Alloy - Goukin (English spelling) alloy

Japanese: 合金 - ごうきん（英語表記）alloy

When a metal is melted with other metallic elements, or non-metallic elements such as carbon or boron, it is called an alloy. The added elements are called alloying elements, and this process is called alloying.

Pure metals are rare among the metal products we use in our daily lives; most are alloys. Even what is generally thought of as pure metals can be considered alloys because their characteristics are achieved by adjusting trace elements.

It is not always necessary to melt the metals together to create an alloy. If finely powdered metals are mixed together, compressed and shaped, and heated to high temperatures, a reaction will occur even below the melting point of the component elements to create an alloy. This technology is called powder metallurgy, and is similar to the method used to make ferrite magnets and ceramic products. There is also a method in which metal A is attached to metal B by plating or vacuum evaporation, and then the resulting mixture is heated to cause a reaction to create an alloy. Alloys made of two types of components are called binary alloys, those made of three types are called ternary alloys, and those made of even more components are called multi-component alloys.

There are two main purposes for making alloys. The first is to make use of the characteristics of the base metal and further improve it, and the second is to make up for or improve the shortcomings of the base metal, if any, or to create a material with completely new properties.

A plate made of high-purity iron will bend easily if a little force is applied, but if a rod is made from an alloy containing a small amount of carbon (only 0.7% to 1% by weight -- about 3% to 4% in atomic terms) (called high-carbon steel) and then heated to red heat and rapidly cooled (quenched), it becomes extremely hard. As it is hard and brittle in this state, it is heated slightly and annealed to make it tougher, and is then used to make blades for cutting metal, files, and drills for making holes. Aluminum is a soft metal, but alloys containing a few percent of copper or zinc can become as strong as steel if subjected to the appropriate heat treatment, and are used in aircraft materials and in items that require lightness and strength, such as skis, rackets, and baseball bats (duralumin).

Currently, it is said that there are between 30,000 and 40,000 alloys in use around the world, with more than 1,000 new alloys being developed each year.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Alloy structure

When alloying elements are added to metals, they may dissolve atomically, forming what is known as a solid solution (so named because they are uniformly dissolved in a solid state, like a liquid). Depending on the combination of metals, solid solutions may form over a wide range of compositions, or they may form solid solutions over all ratios (complete solid solutions). Combinations such as copper and nickel, and silver and gold are examples of complete solid solutions.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Substitutional Solid Solutions

Solid solutions can be broadly divided into substitutional ( Figure A ) and interstitial. When copper is alloyed with nickel, nickel gradually replaces the positions of the crystal lattice that are occupied by copper atoms. This replacement is usually random, but in some cases, certain positions are replaced regularly. A solid solution with regular replacement is called an ordered alloy, and such a crystal lattice is called a superlattice, superlattice, or superlattice. Gold and copper alloys are a typical example of this, and a gold alloy such as 12K gold is an example. In gold alloys, pure gold is 24K gold (or karat), and the weight of the gold contained is expressed as 12K gold. In other words, 12/24 is gold and the remaining 12 is copper. In decorative 12K gold (which contains a small amount of silver to adjust the color), the gold atoms and copper atoms are arranged regularly as shown in Figure B. In terms of atomic ratio, there are 3 copper atoms to 1 gold atom. At first glance, Figure B appears to have 8 gold atoms and 6 copper atoms. However, the gold atoms at the corners are shared by eight lattices, and the copper atoms are shared by two lattices, so when considering the crystal as a whole, the ratio of gold to copper is 1:3. When the amount of gold is further increased to 18K, the atomic ratio becomes 1:1, and the faces occupied only by gold atoms and the faces occupied only by copper atoms are arranged alternately.

