アルミニウム青銅は、高強度、耐摩耗性、海水に対する安定性を併せ持つことで知られる銅ベースの高性能合金です。舶用推進システム、大型ポンプ、海洋構造物、長寿命スライディングアッセンブリーなどでは、重要な構造材やシール材として使用されることが多く、安全性やメンテナンスコストに直接影響します。
適切なアルミニウム青銅を選択するには、その組成、物理的挙動、機械的性能、および一般的な合金等級間の違いを理解する必要があります。
アルミニウム青銅とは？
アルミニウム青銅は、5-12%アルミニウムを主合金元素として含む銅ベースの合金を指します。使用条件に応じて、鉄、ニッケル、マンガン、シリコンなどの追加元素が導入され、微細構造を微細化し、摩耗安定性を高め、海水腐食に対する耐性を向上させます。緻密な自己形成酸化アルミニウム層（Al₂O₃）が合金表面に形成され、高速、高摩擦、または化学的に攻撃的な環境下での長期運転にわたって強度、摺動耐久性、耐食性を維持する。
アルミニウム青銅の化学成分
アルミニウム青銅の特性は、その合金元素によって直接決定される。アルミニウムは主な強化効果を提供し、保護Al₂O₃膜の形成を可能にする一方、鉄、ニッケル、マンガン、またはシリコンなどの添加物は、結晶構造を微細化し、摺動摩耗を安定させ、海水中での耐食性を向上させるために使用されます。次の表は、一般的に鋳造される鋼種の代表的な成分範囲をまとめたものである。
| エレメント | C95200 | C95400 | C95500 | C95800 |
|---|---|---|---|---|
| Al（アルミニウム） | 8.5-9.5% | 10-11.5% | 10-11% | 9-11% |
| Fe（鉄） | 2.5-4.0% | 3-5% | 3-5% | 4-5% |
| Ni（ニッケル） | - | ≤ 1.5% | 3-5% | 4-5% |
| Mn（マンガン） | ≤ 1.5% | ≤ 1.5% | ≤ 1.5% | ≤ 1.5% |
| Si（シリコン） | - | - | - | ≤ 1% |
| Cu（銅） | バランス | バランス | バランス | バランス |
組成は鋳造ルートおよび仕様の改訂により異なる。表示値は代表的な工業範囲です。
アルミニウム青銅の物理的性質
アルミニウム青銅は、厳しい使用環境における安定性に寄与する明確な物理的特性を示す：
- 密度だ： 7.3-7.7 g/cm³
多くの銅合金よりも低いため、回転質量が減少し、より効率的な駆動システムに貢献。 - 溶ける範囲： 1040-1100 °C
黄銅や錫青銅よりも熱安定性が高く、ポンプ、推進力、高摩擦システムにおいてより優れた熱安定性を可能にする。 - 磁気透過性： 非磁性または弱磁性
磁気干渉を最小限に抑えなければならない計測機器、航空宇宙ハードウェア、海洋システムに適しています。 - 熱伝導率： 中程度（純銅よりかなり低い）
高摩擦またはキャビテーション使用時の温度上昇に耐える。 - 色の外観： 深い黄金色から赤みがかった金色
海洋グレードの部品を、標準的な青銅や真鍮と視覚的に区別するために使用されることが多い。
鋳造アルミニウム青銅の代表的な機械的特性
数値は、標準的な鋳造または熱処理条件下での鋳造アルミニウム青銅の一般的な範囲を示す。
- 引張強さ： 70-105 ksi (480-720 MPa)
強度は、微細構造が複雑になり、Fe/Niレベルが高くなるにつれて増加する。 - 伸び： 10-25%
単相のα合金では高く、強化または複合相のグレードでは低い。 - ブリネル硬度（HB）： 130-240 HB
二相および複相合金は、著しく高い硬度と耐摩耗性を示す。
化学的およびトライボロジー的性能
アルミニウム青銅は、安定した自己修復アルミニウム酸化皮膜（Al₂O₃）を形成し、厳しい環境下での腐食と摺動挙動を制御します。
- 海水、硫化物、化学媒体に対する優れた耐性
- 高速またはスロットリングサービスにおけるエロージョンとキャビテーションに対する高い耐性
- 摺動摩擦部品の優れた耐ゴー リング性と低接着摩耗性
- 非磁性または弱磁性で、海洋、計装、航空宇宙システムに適しています。
アルミニウム青銅合金の種類
特定の機械的特性を得るために、銅とアルミニウムをベースにさまざまな合金元素が加えられる。
当社の鋳造能力は、化学組成に基づいて4つの主なファミリーに分類されています：
1.標準アルミニウム青銅（Cu-Al-Fe）
これは最も広く使用されているカテゴリーで、鉄の添加が特徴である。鉄の含有により結晶粒構造が微細化され、通常の銅アルミ合金に比べて引張強度と耐摩耗性が大幅に向上する。
- 主な特徴 機械的強度が高く、耐摩耗性に優れている。
- 一般的なグレード： C95200、C95400。
- アプリケーション 頑丈なギア、ウェアプレート、ブッシング。
2.ニッケルアルミニウム青銅（Cu-Al-Ni-Fe）
一般にNABと呼ばれるこの合金は、ニッケルと鉄を含み、複雑な微細構造を形成しています。腐食環境において優れた性能を発揮し、標準的なグレードよりも高密度で高強度です。
- 主な特徴 海水の腐食、キャビテーション、浸食に対する優れた耐性。
- 一般的なグレード： C95500、C95800。
- アプリケーション 船舶用プロペラ、海水ポンプ、バルブボディ、海水淡水化部品。
3.シリコンアルミニウム青銅（Cu-Al-Si）
この特殊合金では、ケイ素がアルミニウム含有量の一部を代替している。優れた強度と耐食性を維持しながら、より優れた加工性を提供するように設計されています。また、極めて低い透磁率を示します。
- 主な特徴 機械加工性が向上し、表面摩擦が低く、非磁性である。
- 一般的なグレード： C95600.
