冶金

冶金学は、金属元素、金属間化合物、および合金として知られる混合物の物理的および化学的挙動を研究する材料科学および工学の分野です。

冶金学は、金属の科学と技術の両方を網羅しており、金属の生産、および消費者と製造業者の両方の製品に使用される金属部品のエンジニアリングが含まれます。冶金学は金属加工の技術とは異なります。金属加工は、医療が技術の進歩のために医学に依存しているのと同様に、冶金学に依存しています。冶金学の専門家は冶金学者として知られています。

冶金学は、さらに化学冶金学と物理冶金学という2つの大きなカテゴリーに分けられます。化学冶金学は、主に金属の還元と酸化、および金属の化学的性能に関係しています。化学冶金学の研究対象には、鉱物処理、金属の抽出、熱力学、電気化学、化学的劣化（腐食）などがあります。^[1] 対照的に、物理冶金学は、金属の機械的特性、金属の物理的特性、および金属の物理的性能に焦点を当てています。物理冶金学で研究されるトピックには、結晶学、材料特性評価、機械冶金学、相転移、および破損メカニズムなどがあります。^[2]

歴史的に、冶金学は主に金属の生産に焦点を当ててきました。金属の生産は、金属を抽出するための鉱石の処理から始まり、合金を作るための金属の混合が含まれます。金属合金は、多くの場合、少なくとも 2 つの異なる金属元素の混合物です。ただし、用途に適した特性を実現するために、合金に非金属元素が追加されることがよくあります。金属生産の研究は、鉄冶金(黒色冶金とも呼ばれる) と非鉄冶金(着色冶金とも呼ばれる) に細分化されます。

鉄冶金には鉄をベースとしたプロセスと合金が含まれ、非鉄冶金には他の金属をベースとしたプロセスと合金が含まれます。鉄金属の生産は世界の金属生産の95％を占めています。^[3]

現代の冶金学者は、材料科学者や他のエンジニアとともに学際的なチームの一員として、新興分野と伝統的分野の両方で働いています。伝統的な分野には、鉱物処理、金属生産、熱処理、故障解析、金属の接合（溶接、ろう付け、はんだ付けを含む）などがあります。冶金学者の新興分野には、ナノテクノロジー、超伝導体、複合材料、生体医学材料、電子材料（半導体）、表面工学などがあります。

冶金学は、古代ギリシャ語の μεταλλουργός、metallourgós（金属を扱う人）に由来し、 μέταλλον、metallon（鉱山、金属） + ἔργον、érgon（仕事）から成ります。この単語はもともと鉱物から金属を抽出する錬金術師の用語であり、語尾の-urgy はプロセス、特に製造を意味します。1797年のブリタニカ百科事典ではこの意味で議論されています。^[4]

19世紀後半には、冶金学の定義は、金属、合金、および関連プロセスのより一般的な科学的研究にまで拡大されました。英語では、/ m ɛ ˈ t æ l ər dʒ i / の発音がイギリスではより一般的です。/ ˈ m ɛ t əl ɜːr dʒ i / の発音はアメリカ合衆国ではより一般的であり、 Merriam-Webster CollegiateやAmerican Heritageなど、さまざまなアメリカの辞書で最初に記載された変種です。

人類が使用した最も古い金属は、おそらく「天然」で見つ​​かる金である。スペインの洞窟では、紀元前4万年前の旧石器時代後期に遡る少量の天然金が発見されている。^[5]銀、銅、錫、隕鉄も天然の形で発見されており、初期の文化では限られた量の金属加工が可能であった。^{[6]鉱物から溶解していない}天然銅を使用した初期の冷間冶金は、アナトリアの遺跡とイラクのテル・マグザリヤの遺跡で記録されており、紀元前7千年紀から6千年紀に遡る。^{[7] [8] [9]}

ユーラシア大陸における製錬（高温冶金）の考古学的証拠としては、バルカン半島とカルパティア山脈で紀元前6000～5000年ごろの金属鋳造と製錬による物品が発見されている。 ^{[10] [11] [9]}錫、鉛、銅などの特定の金属は、製錬と呼ばれるプロセスで岩を火や高炉で加熱するだけで鉱石から回収できる。紀元前6千年紀の銅製錬の最初の証拠^[12]は、現在のセルビアにあるマイダンペク、ヤルモヴァツ、プロチニクの遺跡で発見されている。^{[13] [8]プロチニクの遺跡からは、}ヴィンチャ文化に属する紀元前5500年の製錬された銅の斧が出土している。^[14]バルカン半島と隣接するカルパティア地方は、ヴィンチャ、ヴァルナ、カラノヴォ、ギュメルニツァ、ハマンギアなどの主要な銅器時代文化の拠点であり、しばしば「古ヨーロッパ」という名前でまとめられています。^[15]カルパト・バルカン地方は「ユーラシア大陸最古の冶金地域」と呼ばれ、^[16]紀元前6千年紀から5千年紀の金属生産の規模と技術的品質は、同時代の他のどの生産センターのそれをも完全に凌駕していました。^{[17] [18] [19]}

