金属 of ネットで鉄工

金属
金属（きんぞく、metal）とは、展性、塑性（延性）に富み機械工作が可能な、電気および熱の良導体であり、金属光沢という特有の光沢を持つ物質の総称である。水銀を例外として常温・常圧状態では透明ではない固体となり、液化状態でも良導体性と光沢性は維持される。
単体で金属の性質を持つ元素を「金属元素」と呼び、金属内部の原子同士は金属結合という陽イオンが自由電子を媒介とする金属結晶状態にある。周期表において、ホウ素、ケイ素、ヒ素、テルル、アスタチン（これらは半金属と呼ばれる）を結ぶ斜めの線より左に位置する元素が金属元素に当たる。異なる金属同士の混合物である合金、ある種の非金属を含む相でも金属様性質を示すものは金属に含まれる。

工業材料分類

　鉄鋼

• 　炭素鋼：機械構造用炭素鋼、一般構造用炭素鋼など
• 　合金鋼：クロム鋼、ニッケル鋼、不銹鋼（ステンレス鋼）、高速度鋼、工具鋼など
• 　鋳鉄：可鍛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）など

　非鉄金属

• 　銅および合金
• 　アルミニウムおよび合金
• 　ニッケルおよび合金
• 　貴金属：Au、Ag、Pt
• 　低融点金属：Sn、Pb、Bi
• 　その他：Mg、Ti、Znなど

　比重
　　　比重で分類する場合は、比重5を基準に下を軽金属、上を重金属と呼ぶ。

鉄鋼

　鉄を基礎とする合金（鉄基合金）は鉄鋼と呼ばれ、その潤沢な生産性を背景に様々な分野で活躍している。鉄鋼は本質的に鉄 (Fe) と炭素 (C) の合金である。鉄鋼の用途は構造部材が主流とするが、車両や船舶など輸送機械、発電、化学などのプラントや工作機械類、ばね、工具、金型など多岐にわたる。
　鉄鋼はさらに別の金属を加えた改良が施され、クロムを加えて耐食性を付与した不銹鋼（ステンレス鋼）は100種類以上、優れた磁性を持つ磁石鋼、膨張など温度による影響を排除した不変鋼（インバー、バイメタルなど）、その他にも工具鋼や耐熱鋼、快削鋼など、多様な合金がある。

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ステンレス
　ステンレス鋼（ステンレスこう、Stainless steel）は、さびにくくするためにクロムやニッケルを含ませた合金鋼である。JISにおいて主に「SUS」の略号が付けられる事から「サス」とも呼ばれる。
　ステンレス鋼は、含有するクロムが空気中で酸素と結合して表面に不動態皮膜を形成しており、耐食性が高い。ステンレス鋼が作る不動態皮膜は5nm程のごく薄いクロムの水和オキシ酸化物CrOx(OH)2-x・nH2Oが主体で構成されている。
　クロムが作る不動態皮膜は硝酸のような酸化性の酸に対しては大きな耐蝕性を示すが、硫酸や塩酸のような非酸化性の酸に対しては耐蝕性が劣る。このため、ニッケルを8%以上加えて非酸化性の酸にも耐蝕性を高めている。
　オーステナイト系ステンレス鋼は非磁性であるが、フェライトになると磁性を備える。マルテンサイト系ステンレス鋼は強度と共に耐摩擦性が高いが耐蝕性が少し劣る。
　オーステナイト系は非磁性体で低温脆性がない。オーステナイト・フェライト系、フェライト系、マルテンサイト系、析出硬化系は磁性体（強磁性体）である。ただし、オーステナイト系ステンレスの一部は、加工を繰り返すことで組織がマルテンサイト化し、磁性を帯びることがある。
　ステンレス鋼の耐蝕性能は、基本的にCrの含有量で決定され、12-26%の範囲で含まれる。その他、Mo・Ti・Nbなどの添加元素も、耐蝕性の向上に寄与している。6-22%の範囲で含まれるNiも耐蝕性に貢献するが、オーステナイト相を固定化するのがもっとも重要な役割である。
　700℃前後の焼鈍し程度の加熱でクロム（Cr）が炭素（C）と結合して炭化物が粒界に析出することがあり、クロムの減少によって耐蝕性が損なわれることがある。これは粒界腐蝕と呼ばれ、ニオブ（Nb）やチタン（Ti）が少量添加されていれば、クロムの前にニオブやチタンが炭化物となるために粒界腐蝕を起こさずに耐蝕性が保たれる。このようなステンレスは安定型ステンレス・スチールと呼ばれる。
　JIS G 0203「鉄鋼用語」の定義によれば、ステンレス・スチールは鉄に約10.5%以上のクロムを含ませた合金を指し、しばしばニッケルも含まれるとされている。

