リン青銅について - 強度、特性、用途
青銅は銅とスズの合金から長い道のりを歩んできました。今では、より幅広い銅合金のクラスとなり、今日でも新たな用途が見出されています。しかし、青銅の多様性は材料の選択を困難にする可能性があります。そこで、この記事では青銅の一種であるリン青銅について検討することで、混乱をいくらか軽減します。この記事は、リン青銅の物理的、化学的、および機械的特性を調べることで、関心のある設計者がこの銅合金がプロジェクトに適しているかどうかを判断できるようにすることを目指しています。まず、リン青銅の組成を調べ、次にその利点、欠点、機械的特性について説明し、最後にこの有用な金属の一般的な用途について説明します。
リン青銅の物理的性質
銅合金とその一般的な用途の共通点を理解するには、青銅の種類に関する当社の記事を確認すると役立つかもしれません。
下の図 1 は、リン青銅の組成を説明する定性的なチャートです。
リン青銅の材料組成を円グラフで表したものです。
図1: リン青銅の定性的な内訳。
含まれる亜鉛、鉄、鉛、リンの割合は微量であることに注意してください。
図 1 を見ると、リン青銅は主に銅と錫でできている合金なのに、なぜリン青銅という名前がつけられているのか理解しにくいかもしれません。これは、これらの合金に流動性、耐摩耗性、剛性などの独自の特性を与えるには、重量で約 0.03-0.035% という少量のリンしか必要ないためです。これらは錫青銅とも呼ばれますが、リン青銅とみなされるためには、常に一定量のリンが存在します。密度は約 8.8 g/cm3 で、これらの合金のほとんどの形態は、熱間加工、冷間加工、熱処理に反応します。これらは非常に弾力性があり、疲労や腐食に強く、成形、注入、溶接が容易です。鉛を加えると、リン青銅はより強くなり、機械加工も容易になりますが、鉛を含まないリン青銅もそれ自体が強く、耐性があります。これらは、耐腐食性アプリケーションや、弾力性があり耐久性のある材料を必要とするその他のアプリケーションで最もよく使用されます。
抵抗と弱点
ほとんどのリン青銅合金は変色や腐食に強いため、電線管やその他の腐食しやすい環境で役立ちます。また、疲労にも強いため、多くの負荷サイクルを経ても強度を維持します。スズを加えると、この耐性と強度が向上し、鉛を加えると、快削性の真鍮合金とほとんど区別がつかないことから、俗に「機械工の友」と呼ばれるリン青銅 (合金 COLPHOS 90 / C54400) になります。ほとんどの合金は酸素の存在下で魅力的な緑青を呈するため、装飾用途にも使用できます。リン青銅の主な欠点は、リンが金属の電流伝導能力を低下させるため、電気伝導性が低いことと、価格が高いことです。リン青銅の粉塵や煙も吸入すると有毒なので、財布と肺に注意してください。
機械的性質
下の表 1 は、リン青銅の用途と強度に関連する機械的特性の一部を示しています。このセクションでは、それぞれの特性について簡単に説明し、この銅合金の独自性について説明します。
引張降伏強度
380-450 MPa
55100-65260 psi
弾性係数
110万気圧
16000ksi
電気伝導率（純銅に対する相対値）
15%
硬度（ロックウェルB）
75-85
加工性
20-100%
表 1: リン青銅の機械的特性の概要 - この表は一般的な概要であり、すべてのリン青銅の実際の特性の一覧ではないことに注意してください。
引張降伏強度は、材料が塑性変形する点を決定する応力値です。この点以下の応力では合金は曲がったり伸びたりしないため、これは材料の非降伏強度の一般的な尺度です (例外は常に存在しますが)。これは、機械加工時や、構造的完全性を損なうことなく材料の形状を保持する必要がある用途でメーカーにとって便利な尺度です。リン青銅は、スズとリンの比率が高いため、一部のアルミニウム合金に匹敵し、他の青銅を上回る優れた降伏強度を備えています。優れたバネ特性と組み合わせると、強度が高く、独自の特性を持つ合金が生まれます。