- アプリケーション バルブステム、ランディングギア部品、低磁気シグネチャーを必要とするハードウェア。
4.マンガンアルミニウム青銅（Cu-Al-Mn）
このカテゴリーには、強化剤と脱酸素剤として働くマンガンが多量に含まれている。それは、特に高速水流と振動に耐えるように設計されています。
- 主な特徴 高い減衰能力とインピンジメントアタックへの優れた耐性。
- 一般的なグレード： C95700.
- アプリケーション 高速船のプロペラとインペラ。
代表的な鋳造アルミニウム青銅の等級
以下の鋳造等級はASTM B148に基づ いており、技術調達で使用されるCA#/Ingot#/引 張強さの形式を用いてリストされている。
- C95200: 一般的なバルブやポンプ部品として、適度な強度と優れた耐食性を持つ標準的なαアルミニウム青銅。
- C95300: ブッシング、ギア、ガイドエレメントに優れた耐摩耗性を提供する二相アルミニウム青銅。
- C95400: 高荷重の摺動面や衝撃を受けやすい摩耗面には、高硬度の強化アルミニウム青銅を使用。
- C95500: 優れた耐キャビテーション性と耐エロージョン性を持つニッケルアルミニウム青銅で、連続使用流体システム用。
- C95800: マリーングレードのニッケルアルミニウム青銅で、海水や高速流体でも長期にわたり安定した性能を発揮。
エンジニアリング・ノート 海洋用途では 耐浸食性、キャビテーション抑制、防汚安定性 多くの場合、引張強さだけではそれを上回る。
アルミニウム青銅と他の銅合金との比較
対錫ブロンズと真鍮
アルミニウム青銅を評価する際、エンジニアはしばしば従来の錫青銅や真鍮と比較する。強さだけで選択されることはほとんどなく、摺動摩耗、振動、海水との接触、長期の運転負荷に耐えられるかどうかで決まります。
錫青銅は、適度なベアリングや潤滑環境ではよく機械加工され、信頼性の高い性能を発揮しますが、浸食や硫化物の多い海水に対する耐性は劣ります。アルミニウム青銅は、回転または摺動荷重下での引張強度と疲労強度が明らかに高く、ヘビーデューティブッシュや高速流体にさらされる部品に適しています。
黄銅はコスト効率が良く、加工が容易であるが、脱亜鉛しやすく、耐摩耗性に限界があるため、推進システム、スラスト部品、オフショアバルブでの使用が制限されている。アルミニウム青銅は、ケミカル・アタック、スケーリング、研磨摩耗にはるかによく耐え、特に海洋環境では優れている。
対マンガン青銅マンガン青銅とシリコン青銅
マンガン青銅やシリコン青銅のようなエンジニアリング青銅と比較して、アルミニウム青銅は、強度、摺動抵抗、腐食安定性のよりバランスのとれた組み合わせを維持します。マンガン青銅やシリコン青銅は優れた強度レベルに達するかもしれませんが、海水中でのキャビテーション、浸食、生物付着に対する耐久性は同じではありません。
ニッケルまたは鉄を強化したアルミニウム青銅は、繰り返し荷重や腐食性の強い流体にさらされ続ける環境下でも、長期的な組織安定性を実現します。そのため、耐荷重性と耐食性の両方が重要な、推進力、海水ポンプ、海水淡水化、および高速度の部品に適しています。
要するに、アルミニウム青銅は他の銅合金の高級版ではなく、動きや流体の流れ、長時間の使用にも構造的な完全性と耐食性を維持しなければならない部品に適した材料なのです。
アルミニウム青銅の利点
- 海水や化学媒体に対する高い耐性
- 連続使用に耐える高い強度と優れた耐疲労性
- 優れた滑り摩擦挙動、ノンガリング特性
- 高速流体に対する強力な耐エロージョン性と耐キャビテーション性
- ほとんどが非磁性で、繊細な機器に適している
- 長寿命でメンテナンスとダウンタイムを削減
アルミニウム青銅の限界
- アルミニウムは酸化しやすい → 制御された溶解と注入が必要
- 収縮率が高い → より厳しいライザーと供給システムの設計
- 局所的な硬さ→加工中の切削工具の摩耗を増加させる
- 材料費は高いが、ライフサイクル全体では経済的に有利
アルミニウム青銅の代表的な用途
- 海洋およびオフショア機器 プロペラ、ハブ、海水バルブ、深海ポンプハウジング
- ヘビーデューティ・ウェア・コンポーネント： ギア、ブッシング、ウェアガイド、ライナー
- 流体とポンプシステム バルブ、シール部品、絞り部品
- 航空宇宙と計装： 非磁性アクチュエータ、スライド機構
結論
アルミニウム青銅は汎用青銅合金ではありません。アルミニウム青銅は 耐食性、耐荷重性、摺動摩耗安定性、耐侵食性、長期耐久性。
アルミニウム青銅の適切な選択は、以下を考慮しなければならない。 作動媒体、摩耗メカニズム、負荷条件、予想耐用年数 その工学的利点をフルに活用するためである。
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