JP5645570B2 - 鍛造用及び切削加工用銅基合金並びに水道用器具 - Google Patents

Description

本発明は鍛造用及び切削加工用銅基合金並びにその合金を用いた水道用器具に関する。

水栓金具や水道管等の水道用器具のうち、潰食が発生しない部位における水道用器具には、ＪＩＳＣＡＣ２０３、ＪＩＳＣ３６０４、ＪＩＳＣ３７７１、特許文献１、２等の黄銅系合金が用いられている。これらは鋳造、鍛造、切削等によって各水道用器具とされる。ここで、潰食とは水の流れ等により合金が削られる腐食をいう。他方、潰食が発生するおそれがある水道用器具には、ＪＩＳＣＡＣ４０６等の青銅系合金が用いられている。これらは鋳造、切削等によって各水道用器具とされる。

一方、製造コストの低廉化のため、水道用器具を鍛造によって製造することが望まれている。この点、鍛造が不能な青銅系合金ではなく、鍛造が可能な黄銅系合金について、種々の鍛造用銅基合金が検討されている（例えば、特許文献３〜５）。

特開平８−３３７８３１号公報 特開２００９−２６３７８７号公報 特開２００２−１２９２８号公報 特開２００２−１２９２９号公報 特開２００２−１３６５５号公報

しかし、黄銅系合金を鍛造することによって水道用器具を生産しようとすると、潰食及び脱亜鉛腐食の発生が問題となる。ここで、脱亜鉛腐食とは、合金成分中の亜鉛が抜けてしまう腐食をいう。上記特許文献１〜５は、耐脱亜鉛腐食性の点ではある程度満足できるものの、耐潰食性が不十分なため、必要な２つの性能を両立することができない。このため、耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能な鍛造用及び切削加工用銅基合金が望まれている。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能な鍛造用及び切削加工用銅基合金を提供することを解決すべき課題としている。また、本発明は、上記性能を発揮する水道用器具を鍛造によって提供することも解決すべき課題としている。

本発明の鍛造用及び切削加工用銅基合金は、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム、鉛、アンチモン、リン及び鉄からなる鍛造用及び切削加工用銅基合金であって、
亜鉛が２４．０〜３４．０質量％、スズが１．０〜２．０質量％、アルミニウムが０．７〜２．０質量％、鉛が１．８〜２．２質量％、アンチモンが０．０１〜０．１質量％未満、リンが０．０１〜０．１質量％未満、鉄が０．１質量％未満、銅が残部、亜鉛当量が３８．０〜４４．０質量％であることを特徴とする。

発明者らの試験結果によれば、スズ及びアルミニウムの添加により、従来の黄銅系合金にない耐潰食性が発揮される。スズが１．０質量％未満では、耐潰食性が十分でなく、スズが２．０質量％を超えると、鍛造性が損なわれる。アルミニウムが０．７質量％未満では、耐潰食性が十分でなく、アルミニウムが２．０質量％を超えると、アルミニウムの過剰添加が原因と推測される腐食生成物の付着が発生する。また、亜鉛当量を３８．０〜４４．０質量％に制御することにより高い耐脱亜鉛腐食性が発揮される。亜鉛当量が３８．０質量％未満では、鍛造性が十分でなく、亜鉛当量が４４．０質量％を超えると、耐脱亜鉛腐食性が低下する。

したがって、本発明の鍛造用及び切削加工用銅基合金によれば、耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を発揮可能である。

本発明の鍛造用及び切削加工用銅基合金は、アンチモンが０．０１〜０．１質量％である。発明者らの試験結果によれば、アンチモンは鍛造用及び切削加工用銅基合金の耐脱亜鉛腐食性を向上させる。アンチモンが０．０１質量％未満では、耐脱亜鉛腐食性が十分ではなく、アンチモンを０．１質量％を超えて過剰に含有しても、その作用が頭打ちになることから、上限を０．１質量％とする。

本発明の鍛造用及び切削加工用銅基合金は、表１に示すように、鉛が１．８〜２．２質量％、アンチモンが０．０１〜０．１質量％、リンが０．０１〜０．１質量％、鉄が０．１質量％未満、銅が残部である。発明者らはこれらを満足する鍛造用及び切削加工用銅基合金により本発明の効果を確認した。発明者らの試験結果によれば、鉛は鍛造用及び切削加工用銅基合金の切削加工性を向上させる。鉛が１．８質量％未満では、切削加工性が十分でなく、鉛が２．２質量％を超えると、引張強さ及び伸びを低下させる。アンチモンは鍛造用及び切削加工用銅基合金の耐脱亜鉛腐食性を向上させる。リンは鍛造用及び切削加工用銅基合金の耐脱亜鉛腐食性を向上させる。リンが０．０１質量％未満では、耐脱亜鉛腐食性が十分ではなく、リンが０．１質量％を超えると、引張強さが低下する。鉄は不可避の不純物である。鉄が０．１質量％未満であれば、鍛造用及び切削加工用銅基合金の特性にほとんど影響がない。

