銅合金の分類と合金元素の役割
銅合金とは、純銅に1つまたは複数の他の元素を添加して形成された合金を指します。 銅合金の分類は非常にわかりやすいです。 銅合金には多くの色があります。 銅以外の種類の銅合金にはさまざまな色があります。 銅合金には主に紫、黄色、シアンなどの色があります。
1. 分類
銅合金の分類: 色別
1. 黄銅: 銅と亜鉛をベースにした合金を指し、単純な黄銅と複雑な黄銅に分類できます。 複合黄銅の 3 番目の成分は、ニッケル黄銅、シリコン黄銅などと呼ばれます。
2. 青銅：銅ニッケル合金および銅亜鉛合金以外の銅ベースの合金を指します。 主な種類は、錫青銅、アルミニウム青銅、特殊青銅（高銅合金とも呼ばれます）です。
3. 白銅：銅とニッケルの合金を指します。
4. 赤銅：純銅を指します。 主な種類としては、無酸素銅、赤銅、リン脱酸銅、銀銅などがあります。
銅合金の分類：合金系ごとに分類
1. 非合金銅：非合金銅には、高純度銅、靱性銅、脱酸銅、無酸素銅などが含まれます。伝統的に、人々は非合金銅を赤銅、または純銅（赤銅とも呼ばれます）と呼んでいます。
2. その他の銅合金は合金銅に属します。 私の国とロシアは、銅合金を真鍮、青銅、白銅に分類し、さらに小さな合金系を主要なカテゴリーに分類しています。
銅合金の分類：機能別
1. 電気伝導性と熱伝導性を目的とした銅合金: 主に非合金銅と微量合金銅。
2. 構造用銅合金: ほぼすべての銅合金が含まれます。
3.耐食性銅合金：主に錫黄銅、アルミニウム黄銅、さまざまな非白色銅、アルミニウム青銅、チタンブルーなどが含まれます。
4.耐摩耗性銅合金：主に、鉛、錫、アルミニウム、マンガンなどの元素を含む複合黄銅、アルミニウム青銅などが含まれます。
5. 切断が容易な銅合金: 銅-鉛、銅-テルル、銅-アンチモンおよびその他の合金。
6.弾性銅合金：主にアンチモン青銅、アルミニウム青銅、ベリリウム青銅、チタン青銅など。
7.制振銅合金：高マンガン銅合金など
8.芸術的な銅合金：純銅、真鍮、錫青銅、アルミニウム青銅、白銅など。
銅合金の分類：材料形成方法による分類
1. 鋳造銅合金：鋳物は変形加工にも使用できます。
2. 異形銅合金：異形銅合金は鋳造に使用できます。
3. 鋳造銅合金および異形銅合金は、鋳造銅、黄銅、青銅および白銅に分類できます。
2. 合金元素の役割
微量元素が銅に混入することは避けられません。 元素の特性の違いにより、銅に溶解しないこともあれば、微量の固溶体が存在することもあれば、多量の固溶体が存在することもあれば、相互溶解度が無限大であることもあります。 温度が低下すると固溶度は急激に低下し、固相では複雑な相変化が起こります。 など、銅の特性への影響は大きく異なります。
3. 合金要素
銅合金の導電率への影響
1. 水素
水素と銅は水素化物を形成しません。 液体銅および固体銅中の水素の溶解度は、温度が上昇するにつれて増加します。特に溶解度が大きい液体銅では、水素の溶解度は増加します。 銅が凝固する際、水素が銅中に気孔を形成し、銅製品が脆くなる原因となります。 固体の銅では、水素はプロトンの状態で存在し、水素の電子が銅原子の S 層軌道を満たしてプロトン固溶体を形成します。 純粋な水素は銅の性能にほとんど影響を与えませんが、水素は銅および銅合金には有害です。 酸素を含む銅は、水素中でアニールすると亀裂が発生します。 さまざまな元素が銅への水素の溶解度に異なる影響を与えます。 このうち、Ni、Mnなどの元素は溶解度を高め、P、Siなどの元素は溶解度を低下させる。 装入物中の水素含有量は、製錬時間を短縮し、組成を調整し、溶融表面を木炭で覆うなどの方法を使用して銅中の水素含有量を減らすことで制御できます。
2. 酸素
