機械部品の熱処理・表面処理基礎講座
機械部品にはいろいろありますが、その多くは熱処理によって機械的性質を制御されています。さらに表面処理を適用すれば、表面には新たな特性が追加されて高性能・長寿命化は当然であり、付加価値も飛躍的に高まります。
本講座(全8章50講座)では、機械部品に用いられている金属材料(主に鉄鋼材料)の種類と、それらに適用されている熱処理(焼なまし、焼入れなど)および表面処理(浸炭・窒化処理、めっき、PVD・CVDなど)について、概略と特徴を紹介します。
第5章 非鉄金属とその熱処理

5-2 銅合金とその熱処理

銅は有色金属で色合いが美しく、切削加工や塑性加工が容易で、しかも鋳造性も良好なため、鉄よりも遥かに古くから使用されています。とくに熱伝導性や電気伝導性も良好ですから、現在でも電気工業用には欠かせない金属で、鋳造材(鋳物)と展伸材(棒材、板材、線材など)があります。

(1) 銅および銅合金鋳物

銅および銅合金鋳物は、JISの記号はCAC(Copper Alloy Castingの頭文字)で表示し、純銅、黄銅、青銅など種々の合金鋳物が規定されています。CACの記号に続けて3桁の数字で合金の種類を分類しています。

合金の種類としては、100系から800系まであり、最初の数字が合金系を示し、最後の1桁の数字によってさらに細分類しています。表1にその種類と主な用途を示すように、電気部品から機械部品にいたるまで広範囲の分野で使用されています。一般には砂型鋳造、金型鋳造、遠心鋳造または精密鋳造によって造られていますが、連続鋳造法によって造られる例も多いため、JIS H 5121においては銅合金連続鋳造鋳物として規定しています。この場合の記号は、3桁の数字の後ろにC(Continuous:連続)を付記して、一般の鋳造品とは区別しています。例えば、高力黄銅連鋳鋳物としてSAC301C、SAC302C、SAC303CおよびSAC304Cの4種類があり、一般の高力黄銅鋳物よりも強さや硬さが優れています。

表1 銅および銅合金鋳物の分類と主な用途

合金記号 合金の種類 合金系 主な用途
CAC100系 銅鋳物 純Cu系 羽口、電気用ターミナル、一般電気部品、一般機械部品
CAC200系 黄銅鋳物 Cu-Zn系 電気部品、一般機械部品、給排水金具、計器部品 
CAC300系 高力黄銅鋳物 Cu-Zn-Mn-Fe-Al系 船舶用プロペラ、軸受、軸受保持器、スリッパー、弁座
CAC400系 青銅鋳物 Cu-Sn-Zn-(Pb)系 軸受、ポンプ部品、バルブ、羽根車、電動機器部品
CAC500系 りん青銅鋳物 Cu-Sn-P系 歯車、スリーブ、油圧シリンダ、一般機械部品、ギヤ
CAC600系 鉛青銅鋳物 Cu-Sn-Pb系 シリンダ、バルブ、車両用軸受、中高速・高荷重用軸受
CAC700系 アルミニウム青銅鋳物 Cu-Al-Fe-Ni-Mn系 船舶用プロペラ、軸受、バルブシート、化学用機器部品
CAC800系 シルジン青銅鋳物 Cu-Si-Zn系 船舶用ぎ装品、軸受、歯車、水力機械部品
(2) 銅および銅合金展伸材

銅および銅合金展伸材は種類が多く、しかも加工性が優れているためアルミニウムと同様に、板や条、棒や線、管など種々の形状のものが造られています。JISの記号はCで表示し、それに続けて4桁の数字によって合金の種類を分類しています。合金の種類としては、1000系、2000系、3000系、4000系、6000系、および7000系があり、最初の数字が合金系を示し、そのあとの3桁の数字によってさらに細分類しています。なお、4桁の数字の後に材料の形状を表す記号が付記されています。例えば、板(Plate)にはP、線(Wire)にはW、管(Tube)にはTの記号を付記します。

