金属の種類：特性、用途、および使用例

金属の種類：特性、用途、および工業的利用に関するガイド

溶接、機械加工、エンジニアリングなど、あらゆる作業において、適切な材料選択を行うための第一歩は、利用可能な金属の種類を知ることです。高層ビルを支える炭素鋼の柱から生体適合性のあるチタン板まで、金属は現代社会の基盤を成すものであり、しばしばその存在は意識されません。ここでは、金属の種類、定量化可能な特性の比較、そしてそれぞれの理想的な用途をまとめた表を分かりやすく解説します。

金属とは何か？定義と原子構造

定義によれば、金属とは容易にイオン化して陽イオン（カチオン）を形成し、陽イオン間に金属結合を形成する化学元素である。これらの化学結合によって、結晶構造全体にわたって絶えず動き回る自由電子の「海」が生み出される。これが、すべての金属に見られる特性、すなわち高い電気伝導性および熱伝導性、展延性、延性、そして研磨すると光沢を帯びる性質を説明するものである。

電流が流れる銅線や、その前で曲がって折れる鋼鉄製の梁は、電子の共有によって生まれます。金属中の非局在化電子は、セラミックやガラスのように曲がるのではなく折れるのではなく、応力がかかったときに原子の層が互いに滑り合うことを可能にします。この非局在化電子によって、金属は細い線に引き伸ばしたり、板状に叩いたりしたときに、延性、つまり展性を発揮するのです。

プレスブレーキで金属に逆らって作業したことがあるなら 金属を曲げる あなたは実際に金属結合を目にしたことがあるでしょう。

一般的に、周期表の中央左側には金属元素が集中しており、中でも鉄、銅、ニッケル、チタン、クロムといったdブロック遷移金属は工業生産において重要な役割を果たしています。リチウムやナトリウムなどのアルカリ金属、マグネシウムやカルシウムなどのアルカリ土類金属は最左端に位置していますが、反応性が非常に高いため、いずれもそのままの状態では構造用途には適していません。全体として見ると、既知の約118元素のうち94元素が金属に分類されます。

そして、それら94種類の金属元素のうち、平均的な室温で液体であるのは水銀とガリウムの2種類です。

室温で液体である状態は、周期表の中ではかなり珍しい。周期表では、固体元素は一般的にその性質の強さによって特徴づけられる。

実用的な工学においては、金属は大きく3つのグループに分けられます。

• Les métaux ferreux – フェロニッケル、Argent ferreux…Contiennent du fer。 (例: アシエ、フォンテ、フェル…)
• Metalli non ferrosi – nessun il contenuto di ferro (Alluminio、rame、titanio、zinco)
• 合金 – 少なくとも1つの金属（真鍮、青銅、インコネルなど）を含む、2種類以上の元素を人工的に混合したもの

以下のリストの各セクションでは、個別に詳細に研究された金属のグループを1つずつ紹介し、それぞれの測定可能な特性を比較し、各金属グループが実際にどのような用途で優れた性能を発揮するかを実証すると仮定します。

工業用途における金属の選定を決定づける重要な特性

プロジェクトに適した金属を選ぶ際、単一の数値だけで判断することはできません。加工業者は、強度対重量比、導電率の仕様、実際の使用環境における腐食特性、そして予算と加工性など、様々な要素を考慮します。以下に、代表的な6種類のエンジニアリング金属について、最も重要なパラメータに基づいて一覧表を作成しました。

引張強度とは、金属が割れる前にどれだけの張力に耐えられるかを示す指標です。この強度において、チタンは950MPaという最高の値を示し、着陸装置やタービンブレードなどを製造する航空宇宙エンジニアが世界有数のチタンユーザーとなっています。一方、最も強度が低い亜鉛は37MPaしか耐えられないため、コーティングやダイカスト製の筐体には使用されますが、構造材としては使用されません。

電気伝導率は、国際焼鈍銅規格（IACS）に対する割合で測定されます。100%は純銅に相当します。アルミニウムはIACSで43%であり、決して最高の電気伝導体ではありませんが、銅の3分の1の重量で、架空高圧送電線に使用できるほど軽量です。チタンは最も低く、わずか3%であるため、配線には適していませんが、電気伝導性が有害となる身体や頭部への埋め込み材料としては理想的です。

