銅の基礎
ものづくり基礎講座（第28回技術セミナー）『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』

東北大学金属材料研究所
正橋直哉、千星聡

masahasi@imr.tohoku.ac.jp, semboshi@imr.tohoku.ac.jp
2012. Feb. 8 14:00~16:10

クリエイション・コア東大阪 北館3階 309号室
1

Cuの生産国
クラーク数：0.01（25位）
埋蔵量：6億5千万t
生産量：1534万t（2008年）

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

80万t

73万t

60万t
86万t
5.13% 4.68%3.85% 51万t
89万t
5.51%
3.27% 48万t
5.71%
3.08%
100万t
2.05%
1.28%
1.09%
6.41%
0.83%
120万t

7.69%

13.78%

556万t

35.64%

チリ
アメリカ
ペルー
中国
オーストラリア
インドネシア
ロシア
カナダ
ポーランド
ザンビア
メキシコ
ブラジル
パプアニューギニア
モンゴル国
その他

2007年統計

http://resource.ashigaru.jp/copper.html① Cu資源はチリを中心とした南米と北米が主産だが、アジア、オセアニアでも産出② 副産物として得られるMoの生産量も世界第三位（2010年）③ 銅地金は2002年まで1トンあたり1500ドル台で推移したが、2004年から上昇し、20011年2月、9880ドルの史上最高値をつけた

Cuの用途先銅鐸

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

梵鐘

銅鏡

リードフレーム

電子部品

水冷ヒートシンク

ヒータープレート

圧縮端子

仏像

銅剣

耐孔食性被覆銅管

水熱交換器

ろう材

貨幣

抗菌銅生地

銅イオン発生器

調理道具

シュガーポット・クリーマー

マグカップ

Cuの代表的用途：貨幣
硬貨

500円

組成

Cu-20%Zn8%Ni

名称

ニッケル黄銅（Cu-Ni-Zn）

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

100円

50円

10円

5円

Cu-25%Ni

Cu-(3-4)%Zn-(1-2)%Sn

Cu-(30-40)%Zn

白銅（Cu-Ni)

青銅（Cu-Sn）

黄銅（Cu-Zn）

画像2000年より1967年より1967年より1959年より1959年より

重量

7g

4.8 g

4g

4.5 g

3.75 g枚数

4,823,234,000

11,496,234,000

4,750,839,000

30,885,634,000

14,145,139,000

Cu量24310 ton

41386 ton

14253 ton

132036 ton

34479 ton

1999年まで白銅

1959年よりAg30％Cu-10%Zn

1959年よりNi

1950-1年に洋白

備考

Cuの代表的用途：楽器

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

ホルトンフレンチホルンのマウスパイプとベルの材質は、ニッケルシルバー、イエローブラス、ローズブラスと多種多様です。 ニッケルシルバーは、抜群のレスポンスと豊かな響きが魅力、また非常に耐久性に優れています。 イエローブラスは、明るく輝けるような響きとあらゆる音に溶け込む柔軟性が持ち味です。ローズブラスは、より深く暖かい、落ち着いた響きを生み出します。 それぞれの良さが混じり合い、またそれに最も相性の良いサイズのマウスパイプ、ベルスロートなどが選ばれ設計されています。
http://www.nonaka.com/holton/instruments/frenchhorn/index_holtonmodel.html

ニッケルシルバー（洋白）Cu – Ni (5~30%) – Zn (10~30%) 、比重=8.5g/cm3
イエローブラス（黄銅）：明るく、張りのある音色
黄色、Cu - Zn 30％ 、比重=8.4g/cm3
ゴールドブラス（丹銅3種）：幅のある豊かな音色
金色に近い黄色、Cu - Zn 15％、 、比重=8.7g/cm3
レッドブラス（丹銅1種、2種）：やわらかい
強い赤、Cu - Zn10％、比重=8.8g/cm3
5

Cuの代表的用途：楽器

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

音：金属の振動を通して空気が振動することで音が発生する① 内部減衰率が低い（原子振動の熱エネルギー変換（振動吸収）が小さいと振動が吸収されにくく、大きいと振動が吸収されやすく伝達しづらい）。
② E( 縦弾性係数 ) ／ρ( 密度 )値が高い（軽くて変形し難いほど音速が速くなる）。
銅合金が楽器に使用される理由① 内部減衰率が低い② 成形性に優れる③ 接合性に優れる④ 耐食性に優れる

