材料解説シリーズ！！～タングステン編～
本日はタングステンについて解説していきます！！
特徴や用途など解説していきますので、是非ご覧ください♪
タングステンとは
タングステンは、原子番号74の遷移金属元素です。
銀白色で、非常に硬くて重い性質があります。
天然では、鉄重石、マンガン重石、灰重石、鉄マンガン重石など、他の金属と結合した鉱石で産出します。
タングステンは金属の中で最も融点が高く、熱膨張率が小さいので、高温下でも形状を維持して使用することができます。
また、電気抵抗性にも優れているので、炉のヒーターなどに使用されます。
高い硬度を有しており、炭素などと結びつくことでさらに硬度が増すので、鉄鋼の添加材や切削工具に用いられています。
タングステンの特徴
高い耐熱性
タングステンの融点は3422℃と、金属の中で最も融点が高いといわれています。
その高い耐熱性から、熱処理炉など超高温下で使用される材料として広く活用されています。
また、熱膨張率が低く、超高温での形状安定性が極めて高いという点も、タングステンの特徴の一つといえます。
高密度で加工が難しい
タングステンの金属密度(比重)は19.3g/㎤と、金とほぼ同じであり、鉄の訳2.5倍、鉛と比べても1.7倍となります。
タングステンという言葉は、スウェーデン語で重い石という意味を持つのですが、、その名の通り非常に重い金属となっています。
また、金属密度が高いことから、放射線遮蔽能力に優れているという特徴を持ちます。
鉛も同様に、X線やガンマ線などの放射線の遮蔽材にもなるのですが、環境負荷が大きく、人体への影響も大きいというデメリットがあります。
一方で、タングステンは環境負荷が小さく、さらに放射線遮蔽能力においても、鉛より高いため、X線CTなどの医療分野で活躍しています。
このように、普段身近に感じない金属ですが、工業用、医療用として私たちの生活に密接に関係があります。
また、タングステンは硬度が高いという特徴も持っています。
炭素などと結びつくことで、さらに硬度が高くなり、モース硬度ではダイヤモンドの10に次ぐ、9にランクされます。
タングステンの炭化物であるWC(タングステンカーバイド)はそのように、非常に硬度が高いことから、ドリルや旋盤など、金属の切削工具として広く利用されています。
タングステンの原理
タングステンは、原子番号74の遷移金属元素の一つです。
金属の中では最も高い融点を持っていること、熱膨張率が小さいことが特徴で、るつぼや炉など高温環境下で使用される材料の主成分として使用されています。
また、電気伝導性や熱伝導性にも優れており、電気・電子分野にの製品にも応用されています。
コバルト、クロム、タングステン、鉄、炭素からなるKS鋼という合金は、高性能の永久磁石としての性質を有しています。
天然では、鉄重石、マンガン重石、灰重石、鉄マンガン重石など、他の金属と結合した鉱石で産出します。
原料としては、特に灰重石と鉄マンガン重石が重要な鉱石とされています。
タングステン合金の種類
タングステンを主成分とした合金は、今までに数多く開発されています。
具体的には、二成分系のタングステン-銅(W-Cu)、タングステンｰ銀(W-Ag)、三成分系のタングステン-ニッケル-銅(W-Cu-Ni)やタングステン-ニッケル-鉄合金(W-Fe-Ni)などがあります。
三成分系のW-Cu-Ni系合金、W-Fe-Ni系合金はヘビーアロイとも呼ばれます。
ヘビーアロイの特徴について、W-Cu-Ni系合金は非磁性ですが、熱伝導性に優れています。
一方で、W-Fe-Ni系合金にはほんの少し磁性があり、引張強度や伸びに優れた性質を示します。
また、ヘビーアロイを製造する際に、使用するタングステンの粒径、添加する金属の種類、金属の組成比などをコントロールすることで、さまざまな性質を有する合金を製造することが可能です。
ヘビーアロイは、タングステンの融点が非常に高いので、粉末治金法で製造されています。
原料の金属粉末を均一に混合した後、高い圧力で押し固めて成形します。
その後、高温で焼結して完成させます。
タングステンの毒性
タングステンは、工具やアクセサリーなどの身近で直接人の手に触れるものにも使用されていますが、毒性は報告されていません。
タングステンの急性毒性に関するデータはありませんが、特に危険性は報告されていません。
タングステン化合物に関して、ラットの経口摂取によるLD50(半数致死量：急性毒性の指標)の値は、リン酸タングステン3300mg/kg、タングステン酸ナトリウムで1190mg/kg、酸化タングステン(Vl)で840kg/mgであることが報告されています。
毒物及び劇物取締法の分類において、いずれの化合物においても普通物に該当することがわかります。
タングステンを加工する際に発生するタングステンの粉じんは、日本産業衛生学会による粉じんの危険性レベルの分類において、第三種粉じんに分類されています。
第三種には無機粉じんが該当し、吸入性粉塵として2mg/㎥、総粉塵として8mg/㎥と、作業環境における粉じん許容量が定められています。
タングステンの使用用途
タングステンは金属の中で最も融点が高く、比較的大きな電気抵抗を持っています。
これらの性質を利用して、自動車、医療、半導体、工具、家電、照明など様々な分野で活躍しています。
例えばタングステン線やタングステン棒に加工され、電球のフィラメント、放電線、放電ランプ電極などの用途に使われています。
タングステンカーバイドはタングステンと炭素の化合物で、超硬合金の主成分です。
非常に硬い合金として有名で、高温でも硬さを維持でき、強度も強いので、切削工具や研磨工具に使用されています。
コバルトなどの金属と合わせて、性能を上げた超硬合金も開発されています。
高い耐熱性を活用した使用用途
タングステンの一つ目の性質である、高い耐熱性を利用して、白熱電球のフィラメントや電子レンジのマイクロ波を発生する、マグネトロンに使用されています。
なお、以前はフィラメントによく使用されていましたが、近年はLEDが多用されるようになったため、フィラメントとしての需要は減ってきています。
高い密度を活用した使用用途
また、金属密度(比重)が高いという性質を活かして、釣りの重りやゴルフ道具のウエイト、さらには腕時計の重りなど、比較的狭いスペースにもかかわらず、しっかりした重量が必要な場所において使用されています。
こちらの記事は岐阜精器工業株式会社様の記事を参照しております。
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