(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５７〜７０質量％の銅と０．４〜１．５質量％の珪素と０．４〜１．５質量％のマグネシウム及び０．５〜３．０質量％のマンガンの少なくとも一方とを含有し、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、α単相をなすマトリックス中に金属間化合物が分散状に析出又は晶出された金属組織をなし、当該金属間化合物には、等価円直径が２μｍ以上の粗大化合物が全金属間化合物に対する面積比率において４０〜９０％含まれていることを特徴とする快削性銅合金材。
【請求項２】
５７〜７０質量％の銅と０．４〜１．５質量％の珪素と０．４〜１．５質量％のマグネシウム及び０．５〜３．０質量％のマンガンの少なくとも一方とを含有し、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、α＋β相又はβ単相をなすマトリックス中に金属間化合物が分散状に析出又は晶出された金属組織をなし、当該金属間化合物には、等価円直径が２μｍ以上の粗大化合物が全金属間化合物に対する面積比率において４０〜９０％含まれていることを特徴とする快削性銅合金材。
【請求項３】
金属間化合物の少なくとも一部が、結晶粒界に析出又は晶出されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する快削性銅合金材。
【請求項４】
０．５〜３．０質量％のニッケル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に記載する快削性銅合金材。
【請求項５】
０．１〜１．０質量％の鉛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、請求項３又は請求項４に記載する快削性銅合金材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削性に優れた快削性銅合金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は、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。これらはチップブレーカとして機能する鉛を含有させることによって切削性を向上させたものであり、従来からも、切削加工を必要とする各種製品（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。
【０００３】
ところで、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。而して、このようなチップブレーカとしての機能が発揮され工業的に満足しうる切削性を確保するためには、鉛を相当量以上（２．０質量％以上）に含有させておく必要があり、鉛を含有しないか、含有してもその含有量が僅かである場合には、切削屑が螺旋状に連なった状態（連続カール状）で生成してバイトに絡み付く等の種々のトラブルを生じる。このため、一般に、高度の切削加工が要求される銅合金展伸材においては約３．０質量％以上の鉛が含有されており、青銅系の鋳物においては約５質量％の鉛が含有されている。例えば、上記したＪＩＳ  Ｈ５１１１  ＣＡＣ４０６では鉛含有量が約５．０質量％である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、鉛は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。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、鉛含有による人体や環境への悪影響を排除しつつ、工業的に充分満足しうる切削性を確保しうる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、５７〜７０質量％の銅と０．４〜１．５質量％の珪素と０．４〜１．５質量％のマグネシウム及び０．５〜３．０質量％のマンガンの少なくとも一方とを含有し、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、α単相、α＋β相又はβ単相をなすマトリックス中に金属間化合物が分散状に析出又は晶出された金属組織をなし、当該金属間化合物には、等価円直径が２μｍ以上の粗大化合物が全金属間化合物に対する面積比率（以下「粗大化合物含有率」という）において４０〜９０％含まれていることを特徴とする快削性銅合金材を提案する。
【０００７】
かかる快削性銅合金材にあっては、前記金属間化合物が、結晶粒界に析出又は晶出されていることが好ましい。また、合金組成は、必要に応じて、０．５〜３．０質量％のニッケル及び／又は０．１〜１．０質量％の鉛を含有するものとしておくことが好ましい。
