(57)【要約】【課題】水質悪化を招く鉛を含有させずとも優れた被削性および耐圧性を発揮すると共に、強度、伸び等の機械的特性にも優れ、水栓金具や接水栓等の素材として有用な鋳物用無鉛銅合金を提供する。【解決手段】本発明の鋳物用無鉛銅合金は、Ｓ：０．０５〜１．５％（質量％の意味、以下同じ）およびＢｉ：３．５％以下（０％を含まない）を含有すると共に、Ｆｅ：０．５％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０％を含まない）を含有し、且つ硫化物が分散されたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓ：０．０５〜１．５％（質量％の意味、以下同じ）およびＢｉ：３．５％以下（０％を含まない）を含有すると共に、Ｆｅ：０．５％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０％を含まない）を含有し、且つ硫化物が分散されたものであることを特徴とする被削性に優れた鋳物用無鉛銅合金。
【請求項２】
Ｓの含有量が０．０５〜０．８％である請求項１に記載の鋳物用無鉛銅合金。
【請求項３】
更に、Ｓｎ：１０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の鋳物用無鉛銅合金。
【請求項４】
更に、Ｚｎ：１０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の鋳物用無鉛銅合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被削性に優れた鋳物用銅合金に関するものであり、殊に人体に有害な鉛を含有させずとも優れた被削性および耐圧性を発揮すると共に、強度や伸び等の機械的特性にも優れた鋳物用無鉛銅合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
銅合金は、導電性や熱伝導性に優れていることから、従来から各種電気部品等の素材として広く使用されている。また銅合金のうち鋳物用銅合金については、ＪＩＳ  Ｈ５１２０に各種規定されており、バルブ胴体、給水栓、軸受等、各種用途で使用されることが予定されている。
【０００３】
ところで、上下水道の水栓金具や一般配管用の接水栓には、鋳物用銅合金が一般に使用されており、特に上記ＪＩＳ  Ｈ５１２０に規定されているもののうち、ＣＡＣ２０３合金等の黄銅系（Ｃｕ−Ｚｎ系）の銅合金やＣＡＣ４０３，４０６等の青銅系（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ−Ｚｎ系）等がその素材として知られている。
【０００４】
上記の様な水栓金具や接水栓等に使用される場合には、耐圧性、耐磨耗性、鋳造性、機械的特性（強度や硬さ）の他、被削性（切削性）が良好であることも要求されるのであるが、こうした被削性を向上させる手段として、鉛（Ｐｂ）を含有させることが良く知られており、上記鋳物用銅合金のうちＣＡＣ４０６は鉛を４〜６％程度含有させることによって被削性を向上させたものである。また鉛を含有させることは、銅合金の耐圧性を向上させる上でも有用であることが知られている（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
しかしながら、鉛を含有させた鋳物用銅合金によって水栓金具や給水栓等を製作すると、その中に含まれる有害な鉛が飲料水中に溶出して水質悪化を招き、人体に悪影響を及ぼすことが指摘されている。特に、我が国においては、平成１５年度から鉛の水質基準が従来の１／５に強化され、それにともなって水栓金具や給水栓等に使用される鋳物用銅合金における鉛の規制が厳しくなってきている。
【０００６】
こうしたことから、鉛を積極的に含有させずに被削性を向上させる鋳物用銅合金がこれまでにも様々提案されている。被削性改善のために、鉛の代替としてＢｉやＳｅを添加した銅合金が欧米を中心に開発され、ＣＤＡ（Ｃｏｐｐｅｒ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）規格として登録されている（例えば、非特許文献２）。また、ＢｉとともにＳｂを含有することも知られている（前記非特許文献１）。
【０００７】
