[新規な黄銅合金粉末作製方法]
 本願発明の発明者らは、基材となる黄銅そ� ��ものの強度を上げることによって、従来に� ��ない高強度の快削性黄銅部材を作る方法に� ��いて検討した。黄銅の強度を上げる方法と� ��て、一般的には、種々の添加物を加える方� ��が採用される。例えば、高力黄銅は、銅亜� ��合金に、鉄、アルミニウム、マンガンなど� ��添加したものであり、その引張強さが460MPa� ��高く、耐食性も良好なため、船舶用プロペ� ��等に応用されている。しかしながら、この� ��力黄銅は、その伸びが15%程度しか保証され� ��、決して加工性が良いとはいえない。

 黒鉛添加を視野に入れた合金開発を行な� ��ためには、今までにない新規な黄銅合金粉� ��を作製し、この粉末の集合体を押出加工し� ��強度を向上させる必要がある。従来、黄銅� ��生産には溶製法が採用されていたが、本発� ��者らは、溶製法に代えて、粉末冶金法によ� ��て新しい合金組成の黄銅合金の作製を試み� ��。

 急冷凝固法の一種である水アトマイズ法� ��よれば、溶湯を非常に高速で急冷凝固して� ��末を作製するものであるので、粉末中に非� ��衡相が出現するだけでなく、微細な結晶粒� ��得られるといった特徴がある。本発明者ら� ��、新たな試みとして、α相とβ相の混合相か らなる黄銅合金に、第三元素としてクロム(Cr )を微量添加することによって、従来の黄銅� �末とは性質の異なる粉末を製造し、この粉� �の集合体を熱間押出法で押出して固化する� �とによって新しい素材を得た。

 黄銅に様々な添加物を加えて性質を改善� ��ようとする試みは、従来から多数行なわれ� ��いるが、水アトマイズ法で6/4黄銅に遷移元� ��を積極的に添加したという前例は見当たら� ��い。

 本発明者らは、6/4黄銅に、高融点金属で� ��るクロムを添加するための新しい方法を提� ��するものである。前述したように、黄銅を� ��解して、そこにクロムを溶かし込むために� ��、溶湯をクロムの融点まで加熱しなければ� ��らないが、そのような加熱温度は亜鉛の沸� ��を超えている。そのため、現実的には、亜� ��の蒸気圧の高さを考慮すると、液体の黄銅� ��クロムの融点まで昇温させることは不可能� ��いってもよい。

 黄銅にクロムを添加するための別の方法� ��して、クロムを含む母合金を使用すること� ��考えられる。しかしながら、銅クロムの母� ��金もその融点が高いので、これを融解した� ��のに黄銅を加える方法では、やはり亜鉛が� ��発してしまい、所定の組成を保つことがで� ��ない。

 本発明者らは、市販のCu-10%Cr母合金を用� �た黄銅合金作製法を開発した。母合金中で� �、クロムは10~50μm程度の大きさの粒として分 散しており、銅に固溶しているわけではない 。この母合金をまず1200℃程度で溶解する。� �の温度では、母合金に含有されているクロ� �は溶解しないので、固相のまま銅の液相中� �浮遊している。この状態で、銅を加えてゆ� �、クロムの濃度が薄くなるように調節する� �すると、クロム濃度が4%程度になったところ で、状態図上での固液相線を越えて液相の一 相状態になる。このようにして、高融点金属 であるクロムを銅との混合液相にすることが できた。この状態で所定量の亜鉛を添加し、 水アトマイズ法で急冷凝固すると、黄銅中に クロムが強制固溶した非平衡相をもつ粉末を 得ることができた。

 上記と同様の方法で、黄銅中にバナジウ� ��を強制固溶させることも可能である。ただ� ��、バナジウムと銅との二元状態図では、固� ��相線はバナジウム濃度が約0.5%のところにあ るため、添加バナジウム量は非常に微量とな る。従って、現実的には、黄銅中へのバナジ ウムの添加は技術的に難易度が高いだけでな く、その添加効果を大きくすることが困難で ある。

 本発明者らが開発した方法によれば、添� ��する亜鉛を極力蒸発させることなく、合金� ��組成制御を適切に行なうことができる。6/4� ��銅においては、亜鉛成分の微妙な量の違い� ��よって、α相とβ相の比率が変化することが 知られている。また、α相とβ相の比率の違� �が、黄銅合金の機械的性質にも影響を及ぼ� �ことも知られている。

