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技術 熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料

出願人 住友軽金属工業株式会社サンエツ金属株式会社
発明者 安藤哲也金森照夫
出願日 2004年9月17日 (16年3ヶ月経過) 出願番号 2004-270902
公開日 2006年3月30日 (14年8ヶ月経過) 公開番号 2006-083443
状態 未査定
技術分野
  • -
主要キーワード 黄銅材料 押出棒材 カシメ力 快削黄銅 脱亜鉛腐食 バルブ部品 熱間押出材 Bi粒
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目的

熱間鍛造性などの熱間加工性に優れ、良好な被削性をそなえるとともに、優れた耐脱亜鉛腐食性を有し、とくに切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料を提供する。

構成

Cu:58.1〜62.5%、Bi:0.10〜1.00%、Sn:0.20%以上0.90%未満、P:0.01〜0.04%、および0.5×[Sn%]≦[Bi%]≦0.5×[Sn%]+1.15の関係を満足する量のBiを含有し、残部Znおよび不純物からなることを特徴とする。

概要

背景

マトリックス中に固溶しない低融点金属を分散させた銅合金、例えば、Pbを含有するCu−Zn合金は、鋳造性、熱間および冷間加工性機械加工性に優れているため、水栓金具バルブ部品軸受け歯車などとして使用されている。これらの部品は、一般に、切削加工あるいは熱間鍛造と切削加工の併用により製作されており、切削加工は一般に自動旋盤を使用して行われるため、その材料特性としては、被削抵抗が低く且つ切り屑(被削屑)が分断される良好な被削性が要求されている。

上記のPb入りCu−Zn合金は、良好な被削性を有し、JIS C3600、C3700に快削黄銅として登録されているが、近年、Pbは人体や環境に悪影響を及ぼす有害物質とされる傾向にあり、環境規制溶出規制などの理由でPbが使用できない場合の切削用黄銅として、Pbに代えてBiを添加した黄銅材料、例えば、Bi:0.2〜4%、Sn:0.2〜3%を含有する無鉛快削黄銅合金(特許文献1参照)、Bi:0.5〜4.0%、Sn:0.2〜2.0%、P:0.02〜0.10%を含有する無鉛快削性銅合金材(特許文献2参照)、Bi:0.5〜2.2%、Sn:0.5〜1.6%、P:0.04〜0.15%を含有する無鉛快削黄銅合金材(特許文献3参照)が提案されている。

BiおよびSnを合金成分とし含有するこれらの黄銅は、優れた特性を有する場合もあるが、成分の組み合わせによっては、機械加工条件において切り屑が連続し十分な被削性が得られないことがあり、また、熱間鍛造した場合、溶融したBiが表面張力差の大きなα相に対し濡れ粒界層状化し、粒界強度を著しく低下させるため、粒界に張力負荷された場合に割れを生じるという難点がある。
特開平7−310133号公報
特開2001−59123号公報
特開2003−277855号公報

概要

熱間鍛造性などの熱間加工性に優れ、良好な被削性をそなえるとともに、優れた耐脱亜鉛腐食性を有し、とくに切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料を提供する。Cu:58.1〜62.5%、Bi:0.10〜1.00%、Sn:0.20%以上0.90%未満、P:0.01〜0.04%、および0.5×[Sn%]≦[Bi%]≦0.5×[Sn%]+1.15の関係を満足する量のBiを含有し、残部Znおよび不純物からなることを特徴とする。 なし

目的

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、熱間加工性とくに熱間鍛造性に優れ、良好な被削性をそなえ、とくに、切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料を提供することにある。

効果

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請求項1

Cu:58.1〜62.5%(質量%、以下同じ)、Sn:0.20%以上0.90%未満、P:0.01〜0.04%、および0.5×[Sn%]≦[Bi%]≦0.5×[Sn%]+1.15の関係を満足する量のBiを含有し、残部Znおよび不純物からなることを特徴とする熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料

請求項2

前記CuおよびSnの含有量が、0.58≦[Cu%]/(100+[Sn%])≦0.62の関係を満足することを特徴とする請求項1記載の熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料。

請求項3

前記CuおよびSnの含有量が、0.60≦[Cu%]/(100+[Sn%])≦0.62の関係を満足することを特徴とする請求項1記載の熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料。