これらの銅合金は、快削性元素として鉛の代わりにＢｉ、Ｓｅ、Ｓｂ等を含有させるものであり、こうした技術の開発によって鉛による害を防止しつつ比較的良好な被削性を維持できたのである。
【０００８】
しかしながら、これまで開発されている無鉛銅合金では、鋳造欠陥である「鋳巣」が発生しやすくなっており、これが原因して従来の規格銅合金よりも耐圧性が劣化することがあり、更なる改善が望まれているのが実情である。
【非特許文献１】「まてりあ」、第４３巻、第８号（２００４）、第６４７〜６５０頁
【非特許文献２】「素形材」、２００３．８月、（財）素形材センター発行、第７〜第１４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、水質悪化を招く鉛を含有させずとも優れた被削性および耐圧性を発揮すると共に、強度、伸び等の機械的特性にも優れ、水栓金具や接水栓等の素材として有用な鋳物用無鉛銅合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成し得た本発明の鋳物用無鉛銅合金とは、Ｓ：０．０５〜１．５％（質量％の意味、以下同じ）およびＢｉ：３．５％以下（０％を含まない）を含有すると共に、Ｆｅ：０．５％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０％を含まない）を含有し、且つ硫化物が分散されたものである点に要旨を有するものである。この銅合金においては、Ｓの含有量は０．０５〜０．８％程度であることが好ましい。
【００１１】
また本発明の鋳物用無鉛銅合金には、必要によって（ａ）Ｓｎ：１０％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｚｎ：１０％以下（０％を含まない）等を含有させることも有効であり、含有される成分に応じて銅合金の特性が改善される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の銅合金では、ＳおよびＢｉと共にＦｅやＮｉを含有させることによって銅マトリクス内に硫化物を効果的に分散させることができ、水質悪化を招く鉛を含有させずとも優れた耐圧性および被削性を発揮すると共に、強度等の機械的特性にも優れた鋳物用無鉛銅合金が実現できた。この銅合金は水栓金具や接水栓等の素材として有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者らは、鉛を含有させずとも優れた耐圧性および被削性を発揮する鋳物用銅合金を実現するべく、様々な角度から検討した。その結果、硫黄（Ｓ）およびビスマス（Ｂｉ）を必須成分として含有させると共に、ＦｅやＮｉの含有量を適切な範囲に調整して添加し、且つ金属組織中に硫化物が形成・分散した銅合金では、上記目的が見事に達成されることを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
鉄鋼材料の分野においては、Ｓは被削性向上元素であることは知られている。しかしながら、銅合金の場合には、Ｓは被削性向上元素として採用されていない。これは、溶解させた銅中ではＳは早期に硫化物を形成し、溶解した銅の表面に浮上・分離してしまい、硫化物を銅マトリクス中に分散させること自体が困難であると考えられていた。
【００１５】
一方、銅合金において、快削性元素として鉛の代わりにＢｉを含有させることも知られているが、Ｂｉを含有させた無鉛銅合金では、鋳造欠陥である「鋳巣」が発生しやすくなっており、これが原因して従来の規格銅合金よりも耐圧性が劣化したものとなっていたのである。
【００１６】
本発明者らは、快削性元素として有用なＢｉを含有する銅合金において、硫化物を銅マトリクス中に効果的に分散できたら良好な被削性および耐圧性が実現できるのではないかとの着想の下で更に検討してきた。その結果、所定量のＦｅやＮｉを共存させた状態では、Ｓの活量が抑えられ、硫化物が比較的低温となった段階（即ち、銅の凝固完了直前の段階）で形成されることによって、銅マトリクス中に硫化物を効果的に分散できることを見出したのである。また、硫化物を分散させた銅合金では、Ｂｉに原因する鋳巣の発生も抑えられて、良好な耐圧性が発揮され、機械的特性も良好に維持できたのである。
【００１７】
