(57)【要約】本発明は、Ａｌ２Ｏ３がセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する黄銅合金に関する。さらに本発明は、この黄銅合金を製造するための方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ、Ｚｎ、ＰｂおよびＡｌ２Ｏ３を含有する黄銅合金であって、Ａｌ２Ｏ３がセラミックナノ粒子の形態で前記合金中に存在する、黄銅合金。
【請求項２】
Ａｓと、オプションの添加物であるＳｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎおよび／またはＳｉとをさらに含有する、請求項１に記載の黄銅合金。
【請求項３】
６１．５〜６４．２重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０．０４〜０．１重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３がセラミックナノ粒子の形態で前記合金中に存在する、請求項１に記載の黄銅合金。
【請求項４】
Ａｌ２Ｏ３が０．０４〜０．０６重量％の濃度で存在する、請求項３に記載の黄銅合金。
【請求項５】
０〜０．１５重量％のＡｓをさらに含有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項６】
６１．５〜６３．５重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＳｎと、０〜０．１５重量％のＦｅと、０〜１重量％のＡｌと、０〜０．１４９重量％のＮｉと、０〜０．１５重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０〜０．０２重量％のＰと、０〜０．０２重量％のＳｂと、０〜０．０００７重量％のＢと、０．０４〜０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３がセラミックナノ粒子の形態で前記合金中に存在する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項７】
Ａｌが０〜０．０５重量％または０．４５〜０．７重量％の濃度で存在する、請求項６に記載の黄銅合金。
【請求項８】
６１．５〜６３．５重量％のＣｕと、０．１〜０．２５重量％のＰｂと、０〜０．１重量％のＳｎと、０〜０．１重量％のＦｅと、０〜０．１重量％のＮｉと、０〜０．０１重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０．０６〜０．１５重量％のＡｓと、０．０００３〜０．０００７重量％のＢと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有し、前記黄銅合金中のＦｅ、Ｍｎ、ＳｂおよびＳの合計は最大で０．２重量％であり、前記合金の残りのパーセントはＺｎからなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項９】
６３．０重量％のＣｕと、３６．６重量％のＺｎと、０．２重量％のＰｂと、０．１重量％のＡｓと、０．０００５重量％のＢと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する、請求項８に記載の黄銅合金。
【請求項１０】
６２．５〜６３．５重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．１８０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＳｎと、０〜０．１５重量％のＦｅと、０〜０．０５重量％または０．４５〜０．７重量％のＡｌと、０〜０．１４９重量％のＮｉと、０〜０．１５重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０〜０．０２重量％のＰと、０．０４〜０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項１１】
６３．１重量％のＣｕと、３６．７重量％のＺｎと、０．１４５重量％のＰｂと、０．０４重量％のＡｓと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する、請求項１０に記載の黄銅合金。
【請求項１２】
Ａｌ２Ｏ３の前記ナノ粒子が実質的に球状である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項１３】
Ａｌ２Ｏ３の前記ナノ粒子が人工物である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項１４】
Ａｌ２Ｏ３の前記ナノ粒子の直径が１００〜１０００ｎｍである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項１５】
Ａｌ２Ｏ３の前記ナノ粒子の直径が５００ｎｍである、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の黄銅合金を製造する方法であって、溶融プロセスの開始時に黄銅のスクラップを含んだ溶融浴にＡｌ２Ｏ３のナノ粒子を投入することを特徴とし、前記溶融浴中の前記黄銅のスクラップは、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の黄銅合金の量でＣｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂおよび／またはＰを含有する、方法。
【請求項１７】
前記溶融浴の温度が１０４０℃である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ｉ．  所望量の１／３以下の量の溶融しようとする黄銅スクラップを炉に投入するステップと、
ｉｉ．  セラミックナノ粒子を全て投入するステップと、
ｉｉｉ．  オプションとして、前記炉内で撹拌することにより混合するステップと、
ｉｖ．  前記黄銅スクラップの残部を前記所望量に達するまで投入するステップと
を含む、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
棒材、異形材、およびブルームを製造するための、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の黄銅合金の使用。
【請求項２０】
ネジ、ナット、水道および衛生設備用継ぎ手、錠の細部部品、電気部品、装飾品、油およびガス用継ぎ手を製造するための、ならびに電気産業、エンジニアリング産業、および自動車産業における種々の細部部品のための、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の黄銅合金の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ２Ｏ３がセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在してその結果として有利な切削性を示す最大で０．２５重量％のＰｂを含有した黄銅合金およびその黄銅合金の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
黄銅は多くの可能性を秘めた応用範囲の広い材料である。その基本構成成分は銅（Ｃｕ）および亜鉛（Ｚｎ）である。鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）および／またはヒ素（Ａｓ）等の種々の合金材料を添加することによって黄銅に独自の性質を付与することができ、種々の機械加工向けおよび種々の最終製品向けに様々な品質を有する黄銅がある。さらに黄銅は、アンチモン（Ｓｂ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）および／または硫黄（Ｓ）を含有することもできる。
【０００３】
黄銅は棒材、異形材（profiles）、およびブルーム（blooms）といった形態の半製品として製造することができ、さらなる精密加工（refined）が施される。こうして得られる最終製品は、例えば、ネジ、ナット、水道および衛生設備用継ぎ手（water and sanitary armatures）、錠の細部部品（lock details）、電気部品、装飾品等である。まず第一に、黄銅は、環境推進工場（environmental promoting workshop）での製造において定められた位置を有する閉鎖循環材料（closed cycle material）である。黄銅は回収による収益性が高いことから、原料のほぼ８０パーセントが黄銅スクラップの形態であり、その一部は工場から出る廃棄物であり、別の一部は回収業者からのものである。
