シルジン青銅鋳物JIS CAC804の鋳造性，機械的性質，耐食性へのすず

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鋳造工学　第 87 巻（2015）第 12 号
技術論文特集　「銅合金鋳物の最近の進展」
シルジン青銅鋳物 JIS CAC804 の鋳造性，機械的性質，
耐食性へのすず添加の影響
後藤佳行*　田中真次* 大石恵一郎*
Technical Article
J. JFS, Vol. 87, No. 12（2015）pp. 844 ～ 848
Special Issue on Recent Development on Copper Alloy Castings
Influence of Sn Addition on Castability, Mechanical
Properties and Corrosion Resistance of JIS CAC804
Silzin Bronze Castings
Yoshiyuki Goto*, Shinji Tanaka* and Keichiro Oishi*
The influence of Sn addition on castability, mechanical properties, and corrosion resistance of silzin bronze castings JIS
CAC804 was investigated. The results showed that the solidus point and liquidus point are lowered by Sn addition and the
solidification temperature range is wide. Generally, castability is poor when the solidification temperature range is wide,
but there were no significant differences between CAC804 and Sn-added CAC804. Moreover, grain refinement during meltsolidification decreases casting defects like shrinkage cavities.
The added Sn transforms the solid solution into the γ phase, and decreases ductility. Although the results of erosion corrosion tests differ according to test conditions, it is clear that Sn addition decreases the weight of CAC804 in erosion corrosion
tests under the two different conditions.
Keywords : Lead free cutting copper alloy, γ phase, erosion corrosion, copper-zinc-silicon alloy, copper-zinc-lead alloy
特性評価による鋳造性評価 , 機械的性質および耐食性へ及
１．はじめに
ぼす Sn 添加の影響について報告する．
昨今，水質基準の改正により水栓機器に使用される銅合
金中に含まれる有害物質 Pb に対する規制が日本国内に限
1）
らず，世界各国で強化されている．また，規制は水質基
2）
準だけでなく電気・電子部品に関わる RoHS 指令，自動
車に関わる ELV 指令
3）
など広がりを見せている．
2．実験方法
2. 1　供試材および化学成分
供試材は，CAC804 のインゴットを高周波誘導炉で溶解
し，必要に応じて Sn を適宜添加したものを各鋳型へ鋳造
これら規制に対応するビスマスやシリコンを添加した鉛
し，液相線温度および固相線温度測定，鋳造性，機械的特
フリー銅合金が開発され，従来から広く使われてきた青銅
性評価および耐食性評価用供試材とした．
鋳物 CAC406 の代替材料として使われている．シリコンを
Table 1 に各試験に供したサンプルの化学成分を示す．
添加した鉛フリー銅合金であるシルジン青銅鋳物 CAC804
2. 2　液相線温度および固相線温度測定
4）
は優れた耐食性，機械的特性，鋳造性を有することから，
CAC804 および CAC804 に Sn を 0.47 ～ 0.57mass% 含
水道メータやバルブ，継ぎ手，スプリンクラー部品，消火
有した鋳造材から熱分析用サンプルを採取し，リガク製
栓など様々な製品に使用されている．CAC804 は耐脱亜鉛
DSC Therm-Plus にて熱分析を実施し，得られた昇温曲線
腐食性や耐応力腐食割れ性など優れた特性を示す一方，銅
から固相線，液相線温度を求めた．サンプルは鋳造ままで
合金部材は，様々な環境下で使用されるため，耐エロージョ
焼鈍は行っていない．
ン・コロージョン性も考慮に入れる必要がある．
測定条件は昇温速度：20℃/min，測定温度範囲：20 ～
そこで特殊な環境下で使用されることを想定し，さらに
1100℃，アルゴンガス雰囲気下で実施した．
耐食性を向上させるには CAC804 に Sn 添加が有効である
ただし，DSC- 昇温曲線では反応開始・終了温度は炉内
ことが分かってきた．CAC804 の凝固温度範囲並びに引け
の温度上昇の影響を受け，高温側にシフトするため，実際
受付日：平成 27 年 8 月 19 日，受理日：平成 27 年 11 月 4 日（Received on August 19, 2015; Accepted on November 4, 2015）
*
三菱伸銅（株）　三宝製作所開発部　Research & Development Dept., Sambo Plant, Mitsubishi Shindoh Co., Ltd
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シルジン青銅鋳物 JIS CAC804 の鋳造性，機械的性質，耐食性へのすず添加の影響
の値より高温となる．
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性を評価した．
エロージョン・コロージョン試験に使用した試験液は水
Table 1 Chemical composition（mass%）.