本発明の鋳物用銅合金によって、上記のような効果が得られる理由についてはその全てを解明し得た訳ではないが、おそらく次の様に考えることができた。
【００１８】
鋳物用銅合金が凝固する際には、デンドライト（樹枝状晶）が形成され、このデンドライト間に微小な空隙(気泡)を残しながら凝固が完了し(最終凝固領域)、それが鋳巣となることは知られている。本発明の銅合金では、ＳおよびＢｉと共にＦｅやＮｉを共存させることによって、比較的低温まで硫化物の形成が抑えられ、デンドライトが形成される凝固完了直前でも硫化物は銅との共晶融液の状態になっている。そして、鋳巣の原因となる気泡中にこの共晶融液が流れ込んで硫化物を形成することになる。そして、その結果として鋳巣の発生を抑制して良好な耐圧性を発揮すると共に、強度等の機械的特性が向上するものと考えられた。また、硫化物がデンドライト間に共晶状若しくは微細に分散することによって、各硫化物が切削屑を分断するチップブレーカの役割を発揮すると共に（切り屑が細かくなり）、硫化物自体が固体潤滑剤として寄与することによって、被削性が向上するものと考えられた。
【００１９】
本発明の無鉛銅合金では、ＳおよびＢｉを必須成分として含む他、所定量のＦｅやＮｉを含有するものであるが、これらの範囲限定理由は下記の通りである。
【００２０】
［Ｓ：０．０５〜１．５％］
Ｓは、ＣｕやＢｉと結合して、Ｃｕ2Ｓ化合物（Ｚｎを含有する場合にはＺｎＳ化合物）やＢｉ2Ｓ3化合物を形成し、銅合金の耐圧性、被削性および機械的強度を向上させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｓ含有量は少なくとも０．０５％以上とする必要があるが、１．５％を越えて過剰に含有されると耐圧性、機械的性質が却って低下するので１．５％以下とすべきである。尚、Ｓ含有量の好ましい上限は０．８％程度であり、この含有量では後述するＳｎを含有させずとも、良好な強度が確保できる。但し、それほど強度が要求されない部材（例えば、軸受け部材）に適用する場合には、Ｓの含有量が０．８％超〜１．５％程度であっても、Ｓｎを含有しなくても良い。
【００２１】
［Ｂｉ：３．５％以下（０％を含まない）］
Ｂｉは、Ｓと結合して、Ｂｉ2Ｓ3化合物を形成し、銅合金の耐圧性、被削性および機械的強度を向上させるのに有用な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、３．５％を越えて過剰に含有されるとＢｉ相が過剰になって、機械的性質が却って低下することになる。Ｂｉは上記効果を発揮させるためには、０．０５％以上含有させることが好ましい。また、Ｂｉ含有量の好ましい上限は３．０％であり、より好ましくは２．０％以下とするのが良い。
【００２２】
［Ｆｅ：０．５％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：３．０％以下（０を含まない）］
ＦｅおよびＮｉは、硫化物（Ｃｕ２Ｓ、Ｂｉ2Ｓ3、ＺｎＳ等）を低温で形成させて、硫化物を銅マトリクス中に分散させるために必要な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有させると、溶湯の湯流れ性が悪くなって鋳造性が悪化する。こうしたことから、Ｆｅについては０．５％以下、Ｎｉについては３．０％以下と規定した。尚、Ｆｅ含有量の好ましい下限は０．１％であり、より好ましくは０．２％以上とするのが良い。またＦｅ含有量の好ましい上限は０．４％であり、より好ましくは０．３％以下とするのが良い。一方、Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．５％であり、より好ましくは１．０％以上とするのが良い。またＮｉ含有量の好ましい上限は２．５％であり、より好ましくは２．０％以下とするのが良い。
【００２３】
本発明の銅合金における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に銅（Ｃｕ）からなるものであるが、必要によってＳｎやＺｎ等を含有させることも有効である。これらを含有させるときの範囲限定理由は下記の通りである。尚、「実質的に銅」とは、本発明の銅合金にはＣｕ以外にその特性を阻害しない程度の微量元素（許容成分）を含み得るものであり、こうした許容成分としては、例えばＳｂ，Ｐ，Ｓｉ等の元素や、Ａｌ，Ｍｎ等の不可避不純物が挙げられる。また、上記基本成分のうち、Ｓについては不可避的に混入してくることがあるが、０．０５％未満で含有するときは不可避不純物扱いとなる。
