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1. ステンレス
- ステンレス(Stainless Steel＝錆びない鋼)は、鋼をベースにクロムやニッケルなどを添加した錆びにくい合金のことです。この他用途に応じてモリブデン、銅、チタンなどを加えたものもあります。高級感があり、見た目がおしゃれであり、傷がつきにくく丈夫で耐久性がある(鉄に比べれば倍以上)のが特徴です。
腐食に強いので、塗装等による被覆の必要がありません。そのため、設置後のメンテナンスもほとんど不要で、長期的に考えると経済性にも優れています。また、高強度材であるため、強い風圧や振動などに強いのです。アルミのように簡単に曲ったりへこんだりせずプラスチックやガラスのように熱によって曲ることもこわれることもありません。また、ステンレスは普通鋼と比べると熱に対して膨張率が大きいですがアルミほどではありません。
切断や溶接、曲げ、絞りといった加工が容易なため、自由な発想のデザインによる形状表現に加え、多彩な表面仕上げ(後述)が、デザインをさらに引き立てます。
ステンレスは、引張強さが大きくかつ加工硬化性が大きいので普通鋼に比べ曲げ加工圧が大きくなります。
清掃面さえしっかり行なっていれば汚れが付着しにくく雑菌などが繁殖しにくいので、衛生上も優れています。
溶解して再び使うことができ、リサイクル率は80%以上と高く、素材の製造から廃棄までのライフサイクルにおいて環境への影響が少ない素材と言えます。
熱伝導が悪い(熱まわりにムラがある)、金タワシなどでこするとキズがつきやすい、電子レンジに直接かけられない、重い、塩素に弱いなどの短所があります。また、汚れや高温、金属粉付着など特定条件下では錆びを生じることがあります。
- それは鉄に10.5〜12％以上のクロムを加えると鉄の表面に100万分の1〜3ミリほどの非常に強固で緻密な酸化被膜(不動態皮膜が)作られ、空気を遮って水分や錆から守る役割をするからです。ニッケルなどはこの性質を向上させるために加えます。
この皮膜はクロムが空気中の酸素と結合したクロム酸化物(クロムの水和酸化物、ないしオキシ水酸化物)から出来ています。クロムは親和性(酸素と結びつく性質)が非常に強く、もし表面にきずがついても鉄より酸素と結びつきやすいクロムの方が先に空気中の酸素と触れて皮膜がすぐに修復されるのでいつまでも美しい外観を保つことができます。また、この皮膜は地金である鉄とも原子的に強く結びついてるため、密着性が良く化学的に安定に保持されます。
鉄は自然界において酸化鉄として存在し、鉄鉱石をコークスから得られる一酸化炭素(CO)で還元することによって作られますが、放置しておくと再び酸素と結びついて科学的に安定した状態である酸化鉄に戻ろうとする性質があります。他の金属も同様で、これが「錆びる(腐食する)」と言われている現象です。しかし、ステンレスは鉄より先にクロムが「錆びる」ようになっているため、ステンレスを錆びさせないようになってるのです。
- ステンレスは「錆びない」鉄ではなく厳密に言えば「錆びにくい」鉄です。 鉄は、塗装をしたりめっきをしたりすることによって表面を護り錆を防いでいます。ステンレスはクロム酸化物の不働態皮膜で表面を護り錆を防いでいますが、環境的に不働態皮膜が造りにくい状態になるか局部的にクロムが酸素と触れず不働態皮膜が造られなくなると、主成分である鉄が錆びてくるのです。前者は全面腐食といい、鋼の表面からほぼ均一に錆びが進み、後者を局部腐食といい、局部的に表面から錆びが進行するのです。
全面腐食は、強酸性あるいは強アルカリ性(塩酸・硫酸・リン酸・有機酸などの還元性の酸)で温度が高い環境下で使用された場合に不動態皮膜が破壊されステンレスの全面にわたって錆びが生じる腐食です。また、海岸地帯や工業地帯などの大気に含まれる塩分・亜硫酸ガスなどの腐食性ガス・ばい煙・じんあい・鉄分などの微量の成分および気温・湿度などの気象条件の影響を受けて全面腐食が生じる場合もあり、例えば潮風に乗ってやって来た塩分によって錆びが生じます。クロムを増し、モリブデンや銅などを添加して全面腐食に対する耐食性を向上させたSUS316、SUS316L、SUS317、SUS317L、SUS316J1、SUS316J1Lなどのステンレスが開発されています。局部腐食に比べて材料の寿命の推定が容易ですが、ステンレスの長年における使用実績から、材料の寿命を決定するのは全面腐食による場合よりむしろ局部腐食による場合のほうがはるかに多いことが明らかになってきています。
局部腐食はその腐食の形態により更に、粒界腐食、孔食、隙間腐食、応力腐食割れなどに分類されます。
粒界腐食は特にオーステナイト系ステンレス(後述)に起こりやすい現象で、金属組織の結晶と結晶の間(結晶粒界)のみが優先的に腐食が進行する現象です。ステンレスに含まれている炭素とクロムは非常に結合しやすい性質があり、鋼が溶接や加熱などで450〜850℃(特に650〜700℃)の範囲に長時間加熱保持されると結晶粒界にクロム炭化物(Cr23C6)が析出(鋭敏化)し、そのため局部的に不動態被膜の維持に必要なクロムが欠乏しその部分に錆びが生じてしまうのです。クロム炭化物の析出した鋼を1050〜1100℃の高温に再加熱後急冷する処理(固溶化熱処理)を行うと析出したクロム炭化物が溶けて粒界腐食を防止することができます。フェライト系ステンレスは1000℃以上に加熱された後に冷却されると鋭敏化し、正常な焼きなまし温度(650〜815℃)で10〜15分保持すると粒界腐食を防止することができます。また、炭素の含有量を少なくすることによっても鋭敏化しにくくなります。粒界腐食を受けたステンレスは炭化クロムが析出することによって、表面は真っ黒になります。ステンレス製のゴミ焼却炉の表面がすぐに真っ黒になるのはこの現象です。
孔食は不動態皮膜がハロゲンイオン、とくに塩素イオンと反応して局部電池が発生し不働態皮膜が局部的に破壊され、孔状に腐食された形態です。孔食に対する対策としては、モリブデン添加鋼(SUS316、SUS317など)や、更にクロム含有量を増加した鋼種(たとえばSUS329J1など)を使用することが有効です。
隙間腐食は、ステンレス製品中の隙間にたまった汚れによってクロムが酸素と触れない状態、またその汚れ(とくに食品類)に含まれる塩素イオンによって前述した孔食と同じ状態になることによって起こります。汚れが原因なので掃除すれば防げます。
応力腐食割れは製品を組み立てるときの溶接や冷間加工(プレス成型、曲げ、拡管)による残留応力や使用時にかかる外部応力など、引張応力がステンレスにかかった後の状態で錆びやすい環境(例によって塩素とか)におかれると、割れる状態を指します。製造時における応力除去熱処理・表面引張応力の低減・電気化学的防食法などの対策、構造設計および施工時においてできるだけ引張応力がかからないようにする対策、使用時に温度や塩素イオンの量に注意したり材料表面の洗浄をするなどの対策によって防いでいます。
その他にも高温の大気中にさらされると表面がぼろぼろになったり、硫化水素ガスや亜硫酸ガスなどにさらされて表面から硫黄分が入りこんで硫化する腐食もあります。また、地金である鋼の炭素分が多すぎると、その炭素とクロムが結びついて錆びやすくなってしまいます。
これらステンレスの錆びは鉄を錆びさせないようにするクロムが酸素に触れないことによって起こります。また、塩素に対して弱い性質があることによっても起こります。いわゆる「もらい錆び」と呼ばれるステンレスの錆びは鉄粉など金属の粉(日常ではスチールたわしや包丁、なべ、場合によっては水道水にふくまれる鉄など。また、加工時や研摩時に発生するのも含む)や鉄製品などをステンレスに付いたままにしておくことによって、クロム酸化物の不働態皮膜ができなくなることによって起こります。逆に言えば、適切な材料や手入れで錆びを防ぐことが出きます。
- 錆びないはずのステンレスが錆びているのを見るのは寂しいものです。しかし適切なメンテナンスにより、いつまでもステンレス本来の美観を維持することができます。
普通の汚れ・手あか・指紋あと程度の場合は中性洗剤を住まい用の洗剤(マイペットなど)を含ませた柔かい布でふき取ります。きれいに除去できない場合は、有機溶剤(アルコール、ベンジン、アセトンなど)をスポンジか布に含ませてふき取ります(ただしカラーステンレス(後述)の場合は、水溶性の中性洗剤以外は、使用してはならない)。そして、最後によく水洗いをしてから乾かない内に新しいきれいな布でふき取ります。水がついたままで放置しておくと錆びの原因となります。
