特開 2022-74111 鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022074111

(43)【公開日】2022-05-17

(54)【発明の名称】鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金

(51)【国際特許分類】

   C22C 9/04 20060101AFI20220510BHJP

【ＦＩ】

C22C9/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021177363

(22)【出願日】2021-10-29

(31)【優先権主張番号】20204604

(32)【優先日】2020-10-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】510055839

【氏名又は名称】オットー フックス カーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】リーツ， ビョルン

(72)【発明者】

【氏名】ミュンヒ， ティレマン

(72)【発明者】

【氏名】プレット， トーマス

(57)【要約】      （修正有）

【課題】改善された機械加工特性を有する鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金を提供する。
【解決手段】以下からなる鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金（データは重量％）であって：
Ｃｕ：５８～６４％、Ｆｅ：０．４～１．４％、Ｍｎ：０．４～２．３％、Ｎｉ：１．５～３．５％、Ａｌ：０．１～４．４％、Ｓｉ：０．５～１．８％、
切りくず分断を促進する合金成分であって：Ｓｎが０．６５～１．２％であり、Ｐが合金の構築に関与しており、すなわち最大０．０２５％であるか、又はＰが０．０３～０．１％であり、最大０．２５のＳｎの関与が許容される、切りくず分断を促進する合金成分、
残部が、元素当たり最大０．０５％許容される不可避の不純物とともにＺｎで構成され、不可避の不純物の合計が０．１５％を超えず、
Ｐｂ：最大０．１％、
最大０．０３５％のＣｒが許容される、鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

以下からなる鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金（データは重量％で提供）であって：
－Ｃｕ：５８～６４％
－Ｆｅ：０．４～１．４％
－Ｍｎ：０．４～２．３％
－Ｎｉ：１．５～３．５％
－Ａｌ：０．１～４．４％
－Ｓｉ：０．５～１．８％
－切りくず分断を促進する合金成分であって：
Ｓｎが０．６５～１．２％であり、Ｐが合金の構築に関与しており、すなわち最大０．０２５％であるか、又は
Ｐが０．０３～０．１％であり、最大０．２５のＳｎの関与が許容される、切りくず分断を促進する合金成分、
－残部が、要素当たり最大０．０５％許容される不可避の不純物とともにＺｎで構成され、不可避の不純物の合計が０．１５％を超えず、
－Ｐｂ：最大０．１％、
－最大０．０３５％のＣｒが許容される、
鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金。

【請求項2】

合金が、
－Ｃｕ：５９．５～６１重量％
－Ｆｅ：０．４～１．１重量％
－Ｍｎ：０．４～１．１重量％
－Ｎｉ：２．５～３．７重量％
－Ａｌ：３．３～４．２重量％
－Ｓｉ：１．０～１．８重量％
を含有することを特徴とする、請求項１に記載のＣｕ－Ｚｎ基合金。

【請求項3】

－Ｆｅ：０．６～１．１重量％
－Ｍｎ：０．６～１．０重量％
－Ｎｉ：２．６～３．３重量％
－Ａｌ：３．５～４．１重量％
－Ｓｉ：１．１～１．７重量％
を含む、請求項２に記載のＣｕ－Ｚｎ基合金。

【請求項4】

合金が、
－Ｃｕ：６０～６２．５重量％
－Ｆｅ：０．８～１．４重量％
－Ｍｎ：１．４～２．３重量％
－Ｎｉ：１．５～２．５重量％
－Ａｌ：０．１～０．７重量％
－Ｓｉ：０．５～１．２重量％
を含有することを特徴とする、請求項１に記載のＣｕ－Ｚｎ基合金。

【請求項5】

－Ｆｅ：０．８５～１．２５重量％
－Ｍｎ：１．５～２．１重量％
－Ｎｉ：１．７～２．３５重量％
－Ａｌ：０．２～０．５重量％
－Ｓｉ：０．６～１．０重量％
を含む、請求項４に記載のＣｕ－Ｚｎ基合金。

【請求項6】

合金が、０．０３～０．１重量％のＰを含有し、Ｓｎが最大０．２５重量％許容されることを特徴とする、請求項２～５のいずれか一項に記載のＣｕ－Ｚｎ基合金。

【請求項7】

合金が、０．０５～０．０８重量％でＰを含有することを特徴とする、請求項６に記載のＣｕ－Ｚｎ基合金。

【請求項8】

合金が、０．６５～１．２重量％のＳｎを含有し、最大０．０２重量％のＰが許容されることを特徴とする、請求項２～５のいずれか一項に記載のＣｕ－Ｚｎ基合金。

【請求項9】

合金が、０．７～１．１重量％のＳｎを含有することを特徴とする、請求項８に記載のＣｕ－Ｚｎ基合金。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、良好な機械加工特性を有する鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金に関する。