【００２４】
［Ｓｎ：１０％以下（０％を含まない）］
Ｓｎは銅合金の強度（引張強さ）を向上させるのに有効な元素である。特に、Ｓを含有することによって、低下する強度を、Ｓｎを含有させることによって補填することに効果がある。例えば、Ｓを０．８％超〜１．５％程度含有させた場合には、強度が低下する傾向を示すが、Ｓを含有させることによる被削性向上効果を維持しつつ、良好な強度を確保する上で有効な元素である。こうした効果は、その含有量が多くなればなるほど大きくなるが、過剰に含有されると機械的特性を劣化させるので（後記図５参照）、１０％以下とすべきである。こうした効果を発揮させる上で、Ｓｎ含有量の好ましい下限は２．０％である。またＳｎ含有量の好ましい上限は７．６％程度であり、より好ましくは６．０％以下とするのが良い。尚、Ｓｎは不可避的に混入してくることがあるが、０．１％以下では不可避不純物扱いとなる。
【００２５】
［Ｚｎ：１０％以下（０％を含まない）］
ＺｎはＺｎＳ化合物を形成することによって、銅合金の耐圧性、被削性および機械的強度を更に向上させるのに有用な元素である。こうした効果はその含有量が増すにつれて大きくなるのであるが、少なくとも３．０％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｚｎが過剰に含有されるとＺｎの溶出量が増加するので１０％以下とすることが好ましく、より好ましくは８．０％以下とするのが良い。
【００２６】
本発明の銅合金は、金属組織（銅マトリクス）中に硫化物が分散されることによって上記の効果を発揮するものであるが、こうした硫化物は、Ｓ，Ｂｉ，Ｆｅ，Ｎｉの含有量を適切に調整して溶解・凝固させることによって必然的に形成されることになる。また、本発明の銅合金を用いて鋳物を製造するに当たっては、砂型鋳造、金型鋳造、遠心鋳造、精密鋳造等、これまで一般的に行われている方法を採用することができる。
【００２７】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
下記表１に化学成分組成を示す各銅合金を、常法に従って溶解・鋳造した。得られた銅合金鋳物について、被削性について調査した。このときの切削条件は下記の通りである。そして、試験片をφ２３ｍｍ→φ２２ｍｍ→２１ｍｍと削った後、φ２０ｍｍの切削で切削抵抗を測定し、下記（１）式によって求められる切削性指数によって被削性を評価した。尚、表１に示したＳ以外の各成分の値（含有量）は、蛍光Ｘ線分析装置［エレメント・アナライザーＪＳＸ−３２０２（商品名：日本電子株式会社製）］によって測定した値であり、Ｓは燃焼法によって求めた値である。
【００２９】
［切削条件］
ＮＣ旋盤：ＯＫＵＭＡ  ＬＰ２５Ｃ（商品名：オークマ株式会社製）
チップ：イゲタロイ
切削動力計：ＫＩＳＬＥＲ９２５７Ｂ（商品名：日本キスラー株式会社製）
切削油：油性
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み深さ：０．５ｍｍまたは１．０ｍｍ
試験片径：φ２３ｍｍ
加工径：φ２０ｍｍ
切削性指数＝（ＣＡＣ４０６の切削抵抗値／各試験片の切削抵抗値）
×１００…（１）
【００３０】
【表１】
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【００３１】
その結果（Ｓ含有量と切削性指数の関係）を図１に示す。この結果から明らかなように、Ｓ含有量が増すにつれて、被削性が向上する傾向を示していることが分かる。これは、硫化物が均一分散したという理由によるものと考えられる。
【００３２】
（実施例２）
上記表１に示した各銅合金鋳物について、各種機械的特性（引張り強さおよび伸び）を調査した。測定結果（Ｓ含有量と機械的特性の関係）を、図２に示す（ｎ＝２回の平均値）。尚、ＪＩＳを参照したＣＡＣ４０６の引張強さは１９５ＭＰａであり、伸びは１５％である。この結果から次の様に考察できる。まずＳ含有量が０．３％を超えると引張強さが若干低下する傾向を示すが、伸びの点で従来の銅合金（ＣＡＣ４０６）よりも良好になることが分かる。尚、各本発明の銅合金（Ｎｏ．１〜３）のものについて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって組織を観察したところ、最終凝固領域に硫化物が分散していることが確認できた。