耐食性は、金属が保護酸化皮膜を形成する能力に依存します。アルミニウムが自然に金属の腐食を防ぐ酸化ケイ素層（AlO）を形成する能力は非常に優れており、これほど厚く保護的な層を人工的に作り出すのは容易ではありません。ステンレス鋼は、クロム酸化物層を成長させるために、基材金属に最低10.5%のクロムを含有させる必要があります。ステンレス鋼の耐食性を高める元素が微量でも含まれている生の軟質炭素鋼は、塗装、亜鉛メッキ、またはその他の保護処理を施さない限り、湿度の高い塩分を含む環境では急速に腐食します。

磁性を持つ金属にはどのような種類がありますか？

磁石は、3つの異なる方法でさまざまな金属を引き付けます。強磁性体は磁石を非常に強く引き付け、それ自体が永久磁石になることができる唯一の金属です。これらは、加工中に磁気チャックがワークピースを保持できる唯一の金属です。反磁性体は、金や銅のように磁場に対して効果的に反発し、それを調べるには実験装置を使用する必要があります。アルミニウムやチタンなどの常磁性体は、素手で検出することが事実上不可能なほど弱い磁気引力を示すと言われています。業界では、金属が磁石にくっつく場合は、鉄、ニッケル、またはコバルトが含まれているという単純な経験則があります。

「すべての金属は妥協の産物だ。高強度、軽量、耐食性、低価格といった特性をすべて兼ね備えた合金は滅多に存在しない。機械技術者の課題は、顧客にとって最も重要な特性を2つか3つ見極め、残りの特性については妥協することだ。」
— 材料工学の原理（ASM Internationalのガイドラインからの言い換え）

鉄系金属：鋼、鋳鉄、鉄合金

世界の金属の90%以上は鉄を主成分とする鉄系金属です。2024年には6億3200万トンを超える粗鋼が生産され、これは他のすべての金属を合わせた量をはるかに上回る驚異的な量です。これには明確な理由があります。鉄は豊富に存在し、鉱石を金属に加工するためのインフラが整っており、鋼の物理的特性は炭素や合金元素などの添加物を加えるだけで、非常に大きく、あるいは全く変化しないほどに変化させることができるからです。

炭素鋼

炭素鋼は炭素含有率によって分類されます。

• 低炭素鋼／軟鋼（炭素含有量0.25%未満）－溶接性、成形性、機械加工性に優れています。AISI 1018は、ブラケット、固定具、構造部材向けの標準的な汎用鋼種です。引張強度は約440MPaです。
• 中炭素鋼（炭素含有量0.25～0.60%） – 強度と硬度が高く、自動車の車軸、ギア、鉄道レールなどに使用されます。AISI 1045の標準的な引張強度は約585MPaです。
• 高炭素鋼（炭素含有量0.60～2.0％） – 非常に硬く、切削工具、ばね、ワイヤーなどに使用される。熱処理により極めて高い硬度が得られるが、組織が非常に脆く、溶接性が非常に悪いという欠点がある。

ステンレス鋼

ステンレス鋼と呼ばれるためには、少なくとも10.5%のクロム（Cr）を含有している必要がある。クロムは表面に目に見えない酸化皮膜を形成し、優れた耐食性をもたらす。工業用途の大部分は、以下の3つのグレードで占められている。

• 304（クロム18％／ニッケル8％） – 世界で最も広く使用されているステンレス鋼。食品加工業界、台所シンク、建築装飾、化学処理タンクなどに使用されています。焼きなまし状態では非磁性です。
• 316（クロム16％／ニッケル10％／モリブデン2％）－モリブデン添加により、優れた耐塩化物孔食性を実現。船舶用機器、医薬品製造装置、沿岸建築物などに指定される。価格は304より約20～30％高くなる。
• 430（クロム17%、ニッケルなし） – 磁性を持つフェライト系ステンレス鋼で、304よりも安価であり、装飾パネル、家電製品のトリム、自動車の排気システムに適しています。

