鉄系金属と非鉄金属：相違点、例、用途

鉄系金属は鉄を主成分とする金属です。非鉄金属は、アルミニウム、銅、チタンなど、他の金属を主成分とする金属です。鋼鉄や鋳鉄は鉄系金属であり、アルミニウム、真鍮、青銅は非鉄金属です。この区別は材料選びの整理に役立ちますが、金属が磁性を持つか、耐腐食性があるか、特定の溶接に適しているかといった情報は得られません。

主な違いを比較する

鉄金属と非鉄金属の違いは何ですか?

決定的な違いは、普遍的な特性の組み合わせではなく、基となる金属の種類にある。「鉄系」とは鉄を指す。鉄合金は鉄を主成分とする金属合金であり、非鉄合金は異なる基となる金属を用いる。

手っ取り早く比較するには、以下の表をご参照ください。性能に関する行は、すべての合金に当てはまる規則ではなく、一般的な傾向を示すものとして捉えてください。

鉄系金属と非鉄金属の概要
メッセージ	鉄金属	非鉄金属
基本値は何ですか？	アイアン。	鉄以外の金属。
よくある例？	炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、鋳鉄。	アルミニウム、銅、真鍮、青銅、マグネシウム、チタン、ニッケル、亜鉛。
それらは磁石ですか?	多くはそうですが、焼きなまし処理されたオーステナイト系ステンレス鋼は重要な例外です。	多くの金属は手持ち磁石にほとんど反応しない。ニッケルとコバルトは例外である。
腐食に耐えられますか?	保護されていない炭素鋼は錆びる可能性がある。適切なステンレス鋼は、様々な環境に耐えることができる。	それらは基材金属から鉄錆を形成しないが、腐食する可能性はある。
軽いですか？	一般的な鋼は、アルミニウムやマグネシウムよりも密度が高い。	アルミニウムとマグネシウムは軽いが、銅、鉛、タングステンはそうではない。
なぜそれらを選択するのですか?	一般的な理由としては、剛性、強度、耐摩耗性、入手しやすさ、そして経済的な製造方法などが挙げられる。	理由としては、低質量、電気伝導性、鋳造特性、または特定の環境に対する耐性などが挙げられる。
どちらが安いですか？	標準的な炭素鋼は、多くの場合、有用なコスト基準となる。特殊鋼は高価になる場合がある。	価格は大きく変動する。株価の上昇は、部品の軽量化や加工コストの削減によって相殺される場合がある。

画面が小さい場合は、表を横方向にスクロールして両方の家族を比較してください。

各金属族の一般的な例と用途は何ですか？

馴染みのある製品は良い出発点となるが、一つの製品に両方の材質が含まれている場合もある。例えば、モーターの場合、コアに電磁鋼板、巻線に銅、筐体にアルミニウムが使われていることがある。

鉄系金属：鋼鉄および鉄合金

炭素鋼: フレーム、ブラケット、板金筐体、その他多くの汎用部品に使用されます。炭素含有量と加工方法によって、成形性、強度、溶接性に影響が出ます。
合金鋼および工具鋼: シャフト、ギア、金型、耐摩耗工具などに使用されます。合金添加や熱処理により、必要な硬度、靭性、強度が得られます。
ステンレス鋼: プロセス機器、食品サービス用表面、シンク、耐腐食性部品などに使用されます。クロムやその他の合金元素が含まれていますが、鉄を主成分としています。
鋳鉄: 機械のベース、筐体、パイプ、鋳造部品などに使用されます。ねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄は性質が異なり、「鋳造」という言葉は必ずしも金属が脆いことを意味するものではありません。

非鉄金属：アルミニウム、銅、その他の塩基

アルミニウムおよびマグネシウム合金: 筐体、輸送部品、携帯機器など、軽量化が重要な用途に使用されます。重量だけでなく、剛性、接合部、腐食防止性能も確認してください。
銅、真鍮、青銅: 銅は導体や熱伝達部品として広く用いられています。真鍮は主に銅と亜鉛からなり、一般的な青銅には銅と錫の合金が含まれます。これらの性質は純銅と全く同じではありません。
チタンおよびニッケルベースの合金: 特定の耐食性、耐熱性、または強度の組み合わせが、加工および購入コストに見合う場合に使用されます。
亜鉛、鉛、錫: 亜鉛はコーティングやダイカストに、錫ははんだやコーティングに、鉛は電池や遮蔽材などの用途に使用されます。鉛含有材料については、健康や製品に関する規制が重要となります。

