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一般性状：具有磁性的黑色晶体

密 度：5.18g/cm^3

熔点：1867.5K(1594.5℃)

四氧化三铁(纳 米)

铁 在四氧化三铁中有两种化合价，经研究证明了Fe3O4是一种铁(Ⅲ)酸 盐，即FeⅡFeⅢ[FeⅢO4]。黑色晶体，密度5.18克/立方厘米。有磁性，故又称磁性氧化铁。潮湿状态的四氧化三铁在空气中容易氧化成三氧化二铁。 不溶于水，溶于酸。用作颜料和抛光剂。磁性氧化铁用于制录音磁带和电讯器材。用红热铁跟水蒸气反应制得。

　　因它具磁性又名磁性氧化 铁。难溶于水，溶于酸(Fe3O4 + 8H+ = Fe2+ + 2Fe3+ + 4H2O)，不溶于碱，也不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。但是天然的Fe3O4不溶于酸。

　　四氧化三铁可视为FeO·Fe2O3，经X射 线研究认为它是铁(III)酸的盐

　　其名称为“偏铁酸亚铁”，化学式：Fe(FeO2)2

　　另外,它还是导体,因为 在磁铁矿中由于Fe2+与Fe3+在八面体位置上基本上是无序排列的， 电子可在铁的两种氧化态间迅速发生转移，所以四氧化三铁固体具有优良的导电性。

　 　铁丝在氧气里燃烧生成四氧化三铁；铁在空气里加热到500℃，铁跟空气里的氧气起反应也生成四 氧化三铁（现象：火星四射，生成黑色固体--四氧化三铁。实验室里做实验注意实验时要在瓶底铺一层细沙或水原因是：防止熔化物炸裂瓶底！）；锻工砧子周围 散落的蓝灰色碎屑主要是四氧化三铁；铁跟高温的水蒸汽发生置换反应生成四氧化三铁和氢气；天然磁铁矿的主要 成分是四氧化三铁的晶体。四氧化三铁是一种重要的常见铁的化合物。

　　四氧化三铁是一种铁酸盐，即Fe2+（Fe3+O4）2（即 Fe（FeO2）2前面2+和3+ 代表铁的价态）。在Fe3O4里，铁显两种价态，一个铁原子显+2价，两个铁原子显+3价，所以说四氧化三铁可看成是由FeO与Fe2O3组成的化合物， 可表示为FeO·Fe2O3，而不能说是FeO与Fe2O3组成的混合物，它属于纯净物。

　　物理性质：

　　黑色固 体，不溶于水，有磁性。

常见化学反应

(1) 在高温下，易氧化成三氧化二铁。

4Fe3O4+O2=6Fe2O3（条件是高温）

(2) 在高温下可与还原剂H2、CO、Al,C等反应。

3Fe3O4+8Al=4Al2O3+9Fe

Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2

Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O

（3）二氧化氮和灼热的铁粉反应生成四氧化三铁和氮气

2NO2+3Fe=Fe3O4+N2（条 件是高温）

铁丝在氧气中燃烧

1） 铁丝在氧气中燃烧

2）细铁丝在空气中加热到500℃也会燃烧生成四氧化三铁：

3）铁在高温下与水蒸气反应：3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

4)通过FeCl2与FeCl3加氨水共沉淀制的

用途

　　四氧化三铁是一种常用的磁性材 料。

　　特制的纯净四氧化三铁用来作录音磁带和电讯器材的原材料。

　　天然的磁铁矿是炼铁的原料。

　　用于制底漆和面漆。

　　它的硬度很大，可以作磨料。

　　四氧化三铁还可做颜料和抛光剂。

　　我们还可以通过 某些化学反应，比如使用亚硝酸钠等等，使钢铁 表面生成一层致密的四氧化三 铁，用来防止或减慢钢铁的锈蚀，例如枪械、锯条等表面的发蓝、发黑。俗称“烤蓝”

　　参见铁的其它氧化物：氧化铁，氧化亚铁

　　【英文名称】 magnetic iron oxide;ferriferrous oxide;ferrpferric oxide

　　【密度】 5.18

　　【熔点（℃）】1538

　　【性状】

　　黑色晶体。

　　【溶解情况】

　 　溶于酸，不溶于水、乙醇和乙醚。

　　【用途】

　 　用作颜料和擦光剂等，特制的磁性氧化铁可用于制录音磁 带和电讯器材。

　　【制备或来源】

　　天然产有铁矿。可由铁在蒸气中加热或由氧化铁在400℃下用氢还原而得。

Iron(II,III) oxide is the chemical compound with formula Fe₃O₄. It is one of a number of iron oxides. It is found in nature as the mineral magnetite. It contains both Fe²⁺ and Fe³⁺ ions and is sometimes formulated as FeO.Fe₂O₃. It is encountered in the laboratory as a black powder. It exhibits permanent magnetism and is ferrimagnetic, but is sometimes incorrectly described as ferromagnetic.^[2] Its most extensive use is as a black pigment which is synthesised rather than being extracted from the naturally occurring mineral as the particle size and shape can be varied by the method of production.^[3]

Preparation

Pigment quality Fe₃O₄, so called synthetic magnetite, can be prepared using processes that utilise industrial wastes, scrap iron or solutions containing iron salts (e.g. those produced as by-products in industrial processes such as the acid val treatment (pickling) of steel):

• Oxidation of Fe metal in the Laux process where nitrobenzene is reacted with iron metal using FeCl₂ as a catalyst to produce aniline^[3] :

C₆H₅NO₂ + 9Fe + 2H₂O → C₆H₅NH₂ + Fe₃O₄

• Oxidation of Fe^II compounds, e.g. the precipitation of iron(II) salts as hydroxides followed by oxidation by aeration where careful control of the pH determines the oxide produced.^[3]

Reduction of Fe₂O₃ with hydrogen:^[4][5]

3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ +H₂O

Reduction of Fe₂O₃ with CO:^[6]

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

Production of nano-particles can be performed chemically by taking for example mixtures of Fe^II and Fe^III salts and mixing them with alkali to precipitate colloidal Fe₃O₄. The reaction conditions are critical to the process and determine the particle size.^[7]

Reactions

Reduction of magnetite ore by CO in a blast furnace is used to produce iron as part of steel production process:^[2]

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

Controlled oxidation of Fe₃O₄ is used to produce brown pigment quality γ-Fe₂O₃ (maghemite):^[8]

2Fe₃O₄ + ½ O₂ → 3(γ-Fe₂O₃)

More vigorous calcining, (roasting in air), gives red pigment quality α-Fe₂O₃ (hematite):^[8]

2Fe₃O₄ + ½ O₂ → 3(α-Fe₂O₃)

Structure

Fe₃O₄ has a cubic inverse spinel structure which consists of a cubic close packed array of oxide ions where all of the Fe²⁺ ions occupy half of the octahedral sites and the Fe³⁺ are split evenly across the remaining octahedral sites and the tetrahedral sites.

Both FeO and γ-Fe₂O₃ have a similar cubic close packed array of oxide ions and this accounts for the ready interchangeability between the three compounds on oxidation and reduction as these reactions entail a relatively small change to the overall structure.^[2] Fe₃O₄ samples can be non-stoichiometric.^[2]

The ferrimagnetism of Fe₃O₄ arises because the electron spins of the Fe^II and Fe^III ions in the octahedral sites are coupled and the spins of the Fe^III ions in the tetrahedral sites are coupled but anti-parallel to the former. The net effect is that the magnetic contributions of both sets are not balanced and there is a permanent magnetism.^[2]

Properties

Fe₃O₄ is ferrimagnetic with a Curie temperature of 858 K. There is a phase transition at 120K, the so-called Verwey transition where there is a discontinuity in the structure, conductivity and magnetic properties.^[9] This effect has been extensively investigated and whilst various explanations have been proposed, it does not appear to be fully understood.^[10]

Fe₃O₄ is an electrical conductor with a conductivity is significantly higher (X 10⁶) than Fe₂O₃, and this is ascribed to electron exchange between the Fe^II and Fe^III centres.^[2]

Uses

Fe₃O₄ is used as a black pigment and is known as C.I pigment black 11 (C.I. No.77499).^[8]

Fe₃O₄ is used as a catalyst in the Haber process and in the water gas shift reaction.^[11] The latter uses an HTS (high temperature shift catalyst) of iron oxide stabilised by chromium oxide.^[11] This iron-chrome catalyst is reduced at reactor start up to generate Fe₃O₄ from α-Fe₂O₃ and Cr₂O₃ to CrO₃.^[11]

Nano particles of Fe₃O₄ are used as contrast agents in MRI scanning^[12]

Bluing is a passivation process that produces a layer of Fe₃O₄ on the surface of steel to protect it from rust.

Biological Occurrence

Magnetite has been found as nano-crystals in magnetotactic bacteria (42-45 nm)^[3] and in homing pigeon beak tissue

Iron(II,III) oxide

IUPAC name[hide]

iron(II) diiron(III) oxide

Other names[hide]

ferrous ferric oxide, ferroso ferric oxide, iron(II,III) oxide, magnetite, black iron oxide, lodestone, rust

Identifiers CAS number 1317-61-9 ^Y PubChem 16211978 Properties Molecular formula Fe₃O₄

FeO.Fe₂O₃

Molar mass 231.533 g/mol Appearance black powder Density 5.17 g/cm³ Melting point

1597 °C

Refractive index (n_D) 2.42

酸化鉄(II,III)（さ んかてつ に さん、Iron(II,III) oxide）は組成式Fe₃O₄で あらわされる化学物質であり、自然界では鉱物の磁鉄鉱と して見いだされる。いわゆる「黒錆び」のこと。

Fe²⁺イオンとFe³⁺イ オンとを含む為、時としてFeO.Fe₂O₃と 表現される^[1]。 実験室では酸化鉄(II,III)は黒色粉末の形状で提供されていて、常磁性やフェ リ磁性を示す^[2]。 時として誤ってフェ ロ磁性と表わされる場合がある。

また、製法により粒子のサイズや形状が異なるため、鉱石由来より合成によって製造された黒色色素 が非常に広く利用される

良質のFe₃O₄色素は、産業廃棄物やスクラップ鉄あるいは鉄塩を 含む溶液（例えば、鋼鉄をPicklingし た際の副産物）から製造される。

• Laux法による金属鉄の酸化では、FeCl₂を触媒として金属鉄をニ トロベンゼンと反応させてア ニリンとなる際に生成する^[3]。

C₆H₅NO₂ + 9Fe + 2H₂O → C₆H₅NH₂ + Fe₃O₄

• Fe⁺²化合物の酸化では

水酸化鉄(II)のような鉄(II)塩は注意深くpHを制御しながら曝気処理をすることで目的の酸化物を得られる^[3] 。

• Fe₂O₃の水素による還元^[4][5]で は

3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ +H₂O

• Fe₂O₃のCOによる還元^[6]で は

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

赤くなるまで熱した鉄に水蒸気を 作用させると生ずる。

Fe₃O₄ナノ粒子は化学実験的に生成される。例えばFe⁺²塩 とFe⁺³塩 との混合物をアルカリ性にするとコロイド状Fe₃O₄が沈殿する。実 験条件は微妙であり、条件の差異で粒子 サイズが決定づけられる^[7]。

