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冶金学は、金属元素、それらの金属間化合物、および合金として知られるそれらの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ある。
冶金学は、金属の科学と技術の両方を包含し、金属の生産や、消費者向け製品および製造業者向け製品に使用される金属部品の設計・加工を含みます。冶金学は、医学が医療行為を支えるのと同様に、金属加工の技術に科学的基盤を与える点で、従来の金属加工技術とは区別されます。冶金学の専門家は冶金学者と呼ばれます。
冶金学は、化学冶金と物理冶金の2つの大きなカテゴリーにさらに細分化されます。化学冶金は主に金属の還元と酸化、および金属の化学的挙動に関係しています。化学冶金の研究対象には、鉱物処理、金属の抽出、熱力学、電気化学、および化学的劣化（腐食）が含まれます。[ 1 ] 一方、物理冶金は、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挙動に焦点を当てています。物理冶金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、相変態、および破壊メカニズムが含まれます。[ 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。金属生産は、鉱石を処理して金属を抽出することから始まり、合金を作るために金属を混合することを含みます。金属合金は、多くの場合、2つ以上の金属元素の混合物です。しかし、用途に適した特性を得るために、非金属元素が合金に添加されることもよくあります。金属生産の研究は、鉄冶金（黒冶金とも呼ばれる）と非鉄冶金（有色冶金とも呼ばれる）に細分化されます。
鉄冶金は鉄をベースとしたプロセスと合金を扱うのに対し、非鉄冶金は他の金属をベースとしたプロセスと合金を扱う。鉄金属の生産は世界の金属生産の95%を占める。[ 3 ]
現代の冶金学者は、材料科学者や他のエンジニアと連携する学際的なチームの一員として、新興分野と従来分野の両方で活躍しています。従来分野には、鉱物処理、金属生産、熱処理、故障解析、金属接合（溶接、ろう付け、はんだ付けなど）が含まれます。冶金学者にとっての新興分野には、ナノテクノロジー、超伝導体、複合材料、生体医療材料、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、「金属の職人」に由来し、μέταλλον、métallon、「鉱山、金属」+ ἔργον、érgon、「仕事」から成ります。この言葉は元々、錬金術師が鉱物から金属を抽出する際に用いた用語で、語尾の-urgy はプロセス、特に製造を意味します。この意味では、1797 年版ブリタニカ百科事典で議論されています。[ 4 ]
19 世紀後半、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へと拡張されました。英語では、/ m ɛ ˈ t æ l ər dʒ i /の発音は英国でより一般的ですが、/ ˈ m ɛ t əl ɜːr dʒ i /の発音は米国でより一般的であり、メリアム・ウェブスター大学辞典やアメリカン・ヘリテージ辞典など、さまざまなアメリカの辞書で最初に記載されている異形です。
人類が最初に利用した金属は金であると考えられており、金は「天然」で発見されることがある。スペインの洞窟では、紀元前4万年の後期旧石器時代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範囲で金属加工が可能であった。[ 6 ]アナトリアの遺跡やイラクのテル・マグザリヤ遺跡では、鉱石から精錬されていない天然銅を用いた初期の冷製冶金が紀元前7～6千年紀に遡ることが記録されている。 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
ユーラシア大陸における製錬（高温冶金）の最古の考古学的証拠は、バルカン半島とカルパティア山脈で発見されており、銅冶金の発明とともに紀元前6,200～5,000年頃に金属鋳造と製錬で作られた物品の発見によって証明されています。 [ 10 ] [ 11 ] [ 8 ] [ 9 ]錫、鉛、銅などの特定の金属は、製錬として知られるプロセスで、比較的穏やかな温度の火または溶鉱炉で岩石を加熱するだけで鉱石から回収できます。紀元前6千年紀に遡る銅製錬の最初の証拠[ 12 ]は、現在のセルビアのマイダンペク、ヤルモヴァツ、プロチュニクの考古学的遺跡で発見されています。[ 13 ] [ 8 ]プロチュニク遺跡からは、紀元前 5,500 年頃のヴィンチャ文化に属する精錬銅製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山脈地域は、ヴィンチャ、ヴァルナ、カラノヴォ、グメルニツァ、ハマングヤなどの主要な銅器文化の所在地であり、これらはしばしば「旧ヨーロッパ」という名称でまとめられている。[ 15 ]カルパティア・バルカン地域は「ユーラシア最古の冶金地域」とされており、[ 9 ] [ 11 ]紀元前 6 ～ 5 千年紀におけるその規模と技術的品質の金属生産は、同時代の他の生産中心地を完全に凌駕していた。[ 9 ] [ 16 ] [ a ] [ b ]