非鉄金属とは「鉄分ゼロ」を意味するものではありません。アルミニウム合金や銅合金は、許容範囲内の鉄分を含んでいても非鉄金属に分類されます。まずは基本合金を分類し、次に実際の組成限界値を確認してください。

磁石は鉄系金属と非鉄金属を区別できるのか？

磁石は便利な選別補助具ではあるが、それ自体で信頼できる分類試験となるわけではない。反応は、単に鉄が含まれているかどうかだけでなく、物質の内部構造や状態によって左右される。

なぜ一部のステンレス鋼は強い磁性を持たないのか

一般的な304や316などの焼きなまし処理されたオーステナイト系ステンレス鋼は、手持ち磁石にほとんど引きつけられない。フェライト系、マルテンサイト系、二相系ステンレス鋼は通常、より強い引きつけ反応を示す。

冷間成形は、一部のオーステナイト系ステンレス鋼の特性を変化させる可能性がある。曲げ加工された角は、加工されていない平坦な部分よりも磁石に強く引きつけられる場合があるが、これは異なる金属のロットではない。BSSA （英国ステンレス鋼協会）によるステンレス鋼の磁性に関する説明では、この挙動は組成と加工方法に起因するとされている。

磁性金属が必ずしも鉄系金属ではない理由

ニッケルとコバルトは、室温で磁性を示す非鉄金属です。また、鋼鉄製のインサートやコアを挿入することで、本来非鉄金属である部品でも磁石に引き付けられるようになります。英国王立化学会のコバルトに関する資料には、こうした磁性の例外が明記されています。

実践的な教訓：磁石がくっつくからといってステンレス鋼を不合格にしたり、磁石がくっつかないからといって未知の金属片をアルミニウムだと決めつけたりしてはいけません。テストの結果を、答えるべき質問と照らし合わせてください。

鉄粉がU字型磁石の周りに並び、正確な合金の種類ではなく磁気反応を示した。 — 鉄粉は磁場を検出する。しかし、同じ検査方法ではすべての鋼種を区別することはできず、非磁性部品に鉄が含まれていないことを証明することもできない。写真：ノグアルデ / ウィキメディア・コモンズ, CC BY-SA 4.0.

鉄系金属は錆びるのか？また、非鉄金属は腐食するのか？

錆は鉄の腐食と関連付けられます。腐食はより広範なプロセスであり、非鉄金属にも損傷を与える可能性があります。水分にさらされたむき出しの炭素鋼は錆びることがあります。アルミニウムは孔食を起こし、銅は変色し、真鍮は特定の条件下で亜鉛が選択的に失われることがあります。

ステンレス鋼が錆びにくい理由

クロムはステンレス鋼に薄い保護膜を形成するのに役立ちます。そのため、適切なグレードのステンレス鋼は、多くの湿潤環境や腐食性環境で使用できます。ただし、すべてのグレードがすべての液体で安全というわけではありません。塩化物、残留水分、一部の酸は、その保護膜を損なう可能性があります。BSSAは、ステンレス鋼の主な腐食メカニズムについて説明しています。

亜鉛メッキ鋼も鉄系金属です。亜鉛メッキは鉄を主成分とする基材を保護するものであり、鋼を非鉄合金に変えるものではありません。加工や洗浄を行う際には、基材とメッキの両方について理解しておく必要があります。

異種金属はガルバニック腐食を引き起こすことがありますか？

2種類の異なる金属は、塩水などの導電性液体を介して電気的に接続されると、ガルバニック対を形成することがあります。この場合、より卑な金属の方が腐食が速くなります。単に乾燥した金属同士を接触させるだけでは、この種の腐食を説明することはできません。BSSAのガルバニック腐食条件を参照してください。