磁鉄鉱は溶鉱炉内 で一 酸化炭素により還元され、鉄となり鋼の生産の一部に利用される^[2]。

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

Fe₃O₄の 酸化を調節することで、褐色色素のγ-Fe₂O₃（磁 赤鉄鉱）を生成することができる^[8]。

2Fe₃O₄ + ½ O₂ → 3(γ-Fe₂O₃)

他の焼成法（空気中での加熱）では、良質の赤色色素であるα-Fe₂O₃（赤鉄鉱） を与える^[8]。

2Fe₃O₄ + ½ O₂ → 3(α-Fe₂O₃)

Fe₃O₄は逆 スピネル格子の立方晶で 立方格子の頂点に酸素が配置して、酸素を中心とする8面体頂点の半分に Fe²⁺イオン が、残りの8面体頂点の半分と4面体頂点にFe³⁺イオンが配置している。

FeO もγ-Fe₂O₃も 酸素の配置は同じく立方格子をとる。酸化反 応あるいは還元反応により容易にこれらの3種の化合物は相互に変化するが、その際の最終的な構造の違いは小さい^[2]。

試料によってはFe₃O₄は不 定比化合物の場合もある^[2]。

Fe₃O₄のフェ リ磁性は8面体頂点にあるFe(II)イオンとFe(III)イオンの電子スピンが強磁性的に結合するととも に、4面体上のFe(III)イオンのスピンがそれらに対して反強磁性的に結合していることに起因している。この両者の磁気的な寄与がつりあっていないこ とから永久磁石の性質を示す^[2]。

Fe₃O₄はフェ リ磁性でキュ リー温度は858 Kである、そして120Kにおいてフェルベイ転移 (Verwey transition) と呼ばれる相転移を生じ、構造、電気伝導性、磁性が不連続的に変化する^[9]。 この現象は研究対象として注目を集め、様々な理論的説明が提唱された。しかし完全には解明されていない^[10]。 Fe₃O₄はFe₂O₃に 比べて、非常に大きい(X 10⁶) 電気伝導性を示す。これはFe⁺² and Fe⁺³と の間で原子価間電荷移動する為である^[2]。

鉄釘や鉄鍋などの表面に形成された「黒錆び」は非常に緻密な皮膜となって内部を保護する^[11]。

ダッ チオーブンや中華鍋な どでは意図的に空焚きして鍋の表面に黒錆びを発生させ、内部の腐食を防いでいる。

Fe₃O₄はC.I pigment black 11' (C.I. No.77499) という名称で知られている黒色色素に利用される^[8]。

Fe₃O₄ はハー バー・ボッシュ法のア ンモニア製造の触媒や水 性ガスシフト反応^[12]の触媒と しても利用される。得に後者は酸化クロムによって安定化された HTS (high temperature shift catalyst) の酸化鉄触媒はひろく利用され^[12] 、そのフェリクロム触媒はプロセス起動時に α-Fe₂O₃からFe₃O₄、Cr₂O₃か らCrO₃を生成させる^[12]。

Fe₃O₄ のナノ粒子は核 磁気共鳴画像法のコントラスト造影剤としても利用される

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生鐵（日：銑鉄；英：Pig iron），是碳的比例相當的高的鐵合金， 碳約占整個合金的2.5~4.5%左右（相較之下碳鋼的含碳量為0.02~2.14%），是將鐵礦石、焦炭、石灰石等原料投進高爐熔 煉，由高爐直接煉得並在模中鑄造出來的。生鐵的質地相當的脆，必須將其煉造成鋼以後才能有較多的用途。
另一方面，亦有直接從生鐵搥打的炊具，比 用熟鐵鑄造的炊具更耐用。
鐵和足量的鹽酸充分反應後，總會有殘渣，殘渣成分是C，這是因為生鐵是Fe和C的合金。C不與鹽酸反應也不溶解於水， 所以殘渣的主要成分就應該是 C。而生成的FeCl2能溶解在水中，所以不會形成殘渣。
鑄鐵按照斷口顏色可分為白口生鐵和灰口生鐵：
灰 口生鐵：又稱鑄造生鐵，含碳量較高，達到 2.7％～4.0％，碳主要以石墨狀態存在，斷口呈灰色，凝固時收縮量小、硬度高、抗壓強度高，是目前應用最廣泛的鑄鐵。
白口生鐵：又稱鍊鋼生 鐵，含碳量與含矽量均較低，碳主要以滲 碳體狀態存在，斷口呈白色，凝固時收縮量大、脆性大。
· 純鉄の融点よりも低い融点の鉄-炭素系 状態図の共 晶点（炭素4.25%）で鉄を取り出すため、炭素含有量が高い。銑鉄は硬いが、衝撃を与えると割れやすいので、構造用材料には使われない。融解した銑鉄を 急冷すると、主成分がセメンタイトである「白銑鉄」となる。
· 鉄鉱石を還元する際に使用される装置によって、「高炉銑」と「電気炉銑（電気銑）」に大別される。前者は高炉を 用いて製銑された銑鉄、後者は電気炉（電炉）を用いて製銑された銑鉄である。現代日本では前者が主流で、後 者の生産はほとんど行われていない。高炉による製銑は、高炉#高炉による銑鉄生産に詳しい。高炉や電気炉から取り出されたままで溶解した銑鉄のことを「溶 銑」、冷やされて固まった銑鉄のことを「冷銑」と言う。冷銑は、形状によって型銑（鋳型で成型された銑鉄）、粒銑（粒状の銑鉄）がある。
· 銑鉄の用途は主に製鋼と鋳物で ある。製鋼用銑鉄は、転炉や平炉を 用いて、炭素の含有量を4%前後から2%以下へ下げる処理が加えられる。このプロセス（これを「製鋼」と言う）によって鋼が生産される。また、電 気炉でスクラップ（屑鉄）を溶かして製鋼する際にも、成分調整用に添加される。鋳物用銑鉄（省略して「鋳物銑」とも呼ばれる）は、成分を調整されて鋳型に 流し込まれ、鋳鉄と なる。
· 銑鉄自体は世界各国で生産されているものの、生産量は中国が 突出している。
· 1993年には1位の中国が9000万トン弱であったが、経済成長に支えられて2000年の時点では約1億3000万トン、さらに2000年以降は 生産量が急増して2005年には約3億3000万トンと、2位の日本や3位の旧ソ連諸国と比べるとその差は4倍ほどある。
· 2005年時点での生産量2位は日本で 8200万トン余り、3位は旧ソ連諸国（独立国家共同体）でおよそ8000万トンである
· Pig iron is the intermediate product of smelting iron ore with coke, usually with limestone as a flux. Pig iron has a very high carbon content, typically 3.5–4.5%,[1] which makes it very brittle and not useful directly as a material except for limited applications.
· The traditional shape of the molds used for these ingots was a branching structure formed in sand, with many individual ingots at right angles to a central channel or runner. Such a configuration is similar in appearance to a litter of piglets suckling on a sow. When the metal had cooled and hardened, the smaller ingots (the pigs) were simply broken from the much thinner runner (the sow), hence the name pig iron. As pig iron is intended for remelting, the uneven size of the ingots and inclusion of small amounts of sand was insignificant compared to the ease of casting and of handling.
Traditionally pig iron would be worked into wrought iron in finery forges, and later puddling furnaces, more recently into steel.[4] In these processes, pig iron is melted and a strong current of air is directed over it while it is being stirred or agitated. This causes the dissolved impurities (such as silicon) to be thoroughly oxidized. An intermediate product of puddling is known as refined pig iron, finers metal, or refined iron.[5]
Pig iron can also be used to produce Gray iron. This is achieved by remelting pig iron, often along with substantial quantities of steel and scrap iron, removing undesirable contaminants, adding alloys, and adjusting the carbon content. Some pig iron grades are suitable for producing ductile iron. These are high purity pig irons and depending on the grade of ductile iron being produced these pig irons may be low in the elements silicon, manganese, sulfur and phosphorus. These types of pig irons are useful to dilute all elements in a ductile iron charge (except carbon) which may be harmful to the ductile iron process.
Today, pig iron is typically poured directly out of the bottom of the blast furnace through a trough into a ladle car for transfer to the steel plant in mostly liquid form, referred to as hot metal. The hot metal is then charged into a steelmaking vessel to produce steel, typically with an electric arc furnace or basic oxygen furnace, by burning off the excess carbon in a controlled fashion and adjusting the alloy composition. Earlier processes for this included the finery forge, the puddling furnace, the Bessemer process, and open hearth furnace.
Modern steel mills and direct-reduction iron plants transfer the molten iron to a ladle for immediate use in the steel making furnaces or cast it into pigs on a pig-casting machine for reuse or resale. Modern pig casting machines produce stick pigs, which break into smaller 4–10 kg pieces at discharge.
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Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Compound Sharpener’Milling cutter、INDUCTORS FOR PCD’CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’POWDER FORMING MACHINE’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、Staple Cutter’PCD diamond cutter specialized in grooving floors’V-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert’ PCD Diamond Tool’ Saw Blade with Indexable Insert’NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills’end mill grinder’drill grinder’sharpener、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
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ようこそＢｅｗｉｓｅ　Ｉｎｃ.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな
情報を受 け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。
弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、
豊富なパリ エーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。
弊社は各領域に供給できる内容は：
（１）精密ＨＳＳエンド・ミルの Ｒ＆Ｄ
（２）Carbide Cutting tools設計
（３）鎢鋼エンド・ミル設計
（４）航空エンド・ミル設計
（５） 超高硬度エンド・ミル
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（７）医療用品エンド・ミル設計
（８）自動車部品＆材料加工向けエ ンド・ミル設計
弊社の製品の供給調達機能は：
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（２）ミクロ・エンド・ ミル～大型エンド・ミル供給
（３）小Ｌｏｔ生産～大量発注対応供給
（４）オートメーション整備調達
（５）スポット対応～流 れ生産対応
弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。
Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.
BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.
BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

