「ブラックメタル」は本当にすべて黒いのでしょうか?

20 世紀後半以降、社会は産業化による情報化、グローバル化、知識化の時代に入りました。社会の生産性の向上により、材料に対する需要は継続的に増加しています。同時に、科学の急速な発展と材料生産技術の成熟により、他の種類の材料も急速に発展しましたが、最も重要な構造および機能材料としての金属材料の地位は常に揺るぎないものとなっています。

さまざまな素材の中でも、金属は「柱」の役割を果たしていると言えます。周りを見渡せば、金属で作られたものや金属の製造に携わったものがあるはずです。最も鮮明な例は、誰もがなくてはならない携帯電話です。金属がなければ、役に立たないレンガになってしまいます。

回路基板上の銅コイル 画像提供: Veer Gallery

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黒はカラフルな黒

金属と聞いて、どんなイメージが思い浮かびますか？それはキラキラ光る金のネックレスでしょうか、それとも輝く金属製の鍋やフライパンでしょうか?メタルというと、黒と結び付けられることはないということに気づいているかどうかわかりませんが、「ブラックメタル」は確かにメタルの主要なカテゴリーです。

「黒」という言葉を聞くと、鉄金属は黒く、非鉄金属はカラフルであるに違いないと誤解されがちです。これを踏まえると、銀白色の鉄、クロム、銀灰色のマンガンは「黒い」金属ではないと多くの人が考えています。では、なぜこれら 3 つの金属とその合金が鉄金属として分類されるのでしょうか?

その理由は、鉄系金属は産業上、鉄、クロム、マンガンの総称であり、これら 3 つの金属の合金も含まれるからです。実際、純粋な鉄とクロムは銀白色ですが、マンガンは銀灰色です。鋼鉄の表面は通常、黒色の酸化鉄の層で覆われており、黒色合金鋼の製錬には主にマンガンとクロムが使用されるため、これらは誤って「黒い」金属と見なされています。

鋼と金はそれぞれ鉄金属と非鉄金属を表します。画像出典: Veer Gallery

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2大メタルスクールの戦い

金属の正式な定義は、「光沢のある、優れた電気的、熱的、機械的特性、および正の温度抵抗係数を持つ材料」です。

メタルは合計86人のメンバーがいる大きなファミリーです。通常、金属は色や性質などの特徴に応じて、鉄金属と非鉄金属の 2 つの「流派」に分類されます。鉄系金属とは、主に鉄、クロム、マンガンおよびそれらの合金を指し、鋼、銑鉄、鉄合金、鋳鉄などを指します。非鉄金属とは、鉄系金属以外の金属を指し、非鉄金属とも呼ばれ、鉄、クロム、マンガン以外のすべての金属の総称です。

周期表画像出典: Veer Gallery

この2つは名前が違うだけでなく、生産量も大きく異なります。非鉄金属は種類が豊富なため、その鉱床の数は鉄金属よりもはるかに多くなります。鉄金属の鉱床は少ないものの、各鉱床の産出量は非常に大きく、鉄金属の総産出量は世界の金属産出量の95％に達します。さらに、鉄、クロム、マンガンは鋼鉄を製錬するための主な原料です。鉄は国民経済において極めて重要な位置を占めており、国の強さを測る重要なシンボルとしても使われます。

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名前の興味深い由来

「非鉄金属」の英訳は「Nonferrous Metals」であり、「鉄金属」の英訳「Ferrous Metals」に相当します。非鉄金属業界で長く働いてきた老人によると、「Ferrous Metals」と「Nonferrous Metals」を「Black Metals」と「Nonferrous Metals」に翻訳する過程も興味深い話だそうです。

「Ferrous Metals」と「Nonferrous Metals」を最初に翻訳した学者たちは、これを直接「ferrous metals」と「non-ferrous metals」、または「ferrous metals」と「non-ferrous metals」と翻訳すると、翻訳の正確さは考慮されているものの、簡潔さが足りず、非常に使いにくいと考えていました。そこでこの学者は従来の考え方を捨て、金属の光学特性から始めて、翻訳で概念を再現しました。