油汚れなど落ちにくい汚れの場合はステンレス用清掃薬液又は有機溶剤(アセトン・アルコール・ベンジン)等でふき取り、きれいな水で入念に洗い流してから乾いた布で水気をふき取ります。水がついたままで放置しておくと錆びの原因となります。ステンレス用清掃薬液を使う時は、周辺部もふかないと色むらが残り見苦しくなります。また、クレンザーをふりかけて大根やリンゴの切れ端でこするという裏ワザもあるようです。
ビルのタイルや大理石、アルミなどの清掃の際使用した清掃薬液が付着した場合は、必ず水洗いしてから乾いた布で水気をふき取って下さい。水がついたままで放置しておくと錆びの原因となります。
表面保護用付着フイルムによる汚れの場合は、水溶性の中性洗剤か、アルコールを含ませたスポンジか布でふき取ります。取れない場合は、シンナーやベンジンを用います。いずれも、必ず水洗いしてから乾いた布で水気をふき取って下さい。水がついたままで放置しておくと錆びの原因となります。
塩分・鉄粉などによるもらい錆びの場合は、中性洗剤や石鹸水をスポンジや布に含ませてふき取れば簡単に取れます。簡単に取れない場合は炭酸力ルシウム(200メッシュ以下)やみがき粉(300メッシュ)、ステンレス用清掃薬液を用います。いずれも、必ず水洗いしてから乾いた布で水気をふき取って下さい。水がついたままで放置しておくと錆びの原因となります。塩分の場合は、耐食性にすぐれているSUS316か塗装ステンレスを使った製品に取り替えた方がよいかも知れません。とにかくヘアライン仕上げなど磨き目がある表面の場合は、研磨目にそって平行に手を動かすようにして下さい。鏡面仕上げの場合には汚れがわずかなうちにふくようにして下さい。表面仕上げの再現ができなくなります。
クリヤラッカーが老化または剥離した場合はスポンジまたは布に有機溶剤(テトラフィドロフラン・トリクレン・シンナーなど)等でふき取り、きれいな水で入念に洗い流してから乾いた布で水気をふき取ります。水がついたままで放置しておくと錆びの原因となります。
このようにさまざま錆びの原因や汚れに応じた清掃が必要です。あらかじめ部分的にためしぶきして錆びや汚れの落ち具合をみてから清掃を行なって下さい。
いけないのは、目のあらいクレンザーやサンドペーパー、プラシ・タワシ・金属性ウールなどの硬い清掃用具でこすることです。かえって汚れ・鉄粉が付着しやすくなり、クロムの酸化が妨げられて錆びの原因となることがあります。鉄材を研磨した砥石でステンレス材の研磨は行わないこと。鉄粉の付着はもらい錆びの原因になります。また、ブリーチ、ハイターなど次亜塩素酸ソーダの漂白剤や清掃用薬液の塩酸などがステンレスに付着しないように注意して下さい。ステンレスの大敵は塩素です。そして、最後は乾いた布で水気をふき取って下さい。水がついたままで放置しておくと、水そのものが空気中の酸素とクロムとの結びつきを妨げることや水道水中の塩素そのものが原因で錆びます。
- ステンレスの種類は100種以上あるといわれ、JIS(日本工業規格)ステンレス鋼としてあげられているものだけでも86種類ほどがあります。JISではSUS(Steel Use Stainless)何番という成分毎の分類が決められています。それ以外にも鉄鋼メーカー独自の成分による種類もあります。
合金組成的な面からはクロムを多く含むクロム系ステンレスと、クロムとニッケル両方を多く含むニッケル系ステンレスとに分けられます。だいたい、クロム系は磁石につき、ニッケル系は磁石につかない性質があります。またニッケル系は伸び値が大きいため過酷な曲げ絞り加工を行っても割れにくいですがクロム系は割れやすい性質があります。金属組織的にはクロム系であるマルテンサイト系、フェライト系、ニッケル系であるオーステナイト系の三系統に分けられます。
マルテンサイト系ステンレスは焼き入れ・焼き戻しという熱処理によって強度を増した種類で、強度が必要な場所によく使われます。炭素分が多いので、耐食性は他のステンレスと比べると落ちます。
フェライト系ステンレスは耐食性・耐候性に劣るため内壁、天井、間仕切など内装用として多く使用されています。種類の記号 概略組成 主な用途 性質 SUS403 クロム13%・硫黄低く 高温・高応力 SUS410 クロム13% 刃物類 良好な耐食性・機械加工性をもつ SUS410S クロム13%・炭素0.08% 410より耐食性・成形性を向上 SUS410F2 クロム13%・炭素0.1%・鉛 410より耐食性を劣化させないよう加工ができる SUS410J1 クロム13%・モリブデン タービンブレード 410より耐食性を向上 SUS416 クロム13%・炭素0.1%・硫黄 被削性が最良 SUS420J1 クロム13%・炭素0.2% タービンブレード 焼入れ後の硬さが高い SUS420J2 クロム13%・炭素0.3% 刃物・ノズル・バルブ・直尺 420J1より焼入れ後の硬さが高い SUS420F クロム13%・炭素0.3%・硫黄 420J2の被削性を改良 SUS420F2 クロム13%・炭素0.3%・鉛 420J1より耐食性を劣化させないよう加工ができる SUS429J1 クロム16%・炭素0.3% オートバイブレーキ・ディスクブレーキ 耐摩耗性と耐食性を両立 SUS431 クロム16%・ニッケル2% スプリング・ワッシャー・計器部品 410・430より耐食性に優れる SUS440A クロム18%・炭素0.7% 刃物・ゲージ・ベアリング 硬く、440B・440Cよりじん性が大きい SUS440B クロム18%・炭素0.8% 刃物・弁 440Aより硬く、440Cよりじん性が大きい SUS440C クロム18%・炭素1% ノズル・ベアリング 全てのステンレス中最高の硬さをもつ SUS440F クロム13%・炭素１%・硫黄 440Cの被削性を改良
オーステナイト系ステンレスはもっとも多く利用されています。強度から見ると最も劣りますが、ニッケルの添加により耐食性・耐候性に優れているため、主として外装用に使用されています。海浜、工場地帯など塩害や腐食性ガスなどの影響のある場所には、モリブデンを添加して一層耐食性を強化した種類が使われています。成分的にはいわゆる「18-8ステンレス(クロムを18%、ニッケルを8%含んだステンレス)」が多いですが、ニッケルを増やした18-10、18-12ステンレスもあり、鉄っぽいにおい(カナケ)が低減されるとともに耐食性・耐久性も上がっています。種類の記号 概略組成 主な用途 性質 SUS405 クロム13%・アルミニウム 鋳物 SUS410L クロム13%・炭素低く ボイラ燃焼室・バーナーなど SUS429 クロム16% 430より溶接性に優れる SUS430 クロム18% 建築内装・家庭用器具・家電部品・放熱器・炉部品 耐食性に優れた汎用種類 SUS430F クロム18%・硫黄 ボルト・ナット 430より被削性に優れる SUS430LX クロム18%・チタンまたはニオブ・炭素低く 温水タンク・給湯用・衛生器具・自転車リム 430より加工性・溶接性を向上 SUS430J1L クロム18%・銅0.5%・ニオブ・炭素ごく低く・窒素ごく低く 自動車外装材・排ガス材・放熱器 430より耐食性・成形性・溶接性を改善 SUS434 クロム18%・モリブデン1% 自動車外装材 430より塩分に強い SUS436L クロム18%・モリブデン1%・チタン、ニオブまたはジルコニウム・炭素ごく低く・窒素ごく低く 建築内外装材・車両部品・厨房器具・給水器具 434より加工性・溶接性を向上 SUS436J1L クロム19%・モリブデン0.5%・ニオブ・炭素ごく低く・窒素ごく低く 建築内外装材・自動車外装材・厨房器具・家電機器・放熱器・バーナーなど 430より耐食性・成形性・溶接性を改善 SUS444 クロム19%・モリブデン2%・チタン、ニオブまたはジルコニウム・炭素ごく低く・窒素ごく低く 太陽熱温水器・食品機器 436Lより耐食性を向上 SUS445J1 クロム22%・モリブデン1%・炭素ごく低く・窒素ごく低く 自動車モール・電子ジャーポット・屋根 436Lより耐食性を向上 SUS445J2 クロム22%・モリブデン2%・炭素ごく低く・窒素ごく低く 温水機器・屋根 444より耐食性・耐候性を向上 SUS447J1 クロム30%・モリブデン2%・炭素ごく低く・窒素ごく低く 有機酸関係プラント 耐食性に優れる SUSXM27 クロム26%・モリブデン1%・炭素ごく低く・窒素ごく低く 耐食性・軟磁性を両立