The regular arrangement becomes gradually disordered as the temperature is raised, and above about 400°C, the gold and copper atoms are randomly distributed at the lattice points. If the temperature is lowered, the orderly arrangement returns to the original order (in practice, slow cooling or appropriate heat treatment is required). This phenomenon is called superlattice transformation or order-disorder transition, and is similar to the phenomenon in which ferromagnetic metals such as iron and nickel change from ferromagnetic to paramagnetic when the temperature is raised, and is called a cooperative phenomenon (or a cooperative phenomenon). In order for the added metal atoms to form a substitutional solid solution and dissolve, it is necessary that the atomic size of the added metal and the solvent metal differ by no more than 10%, and that the physical and chemical properties are similar. Therefore, many elements of the same group form solid solutions over a wide range of compositions. However, when looking at the relationship between gold, silver, and copper, which are all in the same family, gold and silver (both have an atomic radius of 1.44 Å) dissolve in all proportions, while gold and copper (atomic radius 1.28 Å) form a solid solution at high temperatures, but as the temperature drops, a superlattice appears. Also, silver and copper only form a solid solution at a few percent.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Interstitial solid solutions

A considerable amount of carbon dissolves in iron. The size of a carbon atom is smaller than an iron atom (about two-thirds that of iron), so the carbon atom fills the gaps in the crystal lattice made by the iron atoms. Steel is an alloy of iron and carbon in this form. At high temperatures of about 1100°C, about 2% of carbon dissolves in iron by weight, or about 9% by atomic ratio. The wide variety of properties of steel are due to the carbon that has dissolved in this way. This type of solid solution is called an interstitial type ( Figure C ), interruption type, or interstitial type solid solution. Other examples include iron and nitrogen, and titanium and oxygen or hydrogen.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Intermetallic Compounds

There are alloys in which the component metals are bonded in relatively simple proportions, have different crystal structures from the component metals, and exhibit significantly different properties, such as a higher melting point than the component metals. Some of the components may be semimetallic or nonmetallic, and ternary and quaternary alloys are also known. These alloys generally have metallic properties, often exhibit bond ratios that are independent of the valence of the chemical bonds, and exist in either a uniform composition or a wide range of compositions. As such, they are called intermetallic compounds, or more commonly, intermediate phases. Some are also called secondary solid solutions.

Among intermetallic compounds, there are some that exhibit extremely high melting points and unique electrical and magnetic properties, and in recent years, they have been attracting attention as new promising materials. Niobium alloys used in superconducting wires, tungsten carbide in cemented carbide tools, rare earth magnets, shape memory alloys, and hydrogen storage alloys are all intermetallic compounds. Gallium arsenide, which is used in light-emitting diodes, can also be considered a type of intermetallic compound.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Eutectic alloy

There are alloys in which metal A and metal B appear to be well mixed, but when magnified under a microscope, two types of fine crystals are visible, and they are not atomically mixed like solid solutions. In this state, metal A and metal B form a eutectic, and they are called eutectic alloys. The word eutectic is also used in the field of chemistry. If there are two components, it is called a binary eutectic, and if there are three components, it is called a ternary eutectic. Since eutectic alloys are finely mechanically mixed with component metals (in most cases, a small percentage of A is solid-dissolved in B, and A is solid-dissolved in B), the physical properties are simply the average of the components, but the mechanical properties can be unique because they are finely mixed. For example, there are known examples of superplasticity, where when pulled slowly, the alloy can stretch to 10, 20, or even 200 times its original length, like a candy.

When the temperature drops, a homogeneous solid state can undergo a reaction similar to that of a eutectic and separate into two crystals. This is called a eutectoid alloy. Eutectoid alloys of zinc and aluminum (about 20% by weight) exhibit great superplasticity and are used as practical materials.

