(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
７０〜７８質量％の銅と３．５〜７．０質量％のアルミニウムとを含有し且つ残部が亜鉛からなる合金組成をなす銅合金材であって、
面積比率において９５〜６０％のα相と４〜２０％の分散状の微細なγ相とを含む金属組織をなすことを特徴とする無鉛快削性銅合金材。
【請求項２】
前記γ相が、β相の変態により析出されたものであることを特徴とする、請求項１に記載する無鉛快削性銅合金材。
【請求項３】
β相の変態により析出された微細なγ相及びα相と変態されない残余の微細なβ相とからなる金属組織をなすことを特徴とする、請求項１に記載する無鉛快削性銅合金材。
【請求項４】
０．０１〜０．１質量％の硼素を更に含有する合金組成をなすものであることを特徴とする、請求項１、請求項２又は請求項３に記載する無鉛快削性銅合金材。
【請求項５】
０．０５〜０．５質量％のバナジウムを更に含有する合金組成をなすものであることを特徴とする、請求項１、請求項２又は請求項３に記載する無鉛快削性銅合金材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛を含有せずとも切削性に富む無鉛快削性銅合金材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
切削性に優れた銅合金として、一般に、ＪＩＳ  Ｈ５１１１  ＣＡＣ４０６等の青銅系合金やＪＩＳ  Ｈ３２５０−Ｃ３６０４，Ｃ３７７１等の黄銅系合金が知られている。これらは相当量の鉛を含有することによって切削性を向上させたものであり、工業的に満足しうる切削性を確保したものである。すなわち、鉛はマトリックスに固溶せず、粒状をなして分散し、切削加工熱で溶融して切削屑を細かく分断（剪断）させるチップブレーカとして機能することによって、銅合金材の切削性を向上させるものである。
【０００３】
鉛を含有する銅合金材は、上記した如く切削性に優れるものであることから、従来からも種々の製品（例えば、上水道用配管の水栓金具，給排水金具，バルブ等）の構成材として重宝されている。しかし、鉛が人体や環境に悪影響を及ぼす有害物質であるところから、近時においては、その用途が大幅に制限される傾向にある。例えば、合金の溶解，鋳造等の高温作業時に発生する金属蒸気には鉛成分が含まれることになり、或いは飲料水等との接触により水栓金具や弁等から鉛成分が溶出する虞れがあり、人体や環境衛生上問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、近時、米国等の先進国においては銅合金における鉛含有量を大幅に制限する傾向にあり、わが国においても鉛含有量を可及的に低減した快削性銅合金材の開発が強く要請されている。
【０００５】
本発明は、かかる世界的な傾向及び要請に応えるべくなされたもので、鉛を含有することなく、工業的に満足しうる切削性を有する無鉛快削性銅合金材を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成すべく、７０〜７８質量％の銅と３．５〜７．０質量％のアルミニウムとを含有し且つ残部が亜鉛からなる合金組成をなす銅合金材であって、面積比率において９５〜６０％のα相と４〜２０％の分散状の微細なγ相とを含む金属組織をなすことを特徴とする無鉛快削性銅合金材を提案する。
【０００７】
かかる無鉛快削性銅合金材にあって、金属組織は、β相の変態により析出された微細なγ相及びα相を含むものであること、又はβ相の変態により析出された微細なγ相及びα相と変態されない残余の微細なβ相とからなるものであることが好ましい。また、合金組成は、必要に応じて、０．０１〜０．１質量％の硼素又は０．０５〜０．５質量％のバナジウムを含有するものとしておくことができる。
【０００８】
而して、鉛は、前述した如く、マトリックスに固溶せず、粒状をなして分散することによって、切削性を向上させるチップブレーカ機能を発揮するものであるが、このような溶融物（鉛）が存在しない場合にも、微細な硬質相がマトリックス中に分散していることによりチップブレーカ機能が発揮され、切削性が向上する。すなわち、硬質且つ微細なγ相が分散されていることにより切削屑の破断が容易となり、その結果、切削加工において切削屑が細かく分断されることになり、切削性が向上するのである。
【０００９】