近東における鉛（天然鉛または精錬鉛）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から出土している。これらの遺物は、鉛の精錬が銅の精錬よりも先行していた可能性を示唆している。[ 17 ]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 ]
銅の精錬は、アナトリアの遺跡やイラン南東部のタル・イ・イブリス遺跡で紀元前5000年頃から行われていたことが記録されている。[ 7 ]
銅の精錬は、紀元前4000年頃、エジプト北部のデルタ地帯で初めて記録され、マアディ文化と関連付けられています。これは、アフリカにおける精錬の最古の証拠です。[ 18 ] [ c ]
ブルガリアのヴァルナ・ネクロポリスは、ヴァルナの西工業地帯にある埋葬地で、市の中心部から約 4 km 離れており、国際的に世界の先史時代における重要な考古学的遺跡の 1 つです。紀元前4,600 年～紀元前 4,200 年の 世界最古の金の宝物がヴァルナで発見されました。[ 19 ] 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4,500 年頃の金片も重要な例です。[ 20 ] [ 21 ]紀元前 3 千年紀の 初期の金属の痕跡は、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も見つかっています。しかし、正確な起源は明確には確認されておらず、新たな発見は継続中です。
紀元前1900年頃、タミル・ナードゥ州には古代の鉄精錬所が存在していた。[ 22 ] [ 23 ]
近東では紀元前3500年頃、銅と錫を組み合わせることで優れた金属である青銅が作れることが発見された。これは青銅器時代として知られる、大きな技術的転換点となった。
鉄鉱石から加工可能な金属に鉄を抽出することは、銅や錫の場合よりもはるかに難しい。このプロセスは紀元前1200年頃にヒッタイト人によって発明され、鉄器時代が始まったと考えられている。鉄を抽出して加工する能力は、ペリシテ人の成功の重要な要因であった。[ 24 ] [ 25 ]
鉄冶金の歴史的発展は、過去の様々な文化や文明に見出すことができる。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、古代ノク、カルタゴ、ケルト人、古代ヨーロッパのギリシャ人やローマ人、中世ヨーロッパ、古代および中世の中国、古代および中世のインド、古代および中世の日本などが含まれる。
ウーツ製法は紀元前300年頃にはインド亜大陸で開発され、実践されていましたが、紀元前200年までには、ヨーロッパ人が後にるつぼ製法と呼ぶことになる方法で、南インドで高品質の鋼が生産されていました。ゴルコンダ鋼、別名ウーツ鋼は、炭化物を形成するバナジウム（約0.005%）が自然に混入した超高炭素鋼で、微細構造にナノ材料が形成され、超塑性や高い衝撃硬度などの特性を示します。考古学的証拠やタミル語の文献によると、この製造プロセスは紀元前よりはるか昔に南インドですでに存在しており、ウーツ鋼はチェーラ王朝から輸出され、ローマではセリック鉄と呼ばれ、後にヨーロッパではダマスカス鋼として知られるようになりました。 JD Verhoeven教授とAl Pendrayが行った再現研究では、炭化物形成における地元の鉱石中の不純物の役割と、模様の形成における刃の繰り返し熱サイクルが特定され、古代の刃の模様と顕微鏡的にも視覚的にも同一の模様を持つウーツ鋼の刃が再現された。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
16世紀のゲオルク・アグリコラの著書『De re metallica』には、当時の高度に発達した複雑な金属鉱石の採掘、金属抽出、冶金のプロセスが記述されている。アグリコラは「冶金の父」と呼ばれている。[ 29 ]
抽出冶金とは、鉱石から有価金属を抽出し、抽出した原料金属をより純度の高い形態に精製する技術である。金属酸化物や硫化物をより純度の高い金属に変換するには、鉱石を物理的、化学的、または電気分解的に還元する必要がある。抽出冶金技術者は、原料、精鉱（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る。
採掘後、鉱石の大きな塊は、破砕または粉砕によって十分に小さな粒子に砕かれ、各粒子は大部分が有価物であるか、大部分が廃棄物であるかのいずれかとなる。有価物の粒子を分離しやすい形態に濃縮することで、廃棄物から目的の金属を取り出すことができる。
鉱床や物理的環境が浸出に適している場合、採掘は必ずしも必要ではない。浸出とは、鉱床中の鉱物を溶解させ、濃縮された溶液を得るプロセスである。この溶液を回収し、処理することで貴重な金属を抽出する。鉱床には、複数の貴重な金属が含まれていることが多い。
前の工程で発生した尾鉱は、別の工程の原料として利用され、元の鉱石から二次生成物を抽出するために用いられることがある。さらに、精鉱には複数の有価金属が含まれている場合がある。その場合、精鉱は処理され、有価金属は個々の成分に分離される。
鉄炭素合金系（鋼と鋳鉄を含む）の理解には多大な努力が注がれてきた。普通炭素鋼（合金元素として実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、低コストで高強度が求められる用途で使用される。ダクタイル鋳鉄を含む鋳鉄も鉄炭素系の一部である。鉄マンガンクロム合金（ハドフィールド型鋼）は、方向掘削などの非磁性用途にも使用される。
その他の工業用金属には、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、シリコン（金属ではない）を除いて、ほとんどの場合合金として使用されます。その他の形態としては、以下のようなものがあります。