本発明の鍛造用及び切削加工用銅基合金は、珪素が０．１質量％未満、ビスマスが０．１質量％未満であることが好ましい。これらは鍛造用及び切削加工用銅基合金のリサイクルを阻害し易いからである。

本発明の鍛造用及び切削加工用銅基合金は、亜鉛当量が４０．０質量％未満であることがより好ましい。亜鉛当量が４０．０質量％未満であれば、本発明の鍛造用及び切削加工用銅基合金は、より良好な耐脱亜鉛腐食性を発揮する。

本発明の水道用器具は、上記鍛造用及び切削加工用銅基合金からなることを特徴とする。この水道用器具は鍛造によって製造される。そして、この水道用器具によれば、従来では困難だった耐潰食性及び耐脱亜鉛腐食性を兼ね備えることができる。

耐潰食性評価試験の結果を示すグラフである。 耐潰食性評価試験後の比較例２０の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例１１の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例１５の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例６の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の実施例１７の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の実施例３の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の実施例６の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の実施例１８の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例２５の表面を示す写真である。 耐潰食性評価試験後の比較例１の表面を示す写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例１５の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例１７の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例１８の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例２５の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例４の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例６の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例３の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例６の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の実施例１４の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例１５の断面写真である。 耐脱亜鉛腐食性評価試験後の比較例２０の断面写真である。 実使用相当試験後の比較例１５に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。 実使用相当試験後の実施例１７に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。 実使用相当試験後の実施例１８に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。 実使用相当試験後の比較例２５に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。 実使用相当試験後の比較例１５に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。 実使用相当試験後の比較例２０に係り、図（Ａ）はシートの断面写真、図（Ｂ）はねじの断面写真である。 止水部の模式断面図である。 鍛造にて試作した水栓金具の外観図である。

以下、本発明を試験に基づいて説明する。

表２〜４に成分を示す実施例３〜１８及び比較例１〜２６の合金からなる丸棒を準備した。

（耐潰食性評価試験）
各丸棒から水栓金具の止水部を模したサンプルを切削により製造した。各サンプルの口径は９ｍｍ、口径周りのシートは径方向で１ｍｍの寸法である。止水部の機構を図２９に示す。図２９に示すように、各サンプル１の上方には止水板２が設けられている。各サンプル１の内部を経た試験液３は、止水板２によって折り返され、各サンプル１に当接するようになっている。

１％ＣｕＣｌ₂水溶液１０Ｌを試験液とし、この試験液を０．３ＭＰａの圧力、５．０Ｌ／分の流量で、上記サンプルに対して水栓金具と同様の流路になるように流す耐潰食性評価試験を行った。試験時間は２時間であり、圧力は３０分毎に調整した。

各サンプルの重量減少（ｇ）と時間（ｈｒ）との関係を求めた。各サンプルの内から、実施例３、６、１７、１８および比較例１、６、１１、１５、２０、２５の結果を図１に示す。また、上記実施例及び比較例の試験後の表面の写真を図２〜１１に示す。

図１及び図２〜１１に示す通り、スズ量及びアルミニウム量の添加により合金は耐潰食性が向上する。しかし、スズ量のみを増加した場合、鍛造時に割れが生じることや切削加工性が悪化すること等が一般に知られている。このため、他の性能に悪影響を与えない範囲でスズを添加し、それに加えてアルミニウムを添加することで、他の性能を損なうことなく、スズのみを添加する場合を凌ぐ高い耐潰食性を発揮させることを得た。これは、合金の表面に強固な酸化皮膜が形成されることによると考えられる。

（耐脱亜鉛腐食性評価試験）
丸棒を用い、ＪＢＭＡＴ３０３に基づき、耐脱亜鉛腐食性評価試験を行った。

この結果、脱亜鉛深さは、比較例１５が４７μｍ、実施例１７が１５１μｍ、実施例１８が１２７μｍ、比較例２５が１７６μｍ、比較例４が５２μｍ、比較例６が８６μｍ、実施例３が４０μｍ、実施例６が５４μｍ、実施例１４が８３μｍ、比較例１１が５９μｍ、比較例２０が１８７μｍであった。また、試験後の上記実施例及び比較例の断面写真を図１２〜２２に示す。