 従って、本発明者らが開発した上記の粉� ��生成方法が、黄銅合金の組成制御という観� ��から見ても、黄銅に高融点金属を添加する� ��めの有利な手法であることがわかる。これ� ��加え、比較的融点の低いニッケルおよびマ� ��ガンを添加すれば、より強度を向上させ得� ��粉末としてその利用価値が高まる。さらに� ��このようにして得られた黄銅合金粉末に黒� ��を添加して押出加工すれば、強度および快� ��性に優れた鉛レス快削性黄銅合金が得られ� ��。以上のように本発明の応用範囲は広いの� ��、本発明者らは、様々な機械的特性を持つ� ��品種の鉛レス黄銅の開発への道を開いたと� ��うことができる。

 従来の典型的な結晶粒微細化の方法は、� ��材に対して塑性加工と熱処理を繰り返して� ��なうことであったが、本発明のように粉末� ��金法を用いれば既に出発原料として微細化� ��れた結晶組織を持つ粉末が準備されている� ��で、微細化のための特別なプロセスを必要� ��しない。また、粉末の状態で、既に材料組� ��が決まっているので、最終製品の組成をこ� ��段階で把握できる。このような生産工程上� ��優位性に加えて、本発明に係る材料には、� ��下に記載する幾つかの優れた特徴がある。

 [第三元素添加の効果]
 通常、クロムは、黄銅にほとんど固溶しな� ��。しかし、水アトマイズ法のような急冷凝� ��法を採用することにより、液相状態で溶解� ��ているクロムは、ある一定量だけ、黄銅の� ��相中に強制固溶される。また、凝固の過程� ��おける結晶の成長に伴い、クロムの一部は� ��結晶粒界に凝縮して微細結晶粒として析出� ��る。黄銅の母相中に固溶する成分は、厳密� ��言えば、母相中に固溶して分散する成分と� ��母相中に析出物として分散する成分とを含� ��。母相中に強制固溶したクロム成分と、結� ��粒界に析出したクロム成分とは、加えられ� ��応力に対して異なった作用を呈する。すな� ��ち、母相中に強制固溶したクロム成分は、� ��晶中の転位運動を抑制して黄銅合金部材の� ��力値の向上に寄与する。他方、結晶粒界に� ��出したクロム成分は、粒界すべりを抑制し� ��極度の加工硬化を引き起こし、引張強度の� ��上に大きく寄与する。

 マンガンを添加した場合の効果は、以下� ��通りである。マンガンは、クロムと異なり� ��基本的に黄銅に固溶する。従って、マンガ� ��は、粒界析出物を作ることはなく、極端な� ��工硬化を引き起こさないが、耐力値および� ��張強度を共にバランスよく向上させるよう� ��作用する。その理由は、母相中に固溶した� ��ンガンが転位をピンニングするからと思わ� ��る。

 ニッケルを添加した場合の効果は、以下� ��通りである。ニッケルも黄銅中に完全に固� ��するが、黄銅合金の熱間押出の過程でβ相� �らα相への変態を促し、結晶中に微細なα相� ��形成して耐力の向上に大きく寄与する。た� ��し、ニッケルは加工硬化に寄与しないため� ��最大引張応力に関しては、ニッケルを添加� ��ない粉末押出材と大差はない。

 クロム、マンガンおよびニッケルは、周� ��表の第4周期に現れる遷移元素であるが、上 記のように黄銅に添加した場合の効果がそれ ぞれ異なっており、それらは全く異なった挙 動を示す。その理由は、各遷移元素が異なる 機構で黄銅を強化しているからである。従っ て、添加する元素を2種類以上とすれば、そ� �ぞれの効果が発現するものと考えられる。

 さらに、上記の研究結果から、他の元素� ��添加した場合の挙動についても、推察が可� ��になった。周期表の第4周期の遷移元素であ るバナジウムは、クロムとよく似た平衡状態 図を持っている。従って、クロムの添加と同 様の方法でバナジウムを添加してアトマイズ 粉末を作れば、母相中に強制固溶するバナジ ウム成分と、結晶粒界に析出するバナジウム 成分とが現れ、クロムと同様の強化機構で黄 銅の性能を向上させることができる。

 上記の元素以外に、一般的に黄銅の強化� ��素として知られているチタン、シリコン、� ��ルミニウム、スズなども、補助的な添加元� ��としてクロム添加黄銅の強化に有効に働く� ��とが期待される。

