タフピッチ銅(C1100)の基礎|水素脆化に注意!メリット・用途

銅は、電線やケーブルなどの導電材料として最も広く用いられている材料です。銅の中でも、純銅の一種であるタフピッチ銅は、価格の割に導電率が高く、加工性や耐食性、耐久性にも優れていることから、導電材料として最も普及しています。しかし、タフピッチ銅は、高温環境下において割れや亀裂などの原因となる水素脆性を示すことから、詳しい知識なく材料として用いることはおすすめできません。

タフピッチ銅(C1100)は純銅の一種

タフピッチ銅(Tough Pitch Copper)とは、銅含有率が99.9%以上である純銅の一種で、0.02~0.05%程度の酸素を残留させた銅のことです。JIS規格の記号では、「C1100」と表示されます。導電性や熱伝導性が高く、加工性や耐食性に優れた金属です。金属光沢があり、美しい外観をしています。ただし、高温状態では、水素脆化を起こすという欠点があります。

タフピッチ銅に含まれる酸素は、導電性を害する不純物元素を酸化物として析出させて無害な形にするため、タフピッチ銅の導電性を向上させる効果があります。そのため、タフピッチ銅は、より純度の高い無酸素銅と同等の導電性を発揮します。

さらに、酸化銅は、600℃以上に加熱すると、水素と反応して水蒸気を生成。割れや亀裂などを生じさせる水素脆化を起こします。そのため、タフピッチ銅は、高温状態となるような用途には向いておらず、溶接やはんだ、ろう接などの加工には適していません。

純銅とは

純銅とは、工業的に製造される純度99.90%以上の銅のことです。脱酸(酸素を除去する処理)方法の違いにより、無酸素銅、タフピッチ銅、リン脱酸銅に分類され、その酸素の含有率は、おおよそ以下の通りとなっています。

●純銅の種類毎の酸素含有率

・無酸素銅(C1020)…0.002%程度

・タフピッチ銅(C1100)…0.02〜0.05%程度

・リン脱酸銅(C1201,C1220,C1221)…0.01%程度

それぞれの純銅は、以下の手順によって生産されます。

まず、粗銅を電解精錬(電気分解を利用した金属の精錬法)することで、純度99.96%以上の「電気銅」を得ます。続いて、電気銅に酸化処理を施して硫黄などの不純物を除去しますが、このとき、電気銅に酸素と水素が取り込まれます。

次に、電気銅を炉で溶解して鋳造し、材料として使いやすい棒材や板材などに成形します。この溶解と同時に施される脱酸の方法によって、以下のように純銅の種類が分けられます。

無酸素銅…高純度の電気銅を使用し、真空中もしくは一酸化炭素などの還元性雰囲気中で溶解鋳造することで酸素を除去する。

タフピッチ銅…溶解した電気銅に対して、松丸太でポーリング(溶融金属に生木を挿入して脱酸すること)を行い、生木中の有機物で還元して酸素を除去する。

リン脱酸銅…溶解した電気銅に、酸素と化合しやすいリンなどの脱酸剤を添加して酸素を除去する。

無酸素銅(C1020)

無酸素銅は、ほとんど酸素を含まないため、水素脆化は起きません。タフピッチ銅と同程度の導電性を持ちながら、タフピッチ銅よりも展延性や耐疲労性に優れています。反面、タフピッチ銅と比べると強度に劣ります。

用途としては、電線の導体や電子材料などに用いられています。

●リン脱酸銅(C1201, C1220, C1221)

リン脱酸銅もまた、高温状態で水素脆化が起きません。そのため、タフピッチ銅には適用できない溶接やろう接などを施すことが可能です。しかし、材料中にリンが残留しているため、導電性が無酸素銅やタフピッチ銅の85%程度になります。

用途としては、エアコンや湯沸かし器などの伝熱管、給水用銅管や空調配管材といった建材に採用されています。また、銅溶接の溶接棒にも使用されています。

タフピッチ銅(C1100)の特徴とメリット

導電率が高い

銀に次ぐ銅の導電率の高さを反映して、タフピッチ銅もまた導電性に優れます。さらに、タフピッチ銅に含まれる酸素は、導電性を低下させる不純物を無害な形にする効果があります。それにより、タフピッチ銅は、無酸素銅の純度約99.96%よりも純度が約99.90%と低いにも関わらず、無酸素銅とほぼ同等の導電率を示します。なお、リン脱酸銅の導電率は、タフピッチ銅と同等の銅含有率でありながら、タフピッチ銅の導電率の85%程度です。

