クエリ: ニッケルチタン合金のように、変形させても所定の温度まで加熱することで元の形に戻る合金のことを何というでしょう?
文章: ニッケル ニッケル36 %、鉄64 %の合金を「インバー」、ニッケル36 %、鉄52 %、クロム12 %の合金を「エリンバー」と呼ぶ。インバー合金は熱膨張率が非常に小さく、エリンバー合金は温度による弾性率の変化が非常に小さいという特徴があり、機械式時計の発条などの精密機械に用いられている。ニッケルベースの合金である各種のインコネルは、その耐熱性からタービン用コンプレッサの材料などに用いられる。チタンとニッケルの1:1の合金はもっとも一般的な形状記憶合金となる。ニッケルは不飽和炭素結合に対する水素付加の不均一系触媒としてラネー合金などに加工され工業的に用いられる。水酸化ニッケルはニッケル・水素蓄電池やニッケル・カドミウム蓄電池などの二次電池の正極に使われる。水素を取り込む性質を利用し、水素貯蔵合金のAB5型、Mg型。近年では電気自動車の電池にも使われる。
文章: 半金属 半金属元素を合金に加えることで、その融点を下げる方向に制御することができる。また、その合金の融点 (Tm)に対するガラス転移温度 (Tg)の比 (Tg/Tm)を大きくすることで非晶質な合金を形成することができるため、半金属元素を加えて融点を下げるということは非晶質な合金が得やすくなることを意味している。 ホウ素は遷移金属との間で、MnB (n>2の場合)の組成の金属間化合物および合金を形成する事ができる。このような合金もしくは金属間化合物は、最密に充填された金属原子の隙間にホウ素原子が入り込む形で形成される。Sandersonは、ケイ素は自然な状態においては半金属であるが、金属との合金を形成する能力においては完全に金属的に見えるとコメントした。鉄、コバルト、ニッケルの3元合金にホウ素およびケイ素を添加することで、透磁性の大きな非晶質の軟磁性合金を形成することができる。このような合金は保磁力が低いためにヒステリシス損を低く抑えることが可能となり、非晶質合金であることに起因して電気抵抗が大きいため渦電流損も低く抑えられる。これらの性質を利用して、磁気ヘッドや電気トランスの鉄芯のような軟磁気性が要求される用途において有用な材料として広く用いられている。ゲルマニウムは多くの金属元素と合金を形成することができ、その中で最も重要なものとして第11族元素(銅族元素)との合金が挙げられる。ヒ素はプラチナや銅を含む金属と合金を形成することができる。アンチモンは活字合金(アンチモンを最高25 wt%含んだ鉛合金)やピューター(アンチモンを最高20 wt%含んだスズ合金)に代表されるように、合金の構成元素としてよく知られている。テルルは銅との合金として利用される。1973年のアメリカ地質調査所の報告によれば、当時のテルル生産量のおよそ18 %は銅-テルル合金(テルルを40から50 %含む)および鉄-テルル合金(テルルを50から58 %含む)向けに販売されていた。 全ての一般的な半金属もしくはそれらの化合物は、半導体もしくは固体電子工学産業における用途が見つけられている。その代表的な例としてケイ素は半導体の主要用途の一つである太陽電池材料として広く利用されており、テルルの化合物であるテルル化カドミウムも低コストな太陽電池材料として実用化されている。ホウ素はその高い融点と、不純物の導入および制御、保持の困難さに起因して単結晶を得ることが相対的に難しかったため、ホウ素が半導体として利用され始めたのは他の半金属元素よりも遅かった。 文章: チタン合金 チタン合金(チタンごうきん)とは、チタンを主成分とする合金である。チタンが持つ長所の向上や短所の改善のために、各種の元素が添加される。チタニウム合金とも。機械的性質を向上させた合金や、チタンが持つ優れた耐腐食性をさらに向上させた合金などがある。優れた比強度、耐腐食性能や生体適合性を持ち、これらの特性を生かして、航空機、化学プラント、スポーツ器具、医療などで使用される。欠点として切削加工の難しさや、高コストであることが挙げられる。金属組織の状態によって、大きく α 型合金、β 型合金、α+β 型合金の3つに分類される。