金層材料
(一)金属材料の性質
工業上必要な金属の純粋なもの
は殆どなく若干の不純物を含むものである。銅、鉛、亜鉛、
アルミニュウム、金、銀、水銀、白金等の外は、単一の金属
として利用されることはほとんどなく、2種類以上の金属を
合金として作った金属が実用価値を持つことが多い。
金属は、前表に掲げた様に温度を加えると膨脹レ、熱およ
ぴ電気の良導体であるが、一般性質として次に掲げる性質を
持つて居るものがあり、この性質のあるものが工業的に利用
されるのである。
(1)可鋳性
金属を高温にて溶融して流体(所謂湯)とし、錆型に流し
込んで型通りの鋳物が出来るか否かが可鏑性であり、冷却凝
固したときの収縮の少いことが必要である。
(2)展性およぴ延性
板の様に引伸し得る性質が展性、線に延ぱせる性質が延性
で、これ等の性質は鍛錬加工し得る性質即ち可鍛性と合致す
るもので、金属の種類およぴ温度により程度を異にし、常温
度に於ける展延性の順序は、金を第一とし銀、アルミニュウ
ム、銅、錫、白金、鉛、亜鉛、鉄、ニッケルがこれに次ぐ。
(3)強度
外カに対してどれだけ抵抗出来るかという割合を強度という。
外カの種類即ち伸張カ、圧縮カ、剪断カに対する抵抗
力を区別して引張強度(抗張力)、圧縮強度(抗圧力)、剪断強度と呼んでいる。
一般に材料の強度は、引張強度即ち抗張力で表わす。
材料の試験片を試験機で引張り、その切れたときのカをそ
のときの材料の単位断面積で割つた数で表わす。例えぱ、
35kg/m㎡という様に示す。この試験の途中で材料が伸びた
割合を伸長率と称する。
鉄の抗張力は大きいが、アルミニュウムの如きは小さい。
(4)硬度
物体を他の物体で押しつけた時にその物体の変形に対する
抵抗力の大きさを硬度といっているが、これを測るにはプリ
ネル、ロックウェル、ウイカース、ショア硬度計などがある。
硬度と強度との間には次の様な簡単な関係があるので、硬度
試験から直ちに引張強度の値が推算される。
引張強度=C×プリネル硬度
Cは材料の種類により異なり次の様な値をとる。
C=0.36(鋼)、0.34(ニッケルクローム鋼)、0.33(ア
ルミニュウム)、0.55(銅合金、加工せるもの、焼鈍
せるもの)、0.37(ジュラルミン)
(5)腐蝕性
白金とか金の様な金属は化学的に極めて安定であるが、鉄、
アルミニュウム、マグネシュウム等は、大気中に放置して置
くと大気中の酸素、水分等と結びつき、金属本来の安定な状
態となり易い。この現象を金属が腐蝕するという。
(6)結合性
二つ以上の金属を混ぜてとかずと色々の炊態で結合する。
即ち、両者が化合する、一方が他方の中に溶解する、分離し
て存在するという三つの状態に分けられる。これは両金属の
種類およぴ配合の割合によっても状態が種々変つて来るが、
これにより両金属の強度とか耐酸性とか鋳造性等の両金属の
欠点を補い、または単体では持つて居ない有利な性質を持っ
たものを作ることが出来る。
(7)熱処理性
金属をある温度に加熱して急激に冷却するかまたは徐々に
冷却することにより、硬度を増加レまたは軟靱性を與えるこ
とが出来る。
焼準(やきならし)
組織のゆがんだものや粗大なものを正常な形に直すために、
ある温度に加熱してその温度に数十分保った後空気冷却する。
焼鈍(やきなまし)
組織のゆがんだものや粗大なものを正常の形に直し内部應カ
を除くのを目的とし、前項と同様に加熱した後炉中で放冷す
ればよい。
これにより材質が軟くなり展延性を増す。圧延加工等によ
り脆くなつたものも焼鈍すると再ぴ加工性を回復する。
焼入(やきいれ)
材料を適度に熱して水、油等で急に冷して質を硬くするとと
で、通常銅の硬度を増し強度を増すために行うものである。
鋼の焼入は、最も一般的なもので刃物、工具の硬度を得るた
めにはなくてはならない操作である。
焼入の最適温度は、炭素鋼では700°～900°Cである。
焼戻(やきもどし)
焼入れした鋼を適度に加熱して徐々に冷却することにより軟
靱性を與える操作で、焼入れした鋼は、硬く脆くそのまま使
用すると割れたりするので、幾分の軟靱性を與えるととが必
要である。銅の焼戻し温度は、250°～300°Cである。
(二)鉄合金の性質
(1)銑鉄
工業上使用される金属材料の内最も多く使用されるのは鉄
の合金であって、仙台初詣合格祈願溶接作業の対照となるのもまた軟鋼が大部
である。
単体金属には、不純物が含まれるために実用的に有効な性
質を持つととになるものがあるが、鉄はこの著しい例で、炭素、
珪素、マンガン等を含むことにより工業上役立つ鉄材となる。
鉄に1.0～3.5%の珪素、5%の炭素を含有するものは鋳鉄