請求項4

前記Cu、SnおよびBiの含有量が、2×[Cu%]−5×[Sn%]+[Bi%]≧113の関係を満足することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料。

技術分野

0001

本発明は、熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料、とくに、切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料に関する。

背景技術

0002

マトリックス中に固溶しない低融点金属を分散させた銅合金、例えば、Pbを含有するCu−Zn合金は、鋳造性、熱間および冷間加工性機械加工性に優れているため、水栓金具バルブ部品軸受け歯車などとして使用されている。これらの部品は、一般に、切削加工あるいは熱間鍛造と切削加工の併用により製作されており、切削加工は一般に自動旋盤を使用して行われるため、その材料特性としては、被削抵抗が低く且つ切り屑(被削屑)が分断される良好な被削性が要求されている。

0003

上記のPb入りCu−Zn合金は、良好な被削性を有し、JIS C3600、C3700に快削黄銅として登録されているが、近年、Pbは人体や環境に悪影響を及ぼす有害物質とされる傾向にあり、環境規制溶出規制などの理由でPbが使用できない場合の切削用黄銅として、Pbに代えてBiを添加した黄銅材料、例えば、Bi:0.2〜4%、Sn:0.2〜3%を含有する無鉛快削黄銅合金(特許文献1参照)、Bi:0.5〜4.0%、Sn:0.2〜2.0%、P:0.02〜0.10%を含有する無鉛快削性銅合金材(特許文献2参照)、Bi:0.5〜2.2%、Sn:0.5〜1.6%、P:0.04〜0.15%を含有する無鉛快削黄銅合金材(特許文献3参照)が提案されている。

0004

BiおよびSnを合金成分とし含有するこれらの黄銅は、優れた特性を有する場合もあるが、成分の組み合わせによっては、機械加工条件において切り屑が連続し十分な被削性が得られないことがあり、また、熱間鍛造した場合、溶融したBiが表面張力差の大きなα相に対し濡れ粒界層状化し、粒界強度を著しく低下させるため、粒界に張力負荷された場合に割れを生じるという難点がある。
特開平7−310133号公報
特開2001−59123号公報
特開2003−277855号公報

発明が解決しようとする課題

0005

発明者らは、良好な熱間加工性と被削性とを兼ね備えた黄銅材料を得るために、熱間加工および切削加工におけるSnとBiの作用について再検討を加えた。Snについては、Snを例えば1%を越えて含有させると硬質なγ相が生成する。γ相の存在は、切削加工における切り屑の分断については有効に作用するが、硬質なγ相は被削抵抗を増大させ、重切削時の切削加工機への過負荷仕上げ面のせん断割れなどを誘発するおそれがある。さらに、γ相の存在により素材延性低下が生じるため、素材製造時の引き抜き加工や、部品のカシメ加工などの塑性変形において、割れや破断が生じ易くなる。

0006

また、改善された熱間加工性を得るためには、見掛け上のZn含有量を39〜43%に調整するのが好ましい。Zn含有量を変化させるためには、Zn含有量自体を変化させる以外に第3元素を少量添加する方法もあり、第3元素としてSnの含有は好ましく、スクラップ混入を考慮した場合にも、一般の鉛含有快削黄銅に含まれないAl、Si、Niなどの元素よりSnを含有する方が好都合である。

0007

Biについては、Biは切削時のチップブレーカーとして作用するため、被削性を向上させるためには有効であるが、多量例えば1%を越えるBiを添加した場合、Cu濃度や熱間加工の条件によっては割れが生じ易くなることが判明し、さらに試験、検討を行った結果、切削性に悪影響を及ぼさない程度の限定された少量のSnをBiと共存させることによって、優れた熱間加工性と被削性が達成できることを見出した。

0008

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、熱間加工性とくに熱間鍛造性に優れ、良好な被削性をそなえ、とくに、切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料を提供することにある。

課題を解決するための手段

0009

上記の目的を達成するための請求項1による熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料は、Cu:58.1〜62.5%、Sn:0.20%以上0.90%未満、P:0.01〜0.04%、および0.5×[Sn%]≦[Bi%]≦0.5×[Sn%]+1.15の関係を満足する量のBiを含有し、残部Znおよび不純物からなることを特徴とする。

