JP5513247B2

JP5513247B2 - 鍛造性と耐応力腐食割れ性に優れた鉛レス銅基合金

Info

Publication number: JP5513247B2
Application number: JP2010104405A
Authority: JP
Inventors: 美治上坂
Original assignee: SAN-ETSU METALS Co.,Ltd.
Current assignee: SAN-ETSU METALS Co.,Ltd.
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2011231383A

Description

本発明は、鍛造性と耐応力腐食割れ性に優れた銅基合金に関し、特に継ぎ手、バルブなどの優れた鍛造性と高い耐応力腐食割れ性が要求される製品の製造に好適である。

耐応力腐食割れ性に優れた鉛レスの銅基合金として、特許４３９７９６３号に、Ｃｕが５９．５〜６６．０％、Ｓｎ０．７〜２．５％、Ｂｉ０．５〜２．５％、Ｓｂ０．０５〜０．６％の組成を持つ合金が開示されている。

しかし、同公報に開示する銅基合金では、Ｓｂの量が比較的多い。
同公報には、Ｓｂを含有する場合にはＰは任意元素であると記載されているが、本発明者の検討ではＢｉ系合金において、Ｐが存在しない状態でのＳｂの存在は機械的性質を著しく劣化させることが明らかになり、実用材料として不安がある。
具体的には、特に伸び値の低下が著しく衝撃値が低いことが明らかになった。
また、同公報にはＮｉが任意元素であることが記載されているものの、全ての実施例にＮｉが含まれていてＮｉの含有していないものの実証がない。

特許第４３９７９６３号公報

近年、継手やバルブなどを中空鍛造で作る場合が多くなってきているが、これに対応するには、熱間変形抵抗が小さく、アプセット率が９０％を超える材料が必要になってくる。
しかも、これらの製品には耐応力腐食割れ性に優れた材料であることが不可欠である。
本発明は、かかる傾向および要請に応えるべくなされたもので、工業的に満足しうる被削性を有し、且つ優れた鍛造性、耐応力腐食割れ性を有する銅基合金の提供を目的とする。

本発明は上記の目的を達すべく、第一に、質量％において、Ｃｕ：５９．０〜６１．０（６１．０を除く）％、Ｂｉ：０．５〜１．５％、Ｓｎ：１．５〜２．５％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｂ：０．０２〜０．０６％、Ｐ：０．０４〜０．１５で残部がＺｎと不純物からなり、鍛造性と耐応力腐食割れに優れたことを特徴とする銅基合金を提案する。

第二に、質量％において、Ｃｕ：５９．０〜６１．０（６１．０を除く）％、Ｂｉ：０．５〜１．５％、Ｓｎ：１．５〜２．５％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｂ：０．０２〜０．０６％、Ｐ：０．０４〜０．１５、更に、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％、Ｓｅ：０．０２〜０．４５％のうち、少なくとも１種の元素を含有し、残部がＺｎと不純物からなり、鍛造性と耐応力腐食割れ性に優れたことを特徴とする銅基合金を提案する。

本出願人は、先に熱間鍛造性に優れた黄銅材（特許第３９６６８９６号）を提案しているが、本発明は中空製品の熱間鍛造性及び耐応力腐食割れ性をさらに改善したものである。
また、本発明に係る銅基合金は特許文献１の実施例に示すようなＮｉ成分が不要でビスマス系の鉛レス合金において、Ｃｕの成分範囲を５９．０％以上、６１．０％未満に制御し、Ｓｂ，Ｐの添加量の最適化を図ったものである。

本発明に係る銅基合金は、熱間中空鍛造品等やアプセット率が９０％以上ないと成形が難しい熱間鍛造品であっても割れることなく製造が可能で、耐応力腐食割れ性にも優れる。
また、本発明に係る銅基合金は特許文献１の発明とは相違し、γ相平均結晶粒包囲率を特に制御する必要がない。

評価に用いた銅基合金の成分表を示す。試験片の鍛造性、耐応力腐食割れ性及び機械的性質の評価結果を示す。鍛造性の試験方法を示す。応力腐食割れ試験に用いたサンプル形状とトルク付加おねじを示す。デシケーターの内に入っているサンプルを示す。

以下、本発明において銅基合金の成分を決定した理由を説明する。
本出願人は、先の特許第３９６６８９６号に係る発明ではＣｕ：６１．０〜６３．０％としたが、その後の研究によりＣｕ成分を５９．０％以上あれば６１．０％未満に制御することで熱間鍛造性と耐応力腐食割れ性の両立を図ることができたものである。
より具体的に説明すると本願成分系においてＣｕ成分が５９．０％未満では、鍛造可能温度範囲が狭くなり、Ｃｕ成分を６１．０％以上にすると割れが生じない限界アプセット率がやや低下する。

Ｂｉは被削性を向上させるための添加元素であり、本発明においては必要に応じて、０．５％以上を添加するが、１．５％を超えると、鍛造性が低下するので、１．５％以下がよい。

Ｓｎ成分を１．５〜２．５％の範囲にて添加すると熱間鍛造性が改善されるとともに
Ｓｂとの併用でＳｎ単独で得られないとされる耐応力腐食割れが改善する。
本願成分系においてＳｎ成分が１．５％未満では鍛造性が劣り、２．５％を超えると脆くなる。

Ｆｅ成分は、結晶の微細化を促進し、強度を向上させる。
Ｆｅの添加量が０．０６％未満では十分に発揮されない。また、０．２％を超えるとＰ−Ｆｅ化合物が増加してＰが消費され、Ｐの有効添加量が不足し耐食性が低下する。

Ｓｂ成分は、耐応力腐食割れ性を改善する。先に述べたとおりＳｎとの併用にて特に効果がある。
有効に作用するには少なくとも０．０２％の添加が必要である。しかし、Ｓｂは銅合金を非常に脆くさせるので、０．０６％が限界である。できれば、０．０５％未満が望ましい。