Eutectic alloys generally melt at a much lower temperature than the component metals because the entropy of the system increases when they are mixed. The melting points of gold are 1063°C, silicon about 1400°C, and germanium about 940°C, but the eutectic of gold and silicon melts and becomes liquid at 370°C, and the eutectic of gold and germanium melts and becomes liquid at about 360°C. One reason for using eutectic alloys such as solder to join metals is their low melting points. Eutectic liquids have good fluidity, so they are used to make precision castings. Type alloys are based on ternary eutectic alloys of lead, antimony, and tin. Cast iron castings use eutectic alloys of iron and carbon. When 4% (by weight) of carbon is added to iron, the melting point drops by 400°C from about 1540°C to about 1150°C, making it easy to melt. A quaternary eutectic alloy of lead, bismuth, tin and cadmium is called Wood's alloy, which melts at 60°C. It was used as a safety valve in fuses and other devices.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Phase Diagram

When making an alloy by adding several elements, the change in state depending on the amount added (up to what composition a solid solution can be formed) and the change depending on temperature (at what temperature does it melt) are illustrated in a phase diagram. Two examples, silver and gold, and copper and gold, are shown in Figure D. Phase diagrams are likened to maps, and provide important information in the research of metals and the manufacture, development, and use of materials. In reality, they are quite complicated, so even binary systems are not fully understood in many cases. Ternary and quaternary systems are difficult to illustrate, and only alloys with combinations that are particularly important industrially have been studied.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Various alloys

Brass is an alloy of copper and zinc, with low zinc content being processed into plates and rods, while high zinc content is widely used for castings. Bronze (also called gunmetal) is an alloy of copper with a few percent to 20% tin, lead, zinc, etc., and has been used for castings for a long time. Solder is an alloy of lead and tin, and comes in various compositions depending on the application, but is used to join metal materials at low temperatures. Lead pollution in the environment has become a problem, and lead-free solder (such as Sn-Ag-Cu) is used after much effort, but the problem has not yet been solved. Copper alloys and silver alloys are used as "brazing materials" for high-temperature joining. Stainless steel is iron with about 13% chromium and carbon for cutlery, and when corrosion resistance is important, an alloy system with 18% chromium and 8% nickel (both by weight) is used. Depending on the usage environment, metals such as niobium and molybdenum are added at rates of 1 to 2%, and the amounts of chromium and nickel also vary.

The 100 yen and 50 yen coins currently in circulation are made of an alloy called cupronickel, which is an alloy of copper and nickel. Silver coins are mainly made of silver with 10% copper, called coin silver, but in the past, Japanese silver coins also contained zinc (genuine silver coins were used for the commemorative coins of the Tokyo Olympics). Aluminum bronze is an alloy of about 80% to 90% copper, about 6% to 12% aluminum, and small amounts of iron, nickel, and manganese. It has excellent corrosion resistance and strength, and is used for ship parts, etc. In addition, copper alloys other than brass are customarily called "XX bronze", but they do not necessarily contain tin. German silver (industrially called German silver) used for medals and Western tableware is an alloy of copper with zinc and nickel, and when polished it turns a beautiful silver-white color. It does not contain any silver. It is also used as a spring material, etc.

Duralumin is a well-known aluminum alloy. It contains about 4% copper, as well as small amounts of magnesium, manganese, silicon, etc. When it is heated to about 500°C and then rapidly cooled and left to stand, the alloying elements dissolve in the aluminum at high temperatures, but this state is unstable at low temperatures and attempts to transition to a stable precipitated state. At this time, distortion occurs within the crystals, causing them to harden. This phenomenon is called age hardening, and was discovered by chance around 1910 by Wilm of Germany. Duralumin was used by Germany in World War I as the framework of aircraft, and was also used in Zeppelin airships. Further improved versions include super duralumin and extra super duralumin. Extra super duralumin, developed in Japan in the 1930s, is called ESD, and is famous for being used as the wing spars of the A6M Zero fighter. It has now been further improved and is the strongest aluminum alloy. High-performance, heat-resistant alloys for jet engines contain nickel in clever combinations of over a dozen elements, including chromium, cobalt, tungsten, aluminum, titanium, niobium, and tantalum.

Cast iron, which is used in iron castings such as manhole covers, stoves, iron pots, and iron kettles, is an alloy of iron with 2-3% carbon and about 1% silicon, and is different from steel. It has a low melting point and is easy to cast, so it is used in a variety of structures, but recently, cast iron that can be forged by overcoming its brittleness has been developed, making it a material with a wide range of performance capabilities.