【０００４】
いわゆる「衛生的な銅合金組成リスト（Hygienic Copper Alloy Composition List）」には、鉛フリーの黄銅のＰｂに関して０．２パーセントという値が定められている。黄銅および他の金属からなる合金ならびに飲料水に接する材料はこのリストで管理され、４ＭＳ（フォーメンバーステート（Four Member State））の宣言書に署名した各国において２０１３年１２月１日から効力を発する。４ＭＳの活動は、その前身であるＥＡＳ（欧州認証基準（European Acceptance Scheme））の延長であり、その活動は欧州委員会の主導によって１９９７年に開始された。４ＭＳ宣言のねらいは、ＥＵに加盟する全２７ヵ国に対する共通の指令を作成することにある。さらには、米国をはじめとした他の国にも黄銅合金のＰｂ含有率に関する類似の規制がある。米国および欧州の主要な違いは、米国の規制は個々の物品の鉛を規制することに主眼を置く（その平均値は最大で０．２５重量％のＰｂ）のに対し、欧州では飲料水そのものに含まれる鉛を規制することに主眼を置く点にある。飲料水そのものに許容される数値としては米国の方が欧州よりも高く、それぞれ１５μｇ／Ｌおよび１０μｇ／Ｌである［１］。この要件を満たす鉛フリーの黄銅として定義される黄銅合金には、例えば、ＣＷ５１１ＬおよびＥｃｏＢｒａｓｓ（登録商標）がある［１，２］。
【０００５】
このような飲料水中のＰｂ析出に対する環境要求事項に関連し、材料そのものに含まれるＰｂを排除することも要求されている。こうした活動は各行政からの要請に従って進められるだけでなく、いわゆる環境影響評価システムを用いることによる自発的な取り組みも行われている。その例として、スゥエーデン国の場合は、建築材料評価（Building Material Assessment（Byggvarubedoemningen））およびＢａｓｔａを挙げることができ、ここでは鉛フリーの合金の使用が求められている。
【０００６】
ＥＮ番号（EN-number）がＣＷ６１４ＮおよびＣＷ６１７Ｎである黄銅合金は切削加工および鍛造に最も一般的に使用される２種の黄銅合金である［３］。例えば、これらの合金は水道および衛生設備用継ぎ手、油およびガス用継ぎ手に使用されるのみならず、電気産業、エンジニアリング産業、および自動車産業における種々の細部部品にも使用されている。この合金は研磨および表面処理により非常に優れた仕上げ表面を得ることが容易である。ＣＷ６１４Ｎは３９重量％のＺｎと、３重量％のＰｂとを含有し、残部はＣｕであり、したがってＣｕＺｎ３９Ｐｂ３と表記される組成を有する。ＣＷ６１４Ｎは自動機械加工に使用されることから快削黄銅とも称され、ＣＷ６１７Ｎは熱間鍛造される細部部品に使用されている。
【０００７】
ＣＷ６１４Ｎのように黄銅合金に鉛を添加すると被削性が向上する。固溶するのは０．２重量％というわずかな部分である。鉛原子は銅原子や亜鉛原子よりもサイズがはるかに大きいため、転位の移動を固定する。特にこの作用が、非常に重要な現象である切り屑破断を促進する。残部においては結晶粒界に鉛−銅相が析出する。この相は切り込み領域に生じた温度で融解し、融解した金属は切削が進行している間は潤滑剤として作用する。一般に、Ｐｂを０．２重量％未満に低下させると被削性が大幅に低下することが認められている。
【０００８】
結晶粒界に析出した鉛−銅相の一部は切削加工している工作物の一部となる。この相は低強度かつ高展延性であり、液状の場合もあるため、他の部分よりも大きくかつ容易に拡がる。このような表面は飲料水に接している製品／部品や給水栓にも存在するであろう。このようにして鉛が水中に浸出し、我々の健康に有害な影響を及ぼす可能性がある。
【０００９】
他の態様は、黄銅が粒界腐食により脱亜鉛する可能性があること［４］であり、それによって、残存する結晶粒構造が露出することになる。これらの結晶粒組織も水に接触する可能性があるため、Ｐｂの添加は最小量であることが好ましい。
【００１０】
しかしながら、粒界に鉛−銅相が存在しないと銅合金の被削性が損なわれてしまう。機械加工における主な難点を以下に示す。
１．  切り屑の破断性が悪化し、切り屑の制御が難しくなる。
【００１１】
２．  切り屑幅の拡大、すなわち切り屑の横幅が広がる（図１参照）。
３．  バリの生成。
４．  切削工具のすくい面に構成刃先「ＢＵＥ（build up edge）」が滞留し、最終的に工作物表面に残留する。
【００１２】
５．  切削抵抗が著しく増大する。
６．  切り屑厚さ方向の切削抵抗が増大するために振動傾向（vibration tendency）が著しく増大する（図２参照）。
【００１３】
したがって、鉛（Ｐｂ）の添加量を大幅に低減しても被削性が損なわれることのない改善された黄銅合金が切望されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
発明の目的
本発明の目的は、約３重量％のＰｂを含有するいわゆる快削黄銅に匹敵するかまたはそれに近い切削性を有する黄銅合金を提供することにある。
【００１５】
さらなる目的は、Ｐｂを最大で０．２５重量％（±０．０２重量％）、好ましくはＰｂを０．２０重量％以下の量で含有し、粒界には鉛が存在せず、固溶部分にのみ鉛が存在する黄銅合金である。したがって、本発明の黄銅合金は米国およびＥＵにおいて鉛フリーの黄銅と表記することができる。
【００１６】
さらなる目的は、ＣＷ５１１ＬやＥｃｏＢｒａｓｓ（登録商標）等の他の鉛フリーの黄銅と同程度あるいはそれらを上回る切削性を有する黄銅合金を製造することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
発明の概要
独立請求項に定義されるように、本発明により上述の目的は達成され、さらには、上述の切削に関する問題が解消された。本発明の好適な実施形態を独立請求項に定義する。
【００１８】
本発明は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）がセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する黄銅合金およびその黄銅合金を製造するための方法に関する。前記セラミックナノ粒子は非変形性粒子、すなわち硬質の含有物であり、それによって切削に関する技術的利点が得られる。
【００１９】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、６１．５〜６４．２重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０．０４〜０．１重量％（好ましくは０．０４〜０．０６重量％）のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。
【００２０】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、６１．５〜６３．５重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＳｎと、０〜０．１５重量％のＦｅと、０〜１重量％（好ましくは０〜０．０５重量％または０．４５〜０．７重量％）のＡｌと、０〜０．１４９重量％のＮｉと、０〜０．１５重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０〜０．０２重量％のＰと、０〜０．０２重量％のＳｂと、０〜０．０００７重量％のＢと、０．０４〜０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。Ｓｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉおよび／またはＡｓ等の合金添加物は耐腐食性、強度、耐摩耗性および／または引張強さを改善する。
【００２１】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、６３．０重量％のＣｕと、３６．６重量％のＺｎと、０．２重量％のＰｂと、０．１重量％のＡｓと、０．０００５重量％のＢと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する。合金添加物としてＡｓを用いることにより脱亜鉛が抑制される。Ｐｂを０．２重量％という低含有量で含有する本発明の黄銅合金は鉛フリーの黄銅の定義を満たすことができる。
