E妊'ect of Nickel on Characteristics of Bismuth Bronze Castings
7
170 鋳造工学 第 81 巻 (2009)第 4 号 研究論文 ビスマス青銅鋳物の諸特性に及ぼすニッケルの影響 山本匡昭* 平井良政* ResearchArticle ].]FS , Vo l. 81 No , 4 (2009) E 妊'e ctof Nickel on Characteristics of Bismuth Bronze Castings Masaaki Yamamoto*and Yoshimasa Hirai* In thisstud y , effects of Ni on fluidit y , formation of shrinkage , mechanical properties , and machinability were studied for bismuth lead-freecopper alloy castings.The fluidity of Cu ・1. 5Ni-4.5Sn-6.5Zr ト0.03Palloy wascomparable to that of CAC406.The amount of shrinkage cavity reduced at an Nicontent of 1. 5mass%or higher.Mechanical properties tended to decrease with increasing content of Bi , and at a Bi content of 2.0mass% or lower , the tensile strength exceeded 195MPa and elongation wasover15%.Themachinability coefficient was80 to90%of CAC406 , whichenablesgood machining of the castings. Addition of Ni effectively reduces the Sn concentration in the liquid ahead of the solid-liquid interface during solidification to prevent segregationof Sn and to form compoundstogether with Sn and Pbetween dendrite arms. Formation of compounds reduces shrinkage cavities , and also serves as chip breakers during machining , thereby improving machinabili 旬 Keywords : lead free , copper alloy , nickel , bismuth , castability , shrinkage , mechanical properties , machinability 1. 緒言 近年,世界的に有害物質に対する規制が厳しく強化さ れており,欧州では,電気・電子機器分野において地球環 境破壊や人の健康に害をおよぼす危険を最小限にするこ とを目的とした RoHS 指令が施行されている.日本では, 2003 年 4 月に厚生労働省が飲料水中に溶出する Pb に対し て人体に及ぼす影響。, 2)を考慮し, Pb 及びその化合物の 水質基準を従来の 0.05mg/L 以下から 1/5 の0.01mg/L 以下 に強化した.一方,これまで飲料水に関係するパルブ,継 手,計量器部材などには, 青銅鋳物が使用されてきた.しかし, Pb を含有する青銅 鋳物では Pb の溶出基準を満足しないため, Pb を含有しな い新しい青銅合金としてビスマス青銅, ビスマスセレン青 銅, シj レジン青銅,硫化物が分散した鉛フリー青銅合金が 開発3-6)されている.また, ものづくりの観点、から,各鋳 物メーカでは,従来の CAC406 に替わる鉛フリー銅合金鋳 物の鋳造ノウハウを蓄積するとともに,不良対策,特に水 漏れ不良に対する改良を重ね, ものづくりの面で苦慮して いるのが現状である.これまでビスマス系青銅合金に Ni を添加することにより,鋳造欠陥の少ない青銅合金鋳物が 得られることを報告した7-10) そこで,本報告は, Ni を添 加したビスマス系鉛フリー青銅合金の実用上必要な成分 平成 19 年度技術賞平成 20 年 10 月1 日 原稿受理 *株式会社栗本鍛工所 KURIMOTO , LTD 範囲の最適化を目的とし,湯流れ性,機械的性質,ひけ巣 特性,切削性などについて検討した. 2. 実験方法 2. 1 供試材 Table1 に本研究で用いた鉛フリー銅合金の化学成分を 示す.主成分は, Cu-Sr トZn-Bi 系青銅合金に Ni を添加した 合金とした. Table1 の成分範囲で種々成分を変化させた 合金を高周波誘導溶解炉にて溶解し 1 , 250 0 C まで昇温後, 15mass% リン銅による脱酸処理を行った.その後,以下 に述べる各試験片を鋳造後,特性調査を行った.また,比 較材として CAC406 を適用し特性比較を行った. Table 1 Chemical composition , mass9 も. 2.2 湯流れ性評価 水道用部材は,複雑形状かっ薄肉鋳造素材であるため, 湯流れ性は製造上,重要な項目である.湯流れ性の評価 は, Fig.l に示す形状の渦巻き鋳型を使用し, CAC406 お よびNi を添加したビスマス系鉛フリー青銅合金の流動長 による比較評価を行った.また,目標鋳込温度は, 1373 ,
E妊'ect of Nickel on Characteristics of Bismuth Bronze Castings
* *
Research Article ].]FS Vol. 81 No 4 (2009) pp.170~176
E'ectof Nickel on Characteristics of Bismuth Bronze Castings
Masaaki Yamamoto* and Yoshimasa Hirai*
In this study effects of Ni on fluidity formation of shrinkage
mechanical properties and machinability were studied for bismuth
lead-free copper alloy castings. The fluidity of
Cu1.5Ni-4.5Sn-6.5Zr0.03Palloy was comparable to that
of CAC406. The amount of shrinkage cavity reduced at an Ni content
of 1.5mass% or higher. Mechanical properties
tended to decrease with increasing content of Bi and at a Bi
content of 2.0mass% or lower the tensile strength exceeded 195MPa
and elongation was over 15%. The machinability coefficient was 80
to 90% of CAC406 which enables good machining of the castings.
Addition of Ni effectively reduces the Sn concentration in the
liquid ahead of the solid-liquid
interface during solidification to prevent segregation of Sn and to
form compounds together with Sn and P between
dendrite arms. Formation of compounds reduces shrinkage cavities
and also serves as chip breakers during machining thereby improving
machinabili
Keywords : lead free copper alloy nickel bismuth castability
shrinkage mechanical properties machinability
1.
. Pb
2.2
u
n
u
w o h u p o n u k u n v
q
strength and elongation with Cu6Zn-2.5Ni-O.5Bi-xSn
alloy.
(c) 5mass%Sn content
o-
U
h
u
h
u
o
strength and elongation with Cu5Sn-6Zn-O.5BixNi
allo)ι
alloy.
4 2
40 '#.
0 o 0
n
u
n
u
n
u
aaτ
“
Y
0.050 0.100 P mass%
xP alloy.
strength and elongation with Cu-5Sn6Zn2.5Ni-xBi
alloy.
0
θ
300
n
u
n
u
n
u
A
U
A
U
machinability coefficient with Cu(2.55)Sn6Zn2.5Ni-
xBi alloy.
strength with Cu4.5Sn-1.6Ni7Zn-1.5Bi0.04Palloy.
40 35 15 180
87 4mass%Bi
Fig.
. 2_5mass%
50Fig.11
BiFig.12.
Bi. BiPb
α
(c) Cu-5Sn-7Zn-2.5Ni-(00.51.32.02.9) Bi-0.03P
Fig. 13 Comparison of chip-shape of CuNi(2.55.0)SnZnxBialloy and
CAC406C.
(d) 2.0mass%Ni content
(c) 1.5mass%Ni∞ntent
Fig. 14 Microstructure of Cu5.0Sn6ZnxNiO.5BiO.03Pallo)
175
.Ni
'5mass%SnCu5.1Sn6.1Zn-2.5Ni3.3Bi-O.02P.
Fig.15 (a) (b). 2.5mass%Sn
2.5mass%Sn ∞ntent" '" (b) 5.0mass%Sn content
Fig. 15 Result of EPMA analysis.
NiSn?. Bi.
Fig. 16 (a) (b)Cu-(2.5 5) Sn-7Zn(l ~4) NiO.5Bi
O.03PNi Ni.
Ni-Sn~Ni-P
1.0
~ 0.6 b
0.0
0
0
ratio of Ni compound.
Ni-Sn
2.5Ni1~2Bi- 0.05P .