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非鉄金属:Al、Cu、Znなどの必須ガイド

銅、アルミニウム、チタンのない世界を想像してみてください。非鉄金属は私たちの現代生活を形作り、航空宇宙からエレクトロニクスに至るまで、産業界の技術革新を牽引しています。この記事では、これらの不可欠な素材のユニークな特性、用途、利点を探ります。最後には、なぜ非鉄金属が技術の進歩や日常の利便性に欠かせないのかが理解できることでしょう。

最終更新日
7月 12, 2024
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目次

非鉄金属とは、鉄および鉄を主成分とする合金以外のすべての金属を指す。多くの優れた特性を持ち、工業分野、特にハイテク分野で極めて重要な役割を果たしている。

I.アルミニウムとアルミニウム合金

1.アルミニウム(Al)

純アルミニウムはアルミニウムの含有量によって、高純度アルミニウム、工業用高純度アルミニウム、工業用純アルミニウムに分類されます。高純度アルミニウムはアルミニウムの質量分率が99.3%~99.996%で、主に科学実験、化学工業などの分野で使用されています。

工業用高純度アルミニウムは、アルミニウム質量分率が99.85%~99.9%であり、主にアルミニウム基合金の調製に使用される。純アルミニウムは、電線、アルミボックス、遮蔽ケーシング、化学容器などに使用できます。

(1) 鉱床と製錬

純粋な金属アルミニウムは自然界には存在せず、アルミニウムは化合物の形で存在し、最大の埋蔵量を誇る金属である(地殻の約8%)。ボーキサイトはアルミニウムを最も多く含む鉱物であり、コランダムは結晶アルミナ、宝石(ルビー、サファイア、イエローサファイア、パープルサファイア)は純粋で透明なアルミナである。

(2) 主要物件

  • 物理的性質融点は658℃、密度は2.7kg/cm。 3 導電性は銀と銅に次ぐ。
  • 化学的性質。耐食性で、厚い酸化皮膜層を持つ。
  • 機械的特性.鋳造アルミニウムの引張強さは90~120MPa、圧延アルミニウムの引張強さは150~230MPaです。伸びは20%~35%です。
  • 技術的特性。アルミニウムは、鍛造、圧延、引抜き、機械加工、鋳造、溶接、リベットができる。

2.アルミニウム合金

アルミニウム合金は主に銅、ケイ素、マグネシウム、マンガン、亜鉛を合金元素として加える。

(1) 鋳造アルミニウム合金

非常に優れた鋳造特性を持ち、気候や海水の影響下でも安定性を保つことができ、機械加工や溶接が可能である。

(2) 鍛造アルミニウム合金

機械的性質に優れ、変形加工に適している。市場で入手できる半製品には、アルミニウム板、条、管、棒、アルミニウム押出部品、型鍛造品などがある。

アルミニウム合金は、建築業界ではドア、窓、構造部品の製造に使用され、食品業界では貯蔵タンク、缶、飲料容器、そして日常的に使用されるほとんどの鍋やフライパンがアルミニウム製である。

3.グレードの指定

1) 鋳造アルミニウムおよびアルミニウム合金の等級呼称法は以下の通りである。

鋳造アルミニウム合金には、ZL102、ZL105、ZL201、ZL401などがある。

2) 鍛造アルミニウムおよびアルミニウム合金の等級は4桁のコードで表され、1桁目、3桁目、4桁目は数字、2桁目は文字である。1桁目はアルミニウムとアルミニウム合金のグループを示します、

を下表に示す。2番目の文字は、元の純アルミニウムまたはアルミニウム合金の改質状態を示し、最後の2桁の数字は、同じグループ内の異なるアルミニウム合金を識別するため、またはアルミニウムの純度を示すために使用されます。

アルミニウムとアルミニウム合金のグループ:

グループグレード・シリーズ
純アルミニウム(アルミニウム質量分率99.0%以上)1×××
銅を主合金元素とするアルミニウム合金2×××
マンガンを主合金元素とするアルミニウム合金3×××
ケイ素を主合金元素とするアルミニウム合金4×××
マグネシウムを主合金元素とするアルミニウム合金5×××
マグネシウムとケイ素を主合金元素とするアルミニウム合金とMg 2 強化相としてのSi相6×××
亜鉛を主合金元素とするアルミニウム合金7×××
他の元素を主合金成分とするアルミニウム合金8×××
予約合金グループ9×××

