鉄の合金　合金とは何か？鉄の合金に炭素が使用される理由は何か？

この記事で分かること

鉄の合金

　合金は、2種類以上の金属、または金属と非金属を混ぜ合わせて作られた物質です。

　この混合物は、元の成分とは異なる新しい特性を持ち元の金属にはない、より優れた強度、硬度、耐食性といった特性を持つことがあります。身近な例として、鉄に炭素を混ぜた鋼や鉄にクロムなどを混ぜたステンレス鋼があり、様々な用途で利用されています。

合金とは何か

　合金は、2種類以上の金属、または金属と非金属を混ぜ合わせて作られた物質です。この混合物は、元の成分とは異なる新しい特性を持ちます。

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合金の主な特徴と目的

　合金を作る主な目的は、元の金属の欠点を補い、以下のように特定の用途に合わせた新しい特性を生み出すことです。たとえば、鉄は非常に丈夫ですが、錆びやすいという弱点があります。これにクロムやニッケルを混ぜて合金（ステンレス鋼）にすることで、錆びにくくすることができます。

• 強度・硬度の向上: 純粋な金属は柔らかいことが多いため、他の元素を混ぜることでより硬く、丈夫にします。
• 耐食性の向上: 錆びや腐食に強くします。
• 融点の調整: 融点を上げたり下げたりすることで、加工しやすくします。
• 軽量化: 航空機などに使われるアルミニウム合金のように、軽さを維持しつつ強度を高めます。

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合金の種類と例

　身の回りにはさまざまな合金が使われています。

• ステンレス鋼: 鉄、クロム、ニッケルが主成分で、非常に錆びにくいのが特徴です。キッチン用品や医療器具などに広く使われています。
• 真鍮（しんちゅう）: 銅と亜鉛の合金で、美しい金色をしており、楽器や工芸品によく使われます。
• 青銅（ブロンズ）: 銅と錫（すず）の合金で、歴史的にも古く、硬度が高いため彫刻や硬貨などに利用されてきました。
• ジュラルミン: アルミニウムを主成分に銅、マグネシウムなどを加えた合金で、軽くて丈夫なため、航空機の機体などに使われます。

鉄の合金にはどのような種類があるのか

　鉄の合金は、主に鋼（スチール）と鋳鉄（ちゅうてつ）に大別されます。これらは、主成分である鉄に添加される炭素の量によって分類されます。

鋼（Steel）

　炭素の含有量が約0.02%から2%までの鉄合金を指します。炭素の量や、その他の元素（クロム、ニッケル、マンガンなど）を添加することで、多様な特性を持つ鋼が作られます。

鋼の主な種類

• 炭素鋼: 鉄と炭素のみを主成分とする最も一般的な鋼。炭素量によって硬度や強度を調整でき、建築資材や工具、自動車部品など幅広く使われます。
• ステンレス鋼: クロムを10.5%以上含み、錆びにくいのが最大の特徴です。さらにニッケルなどを加えることで耐食性を高め、キッチン用品や医療器具、建築材料に利用されます。
• 合金工具鋼: クロム、タングステン、モリブデン、バナジウムなどを添加し、硬度や耐摩耗性を高めた鋼です。ドリルや切削工具、金型などに使われます。
• 構造用合金鋼: 建築物の骨組みや自動車の車体など、強度や靭性（ねばり強さ）が求められる構造物に用いられます。

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鋳鉄（Cast Iron）

　炭素の含有量が約2%から6.7%までの鉄合金です。炭素を多く含むため、比較的低温で溶けやすく、鋳型に流し込んで複雑な形状に加工しやすいのが特徴です。

鋳鉄の主な種類

• ねずみ鋳鉄: 炭素がグラファイト（黒鉛）として存在し、切削加工しやすい一方で、衝撃にはやや弱い性質を持ちます。マンホールやエンジンブロックなどに使われます。
• 球状黒鉛鋳鉄: 炭素が球状に存在するため、ねばり強く、強靭です。水道管や自動車の足回り部品などに使われます。

炭素を混ぜる意味は何か

　鉄に炭素を混ぜる主な理由は、純粋な鉄にはない強度と硬度を持たせるためです。

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炭素が鉄の性質を変えるメカニズム

　純粋な鉄は非常に柔らかく、加工しやすい反面、強度が低いため工業材料としては向いていません。

　ここに炭素を混ぜることで、鉄の原子の間に炭素原子が入り込み、鉄の結晶構造を邪魔します。この構造の乱れが、鉄の原子同士がずれるのを防ぐ「すべり止め」のような役割を果たし、結果として硬さや強度が増します。

炭素量による特性の変化

　炭素の量を変えることで、鉄の性質を大きくコントロールできます。

• 炭素量が少ない場合（鋼）: 炭素量が0.02〜2%程度の鉄合金を鋼と呼びます。炭素が少ないほど、鉄は柔らかく、粘り強くなります（靭性が高くなります）。この性質を利用して、建築物の骨組みや自動車のボディなど、変形に強い材料が作られます。
• 炭素量が多い場合（鋳鉄）: 炭素量が2%以上になると、鉄は非常に硬く、脆くなります。また、融点が低くなるため、溶かして型に流し込む鋳造という加工が容易になります。この性質を利用して、マンホールやエンジンブロックなど、複雑な形状で硬さが求められる部品が作られます。

