金属材料の分類と特性完全ガイド：鉄鋼/非鉄/合金の選定基準と用途

金属材料の分類体系

金属材料は、地殻中の鉱石から採掘・精錬・精製・合金化・加工を経て製品化されます。分類軸は主に3つ：「鉄含有量」「原子構造/周期表族」「磁性」です。機械的特性(硬さ、疲労強度、延性、展性)は結晶構造の欠陥/不完全性(転位、結晶粒界、偏析、析出物)に起因します。

1. 鉄含有量による分類

鉄鋼材料(フェロウス/黒色金属) — Fe含有

• 磁性を帯びやすい(強磁性体：Fe, Co, Ni等)
• 水分/酸素存在下で腐食(赤錆)しやすい
• 製造金属の約90%を占める基幹材料群

非鉄金属(ノンフェロウス/有色金属) — Fe含有せず/微量

• 非磁性(常磁性/反磁性)、耐食性一般に良好
• 軽量(Al, Mg, Ti)、高伝導(Cu, Ag, Au)、特殊機能形状記憶/超伝導等
• アルミニウム、銅、鉛、亜鉛、チタン、ニッケル、マグネシウム、貴金属、合金等

2. 原子構造/周期表による分類

• アルカリ金属(第1族)：Li, Na, K, Rb, Cs, Fr — 極軟らか、高反応性、構造材不向き
• アルカリ土類金属(第2族)：Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra — Mg合金(軽量構造材)、Be(高剛性/毒性注意)
• 遷移金属(第3〜12族)：Fe, Cr, Ni, Mn, Mo, W, V, Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg等 — 構造材/合金元素/触媒/電子材料の中核
• 典型金属(第13〜15族一部)：Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi — Al/Sn/Pbは実用金属として重要

3. 磁性による分類

• 強磁性体：Fe, Co, Ni, Gd 及其合金(電磁鋼板、永久磁石、磁気シールド、モータコア)
• 常磁性体：Al, Pt, Ti, Cr, Mn, 酸素等 — 弱い磁化、磁場除去で消失
• 反磁性体：Cu, Ag, Au, Pb, Bi, 水、有機物等 — 弱い反発磁化、磁気浮上/シールド応用

主要金属材料の詳細プロファイル

鉄 — 文明の基盤

• 地殻5%占有、酸化しやすい(Fe₂O₃)、純鉄は軟らかく実用不向き
• 高炉→銑鉄(炭素3〜4%)→転炉/電炉→鋼(炭素0.02〜2.1%)
• 純鉄の弱点(耐食性欠如、重い)を炭素添加・合金化で克服→鋼材群へ

鋼 — 高張力・高強度重量比・延性・耐久性のバランス

炭素鋼(炭素量で3分類)と合金鋼(合金元素添加)に大別。

炭素鋼の分類(JIS G 4051等準拠)

※Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, B, Ti, Nb 等の微量添加で、焼入れ性、強度、靭性、耐食性、加工性を調整(合金構造鋼、特殊鋼へ発展)

合金鋼の主要系統

• ステンレス鋼：Cr 10.5%以上、受動態被膜で耐食性付与。オーステナイト系(SUS304/316)、フェライト系(SUS430)、マルテンサイト系(SUS410/420)、析出硬化系(SUS630)、デュプレックス(S31803/32750)。食品/医薬/化学/建築/自動車排気/医療
• 工具鋼：高硬度/耐摩耗/耐熱/靭性バランス。Mo, V, Co, W, Cr 添加。SKH(ハイス)、SKD(ダイス)、SKS/ SKT/ SKH 等。切削工具、金型(プレス/ダイカスト/プラスチック)、ゲージ
• 構造用合金鋼：SCM(クロムモリブデン)、SNCM(ニッケルクロムモリブデン)、SCr/SCMn/SiMn 等。焼調質で高強靭化、自動車/建機/産機重要部品
• 高張力鋼/高強度鋼：降伏点 490〜1400MPa級。TMCP/焼入れ焼戻し/マルテンサイト/ベイナイト組織制御。自動車軽量化(980/1180/1470MPa級)、橋梁/建築/ラインパイプ/船舶/クレーン
• 耐熱鋼/超耐熱合金(スーパーアロイ)：Ni基/Co基/Fe基、高温酸化/クリープ/疲労耐性。ガスタービンブレード/ディスク、ジェットエンジン、石油化学/原子力/廃棄物焼却
• 電磁鋼板(ケイ素鋼板)：Si 0.5〜6.5%、低鉄損/高透磁率。変圧器/モータ/発電機コア。無方向性/方向性
• マレージング鋼：Ni 18%+Co+Mo+Ti、時効析出硬化、超高強度/靭性、航空宇宙/金型/工具

主要非鉄金属のプロファイル

アルミニウム(Al) — 軽量・耐食・導電・リサイクル性No.1

• ボーキサイト→ベイヤー法(アルミナ)→ホール・エルー法(電解精錬)
• 純Al(1xxx)→Al-Mn(3xxx)→Al-Mg(5xxx)→Al-Mg-Si(6xxx)→Al-Zn-Mg-Cu(7xxx)→Al-Li(8xxx)
• 比重 2.7(鉄の1/3)、比強度高、陽極酸化/アルマイトで表面硬化・着色・絶縁
• 用途：航空機胴体/翼、自動車ボディ/エンジン/ホイール、新幹線車体、建築サッシ/カーテンウォール、熱交換器、包装(缶/箔)、電力ケーブル、ヒートシンク