 [急冷凝固法]
 本発明の効果が顕著に現れる要因は、急冷� ��固法によって黄銅合金粉末を作製すること� ��よって、非平衡相および微細な結晶粒を生� ��することに加えて、クロムの粒界析出を利� ��した加工硬化を引き起こしたことにある。� ��発明者らは、急冷凝固法の一例として、水� ��トマイズ法を利用した。6/4黄銅組成の水ア� ��マイズ粉末の特徴は、非平衡相のβ相にな� �ことである。より具体的に説明する。6/4黄� �合金の急冷凝固過程において、固液相線を� �えたところはβ相領域であるので、粉末はβ� ��として凝固する。そのままゆっくりと冷却� ��れば、相変態してα相とβ相の混合相になる はずであるが、急冷度が高いためにこの相変 態はほとんど起こらない。このβ相粉末を熱� ��加工する過程で昇温したとき、β相からα相 への相変態が起こり、混合相となる。

 ある種類の添加元素は、β相を安定に保� �効果を発揮する。クロムおよびマンガンに� �、α相への変態を遅らせる効果が認められた 。これは、結晶粒内での原子拡散を抑制して いる効果であり、急冷凝固で形成された非平 衡相を保持する効果が高いと考えられる。

 本発明では、凝固過程における粒界析出� ��が粒界すべりを抑制することによって、加� ��硬化現象を顕著に発現している。好ましく� ��、粒界析出物の大きさを、100nm~500nm程度の� �イズ(最大長さ)に制御する。また、析出物の 分散状態も重要なファクターであり、組織中 で析出物が均一に分散していることが理想な ので、原料粉末が均質であることが望ましい 。粉末作製法として、アトマイズ法であれば 、凝固速度とそれに伴う粉末粒径の制御が容 易である。

 [押出加工]
 黄銅合金押出材の強度の向上には、押出温� ��が非常に重要な因子となる。押出温度は、� ��いほど望ましい。粉末の集合体を押出加工� ��るには、粉末を加熱する必要がある。この� ��熱温度が高ければ、原子拡散が早くなり、� ��冷凝固で作られた非平衡相が熱平衡状態に� ��づいてしまう。従って、黄銅合金粉末集合� ��を、押出加工が可能な最低温度で押出すこ� ��が重要である。好ましい押出温度は650℃以� ��である。押出温度の下限値を決定すること� ��困難である。なぜなら、下限温度は、押出� ��レットの大きさ、押出比、装置の押出最大� ��重等によって決まるからである。500℃での� ��出が可能であればその温度が適切な条件で� ��るといえるが、実際には、押出加工を行な� ��には550℃以上が必要になると思われる。

 押出の際には、ビレットの放熱による温� ��降下、および押出圧力による温度上昇の二� ��のファクターが影響して実際の押出温度が� ��まる。従って、押出温度を規定することは� ��実的ではなく、ビレットの加熱温度を管理� ��るのが実用的である。黄銅の押出実験では� ��ビレットの加熱管理温度を650℃にしたとき� ��押出開始までに48秒を要したことがある。� �擬実験で得たデータと照らし合わせると、� �のときの押出開始温度は577℃になる。

 本発明者らは、クロム含有黄銅合金粉末� ��合体を押出加工する際の押出速度を制御す� ��ことで、より高強度の材料が得られること� ��見出した。より高強度の材料を得るための� ��出条件としては、低温での押出が効果的で� ��り、さらに押出速度を低速にすることでよ� ��強度の向上が見込まれる。この点について� ��、実験結果に基いて後述する。

 黄銅合金押出材の切削性を向上させるた� ��に、クロム含有黄銅合金粉末に黒鉛粒子を� ��加して混合し、この混合粉末集合体を押出� ��工するようにしても良い。切削性向上効果� ��発現するには、クロム含有黄銅合金粉末に� ��して0.2~2.0重量%の黒鉛粒子を添加する必要� �ある。添加黒鉛粒子の粒子径は、好ましく� �、1μm~100μmの範囲内である。

 [元素の添加量]
 第三元素の添加量については、各種元素に� ��り適量がある。

 クロムについては、0.5質量%の添加で耐力 値の向上が認められた。さらにクロムの添加 量を増して1質量%にすると、耐力値には差が� ��められなかったものの、引張強度が非常に� ��い値を示した。従って、クロムの添加量は0 .5質量%以上が好ましく、より好ましくは1.0質 量%以上である。