プロジェクトには以下が含まれます ステンレス鋼のレーザー切断317と316はどちらも、適切な出力とガス設定でファイバーレーザーを使用してレーザー切断すると、きれいな切断面が得られますが、316はMo含有量が多いため、わずかに高い出力が必要です。

合金鋼

合金鋼は、クロム、モリブデン、バナジウム、ニッケルなどを組み合わせて、様々な機能特性を生み出します。

• 4140グレード（Cr-Mo）は優れた靭性と耐疲労性を備えているため、石油・ガス掘削用のドリルカラー、車軸、高応力締結部品などに広く用いられています。
• 4340グレード（Ni-Cr-Mo）は、深部での強度が非常に高い航空宇宙グレードの合金で、着陸装置、動力伝達ギア、および重荷重工具などに使用されます。

鋳鉄

• ねずみ鋳鉄（炭素含有量3～4％）は非常に脆いが、振動の吸収と減衰に非常に優れている。そのため、工作機械やエンジンブロックの理想的な基材となっている。微細構造内部の黒鉛片が振動エネルギーを熱に変換する。
• 球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）は、黒鉛が薄片状ではなく球状の塊状で含まれているため、耐衝撃性と延性が大幅に向上しています。配管継手、クランクシャフト、高負荷用ギアなどに使用されます。
• 白鋳鉄は非常に硬く、耐摩耗性に優れています。かつては、ボールミルやスラリーポンプの耐摩耗性ライナーの製造に用いられていました。

門扉、手すり、鎖などに歴史的に重要な材料であった、白熱した錬鉄は、より安価で加工しやすい軟鋼に取って代わられた。現代の「錬鉄」製品は、通常、錬鉄に似せて成形された軟鋼である。

金属の錆にはどのような種類がありますか？

「錆び」とは、鉄が酸素や湿気と反応して錆の層（酸化鉄、FeO）を形成し、古い鋼材の弱化や剥離を引き起こす特定の化学反応です。鉄系金属はすべて、その構造中に少なくとも一定量の鉄が含まれているため、錆びやすい性質があります。軟質炭素鋼は、塩水噴霧や高湿度に対して最も早く錆びます。4140などの合金鋼も、潤滑、塗装、またはその他の保護処理を施さない限り、錆びやすい性質があります。

ステンレス鋼の場合、錆びを防ぐバリアは酸化クロムであり、この合金は「錆びない」というよりは「錆びにくい」と言われています。特に、304グレードは、摂氏約50度以上の塩化物環境（海水、融雪剤、塩水など）で孔食を起こす可能性があります。そのため、船舶や化学プラントの仕様では、モリブデン含有量が2%で孔食を防ぐ316を使用する必要があると規定されています。

鉄を含まない他のほとんどの金属は非磁性で錆びません。なぜなら鉄を含んでいないためです。しかし、それらにもそれぞれ特有の腐食現象が見られます。例えば、アルミニウムは白い粉状の酸化アルミニウムを生成し、銅は古い屋根や彫像に魅力的な緑色の緑青を生じさせます。これらの酸化物は実際にはその後の腐食に対して耐性があり、剥がれやすい酸化鉄とは正反対の性質を持っています。酸化鉄は、抑制しようとすればするほど厄介になるのです。

非鉄金属：アルミニウム、銅、チタン、そしてその先へ

非鉄金属は鉄を含まないため、鉄の存在を前提とする酸化反応とは異なり、鉄とは異なる酸化特性を示します。非鉄金属は鉄系材料に比べて非磁性で耐腐食性に優れ、導電性も高く、軽量ですが、価格も高く、製造方法も異なる場合があります。

アルミ

アルミニウムは地殻の8.2%を占め、酸素に次いで2番目に高い濃度で存在する。にもかかわらず、1886年にホール＝エルー法が発見されるまでは金よりも高価だった。低密度（2.70 g/cm³）、耐食性、加工の容易さといった利点から、鋼鉄に次いで2番目に人気のある金属となっている。

強度が高く軽量な7075アルミニウム合金は、引張強度が570MPaで、中炭素鋼の領域に迫る性能を持つ。しかし残念ながら、溶接性が非常に低く、6061よりも高価である。

