(57)【要約】【課題】従来の青銅鋳物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青銅鋳物を製造できるようにする。【解決手段】Ｚｎを１質量％以上１２質量％以下、Ｓｎを２質量％以上１１質量％以下、Ｐｂを１質量％以上７質量％以下、Ｚｒを０．００３質量％以上０．２質量％以下含有し、Ｐの含有量が０．０５質量％以下の範囲であり、残部がＣｕと不可避不純物であるスケール付着抑制鋳物用銅合金を用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを１質量％以上１２質量％以下、Ｓｎを２質量％以上１１質量％以下、Ｐｂを１質量％以上７質量％以下、Ｚｒを０．００３質量％以上０．２質量％以下含有し、
Ｐの含有量が０．０５質量％以下の範囲であり、
残部がＣｕと不可避不純物であるスケール付着抑制鋳物用銅合金。
【請求項２】
残部としてさらに、Ｎｉ，Ｓｂ、Ｆｅの少なくとも一つである残余成分を有する請求項１に記載のスケール付着抑制鋳物用銅合金。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のスケール付着抑制鋳物用銅合金からなる水道部材鋳物。
【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鋳物製の水道関連部材に用いる銅合金、及びそれを使用した青銅鋳物に関する。
【背景技術】
【０００２】
青銅鋳物は、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、硬水地域では、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、消火栓などの主に炭酸カルシウムなどを多く含む硬水環境で用いる水道関連部材の鋳物において、コーティング加工やその他特別な装置を必要とせずに、既存の青銅鋳物と同様の製造工程で、スケール付着を抑制できる青銅鋳物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、Ｐｂを含む青銅鋳物に、Ｚｒを０．００３質量％以上０．２質量％以下含有させることで、上記の課題を解決したのである。
【００１１】
Ｐｂを含む青銅鋳物用銅合金（ＪＩＳ  Ｈ  ５１２０  ＣＡＣ４０１〜４０８）は元々優れた性質を持ち、加工、製造がし易い合金である。Ｐｂを含む青銅合金を鋳物用に調製するにあたり、上記のようにＺｒを添加すると、得られる青銅鋳物はＺｒの化合物が表面に適切に存在することで、スケールの発生を大きく抑制することができる。
【００１２】
このような物性の発揮が可能である青銅鋳物用銅合金の他の元素の組成は、Ｚｎが１質量％以上１２質量％以下、Ｓｎが２質量％以上１１質量％以下、Ｐｂが１質量％以上７質量％以下、Ｐが０．０５質量％以下で、残部がＣｕと不可避不純物からなる範囲で好適に実現できる。なお、残余成分として限られた範囲でＮｉ、Ｓｂ，Ｆｅを含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明により、従来Ｐｂを含む青銅鋳物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、硬水と接触する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、硬水地域における水道部材において、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】
【００１４】
【図１】実施例において引張試験評価方法に用いるＪＩＳ  Ｚ  ２２４１で規定する１４号Ａ試験片の模式図
【図２】比較例１の1000倍のSEM画像
【図３】実施例５の1000倍のSEM画像
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明について詳細に説明する。
この発明は、硬水と接触する環境においてスケールの発生を抑制できる青銅合金、及びその青銅合金を用いた水道部材である。
【００１６】
上記銅合金のＺｒ含有量は、０．００３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。青銅組織の中にＺｒが含まれることで、表面にＺｒの化合物が生じてスケールの元になる炭酸カルシウムの付着を抑制できると考えられる。Ｚｒが、０．００３質量％未満ではスケールを抑制する効果を発揮するＺｒ化合物の量が少なすぎて、スケール抑制効果が不十分になってしまうからである。一方、０．２質量％以下である必要があり、０．１質量％以下であると好ましい。０．２質量％を超えると、スケールの抑制効果を発揮するだけではなく、銅合金の機械的性質の低下が無視できなくなってくる。
【００１７】
上記銅合金のＺｎ含有量は、１．０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。１．０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、鋳造性が悪化する恐れがある。一方で、１２．０質量％以下である必要があり、６．０質量％以下であると好ましい。１２．０質量％を越えると、機械的性質の低下が無視できなくなる恐れがある。
【００１８】
上記銅合金のＳｎ含有量は、２．０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。２．０質量％未満であると、機械的性質や耐食性及び耐摩耗性が低下しすぎる傾向にある。一方で、１１．０質量％以下である必要があり、６．０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てしまったり、鋳造時に引け巣が発生したりするためである。
【００１９】
上記銅合金のＰ含有量は、０．００５質量％以上であると好ましく、０．０１質量％以上であるとより好ましい。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％以下である必要があり、０．０４質量％以下であると好ましい。Ｐが増加しすぎると、鋳型の水分と反応しガス欠陥が発生したり、引け巣欠陥を増加させるおそれがあり、さらには機械的性質も低下させる傾向にある。
【００２０】
上記銅合金のＰｂ含有量は、１質量％以上である必要があり、４質量％以上であると好ましい。Ｐｂが含有されることで特に摺動性、耐圧性や切削性が大きく向上するが、１質量％未満ではその効果が不十分となるからである。一方、７．０質量％以下である必要があり、６．０質量％以下であると好ましい。Ｐｂが多くなると、機械的性質の低下が無視できなくなる恐れがあるため、好ましくない。