【００２２】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、６３．１重量％のＣｕと、３６．７重量％のＺｎと、０．１４５重量％のＰｂと、０．０４重量％のＡｓと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する。合金添加物としてＡｓを用いることにより脱亜鉛が抑制される。Ｐｂを０．１４５重量％という低含有量で含有する本発明の黄銅合金は鉛フリーの黄銅の定義を満たすことができる。
【００２３】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、実質的に球状であるＡｌ２Ｏ３ナノ粒子を含有する。それによって、実質的に球状のＡｌ２Ｏ３ナノ粒子は、被削材の二次および三次切削域（cutting zone）において変形した材料の結晶粒の形態と類似の形態をとる。さらに、Ａｌ２Ｏ３球状ナノ粒子は、工具を研磨する作用を有して工具寿命を著しく低下させる角張ったナノ粒子とは異なり、工具寿命に影響を及ぼさないという利点がある。
【００２４】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、人工物の形態にあるＡｌ２Ｏ３のナノ粒子を含有する。Ａｌ２Ｏ３の人工セラミックナノ粒子、すなわち人工物を用いることは、切削における技術的利点が得られるようにＡｌ２Ｏ３の重量および形態を制御するのに非常に有効な方法である。
【００２５】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、直径が１００〜１０００ｎｍであるＡｌ２Ｏ３のナノ粒子を含有する。それによって、本発明の黄銅合金に含まれるＡｌ２Ｏ３ナノ粒子の直径が、黄銅合金の二次および三次切削域において変形した被削材の結晶粒の厚みと同程度になる。
【００２６】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、直径が５００ｎｍであるＡｌ２Ｏ３ナノ粒子を含有する。それによって、本発明の黄銅合金に含まれるＡｌ２Ｏ３ナノ粒子の直径が、黄銅合金の二次および三次切削域において変形した被削材の結晶粒の厚みと同程度になる。
【００２７】
好ましい実施形態によれば、上述の好ましい黄銅合金は、黄銅のスクラップを含んだ溶融浴にＡｌ２Ｏ３ナノ粒子を撹拌しながら投入する方法により製造され、Ａｌ２Ｏ３のセラミックナノ粒子は溶融プロセスの開始時に撹拌しながら投入され、溶融浴中の上記の黄銅スクラップは、上述の好ましい黄銅合金が得られる量でＣｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂおよび／またはＢを含有する。この方法はまた、（ｉ）所望量の１／３以下の量の溶融しようとする黄銅スクラップを炉に投入するステップと、（ｉｉ）セラミックナノ粒子を全て投入するステップと、（ｉｉｉ）オプションとして、炉内で撹拌することにより混合するステップと、（ｉｖ）黄銅スクラップの残部を所望量に達するまで投入するステップとを含む。この方法により、切削技術に関して多くの利点を有する黄銅合金が得られる。
【００２８】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、溶融浴の温度を１０４０℃とするプロセスにより製造される。炉内で誘導加熱を行うことにより、Ａｌ２Ｏ３ナノ粒子を十分かつ均一に分散させる撹拌効果を得るのに適した状態となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】先行技術による黄銅合金の切り屑幅の拡大を示す略図である。
【図２】先行技術による黄銅合金の切り屑の厚み方向を示す略図である。
【図３】本発明による黄銅合金の切削域を示す模式図である。
【図４】本発明による黄銅合金の切削域内の速度勾配を示す模式図である。
【図５】本発明による黄銅合金の切削域内の変形および破壊を示す略図である。
【図６】本発明による黄銅合金における粒子の回転を示す模式図である。
【図７】本発明による黄銅合金においてセラミック粒子が分離する様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は、切削性を損なうことなく３重量％から０．２５重量％、好ましくは０．２０重量％以下、より好ましくは０重量％に添加物の鉛（Ｐｂ）を制限した黄銅合金に関する。
【００３１】
本発明による黄銅合金は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、ＡｓおよびＡｌ２Ｏ３と、オプションの添加物であるＳｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｐおよび／またはＳｉと、ＳやＢ等の場合により存在する不純物とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。本発明の黄銅合金は、Ｃｕを６６重量％以下で含有する。好ましくは、本発明の合金は、６１．５〜６４．２重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０．０４〜０．１重量％（好ましくは０．０４〜０．０６重量％）のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。より好ましくは、本発明の合金は、６１．５〜６３．５重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＳｎと、０〜０．１５重量％のＦｅと、０〜１重量％（好ましくは０〜０．０５重量％または０．４５〜０．７重量％）のＡｌと、０〜０．１４９重量％のＮｉと、０〜０．１５重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０〜０．０２重量％のＰと、０〜０．０２重量％のＳｂと、０〜０．０００７重量％のＢと、０．０４〜０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。
【００３２】
本発明の黄銅合金は、耐腐食性、強度、耐摩耗性および／または引張強さを向上させるためにＳｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉおよび／またはＡｓ等の合金添加物を含有する。Ａｓを用いることによって、脱亜鉛、すなわち亜鉛が他の合金元素よりも速く反応する選択的腐食が抑制される。添加物としてのＳｎは、耐腐食性を向上させると共に、硬度および引張強さの若干の上昇に寄与することもできる。Ｆｅ、ＭｎおよびＡｌが黄銅合金中に存在することにより、硬度、強度および引張強さのある程度の上昇に寄与する。Ｓｉは黄銅合金の強度および耐摩耗性を向上させる。ニッケルは展延性にいかなる有意な影響を及ぼすことなく硬度および引張強さを改善し、それによって高温における品質が改善される。Ｓｂ、Ｂ、Ｐ、Ｓ等の他の元素もまた合金中に存在してもよい。
【００３３】
本発明による黄銅合金は、溶融プロセスの開始時に約１０４０℃の黄銅スクラップの溶融浴にサイズが１００〜１０００ｎｍであるアルミナナノ粒子を投入することを含む方法により製造される。炉内で誘導加熱を行うことにより、十分かつ均一に分散させる撹拌効果を得るのに適した状態になる。
【００３４】
本発明の方法はまた：
（ｉ）所望量の１／３以下の量の溶融しようとする黄銅スクラップを炉内に投入するステップと、
（ｉｉ）セラミックナノ粒子を全て投入するステップと、
（ｉｉｉ）オプションとして、炉内で撹拌することにより混合するステップと、
（ｉｖ）黄銅スクラップの残部を所望量に達するまで投入するステップと
を含む。
【００３５】
合金中にセラミックナノ粒子として存在するＡｌ２Ｏ３の形状は実質的に球状であり、直径は１００〜１０００ｎｍである。このナノ粒子は、被削材および切り屑の材料内の速度勾配が大きく（図４）、変形が極めて大きい二次および三次切削域（図３）で作用する。被削材に含まれる１０〜１００μｍのサイズの結晶粒は厚みが数百ｎｍの板状に引き延ばされた後、破壊に至る（図５）。
【００３６】
二次および三次切削域の被削材内部で変形している結晶粒の厚みと同程度のサイズを有するセラミックナノ粒子を少量添加することにより、切削に関する多くの技術的利点が得られる。
【００３７】
１．  塑性変形しないセラミックナノ粒子は切削域における破損の指標として作用する。
２．  粒子周囲の張力場および粒子自体が転位を捕捉し、切り屑を脆化させる。
【００３８】
３．  切り屑の展延性が低下することにより切り屑厚み方向の切削抵抗が低下するため、機械加工時の自励びびり振動（self-oscillation）が発生しにくくなる。
