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合金とは?合金の種類と特徴

合金とは、その字面からもわかるとおり、ひとつ以上の金属元素とほかの元素が合わさった物質のことを指します。単一の金属(非金属)にはそれぞれ長所や短所がありますが、これらの組み合わせを調整することで、長所を伸ばしたり、性質を変えたりすることが可能です。この記事では合金の種類と特徴について解説しています。

合金とは?

冒頭で触れたとおり、合金はひとつ以上の金属元素とほかの元素を組み合わせた物質です。組み合わせにより作られた合金は、基本的に「主成分となる元素がある場合」は、その主成分となる元素名をとって合金名がつけられます。たとえば、アルミニウム元素が主成分となる合金は「アルミニウム合金」となります。

目的があるからこそ合金は作られます。組み合わせる元素を変更したり、元素を組み合わせる割合を変更したりすることで「元々の元素を強くする」ことも目的のひとつです。また、作り方を変更することでも元々の元素に強さを与えることができます。鋳造や熱処理のやり方を変えることでも、強さを持たせることは可能です。続く見出しで、合金を作る目的について、もう少し詳しくご紹介していきます。

合金を作る目的

合金は強度を出す以外の目的でも作られています。以下に主なものをご紹介します。

酸化を防ぐ目的

たとえばクロムは、皮膜を形成して酸化を防ぐ性質を持っています。クロムをほかの元素と組み合わせることで、酸化に強い、耐食性のある合金を作ることができます。ステンレスがまさにこれです。

強度を向上させる目的

金属は、単一の状態だと外から力が加えられたときに変形してしまう限界点(弾性限度)が大きくありません。これは、金属の結晶に転位と呼ばれる不完全な部位があり、この転位が外から力が加わった際に動いてしまうことが原因です。金属の結晶のサイズは金属元素により異なります。このような金属元素同士を組み合わせると、元の金属結晶のすき間に組み合わせた金属の結晶を入れたり、結晶自体を入れ替えたりできます。つまり、この作用により転位の移動が起こりにくくなる=強度が向上することになるのです。鋼やジュラルミンといった合金は、まさにこのような考え方で作られています。特に、鉄に炭素を少量含ませた合金である鋼は、熱処理することにより元の5倍以上の強度が出ます。現時点でこれだけ強度が向上する合金は、鋼以外には見つかっていません。

融点を下げる目的

共晶という凝固形態で作られる合金は、単一の金属が持つ融点よりも低い温度で作り出すことが可能です。たとえば、融点の異なる2つの金属をコンタクトさせた状態で熱を加えると、単一の状態では融点に達しないのに、コンタクトさせている部分から融解が始まります。つまり、融点の低い金属と高い金属を組み合わせると、高い融点の金属を低い融点で融解させながら合金を作ることが可能になるのです。

さまざまな合金

ここからは、合金の種類についてご説明します。

鋼は、鉄に2%以下の炭素を含ませて作る鉄の合金です。すでにご紹介したとおり、熱処理することで元の鉄の5倍以上という強度を発揮します。また、鋼は強いだけではなく、加工がしやすいという特長も持っています。このように鋼は優れた特性を持つことから、世界のさまざまな産業において、非常に重要な役割を果たしています。

鋼は、炭素の含有量によりその性質が大きく異なります。鉄の原料である鉄鉱石には、元々炭素が4~5%程度含まれているのですが、加工する際に炭素の量を低下させると強さを持つようになります。

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、鉄とクロムを組み合わせた合金です。ステンレス鋼は、クロムが10.5%以上、炭素が1.2%以下の量含有された鋼と定義されています。ステンレス鋼は、クロムが皮膜となる構造になっている合金です。そのため、腐食に強いという特長があります。普通の鋼ではさびてしまうような環境でも使えることから、さまざまな用途に使われています。