二層合金であるオーステナイト・フェライト系ステンレスもあります。高クロム鋼に若干のニッケル、モリブデンおよび少量の合金元素を添加した合金で、高強度だが耐食性の点ではマルテンサイト系よりは優れているが、フェライト系・オーステナイト系に劣るため、比較的弱い腐食環境に対する用途に使用される。種類の記号 概略組成 主な用途 性質 SUS201 クロム17%・ニッケル4.5%・マンガン6%・窒素 SUS301のニッケルを節約したもの。 SUS202 クロム18%・ニッケル5%・マンガン8%・窒素 料理器具 SUS302のニッケルを節約したもの。 SUS301 クロム17%・ニッケル7% 鉄道車両・ベルトコンベヤ・ボルト・ナット・ばね SUS301L クロム17%・ニッケル7%・炭素低く・窒素 鉄道車両など 耐粒界腐食性・溶接性に優れる SUS301J1 クロム17%・ニッケル7.5%・炭素0.1% ばね・厨房用品・器物・建築・車両など SUS302 クロム18%・ニッケル8%・炭素0.1% 建築物外装材 SUS302B クロム18%・ニッケル8%・硅素2.5%・炭素0.1% 高温装置材料 302より耐酸化性が優れる SUS303 クロム18%・ニッケル8%・硫黄 ボルト・ナット 被削性・耐焼付性向上 SUS303Se クロム18%・ニッケル8%・セレン リベット・ねじ 被削性・耐焼付性向上 SUS303Cu クロム18%・ニッケル8%・銅2.5% シャフト類 被削性・耐焼付性向上 SUS304 クロム18%・ニッケル8% 食品設備・一般化学設備・原子力など、最も広い用途に使用 耐食性に優れ、展延性もよく、曲げ、ロールフォーミング、絞り加工などの冷間加工に適し、溶接も容易 SUS304A クロム18%・ニッケル8% 304の耐力を向上させたもの SUS304L クロム18%・ニッケル9%・炭素低く 溶接御熱処理できない部品類 304より耐粒界腐食性が優れる SUS304N1 クロム18%・ニッケル8%・窒素 構造用強度部材 304より厚みを抑えることができる SUS304N2 クロム18%・ニッケル8%・窒素・ニオブ 構造用強度部材 304より厚みを抑えることができる SUS304N2A クロム18%・ニッケル8%・窒素・ニオブ 建築構造用材 304N2の耐力を向上させたもの SUS304LN クロム18%・ニッケル8%・窒素・炭素低く 構造用強度部材 304Lより厚みを抑えることができる SUS304J1 クロム17%・ニッケル7%・銅2% シンク・温水タンクなど 深絞り成形性に優れる SUS304J2 クロム17%・ニッケル7%・マンガン4%・銅2% 風呂釜・ドアノブなど 深絞り成形性に優れる SUS304J3 クロム18%・ニッケル8%・銅2% ボルト・ナット 非磁性を改善 SUS305 クロム18%・ニッケル12%・炭素0.1% へら絞り・特殊引抜き 加工硬化性が低い SUS305J1 クロム18%・ニッケル13%・炭素0.1% へら絞り・特殊引抜き 加工硬化性が低い SUS309S クロム22%・ニッケル12% 炉材 耐食性が304より優れる SUS310S クロム25%・ニッケル20% 炉材 耐酸化性が304より優れる。1035℃まで耐える SUS315J1 クロム18%・ニッケル9%・硅素0.1%・銅2%・モリブデン1% 温水機器用 304より耐応力不足割れ性、耐孔食性を向上 SUS315J2 クロム18%・ニッケル12%・硅素3%・銅2%・モリブデン1% 温水機器用 304より耐応力不足割れ性、耐孔食性を向上 SUS316 クロム18%・ニッケル12%・モリブデン2.5% 温水機器用など、耐食性を必要とする箇所 非酸化性酸・孔食・腐食性ガスに対する耐食性に優れている SUS316A クロム18%・ニッケル12%・モリブデン2.5% 建築構造用材 316の耐力を向上させたもの SUS316L クロム18%・ニッケル12%・モリブデン2.5%・炭素低く 316より耐粒界腐食性が優れる SUS316N クロム18%・ニッケル12%・モリブデン2.5%・窒素 強度部材 316より厚みを抑えることができる SUS316LN クロム18%・ニッケル12%・モリブデン2.5%・窒素・炭素低く 316Lより厚みを抑えることができる SUS316Ti クロム18%・ニッケル12%・モリブデン2.5%・チタン 316より耐粒界腐食性が優れる SUS316J1 クロム18%・ニッケル12%・モリブデン2.5%・銅2% 耐硫酸用材料 316より耐孔食性を向上 SUS316J1L クロム18%・ニッケル12%・モリブデン2.5%・銅2%・炭素低く 316J1より耐粒界腐食性が優れる SUS316F クロム18%・ニッケル12%・モリブデン2.5%・硫黄 時計用バンドなど 耐食性が優れる SUS317 クロム18%・ニッケル12%・モリブデン3.5% 染色設備材料など 316より耐孔食性を向上 SUS317L クロム18%・ニッケル12%・モリブデン3.5%・炭素低く 317より耐粒界腐食性が優れる SUS317LN クロム18%・ニッケル13%・モリブデン3.5%・窒素・炭素低く 各種タンク・容器など 317より強度・耐食性が優れる SUS317J1 クロム18%・ニッケル16%・モリブデン5% 塩素が多く、316L・317Lが耐えられない環境用 SUS317J2 クロム25%・ニッケル14%・モリブデン1%・窒素0.3% 強度・耐食性が優れる SUS317J3L クロム21%・ニッケル12%・モリブデン2.5%・窒素0.2%・炭素低く 公害処理機器・酢酸環境 317より耐孔食性に優れる SUS836L クロム22%・ニッケル25%・モリブデン6%・窒素0.2%・炭素低く パルプ製紙工場・海水熱交換器 317Lより耐孔食性に優れる SUS890L クロム21%・ニッケル24.5%・モリブデン4.5%・銅1.5%・炭素ごく低く 各種海水使用機器 耐海水性に優れる SUS321 クロム18%・ニッケル9%・チタン 装飾部品には推奨できない 耐粒界腐食性が優れる SUS347 クロム18%・ニッケル9%・ニオブ 耐粒界腐食性が優れる SUS384 クロム16%・ニッケル18% 305より加工硬化度が低い SUSXM7 クロム18%・ニッケル9%・銅3.5% 304より冷間加工性を向上 SUSXM15J1 クロム18%・ニッケル13%・硅素4% 304より耐応力不足割れ性、耐孔食性を向上。SUS310に匹敵する耐産科性を持つ
その他、析出硬化系ステンレスがあります。熱処理によって硬度は非常に高くなりますが、耐食性はやや劣ります。種類の記号 概略組成 主な用途 性質 SUS329J1 クロム25%・ニッケル4.5%・モリブデン2% 耐酸性・耐孔食性に優れ、強度性もある SUS329J3L クロム22%・ニッケル5%・モリブデン3%・窒素・炭素低く 油井管・ケミカルタンカー用材・各種化学装置用 硫化水素・炭酸ガスなどに抵抗性がある SUS329J4L クロム25%・ニッケル6%・モリブデン3%・窒素・炭素低く 各種化学装置用 高濃度塩化物に抵抗性がある
一般に炭素量が低いほど、またクロム量が高いほど錆びにくい反面、クロムの原材料価格は鉄の5倍ほどするので、高クロム量のステンレスは結果として高価格になります。種類の記号 概略組成 主な用途 性質 SUS630 クロム17%・ニッケル4%・銅4%・ニオブ シャフト類・スチールベルト SUS631 クロム17%・ニッケル7%・アルミニウム1% スプリング・ワッシャー・計器部品 SUS631J1 クロム17%・ニッケル8%・アルミニウム1% スプリングワイヤー SUS632J2 クロム15%・ニッケル7%・硅素1.5%・銅0.7%・チタン ばね 耐疲労性に優れる
ステンレスの表面仕上げには、JISでは以下の種類があります。
