黄銅からの鉛の浸出の冶金学的経路

npj 材料劣化編 7 巻、記事番号: 69 (2023) この記事を引用

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水道管で使用される鉛（Pb）真鍮部品は、設置時のはんだ付けまたはろう付け後に鉛が浸出する傾向があります。 シンクロトロン放射光 X 線イメージングでは、飲料水グレードの真鍮サンプルの初期状態では、Pb が主にサブミクロンから数ミクロンの大きさの孤立した粒子または互いに結合した粒子として存在していることが示されています。 通常のはんだ付け温度約 200 °C まで加熱すると、配向関係 (11\(\bar{1}\))α-真鍮//(220 )Pb; [011]α-真鍮//[\(\bar{1}\)13]Pb. 通常のろう付け温度である 700 °C に加熱すると、Pb 粒子が溶けて体積が膨張し、Pb 含有量が優先的にα-黄銅面に沿って黄銅格子に押し込まれ、球形度が低い、または大きなシートの Pb 相を形成します。 。 水に浸漬すると、表面の Pb 粒子が酸化されて、{\(\bar{2}\bar{2}2\)}PbO 面の法線方向に沿って PbO 針状の結晶が形成され、その後簡単に洗い流されて Pb の浸出が発生します。 。

鉛 (Pb) は、環境を汚染し 1,2,3,4 、摂取すると神経障害や妊娠転帰などの有害な健康影響を引き起こす可能性があるため、環境保護機関によって規制されている一般的な重金属です 5,6。 現在の Pb ガイドライン（最後に改訂されたのは 1993 年）では、最大許容濃度を 10 μg/L と規定しています。これは、世界保健機関の暫定許容週間摂取量に基づいており、これを下回ると血中鉛濃度が上昇せず、したがって健康リスクの予期される増加も起こらないはずです。 。 飲料水中の過剰な鉛によって引き起こされる中毒は、主に配水システムや配管システムで使用されるコンポーネントからの鉛の浸出が原因で、現在でも発生しています。 その結果、飲料水配管システムで使用される部品に含まれる鉛に関する規制と技術基準が管轄区域によって策定されました。 たとえば、英国規格では、飲料水用途の銅合金継手には、バルブには 4 ～ 6 wt% 以下の Pb、蛇口には 0.5 ～ 2.5 wt% 以下の Pb が含まれるべきであると指定されています7。 一方、米国の基準によれば、飲料水用途の名目上の鉛フリー銅合金の接液面には、依然として 0.25 wt% までの Pb の含有が許可されています8。

飲料水用途向けのいわゆる鉛フリーグレードの黄銅 (以下、pw 黄銅と呼びます) には Pb9 が必ず含まれています。 時々、飲料水への Pb の浸出が世界中で報告されています 10,11,12,13,14,15,16,17,18。考えられる理由の 1 つは、真鍮のパイプラインとコンポーネント、特にパイプラインの Pb 含有量によるものです。新設条件19． 伝統的に、機械加工を容易にするために鉛黄銅に鉛が添加されていますが、飲料水部品の製造に黄銅が使用されてきた長い歴史と、すでに設置されている膨大な量の黄銅のパイプラインと部品を考慮すると、どの管轄区域も鉛黄銅を禁止する計画やスケジュールを発表していません。配管におけるpw-真鍮の使用。 興味深いことに、この問題の重要性にもかかわらず、鉛表面処理による黄銅の鉛による被削性の向上のみが 1970 年代に短期間研究されたのみであり 20、黄銅からの鉛浸出プロセスの冶金学的経路の理解は存在しないままである。 特に、黄銅と鉛には相図21において相互溶解限界がないことを考えると、鉛黄銅の内部にどのような形態でPbが存在するのか、また鉛がどのように試験片表面に移動して接触水への浸出を引き起こすのかは不明である。

最近の実験 19 では、真鍮の事前熱処理により Pb の浸出が促進される可能性があることが示されています。 これらの実験では、配管設置時のはんだ付け (200 °C) またはろう付け (700 °C) 接合プロセスをシミュレートするために、鉛浸出試験の前に 200 または 700 °C での予熱処理が実行されました。 200 °C では、真鍮の Pb 含有量はまだ固体状態ですが、700 °C では Pb は溶融しているはずですが、浸漬試験の最終的な Pb 浸出条件では、Pb は固体状態であるはずです 22。 前熱処理によって鉛の浸出が促進される理由を詳細に説明するには、初期の黄銅の鉛分布と前処理後の鉛の分布に関する詳細な知識が必要になります。 たとえば、今回の研究（詳細は後述）の図 1 では、700 °C で前処理した状態は、約 20 分より短い加熱時間では 200 °C の状態とほぼ同じ速度で浸出しますが、浸出速度は20 分後には大幅に加速しており、これは真鍮内部の Pb 含有量が不均一に分布していることを示している可能性があります。 したがって、前処理期間が鉛の浸出速度に定量的にどのような影響を与えるかを議論することは、本論文の範囲ではありません。そのような研究には、黄銅サンプル中の初期 Pb 分布を系統的に制御する必要があり、これは困難な作業となるでしょう。 2 つの相の相互非混和性による真鍮内部の Pb 偏析の高い準安定性または不安定性。