JPS625971B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は珪素、錫およびクロムを含有する改良
された銅合金に関する。本発明の合金は熱間圧延
中の割れ発生に対する低い感受性、大きい機械的
強度、応力腐食及び一般の腐食に対するすぐれた
抵抗、良好な強度対曲げ延性の特性、特に安定化
された条件においての良好な応力緩和低抗および
好ましくは低減された工具摩耗率を有する。 シヤピロ（Shapiro）等の有する米国特許第
3923555号に例示されるように珪素と錫および１
つまたは１つ以上の他の合金元素を含有する銅合
金が知られている。重量比で0.01％から２％の範
囲のクロムが、珪素と錫を含有する銅合金に添加
することのできる多くの可能な添加元素の１つと
してシヤピロ等の前記米国特許に開示されてい
る。シヤピロ等の特許は然しクロムを含む模範的
合金を一つも開示していない。 本発明者に対する米国特許第4148633号には、
合金の熱間加工中の端縁部割れ発生に対する抵抗
を改善するためミツシユメタルが添加されている
珪素及び錫を含有する銅合金が記載されている。
クロム、マンガン、鉄およびニツケル如き他の
種々の元素も、ミツシユメタルの添加によつて得
られる熱間加工性の向上に影響を及ぼすことなし
に、合金の強度特性を向上させるため添加するこ
とができる。該米国特許にはクロムを含有する合
金の例は記載されておらず、またミツシユメタル
を含有しない合金にクロムを添加することは熱間
加工での合金の割れ発生に対する感受性を低下さ
せることに貢献するであろうという認識も見出さ
れない。 米国特許第4148633号の合金はその意図する目
的に対して充分受け入れることができるが、ミツ
シユメタルを銅合金に添加することは好ましくな
く、何故ならばミツシユメタルは高価でありその
反応性が非常に高いからである。クロムが米国特
許第4148633号の合金におけるミツシユメタルと
置換され得、しかも熱間加工における低い割れ発
生の感受性を達成し得ることが意外にも発見され
た。 バセツト（Basset）に対する米国特許第
1881257号、プライス（Price）に対する米国特許
第1956251号、デイツ（Deitz）等に対する米国特
許第2062448号、ワイザー（Weiser）に対する米
国特許第2257437号および独乙国特許第756035号
は、珪素と錫の添加を含む銅合金に関連した広い
範囲の従来の技術を例示するものである。 パリク（Parikh）に対する米国特許第4180398
号には、鉛を合金した真鍮にクロムを添加して熱
間加工特性を改善することと、クロムが機械加工
性に与える悪影響に対抗するためアンチモンとビ
スマスを添加することが記載されている。 本発明は特にばねに使用する銅合金に関する。
この合金はこれと比較できる性質を有する合金、
例えばベリリウム銅と比べてコストが安い。この
銅合金はすぐれた耐応力腐食性、良好な成形性お
よび室温及び高温でのすぐれた耐応力緩和性を有
する。 本発明の銅合金は本質的に約1.0％から4.5％の
珪素、約1.0％から5.0％の錫、約0.01％から0.45
％のクロム及び本質的に残部の銅からなる。 本発明による好ましい銅合金は本質的に約1.0
％から4.5％の珪素、約1.0％から５％の錫及び約
0.1％から0.12％のクロムからなる。 好ましい実施例においては、珪素と錫の範囲は
珪素約2.0％から4.0％、錫約1.0％から3.0％で、
珪素と錫の含有量は合計で約6.0％より小さい。 もつとも好ましい場合は、合金は約0.01％から
0.08％のクロムを含有する。 上記の成分を有する合金は熱間圧延中の端縁部
割れ発生に対して独特の改善された抵抗を有し、
好ましい実施例においては切削工具の摩耗を著し
く小さくする。 クロムが珪素と錫を含有する銅合金に添加され
ると、例えば熱間圧延のような熱間加工中の端縁
部割れ発生が最小になるように合金の鋳造組織が
制御されるということが本発明によつて意外にも
発見された。また合金に添加されることのできる
クロムの量はある臨界的限度内に制限されねばな
らないということが本発明によつて意外にも発見
された。約0.45％なる最大上限値は合金の曲げ延
性に対するクロムの悪影響によつて決められる。
さらにそのような合金は切削工具の摩耗率等が問
題である場合、例えば熱間加工に続いてミリング
加工するような利用法または製造法に対してはさ
らに制限されたクロムの含有量を有しなければな
らない。低い摩耗率を要求するそのような利用法
または製造法に対してはクロムの含有量は約0.12
％以下好ましくは約0.08％以下に制限されねばな
らない。 従つて、熱間加工中の割れ発生に対する低い感