熱処理による特性変更が可能で、溶体化処理および時効処理によって組織を変化させ、特性を変えることができる。α+β 型に属する Ti-6Al-4V 合金は、強度と靭性を兼ねることができ、溶接性や加工性も良好で、チタン合金の中で最も多用される。 文章: 焼戻し トルースタイトのビッカース硬さは約400HVで、硬さを残しつつ靱性もある程度高い組織が得られる。ただし、トルースタイトは錆びやすいのが欠点の1つである。実際の製品としては高級刃物やばね類などに適用される。500 - 650°Cから焼き戻すとソルバイトと呼ばれる組織が得られる。ソルバイトのビッカース硬さは約280HVで、鋼の組織の中では最も靱性が高いのが特徴となっている。適度の強さと高い靱性を得られることから機械構造用鋼に適しており、実際の製品としても、トルースタイトと同じくばね類も含め、機械部品全般で広く採用される。日本工業規格によれば、高温焼戻しでトルースタイトかソルバイト組織を得る焼入焼戻しを、特に調質と呼ぶ。または、ソルバイト組織を得る焼入焼戻しに限って調質と呼ぶ場合もある。高温焼戻しが適用される製品としては、上記で述べたもの以外では、軸、高強度ボルト、軽中荷重用歯車などがある。 文章: 冶金 冶金(やきん)とは、鉱石その他の原料から有用な金属を「採取」「精製」「加工」して、種々の目的に応じた実用可能な金属材料「合金」を製造すること。そのために必要となる「技術(冶金術)」「学術(冶金学)」を含める場合もある。鉱石などから金属を抽出する技術は採鉱冶金と呼ばれ、狭義の「冶金(術・学)」はこれのみを指す場合もある。その技術は「乾式冶金」「湿式冶金」「電解冶金」に大別することが出来る。一方、それ以外の合金の製造や物理的加工を行うことで金属の性質を変えて実用に用いやすくすることを製造冶金と称する。粉末金属を塊状にすることを粉末冶金、物理的圧力や他の成分との混合による加工を物理冶金と呼ぶ。製造冶金に関する工学を金属工学と呼ぶ。 文章: チタン合金 チタン合金(チタンごうきん)とは、チタンを主成分とする合金である。チタンが持つ長所の向上や短所の改善のために、各種の元素が添加される。チタニウム合金とも。機械的性質を向上させた合金や、チタンが持つ優れた耐腐食性をさらに向上させた合金などがある。 優れた比強度、耐腐食性能や生体適合性を持ち、これらの特性を生かして、航空機、化学プラント、スポーツ器具、医療などで使用される。欠点として切削加工の難しさや、高コストであることが挙げられる。 金属組織の状態によって、大きく α 型合金、β 型合金、α+β 型合金の3つに分類される。熱処理による特性変更が可能で、溶体化処理および時効処理によって組織を変化させ、特性を変えることができる。α+β 型に属する Ti-6Al-4V 合金は、強度と靭性を兼ねることができ、溶接性や加工性も良好で、チタン合金の中で最も多用される。 文章: 42アロイ 42アロイ(42Alloy)は鉄にニッケルを配合した合金である。常温付近での熱膨張率が金属のなかで低く、硬質ガラスやセラミックスに近い事から、ガラス封着される電子部品の電極材(リード)に用いられたり、ICリードフレームに用いられる。成分の例は重量%でニッケル42%、鉄57%で、微量の銅、マンガンが添加されることもある。 封着作業においては、硼珪酸ガラスが使用される。酸化膜剥離のおそれがあるので予備酸化は行われない。 高周波や電気炉等による加熱で温度を1000~1200°Cにして封着する。この際、還元炎による加熱は行ってはいけない。また、過剰焼鈍すると結晶粒の粗大化により、メッキ作業の際にトラブルの原因となる。 一方でガラスエポキシ基板との間では熱膨張率の差が比較的大きいため、はんだ接合部に応力が集中してクラックや剥離が生じる場合があるため注意が必要である。 文章: ステンレス鋼 高温硫化は、硫化水素ガスや亜硫酸ガスなどの雰囲気中で起こる。高温硫化の挙動は、高温酸化と同じように、表面にできる皮膜の生成と成長に支配される。高温硫化における皮膜は硫化物によって形成されるが、格子欠陥が多くてイオンが拡散しやすいため、この硫化物皮膜には高温酸化における酸化物皮膜のような保護力はない。実用合金全般を見渡しても、硫化水素ガス雰囲気中での最大の耐用温度は 600 °C が限界といわれる。