と称し、一般に質が脆く可鍛性がないが、他の鉄合金より
溶融点が低く、且流動性が良いので鋳物を造るのに適して居
り、結晶が大で質は軟弱で破面が鼠色をして居るので鼠銑と
称す。破面が白色で結晶の密のものを白銑と称し、その質は
脆く且つ甚だ硬く鋳造に適しない。
理論的に1.7%以上の炭素を含むものは、炭素が黒鉛とし
て遊離状態で存在し、いわゆる銑鉄の性質があるので、炭素の
含有量1.7%を銑鉄と鋼との境とするのであるが、実際には
1.7～2.5%の炭素を含むものは鍛造およぴ鋳造の何れの性質
にも良いので2.5～4.5%の炭素を合むものを銑鉄と考えて良
い。燐は銑鉄の質を弱くし強さを減するので好ましくないが、
溶融点を低下するから燃料の消費量が減少し、銑鉄の流動性
を増し、溶融状態を永く保つて収縮を減ずる。一般に普通の
銑鋳物には0.5%内外の燐を含んでいる。硫黄は、主に燃料
中の硫黄が組織の中に侵入したものであって、普通銑鉄中に
は0.1%以下で硫化鉄という安定した形で一箇所に集合する
傾向があり、脆性を増し、強度を減じ、硬さおよぴ収縮を増す
ので甚はだ忌むぺきものである。珪素は、銑鉄中の化合炭素
を変じて遊離炭素とする性質があるので、量を増せば問接に
鋳鉄の質を柔軟にすることが出来る。また流動性を増し収縮
を少くする。2.7%までは黒鉛量を増すが、それ以上になる
と直接鉄分に作用して却つてその質を脆弱にし、鼠色が白色
または黄色に変ずるので、これ以上の含有は不適当である。
(2)炭素鋼
炭素鋼の標準の化学成分は、炭素0.03～1.7%、マンガン
0.2～0.8''、珪素0.3%以下、燐0.06%以下、硫黄0.06%
以下で、炭素は鋼の強さを左右する主要な成分元素であるの
で、用途に応じて適当に含有せしめる。マンガンは、脱酸剤
として、また硫黄の害を除くために加え、珪素は脱酸剤とし
て添加されたものであり材質を緻密にする。
燐は、原料鉱石中に残留したものであるが、衝撃抗カが低下
するので0.06％以下に制限し、高級品に対しては0.03％以
下に制限する。硫黄は、コークスより入った元素であるが、
高温度で鋼を脆弱にする作用があるので燐と同様に制限する。
用途による炭素の含有量を示すと次の通りである。
0.00～0.10 鉄線、プリキ
0.01～0.20 鋲、ボルトナット、釘、鉄筋、膠炭用鋼
0.20～0.30 船、家、橋、柱、缶、起重機
0.30～0.40 軸、歯車、ピン
0.40～0.50 車軸、スコップ
0.50～0.60 軌條、砲弾
0.60～0.70 外輪、木工鋸、火造用型
0.70～0.80 タガネ、金鎚、金敷、帯鋸、剪断双
0.80～0.90 ピアノ線、針、打貫型、岩用錐、円鋸
0.90～1.0O パネ、刀
1.00～1.10 バイト
1.10～1.20 タップ、カッター、ドリル錐
1.20～1.30 饉
1.30～1.40 彫刻刀
1.40～1.50 ダイス、鋳鉄用バイト
(3)鋳銅
標準成分は、炭素0.15～0.50%、マンガン0.5～0.9%、
珪素0.20～0.50%、燐0.06%以下、硫黄0.06%以下であ
って、鍛鋼と比較すると珪素およぴマンガンが多いが、これ
は気泡を除くために脱酸剤として珪素およぴマンガンを多量
に添加するためである。鍛鋼に近い性質をもっているので、
逐次鋳鉄鋳物に代る傾向がある。
(4)特殊鋼
特殊鋼には自動車、兵器等に使う構造用のものと、工具用
のものとがある。構造用のものは、耐磨耗の優秀な機械的性
質で強く粘いものが必要であり、耐熱とか耐酸または電磁用の
特殊のものもある。これに添加される元素は、ニッケル、ク
ローム、マンガン、モリプデン、タングステン、パナヂュウ
ム、珪素、銅等で、単独で加えることもあるが、ニッケル・
クローム、クローム・モリプデソ、クローム・パナヂュウム、
磋素・マンガン、銅・モリプデシ、ニッケル・クローム・モ
リプデン、ニッケル・クローム・タングステン等2種以上の
ものを同時に加えるとともある。これには強靭性とか加工性
を必要とするので各元素の添加量は比妙的少く、ニッケル
5%以下、クローム、銅は2%以下、タングステンは4%以
下、モリプデン、バナヂュウムは0.5%以下、珪素、マンガ
ンは2%以下という様な数量である。工具鋼は、焼入能力高
く高温、硬度、磨耗抵抗、焼戻抵抗と強靭性を必要とするが、
使用目的に応じて次の様なものがある。
炭素鋼、クローム鋼、タングステン鋼、マンガン鋼、高速
度鋼。
高速度鋼の成分元素は、炭素0.6～0.9%フぢ、タングステン
13～22%、クローム3.0～5.0%、パナヂュウム0.5～2.0%
コバルト0～15%、モリブデン01～1.5% である。