【背景技術】

【0002】

合金の構造に関与する元素の数が少ないため、合金ＣｕＺｎ４２は、５７．０～５９．０重量％のＣｕ含有量を有する非常に単純な構造の黄銅合金である。原則として、この合金に他の元素は関与しない。Ｐｂは最大で０．２重量％、Ｓｎは最大０．０３重量％、Ｆｅは最大０．３重量％、Ｎｉは最大０．０２重量％及びＡｌは最大０．０５重量％許容され、不可避の不純物を伴う。この合金は、非常に容易に熱間加工することができ、とりわけ半製品としての異形材の製造に使用される鉛フリー合金である。この合金は、従来使用されている合金ＣｕＺｎ３９Ｐｂ３の鉛フリー変形例である。ＣｕＺｎ３９Ｐｂ３合金の場合、元素鉛は主に機械加工性を向上させるために使用される。合金ＣｕＺｎ４２は鉛フリーであるが、そのα／βミクロ組織のために、旋削部品の製造などの機械加工にも使用される。しかしながら、この合金から製造された加工物の機械加工性には限界がある。これは、合金に起因する機械加工の欠点を、工作機械の適切な加工パラメータによって補償することができないことを意味する。これは、例えば、成形ツールを用いた機械加工工程に適用され、加工パラメータの制限は、それぞれの自由度を許容しない。そのような場合、そのような合金の機械加工性は不十分である。

【0003】

この合金から製造された加工物に対する特定の機械加工作業のための機械加工性が許容可能な場合であっても、所望の機械加工性を達成するために、快削合金に従来使用されているＰｂ及びＢｉ元素を使用する必要なく機械加工性を改善することができれば望ましいのは、これらが健康に有害であると分類されるためである。

【0004】

上記は、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ａｌ及び／又はＳｉなどの他の元素を含むことによって特定の特性に最適化された特殊な黄銅合金にも同様に適用される。ここでは、合金ＣｕＺｎ２８Ａｌ４Ｎｉ３Ｓｉ１Ｍｎ及びＣｕＺｎ３５Ｍｎ２Ｎｉ２ＦｅＳｉを例として挙げることができる。上述の第１の合金は、良好な走行性及び摺動性を有する高い耐摩耗性及び高い強度を特徴とする。したがって、この合金及びそれから製造された加工物は、境界摩擦条件下での油潤滑を伴う用途に適している。この合金は、バイオ潤滑剤での使用にも適している。上述の第２の合金は、軸受及び摺動用途、特にアルミニウム材料で製造された軸受シャフト又はジャーナルにも特に適している。この特殊な黄銅合金では、耐食性に特別な注意が払われた。

【0005】

改善された機械加工特性を有するＣｕ－Ｚｎ合金は、欧州特許第３６９００６９号明細書から知られている。この合金は、５８～７０重量％のＣｕ、０．５～２．０重量％のＳｎ、０．１～２．０重量％のＳｉを含有し、残部は亜鉛及び不可避の不純物であり、元素Ｓｎ及びＳｉの合計はそれぞれ１．０重量％及び３．０重量％である。元素Ｐｂ及びＢｉを使用することなく改善された機械加工性は、Ｓｎ及びＳｉの含有量によってこの合金にもたらされる。特定の割合では、これらの元素はε相の形成を担い、ε相は合金中にミクロ組織として分布し、したがって切りくず分断を促進する。合金中に含有されるＳｉはまた、特に、合金中に許容される元素Ａｌ及びＮｉ並びに／又はＭｎとともにケイ化物の形成をもたらし、このことはリサイクル材料の通常の使用のために合金中に規則的に見出される。この既知の合金中のＳｉ含有量は２．０重量％であり得る。マトリックス中に含有されるケイ化物は、いくつかの用途、特に耐摩耗性の要件が存在する場合に有利であることは事実である。

【0006】

特開昭５６－１２７７４１号公報は、より過酷な摺動条件下で改善された摩耗耐性を有するＣｕ－Ｚｎ合金を開示している。この合金は、５４～６６重量％のＣｕ、１．０～５．０重量％のＡｌ、１．０～５．０重量％のＭｎ、０．２～１．５重量％のＳｉ、０．５～４．０重量％のＮｉ、０．１～２．０重量％のＦｅ、０．２～２．０重量％のＳｎの組成を有し、残部は不可避の不純物とともにＺｎである。この合金は、マンガンケイ化物を形成するために特別なＮｉ及びＦｅ含有量を有する。Ｓｎの含有量は、原料の強度及び靱性を改善するために使用される。この合金には他の元素は許容されない。この合金の機械加工挙動に関する情報は示されていない。

