標準と特性: 銅の冶金学

ウィリアム D. ニールセン ジュニア著 Western Reserve Manufacturing Co., Inc.

銅合金の基本特性は銅そのものの特性に大きく影響されます。 銅は、ベアリング用途に最適なエンジニアリング材料となる特定の独特の品質を備えていることが知られています。 これらは：

上記の 3 つの性質はすべて、原子スケールでの銅の構造と挙動に直接関係しています。

固体銅は、銅原子が面心立方（fcc）構造で配置されたものとして説明できます。 図に示すように、立方体の各面の各隅と中心に銅原子が見つかります。図1 。 これは、金属の結晶構造を構成するために 3 次元空間で繰り返される単位胞です。

原子は、原子間の原子引力のエネルギーによって構造内の所定の位置に保持されます。 銅に高い延性と靭性を与えるのは、この特殊な原子の面心立方配置です。 すべての金属は滑りと呼ばれる機構によって変形します。 滑りが発生すると、金属にかかる力により、原子がグループになって互いに滑りながら通り過ぎます。 銅の fcc 構造では、この移動は、図に示すように、格子内の原子の特定の幾何学的平面に沿った 3 つの方向のいずれかまたはすべてで優先的に発生します。図2。

銅の電子構造と結晶構造の組み合わせにより、優れた耐腐食性が得られます。 自由電子雲は、金属表面上に凝集性の膜を形成するために容易に利用でき、格子をさらなる腐食から保護します。

すべり面を生成する fcc 構造は、まさにこれらの面に別の特性を与えます。 すべり面上の原子は、あらゆる金属系で可能な限り密集して詰め込まれています (図2 ）。 この原子の効率的な配置により、与えられた空間に最も多くの物質が詰め込まれます (ミツバチが蜂の巣を作るときにそれを知っているようです)。 最も攻撃的な環境を除いて、水素イオンが原子間の小さな空間を通過して応力腐食割れを引き起こすことは非常に困難です。

鋳造青銅のベースメタルである銅が、原子スケールで見ると、どのようにして優れた軸受材料に重要な特性を与えるのかを見てきました。 しかし、ベアリングは純銅で作られているのではなく、現在入手可能な幅広い銅合金で作られています。 これらの合金はそれぞれ、純銅の性能を向上させ、新しい材料を特定の環境にさらに適応させます。 材料の冶金学とベアリング設計におけるその目的に関して、より一般的な合金システムのいくつかを調べてみましょう。

鋳造青銅の軸受グレードは冶金学的に 3 つのカテゴリに分類できます。

さまざまな合金の性能を理解するには、少量の合金金属を添加したときに基本的な銅の構造に何が起こるかをまず理解する必要があります。 反応は、合金が凝固し、溶融状態から冷却されるときに発生します。

簡単に言えば、通常の fcc 銅格子に対する合金金属の最終的な配置が合金材料の特性を決定します。

合金金属は、次の 3 つの基本的な方法で銅格子内に配置されます。

研究の結果、単純な二元合金系がどのように反応するかをグラフで表現することができました。 この表現は相図と呼ばれます。 青銅に関連するいくつかの二元系の状態図は、通常、前述の 3 つのケースのいずれかをもたらす合金元素の挙動を示しています。 銅と錫の平衡状態図 (図3)はケース(1)と(2)を示しています。

このような単相商用合金の例は合金 C90300 で、その特性は以下の表で銅と比較されています。

錫の含有量が 11% 以上に増加すると、金属が 400°C 以下に冷えるにつれてアルファ相の一部が変態します。 新しい相が現れ、通常の fcc アルファ結晶全体に点在します。 デルタと呼ばれるこの相は、かなり急速に冷却することで材料内に保存できます (図5）。

デルタ相 (基本的には fcc ですが) には、アルファ相に比べて銅に比べてはるかに多くの錫が含まれており、非常に硬くて強いですが、延性があまりありません。 最良の条件下では、材料の微細構造全体に細かく分散した島として現れます。 この第 2 段階の滑り機構への影響は劇的であり、小さな動きの後に滑り面を固定する効果があります。 しかし、デルタ相は、硬度の大幅な増加によって示されるように、材料の耐摩耗性も大幅に向上させます。 一般的なアルミニウム青銅合金 (C95400 および C95500) とマンガン青銅 (C86300 および C86400) は、役割は異なりますが、同様の方法で高い強度と硬度を獲得します。 それにもかかわらず、これらの特性は、基本的な fcc 格子内の別の相 (または複数の相) の分散の結果であり、ほぼすべての場合、分散相は周囲のマトリックス材料のバルクよりもはるかに硬く、強度が高くなります。 材料内のこれらの「設計された不連続部」は、滑り面を固定し、その動きを制限する役割を果たします。

これらの材料は多相合金として知られており、アルファ合金よりも高い強度、硬度、耐摩耗性を特徴としています。 しかし、以下の表に示すように、延性ははるかに低くなります。 その結果、寸法の完全性が最も重要な操舵面部品や、航空機の着陸装置ベアリングなど、低速での重荷重や衝撃荷重に最適です。