４．  展延性が低下することにより、バリの生成も低減されると共に、切り屑が長く伸びにくくなる。
【００３９】
５．  粒子は、構成刃先（loose edge）の形成に有利な作用も示す。
切削域における速度勾配によってナノ粒子は回転しスピンする（図６）。このようなスピンが発生すると粒子に大きな応力が加わる。一部のセラミック粒子は幾つかの小さな破片に破壊されることになる。セラミック素材はかなり脆く、引張方向に加わる大きな応力に耐えられない。セラミック粒子はスタグネーションポイント（stagnation point）付近で破壊すると推測され（図７）、「魚雷」のように作用するであろう。「魚雷」の破片は単なる粒子となるのではなく、切り屑を脆化させる。
【００４０】
以下の実施例において本発明の範囲に含まれる実施形態をさらに説明および例証する。実施例は例示のみを目的とするものであって、本発明を限定することを意図するものと解釈すべきではなく、本発明の範囲を逸脱することなく多くの変形が可能である。
【実施例】
【００４１】
実施例１
溶融プロセスの開始時に黄銅スクラップを含んだ溶融浴に直径５００ｎｍのＡｌ２Ｏ３の球状セラミックナノ粒子を撹拌しながら導入することにより、６３．０重量％のＣｕと、３６．６重量％のＺｎと、０．２重量％のＰｂと、０．１重量％のＡｓと、０．０００５重量％のＢと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する黄銅合金を製造した。溶融浴の温度は１０４０℃とした。黄銅スクラップは上記最終組成の合金が得られる量の合金添加物を含むものとした。この方法はまた、
ｉ．  所要量の１／３以下の溶融しようとする黄銅スクラップを炉に投入するステップと、
ｉｉ．  セラミックナノ粒子を全て投入するステップと、
ｉｉｉ．  オプションとして、炉内で撹拌することにより混合するステップと、
ｉｖ．  黄銅スクラップの残部を所要量に達するまで投入するステップと
を含む。
【００４２】
得られた黄銅合金を以下、ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘと称する。以下の表に、合金添加物Ｓｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、ＳｉおよびＳｂならびに不純物Ｓの許容範囲を下限値および上限値（重量％）の形で示した。ＥＮ番号ＣＷ５１１ＬおよびＣＷ６１４Ｎの黄銅合金を用いて比較調査を行った。その組成（表中の標準値を参照）および許容範囲（下限値、上限値）を以下の表に示す。比較調査にはＥｃｏＢｒａｓｓ（登録商標）すなわちＥＮ番号ＣＷ７２４Ｒの黄銅合金も使用した。これは、７５〜７７重量％のＣｕと、３重量％のＳｉとを含有し、残部はＺｎである。ＥｃｏＢｒａｓｓ（登録商標）はさらに０．１〜０．１２重量％のＰｂを含有し、したがって、鉛フリーの黄銅と表記することができる。
【００４３】
【表１】
2016537509.tif 000003
比較調査において、ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘは予期せぬ改善された技術的効果を示した。その結果から、Ａｌ２Ｏ３ナノ粒子を添加した黄銅合金の振動傾向は鉛を約３重量％含有する快削黄銅ＣＷ６１４Ｎとほぼ同程度であったことが分かる。加えて、切削抵抗が低下しており、切り屑破断性は許容できるもの、すなわち切り屑による問題が発生しなかった。さらに、バリの生成、構成刃先、および切り屑幅の拡大については粒子を含まないものと比較してはるかに優れていた。
【００４４】
基準材料であるＣＷ５１１Ｌと比較すると、ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘは切削抵抗および振動傾向が確実に優れている。切り屑破断性はＣＷ５１１Ｌと同程度であったが、ＥｃｏＢｒａｓｓより大幅に優れていた。押出成形された棒材（直径５０ｍｍ）について調査したところ、切削性はわずかに異なるのみであり、これは粒子が十分に分散していたことを示唆している。粒子が工具寿命に劇的な影響を与えるであろうことを示唆する徴候は認められなかった。ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘの振動傾向はＥｃｏＢｒａｓｓとほぼ同程度であった。バリの生成はＥｃｏＢｒａｓｓと同程度であり、ＣＷ５１１Ｌよりもはるかに優れていた。
【００４５】
ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘの構成刃先の生成に関しては、付着物がほとんど検出されず、予期せぬ技術的効果が実証された。これはＣＷ５１１Ｌよりも非常に優れており、ＥｃｏＢｒａｓｓよりも優れている。Ａｌ２Ｏ３セラミック粒子を添加物として使用しても構成刃先の形成に影響がないと思われることは驚くべきことである。機械加工された細部部品は付着物を有するべきではないため、構成刃先の生成の有無は重要である。一般に、軟質の延性材料は構成刃先の問題が最も発生しやすいが、この場合は粒子および破片によって転位が固定されるため、被削材と接している切り屑はより硬質になったように振る舞う。粒子およびその破片の周囲の張力場は転位を固定し、さらなる塑性変形（plasticizing）を起こりにくくし、すなわち切り屑の材料を脆化させる。
【００４６】
一般に延性材料は異物をほとんど含まず、多量の粒子や硬質の含有物を含まないので、構成刃先が頻発する場合が多い。もしこの材料が析出硬化により硬化すれば、構成刃先の生成に起因する問題がしばしば起こりにくくなるであろう。黄銅合金ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘ、すなわち本発明による好ましい黄銅合金に含まれる本発明の粒子およびその破片により類似の効果が得られるようである。
【００４７】
このことは、ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘの降伏強度が大幅に上昇した（約３０％）ことにより示唆される。格子に収まらない粒子は張力場に囲まれ、転位の移動を起こりにくくし、すなわち、転位を移動させるのに必要な力が増大する。粒界におけるナノ粒子はすべり面のすべり方向およびシフトに影響を及ぼすだけでなく、転位の移動にさえも影響を与え、それによって慣性が大きくなり、それによって今度は降伏強度が高くなる。
【００４８】
実施例２
溶融プロセスの開始時に黄銅スクラップを含んだ溶融浴に直径５００ｎｍの球状のＡｌ２Ｏ３セラミックナノ粒子を撹拌しながら導入することにより、６３．１重量％のＣｕと、３６．７重量％のＺｎと、０．１４５重量％のＰｂと、０．０６重量％のＡｓと、０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する黄銅合金を製造した。溶融浴の温度は１０４０℃とした。黄銅スクラップは、上記最終組成を有する本発明の合金が得られる量の合金添加物を含むものとした。
【００４９】
実施例２による黄銅合金は実施例１による黄銅合金と類似の性質を有していた。
参考文献：
１．  http://www.svensktvatten.se/PageFiles/3562/Nilsson.pdf
２．  http.//www.diehl.com/en/diehl-metall/company/brands/diehl-metall-messing/ecomerica/alloys.html
３．  http://www.nordicbrass.se/PRODUKTER/Oversiktstanglegeringar/tabid/88/
language/sv-SE/Default.aspx
４．  O Rod, Swerea Kimab, Sweden
【図１】
2016537509.tif 000004
【図２】
2016537509.tif 000005
【図３】
2016537509.tif 000006
【図４】
2016537509.tif 000007
【図５】
2016537509.tif 000008
【図６】
2016537509.tif 000009
【図７】
2016537509.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月23日(2016.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕと、Ｚｎと、０〜０．２５重量％のＰｂと、０．０４〜０．１重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する黄銅合金であって、Ａｌ２Ｏ３がセラミックナノ粒子の形態で前記合金中に存在する、黄銅合金。