トランペット（イエローブラス）

テナートロンボーン
6（ローズブラス）Cu酸化物の安定性

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡【Cuの酸化】Cuの酸化物生成
自由エネルギーは低く、他の金属と比べて酸素との親和性が高いわけではない。
【脱酸】Cuよりも酸化物生成
時自由エネルギーの高い金属で、Cuの脱酸が可能だが、脱酸材の混入による特性劣化に注意が必要。
【P脱酸銅】P添加により酸素を0.02%以下にする。微量の固溶Pが導電率を低下させる。

Ellingham H. J. T., J Soc Chem Ind (London) 63 125 (1944)7

Cuと酸素ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

CuへのOの固溶度は0.008%以下のため酸素はCu2Oで存在するが、高温で水素が入ると還元されて、H2Oを生じ水素脆性を起こす。そのため脱酸銅か無酸素銅が使用される。

Cu+Cu2O二相領域

図 Cu-O二元系状態図【タフピッチ銅】
電気銅中不純物をシャフト炉等で酸素を低減し不純物を除去。
高導電率だが水素脆性を示す。
【脱酸銅】
P, Si, Mn等の脱酸材を添加し酸素量を低減する。水素脆性は示さないが、導電率は低下。
【無酸素銅】
真空あるいはCO等の還元性雰囲気中で溶解鋳造し、酸素量を0.001%以下にする。耐水素脆性・導電率に優れる。
8純銅への酸素の効果

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

酸素の増加により強化と延性低下が進む
加工硬化により強化と延性低下が進む<0.001 0.02

P脱酸銅の酸素量上限

Oxygen Free High Conductivity

ただし導電率はあまり変化しない

真空あるいは還元雰囲気で溶解鋳造→OFHC
図 純銅の機械的性質および電気伝導率に及ぼす酸素量の効果
F.L. Antisell, Trans. AIME 64 (1941) 432

図 無酸素銅の機械的性質 に及ぼす冷間加工の効果
田中浩、佐藤信、古河電工時報 14 (1957) 69

Cuの物理的性質

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

性質数値

密度 / 106 g/cm-38.990

融点 / K1356

熱膨張率/ µm·m-1·K-116.5

電気抵抗率/ nΩ·m16.78

熱伝導率 / W·m-1·K-1

401

ヤング率 / GPa

110 – 12810

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡1000-1

Thermal conductivity / Wm K-1

Cuの熱伝導度

100

10

10.1

Air

St Pt
ainless
SiO2Glass
Po H2ly Oethylen
WoodFeSiCuZn

AlAuCu

AgDi
amon
d0.01

金属の熱伝導率の温度依存性
熱伝導率は低温で極大値を示す

純金属

Gustav Wiedemann
11Cuの化学的性質

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡① 銅の標準電極電位0.34Vのため、水素と反応しても銅イオンが還元されるのみ。
（Feは-0.44Vのため、水素と反応すると鉄が溶ける）② 水中に溶存酸素や塩素（強い酸化剤）あると腐食する。
③ Cu+は酸素の存在下でCu2+になる。
④ 淡水中ではCu2O（赤褐色）を形成し、酸化性が強いと外層にCuO（黒色）を形成する。
⑤ 水中では炭酸銅Cu2CO3(OH)2や硫酸銅Cu4SO4(OH)6などの緑青を生成する。
⑥ Cu2Oは酸素還元反応の障壁となり腐食を抑制する。
【Cu2O】希塩酸、希硫酸、塩化アンモニウム溶液、アンモニア水に可溶だが、有機溶媒には不溶。融点は1232℃で、1800℃で分解して酸素を失う。乾燥空気中で安定だが湿潤空気中では徐々に酸化されCuOに変わる。
【緑青】Cuの酸化により生成する青緑色の錆で、水に不溶で着色、防食、抗菌などを示す。

2Cu + O 2 + CO 2 + H 2 O → CuCO 3・ Cu(OH) 212

Cuの機械的性質
固溶Pによる転位の運動阻害
再結晶温度上昇• 純銅の機械的性質は純度に依存する（左酸素図）が、Cu2Oの固相反応への影響に起因• 銅とサイズが異なり、固溶限の低い元素