耐脱亜鉛腐食性評価試験の結果より、スズの含有量を１．５質量％として、アルミニウム量を増加させると、耐脱亜鉛腐食性が悪化する傾向が確認され、耐潰食性と耐脱亜鉛腐食性の両立が困難であることがわかる。しかし、亜鉛を減少させて亜鉛当量を４０．０質量％以下に制御することでアルミニウム量の増加による耐脱亜鉛腐食性の悪化を抑えることができ、耐潰食性と耐脱亜鉛腐食性の両立が可能となる。

（鍛造性）
各丸棒から図３０に外観図を示す水栓金具を鍛造した。この結果、比較例４、６の丸棒では鍛造品に割れが生じたが、実施例３、６、１４の丸棒では好適な鍛造が可能であった。つまり、亜鉛当量を３８．０質量％以上にすることで、良好な鍛造性が確保される。

（実使用相当試験）
実施例１７、１８、比較例１１、１５、２０、２５について、図３０に示す水栓金具を試作した上で実使用場面を想定した試験を行った。この水栓金具は、図２９に示す止水部の機構を持つ。試験水は、３％ＮａＣｌを含み、ｐＨが６．５〜６．６、温度が５０°Ｃである。流量は２５００ｍｌ／分、試験期間は１２週間である。この試験は約２０〜３０年の実使用に相当する。実施例１７、１８、比較例１１、１５、２０、２５のシートの断面写真及びねじの断面写真を図２３〜２８に示す。

図２３〜２８より、亜鉛当量が４０．０質量％以上でも脱亜鉛腐食が発生せず、亜鉛当量が４４．０質量％を超えると脱亜鉛腐食が発生することがわかる。つまり、実使用場面においては亜鉛当量が４４．０質量％以下であれば、鍛造用及び切削加工用銅基合金が高い耐脱亜鉛腐食性を発揮することがわかる。

全ての実施例及び比較例について、同様に耐潰食性評価試験、耐脱亜鉛腐食性評価試験及び鍛造性の評価を行った。上記の耐潰食性評価試験において、試験後の重量減少が約０．４ｇ以下であれば、実際の使用環境で潰食が発生しないと推測されることが、発明者らの実験にて判明している。よって、耐潰食性は、試験後の重量減少が０．４ｇ以下である場合を○とし、重量減少が０．４ｇより大きい場合を×とした。耐脱亜鉛腐食性は、ＪＢＭＡＴ３０３における脱亜鉛腐食感受性の評価において１種又は２種に相当すれば○とし、１種又は２種には相当しないが、実使用相当試験で脱亜鉛腐食が見られない場合を△とし、○及び△以外を×とした。また、鍛造性は、丸棒から水栓金具を鍛造し、鍛造品に割れが生じた場合を×とし、良好な鍛造品が得られた場合を○とした。全ての実施例及び比較例における結果を、表５〜７に示す。

したがって、銅、亜鉛、スズ、アルミニウム及び鉛を含み、スズが１．０〜２．０質量％、アルミニウムが０．７〜２．０質量％、亜鉛当量が３８．０〜４４．０質量％である鍛造用及び切削加工用銅基合金であれば、従来の黄銅系合金にない耐潰食性と高い耐脱亜鉛腐食性をも有しながら、鍛造による成形が可能である。

また、珪素が０．１質量％未満、ビスマスが０．１質量％未満であれば、リサイクルを推進することが容易に可能である。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は水栓金具等の水道用器具に利用可能である。

Claims (6)

1. 銅、亜鉛、スズ、アルミニウム、鉛、アンチモン、リン及び鉄からなる鍛造用及び切削加工用銅基合金であって、
   亜鉛が２４．０〜３４．０質量％、スズが１．０〜２．０質量％、アルミニウムが０．７〜２．０質量％、鉛が１．８〜２．２質量％、アンチモンが０．０１〜０．１質量％未満、リンが０．０１〜０．１質量％未満、鉄が０．１質量％未満、銅が残部、亜鉛当量が３８．０〜４４．０質量％であることを特徴とする鍛造用及び切削加工用銅基合金。
2. 珪素が０．１質量％未満、ビスマスが０．１質量％未満である請求項１記載の鍛造用及び切削加工用銅基合金。
3. 亜鉛が２６．３〜３１．８質量％である請求項１又は２記載の鍛造用及び切削加工用銅基合金。
4. 亜鉛当量が４０．０質量％未満である請求項１乃至３のいずれか１項記載の鍛造用及び切削加工用銅基合金。
5. 亜鉛当量が３８．１〜３９．８質量％である請求項４記載の鍛造用及び切削加工用銅基合金。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の鍛造用及び切削加工用銅基合金からなることを特徴とする水道用器具。

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