【0007】

国際公開第２０１５／１１７９７２号は、重量パーセントで以下の組成、５４～６５％のＣｕ、２．５～５．０％のＡｌ、１．０～３．０％のＳｉ、２．０～４．０％のＮｉ、０．１～１．５％のＦｅ、最大１．５％のＭｎ、最大１．５％のＳｎ、最大１．５％のＣｒ、最大０．８％のＰｂ、残部は不可避の不純物とともにＺｎを有する潤滑剤適合性銅合金を開示している。この既知のＣｕ－Ｚｎ合金の組成は、少なくとも０．４％の遊離Ｓｉが存在するように選択される。このケイ素は、ケイ化物に結合していないが、ケイ素含有非ケイ化物相にも含まれ得る。この合金にも同様に他の元素は許容されない。この合金では、異なる摩擦学的系で異なる油を使用することにより、油環境で合金から製造された構成部品、．．．同期リングの使用に焦点が当てられている。この先行技術先行技術に関しては、機械加工性に関する情報は示されていない。

【0008】

独国特許発明第１０２０１７００７１３８号明細書は、水産養殖のための材料、具体的には、線材及びそれから作製される網又はそれから作製される飼育かごに関する。機械加工挙動に関する情報は、目的の用途のために当然のことながら示されていない。この文書に記載された例示的な実施形態は、以下の組成、６３．８～６５．５重量％のＣｕ、０．９～１．１重量％のＳｎ、０．２～０．３重量％のＦｅ、０．１５～０．２重量％のＰ、残部はＺｎ及び一実施形態では０．６重量％のＡｌを有する。この組成物では、線材は、水産養殖耐性のために、金属材料を部分的に覆う第１の酸化物層と、第１の酸化物層によって覆われていないこれらの領域の金属材料を覆う第２の酸化物層とを有しなければならない。

【発明の概要】

【0009】

上述した先行技術に基づいて、本発明は、改善された機械加工特性を有する鉛フリーＣｕ－Ｚｎ合金、特にベース合金として使用することができ、所望の機械加工特性を生成するための特別な製造工程を必要としないものを提案するという目的に基づいている。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明によれば、この目的は、以下からなる鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金（データは重量％で提供）であって、
－Ｃｕ：５８～６４％
－Ｆｅ：０．４～１．４％
－Ｍｎ：０．４～２．３％
－Ｎｉ：１．５～３．５％
－Ａｌ：０．１～４．４％
－Ｓｉ：０．５～１．８％
－切りくず分断を促進する合金成分であって、
Ｓｎは０．６５～１．２％であり、Ｐは合金の構造に関与しており、最大値が０．０２５％であるか、又は
Ｐは０．０３～０．１％であり、最大値が０．２５のＳｎの関与が許容される、切りくず分断を促進する合金成分、
－残部が、要素当たり最大０．０５％許容される不可避の不純物とともにＺｎで構成され、不可避の不純物の合計が０．１５％を超えず、
－Ｐｂ：最大０．１％、
－最大０．０３５％のＣｒが許容される、鉛フリーＣｕ－Ｚｎ基合金
によって達成される。

【0011】

これらの説明の文脈において、合金は、１つの同じ製造工程において合金化元素を変えることによって、異なる特性を有する合金製品を提供することができるベース合金と呼ばれる。そのような合金は、異なる特性を有する合金製品を製造しようとする場合、合金が溶融するときに汚染が最小限に抑えられるという利点を有する。

【0012】

不可避の不純物は要素当たり０．０５重量％で許容され、それによって、不可避の不純物の合計は０．１５重量％を超えない。

【0013】

特許請求される発明の意味における合金は、そのＰｂ含有量が０．１重量％を超えない場合、鉛フリーであるとみなされる。

【0014】

この合金は、所望の改善された機械加工特性を達成するためにＰを含有してもよい。合金がＰを含有する場合、リン化マンガン及びリン化鉄が粒界に形成され、合金ＣｕＺｎ２８Ａｌ４Ｎｉ３Ｓｉ１Ｍｎ及びＣｕＺｎ３５Ｍｎ２Ｎｉ２ＦｅＳｉと比較して機械加工性が大幅に改善される。合金はＳｉも含有するので、ケイ化物もマトリックス中に形成され、典型的には元素Ｆｅ、Ｍｎ、さらにＮｉ及びＡｌが関与する。ケイ化物は耐摩耗性に寄与するが、リン化物とともに機械加工性も促進する。リン化物及びケイ化物の粒径は比較的小さいので、機械加工中の工具摩耗を小さく保つことができる。