 クロム含有量の上限値は、5.0質量%である 。粉末製造段階での制限により、銅-クロム� �液相状態でクロムの濃度の上限は4%となる。 ここで亜鉛を添加した場合に、クロム含有量 は2.4質量%となる。銅-クロムの溶解温度を上� ��ることで、クロムの含有量を増やすことは� ��能である。例えば、溶解温度を1300℃まで上 げると、クロムを8%の濃度まで溶解可能であ� ��、ここで亜鉛を添加した場合のクロム含有� ��は5.0質量%となる。しかしながら、この温度 では、亜鉛の蒸気圧が高くなりすぎて、組成 制御が困難となる。従って、より好ましいク ロム含有量の上限値は、2.4質量%である。

 バナジウムは、極微量であっても、粒界� ��出が起こる。銅-バナジウムの液相状態での バナジウムの濃度の上限値が0.5%であること� �考慮すると、バナジウムの効果を最大限に� �かすためには上限値近くまでバナジウムを� �加すべきである。その場合、亜鉛添加によ� �、バナジウムの濃度は、0.3質量%となる。バ� ��ジウムの濃度をこの値よりも大きくするた� ��には、溶解温度を上げる必要がある。しか� ��、1200℃以上の温度になると亜鉛の蒸気圧が 非常に高くなりすぎるため、最適の組成で粉 末を作ることが困難になる。従って、バナジ ウム添加の効果は限定的にならざるを得ず、 他元素との組合せでの強化が必要になる。

 黄銅にマンガンを添加することによって� ��られる効果については、既に多くの研究例� ��あり、高マンガン黄銅として実用化もされ� ��いる。本発明においては、上記のクロム添� ��、またはクロムおよびバナジウム添加と組� ��合わせて、マンガンを補助的に添加するこ� ��により、黄銅合金をより高強度化すること� ��できる。マンガン添加量としては、0.5質量% で十分な効果が得られることを確認した。従 来の研究例によると、マンガンの添加量を増 大すると材料の加工性を著しく低下させるこ とも認められているので、マンガン添加量の 好ましい上限値は、化合物を作らない範囲で ある7質量%以下である。より好ましいマンガ� ��の添加量は、1~3質量%であり、この量を超え ると伸びが低下して、黄銅の加工性の低下を きたすおそれがある。

 ニッケルは、銅に対して全率固溶するの� ��、Cu-Zn-Ni系においては任意の量を添加して� �金化することが可能である。従って、本発� �において、ニッケルの添加量については特� �上限はない。ニッケルの添加は、耐力値の� �を引き上げるという特殊な効果をもたらす� �のであり、1質量%の添加量で300MPaを超える耐 力値を実現できる。

 合金部材の実用上の見地からすれば、引� ��強度よりも耐力値の方が重要であることは� ��うまでも無い。本発明にとっての最大の効� ��は6/4黄銅に所定量のクロムを含有させたこ� ��にあるが、ニッケルをさらに添加すること� ��よってより多くの利点が得られる。クロム� ��高融点であるがゆえに、微量であっても添� ��させることが容易ではない。これを克服す� ��手法として、冶金学における熱平衡状態を� ��用することを既に説明した。クロムとニッ� ��ルの効果を同時に発現させるためには、当� ��両方の元素を添加することになる。この場� ��の添加方法として、より容易な方法がある� ��すなわち、クロムのみを添加するためには� ��前述したようなプロセスを取ることになる� ��、同時にニッケルも添加するためには、母� ��金に最初からクロムとニッケルが含まれて� ��ることが好ましい。

 ニッケルクロム合金は市販されており、� ��金化することでその融点は下がり、1345℃に なる。この合金と銅とを高周波炉を使って溶 解することは可能である。ニッケルとクロム との混合比は1:1になるが、銅-クロム母合金� �使って製造するよりもはるかに容易に溶湯� �作ることができる。この方法を使ってニッ� �ルを添加することを実施するならば、ニッ� �ル添加量の好ましい上限値は、クロムと同� �く、2.4質量%となる。

 ニッケルとクロムの母合金での混合比率� ��変えることにより、ニッケル添加量を増や� ��ことが可能である。母合金でクロム添加量� ��増やすことは急激に融点を高めてしまうの� ��、粉末製造の難易度が上がるが、ニッケル� ��比率を上げても融点はあまり上がらず、ニ� ��ケルの融点を超えることは無い。従って、� ��ッケルリッチの粉末を作ることは可能であ� ��、ニッケルの添加量を増やすことは可能で� ��る。ニッケルの添加量の上限値については� ��に制限されないが、黄銅としての特性を損� ��わない範囲として、5質量%以下の添加に留� �ておくのが望ましい。ニッケルの含有量を� �の範囲にしておけば、所望の機械的特性を� �った合金を作ることが可能であり、広い応� �範囲に適用可能となる。