クロムの添加は硫化を抑制する効果があるため、ステンレス鋼の耐高温硫化性は炭素鋼よりは優れている。クロムの他にはアルミニウムやケイ素の添加が有効で、硫化速度減少の効果を示す。 浸炭は、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素などの高温ガス雰囲気中で起こる現象で、炭素原子が内部に拡散して炭化物を形成する。窒化は、アンモニア雰囲気などの窒素を含む高温雰囲気中で起こる現象で、窒素原子が内部に拡散して固溶体や窒化物を形成する。浸炭も窒化も材質を脆化させたり、クロム欠乏帯をつくり異常酸化の原因となったりする。浸炭に有効な合金元素には、保護性のある酸化物を形成するクロムとケイ素、炭化物を形成しないニッケルが挙げられる。窒化の場合は、特に有効な合金元素はニッケルで、ニッケル含有量が多いほど耐窒化性が増す。 ハロゲンガス腐食は塩素ガスや塩化水素ガス中で起こる腐食で、激しい腐食性を示す。塩素ガスや塩化水素ガスとの反応で生成される塩化物は低融点で容易に昇華するため、ハロゲンガス腐食の腐食速度は大きい。SUS304の例で、塩素ガス中での耐用温度が約 310 °C、塩化水素ガス中での耐用温度が約 400 °C である。 文章: 溶体化処理 溶体化処理(ようたいかしょり) 金属材料の熱処理の一種で、均一な固溶体を得る目的で行う、加熱後に高温状態を一定時間保持し、均質な固溶体組織にした後に急冷する処理。固溶化処理。 溶体化処理においては、加熱により銅が基材中に分散する必要があるため、設定温度に到達してからある程度の保持時間が必要となる。(中小企業庁「アルミニウム部品の急速加熱による高品質・高効率熱処理技術の開発」)〔2009年〕 電気抵抗炉を用いて開発合金を大気中で683K(410°C)まで加熱し、0時間~20時間の種々の時間で保持する溶体化処理実験を行った。(中小企業庁「耐熱・難燃性マグネシウム合金鋳造によるパワートレイン耐熱部材の開発」)〔2012年〕 溶体化処理においては、加熱により銅が基材中に分散する必要があるため、設定温度に到達してからある程度の保持時間が必要となる。(中小企業庁「アルミニウム部品の急速加熱による高品質・高効率熱処理技術の開発」)〔2009年〕 電気抵抗炉を用いて開発合金を大気中で683K(410°C)まで加熱し、0時間~20時間の種々の時間で保持する溶体化処理実験を行った。(中小企業庁「耐熱・難燃性マグネシウム合金鋳造によるパワートレイン耐熱部材の開発」)〔2012年〕 時効処理 英語: solution treatment, solution heat treatment ↑ 『平成20年度戦略的基盤技術高度化支援事業「アルミニウム部品の急速加熱による高品質・高効率熱処理技術の開発」研究開発成果報告書』財団法人やまなし産業支援機構(委託先)(中小企業庁ホームページ)政府標準利用規約(第2.0版)公開 https://www.chusho.meti.go.jp/keiei/sapoin/portal/seika/2006/18-10-16-3.pdf 2020年2月22日参照。 ↑ 『平成23年度戦略的基盤技術高度化支援事業「耐熱・難燃性マグネシウム合金鋳造によるパワートレイン耐熱部材の開発」研究開発成果報告書』財団法人福岡県産業・科学技術振興財団(委託先)p.11(中小企業庁ホームページ)政府標準利用規約(第2.0版)公開 https://www.chusho.meti.go.jp/keiei/sapoin/portal/seika/2009/21184010002.pdf 2020年2月22日参照。 文章: オーステナイト 常温常圧の鉄は体心立方格子構造(bcc構造)を取り、強磁性体である。しかし温度が上昇していくと、面心立方格子構造(fcc構造)を取り、非磁性体となる。このfcc構造の鉄をγ鉄と呼び、1気圧、鉄の純度100 %の場合には、9111392 °Cの温度領域にある。γ鉄は比較的多くの他元素を固溶することができ、γ鉄に他元素が固溶したものを、γ固溶体、またはオーステナイトと呼ぶ。低温の体心立方格子からオーステナイトの面心立方格子に変態(構造相転移)する911 °CをA3点、変態することをA3変態と呼ぶ。