金属合金のリスト：ファミリー、その組成と工業用途

金属合金は、現代のエンジニアリングと製造業のバックボーンを形成しています。慎重に選択された合金は、母材と比較して強度、靭性、耐摩耗性、腐食挙動、熱安定性、電気的性能を劇的に向上させることができます。一般的なエンジニアリング用途では、鋼（炭素鋼と合金鋼）と一般的な非鉄合金（アルミニウム、銅、ニッケル、チタン系）がニーズの大半をカバーします。高性能分野では、超合金、チタン合金、特殊耐火物合金、貴金属合金に依存します。適切な合金の選択は、機械的要件、環境暴露、製造ルート、および規制基準に適合しなければなりません。

1.合金とは - 定義と命名規則

合金とは、2種類以上の化学元素を組み合わせて作られる金属材料のことで、そのうち少なくとも1種類は金属である。意図された結果は、純粋な構成金属とは異なる特性を示す材料であり、典型的には機械的または環境的性能が向上します。市販の合金は、伝統的な名称（黄銅、青銅）、標準化されたコード（AISI、SAE、UNS、EN）、または独自の商品名によって命名されます。合金組成、焼戻し/熱処理、製品形態の明確な指定は、再現可能な性能を得るために不可欠です。

一般的に使用されている命名法

• 鋼および鉄基合金の AISI/SAE 数値コード（歴史的および工業的用途）。

• UNS (Unified Numbering System) 一般的な金属と合金のためのもので、英数字コードが化学的範囲にリンクしている。

• 国際貿易におけるEN（欧州規格）番号とISO指定。

• 特殊合金（インコネル、ハステロイ、モネルなど）の商品名または固有名。

2.大まかな分類：鉄と非鉄

材料は通常、鉄合金（主成分として鉄を含む）と非鉄合金（主金属として鉄を含まない）の2つの上位グループに分けられます。この分類は、磁気挙動、典型的な特性、および一般的な用途を駆動します。鉄合金には炭素鋼、合金鋼、工具鋼、ステンレス鋼、鋳鉄が含まれます。非鉄合金は、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、マグネシウム、鉛、貴金属合金、および多くの特殊系をカバーしています。

実務上の重要な意味

• 鉄合金は一般的に、構造用としては強度が高く、コストが低い。

• 非鉄合金はしばしば、より優れた耐食性、より低い密度、より高い電気・熱伝導性を提供する。

• 工学的な選択の多くは、質量、強度、耐食性、コストのトレードオフに帰結する。

3.主な合金ファミリー-概要、特徴、共通グレード

3.1 炭素鋼および合金鋼（鉄系）

• その正体:鉄と炭素の合金に他の元素（Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Vなど）を添加し、強度と靭性を持たせたもの。

• 一般的な用途:構造部材、パイプライン、ファスナー、機械部品。

• 代表的な成績:A36（構造用）、1018（低炭素）、4140（クロムモリブデン合金鋼）。

• 備考:熱処理（焼き入れと焼き戻し）は、硬度と靭性を調整するために行われる。

3.2 ステンレス鋼（鉄系、耐食性）

• その正体:鉄-クロム(-ニッケル、モリブデン、窒素など)合金で、最小クロムは通常～11%以上で不動態酸化物を形成する。代表的なサブファミリー：オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、二相鋼、析出硬化系ステンレス鋼。

• 代表的な成績:304（オーステナイト系汎用）、316（耐海水性モリブデン入りオーステナイト系）、430（フェライト系）、17-4 PH（析出硬化系）。

• 実践編:300-シリーズはニッケルを含み、優れた耐食性を提供。400-シリーズは一般的にニッケル含有量が少なく、炭素含有量が多く、機械的／腐食挙動が異なる。

3.3 鋳鉄（鉄、高炭素）

• その正体:鉄-炭素-珪素合金で、鋼鉄よりも炭素量が多い（2%以上）。

• 用途:エンジンブロック、パイプ継手、重機ベース。ダクタイル鋳鉄は、鋳造性に加え、引張強度と延性が向上している。

3.4 アルミニウム合金（非鉄、軽量）

• その正体:Al基合金にMg、Si、Cu、Zn、Mnなどを合金化したもの。2000、3000、4000、5000、6000、7000シリーズなどがある。

• 代表的な成績6061（Al-Mg-Si、汎用構造用）、7075（Al-Zn-Mg、航空宇宙用高強度）。

• 用途:輸送、航空宇宙、包装、熱交換器。

• 規格:ASTMのいくつかの規格は、薄板、厚板、押出材の化学的性質と機械的性質を管理している。

3.5 銅合金（黄銅、青銅、キュプロニッケル）

• その正体:銅をベースにZn（黄銅）、Sn（青銅）、Ni（キュプロニッケル）などを添加し、特性を調整。電気・熱伝導性に優れ、様々な環境下での耐食性に優れている。

