(57)【要約】【課題】従来の銅製水道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水道部材を製造できるようにする。【解決手段】Ｂを０．０００５質量％以上０．０１５質量％以下含有し、Ｃｕを５０質量％以上含有させた銅合金を用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂを０．０００５質量％以上０．０１５質量％以下含有し、Ｃｕを５０質量％以上含有した水道部材用銅合金。
【請求項２】
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７質量％以下の範囲であり、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請求項１に記載の水道部材用銅合金。
【請求項３】
さらに、Ｚｒを０．００３質量％以上０．２質量％以下含有する、請求項２に記載の水道部材用銅合金。
【請求項４】
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乃至３のいずれかに記載の水道部材用銅合金。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の水道部材用銅合金からなる水道部材。
【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水道関連部材に用いる銅合金、及びそれを使用した水道関連部材に関する。
【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、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水道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、銅合金に、Ｂを０．０００５質量％以上、０．０１５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】
この発明にかかる銅合金は青銅系に限らず、銅合金全般に亘る。スケールの主成分は炭酸カルシウムであるが、これは溶液が塩基性であるほど析出しやすい。この発明にかかる銅合金は微量のＢを含むことで、接触する水が塩基性に偏ることを抑制し、結果としてスケールの発生を抑制することができる。
【００１２】
例として、青銅系銅合金に対して上記の範囲でＢを含有させてよい。青銅合金（ＪＩＳ  Ｈ  ５１２０  ＣＡＣ４０１〜４０８）は元々優れた性質を持ち、鋳造を始めとして加工、製造がし易い合金である。青銅合金を調製するにあたり、上記のようにＢを添加して製造すると、スケールの発生を大きく抑制することができる。
【００１３】
このような物性の発揮が可能である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。
【００１４】
この発明にかかる銅合金としては、上記の組成に加えて、Ｚｒを０．００３質量％以上０．２質量％以下含有させることで、製造した部材の表面がＺｒの化合物によって覆われることで、さらにスケールの発生を抑制する効果を相乗的に付加させた合金とすることもできる。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】
【００１５】
この発明により、従来水道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、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】
【００１６】
【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】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】
【００１７】
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けるスケールの発生を抑制する水道部材用の銅合金、及びそれを用いた水道部材である。
【００１８】
上記銅合金のＢ含有量は、０．０００５質量％以上である必要があり、０．００１質量％以上であると好ましい。組織の中にＢが含まれることによって、接触する溶液のｐＨ上昇を抑えることができる。スケールの主な成分である炭酸カルシウムは主に塩基性環境において析出しやすい傾向にあり、銅合金との接触によって溶液は塩基性に偏りやすい。Ｂが存在することによって塩基性への偏りを抑制し、ひいてはスケールの析出を抑える効果を発揮する。特に長期間静置する環境において優れたスケール抑制効果を発揮する。一方、０．０１５質量％以下である必要があり、０．０１質量％以下であると好ましい。Ｂが多すぎると機械的性質の特に伸びの低下が無視できなくなる傾向にあるためである。
【００１９】
上記銅合金は硬水環境に用いられるものであれば特に成分は限定されず、青銅系銅合金に限らず、その他の成分の銅合金が含まれる。すなわち、銅を主成分として５０質量％含有する様々な銅合金においてこの発明を利用可能である。このうち、一般に水道用部材に用いられることが多い青銅系銅合金に上記の範囲でＢを含めた青銅系銅合金の実施形態の一つについて以下に成分を述べる。
【００２０】
上記実施形態の青銅系銅合金のＺｎ含有量は、１．０質量％以上であると好ましく、４．０質量％以上であるとより好ましい。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、鋳造性が悪化するおそれがある。一方で、１２．０質量％以下であると好ましく、６．０質量％以下であるとより好ましい。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ってくる。
【００２１】
上記実施形態の青銅系銅合金のＳｎ含有量は、２．０質量％以上であると好ましく、４．０質量％以上であるとより好ましい。２．０質量％未満であると、機械的性質、耐摩耗性及び耐食性が低下する傾向にある。一方で、１１．０質量％以下であると好ましく、６．０質量％以下であるとより好ましい。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。
【００２２】
上記実施形態の青銅系銅合金の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。
【００２３】
上記実施形態の青銅系銅合金のＰｂ含有量は、７．０質量％以下であると好ましく、６．０質量％以下であるとより好ましい。Ｐｂが多くなると、機械的性質が悪化してしまう傾向がある。
【００２４】
上記実施形態の青銅系銅合金は、上記の成分の他に、Ｚｒを含有していてもよい。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Ｂの効果と相乗的に抑制できると考えられる。上記実施形態の青銅系銅合金におけるＺｒ含有量は、０．００３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。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％以下であると好ましく、０．１質量％以下であるとより好ましい。０．２質量％を超えると、単にスケールの防止効果を発揮するだけではなく、上記実施形態の青銅系銅合金の機械的性質の低下が無視できなくなってくる。また、表面に生成するＺｒ酸化物による表面物性の変化も無視できなくなってくる。
【００２５】
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％以下の範囲まで含有してもよい。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は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、いずれの残余成分も検出限界未満であってよい。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
上記のＡｌとＳｉとＳｅと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。
【００３１】
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。
【００３２】
上記実施形態の青銅系銅合金に限らず、この発明にかかる銅合金は、上記のＢによる接触溶液が塩基性に偏ることを抑制する効果を発揮できる範囲で、かつ、製造しようとする部材にふさわしい機械的性質その他の性質を発揮するような元素を含有してよい。ただし、塩基性が強くなりすぎることは望ましくなく、Ｃａ、Ｍｇなどのアルカリ金属元素を始めとして、溶解しやすい元素や塩基性傾向を示しやすい元素は出来るだけ少ないことが望ましい。
【００３３】
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）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水道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。
【００３４】
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製造するとよい。特に静置環境にある水道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、ポンプなどの水道部材に対しても用いることができる。上記銅合金を用いたこれら水道部材は、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。
【実施例】
【００３５】
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。
【００３６】
＜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）。
【００３７】
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。
【００３８】
＜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。
【００３９】
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。
【００４０】
＜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。
【００４１】
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、もしくは９０℃において1時間保持した後のｐHをそれぞれ再測定した。
【００４２】
＜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Ｂが検出限界（０．０００１質量％）未満である。また、Ｂの含有量が異なる実施例１〜５、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。さらに、Ｂに加えてＺｒを含有する実施例６にかかる合金を調製して上記の試験片を作製した。
【００４３】
【表１】
2017179401.tif 000002
【００４４】
＜評価＞
全項目が○であるものを総合評価として「○」とし、一項目でも×があるものを総合評価として「×」とした。
Ｂを所定量以上含有する実施例１〜５及び比較例２、実施例６はいずれも、Ｂ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。また、Ｂが多すぎる比較例２ではスケール付着の抑制効果はあるものの、Ｂ含有量が多すぎるため、伸びの値が大きく減少してしまい、総合評価は使用に問題があることが示された。さらに、ｐＨ試験の結果、Ｂもしくは、ＢおよびＺｒを含有する実施例２、実施例４、実施例５、実施例６は、いずれもＢおよびＺｒを含有しない比較例１に比べてｐＨが大きく減少することが確かめられており、ｐＨの抑制による付着防止効果が現れたと考えられる。ただし、Ｂが多すぎる比較例２では伸びの値が大きく減少してしまい使用には問題があることが示された。
【図１】
2017179401.tif 000003
【図２】
2017179401.tif 000004