3) 鍛造アルミニウムとアルミニウム合金の新旧等級呼称の比較を下表に示す。

アルミニウム展伸材とアルミニウム合金の新旧等級呼称の比較:

カテゴリーオールドグレードニューグレード
耐食アルミ合金LF25A02
LF213A21
硬質アルミニウム合金LY112A11
LY122A12
LY82B11
超硬アルミニウム合金LC37A03
LC47A04
LC97A09
鍛造アルミニウム合金LD52A50
LD72A70
LD82A80
LD102A14

4) 工業用純アルミニウムの新旧等級呼称の比較を下表に示す。

工業用純アルミニウムの新旧等級呼称の比較:

オールドグレードL1L2L3L4L5
ニューグレード10701060105010351200

4.加工特性

アルミニウム合金は、機械加工または非切削加工を受けることができる。 切削速度 最大400m/minに達し、加工時間を短縮できる。加工には高速度鋼と超硬工具を使用。

切削油剤 使用される潤滑剤には、オイル、テレピン油、アルコール、石鹸水などがある。熱間変形加工は厳しい温度仕様に従わなければならない。アルミニウムは熱伝導率と熱膨張率が高く、溶接に特別な困難はない。陽極酸化処理、酸洗、コーティングにより耐食性を向上させることができる。

II.銅と銅合金

1.銅(Cu)

アルミニウムを除けば、銅は最も重要な非鉄金属である。工業用純銅はバラ色で、表面に酸化皮膜が形成されると赤紫色になる。銅は電気工学や機械製造に欠かせない金属です。

(1) 鉱床と製錬

銅は主に鉱石の形で存在し、主な銅鉱石はカルコサイト(Cu 2 S)と黄銅鉱(CuFeS 2 ).硫黄は焙煎炉で除去され、純銅は炉での精錬か電気分解で得られる。

(2) 主要物件

1) 物理的性質。

融点1084℃、密度8.9kg/cm 3 熱伝導率は鋼鉄の8倍、電気伝導率は鋼鉄の7倍である。

2) 化学的性質。

酸化皮膜が厚いため、空気や水による腐食に強い。空気中の二酸化炭素と反応して炭酸銅(緑色のパティーナ)を形成する。

3) 機械的特性.

引張強さ≤250MPa、銅線の平均伸びは30%~50%、硬度は鋼の25%程度。

4) 技術的特性。

銅は鍛造、圧延、紡績、延伸、機械加工、鋳造、溶接などができる。

2.銅合金

銅合金には、亜鉛、錫、ニッケル、アルミニウム、鉄などの合金元素を含む二元合金と多元合金がある。

(1) 真鍮(銅と亜鉛の合金)

鋳造性、機械加工性、耐食性、冷間成形性に優れている。亜鉛の含有量が多いほど強度が増す。黄銅に他の合金元素を加えたものは特殊黄銅と呼ばれる。一般的な合金元素には、アルミニウム、鉄、ケイ素、マンガン、鉛、錫、ニッケルなどがあり、黄銅の特定の特性を向上させることができる。

(2) ブロンズ

灰色がかった緑色をしていることから青銅と呼ばれる。合金の技術的、機械的特性を向上させるため、ほとんどの青銅は鉛、亜鉛、リンなどの他の合金元素も含んでいます。

錫は希少元素であるため、産業界では錫を含まない青銅も多く使用されている。主な錫を含まない青銅には、アルミニウム青銅、ベリリウム青銅、マンガン青銅、シリコン青銅などがある。

錫青銅は、良好な機械的特性、耐食性、摩擦低減、および鋳造特性を持っています。錫青銅は、大気、海水、淡水、蒸気中で黄銅よりも優れた耐食性を持っています。

アルミニウム青銅は、錫青銅よりも機械的性質、耐摩耗性、耐食性、耐寒性、耐熱性に優れ、非磁性で、流動性がよく、偏析傾向がなく、緻密な鋳物を作ることができる。アルミニウム青銅に鉄、ニッケル、マンガンを添加すると、合金の諸特性をさらに向上させることができます。