弾性係数、つまりヤング率は、材料の弾性変形能力、つまり材料の剛性を表します。直感に反して、ヤング率が高いほど材料の弾性が高いことを示しますが、これは「弾性」の尺度ではなく、材料の内部強度と、力が加わったときに元の形状に戻る可能性の尺度です。したがって、ヤング率が高いということは、負荷が加わった状態でも塑性変形しないため、材料が一般的に強いことを意味します。リン青銅の弾性係数はかなり高く (ほとんどの鋼のほぼ半分)、他の合金ほど強くはありませんが、中程度の条件下ではそれなりの強度を維持できることを示しています。このため、リン青銅は成形作業には適していますが、機械加工はより困難です。これについては後で詳しく説明します。
リン青銅の電気伝導率は純銅の約 15% です。では、銅の方がはるかに電気伝導性が高いのに、なぜリン青銅を電気用途に使用するのでしょうか。その答えは、リン青銅の疲労強度、耐腐食性、電気伝導性のバランスの良さにあります。上記のどのカテゴリでも傑出した合金ではありませんが、耐久性、強度、導電性に優れているため、リン青銅で作られた電気部品は銅製のものよりも長持ちします。その結果、リン青銅は、一般的な銅よりも機械的および電気的負荷に耐えることができるため、電気スイッチ、ファスナー、コネクタなどの材料として長い間使用されてきました。
材料の硬度は常に何らかの標準デュロメータを基準としており、さまざまな硬度スケールは、同じ一般的なカテゴリ/材料内の材料の比較リストを提供します。表 1 は、銅合金やその他の金属の硬度を表すために一般的に使用されるロックウェル B スケールの硬度値を示しています。硬度値が低い材料は一般に柔らかく、つまり表面に傷がつきやすく、へこみ、局所的に変形しやすくなりますが、数値が高いほど傷がつきにくい材料であることを示します (ホウケイ酸ガラス、セラミックなど)。参考までに、銅のロックウェル B 硬度は約 50 であるため、表 1 から、リン青銅は純粋な形態よりも傷がつきにくいことがわかります。また、鋼のような他のより硬化しやすい合金ほど強くはなく、用途に応じて良くも悪くもなります。たとえば、エッチングやインレイが用途の一部である場合、リン青銅は強度と機械加工性のバランスが取れている可能性がありますが、これは特定の合金タイプと強化手順によって異なります。
硬度と同様に、機械加工性は材料の機械加工能力の比較尺度であり、常に何らかの標準的な機械加工材料を基準とします (青銅の場合、この材料は UNS C36000 - 快削黄銅です)。この標準材料の機械加工性スコアは 100% で、機械加工が容易で、工場での問題がほとんどないことを意味します。スコアが 100% 未満の合金は、この基準と比較して機械加工がより困難であり、リン青銅の場合によく当てはまります。ただし、リン青銅はこれらの問題に対処するために特別に製造できます (ソースによっては、他のほとんどの合金も同様です)。リン青銅は、鉛含有量が多いものを購入することもできます。これにより、自己潤滑性が高まるため、機械加工の難しさが解消されます。したがって、ほとんどのリン青銅合金はフライス加工が多少困難ですが、適切な合金を選択することでこの問題に対処できます。
リン青銅の用途
リン青銅は長年にわたり電気部品に使用されてきましたが、技術の進歩とより特殊な材料の必要性により、新たな用途が見出されています。以下はリン青銅の用途の一覧ですが、この一覧以外にも多くの用途があり、新しい用途が現在も開発されていることを知っておいてください。
一般的なアプリケーションには次のようなものがあります。
スプリングス
ブッシング、ブッシング、ベアリング
溶接棒
ジュエリー
ギター弦
歯科ブリッジ