In some alloys, non-metallic elements play an important role. Non-metallic elements such as boron, nitrogen, phosphorus, and sulfur are also used to improve various properties of steel.

[Seizo Nagasaki and Makoto Hirabayashi, April 17, 2015]

History of alloy development

Humans have come across alloys by chance and have used them. Metallic meteorites are alloys of iron and nickel, and ancient bronze is also thought to have been a product of chance. Native gold is also an alloy that contains a large amount of silver.

It was much later that people intentionally mixed metals together to create alloys and obtain the desired properties. However, this was ultimately the product of numerous trial and error attempts and coincidences. It was over 100 years ago that people were able to use a microscope to see that metals and alloys are collections of minute crystals. It was not until the second half of the 1920s that the arrangement of atoms in alloys was revealed using phenomena such as X-ray diffraction, neutron diffraction, and electron diffraction. This led to the distinctions between solid solutions, eutectics, and intermetallic compounds, and the first understanding of how they are formed.

As the roles of alloying elements have become clearer, attempts have been made to intentionally mix metals to create alloys with the desired properties, but it is difficult to predict the properties of an alloy, and in many cases the properties cannot be known without actually making it. Therefore, a current method is to create many alloys with slightly different compositions and select the desired one from among them. Recently, with the accumulation of data, it is becoming possible to a certain extent to design and create alloys with the desired properties.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

R&D and Equipment

The properties of alloys can change dramatically due to changes in the structure of minute impurities. Therefore, the development of highly sensitive and accurate analytical methods and the development of methods for examining alloy surfaces and minute inclusions plays an important role in the development of applications for metal materials and the improvement of their performance. These instruments, which utilize ultrasound, light, X-rays, electron beams, plasma, etc., include electron microscopes, scanning electron microscopes, X-ray fluorescence analyzers, and induction plasma emission analyzers, and have made remarkable progress in recent years.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

"Metallurgy for 1 Million People: Basics," edited by Koda Shigeyasu (1965, Agne; reprint edition, 2003, Agne Technical Center)" ▽ "Metallurgy for 1 Million People: Materials," edited by Mishima Yoshinori (1966, Agne)" ▽ "Metals Editorial Department: Dictionary of Metals," edited by Metals Editorial Department (1978, Agne)" ▽ "Alloys," written by Matsuyama Yoshiharu (1979, Tamagawa University Press)" ▽ "The Fundamentals and Industrial Technology of Copper and Copper Alloys, revised edition (1994, Japan Copper and Brass Association)" ▽ "Metal Talk," written by Iguchi Hiroo, revised edition (1995, Baifukan)" ▽ "Strength of Aluminum Alloys," edited by Kobayashi Toshiro (2001, Uchida Rokakuho)" ▽ "JIS Handbook 51: Metal Analysis (2) Non-ferrous, edited and published by the Japanese Standards Association (2014)" ▽ "Civilization Behind the Metal Lattice by Yukio Yamaguchi (Shakai Shisosha, Modern Culture Library)"

Model of substitutional solid solution (Figure A)
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Model of substitutional solid solution (Figure A)

Superlattice transformation (Fig. B)
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Superlattice transformation (Fig. B)

Model of interstitial solid solution (Fig. C)
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Model of interstitial solid solution (Fig. C)

Phase diagram of alloys (silver and gold, copper and gold) (Figure D)
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Phase diagram of alloys (silver and gold, copper and gold) (Figure D)

Main alloys and their components
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Main alloys and their components

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

ある金属に、他の金属元素、あるいは炭素、ホウ素などの非金属元素を添加して、溶かし合わせたものを合金とよび、添加する元素のことを合金元素、またこのような操作を合金させるという。

　われわれの身の周りで使われている金属製品には、純金属はまれにしか存在せず、そのほとんどが合金である。一般に純金属と思われているものでも、微量の元素を調節することによって特質を出しているので、これらは合金とみなすこともできる。