0010

請求項2による熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料は、請求項1において、前記CuおよびSnの含有量が、0.58≦[Cu%]/(100+[Sn%])≦0.62の関係を満足することを特徴とする。

0011

請求項3による熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料は、請求項2において、前記CuおよびSnの含有量が、0.60≦[Cu%]/(100+[Sn%])≦0.62の関係を満足することを特徴とする。

0012

請求項4による熱間加工性および被削性に優れた黄銅材料は、請求項1〜3のいずれかにおいて、前記Cu、SnおよびBiの含有量が、2×[Cu%]−5×[Sn%]+[Bi%]≧113の関係を満足することを特徴とする。

発明の効果

0013

本発明によれば、熱間鍛造性などの熱間加工性に優れ、良好な被削性をそなえるとともに、優れた耐脱亜鉛腐食性を有し、とくに、切削され、カシメ加工を必要とする熱間鍛造部品として使用するに好適な黄銅材料が提供される。

発明を実施するための最良の形態

0014

本発明の黄銅材料の含有成分の意義および限定理由について説明すると、Cuは58.1〜62.5%の範囲で含有させることが好ましく、この範囲で、熱間加工性と切削加工性を兼ねそなえ、機械的性質の安定した材料を提供することが可能となる。58.1%未満では、熱間加工時に過加熱された場合にα相が針状化し、その結果靱性延性が低下して、製品使用時事故の原因となるおそれがある。62.5%を超えると、熱間加工性および切削性が低下し、本発明のようにBiを必須合金成分として含有する場合には、Cu濃度の増加によりBiを層状化させ易いα相の比率が増大するため、熱間加工時に割れが生じ易くなる。Cuのさらに好ましい含有範囲は59.0〜61.5%である。

0015

Snは、第3元素として見掛けのZn含有量を調整して熱間加工性を確保し、被削性を高める。Snの好ましい含有量は0.20%以上0.90%未満の範囲であり、0.20%未満では、Cuを上記のように管理しても、合金成分のBiを微細分散させることができなくなり、その結果として熱間加工時における割れ発生の原因となる。Snが0.90%以上含有されると、硬質なγ相が生成する。γ相の存在は、切削加工における切り屑の分断については有効に作用するが、硬質なγ相は被削抵抗を増大させ、重切削時の切削加工機への過負荷や仕上げ面のせん断割れなどを誘発するおそれがあり、さらに、γ相の存在により素材の延性低下が生じるため、素材製造時の引き抜き加工や、部品のカシメ加工などの塑性変形において、割れや破断が生じ易くなる。

0016

Biは、切削加工時にチップブレーカーとして作用し、被削性を向上させるよう機能するが、前記のように、過剰なBiの含有は熱間加工時の割れの原因となる。現行熱間鍛造品製造条件と同等の加工条件において割れを生じさせないためには、Biの含有量を、0.5×[Sn%]≦[Bi%]≦0.5×[Sn%]+1.15の関係を満足する量とするのが好ましい。Biが(0.5×[Sn%])%未満ではその効果が十分でなく、(0.5×[Sn%]+1.15)%を超える量含有すると、Cu濃度や熱間加工条件によっては割れが生じ易くなる。

0017

Pの添加は、溶湯流動性を向上させ、引け巣などの鋳造欠陥の発生を抑制し、鋳塊組織微細化を達成するよう機能する。鋳造組織の微細化により、Bi粒子の微細化が達成され、熱間鍛造性が向上する。Pは脱酸剤としても機能する。Pの好ましい含有量は0.01〜0.04%の範囲であり、0.01%未満ではその効果が十分に得難く、残留分が0.01%未満では脱酸剤としての効果を十分に発揮させることが難しい。鋳造後の残留分が0.04%を超えると、結晶粒界低融点化合物を生成させ、この低融点化合物は平衡状態図相律に従って黄銅材料の一般的な熱間加工温度近傍で低融点金属の生成量を増大させるため、熱間加工時に割れを生じるおそれがある。Pのさらに好ましい含有量は0.015〜0.030%である。なお、本発明においては、Pbの許容量は0.10%未満、Al、Si、Ni、その他の元素の許容量は、それぞれ0.01%未満とするのが好ましい。

