【徹底解説】真鍮とは？真鍮の特性と切削加工のポイントを紹介

　 　 　

真鍮は、銅と亜鉛の合金で、時計や金管楽器、お寺や仏具など、デザイン性や精度の高い加工が要求される製品によく使われています。亜鉛の含有量を調整することで金色に近い色できらびやかな雰囲気を出すことができる上に、熱を加えることで加工しやすく、しかも腐食に強いなどの特徴があります。
一方で、真鍮はその展延性の高さゆえの加工の難しさもあり、確かな技術が求められる金属でもあります。

このコラムでは、真鍮の特性や、真鍮に合った切削加工のポイントを解説します。

真鍮とは

真鍮とは銅と亜鉛の合金で、JISでは亜鉛を20%以上含むものを黄銅（真鍮）、20%以下は丹銅としています。
真鍮の亜鉛の混合率は様々で、さらに他の金属も加わった合金もあり、それらは全て性質が少しずつ異なります。
ここでは真鍮の特徴や性質をJIS規格から解説します。

真鍮の特性

真鍮の性質はその物理性から来るもので、黄銅としてJISで示されています。
JISでは銅および銅合金全体が書かれていますが、ここでは黄銅（真鍮）に関して表1で紹介します。

表2では、黄銅の化学成分について、ご紹介します。

表3では、黄銅の機械的性質についてご紹介します。

表3の最後の3行に、参考として銅（Cu）と炭素鋼（S45C）の機械的性質を乗せています。
銅と比べると銅の軟らかさに対して黄銅（真鍮）はやや硬いため、切削加工しやすくなることが分かるでしょう。
また引張り強さと硬度の大きな炭素鋼（S45C）と比べると、黄銅（真鍮）は、軟らかさと展延性が増して、細かな切削加工に向いていることが分かります。

真鍮のまとめ

ここまでをまとめると、真鍮の機械的性質は次のように整理できます。

優れた展延性

展延性は、展性と延性に分けられます。展性は圧縮力に対して変形する能力で、延性は引っ張り力に対する変形能力です。すなわち、展延性は材料が破断しないで、柔軟に変形できる限界を表しています。
真鍮は展延性に優れた金属といえます。

優れた電気伝導性

電気伝導性と熱伝導性は比例関係にあり、真鍮は熱伝導性も優れています。

優れた切削加工性

銅の切削加工は、軟らかすぎるため難しくなります。しかし亜鉛を加えて合金化することで硬度が加わり、切削加工性が高くなります。
この高い切削加工性によって、表1の黄銅（真鍮）の用途例にあるようにさまざまな用途で使用されています。

優れた耐食性

真鍮は、腐食されにくく錆にくいという性質があるため、精密部品の材料に利用されます。銅製の5円玉硬貨は長く使っていると黒ずんできますが、これは腐食ではなく銅硬貨に酸化被膜ができているためです。
この酸化被膜が腐食性雰囲気から守ってくれているため、ボロボロになることがありません。

真鍮の用途例

真鍮と呼ばれる黄銅の合金番号は、C 2600からC 4650で、一部を除いて、Zn（亜鉛）がほぼ30％以上で、Cu（銅）が60%から70%ほどの金属成分と微量の金属成分から成っています。
この成分の違いが真鍮の加工性を特徴付け、いろいろな製品が出来上がります。

例えば、展延性や絞り加工性、メッキ性の良さが特徴的なC2600やC2680は電気端子やそのコネクタ、金管楽器などに使用されます。
打ち抜き性が良く被削性が良いC3710やC3713は時計部品など精密機械に、耐食性・耐海水性が良いC4621やC4640は配管や船舶業界に使われるなど、金属成分の違いによる真鍮の特徴に合わせて製品が作られます。

以下では、真鍮の金属成分割合と使用用途をご紹介します。

真鍮を切削加工する際の問題点とその対策

真鍮は、柔らかく展延性に富み、融点が低いなどの特徴があります
ここでは、その特徴による切削加工時の問題点とその対策を解説します。

真鍮は柔らかいためすくい角に注意が必要

バイトでワークを加工するときに設定をしなければならないのが、刃先の角度です。
真鍮はやわらかい金属であるため、設計通りに削るためにはバイトの角度に注意しなければ削りすぎてしまう可能性があります。
図3はバイト刃先が工作物に当たるイメージ図です。

刃先面と、垂直線との角度を「すくい角」といい、刃先の下側の面と水平面との角度を逃げ角といいます。
一般的に、金属の切削加工は、金属と金属がぶつかり合うため、大きな摩擦力とエネルギーが必要です。
工作物が硬いときは、工作物に食い込むためにすくい角を小さく（図3左では0°）して、工作物に向かう力が摩擦力に打ち勝つようにして食い込んで進めます。

一方で、工作物が真鍮のようにやわらかい金属であれば、すくい角を小さいまま旋削を行えば、工作物に食い込み過ぎて余計に削ってしまいます。
そのため、 切削する金属がやわらかいときはすくい角を大きくして金属に刃先が食い込み過ぎないように調整します。
アルミや銅、真鍮の場合のすくい角は25°位といわれていますが、すくい角が大き過ぎても削り過ぎてしまうという難点も出てきます。

真鍮を切削加工する際の問題点

図4は、工作物の表面を切削しているイメージ図で、矢印方向に刃先が動いています。
真鍮のように、すくい角度が大きく工作物が展延性に富み、融点が低い金属材料であると、次の問題が発生します。

〈真鍮を切削加工する際の問題〉

真鍮を切削加工する際の問題の対策

上記の問題には次の両方の対策が必要です。

〈対策〉

切削時には切りくずができるときのせん断変形時の発熱、刃先すくい面に切りくずが流れるときの摩擦熱、逃げ面の摩擦熱などの熱で刃先が高温になります。
この熱によって、構成刃先の形成、刃先の劣化、加工精度の低下などの問題が起こるため、切削油で刃先を冷却することは特に重要です。

切削剤は、冷却作用の他に、摩擦を減らす潤滑油効果、構成刃先の抑制、切りくずや刃先の汚れをなくす洗浄効果、錆の発生を防ぐ錆止め効果など多様な効果があります。
用途ごとに細分化された切削油剤があるので、切削材料や条件、目的に合った油種を選びましょう。