　合金をつくるには、溶かし合わせる必要はかならずしもない。微粉にした金属を混ぜ合わせ、圧縮成形して形をつくり、高温に加熱してやると成分元素の融点以下でも反応がおこって合金ができる。粉末冶金(やきん)とよばれる技術であるが、この方法はフェライト磁石や、セラミックス製品をつくるのと同様である。またA金属にB金属をめっきや真空蒸発で付着させたものを、加熱して反応させ合金をつくる方法もある。2種類の成分からなっているものを二元合金、3種類のものを三元合金、さらに多くなると多元合金とよぶ。

　合金をつくる目的には大別して二つある。第一はそのベースの金属の特色を生かしてそれをいっそう改良するためであり、第二はベースの金属の欠点をある場合は補い、改良し、またまったく新しい特性をもった材料をつくりだすことである。

　高純度の鉄でできた板は、すこし力を加えれば容易に曲がってしまうが、わずかの炭素（重さでわずか0.7％から1％――原子の割合で3％から4％ぐらい）を合金させた材料で棒をつくり（高炭素鋼という）、赤熱してから急冷する（焼きを入れる）と非常に硬くなる。このままでは硬くもろいので、すこし温度を上げてなまして粘りをもたせ、金属を削る刃物、やすり、穴をあけるためのドリルにする。アルミニウムは軟らかい金属であるが、これに銅や亜鉛が数％入った合金は、適当な熱処理をしてやると鋼(はがね)に匹敵するほど強くなり、航空機の材料や、スキー、ラケット、野球のバットといった軽くて強さを必要とするものに使われる（ジュラルミン）。

　現在、世界中で使用されている合金の数は、3万から4万といわれ、毎年1000以上もの合金が新たに開発されている。

［長崎誠三　2015年4月17日］

合金の構造

金属に合金元素を添加したとき原子的に溶け込んで、いわゆる固溶体（溶液のように固体状態で均一に溶け合っているというのでこう名づけられた）が形成される場合がある。金属の組合せによっては、広い組成範囲で固溶体をつくることも、またすべての割合にわたって固溶体を形成すること（全率固溶体）もある。銅とニッケル、銀と金などの組合せは全率固溶体の例である。

［長崎誠三　2015年4月17日］

置換型固溶体

固溶体には大別して置換型（図A）と侵入型との2通りがある。銅にニッケルを合金させてゆくと、銅の原子が占めている結晶格子の位置をニッケルが順次置き換えてゆく。この置換の仕方は普通でたらめであるが、規則的に一定の位置を置換してゆく場合もある。規則的に置換された固溶体を規則合金とよび、このような結晶格子を規則格子、超格子、または重格子という。金と銅の合金はこの典型的な例で、具体的には12金などの金合金が例としてあげられる。金合金では純金を24金（またはカラット）として、含まれている金の重量で12金といった表し方をする。つまり24分の12が金、残り12が銅というわけである。装飾用12金（色調を整えるため銀などを若干入れる）では、図Bのように金原子と銅原子は規則的に並んでいる。原子の割合でいえば銅3に対して金は1である。図Bでは一見すると金原子が8個、銅原子が6個のようにみえる。しかし隅にある金原子は8個の格子に、銅原子は2個の格子に共有されているから、結晶全体を考えれば金1に対し銅3の割合になる。さらに金の量が増して18金になると原子の割合では1対1となって、金原子だけで占められる面と、銅原子だけで占められる面とが交互になった配列となる。