銅の製造過程において酸素は避けられず、その影響も非常に重要です。 銅中には微量の固溶体を除いてCu2Oの形で存在します。 酸化銅は銅に固溶せず、Cu+Cu2O 共晶構造を形成し、粒界に分布します。 共晶反応は次のとおりです: 酸素を含む L 0.39% ---- 酸素を含む 0.01% + Cu2O (亜共晶銅) 銅の酸素含有量は共晶量に直接比例します。銅中の酸素含有量は、顕微鏡で標準的な写真と比較することで正確に測定できます。
銅および合金の特性に対する酸素の影響は複雑です。 微量の酸素は銅の導電性や機械的特性にほとんど影響を与えません。 工業用銅は高い導電性を持っています。 その理由は、酸素が洗剤として銅から多くの元素を除去できるためです。 有害な不純物、特にヒ素、アンチモン、ビスマスなどの元素は酸化物の形でスラグに入ります。 少量の酸素を含む銅の導電率は 100% ～ 103% IACS に達します。 6N 銅などの高純度の銅は、極低温条件下でも耐えられます。 抵抗値はかなり低いです。
電気真空部品に使用される銅の酸素含有量は厳密に管理する必要があります。 その理由は、電気真空装置を水素でカプセル化する必要があるためです。 銅に水素が存在すると、高真空環境では水素病が発生し、デバイスが損傷する原因になります。
銅および銅合金を製錬する際には、通常、脱酸を行う必要があります。 脱酸剤にはリン、ホウ素、マグネシウムなどが含まれ、中間合金の形で添加されます。 リンは最も効果的な脱酸剤ですが、リンは銅や合金の電気伝導率を大きく低下させる可能性があるため、残留量を厳密に管理する必要があります。
3. アンチモン、ビスマス、硫黄、テルル、セレン
これらの元素の銅への固溶度は極めて小さく、室温では基本的に銅に溶解しません。 これらは金属化合物の形で存在し、粒界に分布しています。 これらは銅の電気伝導率や熱伝導率にはほとんど影響しませんが、銅や合金の可塑性を著しく低下させます。 処理パフォーマンスとその内容は厳密に管理される必要があり、国家基準では {{0}}.005% を超えてはならないと規定されています。 これらの元素を含む銅は優れた切断特性を備えているため、真空スイッチや回路ブレーカーとして使用できるクロム銅など、工学および技術分野でも使用されています。 スイッチの接点により、回路断線時のスイッチ接点の固着を防止します。 ビスマス銅中のビスマス含有量は、0.5% ～ 1.0% にもなります。 テルルを0.15%～0.5%含むテルル銅合金は、導電性が高く、切断しやすいステンレス鋼として使用できます。 酸素銅は、精密電子部品に加工できます。 特殊用途の銅合金としてこれらの元素を添加することができますが、その加工技術は特殊であり、ジャケット押出、冷間押出、鋳造、粉末冶金などの方法が用いられます。
4. ヒ素、ホウ素
ヒ素は銅への固溶度が高く、固溶体中の含有量は6.8%から7.0%に達することがあります。 銅にヒ素が存在すると、銅の電気伝導率と熱伝導率が大幅に低下します。 一般に、特に黄銅の場合、改質剤として添加されます。 コンデンサー合金はさらに価値があります。 過去 100 年間の火力発電所や船舶でのコンデンサー管の使用により、0.1% ～ 0.15% のヒ素を含む真鍮が真鍮の脱亜鉛腐食を防止し、真鍮コンデンサーの問題を解決できることが判明しました。チューブ。 早期の漏洩は致命的な問題であるため、さまざまな材料規格でヒ素の添加が義務付けられています。 経験上、ヒ素を含まない Hsn70-1 コンデンサー チューブは、使用後最初の 2 ～ 3 年以内に漏れが発生することがよくあります。 ヒ素を添加すると寿命が15～20年に伸びることができ、これは銅合金研究における大きな技術進歩と言えます。 ヒ素が黄銅の脱亜鉛腐食を防止できる理由は、ヒ素が銅の電極電位を低下させ、それによって電気化学的腐食の傾向を軽減できることが多くの研究で示されているためです。 酸化ヒ素は環境を汚染し、人体に有害であるため、合金を製錬する工場には特別な環境保護と保護措置を講じる必要があります。 ヒ素は母合金の形で添加する必要があり、ヒ素と銅の母合金中のヒ素含有量は 15% ～ 30% に達することがあります。