JIS規格外の仕上げには梨地仕上げ・エンボス・エッチング・電解研磨・化学研磨・酸性黒色酸化法などがあります。合成樹脂系塗料を焼付塗装する方法や、クリアー塗装も用いられています。2B 適当な光沢を出すために軽く冷間圧延したもの 一般用材、建材 2D ダル仕上げのことで、熱処理・酸洗し、つや消しロール(ダルロール)で軽く冷間圧延したもの 一般用材、建材 BA 冷間圧延後、光輝熱処理を行った後、更に光沢を上げるために軽い冷間圧延をしたもの。鏡面に近い光沢が出る 自動車部品、家電製品、厨房用品、装飾用 No.3 2Dまたは2B材を100〜120番の荒さの研磨ベルトで研磨したもの。光沢のある荒い目の仕上げになる 建材、厨房用品 No.4 2Dまたは2B材を150〜180番の荒さの研磨ベルトで研磨したもの。光沢のある細かい目の仕上げになる 建材、厨房用品、車両、医療器具、食品設備 #240 2Dまたは2B材を240番程度の研磨ベルトで研磨したもの 暖房器具 #320 2Dまたは2B材を320番程度の研磨ベルトで研磨したもの 暖房器具 #400 2B材を400番バフで研磨したもの。BAに近い光沢が出る 建材、厨房用品 HL ヘアライン仕上げのことで、適度の粒度の研磨ベルトで髪のように長く連続した研磨目をつけたもの 建材の最も一般的な仕上げ
- 1820年ごろ、電磁誘導の研究などで知られるファラデー(1791〜1867)が鉄にニッケルやクロムを加えると錆びにくくなる研究結果を発表しました。ファラデーの研究ですでに、錆びにくくなる原因は鉄の表面に生成する目に見えない薄い皮膜によるものと推定されていました。ファラデーの「錆びない鉄」研究のきっかけは、インドのボンベイで生産されるウーツ鋼で作られたダマスカス刀剣の切れ味鋭く錆びに強い性質の秘密に迫るためでした。また、デリーのクツブミナール寺院にある「デリーの鉄柱」が、1500年の時を経てなお錆を生じない(ウーツ鋼の品質の高さと乾燥した気候のため。最近は酸性雨の影響が懸念されている)「錆びない鉄」として当時注目されていました。
その後、ステンレスは1912年〜1914年にかけてフランスのギレー、ドイツのモンナルツ、ボルシャーらによってほぼ同じ時期に発明されました。イギリスでは1913年にハリー・ブリアリーが、スクラップ置き場から錆びていない鉄片を発見し、調べた結果クロムを13％以上含んだ合金であることが分かりました。そのためかブリアリーが現在「ステンレスの発明者」として知られています。こうして発明されたステンレスは当時は第一次世界大戦中でもあったので、大砲の砲身類の内張りとして実用化されたました。
日本では「不銹鋼(ふしゅうこう、銹は錆びの意味)」と呼ばれ、1919年に官営八幡製鉄所(現・新日本製鐵)が試作を始め1933年に日本金属工業がマルテンサイト系(13クロム系)・オーステナイト系(18-8ステンレス)鋼板を量産化、陸軍関係の化学工場で使われました。戦後は化学繊維工業、石油、天然ガスプラントで利用され、1960年以降は一般にも普及し1965〜70年に世界第一位の生産国となりました。現在では使われていない分野はまずないといわれるまでに広く使われるようになりました。
資源に乏しいので加工産業が発達したこともあり、日本のステンレスの生産高・輸出量は特筆に価します。他国の生産量は2位がアメリカ、3位がドイツで、フランス・イタリア・スペイン・韓国も多く、台湾が伸びてきています。2000年に世界で生産されたステンレス約1800万トンのうち、日本は340万トン(19%)を占め、このうち内需が65%、輸出が35%です。
2. 銅
- 銅は金、銀に次いで伸延性、圧延性に優れ、加工が容易です。そのため、他の素材に比べ柔らかな、暖かい表現のできる素材です。
銅は大気中では極めて防食性がすぐれています。湿った空気中だと、酸化し緑青(ろくしょう)を生じやすい欠点があります。
銅は低温に強く熱伝導に優れているため、鍋などの調理道具や冷蔵庫・エアコンの伝熱管に用いられ、磁石にくっつかず電気伝導性が大きいため、高圧電線からIC関係まで電気を通す素材として一番多く使われています。
銅は融合性に富み、金、銀、亜鉛、錫、ニッケルなどと容易に融合し、いろいろな合金をつくります。とくに亜鉛との合金である真鍮や洋白はよく知られています。
銅はリサイクルも容易で、スクラップ価値が高く業者・利用者・分類基準も揃っています。最近は僅かの量で驚くほどの抗菌効果があることが発見され、衛生上もすぐれているため、ドアハンドルや引手などに使用しても安全です。
- 銅の錆びである緑青は、恐ろしい猛毒と日本でだけ思われていました。しかし昭和37年から3年かけて東大医学部で行われた動物実験の結果、はっきり「緑青が毒だというのは間違いで、他の金属と比較して毒性は大差ない」と学術報告書で結論づけられました。その後国の研究として、国立衛生試験所・国立公衆衛生院・東京大学医学部で追試が続けられ、「緑青は無害に等しい」という判定が下されました(1984年8月6日に厚生省(当時)が発表)。もちろん、過剰な摂取が有害なのは他の金属や酸素でも同様です。
ちなみに田中正造で有名な足尾銅山の鉱毒は、銅の精錬時の煤煙に含まれる公害物質と銅とが結びついた硫化銅や硝酸銅などが水に溶けたもの(緑青は水に溶けない)です。
銅は、鉄や亜鉛とともに人間や動植物に必要な栄養成分です。銅が足りなくなると、貧血を起こしたり(銅欠乏症貧血)発育不良や動脈硬化が促進され老化を早めるとまで言われています。種子・穀物類の他、海の生物、特にノリ・ワカメなどの海藻、エビ・カニ・イカ・タコ・カキなどに多く含まれています。
さらに銅の殺菌、防藻、防汚作用はチフス菌や大腸菌(そして、その一種であるO-157も)を死滅させる働きがあります。「銅壺の水は腐らない」との昔からの言い伝えや、花びんの中に銅貨(10円玉)を入れると花もちが良いのはその効果があらわれた例です。銅を繊維にしたものを使用した抗菌商品も売られています。また、銅製の台所用品はぬめりや悪臭を抑え、プールや下水処理場でも同じ目的で銅製品が使用されています。
- 銅は、汚れがつくと素材が変色する場合があります。汚れがついた場合は、柔らかい布などでから拭きします。表面が青銅色または煮色仕上げになっているものは、錆び粉が少し手などに付着し色落ちする場合があります。金属たわしや粒子の荒いクレンザーは、キズをつけ緑青の原因になるのでさけて下さい。それでも落ちない汚れや緑青が出てしまった場合は、市販の金属磨き剤を使用してください。銅製品は手入れをすればするほど落ちついた味わい深い色合いになってきます。
- 銅・銅合金はまとめてJIS(日本工業規格)でC(Copper)何番という成分毎の分類が決められています。一般に「銅」として知られているのは以下の銅成分比99%以上のものです。
他にもJISでは亜鉛を添加した黄銅(真鍮)・ニッケルを添加した白銅(洋白)・アルミニウム青銅(機械部品や船舶用に用いられる)・リン青銅(ばねに用いられる)などがC番号で定義されています。またアルミニウムの強度を増してジュラルミンを造ったように、銅をベースに強度を増したコルソン合金(ニッケル・硅素を添加)・ベリリウム銅(ベリリウム・コバルトを添加)・クロム銅(クロムを添加)が研究・開発されています。合金番号 銅成分比 その他の成分 名称 特徴・用途 C1011 99.99%以上 ごく微量 電子管用無酸素銅 通常の無酸素銅よりも電気伝導性・水素脆化特性並びにガス放出特性に優れている。マグネトロン・超電導等の特殊分野 C1020 99.96%以上 - 無酸素銅 電気・熱の伝導性・展延性・絞り加工性に優れ、溶接性・耐食性・耐候性が良い。水素病耐性が高い。電気用・化学工業用 C1100 99.90%以上 酸素0.03〜0.05% タフピッチ銅 電気・熱の伝導性に優れ、展延性・絞り加工性・耐食性・耐候性が良い。価格が安い。電気用・建築用・化学工業用・ガスケット・器物など C1201 99.90%以上 りん0.004〜0.015% りん脱酸銅 熱の伝導性に優れ、展延性・絞り加工性・耐食性・耐候性が良い。C1220は水素病耐性が高く、C1201はりん脱酸銅の中でいちばん電気の伝導性が良い。ふろがま・湯沸かし器・ガスケット・冷媒管など C1220 99.90%以上 りん0.015〜0.040% C1221 99.75%以上 りん0.004〜0.040%
銅は野外に放置すると表面が空気中の湿気や炭酸ガス、また塩分などの影響で徐々に茶色に変色し、さらに変色が進むと緑青ができます。しかし、緑青が表面をおおうと内部へ錆びが進行することがなくなります。そのため、緑青仕上げは屋根など屋外にさらされることが多い場所に用いられることが多いです。