近東における鉛の使用（おそらく天然または精錬）の最も古い記録は紀元前6千年紀に遡り、イラクのヤリム・テペとアルパチヤの後期新石器時代の集落で発見された。遺物から、鉛の精錬は銅の精錬よりも古い可能性があることが示唆されている。^[20]鉛の冶金は、同時期にバルカン半島でも発見されている。^[8]

紀元前5000年ごろからアナトリアの遺跡とイラン南東部のタル・イ・イブリスの遺跡で銅の製錬が行われていたことが記録されている。 ^[7]

銅の製錬は、紀元前4000年頃、エジプト北部のデルタ地帯でマアディ文化に関連して初めて記録されています。これはアフリカにおける製錬の最も古い証拠を表しています。^[21]

ブルガリアのヴァルナ墓地は、ヴァルナの西部工業地帯に位置し、市内中心部から約4km離れた墓地で、世界有数の先史時代の重要な考古学遺跡の一つとして国際的に考えられています。紀元前4600年から紀元前4200年にかけての世界最古の金の財宝が、この遺跡で発見されました。 ^{[22] 2019年に}ヴァルナ近郊のドゥランクラクで発見された紀元前4500年の金貨も重要な例です。^{[23] [24]} 紀元前3千年紀には、ポルトガルのパルメラ、スペインのロス・ミラレス、イギリスのストーンヘンジで、初期の金属の痕跡が他にも見つかっています。しかし、正確な始まりははっきりとは確認されておらず、新たな発見が絶え間なく続いています。

紀元前1900年頃、タミル・ナードゥ州には古代の鉄製錬所が存在していた。^{[25] [26]}

紀元前3,500年頃、近東で銅と錫を組み合わせると青銅と呼ばれる優れた金属の合金が作れることが発見されました。これは青銅器時代として知られる大きな技術的転換を表しています。

鉄を鉱石から加工可能な金属に抽出するのは、銅や錫の場合よりもはるかに困難です。この方法は、鉄器時代の始まりである紀元前1200年頃にヒッタイト人によって発明されたようです。鉄を抽出して加工する秘密は、ペリシテ人の成功の重要な要因でした。^{[27] [28]}

鉄冶金学の歴史的発展は、過去のさまざまな文化や文明に見出すことができます。これには、中東および近東の古代および中世の王国や帝国、古代イラン、古代エジプト、古代ヌビア、現在のトルコのアナトリア、古代ノルウェー、カルタゴ、古代ヨーロッパのケルト人、ギリシャ人、ローマ人、中世ヨーロッパ、古代および中世中国、古代および中世インド、古代および中世日本などが含まれます。

16世紀にゲオルク・アグリコラが著した『金属論』には、当時の金属鉱石の採掘、金属抽出、冶金の高度に発達した複雑なプロセスが記述されている。アグリコラは「冶金学の父」と呼ばれている。^[29]

抽出冶金とは、鉱石から貴重な金属を取り出し、抽出した原料金属をより純粋な形に精製する手法です。金属酸化物または硫化物をより純粋な金属に変換するには、鉱石を物理的、化学的、または電解的に還元する必要があります。抽出冶金学者は、原料、濃縮物（金属酸化物/硫化物）、尾鉱（廃棄物）という 3 つの主要な流れに関心を持っています。

採掘後、鉱石原料の大きな破片は破砕または粉砕されて十分に小さな粒子に分解されますが、各粒子の大部分は価値あるものか、またはほとんどが廃棄物です。分離をサポートする形で価値のある粒子を濃縮することで、廃棄物から目的の金属を取り除くことができます。

鉱体と物理的環境が浸出に適している場合、採掘は不要である可能性があります。浸出により鉱体の鉱物が溶解し、濃縮された溶液が生成されます。この溶液は収集され、処理されて貴重な金属が抽出されます。鉱体には、多くの場合、複数の貴重な金属が含まれています。

前の工程で出た尾鉱は、別の工程で原料として使用され、元の鉱石から二次製品が抽出されます。また、濃縮物には複数の貴金属が含まれている場合があります。その濃縮物は、貴金属を個々の成分に分離するために処理されます。