　このように、炭素は鉄の特性を自在に調整するための最も重要な元素であり、鉄を実用的な材料へと変える鍵となります。

なぜ、炭素は鉄の原子間に入り込めるのか

　炭素原子が鉄の原子間に入り込めるのは、炭素原子が鉄原子に比べて非常に小さいためです。特に、鉄が高温のときに形成する特定の結晶構造（面心立方格子）では、原子間の隙間が大きくなり、炭素原子が入りやすくなります。

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鉄の結晶構造と炭素の溶解度

　鉄は温度によってその結晶構造を変化させます。この性質が炭素の溶解度に大きく影響します。

• 面心立方格子（オーステナイト）: 鉄を約912℃以上に加熱すると、原子が「面心立方格子（FCC）」という構造に並びます。この構造は、原子が立体的に密に詰まっていますが、実は原子間の隙間が大きくなります。炭素原子の大きさは鉄原子の約60%と小さいため、この大きな隙間に容易に入り込むことができます。
• 体心立方格子（フェライト）: 常温では、鉄は「体心立方格子（BCC）」という構造をとります。この構造は、原子間の隙間が非常に小さいため、炭素原子はほとんど入り込むことができません。

炭素が強度を高める仕組み

　炭素原子が鉄の原子間に入り込むと、鉄の規則正しい結晶構造が歪みます。この歪みは、鉄の原子が滑って動くのを邪魔する「すべり止め」のような役割を果たします。これにより、鉄は外部からの力に対して原子のずれが起こりにくくなり、強度と硬度が向上します。

　この性質を利用したのが熱処理です。鉄を高温にして炭素を溶け込ませた後、急激に冷やすことで、炭素原子が鉄の結晶構造内に閉じ込められます。これにより、非常に硬いマルテンサイトという組織が形成され、工具や刃物などの製造に役立てられています。

炭素以外の小さい分子でも同じことができるのか

　炭素以外でも、鉄原子より小さい分子は鉄の原子間に入り込むことができます。その代表例は窒素と水素です。

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窒素（N）

　窒素原子は炭素原子と似たように、鉄の結晶格子（特に高温で安定な面心立方格子）の隙間に入り込むことができます。これにより、鉄の強度と硬度を向上させる効果があります。

• 窒化（ちっか）: 窒素を鉄鋼材料の表面に浸透させて硬化させる熱処理技術です。これにより、非常に硬い窒化鉄の層が形成され、耐摩耗性が向上します。
• 影響: 炭素と同様に、鋼の強度を高める一方で、脆性（もろさ）を引き起こす可能性もあります。しかし、適切な合金元素（アルミニウム、チタンなど）と組み合わせることで、窒化物を形成させ、鋼の靭性を向上させることも可能です。

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水素（H）

　水素原子は、すべての原子の中で最も小さいため、鉄の原子間を比較的自由に動き回ることができます。しかし、これは必ずしも良い影響だけではありません。

• 水素脆性（すいそぜいせい）: 鉄鋼材料に水素が入り込むと、原子間の結合を弱め、材料がもろくなる現象です。特に、高強度鋼では、わずかな水素の侵入が破壊につながることがあり、深刻な問題となっています。
• 用途: 一般的に、水素は鉄合金にとって望ましくない不純物と見なされることが多いです。しかし、特殊な水素吸蔵合金では、水素を吸収・放出する性質を利用して、水素エネルギー貯蔵材料として研究・開発が進められています。

炭素の含有量が増えるとどうなるのか

　炭素の含有量が多いと、鉄の合金は主に硬度が高くなる一方で、脆性（もろさ）が増し、融点が低くなります。

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硬度と脆性の向上

　炭素は鉄の結晶構造に入り込み、原子の規則的な並びを歪ませます。これにより、原子が滑って動くのを妨げるため、硬さや強度が大幅に向上します。

　しかし、炭素量が増えすぎると、鉄と炭素が結合して非常に硬い「セメンタイト（Fe₃C）」という化合物が増加します。このセメンタイトは硬い反面、粘り気がなく、外部からの衝撃に弱いため、材料全体がもろく（脆く）なります。

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融点の低下

　炭素は鉄の融点を下げる効果があります。炭素量が2%を超える鉄合金は鋳鉄と呼ばれ、純粋な鉄（融点約1538℃）よりも低い約1150℃〜1300℃で溶融します。この性質により、鋳型に流し込んで複雑な形状に成形する「鋳造」という加工が容易になります。

　これらの特性から、炭素量が多い鉄合金は、工具や機械部品、マンホールなど、高い硬度や複雑な形状が求められる用途に利用されます。