の低融点合金相が生成されると、熱処理条件によっては低融点合金相が粗大化し、切削加工時に割れが生じ易くなるため、切削加工時の割れ抑制のために、ＢｉおよびＰｂの総量を０．６％以下とするとともに、Ｓｎ濃度を４．５％以下にするのが好ましい。
上記（Ａ）、（Ｂ）の組成を有する銅合金は鋳造材（鋳物）として切削用に供されることができるが、Ｃｕ−Ｚｎ合金においては、ＳｎおよびＢｉが含有されると溶湯の流動性が阻害される。これは、溶湯の粘度が上昇することによる直接的な流動性低下と、デンドライトの成長が促進されることにより生じる凝固時の見掛け上の流動性の低下に起因する。溶湯の流動性が低下すると、肉厚の鋳物を製造する場合には凝固割れが生じ易く、薄肉の鋳物を製造する場合には欠肉が生じ易くなる。溶湯の流動性を向上させるためには、溶湯の粘度を低下させること、およびデンドライトの成長を抑制することが有効であり、Ｐの添加が効果的であり、Ｐの好ましい添加量は０．０２〜０．０４％である。Ｐの添加量が０．０４％を越えても、それ以上の流動性の改善効果が得られない。ビレットに造塊して熱間押出を行う場合には、剪断割れがを生じるなどの弊害があり、健全な押出材を得るための押出条件が制約される。
本発明に係るＣｕ−Ｚｎ合金の製造において、同じＣｕ−Ｚｎ系スクラップを使用することは作業面、コスト面などで有利となる。ＪＩＳ３０００系（Ｃｕ−Ｚｎ系）合金に含まれるＰｂは、Ｂｉと比較して表面エネルギーが低いため粒状化して微細化する傾向にある。しかしながら、ＢｉとＰｂとの共晶が生じた場合には、Ｐｂの表面エネルギーが増大し、一定量以上のＢｉを含有すると、Ｐｂ単独のときのようには微細分散せず粗大化する。低融点金属粒子は、母材とは非整合であるため、母材の変形時には欠陥として作用することを考慮すると、低融点金属粒子が粗大化すると、微細分散する場合に比較して延性を低下させる要因となるから、Ｐｂを含むＣｕ−Ｚｎ系合金の製造に多くのＢｉを含むＣｕ−Ｚｎ系スクラップを使用することには問題がある。Ｂｉ含有量を０．６％程度以下に規制すれば延性低下を抑制することができるから、上記（Ａ）、（Ｂ）の組成を有するＣｕ−Ｚｎ合金のスクラップは、鉛含有黄銅の原料として適用されることが可能となる。
Ｃｕ−Ｚｎ系（黄銅系）銅合金マトリックスにＳｎを含有させ、Ｂｉ、Ｐｂの１種または２種を含有させた場合には、ＳｎはＣｕ−Ｚｎ−Ｓｎ三元合金相を形成し、Ｂｉ−Ｐｂは独立相として存在するので、マトリックス中に、これら低融点金属を低融点化合物として存在させるために、４００℃以上、好ましくは５００℃以上の温度（材料温度）で熱間押出加工を行う。
銅合金を金属マトリックスとする本発明の金属材料について機械加工、とくに高速切削を行う場合には、材料を高速回転させるため、材料に曲がりがあると加工機に振動を与え、結果として加工精度が低下する。熱間押出材は伸直度が良くないから、加工精度を向上させるために、熱間押出加工後、冷間引き抜き加工を行って伸直度を上げておくことが好ましい。
最終的には冷間加工を行って製品とするが、冷間加工は、材料硬度を増加させ、切削くず処理性を向上させるともできるが、過剰な冷間加工は切削抵抗を増加させ、工具の損傷や被削面粗度を低下させる原因となるから、製品になる直前の最終冷間加工の断面減少率は５〜３０％、さらに好ましくは１０〜２０％とするのが望ましい。
なお、銅合金を金属マトリックスとする本発明の金属材料の製造において、スクラップを使用した場合には、不純物としてのＦｅの混入は避けられないが、多量のＦｅの含有は、大小の結晶粒を混在させるため、機械的性質を不安定化する要因となるから、Ｆｅの含有は０．５％以下に規制することが望ましい。
以下、本発明の実施例として、金属マトリックスが銅合金からなる金属材料を比較例と対比して説明するとともに、それに基づいてその効果を実証する。なお、これらの実施例は、本発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、本発明はこれに限定されるものではない。
【実施例１】  Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐｂの新地金を主原料として成分元素の濃度を調整した表１に示す組成の合金（合金Ｎｏ．１〜１０）を溶解、鋳造し、直径２９４ｍｍのビレットに造塊した。つぎに、得られたビレットを、表２に示す条件で直径１６．４〜１９．１ｍｍの棒材に熱間押出加工し、熱間押出後、合金Ｎｏ．２〜４、７、９については、表２に示す条件で冷却した。
熱間押出後の冷却は、熱間押出材を巻き取るコイルパンを断熱材で覆うことによって表２に示すように押出後の冷却速度を調整した。冷却後、断面減少率５〜３０％で冷間抽伸加工し、さらに矯正仕上げ加工を行い、直径１６ｍｍの棒材とした。