多相合金の追加の特徴は、その特性が単相材料と比較して温度によって大幅に変化する可能性があることです。 このような合金は多くの場合、熱処理が可能です。 平衡状態図に示されているように、平衡状態を「短絡」することによって合金の微細構造を操作することにより、鋳放し状態では存在しない特定の特性を得ることができます。

いずれの場合も、大量の鉛を含まない多相材料は、それ自体が熱処理によって硬化された鋼の合わせ面に対する軸受としてのみ使用されるべきです。 アルミニウム青銅またはマンガン青銅の用途の場合、シャフトをクロムメッキするか、製鋼ロールに使用されるものと同様のバイメタル材料で作ることが推奨されることがよくあります。

現在では、鉛含有量が 30% を超える銅ベースの材料を製造することが可能であり、鉛粒子のサイズは顕微鏡レベルです。 一方、軸受の用途において、より大きな鉛粒子がより望ましいことが示されている場合は、その形状で合金を製造することも可能です。

鉛は 3 つの重要な軸受機能を果たし、そのすべてがシャフトを保護し、機械の性能を向上させるのに役立ちます。 最も重要なのは、ベアリングとシャフトの間の摩擦係数を減少させる鉛粒子の能力です。 これを実現するメカニズムは非常に興味深いものです。 鉛粒子は、シャフト表面の微細な粗いエッジによってベアリング表面から自由に削り取られます。 スチールシャフトは鉛で覆われ、徐々に再分布してシャフトの低い部分を埋めます。 これが達成されると、以下の表に示されているように、摩擦係数は再びわずかに上昇します (参考 4)。 これと同じ現象には、ベアリングと嵌合部品の間の接触点で発生する温度がリード 327 の溶融温度によって制限されるというさらなる利点があります (C)。 明らかに、有鉛合金のこの特性は、潤滑がない場合 (計画的または偶発的)、または機械の動作環境自体が極端な温度にさらされる場合 (航空機や北極油田設備など) に非常に価値があります。

鉛の 2 番目に重要な機能は、界面に侵入する汚れを吸収することですが、この問題は可能な限り適切にシールされたベアリングの設計によって回避できます。

第三に、鉛を含む合金は、無鉛の銅-錫合金よりも強度が若干低く、銅-アルミニウムまたは銅-亜鉛合金よりもはるかに強度が低いため、高度の適合性を示します。 つまり、軸受はその形状を調整して、位置合わせの不良や振動を許容します。 この特性と、前述の特性を組み合わせると、有鉛合金は非常によく「摩耗」し、一例を挙げると、ウォーム ギアにとって特に望ましい特性であると言えます。 鉛を含む青銅も容易に機械加工できます。

技術者は、これらの合金は無鉛材料ほど強くはなく、衝撃やその後の破損につながる疲労に対しても優れた耐性を示さないことを自分自身に思い出させる必要があります。 ただし、これらの合金の「柔らかさ」により、ベアリングが完全に破損してもシャフトが破壊されたり、機械が固着したりする可能性は低いということを考慮すると安心できます。

鉛粒子を鋳造する適切なマトリックスを選択することにより、エンジニアは、以下の表に示すように、中程度から軽度の負荷および高速に対応できるかなり広範囲の材料強度から選択できます。 値は直径 3 インチ未満の連続鋳造のものです。

ここで、より重要な工学的特性のいくつかを比較する 2 つの表を使用して、軸受青銅合金ファミリーを確認してみましょう。表1化学組成と用途特性をまとめています。表2は、これらの材料のより一般的な用途と、それらが最もよく使用されるアプリケーション環境におけるその性能品質を示します。

表に示されている合金はすべて、本質的に、これまでに説明した基本的な材料のバリエーションです。 場合によっては、機械加工性を向上させるために鉛が添加されている場合があります (C92500 対 C90700)。 おそらく、強度や耐食性を高めるためにニッケルが添加されているのでしょう (C95500 対 95400)。 特定の構造を安定化させるために、マンガンと鉄の含有量を変えることができます (C86300 対 C86400)。 経済性を考慮して錫の代わりに亜鉛が使用された可能性があります (C90500 対 C90700)。 一般に入手可能なスクラップ材料から 1 つの合金 (C83600 および C93700 からの C93200) が作成され、おそらく現在最も広く使用されている軸受合金です。 それは非常に良い妥協案です。 それにもかかわらず、それぞれの素材には、特定の評価に最も適した一連の固有の特性があります。

合金材料の相対的な経済性について少し述べておきます。 すべての合金コンポーネントは世界市場の影響を受けており、その価格レベルは供給、需要、政府の規制、投機的利益によって決定されます。 これらのコンポーネントの世界市場の変動は、最終的には合金の複合金属コストに影響し、使用を中止するときの材料のスクラップ価値にも影響します。表3は、これが書かれた時点での、銅と主要な合金材料のおおよその一般的な相対値を示しています。