マルエージング鋼

マルエージング鋼は、主に航空・宇宙分野で構造材として用いるために開発された特殊な鋼材です。非常に高い強度を持つほか、熱膨張率が少ないという特長も持っています。兵器やウランの生成に使われるため、多くの国で規制が行われている合金でもあります。特殊で、非常に高価な合金ではありますが、一部ゴルフクラブのヘッドの素材に、このマルエージング鋼は使われています。

インバー

鉄に約36%のニッケル、そして微量のマンガンと炭素を含ませた合金がインバーです。強靱で、常温域において熱膨張率が少ないという特長を持っています。常温でサイズ変化することがないため、実験装置や時計の材料としてよく使用されています。

黄銅

黄銅は、銅と亜鉛を組み合わせた合金です。亜鉛の含有量が20%を超えるものは「真鍮」と定義されます。銅の合金としては、青銅と同様に古くから使われていた合金です。黄銅は紀元前から使用されていたことがわかっていますが、当初はその特性が考えられて使われていたわけではないようです。黄銅は、銅と亜鉛の割合を変化させることにより、外見を大きく変えることができます。また、亜鉛の割合を変えると硬さも増すのですが、硬度が高くなるともろさが出るため、通常、亜鉛の含有量が45%を超えることはありません。加工性、価格、ともに優れるため、金属パーツによく使用されています。

ベリリウム銅

ベリリウム銅は、銅とベリリウムを組み合わせた銅合金です。銅に0.5~3%の割合でベリリウムを添加した合金がベリリウム合金です。銅とベリリウムのほかにも金属を添加する場合があります。

ベリリウム銅は、強度が非常に高く、加工がしやすく、さらに非磁性を持っています。現在、さまざまな分野での応用が進んでおり、精密機械や宇宙開発などの分野でも使用されるようになっています。

ベリリウム銅は火花を出さないという特性も持つため、危険な場所で使用する防爆工具によく用いられています。アルミニウム銅よりも耐久性は低いのですが、この危険な場所で使えるという特長は、ほかの合金にはなかなかないため、非常に重宝されています。

チタン銅

チタン銅は、チタンと銅が組み合わされた銅合金です。ベリリウム銅合金は、非常に高い機能特性を持つ銅合金であることはご説明したとおりですが、チタン銅はさらにその上を行く強度と優れた加工性が特長です。チタン銅は電子機器のパーツの材料としてよく使われています。チタン銅は、スマートフォン時代には欠かせない合金です。

銅タングステン

銅タングステンは、導電性と耐熱性、耐摩耗性に優れる、銅とタングステンを組み合わせて作られる銅合金です。このような特性を生かして電極や放電加工などによく使われています。「銅タン」と短縮して呼ばれることの多い合金です。銅とタングステンの配合割合は銅約30%、タングステン約70%です。

青銅

青銅は、銅とスズを配合した合金です。青銅とはいうものの、金属の配合割合によって色合いはかなり異なります。青銅自体、よく言われる「青銅色」のような緑がかった青色ではなく、金属的なカラーを持ちます。私たちは、知らず知らずのうちにこの青銅に、毎日のように触れていることをご存じでしょうか?青銅は10円玉の素材です。ちなみにオリンピックの銅メダルも、多くの場合、この青銅を用いて作られるそうです。人類はこの青銅を紀元前から使用しており、日本には紀元前400年頃に大陸から伝わったとされています。

白銅

白銅は、銅にニッケルを配合した合金です。多くの場合、10~30%の割合でニッケルを配合します。白銅には耐食性があり、特に海水に強いため、白銅は船舶に関わる部品などによく使用されています。そのほか、50円玉や100円玉にもこの白銅が使用されています。500円玉も登場当初は白銅製でしたが、現在はニッケル黄銅が使われています。

赤銅(しゃくどう)

赤銅は、銅に金を配合した合金です。通常、3~5%の割合で金を配合します。発色処理を施すことで、青みがかったような味わい深い黒色や、小豆色のような色合いが出せるため、主に工芸品の素材として使用されています。