ホウ素は銅への固溶度が低いため、一般に脱酸剤として使用されます。 残ったホウ素は粒子を微細化することができます。 人々は、劣化の影響が非常に重大であることを発見しました。 ヒ素添加黄銅合金に {{0}}.01% ～ 0.04% のホウ素を添加すると、黄銅の脱亜鉛や腐食に対する保護が向上します。 酸化ホウ素は銅合金精錬における優れた被覆剤であり、広く使用されています。 ホウ素は、溶接金属の酸化を防ぐために銅溶接材料にも一般的に添加されます。
5. リン
温度が低下すると、銅中のリンの固溶量は急速に減少し、300 度および 0 で {{0}}.6% に達します。4 % 200 度 . 銅にリンが溶解すると、銅の電気伝導率が大幅に低下します。 P0.014%を含むソフトテープの導電率は94%IACSです。 P0.14%の導電率はわずか45.2%です。 リンは最も効果的で最も低コストの脱酸素剤です。 微量の存在により、溶融物の流動性が向上し、銅および合金の溶接性と耐食性が向上し、軟化防止温度が上昇します。 したがって、リンも銅の主成分です。 また、合金中の貴重な添加元素である P0.015% ～ 0.04% を含むリン銅合金は、建築用水道管、冷凍・空調用ヒートパイプ、船舶用海水管の製造に広く使用されています。 低リン銅合金プレートおよびストリップは、エレクトロニクスおよび化学産業で広く使用されており、集積回路のリードフレーム銅ストリップにも多数の低忠実度銅合金が使用されています。 共晶組成のリン銅合金は優れた溶接材料です。 高銅合金は580〜620度の超塑性を有し、加熱可能です。3〜5mmに押し出された溶接ワイヤは、銅および銅合金、鋼および銅部品を溶接するための重要な材料です。
6.リード
鉛は銅に固溶せず、銅合金への固溶量も非常にわずかです。 銅と可融性共晶構造を形成します。 0 に 38% の鉛を含む銅の場合、液体の鉛は液体の銅と混ざらず、固化します。 単結晶構造が形成されます。 固体状態では、鉛は銅中に単純な状態で分布しており、粒子内および粒子境界に分布する可能性があります。 鉛を含む銅合金が相変化や再結晶を起こすと、粒界の鉛が粒界に移動することがあります。 内部。 鉛は銅や合金の電気伝導性と熱伝導性に大きな影響を与えませんが、機械加工性を向上させることができます。 鉛粒子は固相であり、軸受材料に望ましい軟質相です。 したがって、鉛を含む銅および合金は、価値があり、かつ切断しやすい材料です。 軸受材料は、コストが低いため、市場でより人気があります。 鉛を含む黄銅が広く使用されています。 鉛粒子が小さいほど、分布がより均一になり、性能が向上します。 鉛入り銅および合金は鋳造またはプレス加工で使用できます。 鉛黄銅は高温（500度以上）で単相となり、熱間加工性に優れ、大きな熱変形にも耐えられます。 ただし、室温では a 相および a+ 相です。 変形抵抗が高く、冷間変形時の塑性が劣ります。 , 加工速度が高すぎると合金材料に亀裂が発生します。
科学技術の発展に伴い、従来の鉛黄銅の鉛含有量は0.8%、2.5%、5%以上に増加し、新たに鉛を含む赤銅、黄銅、青銅、白銅が使用されています。常に開発されています。 特に、鉛含有銅合金は原料への適応性が非常に高く、再生銅を使用して直接製造できることは指摘すべきであり、これは銅加工企業にとって非常に重要です。
7. 鉄、ジルコニウム、クロム、シリコン、銀、ベリリウム、カドミウム