【0015】

Ｐは、切りくず分断を促進する合金成分として含有される場合、０．０３～０．１重量％の割合で含有される。したがって、Ｐ含有量は０．１重量％に制限される。より高いＰ含有量では、より粗いリン化物が形成され、これは、機械加工性及び機械加工工程後の加工物表面の研磨又はコーティングなどの表面加工にとって不利である。この欠点は、製造される合金の焦点が最適化された機械加工性にある場合、改善された耐摩耗性によって補償されない。Ｐ含有Ｃｕ－Ｚｎ基合金は、本発明による合金の第１の変形例である。

【0016】

この合金の第２の変形例によれば、切りくず分断を促進する合金成分として、Ｓｎは合金の構造に０．６５～１．２重量％の割合で関与している。Ｓｎは、溶解限度未満で混晶中に取り込まれる。この合金中のＳｎ含有量は、そうでなければＳｎ含有γ相が形成される危険性があるため、１．２重量％に制限される。これらは脆化効果を有する。それは、加工硬化及び強度を増加させ、したがって切りくず分断に対して、したがってこの合金から製造された加工物の機械加工性に対して、有益な効果を有する。さらに、Ｓｎは、乾式機械加工中にＳｎ酸化物を形成する傾向があり、この酸化物は工具表面に移動し、それによって工具摩耗を低減する。Ｓｎ含有量は、Ｆｅ含有量±２０％に一致することが好ましい。

【0017】

本発明の一実施形態では、Ｐ及びＳｎは共同して合金の構築に関与している。Ｐを使用する場合、溶融物が微粒子状に固化することが有利である。しかしながら、Ｐは、溶融物の粘性を低下させるという欠点を有する。Ｓｎはこの態様に対抗するが、溶融物中のＰの正の構造形成特性に悪影響を及ぼすことはない。Ｓｎはまた、溶融物中で脱酸効果を有することができ、これはＰを含む場合とＰを含まない場合の両方で合金にとって有利である。

【0018】

この合金から製造された加工物を機械加工するときの折断された切りくずは、通常、所望の切りくずの形状（崩れかけた切りくず又は非常に短い螺旋形の切りくず）を有する。したがって、切りくずの形状は、ＣｕＺｎ３９Ｐｂ３合金の機械加工作業で見られるものに相当し、これは機械加工に特に優れているとみなされる。

【0019】

驚くべきことに、この合金では、リン化物が特に高温で構造の酸化防止剤として作用することがわかった。

【0020】

元素Ｆｅ及びＭｎの含有量は、記載された含有量に限定される。より多くのＦｅ又はＭｎが使用される場合、これは粒子の粗大化をもたらす。言及した限界未満では、所望のリン化物は、機械加工改善特性を達成するのに十分な程度まで発達しない。

【0021】

許容される付随元素は、本発明による合金から製造された加工物の改善された機械加工性に悪影響を及ぼさず、少なくとも有意ではない。したがって、リサイクルされた材料を使用して、不利益を受けることなく、この合金を製造することができる。この目的のために、好ましくはクローズドサイクルからのリサイクル材料が使用される、すなわち、単一タイプのリサイクル材料が使用される。例えば、その組成に関して１つ以上の元素が存在しないか、又は適切な割合でないリサイクル材料が使用される場合、これらの元素をリサイクル材料に添加することができる。これは特に、従来のリサイクル材料を使用する場合には一般に存在しない、本発明に必須である元素Ｐに適用される。

【0022】

本発明による合金の特別な特徴は、改善された機械加工性が合金の特別な組成のみに基づいており、特定の製造又は加工工程などの追加の手段が必要とされないことである。したがって、合金から製造される半製品（加工物）は、通常の製造工程を使用して製造することができる。これはまた、半完成品を加工して最終製品を製造するために、特定の強度及び／又は構造特性を設定するためのそれぞれの処理工程を実施することができるという利点を有し、したがって、これらは半製品を製造するための製造工程ではまだ消費されていない。これに関連して、改善された機械加工特性は追加の加工工程なしで達成されるが、所望する場合、特別な処理工程を介して押出成形後に再び増加させることができることは言うまでもない。機械加工特性は、例えば、冷間変形及び関連する加工硬化によって改善することができ、これは、切りくず分断、したがって機械加工性を改善するためである。これに続いて、内部応力を低減するための応力緩和焼鈍を行うことができる。そのような加工工程はまた、ミクロ組織に影響を与えるために、例えば、α／βミクロ組織を可能な限り微細及び不均一に設定するために、又はβマトリックス中に非常に微細なケイ化物若しくはα析出物などの析出相を生成するために使用することができる。