　規則的配列は温度を上げてゆくとしだいに乱れてきて、約400℃以上では金原子と銅原子とはでたらめに格子点に分布するようになる。温度を下げれば、またもとの秩序正しい配列に戻る（実際にはゆっくり冷やすか、適当な熱処理をする必要がある）。この現象は規則格子変態とか規則・不規則転移とよばれ、鉄やニッケルなどの強磁性金属が温度が上がると強磁性から常磁性に変わるのと同様な現象で、協同現象（あるいは協力現象）とよばれている。添加された金属原子が置換型の固溶体をつくって溶け込んでゆくためには、溶媒になる金属と原子の大きさが違っていてもせいぜい10％どまりであること、物理的・化学的性質が似ていることなどが必要である。したがって同族の元素どうしでは広い組成範囲で固溶体をつくるものが多い。しかし、同族でも金、銀、銅の関係をみると、金と銀（原子半径はともに1.44Å）はすべての割合で溶け合うが、金と銅（原子半径1.28Å）では高温では固溶しあうが、温度が下がると規則格子が現れる。また、銀と銅とではそれぞれ数％しか固溶しない。

［長崎誠三　2015年4月17日］

侵入型固溶体

鉄にはかなりの量の炭素が溶け込む。炭素原子の大きさは鉄原子に比べて小さく（鉄の約3分の2）、炭素原子は鉄原子のつくる結晶格子のすきまに入ってゆく。鋼はこのような形の鉄と炭素の合金である。炭素は約1100℃の高温では重量で約2％、原子の割合では約9％も鉄の中に溶け込む。鋼の多種多様な性質はこのようにして溶け込んだ炭素に起因している。このような固溶体を侵入型（図C）とか割り込み型、または格子間型の固溶体とよぶ。このほか鉄と窒素、チタンと酸素あるいは水素との場合にこのような例がある。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属間化合物

成分金属が比較的簡単な割合で結合していて、成分金属とは違った結晶構造をもち、また融点が成分金属より高くなるなどかなり異なった性質を示す合金がある。成分の一部が半金属のことも非金属のこともあり、三元、四元といったものも知られている。これらの合金の性質は一般的に金属的であり、多くの場合化学結合の原子価とは無関係な結合比を示し、一定の組成だけで存在するものも、また広い均一組成範囲のものもあるので、金属間化合物とよばれ、より一般的には中間相という。また二次固溶体とよばれるものもある。

　金属間化合物のなかには著しく高い融点を示すもの、特有な電気的・磁気的性質を示すものなどがあり、近年、新しい有望な材料として注目されている。超伝導線に使われるニオブの合金、超硬工具のタングステン・カーバイド、希土類磁石、形状記憶合金、水素貯蔵合金などはいずれも金属間化合物である。発光ダイオードなどに使われるガリウム・ヒ素なども金属間化合物の一種といえる。

［長崎誠三　2015年4月17日］

共晶合金

A金属とB金属とがよく混ざり合っているようにみえるが、顕微鏡で拡大してみると細かい2通りの結晶が見え、固溶体のように原子的には混ざり合っていない合金がある。このような状態をA金属とB金属が共晶をつくったといい、共晶合金とよんでいる。なお化学の分野では共融ということばが使われている。2成分の場合は二元共晶、3成分では三元共晶とよぶ。共晶合金は成分金属（多くの場合はわずかの割合でAにBが、またBにAが固溶したもの）が細かく機械的に混ざり合ったものであるから、物理的性質などは成分の単なる平均値になるが、機械的性質は、細かくなったために特有な性質を示すことがある。すなわち、ゆっくり引っ張ると飴(あめ)のように10倍、20倍さらに200倍もの長さに伸びる超塑性という現象を示す例が知られている。

　均一な固体状態が、温度が下がると共晶と同様な反応をおこして二つの結晶に分かれることがある。これは共析合金とよばれる。亜鉛とアルミニウム（重さで約20％）の共析合金は大きな超塑性を示し、実用材料として利用されている。