0018

本発明による黄銅材料は、素材を製造するための途中工程としての熱間押出加工の際の加工性のみでなく、熱間押出材を素材として、最終製品の形状に加工するための熱間鍛造の際の加工性にも優れ、さらに優れた被削性をそなえているため、JIS C3771鍛造部品代替として使用することが可能であるが、Biを微細に分散させた組織性状として良好な熱間加工性を得るためには、CuおよびSnの含有量を、0.58≦[Cu%]/(100+[Sn%])≦0.62の関係を満足するよう調整するのが好ましい。

0019

[Cu%]/(100+[Sn%])の値が0.58未満では靱性や延性が低下して十分な熱間加工性が得られず、[Cu%]/(100+[Sn%])の値が0.62を超えると、鍛造条件鍛造される部品の形状によっては割れが生じ易くなる。

0020

本発明による黄銅材料においては、JIS C3771と同様の靱性、延性が得られるため、カシメ加工を必要とする鍛造部品として適用することが可能であるが、カシメ加工に適用する場合にはJIS C3771鍛造部品と同等の耐力が要求される。前記のとおり、Cu含有量Sn含有量により見掛け上のZn含有量が変化し、見掛け上のZn含有量は常温における材料の機械的性質を支配するため、カシメ加工に適した好ましい耐力を得るためには、Cu、SnおよびBiの含有量を、2×[Cu%]−5×[Sn%]+[Bi%]≧113の関係を満足するよう調整するのが好ましい。

0021

2×[Cu%]−5×[Sn%]+[Bi%]の値が113未満の場合には、耐力が著しく増大し、JIS C3771鍛造部品と同等のカシメ条件ではカシメ力不足し、カシメ不良の原因となる。カシメ力を増大させることは可能であるが、カシメ条件の変更など、生産性の低下を招く原因となる。

0022

本発明による黄銅材料においては、0.01〜0.04%の範囲のPを含有させることにより耐脱亜鉛腐食性が改善されるから、耐脱亜鉛腐食性を必要とする鍛造部品への適用が可能となる。Pが添加された脱亜鉛腐食は、通常、P添加効果が得られないβ相に沿って生じ、β相が長く連なった状態の場合には、脱亜鉛腐食を完全に抑制することができない。鍛造条件によらず脱亜鉛腐食を抑制するためには、CuおよびSnの含有量を、0.60≦[Cu%]/(100+[Sn%])≦0.62の関係を満足するよう調整することが望ましい。

0023

[Cu%]/(100+[Sn%])の値が0.60未満では、鍛造条件によってはβ相が長く連なって脱亜鉛腐食を完全に抑制することができない場合があり、[Cu%]/(100+[Sn%])の値が0.62を超えると、前記のように、鍛造条件や鍛造される部品の形状によっては割れが生じ易くなる。

0024

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明するとともに、それに基づいてその効果を実証する。なお、これらの実施例は、本発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、これにより本発明が制限されるものではない。

0025

実施例1
電気銅電気亜鉛主原料とし、Sn、Biの新地金を配合して成分濃度を調整して、表1〜2に示す組成の合金(合金A〜G)を溶解、鋳造し、直径294mmのビレットに造塊した。なお、Pは、他の原料が全て溶解した後、Cu−15%Pにより添加した。

0026

得られたビレットを、600℃の押出温度で直径40mmの棒材に熱間押出加工し、得られた熱間押出材を試験材として、以下の方法により熱間鍛造性、被削性、カシメ性および耐脱亜鉛腐食性を評価した。結果を表4に示す。

0027

熱間鍛造性の評価:熱間押出加工された試験材の頭部、中央部、尾部について、直径8mm、高さ12mmに機械加工して試験片を作製し、各3個づつの試験片を用いて、温度700℃、750℃および800℃、アプセット率70%および80%で圧縮変形を行い、アップセット率70%および80%のいずれにおいても全く割れが生じなかったものは◎、アップセット率70%において全く割れが生じなかったものは○、アップセット率70%においても1個でも割れが生じたものは×とし、○〜◎のものを合格と評価した。