(3) カプロニッケル

ニッケルを主添加元素とする銅基合金は銀白色に見えるため、キュプロニッケルと呼ばれる。銅とニッケルの二元合金は通常のキュプロニッケルと呼ばれ、銅とニッケルにマンガン、鉄、亜鉛、アルミニウムを加えた合金は複合キュプロニッケルと呼ばれる。純銅にニッケルを加えると、強度、耐食性、電気抵抗、熱電特性が著しく向上する。

工業用キュプロニッケルは、性能特性と用途に基づいて構造用キュプロニッケルと電気用キュプロニッケルに分けられ、様々な耐食性と特殊な電気的・熱的特性の要求を満たす。

3.グレードの指定

(1) 純銅品位呼称法

純銅等級指定法:

グレード指定コード化学組成の質量分率(%)
Cu(これを下回らない)不純物不純物合計
Bi
純銅第1位 銅T199.950.0010.0030.05
第2位 銅T299.900.0010.0050.1
第3位 銅T399.700.0020.010.3
無酸素銅無酸素銅No.1TU199.970.0010.0030.03
号無酸素銅TU299.950.0010.0040.05

(2) 銅合金

1) 真鍮。

普通黄銅:表記は「H+銅含有率」で、「H」は普通黄銅を表す。

普通の真鍮:

コード銅の質量分率(%以上)不純物質量分率(%)
H9695.0~97.0≤0.2
H9088.0~91.0≤0.2
H8079.0~81.0≤0.3
H6867.0~70.0≤0.3

特殊黄銅:呼称は「H+主添加元素記号+銅含有率+主添加元素含有率」を使用。

鋳造銅合金:表記は「ZCu+主添加元素記号+主添加元素含有率+その他の元素記号と含有率」で、「Z」は鋳造を表し、ZCuSn10Zn2、ZCuPb10、ZCuZn40Mn2、ZCuZn33Pb2などがある。

スペシャルブラス:

スペシャル・ブラスコード主な化学組成の質量分率(%)
Cu(これを下回らない)その他の不純物元素不純物合計
鉛入り黄銅HPb63-3
HPb59-1
62.0~65.0
57.0~60.0
鉛 2.4~3.0
鉛 0.8~1.9
≤0.75
≤1.0
真鍮錫HSn62-161.0~63.0スズ 0.7~1.1≤0.3
ヒ素添加黄銅HSn70-169.0~71.0スズ0.8~1.3、ヒ素0.03~0.06≤0.3
アルミニウム真鍮HAl60-1-158.0~61.0アルミニウム0.7~1.5、ヒ素0.1~0、鉄0.7~1.5≤0.7
アイアンブラスHFe59-1-1
HFe58-1-1
57.0~60.0
56.0~58.0
鉄0.6~1.2、アルミ0.1~0.5
マンガン0.5~0.8、スズ0.3~0.7
≤0.3
≤0.5
マンガン黄銅HMn58-257.0~60.0マンガン 1.0~2.0≤1.2
ニッケル黄銅HNi65-564.0~67.0ニッケル 5.0~6.5≤0.3
真鍮シリコンHSi80-379.0~81.0シリコン 2.5~4.0≤1.5

2) ブロンズ

表記は「Q+主添加元素記号および含有率+その他の元素記号および含有率」を使用。

ブロンズだ:

名称指定
ブロンズ錫ブロンズQSn4-3、QSn4-4-2.5、QSn6.5-0.1、QSn6.5-0.4
錫フリー青銅アルミニウム青銅QAl5、QA17、QA19-2、QA19-4、QAl10-3-1.5
マンガン青銅QMn1.5, QMn5
シリコン・ブロンズQSi1-3, QSi3-1
ベリリウム青銅QBe2

3)キュプロニッケル

キュプロニッケルの呼称には「B+ニッケル含有率」が用いられ、例えばB5の場合、ニッケルの質量分率は約5%である。

特殊キュプロニッケルの呼称は、「B+主添加元素記号+ニッケル含有率」を使用し、例えばニッケル質量分率が11%付近の鉄キュプロニッケルはBFe11-1-1、ニッケル質量分率が40%付近のマンガンキュプロニッケルはBMn40-1.5、ニッケル質量分率が13%付近のアルミニウムキュプロニッケルはBAl13-3となる。

4.加工特性

冷間加工による変形によって、強度と硬度は著しく増加し、伸びはそれに応じて減少する。軟化焼鈍の後、伸びは増加するが、強度と硬度は減少する。

III.亜鉛と亜鉛合金

1.亜鉛(Zn)