合金Ｎｏ．１、５〜６、８については、熱間押出後、断面減少率１０％で冷間抽伸を行った後、表２に示す条件で熱処理を行い、さらに断面減少率５〜３０％で冷間抽伸加工し、矯正仕上げ加工を行って直径１６ｍｍの棒材とした。熱処理は、電気炉を用いて所定温度に所定時間保持した後冷却する条件で行った。
矯正仕上げ加工後の棒材（試験材）について、下記の方法により、低融点化合物の含有量（比率）および粒子数を求め、切削性の評価を行い、Ｐｂ溶出試験を行ってＰｂ溶出量を測定した。評価結果、測定結果を表４に示す。
低融点化合物の含有量（比率）：試験材の横断面をＥＰＭＡにより面分析し、Ｂｉ単独相、Ｐｂ単独相およびＢｉ、ＰｂがＳｎと重なる相の面積率ならびに粒子数を画像解析により求め、これを体積率ならびに単位体積当たりの粒子数に換算することにより求める。
切削試験：表３に示す条件で切削加工を行い、いずれの切削条件においても切粉が微細に分断して被削性が優れていたものは◎、いずれか１つの条件でも切屑がカールしたものは○として、◎および○のものを合格とし、いずれか１つの条件でも切屑が連続したもの（パーマネント状になったもの）は不合格（×）とした。
Ｐｂ溶出試験：試験材から切削加工により表面積３０００ｍｍ２の素材を１０本作製し、これを試験片として、密閉容器中に１０００ｍｌの試験液に浸漬するように封入し、厚生労働省令に準拠した方法により試験を行い、ＪＩＳ  １５Ａバルブの接触表面積および内容積で規格化して、０．０１ｍｇ／ｌ以下を満足するものを合格（○）、０．０１ｍｇ／ｌ以下を満足しないものを不合格（×）とした。
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表４にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜１０はいずれも切削加工条件によらず優れた快削性を示した。また、Ｐｂ溶出量はいずれも、０．０１ｍｇ／ｌ以下で、規制値をクリアし得るものであった。
比較例１
Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐｂの新地金を主原料として成分元素の濃度を調整した表５に示す組成の合金（合金Ｎｏ．１１〜１９）を溶解、鋳造し、直径２９４ｍｍのビレットに造塊した。つぎに、得られたビレットを、表６に示す条件で直径１６．４〜１９．１ｍｍの棒材に熱間押出加工し、熱間押出後、合金Ｎｏ．１３〜１５、１７については、表６に示す条件で冷却した。
熱間押出後の冷却は、熱間押出材を巻き取るコイルパンを断熱材で覆うことによって表６に示すように押出後の冷却速度を調整した。冷却後、断面減少率５〜３０％で冷間抽伸加工し、さらに矯正仕上げ加工を行い、直径１６ｍｍの棒材とした。
合金Ｎｏ．１１〜１２、１６、１８〜１９については、熱間押出後、断面減少率１０％で冷間抽伸を行った後、表６に示す条件で熱処理を行、さらに断面減少率５〜３０％で冷間抽伸加工し、矯正仕上げ加工を行って直径１６ｍｍの棒材とした。熱処理は、電気炉を用いて所定温度に所定時間保持した後冷却する条件で行った。
矯正仕上げ加工後の棒材（試験材）について、実施例１と同じ方法により、低融点化合物の含有量（比率）を求め、切削性の評価を行い、Ｐｂ溶出試験を行ってＰｂ溶出量を測定した。評価結果、測定結果を表７に示す。
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表７に示すように、試験材Ｎｏ．１１、１２は低融点合金の含有量が少ないため低融点合金粒子数も少なくなり、切削条件によっては被削屑が分断されずパーマネント状となり、十分な切削性が得られない。試験材Ｎｏ．１３、１６はＰｂの含有量が多いため、Ｐｂ溶出量が多くなった。試験材Ｎｏ．１４は低融点合金の含有量が多いため、抽伸加工時に破断が生じ、切削試験に供することができなかった。試験材Ｎｏ．１５、１７は熱間押出後の冷却速度が大きいため、試験材Ｎｏ．１８は熱処理温度が低いため、また試験材Ｎｏ．１９は熱処理時間が短いため、いずれも低融点合金粒子数が少なくなり、切削条件によっては被削屑が分断されずパーマネント状となり、十分な切削性が得られない。