 その他の添加元素に関しては、概ね数%程 度、少なくとも0.1%以上で添加効果を発現す� �。各種元素の適量、組合せについては、求� �る機械的性質によって異なってくる。強度� �上の観点から見れば、ジルコニウムは結晶� �微細化効果を発現するので、0.1%の添加でも� ��分にその効果が認められ、ホールペッチの� ��験則から明確な強化元素であるといえる。

 チタンやアルミニウムなどは、固溶強化� ��より母相の強度を上げるので、1%以下の微� �添加でもその効果を発現する。

 シリコンは、通常、分散強化に用いられ� ��元素であり、3%程度の添加が適量である。� �かしながら、他の元素との兼ね合いから、� �加が必ずしも強化につながらない場合もあ� �。特に、本発明の合金系では、クロムの析� �サイトとシリコンの分散サイトとが同一箇� �になってしまうと、強化効果が得られなく� �る。従って、クロムの添加量によってシリ� �ンの添加量は制限される関係にあり、クロ� �とシリコンとを合わせて3%以下にするのが好 適といえる。

 スズは、0.3%程度で固溶して強化元素とし ての効果を発現するが、添加量を増やすとγ� ��が出現するため、脆化の原因となり、多量� ��加は好ましくなく、0.1%~0.5%の範囲が好適と� ��える。

 [粉末の作製]
 Cu-40%Znの黄銅素材より、水アトマイズ法に� �って、Cr無添加の黄銅粉末、0.5質量%Cr添加の 黄銅粉末、および1.0質量%Cr添加の黄銅粉末を 作製した。粉末の化学組成を表1に示し、粉� �の外観のSEM(Scanning Electron Microscope)写真を図 1に示す。図1の(a)はCrを添加していない6/4黄� �合金粉末を示し、(b)は0.5質量%Crを添加した6/ 4黄銅合金粉末を示し、(c)は1.0質量%Crを添加� �た6/4黄銅合金粉末を示す。

 作製した粉末のX線回折結果を図2に示す� �Cr無添加の黄銅合金粉末および0.5質量%Crを添 加した黄銅合金粉末では、β相のみが検出さ� ��た。1.0質量%Crを添加した黄銅合金粉末では� ��α相とβ相の2相が検出された。6/4黄銅組成� �場合、液相から固液相線を越えるとβ相にな り、急冷凝固粉末は一般的にα変態せずに冷� ��される。1.0質量%Cr添加の黄銅合金粉末を詳� ��に調査した結果、α相粉末とβ相粉末の混合 状態であった。アトマイズの過程で個々の粉 末に冷却速度差が生じ、α変態した粉末が生� ��したものと考えられる。なお、Crは微細粒� �として存在するため、X線回折では明瞭な回� ��ピークは検出されなかった。

 [1.0質量%Cr添加の黄銅合金粉末の押出]
 水アトマイズ法で作製された組成59%Cu-40%Zn-1 %Crの粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレットと した。このビレットを電気炉で加熱して押出 加工を行なった。加熱用電気炉の温度条件を 、650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした。� �レットを、押出機によって押出速度3mm/s、押 出比37の条件で加工し、棒材を得た。

 棒材から評点間距離10mm、胴回り3mmの引張 試験片を切り出して、引張試験を行い、0.2%� �力値および最大引張強度を測定した。その� �果を表2に示す。

 表2の結果から明らかなように、ビレット を650℃の温度に加熱して押出したものが、最 大引張強度および0.2%耐力値において高い数� �を示した。加熱温度を上げていくと、これ� �の機械的強度は低下する傾向にあった。従� �て、押出前のビレットの加熱温度は、650℃� �下が望ましい。

 [0.5質量%Cr添加の黄銅合金粉末の押出]
 水アトマイズ法で作製された組成59.5%Cu-40%Zn -0.5%Crの粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレッ� �とした。このビレットを電気炉で加熱して� �出加工を行なった。加熱用電気炉の温度条� �を、650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした� ��ビレットを、押出機によって押出速度3mm/s� �押出比37の条件で加工し、棒材を得た。