鋼と鋳鉄を含む鉄-炭素合金系の理解に多大な努力が払われてきました。普通炭素鋼（合金元素として本質的に炭素のみを含む鋼）は、重量や腐食が大きな問題とならない低コストで高強度の用途に使用されます。ダクタイル鋳鉄を含む鋳鉄も鉄-炭素系の一部です。鉄-マンガン-クロム合金（ハドフィールド型鋼）も、方向性掘削などの非磁性​​用途に使用されます。

その他のエンジニアリング金属には、アルミニウム、クロム、銅、マグネシウム、ニッケル、チタン、亜鉛、シリコンなどがあります。これらの金属は、金属ではないシリコンを除いて、ほとんどの場合合金として使用されます。その他の形態には次のものがあります。

• 耐腐食性が重要となる場合には、ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼、ニッケル合金、チタン合金、または場合によっては銅合金が使用されます。
• 自動車や航空宇宙用途など、軽量で強度の高い部品が必要な場合、アルミニウム合金やマグネシウム合金がよく使用されます。
• 銅ニッケル合金 (モネルなど) は、腐食性の高い環境や非磁性の用途に使用されます。
• インコネルのようなニッケルベースの超合金は、ガスタービン、ターボチャージャー、圧力容器、熱交換器などの高温用途に使用されます。
• 極めて高い温度では、クリープを最小限に抑えるために単結晶合金が使用されます。現代の電子機器では、高純度の単結晶シリコンは、金属酸化物シリコントランジスタ（MOS）と集積回路に不可欠です。

生産工学において、冶金学は消費者製品やエンジニアリング製品に使用される金属部品の製造に関係しています。これには、合金の製造、成形、熱処理、製品の表面処理が含まれます。冶金学者の仕事は、コスト、重量、強度、靭性、硬度、腐食、耐疲労性、極端な温度での性能などの材料特性のバランスをとることです。この目標を達成するには、動作環境を慎重に考慮する必要があります。^[要出典]

ロックウェル、ビッカース、ブリネル硬度スケールを使用して金属の硬度を決定することは、さまざまな用途や製造プロセスにおける金属の弾性と可塑性をよりよく理解するのに役立つ、一般的に使用されている方法です。^[30]海水環境では、ほとんどの鉄金属と一部の非鉄合金が急速に腐食します。低温または極低温条件にさらされた金属は、延性から脆性への遷移を起こし、靭性を失い、より脆くなり、割れやすくなります。継続的な周期的荷重を受ける金属は、金属疲労を起こす可能性があります。高温で一定の応力を受ける金属は、クリープを起こす可能性があります。

• 鋳造– 溶融金属を成形された鋳型に流し込む。鋳造には砂型鋳造、ロストワックス法とも呼ばれるインベストメント鋳造、ダイカスト、遠心鋳造（垂直および水平）、連続鋳造などがある。これらの各形態は、磁性や腐食などの要因を考慮すると、特定の金属や用途に対して利点がある。^[31]
• 鍛造– 赤く熱したビレットを叩いて形を作ります。
• 圧延– ビレットを順次幅の狭いローラーに通してシートを作成します。
• 押し出し– 高温で展性のある金属を圧力をかけながら金型に通して成形し、冷却する前に成形します。
• 機械加工-旋盤、フライス盤、ドリルで冷たい金属を切断して形を作ります。
• 焼結–粉末金属は金型に圧縮された後、非酸化環境で加熱されます。
• 製造– 金属板をギロチンまたはガス切断機で切断し、曲げて溶接し、構造形状にします。
• レーザークラッディング– 金属粉末を可動レーザービーム（例：NC 5 軸マシンに搭載）に吹き付けます。溶融した金属が基板に到達し、溶融プールを形成します。レーザーヘッドを動かすことで、トラックを積み重ねて 3 次元のピースを構築できます。
• 3D プリント– 3D 空間で非晶質粉末金属を焼結または溶融して、任意の形状の物体を作成します。

冷間加工プロセスでは、製品が冷えている間に、圧延、加工、またはその他のプロセスによって製品の形状が変更され、加工硬化と呼ばれるプロセスによって製品の強度が向上します。加工硬化により、金属に 微細な欠陥が生成され、それ以上の形状変化ができなくなります。

金属は熱処理によって強度、延性、靭性、硬度、耐腐食性などの特性を変えることができる。一般的な熱処理プロセスには、焼鈍、析出強化、焼入れ、焼戻しなどがある。^[32]