軸受グレードの銅合金は、さまざまな製造方法で製造されたさまざまな形で入手できます。 キャストの製造方法をまとめると、表4。

砂型または冷却型での鋳造は、非常に少量の生産または非常に小さな部品に最適な理想的な製造方法であり、船舶のプロペラなどの非常に大きな部品では必須となる場合もあります。

議論した合金はすべてこれらの形態で入手可能ですが、鉛含有量が 16% に近づくと深刻な鉛偏析の問題が発生する可能性があります。 幅広いサイズや複雑な形状の鋳造が可能です。 配管金物材料として人気の高いレッドブラスは、主に弁体や継手がこの方法で生産されています。

繰り返しになりますが、鉛含有量が 20% に近い高鉛錫青銅を除いて、すべての対象合金は遠心鋳造法によって容易に製造されます。 鉛の偏析の問題は、鋳物のサイズに影響されます。 非常に大きなブッシュはこの方法で製造されます。 おそらく、外径 14 インチを超え、外径約 100 インチまでのほとんどのブッシングは遠心鋳造であると考えられます。 このような鋳物は、100 インチを超える長さで製造することもできます。それにもかかわらず、小型の遠心鋳造品も大量生産品です。 大型のフランジ付きベアリングやギアブランクの多くは、この方法で製造されています。 生産量に左右されますが、少量生産であれば非常に経済的です。 仕入れ販売業者は、主に標準サイズ、特に合金 C95400 および C93200 の半完成遠心鋳造品の在庫を維持しています。

すべての合金は連続鋳造棒材として利用できます。 鉛の偏析は通常は問題になりません。 特に合金が C95400、C95500、または C86300 の場合、製造時や使用時にクリアランスや公差が失われるのを防ぐために、壁が非常に薄い特定の鋳造品の応力を緩和する必要がある場合があります。 幅広いサイズのソリッド、チューブラー、オーダーメイド断面バーストックをご用意しています。 直径は、外径 0.500 インチ未満から最大約 14 インチまでの範囲で、長さは最大約 13 フィートです。外径によっては、1/4 インチ未満の非常に薄肉のバーを製造することも可能です。これらの製品は、自動工作機械を使用したさらなる製造に最適です。

大量の連続鋳造製品はかなり経済的ですが、特に合金 C95400、C93200、および C90300 に関しては、この負担の多くを在庫販売業者が吸収します。

鍛造リン青銅合金 (C51000、C52100、C52400、C54400) は、ベアリング用途に使用されることがあります。 これらの合金は、焼きなまし焼き戻しの連続鋳造品としても利用できます。 鍛造リン青銅は通常、外径約 3 インチ以下に制限されます。 C54400 は入手可能な鉛含有量が最も高く、約 4% です。 鉛含有量が高い合金を押し出したり圧延したりすることはできません。

アルミニウムおよびマンガン青銅合金にも同等の鍛造品があります。 鍛造合金は、押出、引き抜き、圧延、鍛造のいずれかによって厳しく加工され、非常に強力な機械的特性を備えており、航空宇宙用途で広く使用されています。 これらの合金の一部は溶接材料として使用されます。 これらの合金はさまざまな押出形状でも入手できますが、入手できる種類は数量によって大きく異なります。 アルミニウム青銅の連続鋳造と同様に、鋳造合金の熱処理により、鍛造材と同様の機械的特性が得られます。 一般に、精錬製品を経済的にするには大量の生産量が必要ですが、在庫販売業者は少量のエンドユーザーのためにこの負担を引き受けてきました。

一部のメーカー、および多くの在庫販売代理店およびベアリング ハウスは、特に合金 C93200 の標準仕上げブッシュの在庫を保有しています。 これらの部品は大量生産されており、容易に入手できます。

多くの機械工場はベアリングの製造、特に非標準設計や重要なオーダーメイド合金の製造を専門としています。 これらのショップは高度なマシニングセンターを運用しています。 入手可能な最高級の設備を使用することで、最高レベルの精度で部品を製造し、高水準の材料品質管理を維持できます。 このような施設は、OEM 施設や、独自のベアリングを製造しないことを選択した大企業のメンテナンス部門にサービスを提供します。 彼らは経済的なサービスを提供し、特定の軸受の製造に最適な軸受グレードの合金の技術と供給源について十分な知識を持っています。

冶金工学は、非常に科学であると同時に、非常に芸術でもあります。 優れた材料設計には、合金元素が銅のベースメタルに与える特性に関する研究、豊富な経験、および幅広い理解が不可欠です。 同様に重要なのは、材料、部品の製造、最終用途の機械の操作に関連する経済性を理解することです。 銅、真鍮、青銅の優れた特性は、信頼性の高い性能、一般的な入手可能性、経済的な品質を通じてあらゆる産業に恩恵をもたらしてきました。