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1. 氢，H(Hydrogenium, [En]Hydrogen)，即形成水的元素
2. 氦，He(Helium)，这是从日光光谱中发现的元素，所以用希腊语Helios(太阳)命名。
3. 锂，Li(Lithium)，因从叶石中发现而得名，希腊语Lithos意思是石头。
4. 铍，Be(Beryllium)，因从绿宝石(Beryl)中发现而得名。
5. 硼，B(Borum, [En]Boron)，得名于硼砂，硼砂的拉丁语是Boron，因为它可以熔融金属，阿拉伯语Boron的意思是焊接。
6. 碳，C(Carboneum, [En]Carbon)，古代就已发现，得名于炭(Carbon)。
7. 氮，N(Nitrogenium, [En]Nitrogen)，即形成硝石的元素，由希腊语Nitron(意
思是硝石，演变为拉丁语就是 Nitre)得名，后缀-gen参见氢(1)。
8. 氧，O(Oxygenium, [En]Oxygen)，即形成酸的元素，希腊语Oxys(酸)，
9. 氟，F(Fluorum, [En]Fluorine)，得名于萤石(拉丁语Fluor，原意是熔剂)氟化钙。
10. 氖，Ne(Neon)，来自希腊语Neon(新的)。
11. 钠，Na(Natrium)，英语为Sodium，因电解苏打(Soda，化学成分是碳酸钠)制得而得名。拉丁语Natrium意思也是苏打。
12. 镁，Mg(Magnesium)，得名于苦土(Magnesia，希腊一个盛产苦土的地方)。
13. 铝，Al(Aluminium)，得名于明矾(拉丁语Alumen是具有收敛性的矾)硫酸铝钾。
14. 硅，Si(Silicium, [En]Silicon)，得名于石英玻璃(Silex)。
15. 磷，P(Phosphorus)，因会发出冷光而得名，由希腊语Phos(光)和Phoros(带来)构成。
16. 硫，S(Sulfur)，古代就已发现，因其晶体程黄色而得名(梵语Sulvere是鲜黄色)。
17. 氯，Cl(Chlorum, [En]Chlorine)，以氯气的颜色而得名，希腊语Chloros意思是绿色。
18. 氩，Ar(Argon)，来自希腊语Argon(懒惰)。
19. 钾，K(Kalium)，英语为Potassium，因电解木灰碱(Potash碳酸钾)制得而得名。拉丁语Kalium意思也是木灰碱。
20. 钙，Ca(Calcium)，得名于石灰(Calx)。
21. 钪，Sc(Scandium)，发现者是瑞典人，纪念他祖国(Scandinavia斯堪的纳维亚)得名。
22. 钛，Ti(Titanium)，以希腊神话人物Titan命名。
23. 钒，V(Vanadium)，以北欧女神Vanadis命名。
24. 铬，Cr(Chromium)，其化合物具有多种颜色得名，希腊语Chroma是"美丽的颜色"。
25. 锰，Mn(Manganum, [En]Manganese)，因该矿产产地Manganesia(土耳其内) 而得名。
26. 铁，Fe(Ferrum)，古代就已发现，英语为Iron(从Iren演变过来)。
27. 钴，Co(Cobaltum, [En]Cobalt)，意思是"地下小魔"，因为它能使玻璃变成蓝色。
28. 镍，Ni(Niccolum, [En]Nickel)，意思是"骗人的小鬼"(德语为Nickle)，因为它和钴有同样的性质，能使玻璃变成绿色。
29. 铜，Cu(Cuprum, [En]Copper)，古代就已发现，因首次从塞浦路斯岛(Aes Cyprium)获得该金属而得名。
30. 锌，Zn(Zincum, [En]Zinc)，古代就已发现，名称起源尚不清楚，可能来自德语。
31. 镓，Ga(Gallium)，因其发现者是法国人，为纪念他的祖国(Gallo，高卢，法国古称)。
32. 锗，Ge(Germanium)，发现者是德国人。
33. 砷，As(Arsenicum, [En]Arsenic)，关于它的词源，一种说法是出自Arsen(Arsen，意思是强烈)，因砒霜(砷的氧化物)是一种烈性毒药；另一种说法是由波 斯语Az-Zarnikh雌黄。
34. 硒，Se(Selenium)，意思是月亮的元素(Selene，希腊神话中的月亮女神)。
35. 溴，Br(Bromum, [En]Bromine)，因恶臭的特性而得名，希腊语Bromos意思是恶臭。
36. 氪，Kr(Krypton)，来自希腊语Krypton(隐藏)。
37. 铷，Rb(Rubidium)，因其光谱是红色(Rubidus，拉丁语深红色)而得名。
38. 锶，Sr(Strontium)，据说这种元素来自于苏格兰Strontian铅矿，得名Strontia(锶土)。
39. 钇，Y(Yttrium)，因钇土原产于瑞典的Ytterby而得名。
40. 锆，Zr(Zirconium)，得名于锆矿(Zircon)。
41. 铌，Nb(Niobium)，旧称Cb(Columbium，钶)，因首先在北美的钶矿石中发现这种元素，而以哥伦布(Columbus)的名字命名。后 来从钶矿中分离出钽(73)，才真正得到该元素，遂用Tantalus的女儿Niobe命名之。
42. 钼，Mo(Molybdaenum, [En]Molybdenum)，其硫化物和石墨一样都是黑色矿物，德语通称为Molybdon，由此得名。
43. 锝，Tc(Technetium)，它是人造元素，所以用希腊语Technetos(人工制造)。
44. 钌，Ru(Ruthenium)，其发现者是两俄国化学家，为纪念他们的祖国(Russia)而得名。
45. 铑，Rh(Rhodium)，因其化合物呈玫瑰红色而得名，希腊语Rodon意思是玫瑰花。
46. 钯，Pd(Palladium)，为纪念不久前发现的武女星Pallas而得名。
47. 银，Ag(Argentum)，来源于希腊语Argyros(Argos意思是光泽或白色)，英语为Silver。
48. 镉，Cd(Cadmium)，得名于水锌矿Calamine。
49. 铟，In(Indium)，因其光谱是靛蓝色(Indigo)而得名。
50. 锡，Sn(Stannum)，原意是坚硬，因铜被掺入锡后得到更加坚硬的青铜，英语为Tin。
51. 锑，Sb(Stibium)，古代就已发现，英语为Antimony， Anti-反对，词尾从Monk变化而来，传说辉锑矿可以治疗僧侣的病癞病，但是很多僧侣服用后病情反而恶化，故被认为是僧侣的客星。
52. 碲，Te(Tellurium)，按照硒(34)的命名方法，称其为地球的元素(Tellus，罗马神话中的大地女神特勒斯)。
53. 碘，I(Iodum, [En]Iodine)，以碘的颜色紫色而得名，希腊语Iodhs意思是紫色。
54. 氙，Xe(Xenon)，来自希腊语Xenon(奇异)。
55. 铯，Cs(Cesium)，因其光谱是蓝色(Caesius，拉丁语天蓝色)而得名。
56. 钡，Ba(Barium)，来源于重晶石(Baryta)，因该矿石产于意大利博罗尼亚(Bologna)。
57. 镧，La(Lanthanum)，因其隐藏在稀土中而得名，希腊语Lanthanein意思是隐藏。
58. 铈，Ce(Cerium)，为纪念第一颗刚发现的小行星Ceres(罗马神话中谷类的女神)得名。
59. 镨， Pr(Praseodymium)，来自镨土(Praseodymia)，是由希腊语Pratos(葱绿)和Didymos(孪晶)构成的，意思是绿色的 孪晶。
60. 钕，Nd(Neodymium)，来自钕土(Neodymia)，意思是新的孪晶，参见氖和镨。
61. 钷，Pm(Promethium)，得名于希腊神话人物普罗米修斯(Prometheus)。
62. 钐，Sm(Samrium)，得名于钐土(Samaria)，俄国矿物学家В. Е. Самарский发现。
63. 铕，Eu(Europium)，用来纪念欧洲(Europa)。
64. 钆，Gd(Gadolinium)，得名于钆土(Gadoina)，为了纪念芬兰化学家加多林(J. Gadolin)，他发现了第一个稀土元素钇(39)。
65. 铽，Tb(Terbium)，得名于瑞典的Ytterby，参见钇。
66. 镝，Dy(Dysprosium)，得名于希腊语Dysprositos，意思是难以获得的。
67. 钬，Ho(Holmium)，因其发现者是瑞典人，为纪念他的故乡斯德哥尔摩(Stockholm)。
68. 铒，Er(Erbium)，得名于瑞典的Ytterby，参见钇。
69. 铥，Tm(Thulium)，发现者是瑞典人，以斯堪的纳维亚古名Thule(北极的陆地)命名。
70. 镱，Yb(Ytterbium)，得名于瑞典的Ytterby，参见钇(39)。
71. 镥，Lu(Lutetium)，发现者是法国人，为纪念他的故乡巴黎(Lutetia，巴黎的旧称)。
72. 铪，Hf(Hafnium)，发现者在哥本哈根(Kobenhavn，也称Hafnia)取得的成就而得名。
73. 钽，Ta(Tantalum)，因其不被酸腐蚀的性质而和希腊神话中宙斯之子Tantalus(因受罚而浸在水中，但不能吸收水分)相提并论。
74. 钨，W(Wolframium)，得名于德国的黑钨矿(Wolframite)，所以德语称其为Wolfram。其英语名称Tungsten原意是重石， 主要成分是钨酸钙。
75. 铼，Re(Rhenium)，为纪念莱茵河(Rhine)而得名。
76. 锇，Os(Osmium)，因其化合物带有臭味而得名，希腊语Osme意思是臭味。
77. 铱，Ir(Iridium)，因其化合物呈彩色而得名，希腊语Iris意思是虹。
78. 铂，Pt(Platinum)，得名于Platina Del Pinto的金属，当铂的价值未被发现时，它常被奸商掺在黄金中。
79. 金，Au(Aurum)，古代就已发现，英语为Gold。
80. 汞，Hg(Hydrargyrum)，是由拉丁语Hydra(水)和Argyrum(银)组成的，参见氢和银 。英语为Mercury，是罗马神话中众神的信使，说明该金属有流动性，古代就已发现。
81. 铊，Tl(Thallium)，因其光谱是绿色而得名(Thallium，拉丁语绿枝的意思)。
82. 铅，Pb(Plumbum)，原指铅(Plumbum Nigrum，黑铅)和锡(Plumbum Album，白铅
)，古代就已发现。英语为 Lead，原意为领导，可能逐步引申为导线和铅锤。
83. 铋，Bi(Bismuthum, [En]Bismuth)，从德语Wismut翻译过来。
84. 钋，Po(Polonium)，这是居里夫人为纪念她的祖国波兰(拉丁语为Polonia)而命名。
85. 砹，At(Astatium, [En]Astatine)，来自希腊语Astatos，意思是不稳定。
86. 氡，Rn(Radon)，也称镭射气，这是由镭衰变而来的元素，后缀-on表示惰性气体。
87. 钫，Fr(Francium)，因发现者是法国人，为纪念自己的祖国(France，法兰西)而命名。
88. 镭，Ra(Radium)，意思是射线(Radiation)的给予者。
89. 锕，Ac(Actinum)，因为放射性衰变而得名，Active是活动的意思。
90. 钍，Th(Thorium)，以北欧神话中的雷神(Thor)命名。
91. 镤，Pa(Protactinium)，意思是原始的(前缀Proto-)锕，因为镤可以衰变为锕(89)。
92. 铀，U(Uranium)，为纪念不久前发现的天王星(Uranus，希腊神话人物)而得名。
93. 镎，Np(Neptunium)，用海王星(Neptune，罗马神话中的海神)命名。
94. 钚，Pu(Plutonium)，用冥王星(Pluto，冥王)命名。
95. 镅，Am(Americium)，因发现者是美国人，为纪念他的国家(America，美洲)而得名。
96. 锔，Cm(Curium)，以纪念法籍波兰科学家居里夫人(Marie Curie, 1867-1934)，她发现了钋(84)和镭(88)，是1903年诺贝尔物理学奖和1911年诺贝尔化学奖获得者。
97. 锫，Bk(Berkelium)，因该元素发现于伯克利大学(Berkeley)而得名。
98. 锎，Cf(Californium)，得名于发现该元素的伯克利大学的所在地(California)。
99. 锿，Es(Einsteinium)，以纪念犹太裔德国物理学家爱因斯坦(AlbertEinstein)。
100. 镄，Fm(Fermium)，纪念美籍意大利核物理学家费米(Enrico Fermi)，1938年诺贝尔物理学奖获得者。
101. 钔，Md(Mendelevium)，以纪念俄国化学家门捷列夫，他发现了元素周期律。
102. 锘，No(Nobelium)，以纪念瑞典化学家诺贝尔(Alfred Bernard Nobel)，他被誉为炸药之父，是诺贝尔奖的创立者。
103. 铹，Lr(Lawrencium)，以纪念美国核物理学家劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence)，他是1939年诺贝尔物理学奖获得者。