受性を有する改良された珪素及び錫含有銅合金を
提供することが本発明の目的である。 さらに本発明の目的は上記のように切削工具に
対する低い摩耗率を有する合金を提供することで
ある。 これら及び他の目的は下記の説明と添付図面か
らよりはつきりと明らかになるであろう。 本発明によればクロムが珪素及び錫の相当な添
加を含む銅合金に加えられると、この合金は熱間
圧延のような熱間加工中での端縁部割れ発生に対
して抵抗するようになるということが意外にも発
見された。クロムの添加は樹枝状結晶組織の大き
さを微細にすることにより合金の鋳造組織を改良
すべく作用する。このことは鋳造組織が熱間圧延
に先立つてより容易に均質化され、従つて熱間圧
延中の端縁部割れ発生を最小にする。珪素及び錫
を含有する銅合金の熱間圧延特性に対するクロム
の影響は特異であると思われる。 本発明によれば、合金に添加されるクロムの量
は臨界的範囲内に制限されねばならない。先ず第
１に、クロムの含有量は合金に良好な曲げ成形性
を与えるため約0.45％以下に維持されることが好
ましい。この含有量以上にクロムの量を増加する
ことは合金の曲げ成形性を悪くする。最も好まし
い実施例においては、クロムは合金の加工または
成形において例えばミリング・カツタのような切
削工具の不当な摩耗をさけるために約0.12％以下
に維持される。 本発明によれば、本質的に約1.0％から4.5％の
珪素、約1.0％から5.0％の錫、約0.01％から0.45
％のクロム及び本質的に残部の銅から成る銅合金
が提供される。 クロムの含有量は約0.1％から0.12％であるこ
とが好ましく、約0.02％から0.08％であるのが最
も好ましい。珪素と錫の範囲は約2.0％から4.0％
の珪素および約1.0％から3.0％の錫で、珪素と錫
の合計は約6.0％であることが好ましい。 ここに記すすべてのパーセンテージ成分は重量
比である。 本発明合金の処理は上記米国特許第3923555号
および第4148633号に概要を示す処理法と同じ線
に沿つて行なわれる。これら２つの米国特許の記
載はここで参考する意図で特に記載する。換言す
れば、本発明の合金は先ずいずれかの適当な方法
で鋳造され、好ましい鋳造法は合金により良い鋳
造組織を与えるために直接チル鋳造法であるか連
続鋳造法である。この鋳造工程の後、合金は650
℃と個々の合金の固相線温度との間で約15分間に
亘つて加熱されることが好ましい。合金は次に
650℃を越え特定の固相線温度から20℃以内まで
の開始温度で熱間加工される。熱間加工工程の完
了時の温度は400℃以上でなければならない。加
工される合金の特定固相線温度は合金内の珪素、
錫およびクロムの特定な量のみならず合金内に存
在する如何なる他の少量添加元素にも依存するこ
とに注目すべきである。熱間加工中の特定断面縮
小率（パーセンテージ）は特に決定的なものでな
く、以後の処理に必要な最終的に要求される厚さ
に依存する。 熱間加工後、合金は次に450℃から600℃の間の
温度で約1/2時間から８時間に亘つて焼鈍され
る。好ましい場合の焼鈍温度は1/2時間から２時
間に亘つて450℃から550℃であるべきである。こ
の焼鈍工程は熱間加工工程の後、または製品を作
るため合金製造と一緒に行なうことができる。所
望の特性に依存して、合金は焼戻し加工されたス
トリツプ材または熱処理加工されたストツプ材を
作るために、中間焼鈍を行ないまたは中間焼鈍を
行なわずに、どのような所望の断面縮小率にも冷
間加工することができる。複数回の冷間加工及び
焼鈍サイクルをこの特定の製造工程に使用しても
よい。 合金の強度対延性の関係における改善を得るた
めに、合金の処理工程には中間焼鈍工程または最
終的焼鈍工程としての熱処理が含まれていてもよ
い。この熱処理工程は250℃と850℃のあいだの温
度で少なくとも10秒間に亘つて行なわねばならな
い。もしより大きな応力緩和特性を与えるために
熱処理が望まれるなら、この特定の熱処理は150
℃から400℃のあいだの温度で15分から８時間に
亘つて行なわれねばならない。この後者の熱処理
は安定化焼鈍を含む。安定化焼鈍は合金が所望の
形状に成形された後に顧客によつて行なわれるこ
とが好ましい低温熱処理である。この処理は引張
り特性を著しく変えるものではないが、合金の剛
性と応力緩和抵抗を改善するのに役立つ。 本発明の合金は商品となつている合金
CDA51000，63800，76200および圧延硬化された
ベリリウム銅に好ましく匹敵するものである。本
発明の合金は与えられた降伏強度に対してすぐれ
た曲げ成形性をもつている。本発明合金の耐応力
腐食性は湿つたアンモニアにおいて上記の商品合
金のすべてよりはるかにすぐれており、マトソン
（Mattson）溶液内においてはより秀れていると