一方、チップブレーカとして機能しうるに十分なγ相が形成されている場合にあって、銅合金本来の特性（加工性等）が維持されるためには、マトリックスが十分なα相を有していることが必要である。すなわち、銅合金本来の特性を損なうことなく切削性を向上させるためには、α相及びγ相が所定の範囲で存在していることが好ましい。具体的には、面積比率において、α相が９５〜６０％含有されており且つγ相が４〜２０％含有されていることが好ましい。けだし、α相が６０％未満又はγ相が２０％を超えると、銅合金本来の特性が損なわれる虞れあり、γ相が４％未満ではγ相の分散による切削性改善効果が期待できない。また、α相が９５％を超えると、４〜２０％のγ相を確保することが困難である。
【００１０】
このようなα相，γ相の形成には、合金組成を上記の如く特定することが必要条件ではあるが、十分条件ではない。銅合金本来の特性を確保しつつ切削性の向上を図るために必要且つ十分なα相，γ相を確保するためには、上記した合金組成をなすものについて次のような熱処理による組織コントロールが必要となる。
【００１１】
すなわち、上記した合金組成をなす素材（鋳塊又はその熱間，冷間加工材（鍛造材，押出材等））に６００〜８００℃，３０分以上の条件で高温加熱処理（以下「一次熱処理」という）を施して、α相とβ相との２相組織の金属組織となした上、この一次熱処理材に５５０〜３００℃，１時間以上の条件で低温加熱処理（以下「二次熱処理」という）を施して、β相を変態させて微細なγ相とα相とに分解させ、α相のマトリックス中に微細な混合相を分散させる。この混合相は、β相が完全に変態した場合には、微細なα相及びγ相で構成され、β相が完全に変態しない場合には、変態しない残余のβ相を含有することになる。混合相にβ相が含まれるか否かは、実質的に切削性向上に影響するものではなく、切削性はあくまでも上記範囲（４〜２０％）の微細なγ相が分散していることによって向上するのである。なお、一次熱処理及び二次熱処理の条件は、素材の合金組成に応じて設定されるものであり、熱処理条件が同一であっても、合金組成が異なれば金属組織は異なったものとなる。同様に、合金組成が同一であっても、熱処理条件が異なれば、金属組織は異なったものとなる。
【００１２】
ところで、一次熱処理によるβ相の形成は、二次熱処理による微細なγ相の析出を実現するために必要であり、一次熱処理温度が６００℃未満ではα単相となる傾向が強く、十分なβ相を確保できないし、一次熱処理時間が３０分未満であると、再結晶が十分に行われず、適正なα＋β相となし得ない。また、一次熱処理温度が８００℃を超えると、結晶粒の成長が著しく、二次熱処理によっても切削性を向上させるに必要な金属組織を得ることが困難となる。また、二次熱処理時間が短いと（例えば、１時間未満）、γ相の形成が十分でなく、二次熱処理は可能な限り長時間行うことが好ましい。但し、二次熱処理によりβ相が完全に変態するまでの時間（平衡状態に達するまでの時間）は極めて長大であり、かかる長大な時間を条件とする二次熱処理は工業的には実現が困難である。したがって、一般には、二次熱処理時間は２４時間以内に設定しておくことが好ましい。但し、二次熱処理時間が２４時間以内である場合、β相は完全に変態されず、上記混合相には変態しない残余のβ相が含まれることになる。また、二次熱処理温度が５５０℃を超える場合にはβ相の分解が実質的に生じず、３００℃未満である場合には反応速度が遅く、γ相が切削性を改善できる程度まで増加しない。
【００１３】
また、銅合金本来の特性（加工性等）を損なうことなく、上記した組織コトロールにより切削性を向上された快削性銅合金材を得るためには、構成元素及びその含有量を上記した如く設定しておくことが必要である。
【００１４】
すなわち、素地構成元素である銅の含有量が７０質量％未満であると、合金硬度が必要以上に高くなり、加工性が低下する。また、銅含有量が７８質量％を超えると、合金が軟質化して切削加工性が低下する。アルミニウムはβ相の出現を可能ならしめるものであるが、その含有量が３．５質量％未満であるとβ相の分解による微細なγ相の形成が十分に行われず、７．０質量％を超えて添加すると、一次熱処理時にβ単相となり易く、二次熱処理後の硬度が高くなって加工性を低下させる。ところで、組織が微細化されることにより切削屑の破断効果はより顕著となるが、硼素又はバナジウムは、このような組織の微細化を助長させる微粒化剤として機能するものであり、必要に応じて添加される。しかし、硼素添加量が０．０１質量％未満である場合又はバナジウム添加量が０．０５質量％未満である場合には、微粒化剤としての機能が十分に発揮されない。かかる機能は、硼素については０．５質量％で、またバナジウムについては０．１質量％で、夫々飽和状態に達し、これらの量を超えて添加しても、添加量に見合う効果は期待できない。
【００１５】
【実施例】