ほかにも濃褐色の硫化燻し仕上げやクリア塗装、エッチング仕上げ、銅素材の輝きを活かしたヘアーライン仕上げなど、さまざまな加工方法があります。とくに金属の表面をたがね(鏨)で彫ったり押したりして模様を作りだす彫金仕上は、表面仕上げとして古くから用いられ、その独特の味わいや精緻さはクラシカルで素朴な雰囲気を活かすサインに最適です。
その他にも金・銀・ニッケル・クロムなどのめっき仕上げが簡単にできるのも特徴です。
- 銅は、約10000年前の新石器時代に偶然に自然銅のかたちで発見され、人類が発見した最初の金属といわれています。約8000年前(紀元前6000年頃)には銅を溶かして形を造る鋳造技術がメソポタミア文明で用いられ、紀元前5000年頃にはエジプトや中国に伝わり、武器や容器として使われるようになりました。紀元前2750年頃のエジプトのアプシル神殿では銅製の給水管が使われていました。紀元前2000年以降は青銅器文化が広まり、青銅の武器によって大きな国家が栄えました。
日本では紀元前300年頃、弥生時代に銅が使われるようになりました。当時は中国大陸から朝鮮半島経由で材料・製品を輸入していましたが、国内での銅鉱石の発掘は西暦698年(文武2年)に因幡国(鳥取県)から銅鉱を朝廷に献じたという記述が「日本書紀」にあるのが最初です。西暦708年(慶雲5年)には、日本でも武蔵国秩父郡で大規模な鉱脈が発見され、その銅から貨幣(和同開珎)が造られるようになりました。西暦745年(天平17年)から26年の歳月をかけて造られた奈良の東大寺大仏といった巨大な鋳造物も造られるようになりました。
日本の銅の産出は15世紀から増え始め、1697年(元禄10年)には銅の生産高は世界一の約6,000トンに達し、長崎貿易の主力にもなりました。水車を圧延の動力に使ったり、手で叩いて伸す手打ち伸銅などが行われ、明治3年大阪造幣局で蒸気機関を使ったロール圧延が始まり、近代設備による機械化された伸銅工業が行われるようになりました。現在は日本は量的にも品質的にも世界有数の生産国となり、建設向けや電気・電子部品の材料などを世界に供給しています。
3. 真鍮
- 真鍮(しんちゅう)は銅に亜鉛を30〜40%の割合で混ぜた金色の合金で、サインでは主には屋内でよく使われている金属です。金色の光沢が、高級な感じのする空間にはベストマッチの素材です。
真鍮は伸延性、圧延性に優れ、加工が容易といった銅の特徴を受け継いでいます。さらに銅、亜鉛のどちらよりも強度ががありますが、腐食変色しやすく、屋外での使用は注意が必要です。一般的なサインでの使用には後処理としてクリア塗装が必要です。独特な豪華で気品のある風合いは、真鍮ならではのものです。めっき処理で独特の光沢を得ることもありますがその場合、18金めっきや金めっきがあり、価格もかかり割高になりますが金色の輝きは本物ならではのすばらしさがあります。また、手入れが比較的容易なのも特徴です。また、銅の高いリサイクル性や抗菌効果をも受け継いでいます。
表面仕上げによって手入れ方法は異なります。
クリア塗装やめっき仕上げの場合は、から拭き程度にしてください。ピカール(日本磨料工業(株)製)などの金属磨き剤(コンパウンド)は使用しないで下さい。
みがき仕上げなど、無垢の真鍮を使用している場合は金属磨き剤で磨くと輝きが戻ります。時間の経過により表面が味わい深く変色することにより、アンティーク調の感じが出ます。
- 銅・銅合金はまとめてJIS(日本工業規格)でC(Copper)何番という成分毎の分類が決められています。真鍮は「黄銅」に分類され、黄銅には以下の種類があります。
銅と亜鉛の割合で六・四黄銅(銅60%、亜鉛40%)、七・三真鍮(銅70%、亜鉛30%)と呼ばれる場合もあります。ほかにも銅亜鉛合金は亜鉛成分比が20%以下で色沢が10〜18金に似た「丹銅」(C2100〜2400番台)もあり、建築材などに使われています。合金番号 亜鉛成分比 銅・亜鉛以外の成分 名称 特徴・用途 C2600 28.5〜31.5% 鉛0.05%以下・鉄0.05%以下 黄銅 展延性・絞り加工性に優れ、めっき性が良い。端子コネクター・時計部品・電球口金・薬きょうなど C2680 32〜36% 鉛0.05%以下・鉄0.05%以下 展延性・絞り加工性・めっき性が良い。深絞り用。スナップボタン・カメラ・魔法瓶など C2720 36〜38% 鉛0.07%以下・鉄0.07%以下 展延性・絞り加工性が良い。浅絞り用。金属雑貨・型押・抜き物など C2801 38〜41% 鉛0.10%以下・鉄0.07%以下 強度が強く、展延性がある。抜打ち・折り曲げなどの板金加工用。配線器具部品・ネームプレート・計器板など C3560 36〜39% 鉛2.0〜3.0%・鉄0.10%以下 快削黄銅 鉛を添加して被削性を高めたもので、打抜性も良い。ねじ・歯車・時計部品など C3561 39〜43% 鉛2.0〜3.0%・鉄0.10%以下 C3710 38〜42% 鉛0.6〜1.2%・鉄0.10%以下 鉛を添加して打抜性を高めたもので、被削性も良い。ねじ・歯車・時計部品など C3713 38〜42% 鉛1.0〜2.0%・鉄0.10%以下 C4250 7〜11.5% 錫1.5〜3.0%・鉛0.05%以下・鉄0.05%以下・りん0.35%以下 錫入り黄銅 耐摩耗性・強度・ばね性に優れている。スイッチ・リレー・コネクタ・各種ばね部品 C4430 26〜29% 錫0.9〜1.2%・鉛0.05%以下・鉄0.05%以下・砒素0.02〜0.06% アドミラルティ黄銅(復水器用黄銅) 耐食性、とくに耐海水性に優れている。英国で開発され、軍艦の復水器管として用いられたので、この名がある。熱交換器管・ガス配管用溶接管など C4621 28〜34.5% 錫0.7〜1.5%・鉛0.20%以下・鉄0.10%以下 ネーバル黄銅 耐食性、とくに耐海水性がよい。熱交換器管・船舶海水取入口・海洋構造材など C4640 37〜40.5% 錫0.50〜1.5%・鉛0.20%以下・鉄0.10%以下 C6711 31.5〜37.5% 錫0.7〜1.5%・鉛0.10〜1.0%以下・マンガン0.05〜1.0% 楽器弁用黄銅 打抜性、耐疲労性がよい。ハーモニカ・オルガン・アコーディオンの弁など C6712 36〜42% 鉛0.10〜1.0%以下・マンガン0.05〜1.0%
- 真鍮は素材そのものに金色の光沢がある合金なので、表面仕上げをしない状態でも使われていますが、みがき仕上げや、エッチング仕上げ・クリアー塗装・めっき仕上げも用いられています。サインでは一般的に後加工としてクリア塗装がされます。めっき仕上げは表面が変色しにくいのが特徴です。
ただし、雨のかかる、屋外で使用する場合は、ステンレス素材に金めっき仕上げをするのが一般的です。
- 銅には10000年に及ぶ長い歴史があり、その中でさまざまな銅合金が開発・発見されてきました。真鍮、つまり銅と亜鉛の合金は紀元前1000年頃から用いられはじめ、古代ローマ帝国などで貨幣として用いられ、また中国では「鍮石」と呼ばれ珍重されてきました。金色の輝きからめっきとしても用いられ、アルキメデスが見破ったニセの金の王冠は鉛で重さを、真鍮めっきで輝きを出したものでした。タリバンによって破壊されたバーミアン石仏の中にも鍮石の仏像があったことを、七世紀に「大唐西域記」で玄奘三蔵が伝えています。16世紀の中国の博物書「本草綱目」には銅と炉甘石(ろがんせき、亜鉛鉱)を精錬すると鍮石になると記されています。
日本が中国大陸から朝鮮半島経由で輸入していた銅・銅合金製品の中にも真鍮製品はあり、正倉院御物の中にも奈良時代に中国から輸入された真鍮製品があることが知られています。日本国内における真鍮生産の歴史は明らかでなかったのが、最近になって京都市中京区で江戸時代前期(17世紀後半)のものとみられる真鍮鋳造の工房跡が出土し、歴史が明らかになりつつあります。
4. アルミニウム
- アルミニウムの最大の特徴は軽さです。その軽さは鉄や銅の1/3で、鉄の半分の軽さで同じ強さを発揮します。
アルミニウムの断熱効果は建築物の内外装・断熱・屋根材に活かされ、高い熱伝導率はヤカンに活かされています。極低温にも強く、低温下でも強度が変化しない反面、高温に弱く(融点は660℃)、溶接加工がコスト的に難しいという欠点があります。