アルミ
アルミニウム (羅: aluminium[2], 英: aluminium, aluminum) は、原子番号13の元素である。元素記号は Al。軽銀やアルミニウムをアルミと略すことも多く、「アルミ箔」、「アルミサッシ」、一円硬貨など非常に生活に身近な金属である。天然には化合物のかたちで広く分布し、ケイ素や酸素とともに地殻を形成する主な元素の一つである。自然アルミニウムというかたちで単体での産出も知られているが、稀である。
単体は銀白色の金属で、常温常圧で良い熱伝導性・電気伝導性を持ち、加工性が良く、実用金属としては軽量であるため、広く用いられている。熱力学的に酸化されやすい金属ではあるが、空気中では表面にできた酸化膜により内部が保護される。
機械的性質 [編集]
アルミニウムは鉄の約35 %の比重であり、密度は (2.70 g/cm3) と低く金属の中でも軽量な方に属し、展性に富む。純アルミニウムは強度は低いが、ジュラルミンなどのアルミニウム合金はその軽量さ、加工のしやすさを活かしつつ強度を飛躍的に改善しているため、様々な製品に採用され、産業界で幅広く利用されている（「用途」を参照）。
アルミニウム合金は軟鋼などと違い、応力がかかった時の変形に降伏現象を示さない。それは侵入型固溶体である炭素によるコットレル雰囲気を持つ鉄合金とは違い、アルミニウム合金には置換型固溶体合金が多いことに起因する[5]。よって、構造設計等の計算を行う場合には、材料力学では降伏点の代わりに「0.2 %耐力」が代わりに用いられる。「0.2 %耐力」とは、応力をかけた際の永久ひずみが0.2 %になる時の応力である[6]。こういった特性のために、アルミは押し出し成形や摩擦攪拌接合に向いている。

用途
　アルミニウムは金属の中では軽量であるために利用しやすく、また、軟らかくて展性も高いなど加工し易い性質を持っており、さらに表面にできる酸化皮膜のためにイオン化傾向が大きい割には耐食性もあることから、一円硬貨やアルミホイル、缶（アルミ缶）、鍋、窓枠（アルミサッシ）、外構/エクステリア、建築物の外壁、道路標識、ガソリンエンジンのシリンダーブロック、自転車のフレームやリム、パソコンや家電製品の筐体など、様々な用途に使用されている。ただし大抵はアルミニウム合金としての利用であり、1円硬貨のようなアルミニウム100 %のものはむしろ稀な存在である。
有名な合金としてはジュラルミンが挙げられる。ジュラルミンは航空機材料などに用いられているが、金属疲労に弱く、腐食もしやすいという欠点を持つため、航空機などでは十分な点検体制を取ることが求められている。また、鉄道車両でも加工性が良く、軽量であることから、新幹線電車などでアルミ車体の採用例がある。なお、一時期自動車も航空機材料にならうかたちでアルミ化が進んだが、費用対効果を両立させるため、現在はアルミではなくハイテン材料（高張力鋼）の適用が進みつつある。
高圧送電線にもアルミニウム線が使用される。銅に比べ単位体積あたりの電気伝導度は劣るが、密度が低いため断面積を大きく取る（太くする）ことができ、かつ軽いので、単位質量当りの電気伝導度はむしろ銅を上回り、かつ材料費はほぼ拮抗する。このため、銅の価格高騰に伴い送電線に使われることが増えている。
熱伝導性にも優れ、調理器具にアルミニウム合金がよく利用される。熱伝導度についても銅に劣るが、銅よりも安価であるため広く使われる[4]。
真性半導体であるケイ素に微量のアルミニウムを添加することにより、P型半導体が得られる。
俗に「銀ペン」とも呼ばれる、銀色の塗料には、アルミニウムの微粉末が顔料として加えられている。耐食性があるため、橋梁などの建築物によく使われた。