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C60的發現及得獎，可以說是兩件天文物理研究上的意外斬獲。1985年 美國的柯爾、史麥利及英國的科洛托三人共同發現C60並加以合成，1990年以後有關此類物質的研究大幅成長，大家也預料C60的發現者會得諾貝爾獎，台 灣也刮起了C60風，1993、1994連續兩年的大學聯考均有此方面的考題，在 1996年這三位科學家憑著此重大成就獲得諾貝爾化學獎。C60的模型構造各種版本的高中化學教科書對均有提到，但其結構共有幾個六角型平面？幾個五角型 平面？碳原子的位置應在巴克球模型上的何處？很多高中生都甚為迷惑，本文特從鍵價理論及削去尖角的『二十面體』中加以計算、解析，使理論與模型結合。
一、 碳的第三種同素異形體
由同一元素組成，但具有不同形態的物質稱為同素異形體，硫的同素異形體有斜方硫、彈性硫和單斜硫，碳的同素異形體有金剛 石、石墨和C60（又名芙-60），C60是除了石墨、金剛石之外的碳的第三種同素異形體，令人吃驚的是，石墨是由碳的六角形平面重疊排列組成的巨大分 子，金剛石是由碳的正四面體形狀綿延堆積而成，到了C60居然變成極為對稱的球狀分子。
二、化學教科書均有提及C60
1999年開始 發行使用的各種新版高中化學教科書對C60均有提到，但大都僅論及四、五行，除建宏版把C60 放在 基礎化學 物質的形成及其變化 外，其餘各版本均安排在 物質科學化學篇（下）非金屬元素的性質 這一章中，大同資訊版花上二小段的篇幅為各版本中敘述最詳盡者，建宏版的基礎化學更以C60結構圖為封面。
三、無心插柳的意外發現
C60 的發現是天文物理研究上「正打歪著」的意外收獲。英國布來頓（Brighton）薩克奚斯（Sussex）大學化學與分子學院的科洛托教授（Harry. W. Kroto）為了探究星際間的塵埃光譜，在可見光區及紫外光區的吸收帶是否由微小的石墨碳粒所引起，一直在尋找一台可以模擬富含碳元素星球周遭條件的儀 器，在英國遍尋不著，美國休士頓（Houston）萊斯（Rice）大學化學系的柯爾（Robert. Curl）教授告訴他，在該校奈米科技中心有適合的儀器，屬史麥利（Richard. E. Smalley）教授所有，當時這部儀器主要用於矽和鍺等半導體的研究，它的功能是用雷射蒸發物質，然後與鈍氣混合，經由噴嘴噴出冷卻，最後以質譜儀記錄 產物，因為使用者眾多，大排長龍，科洛托的檔期被安排在十八個月之後，真是好事多磨，足足等了一年又半載，在1985年，他飛越大西洋遠赴休士頓，與柯 爾、史麥利合作研究，他們以聚焦的雷射光照設石墨，激發出蒸氣，將此蒸氣冷凝後測出許多含偶數個碳原子的碳原子簇，例如：C24、C32、C60、 C70、C84、C540、C1500等，這一系列的分子稱為碳簇分子（carbon cluster）。數天後，他們在質譜上發現對應60個及70個碳原子的兩個主要譜峰，峰的強弱與蒸氣壓有關，稍早有些研究者也有類似的發現，但是沒有更 進一步對這個現象做探討，因此喪失畢生難遇的獲獎機會。
相反地，科洛托等人集中精力去探討含60個碳及70個碳的物質的可能構造，他們利用氦氣 將該物質攜帶進入質譜儀中分析，發現了分子量為720、840的C60、C70分子，藉著經驗法則、模型推演，得到的結論卻是一個令他們不敢相信的類似足 球般的空心籠狀物，由60個碳原子組成，其結構很像在1967年蒙特婁（Montreal）世界博覽會場，由美國建築師巴克明斯特．富勒(R. Buckminster Fuller)所設計出的圓頂屋（Geodesic Dome），故論文命名為「碳60富勒烯」， 簡稱為巴克球(Bucky-ball)，Rice大學數學系的教授們告訴他們，這是一個「削去尖角的『二十面體』」，數學家相當了解，建議他們買了個足 球，在草地上照相，放在文章中。C70也具有類似的結構，因此，籠狀或球殼形的純碳族分子誕生了，而且也有了自己的名字－富勒烯（fullerene）， 爾後，類似C60的分子相繼被發現，世界各地的科學家開始鑽研「富勒烯」，從30個碳原子至含有數百個碳原子的足球烯，統稱碳簇。
圖 一：1967年加拿大蒙特婁 世界博覽會上的美國館，建築物高60公尺。 圖二：二十面體
圖三：C60的模型（由12個五角形和20個六角形所 組成，其碳原子間的連結形式與石墨非常類似。) 圖四：類似巴克球(Bucky-ball)的足球。
碳簇分子具有烯類的性質，碳數在70以下的 分子稱為富勒烯；碳數介於70－100的分子稱為大富勒烯（High Fullerenes）；碳數大於100的，稱為巨富勒烯（Giant Fullerenes）。C70的結構可視為將C60伸展，成橢圓形，大富勒烯C7６、C7８的結構可視為將C70橫向伸展，伸展的程度隨著碳數目增加而 增加，成橢圓形中空的籠狀結構物。
四、邁向諾貝爾化學獎之路
由於休士頓研究群的儀器中祇能產生極少量的氣相物種，因此富勒烯的研究一 直無法突破，足球形的假想構造僅得到計算化學家的支持，一直到1990年霍夫曼（Huffman）及克瑞茲莫（Kratschmer）所帶領的天文物理研 究團隊意外發展出石墨電弧製備法，可產生足夠量的「富勒烯」供各式各樣的物理與化學實驗，因而開啟了一個新的領域，不論物理學、化學、材料科學、生命科 學、資訊科學均有不少專家學者投入「富勒烯」的研究，C60也在1990年獲選為美國科學雜誌（Science）的「年度分子」，這個意外的發展將科洛托 等人推向諾貝爾化學獎寶座。值得一提的是在發展此製備方法時，他們憑靠的是量子化學對具二十面體對稱的C60的紅外光譜的預測做為指引，幾天後碳十三核磁 共振光譜圖中特立的唯一一根譜線，更加肯定了他們的假設。
1990年之後富勒烯的相關研究大幅成長，如更高碳數的富勒烯的製備、奈米管的製備、 富勒烯上的化學反應及衍生物、富勒烯的硬度、富勒烯化合物的超導及鐵磁性質、富勒烯做為藥物的可能性等都是研究人員注意的焦點，自然而然的出現了一個新的 學門。目前碳簇的實際用途為用來製造觸媒、塑膠、火箭燃料、碳簇化合物及有機超導體、新超導材料探索研發、水溶性碳簇衍生物之生物醫學之應用。
C60 相當穩定，在高速撞擊時不會分解 若在氮氣中加熱其晶體至550℃可以使其昇華，但亦不會分解。日本NEC實驗室的矢田阪（Masako Yudasaka）將C60分子填入碳奈米管內，產生了極高的壓力值，C60上的力量僅有數微牛頓，可是除以碳奈米管的面積後，會獲致高達108 Pa的壓力，此發現將促使C60對化學應用產生新的改變。矢田阪亦宣稱直徑2nm、長度50nm、張開角度20度的錐狀碳奈米管，將可取代過濾器中的活性 碳，用來吸收氣體。
五、C60的邊、面（環）數目之計算
C60為目前所知最對稱的分子，由60個碳原子組成，共有32個面（20個六 角形和12個五角形）、60個頂點（60個碳原子分別箝在每一個頂點上）、90個邊（稜線），其形狀類似足球，直徑為7.1埃，在25℃下為固態，呈紫 色，密度為1.68克/毫升，其碳－碳鍵長有兩種，分別為1.38埃和1.45埃。相鄰兩六角環所共用的兩個碳原子間的鍵長較短，較接近雙鍵的性質，相鄰 六角環和五角環所共用的兩個碳原子間的鍵長較長，較接近單鍵的性質，每1個五角環與5個六角環相接，接合處的鍵長為1.45埃，每1個六角環與3個六角 環、3個五角環交互相接，接合處的鍵長分別為1.38埃、1.45埃。
（一）、邊數的計算：
碳為四價，應形成4個化學鍵，C60的分 子中，每一個碳原子僅與相鄰的三個碳原子鍵結，即具有三個δ鍵，一個π鍵，故碳應具有近似石墨的sp2混成軌域鍵結。每一個δ鍵是由2個碳原子共用，因此 每一個碳原子平均擁有1.5個δ鍵，C60的分子中共有60個碳原子，應擁有δ鍵90個（1.5×60），即90個邊。每一個π鍵是由2個碳原子共用，因 此每一個碳原子平均擁有0.5個π鍵，60個碳原子應擁有π鍵30個（0.5×60），即具有30個雙鍵（每一個雙鍵均由一個δ鍵及一個π鍵所組 成），60個（90－30）單鍵。
（二）、邊數的另一算法：
每一個碳原子僅與相鄰的三個碳原子鍵結，二處C－C單鍵，一處C＝C雙 鍵，因單鍵、雙鍵為兩碳原子間共用，因此每一個碳原子平均擁有0.5×2個單鍵，0.5個雙鍵，C60的分子中共有60個碳原子，應擁有60個 （0.5×2×60）單鍵及30個（0.5×60）雙鍵，即90個（60＋30）邊。
圖五：每1個六角環與3個六角環、 圖六：每1個五角環與5個
3個五角環交互相接。 六角環相接。
（三）、六角環的數目：
每1個六角環與3個六角環、3個五角環 交互相接，接合處的鍵分別為雙鍵、單鍵（如圖五），因與鄰環共用，因此1個六角環實際僅有1.5個（0.5×3）雙鍵、1.5個單鍵。C60的分子中有 30個雙鍵，故有20個（30/1.5）六角環；又單鍵共有60個，20個六角環共用去30個（1.5×20）單鍵，剩下30個（60－30）單鍵供五角 環用。
（四）、五角環的數目：
每1個五角環與5個六角環相接（如圖六），接合處的鍵均為單鍵，因與六角環共用，因此1個五角環平均擁 有2.5個（0.5×5）單鍵，故有12個（30/2.5）五角環。
（五）、僅由邊數無法推出五角環、六角環的數目：
五角環雖有5個 邊，因與鄰環共用，因此1個五角環實際僅擁有2.5個邊。六角環雖有6個邊，因與鄰環共用，因此1個六角環實際僅擁有3個邊。
設五角環有x個、 六角環有y個（x 、y均為正整數）
2.5 × x＋3 × y ＝ 90
3 × y＝ 90－2.5 × x
y ＝ 30 －（5/6）× x
x必為6的倍數
解之 x=6 y=25；x=12 y=20；x=18 y=15或x=24 y=10
六、 截角正二十面體（truncated icosahedron）的製作方法
將（實心）正二十面體的每個凸角切掉適當大小，即形成一個截角正二十 面體。它具有六十個頂點、九十條稜線，以及三十二個面（其中二十個為正六邊形，十二個為正五邊形）。由於它由兩種正多邊形拼成，因此並不算是「正多面 體」，足球便是截角正二十面體（如圖四）。
七、連續兩年的大學聯考考題
【1993日大】
碳六十，是最近新發現的碳的同素異 形體。它的分子C60是由60個碳原子所組成，它的分子形狀像足球，如圖三。試問其碳上的混成軌域與下列何者最接近？（A）鑽石中的碳（B）石墨中的碳 （C）二氧化碳中的碳 （D）聚乙烯中的碳
解析：C60為sp2混成軌域，而鑽石、聚乙烯為sp3混成軌域，二氧化碳為sp混成軌域，只有石墨 中的碳和C60一樣為sp2混成軌域。
【1994日大】
C60的分子如圖三，它有幾個π鍵？（A）60 （B）30 （C）20 （D）0
解析：每一個C以sp2混成軌域彼此鍵結形成單鍵，且均剩下一個pz電子，而每一個π鍵需2個pz電子，60個C有60個pz電子，故 可形成30個π鍵。
八、結語
C60由20個六角環和12個五角環所組成，這是課本上的詞句，常出現在考題中，讀完本文後，您還要再死 記20、12這種數字嗎？C60的發現及得獎，可以說是兩件天文物理研究上的意外斬獲，雖然是二十世紀的化學成果，但對於二十一世紀的科技發展必有深遠的 影響，我們且拭目以待吧！
九、參考資料
1.李虎雄等（民90年）：高級中學幾何學（下），p66。台中市：大同資訊。
2. 黃長司等（民89年）：高級中學物質科學化學篇（下）教師手冊，p116。台中市：大同資訊。
3.施政雄等（民88年）：高級中學基礎化學教 師手冊，p59-61。台北縣：建宏出版社。
4.楊永華等（民90年）：高級中學物質科學化學篇（下）教師手冊，p129。台北市：三民書局。
5. 夏鑄九（1999年）：建築，p113。台北市：貓頭鷹出版社。
6.李錫隆，一九九六年諾貝爾化學獎的故事。