【実施例２】  Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐｂの新地金を主原料として成分元素の濃度を調整した表８に示す組成の合金（合金Ｎｏ．２０〜２８）を溶解、鋳造し、直径２９４ｍｍのビレットに造塊した。つぎに、得られたビレットを、６００℃で直径２４ｍｍの棒材に熱間押出加工し、熱間押出後、断面減少率１０％の冷間抽伸加工を行った。ついで、６００℃の温度に加熱し、合金Ｎｏ．２０〜２５については水冷し、合金Ｎｏ．２６〜２８については空冷する熱処理を行った後、断面減少率１０％の冷間抽伸加工を施し、矯正仕上げ加工を行って直径２０ｍｍの棒材とした。なお、熱処理は電気炉を用いて所定温度に加熱したのち冷却する条件で行った。
矯正仕上げ加工した棒材（試験材）について、実施例１と同じ方法により低融点化合物の含有率（比率）および粒子数を求め、切削性の評価を行った。また、下記の方法により、ＪＩＳＣ３０００系合金製造時のスクラップとしての使用可否を評価した。結果を表９に示す。
スクラップ使用可否評価方法：試験材を主原料として成分元素をＪＩＳＣ３６０４に規定する濃度に調整した合金を溶解、鋳造し、直径２９４ｍｍのビレットに造塊し、得られたビレットを、６５０℃で直径２２ｍｍの棒材に熱間押出加工し、熱間押出後、断面減少率１０％の冷間抽伸加工を行い、さらに矯正仕上げ加工を行って直径２０ｍｍの棒材とした。この棒材と、ＪＩＳＣ３６０４のスクラップのみを用いて同様の方法で製造した棒材との機械的性質を比較した。機械的性質の比較は、引張試験を行って測定した強度および延びを比較することにより行い、強度、延び共にＪＩＳＣ３６０４のスクラップ使用材と同等（誤差１０％以内）のものを合格（◎）、強度、延びの低下率が１０％を越えるのものを不合格（×）とした。
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表９にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．２０〜２８はいずれも、切削加工条件によらず優れた被削性を示し、そのスクラップをＪＩＳＣ３０００系合金製造における原料として使用しても脆化を生じることがなかった。
比較例２
Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｐｂの新地金を主原料として成分元素の濃度を調整した表１０に示す組成の合金（合金Ｎｏ．２９〜３６）を溶解、鋳造し、直径２９４ｍｍのビレットに造塊した。つぎに、得られたビレットを、６００℃で直径２４ｍｍの棒材に熱間押出加工し、熱間押出後、断面減少率１０％の冷間抽伸加工を行った。ついで、６００℃の温度に加熱し、合金Ｎｏ．２９〜３２、３７、３８については水冷し、合金Ｎｏ．３３〜３６については空冷する熱処理を行った後、断面減少率１０％の冷間抽伸加工を施し、矯正仕上げ加工を行って直径２０ｍｍの棒材とした。なお、熱処理は電気炉を用いて所定温度に加熱したのち冷却する条件で行った。
矯正仕上げ加工後の棒材（試験材）について、実施例２と同一の方法により、低融点化合物の含有量（比率）および粒子数を求め、切削性の評価、ＪＩＳＣ３０００系合金製造のスクラップとしての使用可否の評価を行った、結果を表１１に示す。
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表１１に示すように、試験材Ｎｏ．２９、３０、３３、３５は低融点合金が粗大化し、切削条件によって割れが生じる。さらに試験材Ｎｏ．２９、３３はＢｉ含有量が多いため、ＪＩＳＣ３０００系合金製造のスクラップとして使用した場合に脆化が生じる。試験材Ｎｏ．３１、３２、３４、３６は低融点化合合金粒子数が少ないため、切削条件によっては切屑が分断されずパーマネント状となり、十分な切削性が得られない。試験材Ｎｏ．３７はＰ含有量が少ないため、鋳造時に割れが生じ加工することができなかった。試験材Ｎｏ．３８はＰ含有量が多いため、熱間押出時に割れが生じ切削試験ができなかった。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、切削用金属材料、とくに切削用銅合金に適用した場合に、加工条件に関係なく優れた切削性が得られ、また、Ｐｂの溶出量規制（０．０１ｍｇ／ｌ以下）を満足させることが可能であり、コスト的にも有利な金属材料およびその製造方法が提供される。本発明よる金属材料は、配線器具、スイッチ、リレー、コネクタ、電気機器用バネ、カメラ部品、計器盤部品、時計部品、軸受け、ブッシュ、ボルト、ナット、ワッシャ、スピンドル、シャフト、軸、送りバネ、バルブ、金物、ファスナ、鋲、かぎ針、ピン、眼鏡部品、ライター部品、ボールペン部品、ベッド、カーテンレール、薬きょう、熱交換器用部品、浴室部品、トイレ部品、台所部品など、切削加工に供される用途に好適に使用される。
【国際調査報告】
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