• 焼きなまし処理では、金属を加熱してその後ゆっくりと冷却することで金属を柔らかくします。これにより金属の応力が除去され、粒子構造が大きくエッジが柔らかくなるため、金属が打撃を受けたり応力がかかったりしても、破損するのではなくへこんだり曲がったりします。また、焼きなまし処理された金属は、研磨、研削、切断が容易になります。
• 焼入れとは、加熱後に金属を急速に冷却し、金属の分子を非常に硬いマルテンサイトの形で「凍結」させるプロセスであり、これにより金属がより硬くなります。
• 焼き戻しは、硬化プロセスによって生じた金属の応力を緩和します。焼き戻しにより、金属の硬度は低下しますが、破損することなく衝撃に耐えられるようになります。

多くの場合、材料の特性を向上させ、より効率的に処理するために、機械的処理と熱処理を組み合わせた熱機械処理が行われます。これらの処理は、高合金特殊鋼、超合金、チタン合金によく見られます。

電気めっきは化学的な表面処理技術です。製品の表面に金、銀、クロム、亜鉛などの別の金属の薄い層を結合します。これは、ワークピース（金、銀、亜鉛）をコーティングする材料であるコーティング材料電解質溶液を選択することによって行われます。異なる材料の2つの電極が必要です。1つはコーティング材料と同じ材料で、もう1つはコーティング材料を受け取るものです。2つの電極は電気的に充電され、コーティング材料はワークピースに付着します。腐食を軽減するだけでなく、製品の美観を向上させるために使用されます。また、安価な金属を高価な金属（金、銀）のように見せるためにも使用されます。^[33]

ショットピーニングは、金属部品の仕上げに使用される冷間加工プロセスです。ショットピーニングのプロセスでは、仕上げる部品の表面に小さな丸いショットを吹き付けます。このプロセスは、部品の製品寿命を延ばし、応力腐食による破損を防ぎ、疲労を防ぐために使用されます。ショットは、ピーンハンマーのように表面に小さなディンプルを残し、ディンプルの下に圧縮応力を引き起こします。ショットメディアが材料に何度も当たると、処理される部品全体に重なり合うディンプルが多数形成されます。材料の表面の圧縮応力により、部品が強化され、疲労破損、応力破損、腐食破損、および割れに対する耐性が向上します。^[34]

熱溶射技術は、もう一つの一般的な仕上げオプションであり、電気メッキコーティングよりも優れた高温特性を備えていることがよくあります。 熱溶射は、スプレー溶接プロセスとしても知られており、^[35]熱源（炎など）と粉末またはワイヤの形のコーティング材料で構成される工業用コーティングプロセスであり、コーティング材料は溶融され、処理される材料の表面に高速でスプレーされます。 スプレー処理プロセスは、HVOF（高速酸素燃料）、プラズマスプレー、フレームスプレー、アークスプレー、メタライジングなど、さまざまな名前で知られています。

無電解めっき (ED) または無電解メッキは、金属や金属合金を非導電性表面に堆積させる自己触媒プロセスとして定義されます。これらの非導電性表面には、プラスチック、セラミック、ガラスなどが含まれ、最終的な機能に応じて装飾性、耐腐食性、導電性になります。無電解めっきは、液体浴中の 金属陽イオンの自己触媒化学還元によって、さまざまな材料に金属コーティングを作成する化学プロセスです。

冶金学者は、ヘンリー・クリフトン・ソルビーによって発明された技術である金属組織学を用いて、金属の微視的および巨視的構造を研究します。

金属組織学では、対象となる合金を平らに研磨して鏡面仕上げにします。次にサンプルをエッチングして、金属の微細構造とマクロ構造を明らかにします。次にサンプルを光学顕微鏡または電子顕微鏡で検査し、画像のコントラストから組成、機械的特性、および処理履歴に関する詳細を取得します。

結晶学は、X 線や電子の回折を利用することが多く、現代の冶金学者が利用できるもう 1 つの貴重なツールです。結晶学により、未知の物質を識別し、サンプルの結晶構造を明らかにすることができます。定量的結晶学は、存在する相の量とサンプルが受けた歪みの程度を計算するために使用できます。

この分野で頻繁に使用される現在の高度な特性評価技術は、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、電子後方散乱回折(EBSD)、および原子プローブ断層撮影(APT) です。

ウィキメディア・コモンズには、冶金学に関連するメディアがあります。

Wikiversityにはトピック「冶金工学」に関する学習リソースがあります。

ウィキソースには、 1879 年のAmerican Cyclopædiaの記事 「冶金」のテキストがあります。