參 考資料
http://www.cysh.cy.edu.tw/subject/chem/C60%AA%BA%B5o%B2{%BBP%A8%E4%C3%E4%A1B%AD%B1%BC%C6%A5%D8%A4%A7%ADp%BA%E2.htm

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標準就是規範，每個國家和部門都有自己的標準。目前，我們在平時的業務中 最常用到的標準有以下幾種：

GB—中國國家標準（國標） ANSI—美國國家標準（美標）

DIN—德國國家標準（德標） ASME—美國機械工程師協會標準

JIS—日本國家標準（日標） BSW—英國國家標準

GB—國家標準是我國眾多標準 中的一種，另外還有行業標準，專業標準和部門標準等。

國家標準又分：GB（強制性標準）和GB/T（推薦性標準）以及GBn（國家內部標 準）等。我們平常看到的像GB30，GB5783等等都是強制性的標準。

以上幾種標準除了一些基本尺寸如頭部對邊、頭部厚度等的不同以 外，最主要的是螺紋部分的不同。GB、DIN、JIS等的螺紋都有是以MM（毫米）為單位，統稱為公制螺紋。另像ANSI、ASME等的螺紋是以英寸為單 位的稱為美標螺紋。除了公制螺紋和美制螺紋外還有一種BSW—英制標準,其螺紋也是以英寸為單位，俗稱惠氏螺紋。

公制螺紋是以MM（毫 米）為單位，它的牙尖角為60度。美制螺紋和英制螺紋都是以英寸為單位的。美制螺紋的牙尖角也是60度，而英制螺紋的牙尖角為55度。由於計量單位的不 同，導致了各種螺紋的表示方法也不盡相同。例如像M16-2X60表示的就是公制的螺紋。

他的具體意思是表示該螺絲的公稱直徑為 16MM，牙距為2MM，長度為60MM，又如：1/4—20X3/4表示的就是英制的螺紋，他的具體意思是該螺絲的公稱直徑為1/4英寸（一英 寸=25.4MM），在一英寸上有20個牙，長度為3/4英寸。另外要表示美制螺絲的話一般會在表示英制螺絲的後面加上UNC以及UNF，以此來區別是美 制粗牙或是美制細牙。

在平時的內銷業務中，我們最常遇到的標準是GB（國標）和DIN（德標）。

在非芳生產品方面，主要 會接觸到以下幾種標 準：GB30；GB5783；GB5782；GB52；GB6170；GB818；GB819；GB845；GB846；GB70；DIN912；DIN933；DIN931 等。目前GB30（老國標）在標準書中已被GB5783（新國標）所代替。GB52（老國標）在標準書中已被GB6170（新國標）所代替。

在 1986年，我們國家對標準件制定了新標準，在業務中一般俗稱為新標，使用最多的主要有GB5780、GB5781、GB5782、GB5783、 GB5784。GB5780為六角頭粗桿半牙螺絲，其精度等級為C級產品，可用GB5782來代替（GB5782為六角頭粗桿全牙螺絲，其精度等到級為A 級和B級。）GB5781為六角頭全牙螺絲，精度等級為C 級產品。可用GB5783來代替（GB5783為六角頭全牙螺絲，其精度等級為A級和B 級）。GB5784為細桿半牙的六角螺絲。

新標與老標的區別在於：M8、M10、M12、M14、M22系列的產品，在對邊寬度上有所區 別。除M22系列的新產品外，新標產品M8、M10、M12、M14的頭部對邊比老標的對邊要小1MM。分別為13、16、18、21MM ，而M22系列的新產品，新標比老標的對邊反而要大2MM，應特別注意。對於頭部厚度，新標和老標之間略有差別，在要求不是非常嚴格的情況下可以通用。

新 標與德標的區別在於：M10、M12、M14、M22的產品規格，在對邊寬度上有所差別。M10、M12、M14的頭部對邊新標比德標要小1MM。而 M22的新產品的，其頭部對邊比德標的對邊寬度要大2MM ，其他的均可通用。

對於六角螺帽，常用的標準有：GB52、GB6170、 GB6172和DIN934，對於它們之間的主要區別有：

GB6170的厚度要比GB52、GB6172和DIN934來的厚，俗稱為厚 螺帽。另外就是對邊上的區別，M8的螺帽系列中DIN934、GB6170、GB6172的對邊都是13MM比GB52的對邊14MM要小1MM，M10 的螺帽，DIN934與GB52的對邊為17MM，比GB6170和GB6172的的對邊要大1MM，M12的螺帽，DIN934、GB52的對邊為 19MM比GB6170和GB6172的對邊18MM要大1MM。

對於M14的螺帽，DIN934、GB52的對邊為22MM比 GB6170和GB6172的對邊21MM要大1MM。另外就是M22的螺帽，DIN934、GB52的對邊為32MM，比GB6170、GB6172的 對邊34MM要小2MM。（GB6170和GB6172除了其厚度不一樣外，對邊寬度完全一樣）其餘規格在不考慮厚度的情況下，可以通用。

在 內六角方面，國標中有兩個版本，一個為GB70—76，76年版本，一個為GB70—85 85年版本，我公司現執行DIN912的標準，所以在實際業務操作中應注意區別：其中GB70—85與DIN912完全重合，故對於使用新標的情況，不存 在著差別，主要是GB70—76與DIN912之間有所區別：

M8系列的內六角產品，GB70—76的圓頭徑為12.5MM,比 DIN912的13.27MM要小一些,M10系列的內六角產品,GB70—76的圓頭徑為15MM,比DIN912的16.27要小一些,M12系列的 內六角,GB70—76的圓頭徑為18MM,比DIN912的對邊18.27要小一些

另像M16、M20系列的內六角GB70—76的圓 頭徑比DIN912的要小0.33MM，分別為24MM，30MM。DIN912的則分別為24.33MM和30.33MM。另外老標與德標內六角之間的 內對邊寬度由於標準不同而不同，GB70—76的內對邊要小一些，在業務作業中也應加以注意。

另外，平時可能會用到的馬車螺絲也有一些區 別，在此也作一個說明，在國標中，有兩種馬車螺絲的標準，即GB12（小半圓頭方頸螺絲）和GB14（大半圓頭方頸螺絲），平時在市面上較常用的還有德標 標準DIN603。現對這三者加以區別：對於圓頭頸，在同一規格比較時是：GB12< SPAN>。通常在馬車螺絲的使用時，往往要求頭頸大而厚，所以DIN603馬車螺絲的標準完全符合要求。

名稱 ：

1. 機螺釘 2.自攻螺釘 3.鑽尾螺釘 4.墻板釘 5.纖維板釘 6.木螺釘 7.六角木螺釘 8.不脫出螺釘 9.組合螺釘 10.微型螺釘 11.傢具螺釘 12.電子螺釘

頭型 ：

1.六角頭（hexagon head) 2.六角頭法蘭面（hexagon head with flange) 3.方頭（square head) 4.T形頭T head (hammer head) 5.扁圓頭mushroom head(truss head) 6.圓柱頭（cheese head） 7.圓頭（round head) 8.盤頭（pan head) 9.沉頭 countersunk head (flat head) 10.半沉頭 raised countersunk head (oval