信じられる。本発明合金の曲げ成形性は、圧延硬
化されたベリウム銅合金を除いて、上記商品合金
よりすぐれていると信じられる。本発明の合金の
応力緩和低抗対曲げ成形特性は上記商品合金より
すぐれ、圧延硬化されたベリリウム銅合金に匹敵
すると信じられる。 主として珪素と錫を含む銅合金にクロムが添加
されると、クロムは珪素と結合してクロムの珪酸
塩粒子を生成するものと思われる。これらの粒子
は硬く従つて多量に存在すると切削工具の摩耗を
おこす。このことは合金をストリツプまた他の型
の物品に成形する過程で相当な問題となる。一般
に行なわれている方法では、鋳造後の合金は通常
は高温での圧延によつて熱間加工される。熱間加
工後の合金は表面にスケール即ち酸化物を伴つて
いるがこれは取り除かねばならない。これは通常
ミリング加工によつて行なわれる。本発明による
クロムを含有する銅―珪素―錫合金をミリング加
工しようとすれば、もしクロムの含有量が0.12％
以上であるならばミリング加工の切削工具の極度
の摩耗がおこりこの加工を商業的に実行不可能に
してしまう。同様に、たとえ合金が別の装置でス
トリツプ材に作ることができるとしてもクロムの
珪酸塩の存在によつて切削、穴あけ、打抜き加工
の工具および他の型の工具の過度の摩耗を起こす
であろう。従つて、工具の摩耗特性が問題である
場合の合金の用途に対しては、クロムの含有量を
約0.12％以下好ましくは約0.1％以下最も好まし
くは約0.08％以下に維持すべきである。 熱間加工中の合金の割れ発生に対する感受性を
小さくするために、本発明合金にはクロムが添加
されなければならない。これは次の例を考察する
ことによつて最もよく示される。 例 １ 第１図に示すような端縁部にテーパをつけた熱
間加工試験片が表に示す組成を有する合金の
4.54Kg（10ポンド）の鋳造物から切り出されて成
形された。

【表】 表の合金は一般に行なわれるのと同じ鋳造法
を用いて鋳造されたもので、合金試験片は熱間加
工に先立つて750℃で１時間に亘つて均熱され
た。試験片はテーパをつけた端縁部と切り欠きの
両者を利用した。何故ならテーパは端縁部に引張
り応力を生じ一方、切り欠きは応力集中を促進す
るからである。これら両者の応力集中状況は大き
なインゴツトを商業的生産工場で熱間圧延すると
きの合金板材の端縁部の条件をシミユレートする
ものである。750℃での１時間の均熱後、試験片
は750℃で各々のロール通過のとき約20％の断面
縮小率を与える２回のロール通過で熱間圧延され
た。次に、テーパーを有する端縁部が各試験片の
割れ発生傾向を決めるため詳細に調べられた。 視覚によつて決定された合金の端縁部割れ発生
性能は表に要約されている。 表 合金標示 端縁部割れ発生性能 A748 はげしい A823 わずかからはげしいまで A825 わずか A778 なし A784 なし A810 なし 表に示すデータはクロムが少なくとも0.01％
好ましくは0.03％以上の量で存在せねばならない
ことをはつきり立証している。上に示されるよう
にクロムは0.8％までの量で存在しても熱間加工
中の端縁部の割れ発生を防ぐのに有効である。し
かしなが、前述の説明のとおりまた以下に示され
るように、そのような大量のクロムは合金中のク
ロムの珪酸塩の容積分を増加させ、そのため摩耗
に対する抵抗と共に合金の曲げ成形性に悪い影響
を与える。 実際の生産工程における激しい端縁部の割れ発
生はこれらの合金を有用な加工形状に成形すると
き相当な廃品を発生する。従つて、端縁部の割れ
発生が少ない本発明による合金はその特性を充分
利用するだけでなく、またそのような合金からの
加工製品の形成においてより大きい生産性を与え
る。 合金の曲げ成形性に対するクロムの影響は下記
の例を引用して説明される。 例 表に示されるような異なつたクロム含有量の
銅―珪素―錫―クロム合金が鋳造された。

【表】 合金は次に熱間圧延され、冷間圧延されて
0.762mm（0.03インチ）厚さにされついで安定化
焼鈍された。90゜曲げに対する最小曲げ半径が測
定された。最小曲げ半径とは試験片が10倍の接眼
鏡によつて割れを発見するまえに曲げることので
きるときの最小半径である。これらの試験の結果
は表に要約されている。なお、この表に示さ
れた結果に関し、同一合金においてデータ値が異
なるのは最終冷間圧延即ち調質圧延での圧下率が
異なることに起因する。

【表】 表中のMBR／ｔなる値は、ASTM規格で定め
られた試験にもとずいて、ストリツプ材の厚さを
基準として算出した最小曲げ半径を表わす。表
を考察することによつて、クロムの含有量が増加
すると匹敵する耐力における合金の曲げ成形性に
悪影響を与えることが明らかである。この影響は