 棒材から評点間距離10mm、胴回り3mmの引張 試験片を切り出して、引張試験を行い、0.2%� �力値および最大引張強度を測定した。その� �果を表3に示す。

 表3の結果から明らかなように、ビレット を650℃の温度に加熱して押出したものが、最 大引張強度および0.2%耐力値において高い数� �を示した。加熱温度を上げていくと、これ� �の機械的強度は低下する傾向にあった。従� �て、押出前のビレットの加熱温度は、650℃� �下が望ましい。

 また、表2の結果と比較すればわかるよう に、0.2%耐力値に関しては、0.5%Cr添加のもの� �、1.0%Cr添加のものとでほぼ同じ値を示した� �従って、添加するクロム量が少なくても耐� �値は維持されることが認められた。しかし� �最大引張強度はクロム量が少なくなると低� �している。このことは、耐力値が強制固溶� �たクロム量によって決まるのに対し、最大� �張応力は余剰なクロムが粒界に析出するこ� �によって加工硬化度が上昇していることの� �付けとなっている。

 [1.0質量%Ni添加の黄銅合金粉末の押出]
 水アトマイズ法で作製された組成59%Cu-40%Zn-1 .0%Niの粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレット� ��した。このビレットを電気炉で加熱して押� ��加工を行なった。加熱用電気炉の温度条件� ��、650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした。 ビレットを、押出機によって押出速度3mm/s、� ��出比37の条件で加工し、棒材を得た。

 棒材から評点間距離10mm、胴回り3mmの引張 試験片を切り出して、引張試験を行い、0.2%� �力値および最大引張強度を測定した。その� �果、ビレットを650℃で加熱して押出したも� �は、その0.2%耐力値が311MPaで、最大引張強度� ��479MPaであった。加熱温度を上げていくと、� ��れらの機械的強度は低下する傾向にあった� ��従って、押出前のビレットの加熱温度は、6 50℃以下が望ましい。

 [0.7質量%Mn添加の黄銅合金粉末の押出]
 水アトマイズ法で作製された組成59%Cu-40%Zn-0 .7%%Mnの粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレット とした。このビレットを電気炉で加熱して押 出加工を行なった。加熱用電気炉の温度条件 を、650℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした� �ビレットを、押出機によって押出速度3mm/s、 押出比37の条件で加工し、棒材を得た。

 棒材から評点間距離10mm、胴回り3mmの引張 試験片を切り出して、引張試験を行い、0.2%� �力値および最大引張強度を測定した。その� �果、ビレットを650℃で加熱して押出したも� �は、その0.2%耐力値が291MPaで、最大引張強度� ��503MPaであった。加熱温度を上げていくと、� ��れらの機械的強度は低下する傾向にあった� ��従って、押出前のビレットの加熱温度は、6 50℃以下が望ましい。

 [Cr無添加の黄銅合金粉末の押出]
 水アトマイズ法で作製された組成60%Cu-40%Zn� �粉末を600MPaで圧粉して押出用ビレットとし� �。このビレットを電気炉で加熱して押出加� �を行なった。加熱用電気炉の温度条件を、65 0℃、700℃、750℃、780℃の4種類とした。ビレ� ��トを、押出機によって押出速度3mm/s、押出� �37の条件で加工し、棒材を得た。

 棒材から評点間距離10mm、胴回り3mmの引張 試験片を切り出して、引張試験を行い、0.2%� �力値および最大引張強度を測定した。その� �果を表4に示す。

 表4の結果から明らかなように、ビレット を650℃の温度に加熱して押出したものが、最 大引張強度および0.2%耐力値において高い数� �を示した。加熱温度を上げていくと、これ� �の機械的強度は低下する傾向にあった。従� �て、押出前のビレットの加熱温度は、650℃� �下が望ましい。

 [Cr無添加の黄銅合金の溶製材ビレットの押� ��]
 組成60%Cu-40%Znの溶製材ビレットを電気炉で� �熱して押出加工を行なった。加熱電気炉の� �度条件を650℃、700℃、750℃、780℃の4種類と� ��た。ビレットを、押出機によって押出速度3 mm/s、押出比37の条件で加工し、棒材を得た。

 棒材から評点間距離10mm、胴回り3mmの引張 試験片を切り出して、引張試験を行なった。 その結果、ビレットを650℃で加熱して押出し たものは、その0.2%耐力値が226MPaで、最大引� �強度が442MPaであった。