ジュラルミン

ジュラルミンは、アルミニウムに銅、マグネシウムなどを配合したアルミニウム合金です。元々は20世紀の初頭に、薬きょうの素材として開発されました。その後、丈夫で軽量であることから、ジュラルミンは兵器や航空機などに用いられるようになります。これは、ジュラルミンがモノコック成形に適した性質を持っていたためです。しかし、ジュラルミンは耐食性、特に海水には弱いため、海水に触れる可能性のある用途では使われなくなっています。現在は、ケース(ジュラルミンケース)のほか携帯電話の外側のケースなどに使われています。

ハステロイ

ハステロイは、ニッケルにクロムやモリブデンを添加して作るニッケル合金です。耐熱性、耐食性に優れます。特に塩素や硫酸、硝酸などによる酸化に強さを持っています。このように、耐久性の面では非常に優れているハステロイですが、加工が難しい合金として知られています。航空機のエンジンパーツなどに使用されることが多いようです。

ニクロム

「ニクロム線」という言葉を聞いたことのある方は多いと思います。このニクロムは、ニッケルとクロムを主体にした合金で、電気抵抗が大きいという特徴を持ちます。ニクロム線は、電熱線のいわば代名詞のような使い方をされている単語なので、現在、ニクロム線自体、実は使われなくなっているのですが、それでも多くの人がニクロム線という言葉を使ってくるぐらい「ニクロム」という言葉は定着しています。

マグネシウム合金

マグネシウム合金は、マグネシウムを主体とする比較的軽量の合金です。マグネシウム合金が誕生したことにより、それまでは重い金属を主に利用してきた分野での利用が広がり、安全性などの向上につながっています。ただ、アルミニウム合金もマグネシウム合金と似たような特性を持つことから、研究開発などにおいて分野的な競合状態が発生しています。マグネシウム合金はさまざまな分野で使用されていますが、丈夫で軽量という特長を生かし、鋳造やプレスなどで作る(カメラなどの)ボディによく用いられています。

チタン合金

チタン合金は、チタンを中心に構成される合金のことです。一般的に高強度、耐腐食性、生体適合性を持つため、これらの特長を生かして使用されます。主に航空機のパーツ、スポーツ用品、医療などに用いられていますが、加工難易度が高く、コストがかかるという難点もあります。

形状記憶合金

形状記憶合金は、一定の温度範囲内では変形しても、その温度を超えて加熱すると元に戻るという特性を持つ合金です。衣類に使われていることは多くの人がご存じかと思いますが、そのほかにも自動車のパーツや医療機器まで、さまざまな分野で利用されている合金です。

はんだ

はんだは、鉛とスズで主に作られている合金です。プリント基板に使われていることはよく知られています。そのほか、金属の接合にもはんだは使われます。近年は、環境への配慮から無鉛はんだと呼ばれる鉛の含まれないはんだも登場しています。

ホワイトゴールド

ホワイトゴールドは、金にニッケルやパラジウムなどを配合して作る金合金です。75%の金にニッケル(もしくはパラジウム)を25%配合したものをK18WG、金を58.33%、残りをニッケルとパラジウム、銅と亜鉛で構成されたものをK14WGと呼びます。K18WGは非常に美しいホワイトが特長ですが、その代わり、加工難易度も高いという特徴も持っています。一方、K14WGは加工しやすいものの、美しさという点ではK18WGには及びません。

スターリングシルバー

シルバー(純銀)はやわらかすぎるため、それだけでは製品として加工することが困難です。そのため、通常、銅と合わせて製品化します。スターリングシルバーは、すなわち、合金なのです。スターリングシルバーは銀92.5%、銅7.5%で作られ、これが黄金比だとされています。

ピューター

ピューターは、主に工芸材料として使われている合金です。スズ91パーセント、銅2%、アンチモン7%で構成されるスズ合金は、白みがかったシルバーの金属的なツヤが魅力的です。その昔は鉛も使用されていましたが、環境への配慮から現在は使用されていません。

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