体心立方格子の原子の空間充填率は68 %、面心立方格子のそれは74 %で、面心立方格子のほうが高い。すなわち原子間の隙間が少ないため、A3変態を起こす際、体積は加熱する時は減少し、冷却する時は増加する。 文章: 焼ならし 焼ならしは、鉄-炭素系平衡状態図のA3線あるいはAcm線上、すなわちオーステナイト組織の状態で十分保持した後、空気中で十分に冷却して行われる。保持温度は、A3線、Acm線より約40-60°Cほど高い状態で保持する。 所定温度まで加熱後の温度保持時間は、他の熱処理と同様に、熱処理品の中心含めて全体が十分に保持温度となるように設定する。伝熱を考慮して、保持時間は急な昇温の場合は長めに、ゆっくりの昇温の場合は短めに調整される。 保持後は炉より出して空中放冷でやや速めの冷却を行う。炉冷などよりも冷却速度を高めることで、粗大なポリゴナルフェライトの発生が抑えられ、微細パーライト組織を得ることができる。通常は静かな大気中で行うが、大型の加工品の場合は冷えづらいのでファンなどで強制空冷したり、逆に小型のものは冷え過ぎるのでカバーをかけてゆっくり空冷させるなどの工夫を行う。冷却速度の調整のために、大型品に水による噴霧冷却を採用するなどの例もある。高合金鋼では空冷でも焼きが入ってしまう。そのため高合金鋼に焼入れ前処理として焼ならしを行う場合は、常温まで冷却し終える前に、約400°Cまで冷却したら再度加熱して焼入れ作業に移る。 文章: アルミニウム合金 日本工業規格(JIS)によって、アルミニウム合金の展伸材及び鋳物の質別について規定されている。 文章: チタン合金 工業用純チタンを含め、その軽量・高強度・耐腐食性を利用してチタン合金は航空機用途に広く使用される。チタン合金と航空機の繋がりは深く、「チタン合金は航空機の発展とともに開発され、適用が拡大してきたと言っても過言ではない」と評される。軍用機も民間機も、ともにチタン合金の適用は広い。重量で計算して、F-15戦闘機では約 25 %、F-22戦闘機では約 40 % がチタン合金製となっている。民間機では、コストのため軍用機ほどは適用拡大は進んでいない。温度 600 °C 以下のターボファンエンジン前半部にあるファンや圧縮機でチタン合金が使われている。その他、ランディングギア、パイロン、コクピットの窓枠、ボルト類などで使用されている。近年の民間航空機では炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の適用が拡大しているが、CFRP とのガルバニック腐食が起きにくい、CFRP との熱膨張差が小さいなどの利点をチタンは持っている。このため、CFRP の適用拡大に合わせてチタン合金の適用も拡大している。 チタン材料は優れた生体適合性を持つため、強度が必要な整形外科用の材料として利用されている。強度が必要となる人工関節や骨折固定器具などのために、1970年代より Ti-6Al-4V 合金が使用されている。さらに、人体に影響のあるバナジウム(V)溶出の可能性を完全に排するために、バナジウムを含まない Ti-6Al-7Nb 合金なども開発され利用されている。人工歯根用には工業用純チタンの使用率が多いが、Ti-6Al-4V 合金も使われている。 ゴルフクラブにもチタン合金が使われており、チタンを最も使用しているスポーツはゴルフといわれる。特にヘッドにチタン合金を使用した1番ウッド(ドライバー)は、1990年に初めて販売されて以降、数多く市販されている。チタンの高い比強度を利用して、重量増を抑えてヘッドを大きくし、スイートスポットを広げることができる。ヘッドのボディには Ti-6Al-4V 合金が、フェースには Ti-15Mo-3Cr-3Al-3Sn 合金などが使われている。ゴルフクラブ用に開発されたチタン合金もあり、β 型合金の Ti-15V-6Cr-4Al 合金などがある。他のスポーツやレジャーでは、自転車の高級モデルや釣り具でチタン合金が使われている。 文章: マルテンサイト系ステンレス鋼 マルテンサイト系ステンレス鋼は、熱処理の焼入れ焼戻しが施されて用いられるのが一般的である。