【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、硬質の金属間化合物が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、硬質の金属間化合物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。また、チップブレーカ機能がより効果的に発揮され切削性の大幅な向上を図るためには、金属間化合物の少なくとも一部が結晶粒界に晶出又は析出していることが好ましく、等価円直径が２μm以上の金属間化合物（粗大化合物）が含まれていることが好ましい。しかし、粗大化合物含有率が４０％未満である場合には、粗大化合物の存在による切削性の向上が期待できないし、粗大化合物含有率が９０％を超える場合には、金属間化合物の存在が却って銅合金材の加工性，強度等に悪影響を及ぼすことになる。
【０００９】
ところで、銅合金本来の特性（加工性等）を損なうことなく、上記した金属間化合物の分散により切削性を効果的に向上させるためには、マトリックスが均質なα単相、α＋β相又はβ単相（α単相であることが最適である）をなしていることが必要であるが、かかる均質化されたマトリックス中に上記した条件で金属間化合物を分散させておくには、合金組成を上記した如く設定しておくことが必要条件となるが、かかる合金組成は必要十分条件でなく、本発明の銅合金材は、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を行うことによってのみ得ることができる。
【００１０】
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））を、５５０〜７５０℃，１時間以上の条件で、加熱処理（以下「一次熱処理」という）することにより、その金属組織をα単相、α＋β相又はβ単相に均質化すると共に、このマトリックス中に金属間化合物（例えば、Ｍｎ5Ｓｉ3，Ｎｉ2Ｓｉ，Ｃｕ5Ｍｇ2Ｓｉ等の晶出，析出物）を分散させ、更に必要に応じて２５０〜５００℃，３０分以上の条件で加熱処理（以下「二次熱処理」という）することにより、晶出又は析出した金属間化合物を微細化して均一に分散させて、上記した金属組織が得られるように組織コントロールを行うのである。このような組織コントールにおいて、一次熱処理は、通常、素材が熱間加工されたものである場合にも、熱間加工後に改めて行われるが、熱間加工の条件によっては、当該熱間加工によって代替され、格別に行う必要がない場合もありうる。また、二次熱処理については、必要に応じて行われるものであり、加熱炉を使用して冷却後の一次熱処理材を上記条件で加熱することにより行う他、一次熱処理材を一次熱処理炉内で徐冷（炉冷）すること又は一次熱処理材を一次熱処理炉から取り出して徐冷（空冷）することによって行うことができる。
【００１１】
かかる組織コントールを行うことにより、金属間化合物が上記した条件（粗大化合物含有率が４０〜９０％である条件）で分散された金属組織を得ることができるが、銅合金本来の特性（加工性等）を損なうことなく切削性に優れた金属組織にコントロール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としておくことが必要である。
【００１２】
すなわち、銅含有量は５７〜７０質量％とされるが、これは５７質量％未満では加工性が低下し、７０質量％を超えると、素地が弱くなり、切削性が低下するからである。特に、銅含有量は、α単相又はα＋β相になり易い６２質量％以上（７０質量％以下）としておくことが好ましい。また、珪素はマグネシウム，マンガン（又はニッケル）と反応して金属間化合物を生成するが、０．４質量％未満の添加では金属間化合物の生成が十分でなく、１．５質量％を超えて添加すると、硬度が必要以上に高くなって加工性が低下する。また、マグネシウムは、０．４質量％未満の添加では金属間化合物の生成が十分でなく、１．５質量％を超えて添加すると、鋳造性が低下する。また、マンガンは、マグネシウムと同様に、珪素と結合して金属間化合物を生成するものであり、特に、マグネシウムと共添することにより結晶粒の成長を阻止して切削性を更に向上させるものであるが、０．５質量％未満の添加では、かかる機能を発揮し難く、金属間化合物の生成も十分でない。一方、３．０質量％を超えて添加しても、かかる機能，効果が飽和状態となり、添加量に見合う効果が得られない。ニッケルは、マグネシウム，マンガンと同様に、珪素と金属間化合物を生成するものであり、マグネシウム又はマンガンの代替元素として必要に応じて添加される。しかし、０．１質量％未満の添加では、かかる代替元素として機能せず、３．０質量％を超えて添加しても、効果が飽和状態となる。鉛は前述した如く有害物質であるが、含有量が１．０質量％以下であれば、人体や環境に対する悪影響はないと考えられる。一方、鉛含有量が微量（１．０質量％以下）である場合、一般には、チップブレーカとしての機能は十分でない。しかし、上記した金属間化合物の存在下においては、鉛添加量が微量であっても、０．１〜１．０質量％の鉛を添加することによって、切削性の更なる向上が期待される。
【００１３】