アルミニウムはCO2レーザーの波長のほぼ90%を反射するため、 アルミニウム合金のレーザー溶接 熱の反射と伝導を慎重に制御する必要がある。

銅および銅合金

銅（C11000）は、導電率の指標として100% IACSを定義としています。これは、電気配線、バスバー、熱交換器などの固定基準として使用されます。しかし、問題はその柔らかさです。引張強度がわずか220 MPaしかないため、構造荷重に耐えることができません。

• 銅を主成分とする最初の商業用合金である真鍮は、他の金属元素（亜鉛）と合金化することで、銅よりもはるかに硬くなり、本来的に耐腐食性に優れ、加工も容易になる。そのため、継手、管楽器、装飾金具、弾薬ケースなどに使用されている。
• 銅と錫からなる合金である青銅は、真鍮よりも強度と耐食性に優れ、海水環境下で優れた性能を発揮する。従来は船舶のプロペラ、ベアリング、船舶用金具などに用いられてきた。

銅のレーザー加工 ― その鏡面反射率の高さが、レーザー加工を非常に困難にしています。高い反射率のため、波長1,070 nm付近のファイバーレーザー光源は、CO2光源よりもはるかに適しています。詳細はこちらをご覧ください。 レーザーで銅を切断する.

チタン

Ti-6AL-4Vは、チタン合金の代表格です。引張強度950MPa、密度4.43g/cm²という、中強度鋼の代表的な例であり、重量は従来品より44%軽量です。航空宇宙、医療、そして超高性能モータースポーツの世界では、この利点から世界がチタンに依存しています。

マーケティングでは触れられていないコスト上の制約が一つあります。チタンは、形状やグレードにもよりますが、1キログラムあたりのコストがステンレス鋼の25～100倍も高く、製造性もわずか22%と低いため、チタンを使った部品製造は経済的に割高になります。軽量化や、本体または製品を日常的に製造できるという利点がある場合には、チタンの使用は正当化されますが、それ以外の場合は、ステンレス鋼やアルミニウムの方がより安価で優れた選択肢となります。

その他の非鉄金属

• 亜鉛はいくつかの用途分野で使用されています。最も一般的なのは、鋼鉄や鉄に亜鉛めっきを施して腐食を防ぐ処理です。次に多い用途は、ドアハンドルや自動車の内装部品のダイカストです。
• ニッケルは、700℃を超える高温で動作するガスタービンやジェットエンジンを制御する超合金（インコネル、ハステロイ）に含まれており、電気めっきや電池のコーティング材としても使用される。
• 錫は電子機器用のはんだ合金の原料として用いられ、食品缶には錫メッキが広く使われており、青銅製の建材としても利用されている。
• 鉛は世界の電池生産の約80％に関与しており、放射線遮蔽や安定器用途にも使用されているが、毒性に関する規制により需要が低迷している。
• 貴金属（金、銀、プラチナ）は、宝飾品、回路（金線ボンディング）、触媒コンバーター（パラジウムとプラチナ）、そして投資といった分野で活用されている。

金属合金：元素の組み合わせが性能を向上させる方法

合金とは、金属元素と1つ以上の他の元素（金属元素であるか否かを問わない）を混合したものである。その目的は、2つ以上の構成元素を単独で使用しても得られない特性を生み出すことである。鋼は鉄と炭素の合金であり、青銅は銅と錫の合金である。現代の商業文明全体は、純粋な金属元素ではなく合金の製造と加工に基づいて成り立っている。これは、純粋な金属元素では、実際の使用環境における強度、硬度、耐食性、弾性率といった要求を満たすことが一般的に困難であるためである。

合金化は「原子レベルでの構造破壊」によって作用する。異種原子の塊が結晶格子の規則的な配列を歪め、金属の変形を可能にする欠陥である転位の拡散を阻害する。そうでなければ、可動転位が解放され、柔軟な金属が硬く、剛性の高い材料へと変化する。

シナリオ：食品加工のために軟鋼から316Lステンレス鋼に切り替える加工工場では、溶接ワイヤ（316L溶加材）を変更し、シールドガスをアルゴン＋2％一酸化炭素に切り替え、切断速度を約30％低下させる必要があります。鉱物合金の選択は、その後のすべての製造工程（工具、治具、溶接設定、研削または研磨工程）を決定します。材料の選択は決して独立したプロセスではありません。