選定例：屋外でステンレス製の金具に取り付けられたアルミパネルの場合、2種類以上の耐腐食性材料名が必要となります。水の溜まりやすさ、露出状況、接触面積、および固定システムに電気的絶縁が必要かどうかを検討してください。これは設計シナリオであり、現場試験の報告ではありません。

金属を選ぶ際には、実際の使用環境（室内空気、海岸からの飛沫、洗浄剤、温度、水が滞留する期間など）を具体的に記述してください。「錆びない」ことは必須条件ではありません。

どの金属がより強く、より軽く、より硬いのか？

どちらのグループにも、圧倒的に優れた金属は存在しない。アルミニウムとマグネシウムは軽量金属としてよく用いられるが、銅、ニッケル、鉛、タングステンは、非鉄金属が軽量金属の代名詞にはなり得ない理由を示している。

金属の強度と剛性の違いは何ですか？

強度は、材料が永久変形や破損を起こす前にどれだけの応力に耐えられるかを示します。剛性は、荷重がかかったときに材料がどれだけ弾性的に伸びたり曲がったりするかを示します。高強度合金は、同じ形状の強度は低いが剛性の高い材料よりも、より大きくたわむことができます。

例えば、構造用鋼材のガイドラインでは、材料の剛性を示す指標として弾性係数210GPaが用いられています。これは降伏強度や許容設計応力とは異なります。鉄骨構造協会（SCI）の材料ガイドでは、これらを別々の特性として扱っています。

アルミニウムが鉄鋼に取って代わると、何が変わるのか？

スチール製のカバーをアルミニウム製に変更すると質量は軽減できますが、同じ荷重下での曲げ応力が増加する可能性もあります。リブ、折り目、またはより深い断面形状を採用することで、新しい設計を改善できます。したがって、単に同じ厚さの部品を交換するだけでは、再設計された部品とは異なる結果になる可能性があります。

また、供給された状態も確認してください。焼きなましされた金属、冷間加工された素材、熱処理された材料は、同じ合金名でも強度や成形特性が異なる場合があります。溶接によって局所的な特性が変化することがあります。Hydro社は、6061-T6は溶接部周辺で強度が低下する可能性があると指摘しています。

板金加工におけるより適切な選択を行うには、必要な荷重、厚さ、仕上げ、および加工方法に基づいて、ステンレス鋼とアルミニウムを比較検討してください。

どの金属が電気と熱をよりよく伝導しますか？

電気伝導や熱伝導が主な機能である場合、銅やアルミニウムがよく用いられます。支持フレーム、磁気コア、筐体などには鋼鉄が必要となる場合もあります。多くの場合、一つの金属にすべての機能を担わせるのではなく、複数の材料を組み合わせることで最適な解決策が得られます。

すべての銅合金が純銅と同じように導電性を持つとは限りません。合金に添加物を加えることで、強度や加工性が向上する一方で、導電性が低下する場合があります。

参考までに、銅開発協会（Copper Development Association）は、C11000銅の電気伝導率を約101% IACS、C26000真鍮の電気伝導率を約28% IACSとしています。IACSとは国際焼鈍銅規格（International Annealed Copper Standard）の略で、伝導率の基準値であり、純度のパーセンテージではありません。

これらは20℃における代表値であり、すべての製品を保証するものではありません。どちらの材料も非鉄金属で銅をベースとしていますが、同等の導体ではありません。CDA C26000真鍮データ· C11000銅データ。

バスバーやコネクタの場合は、合金の種類、断面積、温度上昇、接触抵抗を正確に比較してください。熱伝達部品の場合は、熱伝導経路、肉厚、接触面を比較してください。ファミリ名だけでは、アセンブリ全体の性能を予測することはできません。

金属の種類はレーザー溶接やレーザー洗浄にどのような影響を与えるのか？

どちらの材料群にもレーザー加工が可能な材料が含まれていますが、設定や検査方法は実際の合金や表面状態に合わせて行う必要があります。清浄な軟鋼に有効な加工方法を、塗装されたアルミニウムや銅の接続部にそのまま適用することはできません。