焼入れ時にはおよそ 980 °C 以上まで加熱し、組織全体を完全にオーステナイトにする。オーステナイト領域まで加熱後、高温状態で保持して炭化物を固溶させる。保持後に急冷してマルテンサイト変態を発生させてマルテンサイト組織にする。焼入れ温度は 980 °C 以上が基本だが、実際の適当な温度は含まれる化学成分による。高炭素のマルテンサイト系であれば、995 °C 以上 1050 °C 以下が焼入れ温度の目安である。焼入れ温度が高いほどオーステナイト中に炭素が多く固溶するようになり、焼入れ後のマルテンサイト組織が硬くなる。ただし、結晶粒の粗大化を避けるために、高過ぎる温度も望ましくない。焼入れ温度での保持時間は、大抵の場合で30分程度あれば十分とされる。 冷却によってオーステナイトはマルテンサイト変態を起こすが、冷却中にマルテンサイト変態を起こす温度(マルテンサイト変態開始温度、Ms点)の把握が重要となる。Ms点を決める主要因は鋼中の化学組成である。組成設計時には、Ms点を室温以下にしないことが求められる。Ms点が室温以下となると、焼入れ後にもオーステナイトが残留するようになる。含まれる各合金元素量からMs点を予測する式は多数提案されているが、近年のものとしては以下の式がある。 ここで、Ms はMs点(°C)で、C, Mn, Ni, Cr, Cu, Si, Mo, Co, W は各元素量(mass%)である。化学組成の他には、焼入れ温度(オーステナイト化温度)と冷却速度がMs点に関係する。焼入れ温度が異なるとオーステナイト組織中の組成が変わってくる。この組成の違いの結果、焼入れ温度によってMs点が変わる。また、冷却速度が小さい場合、炭化物が冷却中に析出しやすくなり、オーステナイト相中の炭素などの合金元素量が少なくなる。冷却速度がある程度以上速くなれば炭化物析出は抑えられるようになるが、それまでの冷却速度範囲では、冷却速度を上げるとMs点は下がる傾向がある。例として、クロム 14 %、炭素 0.3 %、モリブデン 3 % のマルテンサイト系鋼種のMs点を以下に示す。 文章: 焼入れ 高合金鋼の場合は熱伝導率が悪くなり、均一に要する時間は上式よりも長くなる。材質の影響としては、焼入れ前の組織の結晶粒が微細化されているほど、均質なオーステナイト化にかかる時間が短く、保持時間も短くてよくなる。また、組成の影響も大きく、高炭素クロム軸受鋼、高速度鋼、ダイス鋼などでは、同じ条件で比較して、機械構造用炭素鋼などよりも約20分程度保持時間が長くする必要がある。加工品の加熱・保持後に冷却を行う。焼入れに必要な冷却速度は大体160°C/秒以上とされる。冷却速度を下げていくと、マルテンサイト変態の前にパーライト変態、ベイナイト変態、フェライト変態が発生するようになり、冷却後の組織にマルテンサイト以外の組織が混入し始める。この他の組織が発生するようになる限界の冷却速度を上部臨界冷却速度、あるいは単に臨界冷却速度と呼び、完全焼入れになる限界速度でもある。 文章: 析出硬化 アルミニウム合金、チタン合金、鉄合金、ニッケル合金などで、高強度化に析出硬化が利用されている。特にアルミニウム合金は析出硬化現象が最初に発見された合金で、ジュラルミンは最初に析出硬化を実用した合金である。現在の規格の規定では、Al-Cu系の2000系、Al-Mg-Si系の6000系、Al-Zn-Mg系の7000系が、アルミニウム合金の析出硬化利用可能な材種にあたる。最も高強度な7000系では時効処理によって引張り強さを最大で約 2.6 倍まで向上でき、600 MPa 前後の引張り強さを得られる。 析出硬化を利用する鉄合金としては、析出硬化系ステンレス鋼やマルエージング鋼がある。析出硬化系ステンレス鋼はステンレス鋼の一種で、代表的鋼種の 17-4PH は約 4% の銅を含み、時効処理で銅を豊潤に含有する第二相(Cu-rich相)を析出させる。マルエージング鋼は引張り強さが 1500 MPa を超える超強力鋼の一種で、ニッケルによる焼入れ・マルテンサイト変態とニッケル・モリブデン系およびニッケル・チタン系の化合物による時効処理・析出硬化を高強度化に利用している。実用されているマルエージング鋼の引張り強さの最大レベルは、約 2500 MPa に達する。