槽型 ：

1.菲利普 2.十/一字 3.一字 4.內三角 5.內角四方 6.十字 7.米字 8.花形 9.梅花形 10.花形一字 11.特形 12.內六角

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アーク溶接とは電気の放電現象（アー ク放電）を利用し、同じ金属同士をつなぎ合わせる溶接法。母材と電 極（溶接棒、溶接ワイヤ、TIGトーチなど）の間に発生させたアークによってもたらされる高熱で母材および溶加材（溶接ワイヤ、溶接棒）を溶融させて分子 原子レベルで融合一体化する接合法であり接着とはまったく違う。電気溶接とも言われることもあるが、これには抵 抗溶接も含まれる。

材料によっては高熱に曝されると性質が変化したり、劣化する恐れがあるので、溶接を行う際は、JIS 規格に規定された耐久性が得られるか検討する必要がある。また、アーク溶接を行う際は労 働安全衛生法第59条3項「アーク溶接」による特別教育を修了する必要がある。

被 覆アーク溶接で使用する溶接棒は、芯線より発生したアークを、被覆材から発生したガスでシールドし、大気中の窒素や酸素が溶接部に混入するのを 防止している。この他、被覆材の成分は、溶接金属の脱酸精錬や、スラグになってビード形状の成型などの働きをする。被覆アーク溶接は手溶接、手棒溶接と言 う ことがある。被覆アーク溶接での進行方向は、右利きなら左から右へ、左利きなら右から左へ、いずれの場合も進行方向に対して五度から十度傾けて傾けた方向 に進む。

連続的にワイヤやガスを供給する溶接を手棒溶接に対する意味で半自動溶接と言う。被覆アーク溶接とほぼ同じ用途の溶接として半 自動アーク溶接がある。被覆アーク溶接（しばしば手棒溶接ともいう）はいわゆる溶接棒を溶接材として使うが、溶接棒は比較的短いためしばしば短 くなった溶接棒を交換する必要があり、大量に溶接を行うには必ずしも適していなかった。このため開発されたのが溶接材として非常に長いワイヤーを使う半自 動 アーク溶接であり、単にアーク溶接と言えば、半自動アーク溶接のことを指すほど一般的である。半自動溶接はガスシールドアーク溶接なの で風に弱く、屋外では使用しにくい。おもに工場内で使われる。詳細は半 自動アーク溶接の項目を参照のこと。

ティ グ溶接、ミ グ溶接、マ グ溶接、炭 酸ガスアーク溶接では、電極(溶接ワイヤ)から発生させたアークを、ア ルゴン・炭 酸ガス等のガスで覆い、アークの安定、溶融金属中に大気が混入しないようにする目的がある。この為に使用されるガスをシールドガスと称する。ミ グ溶接、マグ溶接、炭酸ガスアーク溶接は溶接ワイヤやシールドガスの連続供給が可能で、溶接の中ではスポット溶接と並び、最も自動化が進んでいる。これら ガ スシールドアーク溶接では進行方向にノズルを向けて、右利きなら右から左へ、左利きなら左から右へ進む方法を前進法、逆に進行方向と反対にノズルを向けて 進む方法を後退法と呼び用途やワーク形状によって使い分けられている。

真っ直ぐ連続してビード（溶接痕の盛り上がり）を置くことを（ビー ドは置くと表現するのが正しい、英語ではビードオンプレートと呼ぶ）ストレートビードと呼び比較的薄い材料に適している。また進行方向に対して振幅を与え つつ進んで置いたビードをウィービングビードと呼び多層盛溶接などの比較的厚い 板に適している。（ウェービングではなくウィービングが正しい呼称、意味は縫い合わせるようにであり、文字通り二つの板を縫い合わせるように進行する）

アー クと電気

電流と電圧

アーク溶接では電力により溶接棒もしくは溶接ワ イヤを溶融させる。アーク溶接を行うにはこの電力、つまり電流と電圧のコントロールがきわめて重要である。電圧が低い場合、右図(1)のようにアーク長は 短くなる。逆に電圧が高い場合、右図(3)のようにアーク長は長くなる。また、同じ電圧で電流が増せ ば、右図(1)のようにアーク長は短くなる。逆に同じ電圧で電流が減れば、右図(3)のようにアーク長は長くなる。

普通の伝導体の場合、 電流は電圧に比例して増大するが、アーク溶接の場合は電流は電圧に比例しない。電圧を上げるとアークが大きくなり、その分抵抗値が増すからである。この性 質を利用してアーク溶接の溶接機には、負荷電流と負荷電圧が別々に設定できるように、それぞれにつまみがついている。これは以下のようなしくみになってい る。

アーク溶接の溶接機(電源)は、電流と電圧のコントロールの仕方により、定電圧特性のものと垂下特性のものの2種類がある。

定 電圧特性

定電圧特性とは、負荷電流が増加しても負荷電圧が一定となる性質のことである。実際には負荷電圧を一定の 値に保つように、負荷電流が自動制御される。定電圧特性の溶接機は主に半自動アーク溶接に使われている。

半自動アーク溶接の溶接機で電流 の設定値を増すと、すぐに負荷電流が増えるのではなく、まず 送給装置からのワイヤーの供給速度が増す。このときワイヤーによってアークから融解熱が奪われるため、アークが小さくなる。アークが小さくなると負荷電圧 が下がるが、溶接機はこれを検知し自動的に電圧が元に戻るまで負荷電流の量を増やす。

逆に溶接機の電流の設定値を減らすと送給装置からの ワイヤーの供給速度が減る。するとワイヤーによって奪われる融解熱が減るためアークが大きくなる。アークが大きくなると負荷電圧が上がるが、溶接機はこれ を検知し負荷電圧が元に戻るまで負荷電流の量を減らす。

要するに、半自動アーク溶接の溶接機はワイヤーの供給速度によって電流をコント ロールするしくみになっており、実際の電流値(負荷電流)は定電圧特 性を持つ電源の平衡機能によって制御されている。

垂下特性

垂下特性とは、負荷電流が増えると負荷電圧が低下する特性を意味している。これは内部抵抗値を持つ電池や発電機など一般的な電源の持つ性 質である。溶接では電流の高い領域、すなわち、電圧が変化しても電流があまり変化しない領域が使われる。垂下特性の溶接電源は主に被覆アーク溶接やサブ マージアーク溶接な どに使われる。

溶接では電流の高い領域、すなわち、電圧が変化しても電流があまり変化しない領域で使うようになって いる。垂下特性の溶接電源の場合、アーク長が変化しても負荷電流の量は一定なので溶接棒の溶ける量はあまり変わらない。発生する熱量が変わらないのでアー ク長はすぐに元に戻る。従っ て、アークの長さが変化しても電流はあまり変化しないので、垂下特性の溶接電源なら手作業でも安定した溶接が行える。

電 流とワイヤー速度

半自動アーク溶接では、電流の設定値はそのままワイヤーの供給速度になる。このワイヤー速度はか なりの速さで、溶接の結果に大きな影響を及ぼす。電流を増やした場合、ワイヤー速度が増し溶融金属の運動量が 増えるので、深く溶け込む。また、同じ電流値でもワイヤー径が細くなると、時間あたりの溶融量を保つためにワイヤー速度が上がる。その結果、ワイヤーの母 材へのぶつかる速度が増す。従って、細いワイヤーほど深く溶け込みやすい。

深い溶け込みはアーク溶接では一般に望ましいこととされるが、 液体が激し く動くことになるので、その分スパッタなど増えることにもなるので注意しなければならない。

移行状態

溶接棒や溶接ワイヤが溶けた溶融金属が母材上に移動することを溶滴移行という。この溶滴移行の様子は電圧、電流、 シールドガス、溶接材の種類などによって著しく変化する。

低電流の状態では、アーク熱により溶融した溶加材(溶接棒のこと)の先端部が溶 融した母材 に接触し(短絡)、アークが消えるとともに溶加材から母材へと流れるように溶融金属が移動する。これを短絡移行と言う。

炭 酸ガスアーク溶接における高電流の状態では、溶融した溶加材は大きな滴になって移行し、一部の溶融金属が飛び散るなどの現象が生じる。これをグロ ビュール移行という。飛び散った溶融金属はスパッタといい、溶接ビードの回りにこびり付き、溶接 の外観を悪くする原因となる。しかし、うまくコントロールできればグロビュール移行は高速な溶接ができるという長所がある。

MAG溶接に おける高電流の状態では、溶加材から母材への溶接金属の移動が非常に小さい滴の状態で行なわれる。これをスプレー移行と言う。スプレー移行 はスパッタが少ないため外観が良く、かつ溶け込みも深く、能率も良い溶接ができる。

シールドガス

シー ルドガスの働き

アーク溶接で溶融している金属に大気が接すると、大量の窒素が 金属の中に溶け込む。溶融金属が凝固するときに、この窒素が一気に析出し泡となってそのまま固まってしまう。この状態をブローホールとい い、この状態になると溶接部分の機械的強度が著しく低下する。代表的な溶接欠陥である。水を急速に氷らせると、炭 酸ガスが析出して真っ白な氷になるが、それと同じ現象である。

そのため、空気中でアーク溶 接を行うには何らかの方法で空気とアークや溶融池を遮断する必要があり、シールドガスが用いられている。シールドガスとしては二 酸化炭素やア ルゴンを主成分とし、時にはヘ リウム、水素、酸素な どを添加したガスが使われる。

日本では二酸化炭素を使った炭酸ガスアーク溶接が主流だが、欧米ではアルゴンやヘリウムを使ったマ グ溶接とミ グ溶接が主流で、炭 酸ガスアーク溶接による製品は二流品とされている。

アークとシールドガス

シール ドガスはその名の通り溶融金属を大気から保護する目的もあるが、それ以上にアークそのものの素材になるという重要な機能がある。アークとはプ ラズマの一種で、気体が電離したものであ る。電離とは高温により原子から一部または全部の電子が飛び出している状態になっている。電子が電離することをイオン化、あるいはプラズマ化などと言う。 電離した電子が電荷を運ぶので、アークおよびプラズマは気体であるにもかかわらず、電気を通す伝導体で ある。

アークとプラズマは厳密に使い分けされている言葉では無いが、慣例的に通電状態にあるプラズマをアークと呼ぶことが多い。アーク は一般に強い紫外線や熱線を 含む激しい光線を発する。

誤解されることが多いが、アーク溶接のアークは気化した金属ではない。シールドガスがプラズマ状態になったも のである。プラズマは不安定な状態で、大気の中では急速に冷えて普通の気体に戻ってしまうが、アークは電流が通ることで自ら発熱し、その熱でプラズマ状態 を維持することができる。アーク溶接の アークは15000度くらいの超高温になっており、鉄などは簡単に溶融してしまう。