道水に NaCl を加えた 3% 食塩水（以下，食塩水），水道水
サンプルの化学成分．
に次亜塩素酸ナトリウムを加え，炭酸ガスを吹き込み，残
Table1 Chemical composition(mass%).
Zn
Si
P
Sn
other
留塩素濃度 40ppm±10ppm，pH を 6.5±0.2 に調整した溶
75.277.5
Bal.
2.83.2
0.08
const.
-
-
液（以下，次亜水）の 2 種類とした．試験サンプルは A 号
76.0
Bal.
3.0
0.08
-
-
76.2
Bal.
3.0
0.08
0.5
-
76.3
Bal.
2.9
0.08
0.5
Zr:0.003
75.7
Bal.
3.0
0.08
-
-
76.0
Bal.
3.0
0.09
0.2
-
75.9
Bal.
3.1
0.09
0.4
-
75.9
Bal.
3.1
0.08
0.7
-
Tensile test
samples
74.877.9
Bal.
2.83.3
0.08
const.
00.54
-
Erosion
corrosion
test
samples
76.0
Bal.
3.0
0.08
-
-
76.2
Bal.
3.0
0.08
0.5
-
85.1
Bal.
-
0.02
4.8
Pb:5.1
Cu
DSC
samples
Tatur mold
samples
Metal
structure
observation
samples
引張試験片から採取した．
3．実験結果
3. 1　Sn 添加による液相線温度および固相線温度への影響
Fig. 2 に亜鉛当量と固相線温度の関係，Fig. 3 に亜鉛当
量と液相線温度の関係を示す．
固相線温度は亜鉛当量が大きくなるほど上昇し，また，
Sn が 0.5mass% 含有することにより固相点が下がる．液
相線温度に関しては固相点とは逆に亜鉛当量が大きくな
2. 3　鋳造性評価試験
供試材を Tatur mold に注湯し，鋳物中央部に生成する
パイプ状の内引け内面およびその周囲のポロシティを観察
し評価を行なった．
2. 4　機械的特性
P を 0.08mass% で一定とし，Cu，Zn，Si，Sn を変量さ
せた原料を高周波誘導炉で溶解し，JIS H5120 に示されて
いる A 号試験片に注湯し引張試験片を得た．注湯温度は
1100±10℃とし，鋳型はシェル鋳型を使用した．
2. 5　エロージョン・コロージョン試験
耐エロージョン・コロージョン性を評価するため，隙間
噴流試験装置を用いた．Fig. 1 に隙間噴流試験装置の外略
5）
図を示す．試験条件は，液温 40±2℃，ノズル出口の流
速 9.2m/sec で一定とし，試験液を変え，最長 1 ヶ月間実
Fig. 2 Relationship between zinc equivalent and solidus temperature.
亜鉛当量と固相線点温度の関係．
施し，各試料の重量減少で耐エロージョン・コロージョン
Fig. 1 Schematic diagram of jet-in-slit test.
隙間噴流試験装置の概略図．
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Fig. 3 Relationship between the zinc equivalent and
liquidus temperature.
亜鉛当量と液相線温度の関係．
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るほど下がる．ばらつきがあるものの，同じ亜鉛当量で比
もの（以下，0.5%Sn-CAC804），および 0.5%Sn-CAC804 に
較すると Sn が 0.5mass% が含有することにより，固相線
極微量の Zr を添加し鋳塊組織を微細化させた
温度は約 18℃下がり，液相線温度は 10℃下がる．よって
Tatur mold 試験結果（断面浸透探傷試験結果）を示す．
凝固温度範囲は約 8℃広がる．
Sn 添加の有無に関わらず，ポロシティは最終凝固部近
ただし , 亜鉛当量は本来 Cu-Zn 合金に第 3 元素を添加し
傍にのみ観察される．Sn が添加されることにより最終凝
7, 8）
供試材の
た時の組織に与える影響を示すものであり，α，β 2 相合金
固部近傍のポロシティが多く観察されるものの，微細化さ
に適用されるものである．CAC804 は α，κ，γ 3 相からな
せるとポロシティは大きく減少する．
るため本来，適用できない．亜鉛当量算出のための各元素
Fig. 5 に最終凝固部近傍の断面ミクロ組織を示す．
6）
の係数は Si：10，Sn：1 を用いた．
0.5%Sn-CAC804 においては樹枝状晶が観察され，樹枝状
3. 2　Tatur mold による引け性評価
晶の間隙に大きな空洞が生じている．微細化させたものに
Fig. 4 に CAC804，CAC804 に 0.5mass%Sn を添加した
おいては樹枝状晶はなくなり，粒状組織となるが，空洞は
内部表面近傍に限られ，また，空洞も小さい．樹枝状晶が
なくなることにより，凝固収縮時の溶湯の供給が阻害され
ることなく，空隙に溶湯が供給される引け巣欠陥が大幅に
少なくなる．
3. 3　金属組織
0.5%Sn-CAC804 Tatur mold サンプルの最終凝固部近傍の
健全部を JEOL 製 EPMA-8200 にて面分析を行った．Fig. 6
に面分析結果を示す．CAC804 は α 相，κ 相，および γ 相か
らなり，Sn は γ 相に多く配分される．
� � � ��
� � � ��
� � � ��
Fig. 4 Evaluation of castability by Tatur mold test,（a）
CAC804,（b）0.5mass% Sn-added CAC804,（c）Grain
refined 0.5mass% Sn-added CAC804.
