銅は何千年もの間、人類の革新のための基礎素材であり続けてきました。.
古代文明から現代の最先端テクノロジーまで, 銅の多用途性, 導電率, 耐久性の高さから欠かせないものとなっています.
この投稿では、銅のさまざまなグレードと種類について説明します。, その主要な特性を詳しく調べる, そしてその多様な応用について議論します.
また、次のプロジェクトに適切な銅を選択するのに役立つ選択のヒントも提供します。.
1. 銅とは何ですか?
銅 (銅) 化学記号Cuを持つ金属元素です.
銅は原子番号が 1 の遷移金属元素です。 29 周期表の第 4 周期およびグループ IB に位置します。.
純銅は、表面を切断したばかりの状態では赤みがかったオレンジ色の柔らかい金属です。, 金属光沢のある, 元素が純粋な場合は紫がかった赤色,
良好な延性, 高い熱伝導率, と電気伝導率.
銅またはCu元素は、真鍮や青銅とともに赤い金属のカテゴリーに属します. 銅元素は非鉄で加工性の高い材料です, さまざまな部品を製造するのが簡単です.
鉄、アルミニウムに次いで世界で3番目に多く使用されている金属です。.
世界の銅鉱山と銅含有生産の視点から, ICSGによると, 1月から10月まで 2022,
銅鉱山の生産量で世界の上位3カ国はチリです, ペルー, そしてコンゴ, を説明する 24%, 11%, そして 10% 世界の銅生産量の, それぞれ.
中国の銅鉱山の生産量は世界第4位, を説明する 9%.
2. 製造工程
抽出と精製
- マイニング: 銅は主に露天掘りまたは地下採掘を通じて鉱床から抽出されます。. 主な銅鉱石には黄銅鉱が含まれる (CuFeS2) そしてボルナイト (Cu5FeS4).
露天掘り採掘のアカウントは約 60% 世界の銅生産量の. - 製錬: 採掘後, 鉱石は銅含有量を濃縮するために処理されます. これには粉砕が含まれます, 研削, 廃岩から銅鉱物を分離するための浮遊選鉱.
濃縮物には通常次のものが含まれます 20-30% 銅. - 精製中: 濃縮された銅は精製されて純銅が生成されます。. 主な精製方法は2つあります。:
-
- 乾式冶金製錬: この方法では、濃縮物を炉で加熱して不純物を抽出し、粗銅を生成します。, およそが含まれています 98-99% 銅.
- 電解精製: 粗銅は、硫酸銅の溶液に電流を流すことによってさらに精製されます。, 純銅を陰極に蒸着する.
このプロセスにより、次の純度の銅が得られます。 99.99%.
成形と成形
鋳造
鋳造 溶けた銅を型に流し込み、複雑な形状や部品を作成します。. この方法は複雑なコンポーネントの製造に最適です:
- 砂型鋳造: 溶けた銅を砂型に流し込みます, 冷却して割ると鋳造部分が現れます。.
- ダイカスト: 溶けた銅を高圧で金型に注入します。, 精密で細かい部品の製造が可能.
ローリング
圧延は銅をシートに成形するために使用されます, プレート, そしてストリップ. このプロセスでは、銅を一連のローラーに通過させます。:
- 熱間圧延: 銅を加熱し、ローラーを通過させて厚さを減らし、均一性を向上させます。.
- 冷間圧延: 銅は室温で圧延され、より優れた精度と表面仕上げが実現されます。. 冷間圧延では、次のような薄いシートを製造できます。 0.005 インチ.
描画
伸線は、銅をダイスに引き抜いてワイヤやチューブを作成するために使用されます。:
- 伸線: 銅棒は一連の段階的に小さなダイを通して引き抜かれ、直径が減少します。. このプロセスでは、次のような細いワイヤを製造できます。 0.0005 インチ.
- チューブの絞り: 銅棒をダイを通して引き抜き、さまざまな直径と壁厚のチューブを形成します。.
鍛造
鍛造では、銅をハンマーで叩いたりプレスしたりして目的の形状に成形します。. この方法は高強度用途によく使用されます。:
- 自由鍛造: 銅を2つの平らなダイの間に置き、ハンマーで叩くかプレスして形を整えます。.
- 密閉型鍛造: 銅は特定の形状の金型に配置され、金型のキャビティを満たすためにハンマーで叩くかプレスされます。.
押し出し
押出成形を使用して、特定の断面プロファイルを持つ銅を作成します. このプロセスでは、銅を金型に押し込みます。:
- 直接押出: 銅はラムによって金型に押し込まれます, 希望の形状を作成する.