【0023】

本発明による合金の第１の変形例は、以下の特定の元素の含有量
－Ｃｕ：５９～６３重量％、特に５９．５～６１重量％
－Ｆｅ：０．４～１．１重量％、特に０．６～１．１重量％
－Ｍｎ：０．４～１．１重量％、特に０．６～１．０重量％
－Ｎｉ：２．５～３．７重量％、特に２．６～３．３重量％
－Ａｌ：３．３～４．２重量％、特に３．５～４．１重量％
－Ｓｉ：１．０～１．８重量％、特に１．１～１．７重量％
を有する。

【0024】

本発明による合金のこの変形例は、加工物における高い強度値のために設計される。したがって、この合金は、比較的高いＳｉ含有量並びにより高い元素Ｎｉ及びＡｌの含有量を有する。

【0025】

本発明による合金の第２の変形例によれば、合金は、以下の元素を特定の割合
－Ｃｕ：６０～６２．５重量％
－Ｆｅ：０．８～１．４重量％、特に０．８５～１．２５重量％
－Ｍｎ：１．４～２．３重量％、特に１．５～２．１重量％
－Ｎｉ：１．５～２．５重量％、特に１．７～２．３５重量％
－Ａｌ：０．１～０．７重量％、特に０．２～０．５重量％
－Ｓｉ：０．５～１．２重量％、特に０．６～１．０重量％
で含有する。

【0026】

最終的に第１の変形例と同じ合金化元素を使用すると、この合金は著しく柔らかく、より低い強度特性を有し、したがって他の用途に適している。

【0027】

これらの２つの変形例は、本発明による基本的な合金の範囲を既に示しており、異なる強度特性を有する加工物は、単に元素を変えることによって、製造工程を変更する必要なく製造することができる。

【0028】

元素の変化はまた、これらが異なる亜鉛当量を有し、したがって主にβ相を有する加工物と、埋め込まれたβ相を有するα相の構造を有する加工物との両方をこの合金で製造することができるので、構造に影響を及ぼす。前者は良好な熱間成形性を特徴とするが、α成分に依存する特定の冷間成形性にもよるが、後者は冷間成形により適している。

【0029】

試験
表１に示す合金からの試験片を、連続鋳造及びその後の押出によって棒状に成形し、次いで直線化し、次いでその後熱緩和させた。合金１～６は、本発明による合金であり、合金１～３は第１の変形例に属し、合金４～６は第２の変形例に属する。

【0030】

円筒状の外側表面を有する製造された半製品から試験片を切り取った。機械加工試験は、１ｍｍの切削深さ、０．１ｍｍの送り量により、２００ｍ／分の切削速度で外部縦旋削加工により、すべての試験片について均一に行った。

【0031】

試験の結果を０～１００の指数の形で評価した。このシステムでは、比較合金ＣｕＺｎ４２は、様々な切削指数の指数５０を得る。指数が高いほど、結果は良好である。

【0032】

切りくずの形状、切削力、工具摩耗、及び切削から生じる表面品質を調べた。

【0033】

試験の結果を以下の表に示す。

【0034】

本発明による合金を切削するためには、幾分高い切削力が必要である。この理由は、合金中に含有されるリン化物であるが、これは、しかしながら、より良好な切りくず分断、したがって全体的な機械加工性の改善にも関与する。機械加工性に関して、切りくずの形状は関連する要素であり、この点に関して、Ｐｂ含有比較合金と比較して幾分高い切削力を受け入れることができる。

【0035】

本発明による合金は、ＣｕＺｎ４２合金と比較して改善された工具摩耗指数を有することが重要である。これは予想外であった。

【0036】

本発明による合金の表面品質は、２つの比較合金で達成される表面品質に実質的に相当するので、この点において欠点、少なくとも注目に値する欠点を受け入れる必要はない。

【0037】

上記の工程で製造された本発明による合金の機械的強度値である、連続鋳造、押出、矯正、熱応力緩和を、合金１及び４の例として以下の表に示し、比較合金の強度値と比較した。

【0038】

本発明による合金の上記の表に列挙された機械的特性は、先行技術の合金と比較して、本発明による合金の改善された機械加工性が機械的強度値に不利な影響を及ぼさないことを明らかにする。原則として、これらはそれぞれの参照合金の値と一致する。

【0039】

プレス中に既に確立されている正の構造特性のために、合金から製造された半製品は、多種多様な用途に使用することができる。

【外国語明細書】