【００２１】
上記銅合金は残分としてＣｕの他に、この発明にかかる効果を阻害しない範囲で、残余成分としてＮｉ、Ｓｂ、Ｆｅを含有していてもよい。この中でもＮｉはこの発明にかかる効果を阻害しにくく、１．０質量％以下の範囲で含有してもよい。また、Ｓｂは０．２質量％以下の範囲で含有してもよい。さらに、Ｆｅは０．３５質量％以下の範囲で含有してもよい。ただし、これらの元素も含有させることによるメリットに乏しく、含有量が少ない方が望ましい。Ｎｉは０．５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い。ＳｂとＦｅとはそれぞれ０．１質量％以下であると好ましい。上記残余成分の合計は１．５質量％以下であると好ましく、１．０質量％以下であるとより好ましく、０．２質量％以下であるとさらに好ましい。なお、いずれの上記残余成分も検出限界未満であってよい。
【００２２】
さらに上記銅合金は、残分として上記の残余成分の他に、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Ｓｉの含有量は０．０１質量％未満であると好ましく、０．００５質量％未満であると、より好ましい。Ｓｉが多すぎると引け巣を助長し、健全な鋳物ができなくなってしまう。
【００２４】
上記不可避不純物となる元素の中でも、不純物となるＡｌの含有量は０．０１質量％未満であると好ましく、０．００５質量％未満であると、より好ましい。Ｓｉと同様にＡｌも多すぎると引け巣を助長し、健全な鋳物ができなくなってしまう。
【００２５】
上記不可避不純物となる元素の中でも、Ｓｅ及びＣｄの含有量はそれぞれ０．１質量％未満であると好ましく、特に検出限界未満であるとより好ましい。これらの元素には毒性が知られており、少ない方が好ましいためである。
【００２６】
上記のＡｌ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＣｄを除く、銅合金が含有しうる不可避不純物となる個々の元素は、いずれも０．４質量％未満であると好ましく、０．１質量％未満であるとより好ましく、検出限界未満であると特に好ましい。このような不純物としては、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、Ｂｉなどが挙げられる。
【００２７】
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、鋳造などで製造した時点における含有量を示す。
【００２８】
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、この銅合金で水道部材を製造する際には、一般的な鋳造方法（例えば砂型鋳造や金型鋳造、連続鋳造及び遠心鋳造など）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。
【００２９】
上記銅合金を用いて、スケールが付着しやすい硬水環境における水道部材を鋳物で製造するとよい。例えば、風呂や床暖房等の用途向けの給湯器、熱交換器、ポンプ、消火栓などの水道部材鋳物である。これらの水道部材鋳物は、別途特殊な加工を行わなくても、鋳物表面のＺｒ化合物によって、従来の青銅鋳物よりもスケールの付着を抑制し、メンテナンスの手間を省くことができる。また、給湯器のように高温になる環境においても、上記青銅部材鋳物のスケール抑制効果は発揮される。
【実施例】
【００３０】
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。
【００３１】
＜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のＣＯ２鋳型へ鋳造し、最下部を底から１０ｍｍで切り出したものをＪＩＳＺ２２４１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）。
【００３２】
この試験片について、ＪＩＳ  Ｚ２２４１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。
【００３３】
＜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、評価用試験片は、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片について、試験前に秤量した。
【００３４】
それぞれの評価用試験片を前記スケール生成溶液１００ｍｌ中に浸漬させ、９０℃まで昇温した。その後評価用試験片を液から取り出し、新たな前記スケール生成溶液１００ｍＬに浸漬させ、９０℃まで昇温する工程を合計５回繰り返して、スケール付着試験とした。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５×１０−４ｍｇ／ｍｍ２未満であるものを○、５×１０−４ｍｇ／ｍｍ２以上であるものを×とした。
【００３５】
＜試験片の成分＞
比較例１として、下記表１のようにＣＡＣ４０６の成分に対応する合金を調製した。この合金はＺｒが検出限界（０．０００１質量％）未満である。また、Ｚｒの含有量が異なる実施例１〜８、及び比較例２にかかる合金を調製して上記の試験片を作製した。
【００３６】
【表１】
2017179400.tif 000002
【００３７】
＜評価＞
Ｚｒを所定量以上含有する実施例１〜８及び比較例２はいずれも、Ｚｒを含有しない比較例１に比べてスケールの付着を大きく抑制することができることが確かめられた。ただし、Ｚｒが多すぎる比較例２では引張強さと伸びの値が大きく減少してしまうため、総合評価は使用に問題があることが示された。
【００３８】
〈ＳＥＭ画像比較〉
図２にＺｒを含有しない比較例１の付着試験後の１０００倍に拡大したＳＥＭ画像を示す。針状の結晶が炭酸カルシウムを主成分としたスケールであり、全面に分散していることが分かった。また、大きく成長したものは全長７０μｍ以上に成長している。
【００３９】
図３に実施例５の付着試験後の１０００倍に拡大したＳＥＭ画像を示す。図２と比較し針状の炭酸カルシウムの分散量が少なく、針状結晶も最大で１０μｍ程度にしか成長しておらず、Ｚｒ含有により、炭酸カルシウムの付着を抑制できる。
【図１】
2017179400.tif 000003
【図２】
2017179400.tif 000004
【図３】
2017179400.tif 000005