- 間接押出成形: ダイは銅に押し込まれます, コンテナに入っているもの. この方法はあまり一般的ではありませんが、より複雑な形状を作成できます.
3. 銅の種類とグレード
銅はさまざまな産業で広く使用されている多用途金属です, 他の元素と合金化することでその特性を強化または変更できます。.
特定の用途に適した材料を選択するには、銅の種類とそれぞれのグレードを理解することが不可欠です。.
このセクションでは, 銅の主な種類と製造で使用される最も一般的なグレードについて見ていきます。.
3.1. 純銅 (純銅)
純銅 銅の最高級品であり、導電性が高い場所でよく使用されます。, 高い熱伝導率, 展性が最も重要な要素です.
含まれています 99.9% 銅, 微量の他の元素のみを含む.
純銅の一般的なグレード:
- C11000 (電解タフピッチ銅 – ETP): これは純銅の最も一般的に使用されるグレードです。.
導電性に優れています (約 100% IACS), 電気配線に最適です, 電源ケーブル, および電気機器のコンポーネント.
耐食性や延性にも優れています, さまざまな産業用途に役立ちます.
- C10100 (無酸素銅): 無酸素銅は、酸素分を除去することによりC11000よりも高純度レベルに精製されます。,
高い導電性と耐水素脆性を必要とする高性能用途に最適です。,
真空管などの, ハイエンドオーディオ機器, 繊細な電気システム.
3.2. 銅合金
純銅は多くの用途に役立ちますが、, 銅合金 機械的特性が強化されているため、多くの場合、より実用的です, 強度の向上も含めて, 耐食性の向上, 高ストレス環境でのパフォーマンスの向上.
銅合金は通常、銅と亜鉛などの元素を組み合わせて作られます, 錫, アルミニウム, とベリリウム.
あ. 真鍮 (銅亜鉛合金)
真鍮 銅と亜鉛の合金です. 黄金のような外観で知られています, 優れた機械加工性, 耐食性, 幅広い用途で役立ちます,
配管などの, 電気コネクタ, そして楽器.
- C36000 (快削黄銅): 最も人気のある真鍮合金の 1 つ, C36000 は機械加工に最適で、ねじ部品の製造に広く使用されています。, 継手, とファスナー.
機械加工性が高く、複雑な形状も容易に成形できます。. - C27000 (商業用真鍮): 周囲を含む 30% 亜鉛, この合金は C360 よりも機械加工性が劣りますが、強度のバランスが取れています。, 耐食性, そしてはんだ付けのし易さ.
B. ブロンズ (銅錫合金)
ブロンズ もう一つの重要な銅合金です, 主に銅と錫でできている. 硬さで知られる, 耐食性, そして耐摩耗性, ストレスの高い環境や海洋環境での使用に最適です。.
- C51000 (リン青銅): 少量のリンが含まれています, 強度と耐摩耗性が向上します. 電気接点に広く使用されています, スプリング, とベアリング.
- C61400 (アルミニウム青銅): この青銅合金にはアルミニウムと銅の両方が含まれています, 優れた強度を提供します, 耐食性 (特に海水では), そして耐摩耗性.
船舶用のハードウェアによく使用されます, バルブ, そしてタービンブレード.
C. ベリリウム銅 (銅ベリリウム合金)
ベリリウム銅 ベリリウムを含む高強度銅合金です。 (いつもの 0.5-3%) 銅と一緒に.
優れた導電性を持ち、他の多くの銅合金よりも強度があります。, 高い強度が必要な用途に役立ちます。, 導電率, 耐食性.
- C17200 (ベリリウム銅): これはベリリウム銅の最も広く使用されているグレードです。.
高い疲労強度が要求される用途によく使用されます。, 電気接点など, スプリング, および航空宇宙分野のコネクタ, 自動車, および産業機械. - C17000 (ベリリウム銅, 高強度): C17200よりさらに強度が高く、精密機器などに使用されるグレードです。, 軍事用途, そして高性能スプリング.
D. アルミニウム青銅 (銅アルミニウム合金)
アルミニウム青銅 銅とアルミニウムを組み合わせて、通常の青銅よりも強力で耐腐食性の高い合金を形成します。.
優れた耐摩耗性と耐疲労性で知られています, 高ストレスの用途に適しています.
- C95400 (アルミニウム青銅): までを含む 11% アルミニウム, この合金は海洋用途に使用されます, 油圧シリンダー, とベアリング.