無酸素銅

再結晶遅延により延性温度上昇

固溶Pにより再結晶粒の成長抑制

圧延材のアニール温度
図 純銅の機械的性質に及ぼす酸素量の影響

Increase of recrystallization temperature / K

結晶粒径

均一伸び

不純物

ほど再結晶温度を増加させる

500

100

再結晶温度増加
固溶限

4504009080

固溶減の低い元素ほどCuの再結晶温度（430K）を上昇させる

350
300
250

706050

200

40150

30

100

2050

1000ZrTi

CrSnAg

SbAu

Zn

13

Solubility limit / at.%

引張強さ

P脱酸銅

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

結晶異方性

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

結晶は最密面ほど凹凸が少なく滑り抵抗が小さく滑り面となる。また滑り面内で、最も密に原子が並んだ方向に滑りやすい。
(0001)<101><1120>｛111｝

acaa
六方最密充填構造（HCP)

HCPの滑り面は1種類しかないがFCCは4種類あるため、滑りの頻度は高い

a

FCCは変形させやすい
面心立方格子構造（FCC）

14

集合組織の発達
0%

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

15%

30%

60%

Cu 110冷間圧延を施していくと加工度と共に中心部の集積が発達→ (110)結晶粒が増加
結晶粒A

a
結晶粒B

aa(110)[112](110)[112]集合組織とは結晶粒の110面が圧延面に平行で、圧延方向が[112]となるような組織を称する（右図）。

圧延方向結晶粒C

15Cuの固溶強化

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

0.370

Sn

a：格子定数の変化
G：剛性率の変化

600.364

Ti0.3622Mg Au
AsPtMnGaZn
Al0.366

Si30GaPtPd
Ni

02468101012As

Ge4020SiNi

0.360

In50d/dc / N/m

格子定数 / nm0.368

SnAl

Zn

0.00.51.0

1.5

2.02.5溶解濃度/ at.%=|3ab--GG∣|
bb=∣3

置換型固溶元素の格子定数変化

1at.%単位添加元素あたりの降伏応力の増加と弾性パラメーターの相関

溶質原子の周囲には原子サイズの差によって生じる歪場の効果は格子定数の変化（a）と剛性率の変化（G）の関数となる（ Fleisherの関係）

16

第二回 銅』
主なCu合金の機械的性質 2012. Feb.ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう
8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

モネル系

相が微細に入り組む
黄銅系

青銅系

Al-青銅系

伸びが低下

白銅

モネル

丹銅

真鍮

① Cu-Ni, Cu-Zn, Cu-Al合金は固溶体を形成し強靭化に有効なため耐食性構造材に使用② Cu-Sn合金は伸びが低下するために鍛錬材として鋳造合金の錆色が好まれる

17

Cu-Zn合金（黄銅） 1

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

Bcc構造で727-741Kで規則相に変態

40%Zn超では相による脆化38%Znまで固溶体を形成丹銅黄銅
図 Cu-Zn二元系状態図

7/3黄銅

硬化と脆化

図 Cu-Zn合金の機械的性質

7/3黄銅：展延性・深絞り性に優れ、常温加工で複雑形状に加工可能
6/4黄銅：常温加工性は低いが熱間鍛造性に優れ強度が高いため押し出し材に使用
18

Cu-Zn合金（黄銅） 2

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡【熱間加工性】【応力腐食割れ】15%以上のZnを含有するCu-Zn合金は冷間加工を施したまま大気中に放置しただけで割れる → 時期割れ（season cracking）
引張残留応力と環境の腐食作用による応力腐食割れ現象（粒界腐食）

図 Cu-Zn合金の高温衝撃値：数字はアイゾット衝撃値（ft･lb）① 7/3黄銅は粒界破壊のため熱間で脆くなる

20%以上のZnを含むCu-Zn合金では、割れは粒界から粒内を貫通する② 6/4黄銅はとの微細化により改善する③ 7/3黄銅はプレス成型、4/6黄銅は熱間加工、鋳物用に使用される残留応力を除去することが必要
19

Cu-Sn合金（スズ青銅）

ものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第二回 銅』
2012. Feb. 8 14:00~16:10 東北大学金属材料研究所 正橋直哉、千星 聡

図 Cu-8Sn合金の鋳放し(a)と焼鈍し(b)組織① 鋳放しでは偏析が多く、焼鈍で均一化する
共析反応は遅く10%Snでもα単相
図 Cu-Sn二元系状態図② Sn3～7%の固溶体は展延性があり耐食性に優れるが、コスト高のため展伸材には不可③ P添加により酸化物を還元して強靭としバネ材・軸受等に使用（P-青銅）。

20

Thank you for attentions.