亜鉛を銅と合金にすると、金のような合金ができる。亜鉛には

(1) 鉱床と製錬

亜鉛鉱床には、閃亜鉛鉱(ZnS)、スミソナイト(ZnCO₃)、ヘミモルファイト[Zn↪2084↩Si₂O₂₇(OH)₂-H₂O]などがある。市販の亜鉛は質量比で99.5%の亜鉛を含み、蒸留や電解によって高純度の亜鉛(質量比で99.997%)を得ることができる。

(2) 主要物件

1) 物理的性質。

融点は419.5℃、沸点は911℃、密度は7.14kg/cm³、モース硬度は2.5である。

2) 化学的性質。

耐食性に優れ、酸素と結合すると酸化亜鉛(ZnO)の厚い層を形成する。

3) 機械的特性。

粒強度≦140MPa。亜鉛は非常に脆く、120℃で容易に加工可能で、205℃まで温度が上がると再び脆くなる。亜鉛めっきの際、亜鉛は母材とよく結合します。

4) 加工特性。

表面保護材(溶融亜鉛メッキ、溶射亜鉛メッキ、電気メッキ)として使用される亜鉛は、優れた合金元素として使用できる。亜鉛を加工する際は、片切ヤスリを使用すること が望ましい。亜鉛は優れた鍛造特性を持つ。市販の亜鉛製品には亜鉛地金、棒、亜鉛板、線材などがあります。

2.亜鉛合金

亜鉛合金は亜鉛をベースに他の元素を加えた合金である。一般的な合金元素には、アルミニウム、銅、マグネシウム、カドミウム、鉛、チタンなどがあります。

(1) 鋳造亜鉛合金

鋳造により成形されるため、鋳造性に優れ、幾何学的精度を保持する。楽器、自動車部品、ケーシングなどのダイカストに適している。

(2) 溶融亜鉛合金

様々な形状の亜鉛材料を製造するために使用される亜鉛合金。少量のカドミウム、鉛、鉄、チタン、銅を含むことが多い。主に電池の筐体、プリント基板、屋根板、日用金物などに使用される。

3.グレードの指定

1) 亜鉛地金の品位は、Zn99.95のように「Zn+亜鉛含有率」で表される。

2) 鋳造亜鉛合金の等級は、ZZnAl6Cu1、ZZnAl4Cu1Mnのように、「ZZn+他の元素記号と含有率」で表される。

3) ダイカスト亜鉛合金の等級は、YZZnAl4Cu1のように「YZZn+他の元素記号と含有率」で表される。

4) その他の亜鉛合金等級の呼称:電池用亜鉛メッキ鋼板は「XDx」と表記され、x は XD1 のような順番を示す数字である。オフセット亜鉛メッキ鋼板は「XJx」と表記され、x は XJ1 のような順番を示す数字である。亜鉛ケーキ鋼板は「XBx」と表記され、x は XB1 のような順番を示す数字である。

4.加工特性

冷間加工による変形によって、強度と硬度は著しく増加し、伸びはそれに応じて減少する。軟化焼鈍後、伸びは増加するが、強度と硬度は低下する。

IV.マグネシウムとマグネシウム合金

1.マグネシウム (Mg)

(1) 鉱床と製錬

マグネシウムは化学元素の中で重要な位置を占めている。鉱石(マグネサイト、ドロマイト、カルナライト)を加工することで、マグネサイト(MgCO₃)からCO₂を除去し、酸化マグネシウム(MgO)を得る。マグネシウムは電気分解によって得られる。

(2) 主要物件

1) 物理的性質。

融点は657℃、密度は1.74kg/cm³である。

2) 化学的性質。

乾燥した空気中では非常に安定。火工品では、マグネシウムは酸素と結合して閃光を発する。燃焼したマグネシウムは砂でしか消火できないが、これは水が酸化反応を強めるからである。

3) 機械的特性。

純粋なマグネシウムの引張強度は110-200MPaと非常に低い。

4) 加工特性。

機械加工が容易で、比較的高速の切削が可能で、成形性と鋳造性に優れている。

2.マグネシウム合金

純粋なマグネシウムは燃えやすく強度が低いため、エンジニアリングではマグネシウム合金のみが使用される。マグネシウム合金は最も軽い金属構造材料である。以下の合金元素はマグネシウム合金の特性に大きな影響を与えます。