- C95800 (高強度アルミニウム青銅): 航空宇宙産業や自動車産業などの高応力部品に使用される高強度アルミニウム青銅.
3.3. その他の銅合金およびグレード
あ. 銅ニッケル合金
銅ニッケル合金は、海水やその他の過酷な環境における耐食性で知られています。.
これらの合金は海洋用途で使用されます, 淡水化プラント, および化学処理装置.
- C70600 (90/10 銅ニッケル): この合金には次のものが含まれています 90% 銅と 10% ニッケル. 海洋環境の熱交換器によく使用されます。, コンデンサーチューブ, および海水配管.
- C71500 (70/30 銅ニッケル): ニッケルの含有率が高い, この合金は、他の合金よりも優れた強度と耐食性を備えています。 90/10 合金であり、より要求の厳しい海洋および産業用途で使用されます。.
B. 銅鉛合金
これらの銅合金には、機械加工性を向上させるために少量の鉛が添加されています。. 容易な機械加工が必要な部品の製造によく使用されます。, ブッシュなどの, ベアリング, そして歯車.
- C93200 (有鉛錫青銅): この合金には鉛と錫が多く含まれています, 高耐荷重用途に最適です, ブッシュやベアリングスリーブなど.
3.4. 適切な銅グレードの選択方法
適切な銅グレードの選択は、いくつかの要因に依存します。:
- 申請要件: 必要な機械的特性を考慮する, 強さなどの, 耐食性, と導電性.
電気部品用, C11000のような高導電性銅が理想的です, 高強度用途向け, ベリリウム銅合金 (C17200) より適切かもしれません. - 環境条件: 部品が海水にさらされることはありますか, 高温, または腐食性物質?
アルミニウム青銅 (C95400) または銅ニッケル合金 (C70600) そのような環境にはより適しています. - コストに関する考慮事項: 純銅 (C11000) 合金よりも高価になる可能性があります, しかし、その高い導電性により、電気用途には不可欠です.
一方で, 真鍮または青銅合金は、汎用用途にはよりコスト効率の高いオプションを提供する可能性があります。. - 被削性: 加工しやすい材質が必要な場合, C36000のような快削黄銅が良い選択です, 機械加工性が高いため.
4. 銅の主な特性
銅のユニークな特性により、銅はさまざまな業界で非常に貴重な素材となっています. これらの特性を理解することは、特定の用途に適した銅の種類を選択するために重要です。.
ここ, 銅の化学的および物理的特性を詳しく調べます.
化学的性質
耐食性
- 自然な緑青の形成: 銅の最も注目すべき化学的特性の 1 つは、保護的な緑青を形成する能力です。.
空気や湿気にさらされた場合, 銅は炭酸銅と硫酸銅の緑色の層を生成します.
この緑青はバリアとして機能します, さらなる腐食の防止. 緑青の形成には数年かかる場合があります, 環境条件に応じて. - 水と酸に対する耐性: 銅は水と反応しない, 配管や給水システムに最適です。.
しかし, 硝酸や硫酸などの強酸と反応する可能性があります, 強塩基も同様に.
銅は一般に、ほとんどの非酸化性の酸やアルカリに対して耐性があります。, さまざまな環境下での耐久性を高めます.
反応性
- 酸化: 銅は空気に触れると酸化する可能性があります, 酸化銅の層を形成する (CuO).
この酸化は他の金属と比べて遅く、材料の完全性に大きな影響を与えません。. - ガルバニック腐食: 電解液の存在下で銅がアルミニウムや鋼などのより活性な金属と接触した場合 (例えば, 塩水), 電気腐食が発生する可能性があります.
これを防ぐには, 適切な断熱材を使用するか、互換性のある材料を使用することをお勧めします。.
環境の安定性
- 大気および海洋環境: 銅は、大気環境および海洋環境に対する自然な耐性により、屋外および海洋用途に適した材料となっています。.
空気に長時間さらされても耐えられます, 雨, 海水でも大きな劣化はありません.
物理的特性
密度
- 価値: 8.96 g/cm3
- 意義: 銅の密度は比較的高い, これは、航空宇宙などの重量に敏感な用途では不利になる可能性があります。.
しかし, この特性は、他の多くの用途における安定性と構造的完全性にも貢献します。.
融点
- 価値: 1,085℃ (1,984°F)
- 意義: 銅は融点が高いため、高温用途に適しています, 熱交換器や炉など.
高温でも構造の完全性と導電性を維持できます。.
熱伝導率
- 価値: 385 W/m・K
- 意義: 銅は金属の中でも最も高い熱伝導率を持っています, シルバーに次ぐ.