表2に銅および銅合金の分類と用途を示すように、多種多様のものが使い分けられています。銅合金を代表する黄銅(Cu-Zn合金)は真鍮とも呼ばれ、塑性加工性が容易であり、機械的性質が優れていることから、種々の分野で使用されています。黄銅は図1(JIS H 0500より)に示すように、冷間加工によって硬化しますが、そのときの残留応力や外的な引張応力に起因して、時期割れを生じることがあります。これは応力腐食割れといわれるもので、アンモニアを含む環境ではとくに発生しやすい現象です。この応力腐食割れの防止には、450~500℃で加熱して応力除去することが有効です。

表2 銅および銅合金(展伸材)の分類と主な用途

合金記号 合金の名称 合金系 主な用途
C1020 純銅   無酸素銅 純Cu   電気用、化学工業用
C1100 タフピッチ銅 電気用、建築用、化学工業用、ガスケット、器物
C12・・ りん脱酸銅 風呂釜、湯沸器、ガスケット、建築用、化学工業用
C2100~C2400 黄銅      丹銅 Cu-Zn  建築用、装身具、化粧品ケース
C26・・~C28・・ 黄銅 端子コネクター、配線器具、深絞り用、計器盤
C35・・~C37・・ 快削黄銅 Cu-Zn-Pb 時計部品、歯車
C4250 すず入り黄銅 Cu-Zn-Sn-P スイッチ、リレー、コネクター、各種ばね部品
C4430 アドミラルティ黄銅 Cu-Zn-Sn  熱交換器、ガス配管用溶接管
C46・・ ネーバル黄銅 熱交換用管板、船舶海水取入口用
C61・・~C63・・ アルミニウム青銅  Cu-Al-Fe-Ni-Mn 機械部品、化学工業用、船舶用
C70・・、C71・・ 白銅  Cu-Ni-Fe-Mn 熱交換器用管板、溶接管
図1 C2680R(黄銅:厚さ0.7mm)の加工硬化曲線

図1 C2680R(黄銅:厚さ0.7mm)の加工硬化曲線

ばね用銅合金としては、JIS H 3130にベリリウム銅、チタン銅、リン青銅および洋白が規定されています。その中でも、ベリリウム銅は引張強さ、耐摩耗性、ばね特性、導電性が優れていますから、各種ばねや軸受などに用いられています。ただし、ベリリウム銅をばねとして用いる場合には、熱処理によって硬さや引張強さを高めます。すなわち、ばねに用いる場合には、800℃位で溶体化処理し、そのままもしくは冷間加工した後に300~500℃で2~3時間の時効処理を行います。一例として、表3にC1720の時効処理前後の機械的性質(JIS H 3130)を示すように、時効処理によって1000MPa以上の引張強さが得られます。

表3 ベリリウム銅(C1720)の時効処理前後の機械的性質

質別 引張試験 硬さ試験
厚さ(mm) 引張強さ(Mpa) 伸び(%) 厚さ(mm) ビッカース硬さ(HV) 
時効処理前 時効処理後 時効処理前 時効処理後 時効処理前 時効処理後
O(軟質) 0.10以上 410~540 1100以上 35以上 3以上 0.10以上
1.6以下
90~160 325~400
1/4H 510~620 1180以上 10以上 2以上 145~220 350~430
1/2H 590~695 1240以上 5以上 180~240 360~440
H 685~835 1270以上 2以上 210~270 380~450

時効処理温度:315±5℃

執筆:仁平技術士事務所 所長 仁平宣弘

『機械部品の熱処理・表面処理基礎講座』の目次

第1章 機械部品に用いられる材料

第2章 鉄鋼製品に実施されている熱処理の種類とその役割

第3章 機械構造用鋼の焼入れ・焼戻し

第4章 ステンレス鋼とその熱処理

第5章 非鉄金属材料とその熱処理

第6章 機械部品に対する表面処理の役割

第7章 機械部品を対象とした主な表面処理

第8章 機械部品の損傷と調査法

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