0028

被削性の評価:表3の条件に従って切削試験を行い、いずれの条件においても切り屑が微細に分断したものは◎、いずれか1つの条件でもカールした切り屑が生じたものは○、いずれか1つの条件でもパーマネント状の切り屑が生じたものは×と評価した。さらに、送り量0.10mm/rev.、切り込み量1.0mmの切削条件において、切削主分力および送り分力の測定を行い、両分力ともに同様の製造条件により作製したJIS C3771について同じ切削条件で測定した切削主分力および送り分力と比較し、その差が10%以内のものは◎、いずれか1つでも10%を超えたものは○、いずれも10%を超えたものは×と評価した。被削性としては、切り屑形状切削分力の双方ともに○〜◎のものを合格と評価した。

0029

カシメ性の評価:試験材から試験片を採取して引張試験を行い、引張試験における耐力値および伸びを、同様の製造条件により作製したJIS C3771押出棒材の耐力値および伸びと比較して、カシメ性の評価を行い、耐力値がJIS C3771押出棒材の+5%以内のものは◎、+5%を超え+10%以内のものは○、+10%を超えるものは×と評価し、また、伸びがJIS C3771押出棒材の−5%以内のものは◎、−5%を超えるものは×と評価した。カシメ性としては、耐力値、伸びともに◎のものはカシメ性◎、耐力値が○で伸びが◎のものはカシメ性○とし、カシメ性が◎と○のものを合格、耐力値、伸びのいずれかでも×のものは不合格と評価した。

0030

耐脱亜鉛腐食性の評価:ISO法に従って、75℃±5℃の温度に保持された濃度12.7g/L(リットル)のCuCl2 ・5H2O水溶液中に24時間浸漬保持した後、断面方向腐食深さを測定し、最大腐食深さが100μm以下のものを合格(○)、100μm超えるものを不合格(×)と評価した。

0031

0032

0033

0034

0035

表4にみられるように、本発明の条件に従う試験材No.1〜9はいずれも熱間鍛造性、被削性に優れ、良好なカシメ性、耐脱亜鉛腐食性をそなえている。とくに、試験材No.2、4、5、8は([Cu]%/(100+[Sn]%))の値が0.60を超え、良好な耐脱亜鉛腐食性をそなえている。

0036

比較例1
電気銅、電気亜鉛を主原料とし、Sn、Biの新地金を配合して成分濃度を調整して、表5〜6に示す組成の合金(合金H〜P)を溶解、鋳造し、直径294mmのビレットに造塊した。なお、Pは、他の原料が全て溶解した後、Cu−15%Pにより添加した。表1において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

0037

得られたビレットを、600℃の押出温度で直径40mmの棒材に熱間押出加工し、得られた熱間押出材を試験材として、実施例1と同一の方法により熱間鍛造性、被削性、カシメ性および耐脱亜鉛腐食性を評価した。結果を表7に示す。

0038

0039

0040

0041

表7に示すように、試験材No.10は([Bi%]−0.5×[Sn%])の値が負であるため、切り屑形状不良となり被削性が劣る。また(2×[Cu%]−5×[Sn%]+[Bi%])の値が113を下回り、([Cu%]/(100+[Sn%])の値が0.58を下回っているため、カシメ性が不合格となった。試験材No.11はCu量が多いため、被削性、鍛造性ともに劣っている。試験材No.12はSn量が少ないため鍛造性が劣る。試験材No.13はSn量が多いため、切削抵抗が増加し被削性が不合格となった。

0042

試験材No.14は([Bi%]−0.5×[Sn%])の値が負であるため、切り屑形状不良となり被削性が劣る。試験材No.15は([Bi%]−0.5×[Sn%]+1.15)の値が負であるため鍛造性が劣る。試験材No.16はP量が少ないため、鋳造割れが発生して健全な試験材が得られず、適用性評価ができなかった。試験材No.17はP量が多いため、熱間押出加工時に割れが発生して健全な試験材が得られず、適用性評価ができなかった。試験材No.18は([Cu%]/(100+[Sn%])の値が0.62を上回っているため鍛造性が劣り、またCu量が多いため、被削性が不合格となった。

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