CAC804，0.5%Sn-CAC804 および微細化した 0.5%SnCAC804 の Tatur mold 試験結果．
Fig. 6 Elements distribution mapping results of 0.5
mass% Sn-added CAC804.
0.5%Sn-CAC804 の面分析結果．
76.0Cu-3.0Si-0.08P に，Sn を適宜変量させたサンプルの
γ相率を測定した．サンプルは注湯温度：1100℃で砂型に
注湯した鋳物である．
Fig. 7 に Sn 含有量と γ 相率の関係を示す．Sn 含有量が
増えるほど γ 相率が増し，0.5mass% 付近まではほぼ直線
的に増加するが 0.6mass% を超えた付近で飽和する傾向を
示す．
Fig. 5 Microstructure of final solidification part,
（a）0.5mass% Sn-added CAC804,（b）Grain refined
0.5mass% Sn-added CAC804.
0.5%Sn-CAC804 および微細化した 0.5%Sn-CAC804 の
最終凝固部近傍の断面ミクロ組織．
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Fig. 7 Relationship between Sn amounts and γ ratio.
Sn 含有量と γ 相率の関係．
Fig. 9 Weight loss of jet in slit test in 3% NaCl solution.
食塩水の場合の隙間噴流試験結果．
3. 4　機械的特性
P を 0.08mass% 一定で，Cu，Zn，Si，Sn を変量させた
原料を高周波誘導炉で溶解し，A 号試験片に注湯し，引張
試験片を得た．注湯温度は 1100±10℃とし，鋳型はシェ
ル鋳型を使用した．
Fig. 8 に亜鉛当量と伸びの関係について示す．
鋳造欠陥の影響等によりばらつきの有る結果となって
いるが，亜鉛当量が大きくなるほど伸びが低下する結果と
なっている．また，同じ亜鉛当量で比較すると Sn 含有量
が多いほど伸びの低下が大きい．ただし，Sn：0.6mass%
までの全てのデータにおいて 15% 以上の伸びを確保でき
ている．Sn が 0.4-0.6mass% まで添加されると，亜鉛当量
に対する伸びの変化は小さくなる．
Fig. 10 Weight loss of jet in slit test in test solution
with high residual chlorine and low pH.
次亜水の場合の隙間噴流試験結果．
んど認められず，0.5%Sn-CAC804 の重量減少が最も小さ
い．一方，次亜水では試験時間に対し，いずれの合金も重
量減少が大きく，CAC804 は CAC406 の約 2 倍の重量減少
を示した．0.5%Sn-CAC804 は CAC406 と概ね同程度の重
量減少を示した．エロージョン・コロージョン試験は規格
化された方法は無く，本結果のように試験水によっても結
果は異なる．また，本試験は加速試験であり，実際の水栓
機器での使用状況との相関性については不明である．しか
Fig. 8 Relationship between zinc equivalent and elongation.
亜鉛当量と伸びの関係．
し，両試験水で CAC804 への Sn 添加は重量減少を軽減さ
せる効果が認められた．
4．まとめ
3. 5　耐エロージョン・コロージョン性
CAC804 へ Sn を添加した結果，各特性は以下のように
Fig. 9，Fig. 10 にそれぞれ試験液を食塩水と次亜水とし
なった．
た試験結果を示す．
･液相線温度および固相線温度ともに下がり，凝固温度
食塩水では，CAC804 と CAC406 の重量減少に差はほと
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範囲が僅かであるが広がる．
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･鋳造性への影響はあまり認められないが，Zr 添加によ
る鋳造組織の微細化により，最終凝固部の引け巣欠陥
は大幅に減少する．
･ Sn 添加により γ 相が増加し，Sn は γ 相に多く配分される．
mass% までであれば伸びは 15% 以上を確保できる．
･隙間噴流試験によるエロージョン・コロージョン試験で
は試験水により，重量減少に違いがあるが，Sn 添加は
重量減少を小さくする効果がある．
･ Sn 添加により伸びの低下が認められるものの，Sn：0.6
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