実施例として、表１に示す合金組成の鋳塊（ビレット）を、その頭部を切除した上で、外径９．５ｍｍの丸棒状に熱間押出し、その押出材又はこれを冷間で外径９．０ｍｍの丸棒状に引き抜き加工したもの（引抜材）に一次熱処理及び二次処理を施すことによって、α相のマトリックス中に微細なγ相が均一に分散しており且つα相，γ相の面積比率が表１に示す値となる金属組織に組織コントロールされた、本発明に係る合金材Ｎｏ．１〜５を得た。なお、各合金材Ｎｏ．１〜５については、組織コントールを次のような一次熱処理及び二次熱処理により行った。すなわち、合金材Ｎｏ．１については、押出材に７００℃，１時間の一次熱処理を施し、炉冷後に４００℃，３時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．２については、押出材に７００℃，１時間の一次熱処理を施し、炉冷後に３５０℃，３時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．３については、引抜材に７００℃，３時間の一次熱処理を施し、炉冷後に３５０℃，５時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．４については、引抜材に７００℃，１時間の一次熱処理を施し、炉冷後に３５０℃，５時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．５については、引抜材に６５０℃，３時間の一次熱処理を施し、炉冷後に５００℃，５時間の二次熱処理を行った。
【００１６】
また、比較例として、実施例と同様に、表２に示す合金組成の鋳塊（ビレット）を、その頭部を切除した上で、外径９．５ｍｍの丸棒状に熱間押出して、その押出材又はこれを冷間で外径９．０ｍｍの丸棒状に引き抜き加工したもの（引抜材）に次のような熱処理を施すことによって金属組織を変化させた合金材Ｎｏ．１１〜１６を得た。すなわち、合金材Ｎｏ．１１，１２については、押出材に７００℃，３時間の熱処理を施し、炉冷後に更に３５０℃，５時間の熱処理を行った。合金材Ｎｏ．１３については、押出材に７００℃，３時間の熱処理を施し、炉冷後に更に４００℃，５時間の熱処理を行った。合金材Ｎｏ．１４については、押出材に７００℃，１時間の熱処理を施し、空冷後に更に３５０℃，４時間の熱処理を行った。合金材Ｎｏ．１５については、引抜材に３５０℃，５時間の熱処理を施した。合金材Ｎｏ．１６については、引抜材に７００℃，３時間の熱処理を施し、水冷した。かかる熱処理を行った各合金材Ｎｏ．１１〜１６におけるα相及びγ相の面積比率は表２に示す通りであった。
【００１７】
そして、実施例合金材Ｎｏ．１〜５及び比較例合金材Ｎｏ．１１〜１６を、旋盤を使用して、切削油：なし，刃物：超硬合金製，上すくい角：０°，横すくい角：０°，前逃げ角：０°，横逃げ角：６°，前切り刃角：１５°，横切り刃角：０°，ノーズ半径：０ｍｍ，回転数：７８５ｒｐｍ，送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ，切り込み：０．５ｍｍの条件で切削し、その切削屑の形態により切削性を確認した。その結果は、表１及び表２に示す通りであった。
【００１８】
表１に示す如く、微細なγ相が分散しており且つα相及びγ相の面積比率が本発明で特定する範囲（α相：９５〜６０％，γ相：４〜２０％）内となっている実施例合金材Ｎｏ．１〜５については、何れも、切削屑が５巻き以内で分断されており、鉛を含有しないにも拘わらず、優れた切削性を有することが確認された。一方、合金組成又はα相若しくはγ相の面積比率の少なくとも何れかが本発明で特定する範囲から逸脱している比較例合金材Ｎｏ．１１〜１６については、表２に示す如く、何れも切削屑が連続カール状をなしており、切削性が何ら改善されおらず、鉛含有合金に比して切削性が著しく低下するものであることが明らかである。したがって、鉛を含有せずとも、本発明で特定する合金組成をなすものを本発明で特定する金属組織に組織コントロールしておくことにより、切削性が大幅に向上することが理解される。
【００１９】
【表１】
0003789833.tif 000002
【００２０】
【表２】
0003789833.tif 000003
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解されるように、本発明の無鉛快削性銅合金は、切削性改善元素である鉛を含有しないにも拘わらず、極めて切削性に富むものであり、鉛を含有する従来の快削性銅合金の代替材料として安全に使用できるものであり、切削屑の再利用等を含めて環境衛生上の問題が全くなく、鉛含有製品が規制されつつある近時の傾向に充分対応することができる。