身近な材料の金属材料は、鉄道、建設など高い強度が求められる機械、構造物には欠かせない材料ですが、その種類は鉄鋼、非鉄金属など多岐にわたります。そのため適切に部品・構造材料として使用するためには金属の基礎知識が必要です。一方、金属は加工、熱処理によって強度が変わる性質があります。

今回は、このような背景を踏まえて、合金の概要を解説します。

関連解説：金属材料基礎講座(その17) 合金状態図-1　全率固溶型

1.合金とは

［合金（ごうきん、英: alloy）とは、単一の金属元素からなる純金属に対して、複数の金属元素あるいは金属元素と非金属元素から成る金属様のものをいう。純金属に他の元素を添加し組成を調節することで、機械的強度、融点、磁性、耐食性、自己潤滑性といった性質を変化させ材料としての性能を向上させた合金が生産されて様々な用途に利用されている。

一言に合金といっても様々な状態があり、完全に溶け込んでいる固溶体、結晶レベルでは成分の金属がそれぞれ独立している共晶、原子のレベルで一定割合で結合した金属間化合物などがある。合金の作製方法には、単純に数種類の金属を溶かして混ぜ合わせる方法や、原料金属の粉末を混合して融点以下で加熱する焼結法、化学的手法による合金めっき、ボールミル装置を使用して機械的に混合するメカニカルアロイングなどがある。ただし、全ての金属が任意の割合で合金となるわけではなく、合金を得られる組成の範囲については、物理的・化学的に制限（あるいは最適点）が存在する。］（引用：Wikipediaから、https://ja.wikipedia.org/、最終更新 2021年10月21日 (木)）。

金属材料で合金と呼ぶ場合は、純金属に１種類以上の他元素を混ぜたものです。金属は、多くの元素が混ざり合った固溶体を作ることが出来ます。金属結合は、別の種類の原子が隣同士になっても共存しやすいのです。合金は、いろいろな目的で作りますが、鉄を強くする方法と言えば、次のようなものがあります。以下の二つによってミクロ組織が変り、強さも変わります。

• ◆作り方：鋳造方法、加工方法、熱処理方法を変える。
• ◆混ぜる元素の種類、混ぜる割合を変える。

2.合金の種類と特徴

次に合金の種類と特徴を箇条書きにして、整理します。

• スターリングシルバー、銅：75、銀：25・の合金。シルバー925と呼ばれ、純銀は軟らかく強度、耐久性にかける為、合金の形で、加工される。
• 白銅、銅主体のニッケル10%~30%含む合金。ニッケルの多いものは銀に似ているので、銀の代用として貨幣等に使用。海水への耐蝕性が高く、船舶関連の部品に使用されている。
• 赤銅、銅：95%~97%・金：3%~5%・銀：1%加えた高価な合金。工芸品に用いられ、発色処理を加えると青紫の色となる。
• 黄銅（真鍮）、亜鉛：30%~40%、銅：60%~70%の合金。圧延によって破壊することなく、板ないし箔に出来き、細線板・箔に加工しやすい。耐蝕性も高く、絞り加工に向き、流動性に富み精密な鋳物に向く。
• 青銅、鉛：5%~10%・錫：5%~10%・銅：60%~65%・亜鉛：25%~30%の合金。青銅は銅が主成分で、錫の含有量によって硬度が変わる。青銅は展延性と融点の低さが特徴。
• 洋銀、亜鉛：24%・銅：62%・ニッケル：14%の合金。銀白色の光沢で軟らかな素材。加工性に富み細かい装飾に向いているので、洋食器・装飾品などに使用される。
• ステンレス、クロムに鉄を10.5%以上含有させた合金。クロム含有量を多くし錆びにくい鋼として優れた耐蝕性を有す。
• ジュラルミン、銅・マグネシウムとアルミニウムの合金。純アルミは軽量であるが強度は大きくない。これに銅等を加え、熱処理することにより、軽量でありながら、強度を持たせる事が出来る。航空機やケース類の材料に使用される。

3.合金の軽量化

材料軽量化は産業分野の課題です。各種機器、機械構造物軽量化の課題に対して、さまざまな金属材料、無機材料や高分子系材料について、組成の改良による高強度化やマクロ構造の最適設計による高剛性化について研究開発してきました。この研究開発により新しいカテゴリーの金属材料として、高エントロピー合金が注目されています。

高エントロピー合金はミクロ組織により加工硬化性が高く、塑性加工による高強度化が容易であること、耐熱性を示すこと、極低温冷間での延性に優れることなどの利点があります。

高エントロピー合金は優れた機械的性質や機能性の材料ですが、結晶構造についても不明な点が多いようです。元素の組み合わせによる材料設計のパターンは無限のため、材料開発の観点から魅力はありますが、そのポテンシャルとその適用可能性について合金の軽量化への貢献が期待出来ます。