レーザー溶接：吸収、熱流、接合部の冶金学的問題

銅とアルミニウムは、その反射率と熱伝導率の高さから、接合が難しい材料です。さらに、異なる金属を接合する場合、溶融した材料が界面に脆い化合物を形成するという別の問題が生じます。TWI社によるアルミニウムと銅のレーザー溶接の事例は、接合部の制御が融点に到達することよりも複雑である理由を説明しています。

鋼材も単一の溶接カテゴリーではありません。炭素含有量、合金組成、コーティング、板厚、接合部の拘束条件によって、割れリスクや必要な手順が変わります。製造材料、接合部、および組み立て状態に基づいて試験を定義し、部品の実際の要件に対して溶接部を評価してください。

金属の種類や、グレードと接合部が分かっている場合にレーザー溶接が可能な高反射性材料について説明を続けてください。

レーザー洗浄：除去したい層を特定する

洗浄とは、表面から汚れを除去する作業です。錆、塗料、油、酸化物、メッキはそれぞれ異なる性質を持っています。例えば、亜鉛メッキ鋼板の場合、亜鉛メッキ層を残したまま表面の汚れを除去することと、亜鉛自体を剥がすことは全く異なります。

試験を行う前に、最終的な表面状態を明確に定義してください。除去すべきもの、残すべきもの、許容できる粗さ、色の変化、材料の損失などを明確にしてください。代表的な領域を比較し、表面の洗浄速度だけでなく、基材の状態も検査してください。

レーザー照射試験の前に、未知のコーティングや汚染物質を特定してください。制御されたレーザー装置と適切なヒューム捕集装置を使用してください。馴染みのある金属名であっても、除去対象の層の安全性を保証するものではありません。ビームレーザーおよび非ビームレーザーの危険性に関するOSHAのガイダンスを参照してください。

鉄系金属と非鉄金属のどちらを選ぶべきか？

まず、部品に求められる役割を明確にし、次に具体的なグレードと状態を選択してください。以下の表は比較のための出発点を示すものであり、最終的な材料承認を示すものではありません。

材料候補リストを主要要件と照合する
主なニーズが…	まずは比較してみましょう…	実行する前に確認してください
丈夫で経済的な屋内用フレーム	炭素鋼または低合金鋼（入手可能な断面形状のもの）。	荷重、たわみ、溶接の詳細、および必要な表面保護。
ハウジングや可動部品の軽量化	鋼材を基準とした、適切なアルミニウム合金。	再設計後の部品形状、締結部品、疲労特性、表面仕上げ、剛性。
コンパクトな電気導体	導電性銅。断面積と質量が許せば、電気用アルミニウム。	温度上昇、接合抵抗、接触設計、合金の導電率。
洗浄可能な表面または濡れた表面	暴露環境に適したステンレス鋼のグレード、およびその他暴露環境に適合する材料。	洗浄剤、塩化物、隙間、仕上げ、メンテナンス。
耐摩耗性のある工具またはシャフト	適切な工具鋼または合金鋼。環境上必要な場合は代替材料を使用する。	熱処理、硬度、靭性、摩耗メカニズム、および修理方法。
高温環境または腐食性の強い化学物質環境	耐熱鋼、ステンレス鋼、または必要に応じて特定のニッケル／チタン合金。	正確な温度、化学物質への曝露量、および使用負荷に関する公開データ。

画面が小さい場合は、選択項目を確認するために表を横方向にスクロールしてください。

どちらの選択肢が完成部品のコストを低く抑えられるか？

同一の完成品機能と数量について、複数の見積もりを比較してください。購入材料費、加工費、接合費、仕上げ費、検査費、および予想される不良部品数を含めてください。次に、同一のサービス期間におけるメンテナンスと交換の必要性を比較してください。

安価な鋼材ブランクは、コーティング加工が必要になる場合があります。アルミニウム押出成形品は、機械加工の手間を減らしたり、複数の部品を一体化したりできる可能性があります。しかし、どちらの利点も必ずしも得られるとは限りません。「鉄系材料の方が安い」という固定観念にとらわれず、仕入先の見積もりや試作結果を参考にしてください。