ばね弾性またはより高い耐力合金において最も著
しい。従つて、本発明によれば合金の耐摩耗性が
問題でなく良好な曲げ成形性が要求されるなら
ば、クロム含有量を0.45％以下に維持することが
好ましい。 本発明合金の工具を摩耗する性質に対するクロ
ムの悪影響は下記の例を参照して説明される。 例 表に示す組成を有する異なつたクロム含有量
のいくつかの銅―珪素―錫―クロム合金が試験さ
れた。

【表】 すべての合金はミリング加工によつて表面の酸
化物層を取りのぞいたあと、約12.7mm（0.5イン
チ）厚さに熱間圧延したままで試験された。ドリ
ルによる機械加工性の試験が工具の摩耗を測定す
るため行なわれた。各合金の板に約20個の穴をド
リルで作るのに、径6.35mm（1/4インチ）の新し
いドリルで始め、同一のドリルで各穴をあける時
間が記録された。継続的に穴をあける時間対穴の
数の典型的プロツトが第２図に示されている。こ
のプロツトした曲線の平均傾斜を穴１個当りの秒
で示したものが工具の摩耗率の大きさである。第
２図の曲線において平均の傾斜または摩耗率は１
個の穴当り12.7秒である。これはすべての穴をあ
ける全時間（第２図においては236秒）をとり、
第１番目の穴をあける時間を引き（第２図におい
ては20秒）、次にこれを全穴数（第２図において
は17）で割ることによつて得られた。 表は表に示される種々の合金に対する摩耗
率を要約したものである。

【表】 ＊＊ 最初の穴を完成できなかつた
表のデータは摩耗率対クロム含有量として第
３図にプロツトされている。0.08％クロム以上で
は摩耗率は急速に増加し、従つてこの値が高い摩
耗率を有することのできない本発明合金に対する
臨界的な限界であることは全く明瞭である。約
0.12％までのクロムを有する合金に対する摩耗率
は多くの適用例に使うことができると信じられ
る。これ以上のレベルのクロム含有量では摩耗率
は漸近的に上昇し、合金を工具の摩耗が問題であ
る用途例えば打抜き加工、成形および切断に対し
て使用できなくする。 表は表のような合金A666、A665，509965
およびA738に対しての6.45cm²（１平方インチ）
当りの平均粒子数を記録したものである。

【表】 ＊＊ 最初の穴を完成でなかつた
表についての考察から摩耗率は粒子容積分が
減少するに伴つて減少することが明らかである。
従つて本発明合金のクロム含有量は0.12％以下好
ましくは0.08％以下に制限すべきである。 特許請求の範囲によつて範囲外として排除され
ない限り他の元素はそれらが本発明合金の新規な
性質と特性に悪影響を実質的に与えない限り本発
明の合金に添加することができる。 例における端縁部割れ発生性能の視覚による
決定において、報告された割れ発生の程度は割れ
の数と深さの函数であり、深さが最も重要であ
る。深さが6.35mm（1/4インチ）より小さい割れ
は軽い程度の割れと考えてよいであろう。一方割
れが12.7mm（1/2インチ）から25.4mm（１イン
チ）の深さがあればはげしい割れと考えられるで
あろう。 本明細書に記載した米国特許はここに参考とし
て記載されることを意図するものである。 本発明に従つて、上記の目的、手段および利点
を完全に満足するクロムによつて改良された珪素
―錫含有銅合金が提供されることは明らかであ
る。本発明は特定の実施例との関連において記載
されてきたが、多くの代替、修正および変更が可
能であることは上記の説明によつて当業者には明
白であろう。従つて特許請求の範囲の精神と広い
範囲の中に入るものとしてすべてのそのような代
替、修正および変更を包含することが意図されて
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は端縁部割れ発生性能試験片の斜視図；
第２図はドリルによる機械加工性試験において継
続的に穴をあける時間の変化を示すグラフ；およ
び第３図は本発明による合金に対する摩耗率対ク
ロム含有量を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱間圧延中の端縁部割れ発生に対する改良さ
   れた低抗と良好な曲げ成形性を有するミツシユメ
   タルを含有しない銅合金であつて、本質的に1.0
   ％から5.0％の錫、1.0％から4.5％の珪素、0.12％
   を超え0.45％までのクロム、及び残部の銅から成
   ることを特徴とする銅合金。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の合金におい
   て、前記珪素は2.0％から4.0％であり、前記錫は
   1.0％から3.0％であつて、上記珪素と錫の合計は
   6.0％以下であることを特徴とする合金。