• 代表的な成績:C11000（電気銅）、C36000（快削黄銅）、CuNi 90/10（マリンキュプロニッケル）。

3.6 ニッケル基合金 および超合金

• その正体:Cr、Co、Al、Ti、Moおよび耐火性元素と合金化したニッケルリッチ系。高温強度と耐酸化性のために設計されている。

• 代表的な合金: インコネル625, インコネル718, ハステロイXルネ合金。

• アプリケーション:ジェットエンジン、ガスタービン、高温化学処理。

3.7 チタン合金

• その正体:チタンにAl、V、Moなどの元素を加え、高強度対重量比と優れた耐食性を実現。

• 代表的な成績:Ti-6Al-4V（航空宇宙および医療グレードとして広く使用されている）。

• 用途:航空宇宙構造物、医療用インプラント、腐食性サービス。

3.8 マグネシウム合金

• その正体:Al、Zn、Mnと合金化した非常に低密度の金属で、重量が重要な軽構造用途。

• 用途:自動車、航空宇宙二次構造物、電子機器ハウジング。

3.9 鉛、錫および特殊低融点合金

• その正体:ベアリング（バビット）、はんだ（錫-鉛、鉛フリー）、遮蔽および放射線用途（鉛ベース）に使用される軟質または低融点合金。

• 環境ノート:多くの鉛含有合金は規制上の制限に直面しており、電子機器では鉛フリーはんだが一般的である。

3.10 貴金属および硬貨用合金

• その正体:金、銀、白金族の合金で、宝飾品、電子機器の接点、触媒などに使われる。スターリングシルバーやクラウンゴールドがその例。

4.代表的な化学組成と物性早見表

以下は、迅速な比較を目的としたコンパクトで実用的な表である。パーセンテージの範囲は目安であり、正確な仕様は選択された等級と規格によって異なります。

表1：ハイレベル合金ファミリーの比較

(表1出典：一般文献および材料データシート）。

表2：代表的ステンレス鋼種とクイックケミストリ

表3：一般的なアルミニウム合金シリーズ

表 4: 代表的な銅ベース合金

5.高性能および特殊合金

5.1 超合金

ニッケル基超合金は、ガスタービンに見られる高温下でのクリープや酸化に対して長期的な強度を発揮するように設計されている。重要な合金元素には、Co、Cr、Al、Ti、およびマイナーな耐火性元素が含まれます。典型的な加工には、クリープに耐えるための真空誘導溶解、方向性凝固または単結晶鋳造が含まれる。

5.2 耐火合金

モリブデン、タングステン、ニオブ、タンタルを主成分とする合金は極端な高温で使用される。これらの合金は特殊な加工と機械加工法を必要とし、炉、ロケットノズル、原子力用途に使用されます。関連規格や供給業者のデータシートには、延性や再結晶に影響を及ぼす不純物の許容量が定められています。

5.3 耐食性ニッケル合金

ハステロイと類似の組成は、塩化物、硝酸塩、 酸性の化学処理環境に耐える。選択には、電解相溶性と溶接冶金を考慮する必要がある。

5.4 医療用チタンとコバルトクロム合金

Ti-6Al-4Vとコバルトクロム(CoCrMo)合金は、生体適合性、イオン放出挙動、疲労性能が選択の決め手となるため、インプラントでは一般的である。表面仕上げと滅菌適合性は、現実的な問題である。

6.製造方法と合金特性への影響

合金の性能は、組成だけでなく製造ルートにも左右される：

• キャスティング:複雑な形状や大量生産部品に適し、微細組織は冷却速度と接種に依存する。鋳鉄が典型例。

• 鍛造加工（圧延、鍛造、押出）:鋼、アルミニウム押出材、銅製品によく使用される。

• 粉末冶金と積層造形:ニアネットシェイプ、テーラーメイドの微細構造、複雑な化学的性質が可能で、気孔率と熱処理のコントロールが重要。

• 熱処理:焼なまし、焼ならし、焼入れ・焼戻し、溶体化処理、時効処理により、相分布や析出物組織が変化し、強度・延性、耐食性が調整される。

加工メモ：

• 溶接には熱サイクルが加わる。耐食性と強度を一致させるには、フィラーの選択と溶接後の熱処理が重要である。

• 加工硬度と加工硬化挙動は工具の選択に影響する。

7.主要規格、試験、トレーサビリティ

規格は、化学組成の範囲、機械的試験方法、および合格基準を定義している。信頼性と規制遵守のため、購入仕様書はコンセンサス規格（ASTM、EN、ISO、SAE、UNS）を参照すべきである：