Ｐ成分は、耐食性を向上させる働きがある。また、ＰはＢｉの粒界への移動を抑制するため熱間加工性を向上させる。
Ｐの適正添加量は０．０４〜０．１５％となる。

Ｔｅ成分は、切削性が向上するが、０．０１％以上で効果があり、添加量相応の効果を得る点、及び経済性の点から０．４５％を上限とした。

Ｓｅ成分は、切削性が向上するが、材料単価が高価であるため、極力抑えるのがよい。
また、熱間加工性が悪くなるので０．４５％以下が望ましい。
従ってＳｅ成分を添加する場合は、０．０２〜０．４５％の範囲が好ましい。

図１に示すような各種合金組成の鋳塊（外径６０ｍｍ、長さ８０ｍｍの円柱形状）を熱間（７５０℃）で外径２２ｍｍの丸棒状に押出加工し、その後、常温まで空冷することによって銅基合金材を得た。
図１の表中、Ｎｏ．１〜１０が本発明に係る実施例に該当し、Ｎｏ．２１〜２６は比較例である。
＜評価試験＞
（１）鍛造試験
上記で得られた銅基合金材を長さ２２ｍｍに切断し、図３に示す試験方法にて鍛造性を評価した。
図３にてアプセット率（％）＝｛（２２−ｈ）／２２｝×１００の値が大きい方が厳しい試験方法となる。
本発明においては、継手や中空バルブ等を製造することを念頭においているので、アプセット率９０％にて鍛造性を評価した。
鍛造温度は６２０℃〜７７０℃まで５０℃きざみで４種類とした。
鍛造機はメカニカルプレス２５０トンを使用した。
評価としては、上記４種類の温度の中で最も鍛造性の良い温度での品物を選び、割れが生じていないものを○、部分的に割れが認められたものを△、全体に割れが見られたものを×とした。
（２）応力腐食割試験
外径が２２ｍｍの銅基合金材を長さ７８ｍｍに切断し、熱間鍛造を行なって図４（ａ）に示す形状に仕上げた。
めねじ部外径が２５ｍｍでネジは１／２インチのテーパーめねじとした。
これに図４（ｂ）に示すようなシールテープを巻いた１／２インチテーパーおねじの継手を９０Ｎ・ｍのトルクでねじ込み、アンモニア濃度１４％のアンモニア水を入れたデシケータ内に２４時間放置し、試験を行なった。
図５に試験状態を示す。
２４時間経過後にデシケータ内から各供試材を取り出して希硝酸で洗浄した後に、目視確認により割れ有無の評価を行なった。
割れの発生がないものを「○」、割れの発生が認められたものを「×」とした。
（３）機械的性質
図１に示すような各種合金組成の鋳塊（外径６０ｍｍ、長さ８０ｍｍの円柱形状）を熱間（７５０℃）で外径１０ｍｍの丸棒状に押出加工し、その後、常温まで空冷することによって銅基合金材を得た。
これを平行部の径が７ｍｍ、標点距離は２５ミリになるように機械加工して引っ張り試験を行ない、０．２％耐力、引張強さ、破断伸びを測定した。
ここで、０．２％耐力が１９０Ｎ／ｍｍ^２以上、引張強さが３８０Ｎ／ｍｍ^２以上、破断伸びが１５％以上を判定基準とした。
３項目全てを満足する場合を◎、２項目を満足する場合を○、１項目以下しか満足できない場合を×と判定した。

図１の化学成分と図２の評価結果を検討する。
実施例合金Ｎｏ．１〜１０は、特徴としてＣｕ：５９．０％以上で６１．０％未満であり、Ｂｉ：０．５〜１．５％，Ｓｎ：１．５〜２．５％，Ｓｂ：０．０２〜０．０６％，Ｐ：０．０４〜０．１５％の範囲であるので、鍛造性、応力腐食割れ性、機械的性質のいずれにおいても実用上、問題がない。
比較例と比較すると、比較例Ｎｏ．２１はＣｕ成分が６１．８％と６１．０％以上なので、鍛造性に劣り、比較例Ｎｏ．２２はＳｎ：１．３８％と１．５％未満なので鍛造性に劣っていた。
比較例Ｎｏ．２３〜２５はＰが添加されていなく、Ｓｂ成分が０．０６％を超えているので、機械的性質に問題があった。
特に比較例Ｎｏ．２５は、Ｂｉが上限を超え、Ｓｎが下限以下なので、鍛造性及び耐応力腐食割れ性においても劣っていた。
比較例Ｎｏ．２６は、Ｐが添加されていてもＳｂが添加されていないため、耐応力腐食割れ性に劣っていた。

Claims

質量％において、Ｃｕ：５９．０〜６１．０（６１．０を除く）％、Ｂｉ：０．５〜１．５％、Ｓｎ：１．５〜２．５％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｂ：０．０２〜０．０６％、Ｐ：０．０４〜０．１５で残部がＺｎと不純物からなり、鍛造性と耐応力腐食割れに優れたことを特徴とする銅基合金。
質量％において、Ｃｕ：５９．０〜６１．０（６１．０を除く）％、Ｂｉ：０．５〜１．５％、Ｓｎ：１．５〜２．５％、Ｆｅ：０．０６〜０．２％、Ｓｂ：０．０２〜０．０６％、Ｐ：０．０４〜０．１５、更に、Ｔｅ：０．０１〜０．４５％、Ｓｅ：０．０２〜０．４５％のうち、少なくとも１種の元素を含有し、残部がＺｎと不純物からなり、鍛造性と耐応力腐食割れ性に優れたことを特徴とする銅基合金。