金属工学

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金属工学冶金学(きんぞくこうがく、やきんがく、英語:metallurgy)とは、材料工学の一分野であるが量的には人工物の大部分を担う分野であり、金属物理的・化学的な性質についての評価や新しい金属の研究開発を行う学問である。

概要[編集]

金属は、その化学成分や不純物原子といった原子レベルから、結晶粒度や偏析といったマイクロ・ミリメートルオーダーの変化が、物理的・化学的な性質を大きく変えることが知られている。金属工学の目的はこれらの諸性質の変化の原因を追求するとともに、その制御を行うことで必要とする性質を与えることにある。

金属工学・冶金学の抱える分野は、鉱石から金属を抽出する精錬とそのバックグラウンドである物理化学電気化学、金属の性質を支配する結晶粒や組織を制御する金属組織学、金属の溶解や凝固挙動を研究・制御する鋳造工学、材料の接合を研究する溶接工学などがある。また、広義には選鉱学や金属の加工を含む。

各分野の概要を以下に示す。

精錬工学[編集]

精錬工学は、鉱物など金属の酸化物から純粋な金属に抽出する方法を研究する。抽出するためには、金属酸化物から金属にするために、物理化学的または電気化学的な方法で還元する。現在のチタンの抽出方法は高価なため、より安価な抽出方法を追求する研究がなされている。

金属精錬は水系溶媒の使用の有無や電気化学的に抽出するかどうかで以下のようにわけることができる。

  • 乾式精錬(pyrometallurgy): 金属を加熱処理などにより金属を得る精錬。水系の溶液を使わない精錬一般を指す。鉄のコークスによる還元が代表例である。
  • 湿式精錬(hydrometallurgy):金属を水系溶液に浸漬するなどして抽出する精錬。
  • 電気精錬(electrometallurgy):金属を電気化学的な方法で抽出する精錬。銅の電解精錬やアルミニウムの溶融塩電解が代表例である。

結晶学・材料組織学[編集]

前述したように、金属材料の性質はその原子レベルの格子欠陥や不純物から、比較的大きい結晶粒や組織が大きく支配する。金属工学のうち材料のミクロな原子格子レベルの研究を行う分野が結晶学、比較的マクロな結晶粒や組成、組織を研究する分野が材料組織学である。

一例を挙げると、純金属は軟らかいため大部分の金属は黄銅ジュラルミンのように合金の形で使用されるが、結晶学では合金元素の侵入に伴う格子のゆがみや転位を研究するのに対し、材料組織学では顕微鏡で観察できるような組織を研究する。

特に、鋼として知られる重要なFe-C二元系合金についてはよく研究されてきた。現在では、様々な合金の平衡状態図という合金設計のための地図が整備されてきている。

破壊力学・塑性力学[編集]

金属はプラスチックより耐熱性に優れ、大部分は硬くセラミックスより強靭であるため、構造材料として多く使われている。この際、材料の信頼性を構築するために重要な事は、材料が破壊してしまわないことである。

更には、化石燃料を大気に開放するといった地球温暖化の弊害側面をリサイクルによって補える工業材料である。一定加重が負荷されている場合、短期的に見ると変形しない材料も、十年・二十年と長時間に渡る加重負荷の環境下では、次第に変形し破壊に至ることもある。

この様な金属の変形に関する現象の解明を金属工学では、ミクロ的転位の移動による塑性変形に対象を当てて研究を行う(転位論)。なお、機械工学の一分野の材料力学では、よりマクロ的に研究を行い、一般的には転位の運動については取り扱わない。

腐食防食学[編集]

金属は白金などの貴金属を除き、大抵は酸化物の状態が安定である。そのため、精錬(還元)された状態で使用される金属は酸化して酸化物に戻ろうとする。このようなプロセスを腐食という。

このような腐食が起こると、その金属に備わった機能が失われてしまう。腐食に関する工学が腐食・防食工学であり、物理化学的あるいは電気化学的な手法を用いて、腐食を防ぐ方法や腐食速度を出来る限り遅くさせる方法、腐食して使用できなくなるまでの時間(寿命)を見積もる方法、腐食がどのような条件で起こるかなどを研究している。

材料加工学[編集]

金属と金属をつなぐ技術である、溶接接合はんだなども取り扱う。また、効率の良い加工法を追求するために、凝固鋳造鍛造粉体加工(粉末冶金)の新たなる加工プロセスが研究されている。

鉄鋼材料分野[編集]

鉄鋼材料は、現在でも全金属の消費量トン数割合で約95%を占めるほど重要な金属である。そのような鉄鋼材料の更なる強化、高耐食性、環境負担の少ない生産方法などを追求する研究がなされている。金属工学(冶金学)のうち、鉄鋼に関する分野を鉄鋼冶金と呼ぶことがある。

機能性金属材料の開発[編集]

金属工学の物理評価・応用としては導電性磁性がある。超伝導も扱っている。例えば、送電線電線集積回路の接合に使われるアルミニウムなどの電子材料に応用されている。この技術は、金属の導電性を活用している。半導体材料ではほぼ100%に近い成分に添加する不純物の量を制御することによって性能を発揮させている。また、実用的な超伝導性物質を探索するために、日々新しい合金が作られている。

また、電気接点材料として銅、軽金属としてアルミニウム、チタン、マグネシウムが実用上重要な金属であり、研究も進められている。レアメタルに関する研究も進められている。新なる金属材料として、アモルファス金属ガラスがある。

金属材料の評価手法[編集]

金属の評価のために、様々な測定法や測定機具が開発されている。代表的な測定法・測定機具には、引張試験硬さ試験X線回折走査型電子顕微鏡透過型電子顕微鏡原子間力顕微鏡などがある。そして、原子レベルの挙動をシミュレーションするために、コンピュータを使用することもある。

金属工学の分野[編集]

名称[編集]

金属工学と似た学問分野の名称に金属学金属物理学)があり、2つの学問の対象とする領域は一致する。異なるのは金属に対する姿勢であり、より工学的な発想に立ち目標の達成を目指す場合には金属工学を、より物理学的な発想に立ち、理論の構築などと言った自然の法則を追究する際には金属学を使う。しかし言葉の使用者の好みや、対置する他の学問分野の名称等にも左右されることが多く、明確な言葉の使い分けはなされていないと考えてよい。

大学の金属工学科は、初めは金属のみについて研究していたが、次第にセラミックス半導体材料など非金属も扱うようになり、対象領域が拡大していった。そのため、近年では大学の学科名が金属工学科から材料工学科と改称されることが多くなった。

なお、金属を制御することを意味する冶金という言葉は、日本においては『冶』の字が当用漢字外となったことから、制限漢字表である当用漢字の制定以降は金属学への言い換えの他、『や金』のような交ぜ書きがなされるようになった。現在でも『冶』は教育漢字はおろか、常用漢字にも含まれないために初等・中等教育では忌避される。しかしながら、中国などではこの用法は圧倒的に多く、日本でも日本冶金や粉末冶金協会、冶金研究所などが見受けられ、考古学系での記述など多く使われており、漢字文化圏の用法としてはこちらが主流である。

関連項目[編集]

外部リンク[編集]