　共晶は混ざり合うことで系のエントロピーが増すために、成分金属より一般にかなり低い温度で溶ける。金の融点は1063℃、シリコンは約1400℃、ゲルマニウムは約940℃であるが、金、シリコンの共晶は370℃、金、ゲルマニウムの共晶は約360℃で溶けて液体となってしまう。金属の接合用にはんだなどの共晶合金が利用されるのは、一つにはこの低融点のためである。また共晶組成の液体は流動性がよいので精密な鋳物をつくることに利用される。活字合金は鉛とアンチモンとスズの三元共晶合金が基本となっている。鋳鉄鋳物には鉄と炭素との共晶が利用されている。鉄に炭素が4％（重量）入ると融点は約1540℃から400℃も下がって、1150℃くらいになり容易に溶けるようになる。鉛とビスマス、スズおよびカドミウムの四元共晶合金はウッド合金とよばれ、60℃で溶けてしまう。ヒューズなどの安全弁として利用されていた。

［長崎誠三　2015年4月17日］

状態図

いくつかの元素を加えて合金をつくるとき、加えた量による状態の変化（どういう組成まで固溶体ができるか）、温度による変化（何度で溶けるか）などを図示したものを相図(そうず)とか状態図という。銀と金、銅と金の2例を図Dに示した。状態図は地図に例えられ、金属の研究、材料の製造・開発・使用にあたって重要な情報を提供してくれる。実際にはなかなか複雑なので二元系についても十分わかっていないものが多い。三元、四元となると図示するのもむずかしく、工業的にとくに重要な組合せの合金についてだけ研究されているにすぎない。

［長崎誠三　2015年4月17日］

合金のいろいろ

黄銅（真鍮(しんちゅう)）は銅に亜鉛を10％から45％（重量で）加えた合金で、亜鉛の少ないものは板や棒に加工され、多いものは鋳物として広く利用される。青銅（砲金ともいわれる）は銅にスズが数％から20％入り、さらに鉛、亜鉛などが入った合金で、鋳物に古くから使われている。はんだは鉛とスズの合金で、用途によっていろいろな組成のものがあるが、低温での金属材料の接合用に使われる。自然への鉛汚染が問題となり、鉛を含まない「鉛フリーはんだ」（Sn-Ag-Cu系など）を苦心の末使用しているが、課題はまだ解決していない。高温での接合用には銅合金、銀合金などが「ろう」として使われる。ステンレスは、刃物などには鉄に13％程度のクロムが入りかつ炭素の入ったものが使われ、耐食性を重視する場合にはクロム18％、ニッケル8％（いずれも重さで）といった合金の系統が使われる。使用環境に応じて、ニオブとかモリブデンといった金属が1～2％程度添加され、クロムやニッケルの量にもいろいろある。

　現在発行されている100円、50円の硬貨に使われているのは白銅といわれる合金で、銅にニッケルが合金されている。銀貨にはコイン・シルバーといって銀に10％銅の入ったものが主として使われているが、かつての日本の銀貨にはさらに亜鉛が加えてあった（東京オリンピックの記念硬貨には正真正銘の銀貨も使われたことがある）。アルミニウム青銅は、銅約80％～90％にアルミニウムが約6％～12％、ほかに鉄、ニッケル、マンガンがわずかに入った合金であり、耐食性、強度に優れ、船舶用部品などに使われる。なお、黄銅以外の銅合金のことを○○青銅という習慣があるが、かならずしもスズが入っているわけではない。メダルや洋食器に使われる洋銀（工業用語では洋白）は銅に亜鉛とニッケルの入った合金で、磨くと銀白色の美しい色合いになる。銀はまったく入っていない。ばね材料などとしても使われる。

　アルミニウムの合金としてはジュラルミンがよく知られている。これは銅を約4％、ほかにわずかのマグネシウムやマンガン、シリコンなどを含んでいる。500℃ぐらいに熱したのち急冷して放置しておくと、高温では合金元素がアルミニウムに固溶しているが、この状態は低い温度では不安定で、安定な析出した状態に移ろうとする。このときに結晶のなかには、ひずみが生じて硬くなる。このような現象を時効硬化といい、1910年ころドイツのウィルムが偶然のきっかけで発見した。ジュラルミンは航空機の骨組として第一次世界大戦でドイツにより使用され、ツェッペリン飛行船にも使われている。さらに性能を改良したものとして超ジュラルミン、超々ジュラルミンがある。日本で昭和10年代に開発された超々ジュラルミンはESDとよばれ、零式戦闘機の翼桁(よくけた)材として使われたので有名である。現在はさらに改良されてもっとも強力なアルミニウム合金となっている。ジェットエンジン用の高性能の耐熱合金には、ニッケルにクロム、コバルト、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオブ、タンタルなど10いくつもの元素が巧みに組み合わされて配合されている。