純粋な鉄は銀白色ですが、人々が日常の仕事や生活でよく目にする鉄は黒色です。これは鉄の表面が黒色の酸化膜（酸化鉄）で覆われているためです。鉄が黒く見えるのは、まさにこの酸化膜のせいです。この観点から、「Ferrous Metals」は「黒い金属」と創造的に翻訳されました。

錆びた鋼と純粋な鋼 画像提供：中国科学院金属研究所先進鋼材研究部

「鉄金属」の存在と、銀が白色、金が金色、銅が黄色、鉛が灰色であることを考慮すると、「非鉄金属」は多彩な光学特性を持っているため、「Nonferrous Metals」は「非鉄金属」と翻訳されます。それ以来、「Ferrous Metals」と「Nonferrous Metals」は中国語で「鉄金属」「非鉄金属」となり、業界で広まっていきました。

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社会発展の基盤となる金属

金属素材は人類社会のあらゆる変遷の時期に重要な役割を果たしており、人類社会の発展の原動力であると言えます。人類社会の発展の歴史において、石器時代に続く青銅器時代と鉄器時代は、どちらも金属材料の応用によって特徴づけられました。

動物の顔の模様が描かれた青銅の三脚 画像提供: 故宮博物院

第二次世界大戦後、科学技術の進歩により新素材の開発が促進されました。ダクタイル鋳鉄、合金鋳鉄、合金鋼、耐熱鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金、超硬合金などが次々と開発され、実際の生産に適用されました。

現代では、金属材料の研究開発は、従来の純金属や純合金に限定されなくなりました。基礎理論とプロセス技術の向上により、新しい金属材料が急速に発展しました。これらには、ナノ金属、高/中エントロピー合金、一方向凝固柱状結晶や単結晶合金などの高温構造材料、金属マトリックス複合材料、形状記憶合金などが含まれる[1-4]。

さまざまな金属材料は人類社会の発展にとって重要な物質的基盤となっています。農業の近代化、産業の近代化、国防、科学技術の近代化はすべて金属材料のサポートに依存しています。小さな農具、機械部品、日用品から、飛行機、ミサイル、ロケット、衛星、原子力潜水艦などの大型の最新兵器、さらには原子力、テレビ、通信、レーダー、電子計算機などの最先端技術に必要な部品や構成部品まで、ほとんどが金属で作られています。

現在、世界の多くの国々、特に工業先進国は、金属・非鉄金属産業の発展と戦略的金属備蓄の増強に競争しています。金属材料は、国民経済、国民生活、国防産業、科学技術の発展にとって不可欠な基礎材料であり、重要な戦略材料であると言えます。

制作：中国科学普及協会

著者: 劉騰元 (中国科学院金属研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

参考文献:

[1] K. Lu, 勾配を利用して強固なナノ材料を延性化する, Science 345(6203) (2014) 1455-1456.

[2] W. Xu、B. Zhang、XY Li、K. Lu、過飽和Al-Mg合金におけるシュワルツ結晶構造による原子拡散の抑制、Science 373(6555) (2021) 683-687。

[3] Q. Pan、L. Zhang、R. Feng、Q. Lu、K. An、AC Chuang、JD Poplawsky、PK Liaw、L. Lu、「優れた強度と延性を備えた勾配セル構造の高エントロピー合金」、Science 374(6570) (2021) 984-989。

[4] P. Shi、R. Li、Y. Li、Y. Wen、Y. Zhong、W. Ren、Z. Shen、T. Zheng、J. Peng、X. Liang、P. Hu、N. Min、Y. Zhang、Y. Ren、PK Liaw、D. Raabe、Y.-D.王、階層的亀裂緩衝作用により共晶ヘリンボーン高エントロピー合金の延性が3倍に向上、Science 373(6557) (2021) 912-918。