生産工学において、冶金学は消費財や工業製品に使用される金属部品の製造に関わる分野です。これには、合金の製造、成形、熱処理、表面処理などが含まれます。冶金技術者の役割は、コスト、重量、強度、靭性、硬度、耐食性、耐疲労性、極端な温度条件下での性能といった材料特性のバランスを取ることです。この目標を達成するためには、使用環境を慎重に検討する必要があります。
ロックウェル、ビッカース、ブリネルなどのスケールを用いた硬度試験は、金属の弾性および塑性を特徴付ける一般的な方法です[ 30 ]。塩水環境では、ほとんどの鉄系金属と一部の非鉄合金は急速に腐食します。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、亀裂が生じやすくなります。継続的な繰り返し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。
冷間加工とは、製品が冷えた状態で圧延、加工、その他の工程によって形状を変化させる加工方法であり、加工硬化と呼ばれるプロセスによって製品の強度を高めることができる。加工硬化は金属内部に微細な欠陥を生じさせ、それがさらなる形状変化を阻害する。
金属は、強度、延性、靭性、硬度、耐食性などの特性を変化させるために熱処理することができます。一般的な熱処理プロセスには、焼きなまし、析出強化、焼入れ、焼き戻しなどがあります。[ 32 ]
多くの場合、材料の特性向上と加工効率化のために、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、チタン合金などに一般的に用いられています。
電気めっきは化学的な表面処理技術です。金、銀、クロム、亜鉛などの別の金属の薄い層を製品の表面に接着します。これは、被加工物（金、銀、亜鉛）をコーティングする材料である電解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側です。2つの電極に電気を流すと、コーティング材料が被加工物に付着します。腐食を軽減し、製品の美観を向上させるために使用されます。また、安価な金属をより高価な金属（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、小さな丸いショットが仕上げ対象の部品の表面に吹き付けられます。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、疲労も防止する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発生させます。ショットメディアが材料に何度も衝突すると、処理される部品全体に多くの重なり合ったディンプルが形成されます。材料表面の圧縮応力により部品が強化され、疲労破壊、応力破壊、腐食破壊、および亀裂に対する耐性が向上します。[ 34 ]
熱溶射技術は、人気の仕上げ方法のもう 1 つであり、多くの場合、電気めっきコーティングよりも優れた高温特性を備えています。熱溶射は、スプレー溶接プロセスとも呼ばれ、[ 35 ]熱源 (炎またはその他) と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す。コーティングは粉末またはワイヤの形で、どちらも溶融され、処理対象材料の表面に高速で噴射されます。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、金属化など、さまざまな名前で知られています。
無電解めっき（ED）とは、金属や金属合金を非導電性の表面に析出させる自己触媒プロセスと定義されます。これらの非導電性の表面には、プラスチック、セラミック、ガラスなどが含まれ、析出方法や用途に応じて、装飾性、防食性、導電性を持たせることができます。無電解めっきは、液体浴中で金属カチオンを自己触媒的に化学還元することにより、様々な材料上に金属コーティングを形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・ソー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、金属の微細構造と巨視的構造を研究する。
金属組織学では、対象となる合金を平らに研磨し、鏡面仕上げにする。その後、試料をエッチング処理して、金属の微細構造と巨視的構造を明らかにする。試料を光学顕微鏡または電子顕微鏡で観察し、画像のコントラストから組成、機械的特性、加工履歴に関する詳細な情報を得る。
結晶学は、 X線や電子の回折を利用することが多く、現代の冶金学者にとって貴重なツールの一つです。結晶学を用いることで、未知の物質を特定し、試料の結晶構造を明らかにすることができます。定量結晶学は、存在する相の量や試料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ている最新の高度な特性評価技術としては、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）、原子プローブトモグラフィー（APT）などが挙げられる。
eine Jubiläumsschrift für Ernst Pernicka [ エルンスト ペルニツカの記念出版物]
タミル・ナードゥ州の鉄の使用 ― 炭素年代測定 ― 文化的意義を解説
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