【００３３】
（実施例３）
上記表１に示した各銅合金ついて、耐圧性について調査した。耐圧力の試験方法は、「ＪＩＳ  Ｂ  ２０６２  水道水の仕切弁」中の「９．１弁箱の耐圧試験」に準拠して行った（水圧：３ＭＰａ，２分間）。そして、各試験片について、２４回（ｎ＝２４）試験を行い、水漏れの有無を肉眼で観察し、「漏れ」が確認された場合を不良品と判定し、その発生率（不良率＝不良品の個数／２４）で耐圧性を評価した。
その結果、上記Ｎｏ．１〜３に示した銅合金では、不良率が極めて低くなっており（４％以下）、良好な耐圧性を示していることが確認できた。
【００３４】
（実施例４）
下記表２に化学成分組成を示す各銅合金を、常法に従って溶解・鋳造した。得られた銅合金鋳物について、各種機械的特性（引張強さおよび伸び）を調査した。
【００３５】
【表２】
2007297675.tif 000004
【００３６】
測定結果（Ｂｉ含有量と機械的特性の関係）を、図３に示すが（ｎ＝２回の平均値）、この結果から次の様に考察できる。まずＢｉ含有量が２％程度までは、伸びの低下を抑えつつ引張強さを高く維持していることが分かる。但し、Ｂｉ含有量が３％を超えると、機械的特性が低下する傾向を示すことになる。
【００３７】
（実施例５）
上記表２に示した各銅合金鋳物について、実施例１と同様にして被削性について調査した。その結果（Ｂｉ含有量と切削性指数の関係）を図４に示す。この結果から明らかなように、Ｂｉ含有量が増すにつれて、被削性が向上する傾向を示していることが分かる。
【００３８】
（実施例６）
下記表３に化学成分組成を示す各銅合金を、常法に従って溶解・鋳造した。得られた銅合金鋳物について、各種機械的特性（引張強さおよび伸び）を調査した。
【００３９】
【表３】
2007297675.tif 000005
【００４０】
測定結果（Ｓｎ含有量と機械的特性の関係）を、図５に示すが（ｎ＝２回の平均値）、この結果から次の様に考察できる。まずＳｎ含有量が７．６％程度までは伸びの低下を抑えつつ引張強さが向上しており、特にＳｎ含有量が６％以上になると、従来の銅合金（ＣＡＣ４０６）と遜色がないことが分かる。これは、Ｓｎの固溶強化によるものと考えることができる。
【００４１】
（実施例７）
下記表４に化学成分組成を示す各銅合金鋳物について、実施例１と同様にして被削性（切削性指数）について調査した。その結果を図６に示すが、Ｆｅ，Ｎｉ，ＳｎおよびＺｎ等を含有しても、良好な被削性を発揮していることが分かる。
【００４２】
【表４】
2007297675.tif 000006
【００４３】
（実施例８）
上記表３に示した各銅合金鋳物、および下記表５に化学成分を示す銅合金鋳物（Ｎｏ．１９）について、実施例１と同様にして被削性（切削性指数）について調査した。その結果（Ｓｎ含有量と切削性指数の関係）を図７に示すが、Ｓｎを含有しない場合であっても十分な被削性有すること、およびＳｎ含有量が増加してもＳによる被削性向上効果は発揮されることが分かる。
【００４４】
【表５】
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【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の銅合金におけるＳ含有量と被削性の関係を示したグラフである。
【図２】本発明の銅合金におけるＳ含有量と機械的特性の関係を示したグラフである。
【図３】本発明の銅合金におけるＢｉ含有量と機械的特性の関係を示したグラフである。
【図４】本発明の銅合金におけるＢｉ含有量と被削性の関係を示したグラフである。
【図５】本発明の銅合金におけるＳｎ含有量と機械的特性の関係を示したグラフである。
【図６】各種銅合金における被削性（切削性指数）を比較して示したグラフである。
【図７】本発明の銅合金におけるＳｎ含有量と被削性の関係を示したグラフである。
【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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