銅とは
銅とは、元素記号Cuで表される原子番号29の元素です。
非常に優れた導電性や熱伝導性を持つことから、電気配線や電子部品、発電機、太陽電池、冷却器などの材料として広く使用されています。また銅は比較的融点が低く、溶かした後に金型に流し込むことで様々な形状に成形できます。
錆びにくく化学的に安定しているため、耐久性が高い材料です。よって建築材料や船舶、自動車部品、水道管、加熱器、冷却器など、耐久性が求められる分野でも広く利用されています。
銅の表面には酸化銅が形成されて細菌やウイルスを殺菌できるため、食品加工や医療機器などでも銅を利用しています。
銅の使用用途
以下は銅の代表的な使用用途の一部です。
- 電気・電子機器
配線や回路板、モーターやトランスのコイルなど - 建築・建設材料
外壁や屋根材、建物内装、ドアノブや手すりなど - 自動車・船舶部品
エンジン部品や冷却システムのパイプ、船舶のプロペラや電気配線など - 医療機器
手術用具や医療機器の表面加工など - 食品加工・調理器具
鍋やフライパン、オーブン皿など - 製造業
銅板や機械部品、パイプや配管、建築材料など
銅の種類
銅には合金を含め，様々な種類があります。以下はその一部です。
1. 無酸素銅
酸素を除去することで純度を高めた銅です。酸素は銅の導電性を損なうため、銅を電気配線や電子部品の材料として使用する場合には高い導電性を持つ無酸素銅が好まれます。
2. タフピッチ銅
微量な不純物を含むことで強度を高めた銅です。この不純物は酸化銅や銅鉄などの微粒子で構成されており、銅を微細な結晶粒子で構成することで強度を高めます。
3. りん酸銅
りん酸を添加することで酸素を除去し、高い導電性と耐腐食性を持った銅です。りん酸は銅に溶け込むことができ、酸化銅や酸化鉄などの不純物を固めて取り除く作用があります
4. その他
上記の他にも青銅や白銅、洋白、黄銅、アルミニウム青銅、チタン銅、クロム銅などがあります。
銅の性質
1. 熱伝導性
銅は優れた熱伝導性を持つ金属の1つです。銅は熱エネルギーを迅速かつ均等に伝達できるため、熱の発生源から迅速に伝熱され、熱の偏りや温度の格差を抑制できます。電子機器や冷却装置の熱を均一に分散させて効率的に冷却できます。
2. 電気伝導性
銅は電流をよく通すため、電気信号や電力を効率的に伝えられますが、これは電子機器や電力配線などの電気回路において重要な性質です。銅は電気伝導性が優れているため、電気信号や電力の損失が少なくなります。
3. 非磁性
純粋な銅は非磁性を示し、磁石に引き寄せられることはありません。この性質は銅の原子構造や電子の配置によるものです。
ただし銅合金などの銅の結晶構造が変化した場合や不純物が存在する場合には、銅の磁性が変化することがあります。例えば銅ニッケル合金や銅マンガン合金では、銅にニッケルやマンガンの不純物が加わることで磁性を示すようになります。
4. 耐食性
銅は耐食性が高く、多くの環境条件下で酸化や腐食に対して抵抗力を示します。これは銅の表面に形成される酸化被膜によるものです。
銅の表面は通常、酸化被膜 (銅酸化物) の薄い層で覆われていて、この酸化被膜は自己修復性を持っているため、新たな酸化被膜が再生されることで銅の表面を保護します。酸化被膜は銅の内部にある銅イオンと外部の酸素や湿気との反応によって形成されます。
5. 可鍛性と展性
銅は可鍛性 (鍛造性) と展性がある金属です。これらの性質は、銅の結晶構造や原子間の結合の特性によって生じます。
可鍛性とは、銅が加熱されると結晶構造が変化して柔らかくなる性質のことです。銅は通常、室温では比較的硬い状態ですが、高温で加熱すると結晶間の隙間が増えて銅は柔らかくなり、容易に形状変更できるようになります。この特性を利用して、容易に銅を鍛造したり圧延したりできます。
展性とは引っ張られると細長く延びる性質のことです。銅は結晶構造が滑らかで密に詰まっているため、引っ張る力が加わると結晶間の原子が滑りやすくなります。このため銅に引張力が加えると容易に延びます。
6. 可溶性
銅は他の金属との溶け合いやすさ (可溶性) の高い特性を持っているため、銅は他の金属との合金化や接合が容易であり、様々な銅合金が作られています。
例えば真鍮は、銅と亜鉛の主成分からなる合金であり、最も一般的な銅合金の一つです。真鍮は銅と亜鉛の比率によって特性が変化し、真鍮の導電性や熱伝導性、耐食性、切削性が利用されています。
また銅ニッケル合金は、銅とニッケルの主成分からなる合金です。ニッケルの含有量によって特性が変化し、銅ニッケル合金は耐食性の良さや磁気特性、強度の高さなどの様々な特性を持ちます。
銅のその他情報
銅のその他の特性
銅には以下のような特性も持っています。
溶接性
他の金属との接合において優れた溶接特性を示し、溶接作業に適しています。
耐摩耗性
銅は耐摩耗性があり、摩擦や摩耗に対して強い耐性を持ちます。
低摩擦特性
銅は摩擦抵抗が比較的低い特性を持ちつため、潤滑油やグリースの使用が少なくて済む場合があります。
耐熱性
銅は高温に対して耐性を持ち、高温環境下での使用や高温処理が必要な場面においても安定した性能を発揮します。
抗菌性
銅の表面には細菌やウイルスの成長を抑制する効果があります。
リサイクル性
廃棄物や使用済み製品として回収された銅は再利用されます。
美観性
銅は鮮やかな赤みがかった色合いを持ち、美しい外観を持つ金属です。
磁場透磁率
銅は磁場透磁率が高い特性を持つ金属の一つです。磁場透磁率は、物質が磁場を通過する際にどれだけ磁束を透過させるかを示す指標です。一般的に、金属は磁場を妨げる特性を持ちますが、銅は磁場透磁率が非常に高いため、磁束を比較的容易に透過させられます。
銅は磁場透磁率が高いため、例えば電磁石やトランスコイルなどの磁気デバイスや磁場センサーに使用されたり、電磁インダクタやトランスのコア材料としても使用されたりする素材です。ただし銅の磁場透磁率は他の磁性材料 (例：鉄やコバルトなど) と比較すると低いため、高い透磁率が求められる場合には、銅よりも磁性材料が適している場合があります。