アルミ二ウムの加工しやすい特性は紙のように薄く延ばせる、曲げる、切断する、絞るなどの各種加工を施した様々な製品に活かされています。しかしやわらかい反面、弱く、変形しやすいという欠点があります。また、延性、展性に富みますが弾性がないのでバネや刃物には使えない欠点もあります。そのため、ジュラルミンなど強さを補ったアルミ合金が造られています。
アルミ二ウムは衛生上からも人体に無害で、表面仕上げが美しく、鉄のような錆が出ない特徴があります。しかし酸、アルカリ、塩に非常に弱く、環境によっては黒ずむなど腐食してしまうことがあるので、用途によってはアルマイト処理を施すことがあります。
アルミニウムはリサイクルにかかるエネルギーコストが少なく、またアルミ箔そのものや焼却後の灰が環境を汚染しないので環境に優しい金属と言えます。アルミニウム全体のリサイクル率は65%に達しています。
アルミニウムは安価ですが、軽いせいか鉄より割高感があります。
アルミニウムは下地処理をしないと塗装が剥がれやすい欠点があります。そのため地色のまま使用することはなく、シート仕上やアルマイト染色によって色付けします。
その他、電気を通す・電磁波を反射する特性・磁気を帯びない・光熱を反射する・地球の地殻表層部に一番豊富にある金属(元素全体でみると酸素・硅素に次いで3番目に多い)・歴史が新しいなどといった特徴があります。
- 「アルミニウムはアルツハイマー病を引き起こす」という説がありますが、少なくとも現時点ではアルツハイマー病の病因は「まだはっきりしたことは言えない」段階であり、特定の物質や遺伝子要因や環境要因、例えば高齢・頭部外傷・喫煙・性別・性格などが複雑にからみ合った多因子型の病気なので、アルミニウムに原因を特定することはされていないのが現状です。世界の研究者たちやWHO(世界保健機構)、ILO(国際労働機関)、UNEP(国連環境計画)などのさまざまな公的機関は「アルミニウムとアルツハイマー病の間に因果関係は認められない」と結論づけ、はっきり否定しています(判定基準書CRITERIA 194)。
透析治療中の患者に痴呆が発生し、透析に使用する水や薬剤のアルミニウムを排除すると透析患者の痴呆がなくなったという「事件」やアルツハイマー病で亡くなった人の脳からアルミニウムが蓄積されていることが「発見」されたことによりアルミニウムの毒性が疑われはじめました。
しかし前述の通りアルミニウムは地球の地殻表層部に一番豊富にある金属(元素全体でみると酸素・硅素に次いで3番目に多い)であり、土壌や土壌に育つ作物、海水中、空気中にも含有されています。自然界のあらゆるところから摂取することができ、しかも摂取されたアルミニウムの99%までがそのまま便として排泄され、残りは胃粘膜や腸管でいったん吸収されますが、尿、髪の毛、爪、汗などで排出されます。 アルミニウム性の鍋や食器から溶け出す量も一日当りの摂取総量の0.2%程度という調査結果があります。厚生省はWHOの基準から、アルミニウムの健康に影響を及ぼすことのない最大量(最大無作用量)を、たとえば体重50kgの人では一日当たりおよそ50mgなら生涯摂り続けても害のない量として公表しています。 つまりよほどのことがない限り害を及ぼすほどのアルミニウムを摂取することはないわけです。過剰な摂取が有害なのは他の金属や酸素でも同様です。
しかも研究が進んだ結果、先述の透析痴呆症とアルツハイマー病は別の疾患だということが明らかになっています。透析治療者は腎臓機能に障害があるためアルミニウムは体内に蓄積され透析痴呆症の原因になりますが、腎臓機能が正常な人については何の心配もなく、アルミニウムの蓄積もおこりません。食品 100グラム中の
アルミニウム含有量(mg)肉類 0.18 牛乳 0.11 鶏卵 0.10 白米 0.12 小麦 0.77 魚類 0.20 貝類 3.8 野菜 0.26〜1.2 果物 0.06〜0.11 きのこ 0.61 海草 8.5 大豆 0.63 コーヒー 0.01 お茶 0.44
つまり、通常の生活ではアルミニウムの害については心配するほどのことではないのです。少なくともアルツハイマー病の原因になるほどではないと言えます。
- ある意味、アルミニウムは錆びないので簡単な手入れで永く美感を保ちます。
汚れが軽い場合は柔らかい布かスポンジで水ぶきした後、からぶきして下さい。汚れが目立つ場合は中性洗剤を薄めた液で汚れを落とし、洗剤が残らないように水洗いしてからからぶきして下さい。
汚れが著しく腐食した場合はスコッチブライトか紙やすりで軽く汚れを取り除いてから十分にからぶきして下さい。
いけないのは、金属ブラシ・金べら・スチールウール・目の荒い紙ヤスリなどの硬い清掃用具でこすることです。また、酸性洗剤・アルカリ洗剤を使うとアルミニウムの表面を侵します。角・隅にのこった洗剤もよく水洗いして落として下さい。
- 展伸材(プレスや鍛造や押出し加工用の材料)は日本工業規格(JIS)で添加元素の違いによって合金番号が1000番系から7000番系までに分けられています。
1000番系(純アルミニウム)は純アルミニウムであるため強度は低いが、加工性・耐食性・鎔接性に優れています。
2000番系(アルミニウム−銅(Al-Cu)系合金)は 強度が高く、機械的性質や切削性に優れているが、鋼材に匹敵する強度を持つ耐食性が悪く、また陽極酸化性も悪い(アルマイト加工に適さない)。なかでも超ジュラルミンの硬度は鋼に匹敵します。合金番号 主成分 その他の成分 特徴・用途 1085 アルミ成分99.85%以上 硅素・鉄・銅・マンガン・マグネシウム・亜鉛・チタン・他 純アルミニウムであるため強度は低いが、加工性・耐蝕性・鎔接性がよい。反射板・照明器具・化学工業用タンクなど 1080 アルミ成分99.80%以上 硅素・鉄・銅・マンガン・マグネシウム・亜鉛・チタン・他 1070 アルミ成分99.70%以上 硅素・鉄・銅・マンガン・マグネシウム・亜鉛・チタン・他 1050 アルミ成分99.50%以上 硅素・鉄・銅・マンガン・マグネシウム・亜鉛・チタン・他 1N30 アルミ成分99.30%以上 硅素・鉄・銅・マンガン・マグネシウム・亜鉛 展延性・耐食性がよい。アルミ箔地など 1100 アルミ成分99.00%以上 硅素・鉄・銅・マンガン・亜鉛・チタン・他 強度は比較的低いが、加工性・耐蝕性・鎔接性がよい。一般器物・建築用材・電気器具・各種容器など 1200 アルミ成分99.00%以上 硅素・鉄・銅・マンガン・亜鉛・チタン・他 1N00 アルミ成分99.00%以上 硅素・鉄・銅・マンガン・マグネシウム・亜鉛・チタン 日用品など 1060 アルミ成分99.60%以上 硅素・鉄・銅・マンガン・マグネシウム・亜鉛・チタン 電線など
3000番系(アルミニウム−マンガン(Al-Mn)系合金)はマンガンの添加により、純アルミニウムの加工性、耐食性を低下させずに1000番系よりも強度を増した合金です。合金番号 主成分 その他の成分 特徴・用途 2011 銅成分5.0〜6.0% 硅素・鉄・亜鉛・鉛・ビスマス 「快削合金」。切削性に優れ強度も高いが、耐食性が劣る。ねじ類・光学部品など 2014 銅成分3.9〜5.0% 硅素・鉄・マンガン・マグネシウム0.2％以上・クロム・亜鉛・チタン・他 強度が高い。航空機用材・各種構造材など 2017 銅成分3.5〜4.5% 硅素・鉄・マンガン・マグネシウム0.4％以上・クロム・亜鉛・チタン・他 「ジュラルミン」。強度が高く切削加工性もよい。航空機用材・各種構造材など 2117 銅成分2.2〜3.0% 硅素・鉄・マンガン・マグネシウム・クロム・亜鉛 リベット 2018 銅成分3.5〜4.5% 硅素・鉄・マンガン・マグネシウム0.45〜0.9%・クロム・亜鉛・ニッケル 鍛造用合金。高温強度に優れる。シリンダーヘッドなど 2218 銅成分3.5〜4.5% 硅素・鉄・マンガン・マグネシウム1.2〜1.8%・クロム・亜鉛・ニッケル 2618 銅成分1.9〜2.7% 硅素・鉄・マグネシウム・亜鉛・チタン・バナジウム・他 鍛造用合金。高温強度に優れる。一般耐熱用途部品など 2219 銅成分5.8〜6.8% 硅素・鉄・マンガン・マグネシウム・亜鉛・チタン・他 低温・高温強度に優れる。航空宇宙機器など 2024 銅成分3.8〜4.9% 硅素・鉄・マンガン・マグネシウム1.2〜1.8%・クロム・亜鉛・チタン・他 「超ジュラルミン」。2017より強度が高く切削加工性もよい。航空機用材・各種構造材など 2025 銅成分3.9〜5.0% 硅素・鉄・マンガン・マグネシウム0.05%・クロム・亜鉛・チタン 鍛造用合金。強度が高い。プロペラなど 2N01 銅成分1.5〜2.5% 硅素・鉄・マンガン・マグネシウム・亜鉛・チタン・ニッケル 鍛造用合金。耐熱性に優れ強度が高い。航空機エンジンなど