加工性に優れる

展延性に優れ、曲げ加工や絞り加工、展伸加工などを容易に行うことができます。ただし、加工硬化を起こすため、加工率(加工前と後で材料の断面積が減少した割合)が上がるほど、以下のように硬さと引張強さが向上します。なお、加工率が、80~90%程度の状態を「H(硬質)」、約40%程度の状態を「1/2H(1/2硬質)」、約20%の状態を「1/4H(1/4硬質)」、焼なまし後の状態を「O(軟質)」と表示します。フピッチ銅は、加工硬化を起こすものの、鉄鋼(SS400)の硬さ120~140 HV、引張強さ400~510 MPaと比べるとその硬さや引張強さは小さく、決して加工性が悪くなってしまうわけではありません。しかしその分、鉄鋼と比べると強度に劣ります。

耐食性に優れる

タフピッチ銅は、耐食性に優れています。銅は空気中で酸素と反応して銅の表面に酸化銅の皮膜を形成。酸化皮膜は、サビの進行を防ぐ役割を果たします。また、湿った環境下でも、表面に緑青の層を形成して内部の腐食を防ぐ効果を発揮します。

光沢がある

タフピッチ銅を含む純銅は、赤みを帯びた金属光沢を持ちます。その光沢や色彩は美しく、高級感があります。酸化皮膜や緑青の形成と共に、光沢が失われて、赤橙色から黒褐色、青緑色へと色彩が変化していきます。しかし、その経年変化を感じさせる独特の味わいを美術的な効果として取り入れているケースもあります。

タフピッチ銅(C1100)と水素脆化!デメリットについて

高温状態で水素脆化を起こす

タフピッチ銅は、0.02〜0.05%程度の酸素を含みますが、この酸素のために高温状態で水素脆化を起こします。タフピッチ銅が含有する酸素は、酸化銅(Cu2O)として内部に存在します。この酸化銅は、600℃以上になると、吸蔵している水素と反応して水蒸気を発生。金属内部に空洞を生じさせて、強度の低下を招くと同時に割れや亀裂を発生させます。さらに、水素や一酸化炭素など、還元性ガスが多い環境化では、水素脆化はより著しくなります。

このように、タフピッチ銅は水素脆性を示すため、溶接やはんだ、熱間鍛造などの加工が必要となったり高温加熱したりするような製品には適していません。その代わりとして、水素脆化を起こさないリン脱酸銅や無酸素銅が用いられます。

強度が低い

タフピッチ銅は、純銅に共通することですが、強度がそれほど高くありません。幅広く使用されている鉄鋼(SS400)の引張強さ400〜510 MPaと比べると、その引張強さは195 MPaと2分の1程度です。しかし、加工硬化を起こすため、275 MPa程度までは、強度を向上させることができます。

加工が施されると塑性加工性の低下や光沢低下が生じる

タフピッチ銅は、加工を施すと、塑性加工性の低下や光沢低下が生じます。これは、タフピッチ銅に含まれる酸素によって起こるので、他の純銅である無酸素銅やリン脱酸銅では起こりにくい現象です。タフピッチ銅に含まれる酸素は、結晶粒界(金属組織を示した上図の配列の向きが互いに異なる3領域の境界が結晶粒界)などの原子配列が乱れた領域で酸化銅(Cu2O)となって析出。この酸化銅は、母材が加工されると散在するようになります。それにより、タフピッチ銅の塑性加工性の低下や仕上表面の光沢低下を引き起こします。

タフピッチ銅(C1100)の用途

タフピッチ銅は、主にその優れた導電性を活用する形で用いられています。導電材料として、電線やプリント基板、トランス用コイル材、バスバー(大容量の電流を導電するための導体。下写真)などに用いられています。そのほか、電気材料や耐食性の高い素材として、建築や機械部品、自動車用部品、器物などに使用されています。

熱交換器の伝熱管や給水用配管など、導電・電気材料としての用途ではなく、溶接が必要だったり高温環境下で使用されたりするようなケースでは、リン脱酸銅が用いられています。

一方、熱交換器の導線など、高温環境下の導電材料として使用する場合は、無酸素銅が採用されます。また、より高純度に精錬した無酸素銅がより高い導電性を要する電子部品などに用いられています。ただし、無酸素銅は、通常のものでもタフピッチ銅の1.5倍程度の価格で、より高純度に精錬したものはさらに価格が跳ね上がります。

まとめ

タフピッチ銅(C1100)は、導電性が高く、加工性や耐食性にも優れ、純銅の中ではコスパも良い材料ですが、酸素を比較的多く残留しているという他の純銅にはない特性を持っています。その酸素は、高温環境下で水素脆化を起こすという欠点の原因となる一方、導電性を向上させる効果もあります。

そのため、高温状態となるような特殊なケースにおける、導電材料には無酸素銅、非導電材料にはリン脱酸銅を選ぶと良いでしょう。しかし、このような特殊なケースでない限りは、コスパに優れたタフピッチ銅がおすすめです。

 

参考資料

タフピッチ銅(C1100)の基礎|水素脆化に注意!メリット・用途を解説 | 金属加工の見積りサイトMitsuri(ミツリ) (mitsu-ri.net)