この特性により、効率的な熱伝達が必要な用途に最適です。, 冷却システムなど, 熱交換器, そして調理器具.
熱を素早く放散できる, これらのシステムのパフォーマンスと効率を向上させる.
電気伝導率
- 価値: 59.6 × 10^6 S/m
- 意義: 銅の高い電気伝導率は、銅の最も重要な特性の 1 つです.
電気配線に広く使用されています, プリント基板 (プリント基板), および電子部品.
最小限の抵抗で電気を伝導する銅の能力により、効率的で信頼性の高い電気システムが保証されます.
延性と展性
- 延性: 銅を切断せずに細い線に引き抜くことができる. この特性は電線やケーブルの製造に非常に重要です。, 柔軟性と強さを必要とするもの.
- 展性: 銅は壊れることなく、叩いたり丸めたりして薄いシートにすることができます.
この特性により銅板の製造が可能になります。, プレート, およびその他の薄いコンポーネント, さまざまな成形および成形プロセスに多用途に使用できます。.
熱膨張
- 価値: 16.5 μm/m・℃ (20℃から100℃まで)
- 意義: 銅は適度な熱膨張係数を持っています, つまり、温度変化に応じて膨張したり収縮したりするということです。.
応力や潜在的な故障を防ぐために、温度変化が大きいアプリケーションではこの特性を考慮する必要があります。.
磁気特性
- 非磁性: 銅は磁性を持ちません, これは、磁気干渉を最小限に抑える必要があるアプリケーションに有益です。, 電子機器や医療機器など.
5. 銅の長所と短所
利点
- 優れた電気伝導性と熱伝導性: 銅は導電性が高いため、電気配線に最適です, 熱交換器, および冷却システム.
くらいで使われています 70% あらゆる電気配線の. - 耐食性: 銅の自然な耐腐食性により、コンポーネントの耐久性と耐久性が保証されます, 特に大気環境や海洋環境では.
- 展性と延性: 銅はさまざまなコンポーネントに簡単に成形できるため、多くの用途に多用途に使用できます。.
- リサイクル性: 銅は 100% 品質を損なうことなくリサイクル可能, 環境に優しい素材になります.
銅をリサイクルすると最大で節約できます 85% 新しい銅の採掘と精製に必要なエネルギー.
短所
- 高コスト: 銅は他の代替材料よりも高価です, プロジェクトコストが増加する可能性がある. 銅の価格は市況により大きく変動する可能性があります.
- 重さ: 銅は他の材料より重い, これは、航空宇宙などの重量に敏感な用途では不利になる可能性があります。.
- 柔らかさ: 純銅は比較的柔らかく、高い応力がかかると変形する可能性があります。, 強度を高めるために合金化が必要.
6. 銅の用途
電気および電子応用
- 配線とケーブル: 銅は導電性が高いため、電気配線や電力ケーブルに推奨される材料です。. 住宅で使用されています, コマーシャル, および工業環境.
- プリント基板 (プリント基板): 銅は電子回路の導電性トレースに不可欠です, 最新のエレクトロニクスの小型化と高性能化を可能にする.
- コネクタと端子: 銅はさまざまなデバイスに信頼性の高い電気接続を提供します, 家電製品から産業機械まで.
建設と建築
- 屋根と外壁材: 銅の耐久性と美的魅力により、屋根や外装材として人気があります。. それは長続きする可能性があります 100 最小限のメンテナンスで何年も.
- 配管と配管: 銅は腐食やバクテリアに対する耐性があるため、給水システムに最適です. 住宅用と商業用の両方の配管に使用されています.
- 装飾要素: 銅はその美しさから建築の細部やインテリアデザインに使用されています, 空間に優雅さと暖かさを加えます.
産業用途
- 熱交換器: 銅は熱伝導率が高いため、HVAC システムや産業プロセスの熱交換器に最適です。.
効率よく熱を伝えることができる, エネルギー効率の向上. - ポンプとバルブ: 銅の耐食性と耐久性はさまざまな産業機器に適しています, ポンプとバルブを含む.
- 船舶用機器: 銅は海水腐食に対する耐性があるため、ボートの船体に適した材料です。, プロペラ, および船舶用ハードウェア.
生物付着を防ぎ、海洋部品の寿命を延ばします。.
消費者向け製品
- 調理器具: 銅の優れた熱分布と美的魅力により、鍋として人気があります。, 鍋, そしてキッチン用品.