4000番系(アルミニウム−硅素(Al-Si)系合金)は硅素の含有により陽極酸化後灰色に発色するのが特徴で、また熱膨張率を抑え、耐摩耗性が改善されています。合金番号 主成分 その他の成分 特徴・用途 3003 マンガン1.0〜1.5% 硅素・鉄・銅0.05〜0.20%・亜鉛 耐食性を低下させずに1100より強度を10%高くしたもの。一般器物・化粧板・船舶用材など 3203 マンガン1.0〜1.5% 硅素・鉄・銅0.05%・亜鉛 3004 マンガン1.0〜1.5% 硅素・鉄・銅・マグネシウム・亜鉛 3003より強度が高く、成形性も優れている。飲料缶・屋根板・電球口金など 3104 マンガン0.8〜1.4% 硅素・鉄・銅・マグネシウム・亜鉛・チタン・ガリウム・他 3005 マンガン1.0〜1.5% 硅素・鉄・銅・マグネシウム・クロム・亜鉛・チタン 3003より強度が20%高く、耐食性も比較的良好。建材など 3105 マンガン0.3〜0.8% 硅素・鉄・銅・マグネシウム・クロム・亜鉛・チタン 3003より強度が若干高く、成形性・耐食性もよい。建材など
5000番系(アルミニウム−マグネシウム(Al-Mg)系合金)は、アルミニウムの耐食性を劣化させずに、強度をあげるため、マグネシウムを多く添加した合金です。加工性に優れ、陽極酸化性も良好であるので、幅広い用途に用いられています。合金番号 主成分 その他の成分 特徴・用途 4032 硅素11.0〜13.5% 鉄・銅・マグネシウム・クロム・亜鉛・ニッケル 耐熱性・耐摩耗性に優れる。ピストン・シリンダーヘッドなど
6000番系(アルミニウム−マグネシウム−硅素(Al-Mg-Si)系合金)強度、耐食性、陽極酸化性にすぐれているため構造材としてよく使われています。合金番号 主成分 その他の成分 特徴・用途 5005 マグネシウム0.50〜1.1% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛 3003と同程度の強度がある。耐食性・溶接性・加工性が良い。建築内外装材・車両内装材など 5052 マグネシウム2.2〜2.8% 硅素・鉄・銅0.1%・マンガン0.1%・クロム・亜鉛 中程度の強度を持った代表的な合金で、耐食性・成形性・溶接性が良い。車両・建築・船舶・一般板金など 5652 マグネシウム2.2〜2.8% 硅素・鉄・銅0.04%・マンガン0.01%・クロム・亜鉛 過酸化水素容器 5154 マグネシウム3.1〜3.9% 硅素・鉄・銅0.1%・マンガン0.1%・クロム・亜鉛・チタン 5052より強度が20%高い。5052と同じ用途の他に圧力容器など 5254 マグネシウム3.1〜3.9% 硅素・鉄・銅0.05%・マンガン0.01%・クロム・亜鉛・チタン 過酸化水素容器 5454 マグネシウム2.4〜3.0% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛・チタン 5052より強度が20%高い。自動車用ホイールなど 5056 マグネシウム4.5〜5.6% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛 アルマイト加工・染色に適している。カメラ鏡胴など 5082 マグネシウム4.0〜5.0% 硅素・鉄・銅・マンガン0.15%・クロム0.15%・亜鉛・チタン 5083に近い強度を持つ。飲料缶の端部など 5182 マグネシウム4.0〜5.0% 硅素・鉄・銅・マンガン0.20〜0.50%・クロム0.10%・亜鉛・チタン 5082より強度が5%高い。飲料缶の端部など 5083 マグネシウム4.0〜4.9% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛・チタン 非熱処理合金中最高強度。船舶・車両・圧力容器など 5086 マグネシウム3.5〜4.5% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛・チタン 5154より強度が高い溶接構造用合金。圧力容器・磁気ディスクなど 5N01 マグネシウム0.20〜0.6% 硅素・鉄・銅・マンガン・亜鉛 3003と同程度の強度がある。アルマイト加工で高い光輝性が得られる。装飾品・台所用品・銘板など 5N02 マグネシウム3.0〜4.0% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛・チタン 対海水性良好。リベット
7000番系(アルミニウム−亜鉛-マグネシウム(Al-Zn-Mg)系合金)はアルミ合金のなかで最も強度がすぐれていますが、耐食性は悪く、陽極酸化性も比較的劣ります。とくに7075は超々ジュラルミンと呼ばれ、日本で開発され零戦に用いられた合金です。合金番号 主成分 その他の成分 特徴・用途 6101 硅素0.30〜0.7%・マグネシウム0.35〜0.8% 鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛・ホウ素 1060より高強度。電線 6151 硅素0.6〜1.2%・マグネシウム0.45〜0.8% 鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛・チタン 特に鍛造加工性が優れ、複雑な鍛造品に適する。機械・自動車部品など 6061 硅素0.40〜0.8%・マグネシウム0.8〜1.2% 鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛・チタン 耐食性が良好で、ボルト・リベット接合の構造用材として用いられる。船舶・車両・陸上構造物など 6N01 硅素0.40〜0.9%・マグネシウム0.40〜0.8% 鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛・チタン・他 中程度の押出用合金。複雑な形状の大形薄肉形材が得られる。車両・船舶・陸上構造物など 6063 硅素0.20〜0.6%・マグネシウム0.45〜0.9% 鉄・銅・マンガン・クロム・亜鉛・チタン 代用的な押出用合金。6061より強度は劣るが押出性に優れている。建築・ガードレール・車両・家具・家電製品・装飾品・看板など
その他にも鋳造材(鋳造用の材料)もあり、JISで成分ごとに分けられています。エンジン部品・軸受・ピストン・椅子などに使われています。またアルミニウム合金ダイカストとして、カメラのボディ・オートバイ部品・自動車部品・産業機械部品などに使われています。合金番号 主成分 その他の成分 特徴・用途 7003 亜鉛5.0〜6.5%・マグネシウム0.50〜1.0% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・チタン・ジルコニウム 溶接構造用押出合金。7N01より強度は劣るが押出性に優れている。車両・オートバイのリムなど 7N01 亜鉛4.0〜5.0%・マグネシウム1.0〜2.0% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・チタン・ジルコニウム・他 溶接構造用合金。耐食性も良好。車両・航空機・陸上構造物など 7050 亜鉛5.7〜6.7%・マグネシウム1.9〜2.6% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・チタン・ジルコニウム 7075の焼入れ性を改良した合金で耐応力腐食割れ性に優れる。航空機など 7072 亜鉛0.8〜1.3%・マグネシウム0.10% 硅素・鉄・銅・マンガン アルミニウム合金の合わせ材の材料など 7075 亜鉛5.1〜6.1%・マグネシウム2.1〜2.9% 硅素・鉄・銅・マンガン・クロム・チタン・ジルコニウム アルミニウム合金中最高の強度を持つが、耐食性に劣り、7072とはり合わせて補う。コストが高い。航空機・スキーストックなど
- 「アルマイト」は、元々は蓚酸法陽極酸化皮膜の商標名です。