銅
銅（どう、英: copper、羅: cuprum）は原子番号29の元素。元素記号は Cu。
周期表では金、銀と同じく11族に属する遷移金属である。元素記号の Cu は、ラテン語の cuprum から。この語はさらに cyprium aes（キプロス島の真鍮）に由来し、キプロスにフェニキアの銅採掘場があったことに由来する[1]。日本語では、その色から赤金、銅（あかがね）または、素銅（すあか）と呼ばれた。赤銅（しゃくどう）は康煕字典に見える[2]。

用途 [編集]
銅は古代から人類とのかかわりが深く、重要な金属として扱われていた。日本でも、銅塊が発見され朝廷に献上されたことを祝い、年号が慶雲から和銅に改められた事例がある[110]。銅は、金属製品や貨幣の材料として多くの文化で使用された。現代でも様々な場で使用されており、鉄に次いで重要な金属材料といえる。銅の主要な用途として電線 (60 %)、屋根ふき材および配管 (20 %)、産業機械 (15 %)が挙げられる。銅の大部分は金属銅として利用されるが、より高硬度が求められる用途に際しては他の元素を加えて真鍮や青銅のような合金が作られ、このように合金とされる銅は全体のおよそ5 %である[111] 。銅供給量のうちの少量は、栄養補助食品や農業における殺菌剤のための銅化合物の生産に用いられる[19][112]。銅の機械加工は可能であるが、通常複雑な部品を作るための良好な被削性能を得るには合金を用いる必要がある。

建築および工業 [編集]
銅はその防水性および防食性、外観の美しさために古代から多くの建物で屋根葺として用いられてきた。これらの建物の屋根に見られる緑色は長期の化学反応によるものである。銅ははじめ酸化銅(II)に酸化された後第一銅および第二銅の硫化物を経て最終的に緑青と呼ばれる炭酸銅(II)となり、この緑青は酸化腐食に対する高い耐久性を有している[120]。この用途における銅はリンによって脱酸されたリン脱酸銅 (Cu-DHP)として供される[121]。銅は他の屋根材と比べると高価なため近年の日本ではは高級住宅や寺社建築などに限られる。尚、現在では酸性雨の影響もあり、「半永久的な」耐腐食性の建材というわけではない。
避雷針は、主な建築物が破壊される代わりに電流を地面へとそらすための方法として銅が用いられる[122]。銅は優れたろう付け性能およびはんだ付け特性を有しており、溶接することができ、最良の結果はマグ溶接によって得られる[123]。

非鉄金属
非鉄金属（ひてつきんぞく、non-ferrous metal）とは、鉄および鉄を主成分とした合金、つまり鋼（ferrous metal）以外の金属のすべてを指す。日本工業規格 (JIS) では、部門記号 H（非鉄金属）に区分されている。

分類される理由
日本に限らず世界的に見ても鉄以外の金属の生産総量が鉄鋼の生産量に比べ圧倒的に少ないために、便宜的に「非鉄金属」という名称を与えて1つのグループにまとめたものである。従って、工業的／経済的理由での分類に過ぎず、それ以上の特別な意味はない。物理や化学といった科学的な特性での分類ではないので、科学分野では余り用いられない用語である。生産量とは逆に種類で見れば、鉄を主体とした合金の種類よりもそれ以外の金属元素を主体とした合金の種類の方が圧倒的に多い。

ハステロイ
ハステロイ（HASTELLOY）はおもにニッケル基にモリブデンやクロムを多く加えることで耐食性や耐熱性を高めた合金であり、米ヘインズ社（Haynes International, Inc）の商標である。 広く使用されている合金群であるため日本でも一般名化している。
ニッケルを主成分する合金でモリブデンやクロム、鉄などの成分量のちがいで、ハステロイB、ハステロイCなどがある。析出硬化型のニッケル基合金に属し、耐酸化性の高いものや耐熱性が高い金属であるため、腐食性環境や高温環境での使用に向くが、物理的強度やクリープ強度、疲労強さは特段の強さを持たないため、構造材には向かない。
一般に、圧力計のダイヤフラムなどの耐食性が求められる場合やジェットエンジンの燃焼室などの耐熱性が求められるもの[出典 1]に使用される。国内ではMMCスーパーアロイ社（三菱マテリアルグループ）（旧三菱マテリアル桶川製作所）、大同特殊鋼株式会社などで相当材の製造が行われている。