均一な調理を保証し、キッチンに高級感を与えます。. - ジュエリー: 銅は展性があり、複雑なデザインを形成できるため、ファッション アクセサリーの素材として人気があります。.
ユニークで美しい作品を作成するために他の金属と組み合わせて使用されることがよくあります。. - 楽器: 銅は音響特性と耐久性のために金管楽器に使用されます. 楽器の豊かな響きと寿命に貢献します。.
7. プロジェクトに適切な銅を選択する方法
最適なパフォーマンスを確保するには、プロジェクトに適した銅の種類を選択することが不可欠です, 耐久性, そして費用対効果.
ニーズに最適な銅材料を選択する際の重要な考慮事項を以下に示します。:
必要な主要なプロパティを決定する
さまざまな種類の銅がさまざまな特性に優れています. プロジェクトに必要な重要なプロパティを理解すると、選択肢が絞り込まれます.
- 電気伝導率: 配線などの用途に, コネクタ, および電気システム,
高純度銅 (C11000 ETPのような) または無酸素銅 (C10100) 優れた導電性により理想的です. - 耐食性: プロジェクトが湿気にさらされる場合, 化学薬品, または塩水,
アルミニウム青銅のような銅合金を検討してください (C95400) または銅ニッケル (C70600) 優れた耐食性のため. - 強度と耐久性: 高ストレス用途向け, 重機や航空宇宙部品など,
ベリリウム銅 (C17200) 強度と耐摩耗性を両立, 耐久性のある選択肢となる. - 熱伝導率: 熱交換器や効率的な放熱が必要なその他のコンポーネントに最適, C11000などの高純度銅グレードを選択してください.
環境条件の評価
銅材料が使用される環境は重要な要素です:
- 海洋環境: 銅ニッケル合金 (C70600およびC71500) 海水腐食に対する耐性が高い,
造船に最適です, 淡水化プラント, および海洋機器. - 高温用途: 一部の合金, アルミニウム青銅のような, 高温でも強度を維持する, 航空宇宙および工業炉のコンポーネントに有益です.
- 腐食性化学物質: 過酷な化学物質にさらされる用途向け, リン青銅 (C51000) およびアルミニウム青銅は優れた耐性を提供します.
製造要件を考慮する
選択した銅材料は、目的の製造プロセスに適合する必要があります。:
- 被削性: プロジェクトに大規模な機械加工が必要な場合, 快削黄銅 (C36000) 成形と加工が容易なため、優れた選択肢です。.
- 成形性: 深絞り加工を伴うプロジェクト向け, スタンピング, または曲がる, 延性の高い銅合金を選択する, アルミニウム青銅やリン青銅など.
- 鋳造または鍛造: キャストが必要な場合, C93200のような合金 (鉛青銅) またはアルミニウム青銅はこのプロセスで優れた性能を発揮し、過酷な用途向けに耐摩耗性が向上します。.
コスト制約の評価
材料の選択には予算が重要な役割を果たします:
- 高純度銅: 高純度の銅でありながら、 (C11000, C10100) 優れた導電性を提供します, 通常、それらはより高価です.
導電性を損なうことができない重要な電気用途に最適です。. - コスト効率を高める合金: 黄銅合金, C27000など, 優れた耐食性と強度を低コストで提供します,
配管に適したものにする, 装飾金具, および重要でないコンポーネント.
特定の業界標準との一致
多くの業界では、信頼性とパフォーマンスを確保するために、銅および銅合金に対する特定の規格を設けています。.
プロジェクトが特定の基準を満たす必要があるかどうかを確認する, ASTM や SAE など, これらのガイドラインは、業界固有の要件に基づいて特定の銅グレードを推奨することが多いためです。.
寿命とメンテナンスの必要性
メンテナンスの手間が少なく、耐久性が高いコンポーネントに最適:
- 耐摩耗性: ベリリウム銅 (C17200) 繰り返しの動きや応力に耐える部品に最適です。, スプリングやコネクタなど, 優れた耐摩耗性により.
- 腐食防止: 銅ニッケル合金は、寿命が長く、過酷な条件下でのメンテナンスの負担が少ないため、海洋用途でよく選ばれます。.
9. 結論
銅 豊かな歴史と有望な将来性を備えた多用途かつ不可欠な素材です.
優れた電気伝導性と熱伝導性, 耐食性, 展性があり、幅広い用途に適しています。.
銅の種類を理解することで, 彼らの特性, そして製造工程, 情報に基づいた意思決定を行って、プロジェクトに適切な銅を選択できます.
このガイドが銅とその応用についての貴重な洞察を提供することを願っています。.
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