アルミニウムは素材のままでも、空気中の酸素と結合したごく薄い(0.01μ)酸化皮膜が作られることによって酸化しにくくなる性質があります。しかし素材のままでは軟らかくて実用に適さないので表面硬度や耐食性・耐摩耗性の強化を目的に、陽極酸化処理を施します。現在は広く陽極酸化処理を指して「アルマイト」加工と呼ばれます。
アルマイト加工は、硫酸や蓚酸などの電解液の中に、素材のアルミニウムを陽極、鉛板やカーボン板を陰極にして入れて電気を通すことによってアルミニウムの表面に酸化アルミニウムの皮膜(薄さは6〜15μ)を造ります。鍍金(めっき)は地金と違う金属で表面を覆い、またステンレスなどでは合金にすることによって強い酸化皮膜を作りますが、アルマイト加工は地金であるアルミニウムそのものから造られているところが異なります(アルミニウムを合金にするのは強度を高めるため)。
アルマイト加工による皮膜は電子顕微鏡で観察できる程度のごく微細な孔が開いています。その孔に水分を吸収することによって硬く熱にも腐食にも強くすることができます。また、その孔に有機染料が入りこむことによって、木綿や羊毛の繊維を染めるような感じで任意の色に着色することができます。塗装や金属印刷、めっきと異なり、着色部の剥離や脱落がないので耐久性に優れた着色ができます。
ヘアライン(細い線状の流れを表面につける)やショットブラスト(粉状の金属で表面をザラザラにする)など、銀色の素材を活かしたさまざまな表面処理にも適していますが、エッチング処理とアルマイト加工・染色によりデザイン性に富んだ表面加工もできます。
- 約5000年前には含水珪酸アルミ粘土が彩色土器の原料に、約2500年前には硫酸アルミニウムと硫酸カリウムの化合物である明礬石が染色や医薬などに使われていました。また、ルビー・サファイヤ・エメラルドなどの宝石もアルミニウム化合物ですが、金属としてのアルミニウムそのものは1807年にイギリスの電気化学者ハンフリー・デービーが明礬石から電気化学的な分離方法で存在を確認したのがはじまりと言えます。
そののち、1825年にデンマークのH.C.エルステットも酸化アルミニウム(アルミナ)の塩化物からアルミニウムを発見。1855年にはフランスの化学者サントクレール・ドビルにより化学還元法によるアルミニウム製錬が開発され(アルミニウムの名称もドビルによる)、工場での生産を開始しました。
生産法はイギリスのJ.ウェブスターやアメリカのH.Y.カストナーによって改良され、1886年にはアメリカのC.M.ホールとフランスのP.L.T.エルーがほぼ同時期に電解製錬法を発明、両者の名をとってホール・エルー法と呼ばれました。1887年にはオーストリアのK.J.バイヤーが、湿式アルカリ法による製造法を確立、ホール・エルー法とあわせて現在のボーキサイトからアルミニウムまでの大量生産を確立しました。 日本では、1894年に軍需としてアルミニウム製品が製造されはじめ、1898年には民間工場でアルミニウム板の生産がはじまりましたが、地金は輸入でした。1934年に国内でアルミニウム製錬が開始される前の1929年にアルマイト処理が発明されています。戦後は1950年代に建材として使われはじめ、1960〜70年にかけて住宅や車両、缶飲料のアルミ缶など用途を広げ、またリサイクルも促進され、1996年にアルミ缶の再資源化率がアメリカを抜き65.7％になっています。
ちなみに、アルミナから人工ルビー・サファイヤ・エメラルドを合成する方法が、1902年フランスのベルヌーイによって確立されています。
5. ボンデ鋼板
- ボンデ鋼鈑は新日本製鐵株式会社八幡製鐵所の造る電気亜鉛メッキ後リン酸塩処理鋼鈑ですが、他者の電気亜鉛メッキ鋼鈑もボンデ鋼鈑と総称することもあります。メッキがはがれにくいため加工性がよく、リン酸塩処理により塗装性がよい反面、耐食性に欠け錆びやすいところがあります。屋内使用では錆びの心配はほとんどありません。塗装用鋼鈑として比較的コストをおさえたサインに用いられる素材です。
ボンデ鋼鈑は、まず鋼鈑の両面に電気亜鉛メッキを行い、そのあとリン酸溶液に浸けることによってリン酸塩皮膜を作ります。この皮膜は微細で緻密な亜鉛の結晶をもつため、塗装の密着性が良好です。そのため家電製品・OA機器・事務機器をはじめ、幅広い需要に対応することができます。
- JIS G 3313で、地鉄の種類により電気亜鉛メッキ鋼鈑の種類が分けられています。(以下は抜粋)
大きさ及び厚さは製造可能範囲がメーカーによって定められています。多様な用途に対応できるようになっています。種類の記号 表示厚さ 主な用途 対応するJIS原盤の種類の記号 冷延原盤 SECC 0.4〜3.2mm 一般用 SPCC SECD 0.4〜3.2mm 絞り用 SPCD SECE 0.4〜3.2mm 深絞り用 SPCE 熱延原盤 SEHC 1.6〜4.5mm 一般用 SPHC SEHD 1.6〜4.5mm 絞り用 SPHD SEHE 1.6〜4.5mm 深絞り用 SPHE
- ボンデ鋼鈑は塗装性がよいのが特徴なので、ほとんどの場合塗装または粘着シートを貼って用いられます。
- 金属の表面にリン酸塩皮膜を施すボンデライト皮膜処理はアメリカのR.R.ターナーによって開発されました。ボンデ鋼鈑は昭和28年に当時の八幡製鉄より販売が開始され、のちに他社でも電気亜鉛メッキ鋼鈑が開発され、昭和40年前後より普及しました。
6. 亜鉛鉄板（トタン）
- 亜鉛鉄板(トタン)は亜鉛でめっきした薄い鋼板です。鉄というと錆びるイメージがありますが、亜鉛鉄板はその酸化膜によって耐食性が強く、長期間使用しても問題はありません。加工性に優れており、また比較的安価なのでサインの中ではたいへん汎用性の高い素材です。
古くから屋根・外壁等の建築材を中心に使用されてきましたが、最近では製造技術の進歩により、あらゆる分野にその用途が拡大されています。
- 普段の手入れは防水性が高いので水洗い程度でいいですが、めっき層はごく薄いため、キズから鉄本体に錆びが進行することがありますので注意が必要です。長期的には劣化の度合いに応じて塗り直しが必要です。
- JIS G 3302において溶融亜鉛めっき鋼板の種類が定められています。
種類の記号 表示厚さ単位 適用 熱延原板 SGHC 1.6〜6.0mm 一般用 SGH340 構造用 SGH400 SGH440 SGH490 SGH540 冷延原板 SGCC 0.25〜3.2mm 一般用 SGCH 0.11〜1.0mm 一般硬質用 SGCD1 0.40〜2.3mm 絞り用1種 SGCD2 絞り用2種 SGCD3 0.60〜2.3mm 絞り用3種 SGC340 0.25〜3.2mm 構造用 SGC400 SGC440 SGC490 SGC570 0.25〜2.0mm
亜鉛鉄板は、屋根・外壁等に使用する場合にはコールタール塗り仕上げや塗料を焼き付け塗装した板を使いますが、看板に使用する場合には地材のまま使用することはなく、シート仕上や塗装仕上によって作製されます。
亜鉛鉄板は、屋根・外壁等に使用する場合にはコールタール塗り仕上げや塗料を焼き付け塗装した板を使いますが、看板に使用する場合には地材のまま使用することはなく、シート仕上や塗装仕上によって作製されます。
地材の状態では、亜鉛鉄板はめっきの亜鉛の結晶が独特のスパングル(花模様)になります。また、スパングルを極力微細化した地材や表面を滑らかにするためのスキンパス処理を施した地材もあります。
- 金属としての亜鉛は古くからインドで生産され、16〜17世紀には中国やポルトガルに輸出されていました。トタンの語源は亜鉛をポルトガル語でtutanagaというところからきていると言われています。溶融した亜鉛を鉄板表面にめっきする方法は1741年にフランスのP. J. マルインが行った実験に始まり、1836年と翌年にはフランスのソラールと英国のクロフォードは、現在行われていると同様な原理にもとづく媒溶剤(フラックス)を用いためっき法を開発しました。1840年代になると波形鉄板の圧延機の発明があり、屋根材としての亜鉛鉄板が急速に普及していきました。
日本では鉄道のプラットホームの屋根材として亜鉛鉄板が使われはじめ、大形施設の屋根材として普及し、1901年頃には約10,000トンが輸入されていました。国内での製造は1906年に開始され、関東大震災後の建て直しに伴って一般家屋にも普及しました。当時はコールタール塗り仕上げが主でしたが、昭和20年代末に着色亜鉛鉄板が開発されさまざまな色の屋根が造られ、現在亜鉛鉄板はファインスチールの一つとして多様な用途に用いられています。