  • マンガン:耐食性を向上させる。
  • アルミニウム:機械的特性を高める。
  • 亜鉛:延性と強度を高める。

(1) 鋳造マグネシウム合金

マグネシウム合金は、鋳造法による直接使用のための鋳物の準備と製造に適している。

(2) 鍛造マグネシウム合金

押出、圧延、鍛造、スタンピングなどの塑性加工が可能なマグネシウム合金。

V.錫と錫合金

1.錫(Sn)

(1) 鉱床と製錬

鉱石:錫石(SnO₂)。調製:まず、精鉱を生産する(質量でスズ含有量60%~70%)。製錬:錫は、竪型炉または火炎炉で酸素から還元され、粗錫は、液化または電解によってさらに精製される。

(2) 主要物件

1) 物理的性質。

融点は232℃、密度は7.3kg/cm³である。

2) 化学的性質。

空気、水、多くのアルカリや酸に強い。

3) 機械的性質。引張強さは30MPa、伸び≦40%。

4) 加工特性。

無毒で、成形性と延性が良い。200℃以下では錫は脆く破壊し、-20℃以下では粉末になる。錫は延性があり、圧延、打ち抜き、ハンマーで叩くことができる。厚さ0.01mm以下の錫箔を作ることができる。

2.錫合金

錫合金は、錫をベースに他の合金元素(銅、アンチモン、鉛など)を加えて形成される合金である。錫合金は融点が低く、強度と硬度が低く、熱伝導率が良く、熱膨張係数が小さい。大気腐食に強く、耐摩擦性に優れ、鋼、銅、アルミニウムおよびそれらの合金とのはんだ付けが容易である。優れたはんだ付け材料であり、ベアリング材料でもある。

(1) スズ系軸受合金

鉛系軸受合金とともにバビット合金と総称される。アンチモン含有量は質量比で3%-15%、銅含有量は質量比で3%-10%。アンチモンと銅は合金の強度と硬度を高めるために使用される。摩擦係数が低く、靭性、熱伝導性、耐食性に優れ、主にすべり軸受に使用される。

(2) 錫はんだ

主に錫と鉛の合金。質量比で38.1%の鉛を含む錫合金は、一般にはんだとして知られ、融点は約183℃で、電気機器産業における部品のはんだ付けや、自動車のラジエーター、熱交換器、食品・飲料容器のシールに使用される。

(3) スズ合金コーティング

錫合金の耐食性を利用して、さまざまな電気部品の表面に施され、保護と装飾の両方を提供する。

(4) スズ合金

(鉛スズ合金と鉛フリーのスズ合金を含む)指輪、ネックレス、ブレスレット、イヤリング、ブローチ、ボタン、タイクリップ、帽子飾り、装飾工芸品、合金フォトフレーム、宗教的エンブレム、ミニチュア像、記念品など、様々な絶妙な合金ジュエリーや工芸品を製造するために使用されます。

3.加工

錫は溶融状態で良好な流動性と鋳造特性を持ち、コーティング材料(ブリキなど)として使用できる。

VI.鉛および鉛合金

1.鉛

(1) 鉱床と製錬

最も重要な鉛鉱石はガレナ(PbS)とその混合鉱石である。まず、豊富な鉛精鉱が生産され、次に焙焼と還元を経て鉛が得られ、続いて精錬を経て純粋な鉛が得られる。

(2) 主要物件

1) 物理的性質。

融点は327.4℃、密度は11.34kg/cm³である。
2) 化学的性質。

非常に優れた耐食性を持ち、ほとんどの酸に耐性を持つが、アクアレジアには耐性を持たない。

3) 機械的特性。

低い強度と硬度、貧しい弾力性、引張強さは15MPa、伸び≤60%です。

4) 加工特性。

低変形抵抗、高変形性、冷間成形に適している。鉛はろう付け、溶接、鋳造が容易である。他の 金属.主にキャップシート、耐酸性容器、鉛シースケーブル、シーリングリング、リードショット、放射線防護板、シーリングリードの製造に使用される。

2.鉛合金

鉛合金は、鉛を主成分とし、他の元素を添加した合金である。性質や用途により、耐食合金、電池用合金、はんだ合金、印刷用合金、軸受用合金、金型用合金に分類される。鉛合金は主に、化学腐食保護、放射線遮蔽、バッテリープレートやケーブルシースの製造に使用される。

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