【請求項２】
Ａｓと、オプションの添加物であるＳｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎおよび／またはＳｉとをさらに含有する、請求項１に記載の黄銅合金。
【請求項３】
６１．５〜６４．２重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０〜０．２５重量％のＰｂと、０．０４〜０．１重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する、請求項１に記載の黄銅合金。
【請求項４】
Ａｌ２Ｏ３が０．０４〜０．０６重量％の濃度で存在する、請求項３に記載の黄銅合金。
【請求項５】
０〜０．１５重量％のＡｓをさらに含有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項６】
６１．５〜６３．５重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０〜０．２５重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＳｎと、０〜０．１５重量％のＦｅと、０〜１重量％のＡｌと、０〜０．１４９重量％のＮｉと、０〜０．１５重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０〜０．０２重量％のＰと、０〜０．０２重量％のＳｂと、０〜０．０００７重量％のＢと、０．０４〜０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３がセラミックナノ粒子の形態で前記合金中に存在する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項７】
Ａｌが０〜０．０５重量％または０．４５〜０．７重量％の濃度で存在する、請求項６に記載の黄銅合金。
【請求項８】
６１．５〜６３．５重量％のＣｕと、０〜０．２５重量％のＰｂと、０〜０．１重量％のＳｎと、０〜０．１重量％のＦｅと、０〜０．１重量％のＮｉと、０〜０．０１重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０．０６〜０．１５重量％のＡｓと、０．０００３〜０．０００７重量％のＢと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有し、前記黄銅合金中のＦｅ、Ｍｎ、ＳｂおよびＳの合計は最大で０．２重量％であり、前記合金の残りのパーセントはＺｎからなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項９】
６３．０重量％のＣｕと、３６．６重量％のＺｎと、０．２重量％のＰｂと、０．１重量％のＡｓと、０．０００５重量％のＢと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する、請求項８に記載の黄銅合金。
【請求項１０】
６２．５〜６３．５重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０〜０．１８重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＳｎと、０〜０．１５重量％のＦｅと、０〜０．０５重量％または０．４５〜０．７重量％のＡｌと、０〜０．１４９重量％のＮｉと、０〜０．１５重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０〜０．０２重量％のＰと、０．０４〜０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する、請求項４〜７のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項１１】
６３．１重量％のＣｕと、３６．７重量％のＺｎと、０．１４５重量％のＰｂと、０．０４重量％のＡｓと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する、請求項１０に記載の黄銅合金。
【請求項１２】
Ａｌ２Ｏ３の前記ナノ粒子が球状である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項１３】
Ａｌ２Ｏ３の前記ナノ粒子が人工物である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項１４】
Ａｌ２Ｏ３の前記ナノ粒子の直径が１００〜１０００ｎｍである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の黄銅合金。
【請求項１５】
Ａｌ２Ｏ３の前記ナノ粒子の直径が５００ｎｍである、請求項１４に記載の黄銅合金。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の黄銅合金を製造する方法であって、溶融プロセスの開始時に黄銅のスクラップを含んだ溶融浴にＡｌ２Ｏ３のナノ粒子を投入することを特徴とし、前記溶融浴中の前記黄銅のスクラップは、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の黄銅合金の量でＣｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂおよび／またはＰを含有する、方法。
【請求項１７】
前記溶融浴の温度が１０４０℃である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ｉ．  所望量の１／３以下の量の溶融しようとする黄銅スクラップを炉に投入するステップと、
ｉｉ．  セラミックナノ粒子を全て投入するステップと、
ｉｉｉ．  オプションとして、前記炉内で撹拌することにより混合するステップと、
ｉｖ．  前記黄銅スクラップの残部を前記所望量に達するまで投入するステップと
を含む、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
棒材、異形材、またはブルームを製造するための、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の黄銅合金の使用。
【請求項２０】
ネジ、ナット、水道用継ぎ手、衛生設備用継ぎ手、錠の細部部品、電気部品、装飾品、油用継ぎ手、ガス用継ぎ手を製造するための、または電気産業、エンジニアリング産業、および自動車産業用の種々の細部部品を製造するための、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の黄銅合金の使用。
【請求項２１】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の黄銅合金からなる物品。
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月28日(2016.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ２Ｏ３がセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在してその結果として有利な切削性を示す最大で０．２５重量％のＰｂを含有した黄銅合金およびその黄銅合金の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
黄銅は多くの可能性を秘めた応用範囲の広い材料である。その基本構成成分は銅（Ｃｕ）および亜鉛（Ｚｎ）である。鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）および／またはヒ素（Ａｓ）等の種々の合金材料を添加することによって黄銅に独自の性質を付与することができ、種々の機械加工向けおよび種々の最終製品向けに様々な品質を有する黄銅がある。さらに黄銅は、アンチモン（Ｓｂ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）および／または硫黄（Ｓ）を含有することもできる。
【０００３】