適切な仕入先見積もりをご希望の場合は、グレードと規格、製品形状、焼き戻しまたは熱処理、寸法と公差、表面処理／コーティング、数量、および必要な試験または証明書をお送りください。代替グレードが供給される場合は、事前に承認を得てください。

加工前に未知の金属をどのように識別できますか？

まずは記録とマーキングから始め、物理的な検査は、それらで回答できる質問にのみ適用してください。材料の混同が溶接不良や腐食性能の誤りを引き起こす可能性がある場合、色や磁石による推測だけでは不十分です。

本人確認を行ってください。 図面、発注書、等級表示、ロット番号またはロット番号を確認してください。証明書が実際に納品された在庫品に紐づいていることを確認してください。
簡単な観察で不一致点を見つけましょう。 外観、磁気反応、密度推定値によって可能性を絞り込むことができます。中空部品、メッキ、および付属のインサートは誤解を招く可能性があります。
適切な化学試験を選択してください。 携帯型蛍光X線分析装置（XRF）は多くの合金元素を識別できますが、炭素を測定することはできません。炭素によってグレードを区別する必要がある場合は、適切なスパーク発光分光法（OES）または炭素測定可能なLIBS法が必要になる場合があります。
状態については別途確認してください。 化学分析だけでは、焼き戻し、熱処理、硬度、機械的性能を証明することはできません。必要な証拠が得られるまで、重要な未知材料は生産工程から除外してください。

例えば、XRF分析の結果が316ステンレス鋼と一致したとしても、それだけで316Lであると断定することはできません。「L」グレードには炭素含有量の制限があり、XRFではそれを検証できないためです。この違いについては、サーモフィッシャー社のXRF、OES、LIBSの比較資料で説明されています。

鉄系金属と非鉄金属はどちらもリサイクル可能ですか？

はい。鉄鋼、アルミニウム、銅をはじめとする多くの金属には、確立されたリサイクルルートがあります。重要なのは、それぞれのスクラップの流れを次の用途に適した状態に保つにはどうすればよいかということです。

既知のグレードや種類は可能な限り分けて保管し、容器にはラベルを貼付し、きれいな端材と汚染された残留物を混ぜないようにしてください。磁気選別は多くの鋼材の回収に役立ちますが、ステンレス鋼や混合合金のすべての問題を解決するわけではありません。

Worldsteelは、鉄くずがどのようにして新しい鉄鋼製品に再溶解されるかを説明しています。アルミニウム協会は、アルミニウムのリサイクルに伴うエネルギー上の利点と材料の損失について説明しています。どちらの説明も、混合またはコーティングされた部品が選別や加工なしに元のグレードに戻ることを意味するものではありません。

鉄系金属と非鉄金属：覚えておくべきこととは？

材料の分類には、基材となる金属の種類を用います。適切なグレード、状態、用途に基づいて材料を選択します。磁性、錆びやすさ、重量、価格は有用な手がかりとなりますが、いずれも完全な選定基準ではありません。

加工部品の場合は、荷重、環境、導電性、製造工程に基づいて材料の候補を絞り込みます。レーザー加工の場合は、コーティング、汚染、接合部、必要な表面品質または溶接品質も考慮に入れます。

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材料およびプロセス試験について議論する

技術参考資料

BSSA：オーステナイト系ステンレス鋼の磁気特性 ―磁気応答と材料の状態。
BSSA：ステンレス鋼の腐食形態 (NAIST) と電気腐食 ―暴露および接触条件。
銅開発協会: C11000銅 (NAIST) と C26000 真鍮 ―学年別の物理的特性。
鉄骨構造協会：鋼材の特性 ―強度、剛性、および構造用鋼の挙動。
TWI：アルミニウムと銅のレーザー溶接 ―熱の流れと異種接合部における課題。
サーモフィッシャーサイエンティフィック：XRF、LIBS、OES ―物質識別方法の能力と限界。

オーシャンプレイヤーレーザー― 材料、レーザー洗浄、溶接に関する実践的なガイド。関連する説明の横に、公開されている技術文献へのリンクを掲載しています。例は、試験結果と明記されていない限り、説明のためのものです。

鉄系金属と非鉄金属： 相違点、例、用途