鉄系金属と非鉄金属の分類に加えて、金属を卑金属（酸化されやすい、亜鉛、鉄、錫、アルミニウム）、貴金属（酸化されにくい、金、白金、パラジウム）、または周期表のグループに分類することも有用です。これらのグループのうち、遷移金属（dブロック）、アルカリ土類金属、ランタノイドは、それぞれ別のカテゴリーとして提供されています。

プロジェクトに適した金属の選び方

金属の選択ミスは、製造ミスの最も一般的な原因であり、通常は修正不可能です。一度溶接してしまうと、接合部を取り外すことはできません。以下の表は、よく知られている10種類の金属を6つの項目について、1（劣悪）から5（優良）までの5段階で比較したものです。

用途別おすすめ商品

• CNC加工に関して言えば、非鉄金属ではアルミニウム6061が最適であり、鉄系金属では軟鋼1018が最適であると言えるでしょう。加工性という点では、どちらも加工のしやすさにおいて4以上の評価を得ています。
• レーザー切断は軟鋼に最適です。軟鋼は切断が最も容易で、レーザー加工に最も適した金属です。酸化物がなく、燃えにくいという特徴があります。その他のレーザー加工に適さない金属としては、ステンレス鋼（ただし、より高出力のレーザーが必要）、アルミニウム（反射のためファイバーレーザーが最適）、チタン（高価で高価値な部品にのみ使用されるレーザー加工の「フィールドストーン」）などがあります。 ファイバーレーザーで切断できる材料 より多くの選択肢があります。
• 腐食環境には、316Lステンレス鋼またはチタンを使用し、腐食と酸化に対する最適な保護のために、それぞれ5回の孔食処理を施します。チタンは、軽量化によるメリットが材料費の25～100倍に見合う場合にのみ使用します。
• 構造用および建築用用途（住宅用または商業用）の場合、炭素鋼（1018またはA36）は、強度とコストに関してそれぞれ3と5の評価を受ける。
• 電子機器やコンピュータの用途では、100% IACSの電気伝導率を持つ銅が使用され、軽量な筐体やヒートシンクには（より密度の高い）アルミニウムが使用される。

レーザー切断にはどのような種類の金属が使用できますか？

適切な装置があれば、ほぼすべての金属をレーザーで切断できますが、使用する機械の種類は異なります。アルミニウム、真鍮、銅などの反射率の高い金属を切断する場合は、波長1070nmのファイバーレーザーを使用できます。CO2レーザーの波長は10600nmで、共振器に反射イオンが当たると損傷を与えるため、ファイバーレーザーでは反射イオンによる問題は発生しません。

軟鋼は世界で最もレーザー切断に適した金属であり、他のどの金属よりも高速かつ低コストで高品質な切断を実現します。ステンレス鋼を切断するには、同厚の軟鋼よりも20～30%高いレーザー出力が必要となり、チタン製の不活性ガス（通常はアルゴン）による封止が必要です。

ファイバーレーザー技術とCO2レーザー技術の比較については、以下をご覧ください。 ファイバーレーザーとCO2レーザーの比較 セクション。また、どの 材料にはファイバーレーザーでマーキングすることができる さまざまな金属タイプとの組み合わせ方、または当社の レーザーマーキングマシン 鋼鉄、アルミニウム、銅、チタン部品の加工が可能な装置の対応範囲。

リサイクル性に関する注記：ごく一部の金属元素を除き、ほとんどすべての金属元素は、その基本特性をほとんど変化させることなく、無限にリサイクルできます。アルミニウムのリサイクルには、ボーキサイト鉱石からアルミニウムを製造するのに必要なエネルギーのわずか5%しか使用されず、これまでに発明された中で最もエネルギー効率の高いプロセスの1つです。鉄鋼は、重量ベースで地球上で最も多くリサイクルされている材料です。

よくある質問

金属の10種類とは何ですか?

金属の種類は何種類ありますか？

合金は純金属とどのように違うのですか？

錆びない金属の種類はどれですか？

どのような種類の金属がリサイクルできますか？

3Dプリンティングにはどのような種類の金属が使用できますか？

金属は一般的に展延性や延性に富んでいるのでしょうか？