• ASTM は、製品の形状や用途に応じた化学的性質や機械的性質を規定する数百の金属規格を提供しています。

• NIST 設計計算やシミュレーションに有用な熱物性データおよび検証済み物性データセットを保持。 NIST

• ASMインターナショナル および同等の技術協会は、合金のデータシート、性能サマリー、および設計指向のガイダンスを発行している。

トレーサビリティのベストプラクティス：

• ヒート／バッチごとに、製造所試験報告書（MTR）または適合証明書を要求する。

• 重要な部品については、独立した材料分析（分光化学試験）および機械的試験結果を明記し、受入れを行うこと。

8.実用合金選択チェックリスト

新しい部品のために合金を選択する場合、これらの項目を通して作業し、仕様書に文書化する。

1. 機能要件必要な強度、疲労寿命、剛性、導電性。

2. 環境温度範囲、塩化物、酸の存在、摩耗、紫外線暴露。

3. 質量制約アルミニウム、チタン、マグネシウムを優先する）？

4. 製造方法鋳造品、機械加工品、溶接品、添加剤。

5. 表面処理メッキ、アルマイト、コーティングのどれを使うのですか？合金によっては、コーティングをより良く受け入れるものもあります。

6. コストと供給ニッケルとコバルトの価格は変動しやすい）。

7. 規格と認証規制上の制約、要求される MTR、または特別な受入試験。

8. ライフサイクルとリサイクル性使用済み製品の取り扱い、環境規制（鉛、カドミウム規制）。

9. 互換性腐食を避けるため、相手材との相対的なガルバニック電位。

10. テスト計画必要に応じて、引張試験、衝撃試験、破壊靭性試験、腐食試験を指定する。

9.比較表 - エンジニアのための迅速な検索

表5：物理特性の簡易比較（代表的な範囲）

表6：溶接に関する注意事項（全般）

10.よくある質問

Q1: 構造部品について、鉄とアルミのどちらを使うかを決める最も簡単な方法は何ですか？
A1：必要な強度対重量比、腐食暴露、コストを比較してください。重量が重要で、適度な強度があれば十分な場合は、アルミニウムが勝ることが多い。重荷重やコスト重視の大型構造物には、通常、炭素鋼や合金鋼が好まれます。接合方法と疲労挙動も確認する。

Q2: ステンレス鋼はどのように腐食に耐えるのですか？
A2: ステンレス鋼は、表面に薄いクロムリッチな酸化皮膜を形成し、さらなる酸化を抑制する。この受動層は、合金中に十分なクロムが存在し、環境条件が積極的に攻撃しない限り、損傷を受けても改質する。

Q3: アルミニウム合金は磁性を持つのですか？
A3：いいえ。アルミニウムとその一般的な合金は非磁性です。これは電子筐体や一部の特殊用途に有利です。

Q4: 超合金とはどのようなもので、どのような場合に使用しなければならないのですか？
A4: 超合金は、高温強度と耐酸化性のために設計された特殊なニッケルまたはコバルトベースの合金です。通常の鋼や従来の合金が使用できないタービンエンジン、排気装置、高温化学反応器などに使用されます。

Q5: なぜ合金には多くの商品名があるのですか？
A5: 独自加工、厳密な化学的調整、サプライヤーブランドにより、多くの商品名が存在する。エンジニアリングのためには、商品名だけでなく、規格番号や化学仕様の全文を常に参照すること。

Q6: ミル・テスト・レポート（MTR）はどのように読めばよいですか？
A6： 熱数、指定規格に対する化学成分、機械的試験値（降伏、引張、伸び）、製品形状を確認する。特殊な熱処理や表面状態の主張を確認する。

Q7: どの銅合金も同じように電気を通しますか？
A7：いいえ。純粋な銅が最も電気伝導率が高く、合金にすると伝導率が下がります。導体には高純度の銅を使用し、機械的特性や腐食性を重視する場合は黄銅や青銅を使用してください。

Q8: アルミニウム押出材はどの規格を参考にすればよいですか？
A8: ASTM B221 アルミニウム押出棒材、形材、管材、および用途や合金の選択に応じてその他のASTM/EN規格。注文書には必ず合金、調質、規格を明記してください。

Q9: 相図は合金の選択にどのように役立ちますか？
A9: 相図は、温度と組成に対する相安定性を示し、熱処理ウィンドウ、析出物のソルバス線、融解または凝固の範囲を知らせます。熱処理を設計し、ミクロ組織を制御するために極めて重要です。

Q10:重要な安全部品にはどのような試験が推奨されますか？
A10: 機械試験（引張、衝撃、破壊靭性）、非破壊試験（超音波、X線透視）、金属組織学、化学分析を組み合わせる。極端な環境では、腐食試験と、高温サービスが適用される場合はクリープ試験を追加する。

11.権威ある参考文献

• 合金 - Wikipedia
• NIST合金データ（NIST熱物性研究センター）
• ASTM金属規格 - ASTM International
• 合金ダイジェスト - ASMデジタルライブラリー（ASMインターナショナル）
• 合金鋼の組成 - ニッケル協会 (技術データシート)