黄銅は棒材、異形材（profiles）、およびブルーム（blooms）といった形態の半製品として製造することができ、さらなる精密加工（refined）が施される。こうして得られる最終製品は、例えば、ネジ、ナット、水道および衛生設備用継ぎ手（water and sanitary armatures）、錠の細部部品（lock details）、電気部品、装飾品等である。まず第一に、黄銅は、環境推進工場（environmental promoting workshop）での製造において定められた位置を有する閉鎖循環材料（closed cycle material）である。黄銅は回収による収益性が高いことから、原料のほぼ８０パーセントが黄銅スクラップの形態であり、その一部は工場から出る廃棄物であり、別の一部は回収業者からのものである。
【０００４】
いわゆる「衛生的な銅合金組成リスト（Hygienic Copper Alloy Composition List）」には、鉛フリーの黄銅のＰｂに関して０．２パーセントという値が定められている。黄銅および他の金属からなる合金ならびに飲料水に接する材料はこのリストで管理され、４ＭＳ（フォーメンバーステート（Four Member State））の宣言書に署名した各国において２０１３年１２月１日から効力を発する。４ＭＳの活動は、その前身であるＥＡＳ（欧州認証基準（European Acceptance Scheme））の延長であり、その活動は欧州委員会の主導によって１９９７年に開始された。４ＭＳ宣言のねらいは、ＥＵに加盟する全２７ヵ国に対する共通の指令を作成することにある。さらには、米国をはじめとした他の国にも黄銅合金のＰｂ含有率に関する類似の規制がある。米国および欧州の主要な違いは、米国の規制は個々の物品の鉛を規制することに主眼を置く（その平均値は最大で０．２５重量％のＰｂ）のに対し、欧州では飲料水そのものに含まれる鉛を規制することに主眼を置く点にある。飲料水そのものに許容される数値としては米国の方が欧州よりも高く、それぞれ１５μｇ／Ｌおよび１０μｇ／Ｌである［１］。この要件を満たす鉛フリーの黄銅として定義される黄銅合金には、例えば、ＣＷ５１１ＬおよびＥｃｏＢｒａｓｓ（登録商標）がある［１，２］。
【０００５】
このような飲料水中のＰｂ析出に対する環境要求事項に関連し、材料そのものに含まれるＰｂを排除することも要求されている。こうした活動は各行政からの要請に従って進められるだけでなく、いわゆる環境影響評価システムを用いることによる自発的な取り組みも行われている。その例として、スゥエーデン国の場合は、建築材料評価（Building Material Assessment（Byggvarubedoemningen））およびＢａｓｔａを挙げることができ、ここでは鉛フリーの合金の使用が求められている。
【０００６】
ＥＮ番号（EN-number）がＣＷ６１４ＮおよびＣＷ６１７Ｎである黄銅合金は切削加工および鍛造に最も一般的に使用される２種の黄銅合金である［３］。例えば、これらの合金は水道および衛生設備用継ぎ手、油およびガス用継ぎ手に使用されるのみならず、電気産業、エンジニアリング産業、および自動車産業における種々の細部部品にも使用されている。この合金は研磨および表面処理により非常に優れた仕上げ表面を得ることが容易である。ＣＷ６１４Ｎは３９重量％のＺｎと、３重量％のＰｂとを含有し、残部はＣｕであり、したがってＣｕＺｎ３９Ｐｂ３と表記される組成を有する。ＣＷ６１４Ｎは自動機械加工に使用されることから快削黄銅とも称され、ＣＷ６１７Ｎは熱間鍛造される細部部品に使用されている。
【０００７】
ＣＷ６１４Ｎのように黄銅合金に鉛を添加すると被削性が向上する。固溶するのは０．２重量％というわずかな部分である。鉛原子は銅原子や亜鉛原子よりもサイズがはるかに大きいため、転位の移動を固定する。特にこの作用が、非常に重要な現象である切り屑破断を促進する。残部においては結晶粒界に鉛−銅相が析出する。この相は切り込み領域に生じた温度で融解し、融解した金属は切削が進行している間は潤滑剤として作用する。一般に、Ｐｂを０．２重量％未満に低下させると被削性が大幅に低下することが認められている。
【０００８】
結晶粒界に析出した鉛−銅相の一部は切削加工している工作物の一部となる。この相は低強度かつ高展延性であり、液状の場合もあるため、他の部分よりも大きくかつ容易に拡がる。このような表面は飲料水に接している製品／部品や給水栓にも存在するであろう。このようにして鉛が水中に浸出し、我々の健康に有害な影響を及ぼす可能性がある。
【０００９】
他の態様は、黄銅が粒界腐食により脱亜鉛する可能性があること［４］であり、それによって、残存する結晶粒構造が露出することになる。これらの結晶粒組織も水に接触する可能性があるため、Ｐｂの添加は最小量であることが好ましい。
【００１０】
しかしながら、粒界に鉛−銅相が存在しないと銅合金の被削性が損なわれてしまう。機械加工における主な難点を以下に示す。
１．  切り屑の破断性が悪化し、切り屑の制御が難しくなる。
【００１１】
２．  切り屑幅の拡大、すなわち切り屑の横幅が広がる（図１参照）。
３．  バリの生成。
４．  切削工具のすくい面に構成刃先「ＢＵＥ（build up edge）」が滞留し、最終的に工作物表面に残留する。
【００１２】
５．  切削抵抗が著しく増大する。
６．  切り屑厚さ方向の切削抵抗が増大するために振動傾向（vibration tendency）が著しく増大する（図２参照）。
【００１３】
したがって、鉛（Ｐｂ）の添加量を大幅に低減しても被削性が損なわれることのない改善された黄銅合金が切望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第５０８９３５４号明細書
【特許文献２】韓国公開特許第２０１２−００４２４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
発明の目的
本発明の目的は、約３重量％のＰｂを含有するいわゆる快削黄銅に匹敵するかまたはそれに近い切削性を有する黄銅合金を提供することにある。
【００１６】
さらなる目的は、Ｐｂを最大で０．２５重量％（±０．０２重量％）、好ましくはＰｂを０．２０重量％以下の量で含有し、粒界には鉛が存在せず、固溶部分にのみ鉛が存在する黄銅合金である。したがって、本発明の黄銅合金は米国およびＥＵにおいて鉛フリーの黄銅と表記することができる。
【００１７】
さらなる目的は、ＣＷ５１１ＬやＥｃｏＢｒａｓｓ（登録商標）等の他の鉛フリーの黄銅と同程度あるいはそれらを上回る切削性を有する黄銅合金を製造することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
発明の概要
独立請求項に定義されるように、本発明により上述の目的は達成され、さらには、上述の切削に関する問題が解消された。本発明の好適な実施形態を独立請求項に定義する。すなわち、本発明の一態様では、Ｃｕと、Ｚｎと、０〜０．２５重量％のＰｂと、０．０４〜０．１重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する黄銅合金が提供され、Ａｌ２Ｏ３がセラミックナノ粒子の形態で前記合金中に存在する。
【００１９】
本発明は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）がセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する黄銅合金およびその黄銅合金を製造するための方法に関する。本発明はまた、その黄銅合金の使用およびその黄銅合金からなる物品にも関する。前記セラミックナノ粒子は非変形性粒子、すなわち硬質の含有物であり、それによって切削に関する技術的利点が得られる。
【００２０】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、６１．５〜６４．２重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０．０４〜０．１重量％（好ましくは０．０４〜０．０６重量％）のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。
【００２１】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、６１．５〜６３．５重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＳｎと、０〜０．１５重量％のＦｅと、０〜１重量％（好ましくは０〜０．０５重量％または０．４５〜０．７重量％）のＡｌと、０〜０．１４９重量％のＮｉと、０〜０．１５重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０〜０．０２重量％のＰと、０〜０．０２重量％のＳｂと、０〜０．０００７重量％のＢと、０．０４〜０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。Ｓｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉおよび／またはＡｓ等の合金添加物は耐腐食性、強度、耐摩耗性および／または引張強さを改善する。