これら 7 つの金属元素の共通の特徴は、銅への固溶度が限られており、温度変化により固溶度が大きく変化することです。 合金の結晶化が完了した後に温度が下がり始めると、銅への固溶も始まります。 金属化合物または元素の形で固相から減少して析出します。 これらの元素が銅に固体として溶解すると、銅の強度が大幅に向上し、固溶強化効果が得られます。 それらが固相から沈殿すると、分散強化が起こります。 その結果、電気伝導性と熱伝導性が回復しました。 これらは典型的な時効熱処理された銅合金です。 焼入れ（950～980度、焼入水）と時効処理（450～550度、｛5｝｝h）により、高強度、高導電性が得られます。 微量の銀は銅の電気伝導率と熱伝導率を大幅に低下させることはありませんが、再結晶温度、変形抵抗、および耐摩耗性を大幅に上昇させる可能性があります。 モーターの整流子に広く使用されており、最近では高速列車のトロリ線の製造にも使用されています。 。 銅は衝撃を受けても火花が出ない性質があり、航空計器の重要な素材です。 カドミウムは有毒で環境を汚染するため、その使用は縮小しています。 ベリリウム銅は最も弾性のある素材です。 ベリリウムは銅を最も顕著に強化します。 熱処理後のベリリウム銅の強度は、純銅の 4 ～ 5 倍に達します。
鉄は粒子を微細化し、銅や合金の特性を改善します。 耐磁性が必要な環境では、鉄含有量を厳密に管理する必要があり、通常は 0.003% 未満です。
ジルコニウムおよびクロム銅合金は、高い導電性、強度、および良好な軟化抵抗を備えています。 これらは最高の電極合金であり、航空宇宙エンジンに重要な用途があります。
シリコンブロンズは強度と耐摩耗性に優れています。 鉄、ジルコニウム、クロム青銅は最新の高強度、高導電性銅合金であり、電極製造において重要な用途を持っています。
鉄、シリコン、ジルコニウム、およびクロム銅合金は、集積回路リードフレーム用の銅合金の基礎となっており、その合金組成と特性に関する研究が非常に活発です。
8. 亜鉛、錫、アルミニウム、ニッケル
これら 4 つの元素の共通の特徴は、銅に対する固溶度がそれぞれ 39.9%、15.8%、9.4% と大きいことです。 ニッケルは互いに無限に溶けます。 これらは銅と連続固溶体を形成し、広い単相領域を持ちます。 これらは銅の機械的特性と耐食性を大幅に向上させることができますが、銅の電気伝導性と熱伝導性も低下させます。 他の金属材料と比べても、電気伝導性、熱伝導性に優れた材料です。 これらは銅と貴重な合金を形成し、真鍮、青銅、白銅合金に分類され、巨大な合金系の基礎を形成します。 これらの合金は優れた総合的特性を備えています。 例えば、黄銅は強度、耐摩耗性、耐食性が高く、熱伝導率が高く、コストが低い。 青銅は強度、耐摩耗性、耐食性に優れています。 白銅は厳しい水質や海水腐食に対して非常に優れた耐性を持っています。 これらの利点はすべて、別の利点でもあります。 金属素材は交換できません。
9. 希土類元素
希土類元素は一般に銅にほとんど溶けませんが、少量の希土類金属は、単独で添加しても、混合して添加しても、銅の機械的特性に有益であり、銅の導電率にはほとんど影響を与えません。 このタイプの元素は、銅中の鉛やビスマスなどの不純物と高融点化合物を形成する可能性があります。 小さな球状粒子が結晶粒内に均一に分布し、結晶粒を微細化し、鋼の高温塑性を向上させます。 0.008% の混合希土類を銅に添加すると、銅のプロセス特性が大幅に改善されます。 0.1%未満のYを添加すると、銅の機械的特性と加工特性が改善されます。 0.01%~0.15%Laを含む銅合金の機械的性質。その性能、導電性、軟化抵抗温度はいずれもCu-0.15Ag合金より優れており、産業で使用されています。
10. 高融点金属およびその他の金属
タングステン、モリブデン、ニオブ、ウラン、プルトニウムなどの元素は銅にほとんど固溶しませんが、チタン、ジルコニウム、クロム、コバルトなどの元素は少量で銅に固溶しますが、これらはすべて銅粒子をさまざまな程度に微細化します。そして再結晶温度を上げます。 、一部の可融性不純物の有害な影響を中和し、高温可塑性の向上に有益です。
少量のジルコニウム (Cl5000、C15100、C18100)、コバルト (C17110、C17500)、クロム (C18400、C18200、C18500) を含む銅合金は産業で使用されており、優れた電気材料となっています。