最初のアーク は、最初に溶加材(溶接棒や溶接ワイヤのこと)が母材とスパークした瞬間に、その熱でシールドガスがイオン化することによって生じる。アークは電気を通す ため、一度アークが生じるとアークを介して電気が流れるようになる。するとアーク自体が発熱し、周囲のシールドガスをイオン化する。 アークはある段階まで成長すると一定の条件下で安定状態に入る。そのアークが溶加材や母材を溶融させていく。

シールドガスはアークを保護 するとともに、アークそのもののベースである。従って、シールドガスの成分はアークの状態を大きく左右し、さらに溶接の結果に大きな影響を与える。特に二 酸化炭素はアークの特性を大きく変化させる物質である。

シールドガスの種類

シールドガスに 使われる物質は二 酸化炭素、ア ルゴン、ヘ リウム、水 素、酸素な どである。一般的なのは二 酸化炭素とア ルゴンである。日本では二酸化炭素だけを使うケースが多い。欧米ではアルゴン、もしくはアルゴンと二酸化炭素を混ぜたシールドガスを使うのが普 通である。また、米国ではヘリウムも比較的多く使用されているようだ。

アルゴンは空気中に含まれているので、沸点の違いを利用して液化し た空気から生 産される。しかし、アルゴンと酸素は沸点が近い(それぞれ-186℃と-183℃)ので、分離が難しい。そのため、安物のアルゴンを使うと溶接のスラグが 多くなり、欠陥が発生しやすい。

アーク溶接における二酸化炭素の働き

鉄鋼のアーク溶接の シールドガスにはCO₂(二 酸化炭素、炭 酸ガス)が使われる場合がある。

CO₂は化合物であり、CO₂が電離してプラズ マになること は無い。CO₂はプラズマ状態になる前に、高熱により酸素と炭素に 分かれる分解を 起こす。その酸素と炭素がさらに電離してプ ラズマとなり、それがアークを形成する。

シールドガスはアークや溶融金属を空気から保護するために使うのだが、CO2から生じ た酸素、しかも電離した活性な酸素が溶けた金属と化学反応を起こすのではないか、と疑問が生じる。幸いなことにアークの中には活性化した炭 素もあり、炭素は鉄よりイ オン化傾向が強いので酸素と結びつきやすい。つまり鉄と酸素が結びつく前に炭素と再びくっついてしまい、鉄は酸化しない。逆に何らかの原因で アークの中の酸素が不足すると、鉄と炭素が化合し、鉄がもろ くなる。還元反応といい、転炉で鉄を精錬す るのと理屈は同じである。

しかし、やはり少しは鉄と化学反応を起こして酸化鉄を生じるため、CO2で溶接するとアルゴンだけで溶接するよ り多くスラグが出る。スラグとは溶接ビードに浮き出てくる酸化鉄な どの不純物である。液体の鉄は非常に重いため、酸化鉄などの不純物は鉄が冷えて固まる前に表面に浮いてくるのでほとんど問題になることはない。しかし溶接 条件によっては溶接内部にスラグが入り込み、溶接欠陥を生じてしまうこともある。なお、溶接金属が炭素よりイオン化傾向の強いアルミのような金属ではCO₂は 使えない。

上記のようにCO₂は化学反応を起こすため、炭酸ガスをシールドガスとして使うと、アークの中にはア ルゴンガスだけのときよりも複雑な現象が生じる。CO₂は酸素と炭素に化学分解するときに周囲から大量の熱を奪う。そのため溶融金 属の温度も下がり、その 表面張力と粘性が大きくなる。その結果、比較的大きな溶滴が生じ易くなり、スパッタが生じやすくなる。

これらの ため、CO₂で溶接するよりアルゴンガスなどで溶接したほうが、一般的には溶接の品質が良いと言われる。また、CO₂は 高熱で化学分解すると炭素原子1個、酸素原子2個で合計3個の原子に変わり、急激に体積が膨張する。さらに化学分解によりアークから熱量が奪われる。その 結果アークが圧迫されて細く鋭くなり、狭い範囲に熱が集中しやすくなる。これを熱的ピンチ力という。その結果、母材に 深い溶け込みができやすく、かつ速い溶接が可能になり、溶接対象物への熱影響が少なくなる。これらの現象は溶接に対して、溶接欠陥や外観を悪くするという 悪い要素と、溶け込みが深く、熱影響が少なく、速い溶接ができるという良い要素を与える。

そのため一概にはCO₂は 悪いとは言えず、目的によってはアルゴンガスより良い結果が得られる場合もある。また、アルゴンガスとCO₂を混ぜて使い、両方の いい面を利用する溶接があり、これをマ グ溶接という。日本では、CO₂が20%、アルゴンが80%の比率のMAG溶接がもっとも一般的な比率である。

さ らに、アルゴンガスとヘリウムガスでは微妙に異なる。シールドガスのメーカーはこれらのガスを混ぜる比率を研究し、目的別に最適なシールドガスを売り出し ている。高速溶接のできるシールドガス、溶接品質の良いシールドガス、深い溶け込みのシールドガスなどが販売されており、中には通常の4倍以上の 速度で溶接できると謳うシールドガスもある。

アーク溶接と材料

熱影響

金属を一部分だけ加熱し冷却すると大きく歪む。そのため溶接を行うと溶接された部材は大きく歪んでしまう。

金属を一部分 だけ加熱すると当然その部分は膨張する。しかし周囲は冷えたままなのである。すると、膨張した部分は周囲から圧縮を受ける形になる。その結果、加熱された 部分は冷えたままのところより柔らかいので、加熱された部分は縮む方向に塑性変形することになる。さらに、この一部分だけ加熱した金属 を常温まで冷却すると、加熱を受けた部分は元の体積より小さくなり、周囲を強烈な力で引っ張ることになる。この結果、製品全体が大きく歪む。これを熱 歪みと言っている。また加熱を受けた部分の周囲には強い引張応力が残る。これを残留応力といい、最 終的な製品の強度に大きく影響する。

アーク溶接では金属が溶融するまで加熱するので当然大きな熱歪みと残留応力が発生する。スポット溶接 もアーク溶接ほどではないが熱歪みと残留応力が発生する。

また、溶接の周囲では母材の組織の変化が発生する。金属は規格ごとに結晶構造や 化学組成が決められているが、溶接のように急激な加熱と冷却をしてしまうと、これらの結晶構造や化学組成が変化し、素材の強度を大きく変化させてしまう。 これらの結晶構造や組成変化、熱歪み、残留応力を総称して熱 影響と呼んでいる。

普通は溶接部分は焼 き入れのような状態になり、周囲の熱影響を受けていない部分より頑丈になってしまう。頑丈になれば良いのではないかと思うかもしれない が、実際にその溶接製品に負荷をかけると、頑丈な溶接部とそうでない普通の部分の境界辺りに応力が集中する。これを応力集中と いうが、これがあまりに大きいと破断に至る。よく、溶接の周囲で破断が多いため、ゴテゴテと補強板を貼り付けたり、板厚を増したりする設計図を見かける が、これはあまり効果的な方法ではない。

膨張係数の異なる材料をいきなり溶接すると、どちらかが溶接中に割れたり、冷却時に割れたりす る。このため製品全体を溶接前に加熱する予熱や、ゆっくり冷す後熱が行われることもある。また、溶接製品は溶接を終えると全 体としては小さく なるが、それをあらかじめ予測して大きく材料を作っておく対策も行われる。

鉄鋼

アー ク溶接の主たる対象材料はやはり鉄鋼である。

右 図はFe-C状態図と言い、縦軸が温度、横軸が炭素量となっている。鉄鋼は温度と炭素量により相変化を 起こし、物理的特性の違う組織に変化する。右図は十分に冷却時間を取った場合の鉄鋼の相変化を表している。溶接の場合は急激な温度変化を伴うため、右図に 示される相変化を激しく遷移し、加熱と冷却の仕方によって様々な組織に変化する。

そのため一口に鉄鋼と言っても様々な種類があり、アーク 溶接に適さない種類の鉄鋼もある。また、溶接可能な鉄鋼でも、溶接するにあたって特別な処理が必要となるものもある。このような溶接に対する材料の性質を溶 接性と言う。一般的に硬い材料ほど溶接しにくい。

鉄をアーク溶接すると、溶融部は液相から急激に固相に移行し急激に冷却されるこ とになる。また溶接周辺部も急激な加熱のあと急激な冷却を受けることになる。鉄はこれらの熱影響によって成分や結晶構造が変化し、鉄の種類 によっては強度が不足したり、変形したり、亀裂 が生じたりする。鋼材をある程度まで熱してから急激に冷却すると、いわゆる焼きの入った状 態になって硬化を起こす。鋼材には炭素が含まれているためで、この炭素が鉄と化学反応を起こしたり、結晶構造を変化させるなど結果として硬化が起きる。鉄 鋼が硬くなると脆くなるため 機械的強度が低下することがある。そのため、一般に炭素が少ない鋼材のほうが溶接性が良いとされる。

鉄を硬 化させる物質は炭素だけではなく、マンガンやシリコンなども硬化の原因となる。これらの物質の影響を炭素の影響に換算したものを炭 素当量と言う。

軟鋼

炭素が0.25%以下の焼き入れ硬化が無視できる鋼 材を軟鋼と言う。最も一般的な鋼材で引っ張り強度は400N/mm²程度であ る。低炭素鋼、普通鋼な どとも言う。

JIS規 格では、一般構造用圧延鋼材のSS400という鉄鋼が軟鋼に相当するが、JIS規格ではリンと硫黄の 成分のみが規定されており、炭素や他の成分は規定されていない。従ってメーカーやロットによっては同じSS400でも溶接に適さないものもある。

そ のため溶接用に規定された軟鋼としてはSM材とSN材が規定されている。SN材は特に建築用として規定された材料で、大地震などで十分な強度が得られるよ うに成分調整と検査が義務付けられた鋼材である。軟鋼は特に溶接性の悪い材料ではないが、比較的柔らかい鋼材のため、溶接量が多いと大きな歪みが 生じる。そのため形状によっては縮み代や逆歪み、冷却などの対策が必要になる。

余談だが、日本では鉄と鋼は 一緒くたにされているが、日本以外では全く違う物質として認識する地域もある。日本のSS400だと規格上、国によって は鋼として分類されずにクズ鉄同然の見方をされることがある。

高張力鋼

高張力鋼とはJIS に規定された鉄鋼で、490N/mm²以上の一般構造用鉄鋼を言う。溶接性、切り欠きじん性などに配慮することもJISに規定され ている。溶接性も規格に入っているため溶接性は悪くないが、硬いため形状と溶接量によっては亀裂が生じる場合もある。また軟鋼に比べると炭素が多いため、 焼き入れ性が強く、アーク溶接を行うと多かれ少なかれ焼き入れ硬化を起こす。強度的な問題が生じる場合は、予熱や後熱処理などが必要と なる。