 [最大引張強度および0.2%耐力値の比較]
 各種ビレットを650℃の温度に加熱して押出� ��工した黄銅合金押出材の最大引張強度およ� ��0.2%耐力値を比較し、それを表5に示した。� �た、押出材の応力-ひずみ曲線を図3に示す。 比較したビレットは、Cr無添加の黄銅合金の� ��製ビレット、Cr無添加の黄銅合金圧粉体ビ� �ット、0.5%Cr添加の黄銅合金圧粉体ビレット� �1.0%Cr添加の黄銅合金圧粉体ビレットの4種類� ��ある。

 図3および表5から、次のことを理解でき� �。まず、Cr無添加の黄銅合金ビレットの2種� �を比較すると、溶製ビレットよりも圧粉体� �レットの方が、最大引張強度および0.2%耐力� ��の両者において高い数値を示している。具� ��的には、圧粉体ビレットにすることによっ� ��、最大引張強度が5.4%向上し、0.2%耐力値が20 .7%向上している。この点からだけでも、粉末 冶金法の優位性は明らかである。

 さらにクロムを1.0質量%添加した圧粉体ビ レットと、Cr無添加の溶製ビレットとを比較� ��ると、1.0質量%のCrを添加した圧粉体ビレッ� ��の押出材は、その最大引張強度が27.8%向上� �、0.2%耐力値が40.2%向上している。0.2%耐力値� ��大きく向上しているのは、強制固溶してい� ��クロムによる固溶強化であると考えられる� ��

 また、Cr無添加の圧粉体ビレットに比較� �て、Cr添加の圧粉体ビレットの最大引張強度 が大きく向上していることが認められる。こ れは、粉末製造工程の凝固過程において、固 溶しきれなかったクロムが結晶粒界で濃化す ることによってクロムの粒界偏析が起こり、 100nm~500nm程度の直径を持った球状の析出物が� ��に粒界三重点や粒界上に存在していること� ��原因として考えられる。こうした微細析出� ��は、塑性変形時の粒界すべりに対して大き� ��抵抗力として働き、結果として高い加工硬� ��度を示した。

 [組織観察結果]
 ビレットの加熱温度を650℃にして押出加工� ��た押出材の光学顕微鏡による組織観察結果� ��図4に示す。図4の(a)は1質量%Cr添加の黄銅合� ��圧粉体ビレットの押出材、(b)は0.5質量%Cr添� ��の黄銅合金圧粉体ビレットの押出材、(c)はC r無添加の黄銅合金圧粉体ビレットの押出材� �(d)はCr無添加の黄銅合金溶製ビレットの押出 材を示す。

 図4の写真を比較観察すれば明らかなよう に、溶製ビレット押出材に比べて、圧粉体ビ レット押出材はより微細な結晶粒を有してい る。黄銅合金溶製ビレット押出材の場合、結 晶粒サイズは3~10μmであるのに対し、Cr無添加 の黄銅合金圧粉体ビレット押出材の結晶粒サ イズは1~6μmと微細になっている。また、Cr添� ��の黄銅合金圧粉体ビレット押出材になると� ��結晶粒サイズがサブミクロン~5μmと更なる� �細化が進行していることが認められる。

 結晶粒微細化に伴い、耐力値はホールペ� ��チ(Hall-Petch)の経験則に従って増加した。Cr� �加材の組織には、黒点状の1μm以下の微細な� ��出物が結晶粒界に観察された。EDS分析を行� ��った結果、これらの析出物はCrであること� �同定した。

 図5は、1質量%Cr添加の黄銅合金圧粉体ビ� �ットの押出材のSEM像を示している。

 なお、以上の説明では、黄銅合金粉末ま� ��は黄銅合金粉末押出材を中心に記載したが� ��本発明は、黄銅合金部材にも適用可能であ� ��。すなわち、黄銅合金部材は、α相とβ相の 混合相からなる黄銅組成を有し、クロムを0.5 ~5.0質量%含有し、さらにニッケル、マンガン� ��ジルコニウム、バナジウム、チタン、シリ� ��ン、アルミニウムおよびスズからなる群か� ��選ばれた少なくとも一つの元素を含む。

 [降伏応力(YS)の増大]
 クロムを添加することによって黄銅合金部� ��の降伏応力が増大することが認められるが� ��この降伏応力増大に寄与するのは、クロム� ��うち、特に、黄銅の母相中に固溶して分散� ��るクロム成分である。組織解析の結果を利� ��し、析出物を定量化することで添加したク� ��ムの量から母相中に固溶したクロムの量を� ��出した。