【００２２】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、６３．０重量％のＣｕと、３６．６重量％のＺｎと、０．２重量％のＰｂと、０．１重量％のＡｓと、０．０００５重量％のＢと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する。合金添加物としてＡｓを用いることにより脱亜鉛が抑制される。Ｐｂを０．２重量％という低含有量で含有する本発明の黄銅合金は鉛フリーの黄銅の定義を満たすことができる。
【００２３】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、６３．１重量％のＣｕと、３６．７重量％のＺｎと、０．１４５重量％のＰｂと、０．０４重量％のＡｓと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する。合金添加物としてＡｓを用いることにより脱亜鉛が抑制される。Ｐｂを０．１４５重量％という低含有量で含有する本発明の黄銅合金は鉛フリーの黄銅の定義を満たすことができる。
【００２４】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、実質的に球状であるＡｌ２Ｏ３ナノ粒子を含有する。それによって、実質的に球状のＡｌ２Ｏ３ナノ粒子は、被削材の二次および三次切削域（cutting zone）において変形した材料の結晶粒の形態と類似の形態をとる。さらに、Ａｌ２Ｏ３球状ナノ粒子は、工具を研磨する作用を有して工具寿命を著しく低下させる角張ったナノ粒子とは異なり、工具寿命に影響を及ぼさないという利点がある。
【００２５】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、人工物の形態にあるＡｌ２Ｏ３のナノ粒子を含有する。Ａｌ２Ｏ３の人工セラミックナノ粒子、すなわち人工物を用いることは、切削における技術的利点が得られるようにＡｌ２Ｏ３の重量および形態を制御するのに非常に有効な方法である。
【００２６】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、直径が１００〜１０００ｎｍであるＡｌ２Ｏ３のナノ粒子を含有する。それによって、本発明の黄銅合金に含まれるＡｌ２Ｏ３ナノ粒子の直径が、黄銅合金の二次および三次切削域において変形した被削材の結晶粒の厚みと同程度になる。
【００２７】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、直径が５００ｎｍであるＡｌ２Ｏ３ナノ粒子を含有する。それによって、本発明の黄銅合金に含まれるＡｌ２Ｏ３ナノ粒子の直径が、黄銅合金の二次および三次切削域において変形した被削材の結晶粒の厚みと同程度になる。
【００２８】
好ましい実施形態によれば、上述の好ましい黄銅合金は、黄銅のスクラップを含んだ溶融浴にＡｌ２Ｏ３ナノ粒子を撹拌しながら投入する方法により製造され、Ａｌ２Ｏ３のセラミックナノ粒子は溶融プロセスの開始時に撹拌しながら投入され、溶融浴中の上記の黄銅スクラップは、上述の好ましい黄銅合金が得られる量でＣｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂおよび／またはＢを含有する。この方法はまた、（ｉ）所望量の１／３以下の量の溶融しようとする黄銅スクラップを炉に投入するステップと、（ｉｉ）セラミックナノ粒子を全て投入するステップと、（ｉｉｉ）オプションとして、炉内で撹拌することにより混合するステップと、（ｉｖ）黄銅スクラップの残部を所望量に達するまで投入するステップとを含む。この方法により、切削技術に関して多くの利点を有する黄銅合金が得られる。
【００２９】
好ましい実施形態によれば、本発明の黄銅合金は、溶融浴の温度を１０４０℃とするプロセスにより製造される。炉内で誘導加熱を行うことにより、Ａｌ２Ｏ３ナノ粒子を十分かつ均一に分散させる撹拌効果を得るのに適した状態となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】先行技術による黄銅合金の切り屑幅の拡大を示す略図である。
【図２】先行技術による黄銅合金の切り屑の厚み方向を示す略図である。
【図３】本発明による黄銅合金の切削域を示す模式図である。
【図４】本発明による黄銅合金の切削域内の速度勾配を示す模式図である。
【図５】本発明による黄銅合金の切削域内の変形および破壊を示す略図である。
【図６】本発明による黄銅合金における粒子の回転を示す模式図である。
【図７】本発明による黄銅合金においてセラミック粒子が分離する様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明は、切削性を損なうことなく３重量％から０．２５重量％、好ましくは０．２０重量％以下、より好ましくは０重量％に添加物の鉛（Ｐｂ）を制限した黄銅合金に関する。
【００３２】
本発明による黄銅合金は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、ＡｓおよびＡｌ２Ｏ３と、オプションの添加物であるＳｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｐおよび／またはＳｉと、ＳやＢ等の場合により存在する不純物とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。本発明の黄銅合金は、Ｃｕを６６重量％以下で含有する。好ましくは、本発明の合金は、６１．５〜６４．２重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０．０４〜０．１重量％（好ましくは０．０４〜０．０６重量％）のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。より好ましくは、本発明の合金は、６１．５〜６３．５重量％のＣｕと、３５．６〜３７．４重量％のＺｎと、０．１００〜０．２５０重量％のＰｂと、０〜０．１５重量％のＳｎと、０〜０．１５重量％のＦｅと、０〜１重量％（好ましくは０〜０．０５重量％または０．４５〜０．７重量％）のＡｌと、０〜０．１４９重量％のＮｉと、０〜０．１５重量％のＭｎと、０〜０．０３重量％のＳｉと、０〜０．１５重量％のＡｓと、０〜０．０２重量％のＰと、０〜０．０２重量％のＳｂと、０〜０．０００７重量％のＢと、０．０４〜０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有し、Ａｌ２Ｏ３はセラミックナノ粒子の形態で合金中に存在する。
【００３３】
本発明の黄銅合金は、耐腐食性、強度、耐摩耗性および／または引張強さを向上させるためにＳｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｓｉおよび／またはＡｓ等の合金添加物を含有する。Ａｓを用いることによって、脱亜鉛、すなわち亜鉛が他の合金元素よりも速く反応する選択的腐食が抑制される。添加物としてのＳｎは、耐腐食性を向上させると共に、硬度および引張強さの若干の上昇に寄与することもできる。Ｆｅ、ＭｎおよびＡｌが黄銅合金中に存在することにより、硬度、強度および引張強さのある程度の上昇に寄与する。Ｓｉは黄銅合金の強度および耐摩耗性を向上させる。ニッケルは展延性にいかなる有意な影響を及ぼすことなく硬度および引張強さを改善し、それによって高温における品質が改善される。Ｓｂ、Ｂ、Ｐ、Ｓ等の他の元素もまた合金中に存在してもよい。
【００３４】
本発明による黄銅合金は、溶融プロセスの開始時に約１０４０℃の黄銅スクラップの溶融浴にサイズが１００〜１０００ｎｍであるアルミナナノ粒子を投入することを含む方法により製造される。炉内で誘導加熱を行うことにより、十分かつ均一に分散させる撹拌効果を得るのに適した状態になる。
【００３５】
本発明の方法はまた：
（ｉ）所望量の１／３以下の量の溶融しようとする黄銅スクラップを炉内に投入するステップと、
（ｉｉ）セラミックナノ粒子を全て投入するステップと、
（ｉｉｉ）オプションとして、炉内で撹拌することにより混合するステップと、
（ｉｖ）黄銅スクラップの残部を所望量に達するまで投入するステップと
を含む。
【００３６】