銅(Cu) — 最高導電率(銀次位)・高導熱・加工性・抗菌

• 硫化鉱石→精錬→電解精錬(99.99%以上)。酸素フリー銅(OFC)で導電率最大化
• 黄銅(真鍮/Brass: Cu-Zn)、青銅(ブロンズ/Bronze: Cu-Sn)、洋白(ニッケルシルバー: Cu-Zn-Ni)、ベリリウム銅(BeCu: 高強度/非磁性/導電)
• 用途：電線/ケーブル/バスバー/モータ巻線/プリント基板/コネクタ/端子、熱交換器/配管/給湯器、楽器、装飾/建築金物、無酸素銅(真空/超伝導/高周波)

チタン(Ti) — 高比強度・耐食・生体適合・耐熱

• チタン石(イルメナイト/ルチル)→塩化物プロセス(Kroll法)→スポンジチタン→溶解鋳造
• α型(純チタン/耐食)、α-β型(Ti-6Al-4V: 最汎用)、β型(高強度/熱間成形性)
• 480℃まで高温強度維持、海水/塩素/酸/アルカリに極めて強い
• 用途：航空機エンジン/構造材(ファンブレード/ケース/ランディングギア)、医療インプラント(人工関節/歯科/骨板)、化学プラント/海水淡水化/発電、スポーツ用品(ゴルフ/自転車/テニス)、腕時計/装飾

鉛(Pb)・亜鉛(Zn)・マグネシウム(Mg)・ニッケル(Ni)・スズ(Sn)

• Pb：高密度/軟らか/耐食/遮蔽。蓄電池(鉛蓄電池)、放射線遮蔽、ケーブルシース、はんだ(無鉛化進行)、ウェイト。毒性厳格管理
• Zn：亜鉛めっき(鉄鋼防食)、ダイカスト合金(Zn-Al-Cu-Mg)、真鍮素材、犠牲陽極(カソード防食)、酸化亜鉛(ゴム/塗料/医薬/半導体)
• Mg：最軽量構造金属(比重1.74)、比強度高、鋳造性良。自動車/航空機/電子機器筐体/電動工具/医療/生分解性インプラント研究
• Ni：耐食/耐熱/磁性/触媒。ステンレス/スーパーアロイ/電池(Ni-MH, Ni-Cd, Li-NCA/NCM)/メッキ/触媒/貨幣
• Sn：低融点/無毒/濡れ性良。無鉛はんだ(Sn-Ag-Cu)、めっき(錫めっき/ホットディップ)、青銅/ベアリング合金/ペンター

銅系合金：真鍮(黄銅)と青銅(ブロンズ)

• 真鍮(ブラス)：Cu-Zn(5〜45%)、加工性/切削性/装飾性/低摩擦/無火花。配管継手、バルブ、楽器、時計部品、コネクタ、弾薬薬莢、装飾金物
• 青銅(ブロンズ)：Cu-Sn(リン青銅/アルミ青銅/シリコン青銅/ベリリウム銅)。高強度/耐摩耗/耐食/バネ性/非磁性/導電。ベアリング/ブッシュ/ギア/スプリング/コネクタ/船舶部品/溶接電極/芸術鋳造

材料選定の決定因子(マテリアルセレクション)

分類	炭素含有量	特徴・代表用途
低炭素鋼(軟鋼/マイルドスチール)	〜0.25%	延性高、溶接性良、成形性優。構造用圧延鋼材(SS400等)、配管、車体、缶、鉄筋、船殻
中炭素鋼	0.25〜0.60%	強度/靭性バランス良、焼入れ性中。ギア、シャフト、レール、車軸、クランクシャフト、構造用ボルト
高炭素鋼	0.60%〜	高硬度/高強度/低延性/脆い。切削工具(ドリル/タップ/ノミ)、ばね、ピアノ線、耐摩耗部品、金型

選定因子	具体的検討項目
機械的特性	引張強さ/降伏点/伸び/硬さ/疲労強度/破壊靭性/クリープ/衝撃値
物理的特性	密度/融点/熱伝導率/熱膨張係数/電気抵抗率/磁気特性/比熱
化学的特性	耐食性(均一/孔食/隙間/応力腐食/ガルバニック)、酸化/硫化/水素脆化
加工性/製造性	切削性/鍛造性/圧延性/引抜き性/溶接性/鋳造性/熱処理応答性/表面処理適合性
コスト/供給	材料費/kg、加工費、工具消耗、歩留まり、納期、安定調達、リサイクル性
環境/規制	RoHS/REACH/ELV/紛争鉱物/カーボンフットプリント/LCA、代替材料動向
安全係数/設計余裕	許容応力設計/限界状態設計、統計的バラツキ、使用環境不確実性

まとめ

金属材料は「鉄鋼(フェロウス)」と「非鉄(ノンフェロウス)」の二大潮流に、合金設計・熱処理・表面処理・プロセス技術が重層的に組み合わさり、数万グレードの材料ライブラリを形成しています。設計者/調達/生産技術者は、「要求機能(強度/靭性/耐食/導電/軽量/耐熱/生体適合等)」「製造制約(加工/熱処理/溶接/表面処理)」「コスト/納期/サステナビリティ」の三位一体で最適材料を選定し、材料証明書(ミルシート/検査成績書)とトレーサビリティで品質を担保する必要があります。新材料開発(高エントロピー合金、メタマテリアル、ナノ構造制御鋼、グリーンアルミ/グリーンスチール等)と、材料インフォマティクス(AI/MLによる組成-プロセス-特性予測)の融合が、次世代材料選定のスタンダードになりつつあります。