　なお、鉄の鋳物としてマンホールの蓋(ふた)、ストーブ、鉄鍋(なべ)、鉄瓶などに使われる鋳鉄は、鉄に炭素が2～3％、さらにシリコンが1％程度入った合金で、鋼とは違ったものである。溶ける温度も低く、鋳物としやすいのでいろいろな構造物に使われるが、最近は、もろさを克服して鍛造することができるものが開発され、多彩な性能をもった材料になっている。

　合金のなかには非金属元素が重要な役割を演じているものがある。ホウ素や窒素、リン、硫黄(いおう)といった非金属元素も鋼の性質をいろいろ改良するのに使われる。

［長崎誠三・平林　眞　2015年4月17日］

合金開発の歴史

人類は偶然のきっかけで合金と巡り会い利用してきた。金属系の隕石(いんせき)は鉄とニッケルの合金であり、古来の青銅も偶然の産物と思われる。また自然金は銀をかなり含んだ合金である。

　金属と金属とを混ぜて意識的に合金をつくり、目的とする性質を得ようとしたのは、かなり時代が下がった後のことである。しかしそれはあくまでも数多くの試行錯誤の繰り返しと偶然との産物であった。金属や合金が微細な結晶の集まりであることが、顕微鏡を使ってわかるようになったのは、100年以上前のことである。そして、合金のなかでの原子の配列状態が、X線回折、中性子線回折、電子回折といった現象を利用して明らかにされるようになったのは、1920年代の後半からである。これにより、固溶体、共晶、金属間化合物といった区別も明らかとなり、それらの成り立ちも初めて理解されるようになった。

　合金元素の役割が明らかになるにつれ、意識的に金属を混ぜ合わせて、目的とする性質をもった合金をつくることが試みられるようになったが、合金の性質を予測することはむずかしく、実際につくってみなければわからないことが多い。そこで、わずかずつ配合を変えたものを多数つくり、そのなかから目的のものを探し出すというやり方も現在行われている。最近ではデータの蓄積が進んで、ある程度、目的とする性質をもった合金を設計してつくりだすことが可能となりつつある。

［長崎誠三　2015年4月17日］

研究開発と機器

合金の性質は微量な不純物組織の変化によって著しく変わることがある。したがって、感度が高く精度のよい分析手段の開発や、合金表面、微小な介在物などを調べる手段の発達が、金属材料の用途の開発、性能の向上に重要な役割を演じている。超音波、光、X線、電子線、プラズマなどを利用したこれらの機器として、電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、蛍光X線分析装置、誘導プラズマ発光分析装置などがあり、近年の発達には目覚ましいものがある。

［長崎誠三　2015年4月17日］

『幸田成康編『100万人の金属学　基礎編』（1965・アグネ／復刻版・2003・アグネ技術センター）』▽『三島良績編『100万人の金属学　材料編』（1966・アグネ）』▽『金属編集部編『金属を知る事典』（1978・アグネ）』▽『松山芳治著『合金』（1979・玉川大学出版部）』▽『『銅および銅合金の基礎と工業技術』改訂版（1994・日本伸銅協会）』▽『井口洋夫著『金属の話』改訂版（1995・培風館）』▽『小林俊郎編著『アルミニウム合金の強度』（2001・内田老鶴圃）』▽『日本規格協会編・刊『JISハンドブック51　金属分析(2)非鉄』（2014）』▽『山口幸夫著『金属格子の中の文明』（社会思想社・現代教養文庫）』