合金中にセラミックナノ粒子として存在するＡｌ２Ｏ３の形状は実質的に球状であり、直径は１００〜１０００ｎｍである。このナノ粒子は、被削材および切り屑の材料内の速度勾配が大きく（図４）、変形が極めて大きい二次および三次切削域（図３）で作用する。被削材に含まれる１０〜１００μｍのサイズの結晶粒は厚みが数百ｎｍの板状に引き延ばされた後、破壊に至る（図５）。
【００３７】
二次および三次切削域の被削材内部で変形している結晶粒の厚みと同程度のサイズを有するセラミックナノ粒子を少量添加することにより、切削に関する多くの技術的利点が得られる。
【００３８】
１．  塑性変形しないセラミックナノ粒子は切削域における破損の指標として作用する。
２．  粒子周囲の張力場および粒子自体が転位を捕捉し、切り屑を脆化させる。
【００３９】
３．  切り屑の展延性が低下することにより切り屑厚み方向の切削抵抗が低下するため、機械加工時の自励びびり振動（self-oscillation）が発生しにくくなる。
４．  展延性が低下することにより、バリの生成も低減されると共に、切り屑が長く伸びにくくなる。
【００４０】
５．  粒子は、構成刃先（loose edge）の形成に有利な作用も示す。
切削域における速度勾配によってナノ粒子は回転しスピンする（図６）。このようなスピンが発生すると粒子に大きな応力が加わる。一部のセラミック粒子は幾つかの小さな破片に破壊されることになる。セラミック素材はかなり脆く、引張方向に加わる大きな応力に耐えられない。セラミック粒子はスタグネーションポイント（stagnation point）付近で破壊すると推測され（図７）、「魚雷」のように作用するであろう。「魚雷」の破片は単なる粒子となるのではなく、切り屑を脆化させる。
【００４１】
以下の実施例において本発明の範囲に含まれる実施形態をさらに説明および例証する。実施例は例示のみを目的とするものであって、本発明を限定することを意図するものと解釈すべきではなく、本発明の範囲を逸脱することなく多くの変形が可能である。
【実施例】
【００４２】
実施例１
溶融プロセスの開始時に黄銅スクラップを含んだ溶融浴に直径５００ｎｍのＡｌ２Ｏ３の球状セラミックナノ粒子を撹拌しながら導入することにより、６３．０重量％のＣｕと、３６．６重量％のＺｎと、０．２重量％のＰｂと、０．１重量％のＡｓと、０．０００５重量％のＢと、０．０５重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する黄銅合金を製造した。溶融浴の温度は１０４０℃とした。黄銅スクラップは上記最終組成の合金が得られる量の合金添加物を含むものとした。この方法はまた、
ｉ．  所要量の１／３以下の溶融しようとする黄銅スクラップを炉に投入するステップと、
ｉｉ．  セラミックナノ粒子を全て投入するステップと、
ｉｉｉ．  オプションとして、炉内で撹拌することにより混合するステップと、
ｉｖ．  黄銅スクラップの残部を所要量に達するまで投入するステップと
を含む。
【００４３】
得られた黄銅合金を以下、ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘと称する。以下の表に、合金添加物Ｓｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、ＳｉおよびＳｂならびに不純物Ｓの許容範囲を下限値および上限値（重量％）の形で示した。ＥＮ番号ＣＷ５１１ＬおよびＣＷ６１４Ｎの黄銅合金を用いて比較調査を行った。その組成（表中の標準値を参照）および許容範囲（下限値、上限値）を以下の表に示す。比較調査にはＥｃｏＢｒａｓｓ（登録商標）すなわちＥＮ番号ＣＷ７２４Ｒの黄銅合金も使用した。これは、７５〜７７重量％のＣｕと、３重量％のＳｉとを含有し、残部はＺｎである。ＥｃｏＢｒａｓｓ（登録商標）はさらに０．１〜０．１２重量％のＰｂを含有し、したがって、鉛フリーの黄銅と表記することができる。
【００４４】
【表１】
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比較調査において、ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘは予期せぬ改善された技術的効果を示した。その結果から、Ａｌ２Ｏ３ナノ粒子を添加した黄銅合金の振動傾向は鉛を約３重量％含有する快削黄銅ＣＷ６１４Ｎとほぼ同程度であったことが分かる。加えて、切削抵抗が低下しており、切り屑破断性は許容できるもの、すなわち切り屑による問題が発生しなかった。さらに、バリの生成、構成刃先、および切り屑幅の拡大については粒子を含まないものと比較してはるかに優れていた。
【００４５】
基準材料であるＣＷ５１１Ｌと比較すると、ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘは切削抵抗および振動傾向が確実に優れている。切り屑破断性はＣＷ５１１Ｌと同程度であったが、ＥｃｏＢｒａｓｓより大幅に優れていた。押出成形された棒材（直径５０ｍｍ）について調査したところ、切削性はわずかに異なるのみであり、これは粒子が十分に分散していたことを示唆している。粒子が工具寿命に劇的な影響を与えるであろうことを示唆する徴候は認められなかった。ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘの振動傾向はＥｃｏＢｒａｓｓとほぼ同程度であった。バリの生成はＥｃｏＢｒａｓｓと同程度であり、ＣＷ５１１Ｌよりもはるかに優れていた。
【００４６】
ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘの構成刃先の生成に関しては、付着物がほとんど検出されず、予期せぬ技術的効果が実証された。これはＣＷ５１１Ｌよりも非常に優れており、ＥｃｏＢｒａｓｓよりも優れている。Ａｌ２Ｏ３セラミック粒子を添加物として使用しても構成刃先の形成に影響がないと思われることは驚くべきことである。機械加工された細部部品は付着物を有するべきではないため、構成刃先の生成の有無は重要である。一般に、軟質の延性材料は構成刃先の問題が最も発生しやすいが、この場合は粒子および破片によって転位が固定されるため、被削材と接している切り屑はより硬質になったように振る舞う。粒子およびその破片の周囲の張力場は転位を固定し、さらなる塑性変形（plasticizing）を起こりにくくし、すなわち切り屑の材料を脆化させる。
【００４７】
一般に延性材料は異物をほとんど含まず、多量の粒子や硬質の含有物を含まないので、構成刃先が頻発する場合が多い。もしこの材料が析出硬化により硬化すれば、構成刃先の生成に起因する問題がしばしば起こりにくくなるであろう。黄銅合金ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘ、すなわち本発明による好ましい黄銅合金に含まれる本発明の粒子およびその破片により類似の効果が得られるようである。
【００４８】
このことは、ＣＷ５１１Ｌ−５０Ｘの降伏強度が大幅に上昇した（約３０％）ことにより示唆される。格子に収まらない粒子は張力場に囲まれ、転位の移動を起こりにくくし、すなわち、転位を移動させるのに必要な力が増大する。粒界におけるナノ粒子はすべり面のすべり方向およびシフトに影響を及ぼすだけでなく、転位の移動にさえも影響を与え、それによって慣性が大きくなり、それによって今度は降伏強度が高くなる。
【００４９】
実施例２
溶融プロセスの開始時に黄銅スクラップを含んだ溶融浴に直径５００ｎｍの球状のＡｌ２Ｏ３セラミックナノ粒子を撹拌しながら導入することにより、６３．１重量％のＣｕと、３６．７重量％のＺｎと、０．１４５重量％のＰｂと、０．０６重量％のＡｓと、０．０６重量％のＡｌ２Ｏ３とを含有する黄銅合金を製造した。溶融浴の温度は１０４０℃とした。黄銅スクラップは、上記最終組成を有する本発明の合金が得られる量の合金添加物を含むものとした。
【００５０】
実施例２による黄銅合金は実施例１による黄銅合金と類似の性質を有していた。
参考文献：
１．  http://www.svensktvatten.se/PageFiles/3562/Nilsson.pdf
２．  http.//www.diehl.com/en/diehl-metall/company/brands/diehl-metall-messing/ecomerica/alloys.html
３．  http://www.nordicbrass.se/PRODUKTER/Oversiktstanglegeringar/tabid/88/language/sv-SE/Default.aspx
４．  O Rod, Swerea Kimab, Sweden
【国際調査報告】
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