【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１５ｍｍの丸棒状に熱間押出し、その押出材に一次熱処理及び二次処理を施すことによって、表１に示す粗大化合物含有率の金属間化合物がマトリックスに分散した金属組織に組織コントロールして、本発明に係る合金材Ｎｏ．１〜１０を得た。なお、各合金材Ｎｏ．１〜１０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、７００℃，２時間の一次熱処理を行い、炉冷後に３００℃，５時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．２については、６００℃，３時間の一次熱処理を行い、炉冷後に３００℃，５時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．３については、７００℃，２時間の一次熱処理を行った上、一次熱処理材を炉外に取り出して徐冷（空冷）した。合金材Ｎｏ．４については、７００℃，２時間の一次熱処理を行った上、そのまま徐冷（炉冷）した。合金材Ｎｏ．５については、７００℃，２時間の一次熱処理を行い、一次処理材を炉外に取り出して空冷した上、５００℃，５時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．６については、７００℃，２時間の一次熱処理を行い、一次処理材を炉外に取り出して空冷した上、５００℃，３時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．７については、７００℃，２時間の一次熱処理を行い、一次処理材を炉冷した上、４００℃，２時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．８については、７００℃，２時間の一次熱処理を行い、一次処理材を炉外に取り出して水冷した上、４００℃，２時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．９については、７００℃，２時間の一次熱処理を行い、一次処理材を炉外に取り出して水冷した上、３００℃，５時間の二次熱処理を行った。合金材Ｎｏ．１０については、７００℃，２時間の一次熱処理を行い、一次処理材を炉外に取り出して徐冷（空冷）した。各合金材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０における粗大化合物含有率は表１に示す通りであった。
【００１４】
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１５ｍｍの丸棒状に熱間押出して、合金材Ｎｏ．１１〜１４を得た。すなわち、合金材Ｎｏ．１１は、押出材を５００℃，３時間で熱処理した上で炉冷したものであり、合金材Ｎｏ．１２は熱処理をしない押出材であり、合金材Ｎｏ．１３は、押出材を７００℃，３時間で熱処理を行い、炉冷後、更に４００℃，５時間で熱処理を行ったものであり、また合金材Ｎｏ．１４は、押出材を７００℃，３時間で熱処理を行い、炉冷後、更に４００℃，６時間で熱処理を行ったものである。各合金材Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１４における粗大化合物含有率は表２に示す通りであった。
【００１５】
そして、実施例合金材Ｎｏ．１〜１０及び比較例合金材Ｎｏ．１１〜１４を、旋盤を使用して、切削油：なし，刃物：ＳＫＨ４鋼合金製，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：２１００ｒｐｍ，送り：０．０５ｍｍ／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。
【００１６】
表１に示す如く、粗大化合物含有率が本発明で特定する範囲（４０〜９０％）内となっている実施例合金材Ｎｏ．１〜１０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、切削性に優れることが確認された。一方、合金組成又は粗大化合物含有率の少なくとも一方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．１１〜１４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、切削性の改善は認められず、鉛を含有する従来の快削性銅合金に比して切削性が著しく劣るものであることが明らかである。したがって、鉛を含有していない（合金材Ｎｏ．１〜９）か、人体や環境に悪影響を与えない程度の極く微量の鉛が含有されているに過ぎない（合金材Ｎｏ．１０）場合にも、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。
【００１７】
【表１】
0003801518.tif 000002
【００１８】
【表２】
0003801518.tif 000003
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解されるように、本発明の快削性銅合金は、切削性改善元素である鉛を含有しないか、含有しても人体や環境に悪影響を及ぼさない極く微量（０．１〜１．０質量％）であるにも拘わらず、極めて切削性に富むものであり、鉛を大量に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。