 クロム無添加の黄銅合金部材の降伏応力� ��クロム添加の黄銅合金部材の降伏応力との� ��を縦軸で表し、母相中に固溶したクロム成� ��の濃度(%)を横軸に表したのが図6である。ク ロム固溶量が0.22%のとき降伏応力の増加量は3 4MPaで、クロム固溶量が0.35%のとき降伏応力の 増加量は54MPaであった。このように、黄銅の� ��相中に固溶するクロムの濃度に比例して降� ��応力が増大していることが認められた。

 [黒鉛粒子添加による快削性の向上]
 粉末押出による黄銅合金押出材の作製にお� ��ては、黒鉛粒子を添加することにより、鉛� ��リーにして環境への悪影響を抑制すること� ��できる。一般の黄銅に対して黒鉛を添加す� ��ことは過去になされたことがあるが、クロ� ��を添加して強度を向上させた黄銅合金に対� ��て黒鉛を添加した前例は無い。そこで、ク� ��ム添加により強度を向上させた黄銅への黒� ��添加を行い、切削性の向上を試みた。

 使用した黒鉛粒子の平均粒子径は5μmであ った。水アトマイズ法で作製したクロム含有 黄銅粉末と、黒鉛粒子とを機械的撹拌法で混 合した。この混合粉末を前述の方法と同様に 圧粉体ビレットとし、熱間押出加工を施して 棒材を得た。添加する黒鉛粒子の量としては 、クロム含有黄銅合金粉末に対して0.5重量%� �0.75重量%および1.0重量%の3種類とした。

 図7は、黒鉛粒子添加量と切削性との関係 を示す図である。クロム含有黄銅合金粉末に 黒鉛粒子を添加して押出加工すれば、切削性 が飛躍的に向上することが認められた。切削 性の評価は、ドリルによる貫通試験の試験時 間を計測することで行った。試験片は5cmの長 さに切断した丸棒であり、これにドリル径4.5 mmで貫通試験を行った。ドリルには1.3kgfの荷� ��を与え、主軸回転数を900rpmとした。10回の� �験を行い、貫通に要する時間を平均したも� �を図7のグラフに表示した。

 黒鉛を全く添加していない試験片では、1 80秒以上の切削を行ってもドリルは全く貫通� ��なかった。ドリルの切削進行が止まってい� ��ように見られたため、180秒で貫通しないも� ��に関してはそこで試験を中止することにし� ��。

 黒鉛添加量と、ドリル貫通に要する時間� ��の関係を調べた。0.5%クロム含有黄銅合金で は、黒鉛無添加の場合に180秒以上であったも のが、0.5%の黒鉛添加量で平均28秒の時間でド リルが貫通した。0.75%以上の黒鉛添加量では� ��貫通時間が20秒以下となり、切削性の飛躍� �な向上が認められた。したがって、0.5%クロ� ��含有黄銅合金の場合においては、0.75%以上� �黒鉛添加が切削性を大幅に向上させるのに� �適な条件であるということができる。

 1.0%クロム含有黄銅合金では、黒鉛を0.5%� �加しても貫通時間は180秒以上であった。黒� �添加量を0.75%に増加させると、平均38秒でド� ��ルが貫通した。また、黒鉛添加量を1.0%にす ると、貫通時間は20秒以下となった。したが� ��て、1.0%クロム含有黄銅合金の場合において は、1.0%以上の黒鉛添加が切削性を大幅に向� �させるのに好適な条件であるということが� �きる。

 [低速押出による強度の向上]
 本発明者らは、クロム含有黄銅合金の押出� ��度を制御することで、より高強度の材料が� ��られることを見出した。高強度材を得るた� ��の押出条件としては、低温での押出が効果� ��であるが、さらに押出速度を低速にするこ� ��により、より強度を向上させることができ� ��。実測値を記載すると、1.0%クロム含有黄銅 合金の場合、通常の押出速度(ラム速度3mm/s)� �押出を行ったときの耐力値は317MPaで、最大� �張強度は565MPaであったが、この押出速度を� �分の一(ラム速度0.3mm/s)に減じて押出加工を� �ったところ、耐力値は467MPaまで向上し、最� �引張強度は632MPaまで向上した。

 以上、図面を参照してこの発明の実施形� ��を説明したが、この発明は、図示した実施� ��態のものに限定されない。図示した実施形� ��に対して、この発明と同一の範囲内におい� ��、あるいは均等の範囲内において、種々の� ��正や変形を加えることが可能である。