TMCP鋼

炭素や合金を少なくし、溶接しやすい高張力鋼とするため、普通の圧延鋼板よりも低い温度で精密に温度制御しつつ圧延した鋼材である。組織 が微細なため、炭素当量が少なくても普通の圧延鋼板なみの強度がある。炭素当量が少ないので熱影響部の硬化が少なく溶接性は良好である。

TMCP 鋼は溶接用に開発さ れた素材だが、ほかにも様々な鋼材が溶接用に開発されている。特に低温に強いものや、高温につよいもの、サビに強いものなど目的に応じたものがある。

継 手形状

接合する母材と母材の配置のしかたには多くの種類がある。用途により使い分ける。その一部を右図に示す。

1. 突き合わせ継ぎ手
2. 開先継ぎ手(両開先)
3. 重ね継ぎ手
4. 隅 肉継ぎ手

いずれの溶接も二つの材料に均等に熱を加えることが基本であり断面方向の狙い角度が要である。誤った溶接 法・溶接材料を適用したり、母材に与える熱量が過大または過小であった場合、期待する強度が得られず部材が破断する。

突き合わせ継ぎ手は 別名、バット溶接とかIバット(アイバット)などと言う。アーク溶接の場合、ピッタリくっついた突き合わせ継ぎ手は施工しにくい。そのため、ウラガネ(裏 金または裏鉄)という薄いプレートを裏側に付け、突合せの間隔を板厚以上に取るのがふつうである。

開先継ぎ手は溶接しやすいのだが、開先 を作るための加工コストが必要になる。また図のような両開先継ぎ手の場合、母材の薄い部分が溶け落ちてしまうため、ウラガネを使うのが普通である。

重 ね継ぎ手、隅肉継ぎ手は中厚板の溶接で最も一般的な溶接である。図には無いが片側開先の隅肉継ぎ手も多い。

アーク溶接の歴史

溶 接の 項を参照のこと。

アーク溶接の用途

アーク溶接の用途は広く、自動車、列車、船舶、航空機、建築物、建 設機械など、あらゆる金属構造物にごく一般的に使われていると思ってよい。母材は鉄鋼が多いが、アルミやチタンな どほかの金属にも普通に利用される。

アーク溶接の種類

• 被 覆アーク溶接
• 半 自動アーク溶接
• ガ スシールドアーク溶接
• ティ グ溶接（Tungsten Inert Gas welding）
• ミ グ溶接（Metal Inert Gas welding）
• マ グ溶接 （Metal Active Gas welding）
• 炭 酸ガスアーク溶接
• サ ブマージアーク溶接
• プ ラズマアーク溶接
• タ ンデムアーク溶接

アーク溶接と安全

アーク溶接は強烈な紫外線を 発生する。その強さは、アークから50cm離れた皮膚に数秒間アー ク光を曝しただけで炎 症を起こすほど であり、日光の比ではない。長時間アーク光に曝した場合、火傷、水ぶくれ、 シミなどの症状が発生する。何度も至近距離で強烈なアーク光に皮膚を曝すと最悪皮膚癌に至る場合もある。通常、溶接の光 では日焼けと同じような炎症を起こし皮が剥けるものの、残念ながら小麦色の肌にはならない。(しかしシミはできる。)裸眼でアーク光を見た場合、電光性 眼炎(電眼炎)という目の炎症を起こす。何 度も電光性眼炎になると視力の低下や最悪の場合失明に至る。

ま た金 属ヒュームという酸化鉄か らなる煙を発生し、大量に吸った場合、金 属ヒューム熱やじん肺な どの深刻な病気の原因となる。ヒュームには一 酸化炭素やオゾンも 混ざっており、換気には十分注意しなければならない。

防護装備

強力な紫外線を避けるため、アーク溶接作 業には長袖、長ズボンの作業服、溶接面、皮手袋が必須である。さらに、ヒュームを避けるために防塵マスクが必須で ある。また必要に応じて安全靴、ス パッツ(足カバー)、厚手の耐熱エプロン、ヘ ルメット、ゴー グルなどを着用しなければならない。さらに場合によってはワ セリンや熱焼け防止クリームなどの表皮保護剤（ゲル状クリーム状の物が望ましい）を顔面や頸胸部周囲などに事前塗布しておく事が望ましい。ま た、溶接作業者の更衣室、休憩室などには衣服に付いた粉塵を吸い取る装置や、空気清浄器などを設置することが望ましい。

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アーク溶接とは電気の放電現象（アー ク放電）を利用し、同じ金属同士をつなぎ合わせる溶接法。母材と電 極（溶接棒、溶接ワイヤ、TIGトーチなど）の間に発生させたアークによってもたらされる高熱で母材および溶加材（溶接ワイヤ、溶接棒）を溶融させて分子 原子レベルで融合一体化する接合法であり接着とはまったく違う。電気溶接とも言われることもあるが、これには抵 抗溶接も含まれる。

材料によっては高熱に曝されると性質が変化したり、劣化する恐れがあるので、溶接を行う際は、JIS 規格に規定された耐久性が得られるか検討する必要がある。また、アーク溶接を行う際は労 働安全衛生法第59条3項「アーク溶接」による特別教育を修了する必要がある。

被 覆アーク溶接で使用する溶接棒は、芯線より発生したアークを、被覆材から発生したガスでシールドし、大気中の窒素や酸素が溶接部に混入するのを 防止している。この他、被覆材の成分は、溶接金属の脱酸精錬や、スラグになってビード形状の成型などの働きをする。被覆アーク溶接は手溶接、手棒溶接と言 う ことがある。被覆アーク溶接での進行方向は、右利きなら左から右へ、左利きなら右から左へ、いずれの場合も進行方向に対して五度から十度傾けて傾けた方向 に進む。

連続的にワイヤやガスを供給する溶接を手棒溶接に対する意味で半自動溶接と言う。被覆アーク溶接とほぼ同じ用途の溶接として半 自動アーク溶接がある。被覆アーク溶接（しばしば手棒溶接ともいう）はいわゆる溶接棒を溶接材として使うが、溶接棒は比較的短いためしばしば短 くなった溶接棒を交換する必要があり、大量に溶接を行うには必ずしも適していなかった。このため開発されたのが溶接材として非常に長いワイヤーを使う半自 動 アーク溶接であり、単にアーク溶接と言えば、半自動アーク溶接のことを指すほど一般的である。半自動溶接はガスシールドアーク溶接なの で風に弱く、屋外では使用しにくい。おもに工場内で使われる。詳細は半 自動アーク溶接の項目を参照のこと。

ティ グ溶接、ミ グ溶接、マ グ溶接、炭 酸ガスアーク溶接では、電極(溶接ワイヤ)から発生させたアークを、ア ルゴン・炭 酸ガス等のガスで覆い、アークの安定、溶融金属中に大気が混入しないようにする目的がある。この為に使用されるガスをシールドガスと称する。ミ グ溶接、マグ溶接、炭酸ガスアーク溶接は溶接ワイヤやシールドガスの連続供給が可能で、溶接の中ではスポット溶接と並び、最も自動化が進んでいる。これら ガ スシールドアーク溶接では進行方向にノズルを向けて、右利きなら右から左へ、左利きなら左から右へ進む方法を前進法、逆に進行方向と反対にノズルを向けて 進む方法を後退法と呼び用途やワーク形状によって使い分けられている。

真っ直ぐ連続してビード（溶接痕の盛り上がり）を置くことを（ビー ドは置くと表現するのが正しい、英語ではビードオンプレートと呼ぶ）ストレートビードと呼び比較的薄い材料に適している。また進行方向に対して振幅を与え つつ進んで置いたビードをウィービングビードと呼び多層盛溶接などの比較的厚い 板に適している。（ウェービングではなくウィービングが正しい呼称、意味は縫い合わせるようにであり、文字通り二つの板を縫い合わせるように進行する）

アー クと電気

電流と電圧

アーク溶接では電力により溶接棒もしくは溶接ワ イヤを溶融させる。アーク溶接を行うにはこの電力、つまり電流と電圧のコントロールがきわめて重要である。電圧が低い場合、右図(1)のようにアーク長は 短くなる。逆に電圧が高い場合、右図(3)のようにアーク長は長くなる。また、同じ電圧で電流が増せ ば、右図(1)のようにアーク長は短くなる。逆に同じ電圧で電流が減れば、右図(3)のようにアーク長は長くなる。

普通の伝導体の場合、 電流は電圧に比例して増大するが、アーク溶接の場合は電流は電圧に比例しない。電圧を上げるとアークが大きくなり、その分抵抗値が増すからである。この性 質を利用してアーク溶接の溶接機には、負荷電流と負荷電圧が別々に設定できるように、それぞれにつまみがついている。これは以下のようなしくみになってい る。

アーク溶接の溶接機(電源)は、電流と電圧のコントロールの仕方により、定電圧特性のものと垂下特性のものの2種類がある。

定 電圧特性

定電圧特性とは、負荷電流が増加しても負荷電圧が一定となる性質のことである。実際には負荷電圧を一定の 値に保つように、負荷電流が自動制御される。定電圧特性の溶接機は主に半自動アーク溶接に使われている。

半自動アーク溶接の溶接機で電流 の設定値を増すと、すぐに負荷電流が増えるのではなく、まず 送給装置からのワイヤーの供給速度が増す。このときワイヤーによってアークから融解熱が奪われるため、アークが小さくなる。アークが小さくなると負荷電圧 が下がるが、溶接機はこれを検知し自動的に電圧が元に戻るまで負荷電流の量を増やす。

逆に溶接機の電流の設定値を減らすと送給装置からの ワイヤーの供給速度が減る。するとワイヤーによって奪われる融解熱が減るためアークが大きくなる。アークが大きくなると負荷電圧が上がるが、溶接機はこれ を検知し負荷電圧が元に戻るまで負荷電流の量を減らす。

要するに、半自動アーク溶接の溶接機はワイヤーの供給速度によって電流をコント ロールするしくみになっており、実際の電流値(負荷電流)は定電圧特 性を持つ電源の平衡機能によって制御されている。

垂下特性

垂下特性とは、負荷電流が増えると負荷電圧が低下する特性を意味している。これは内部抵抗値を持つ電池や発電機など一般的な電源の持つ性 質である。溶接では電流の高い領域、すなわち、電圧が変化しても電流があまり変化しない領域が使われる。垂下特性の溶接電源は主に被覆アーク溶接やサブ マージアーク溶接な どに使われる。

溶接では電流の高い領域、すなわち、電圧が変化しても電流があまり変化しない領域で使うようになって いる。垂下特性の溶接電源の場合、アーク長が変化しても負荷電流の量は一定なので溶接棒の溶ける量はあまり変わらない。発生する熱量が変わらないのでアー ク長はすぐに元に戻る。従っ て、アークの長さが変化しても電流はあまり変化しないので、垂下特性の溶接電源なら手作業でも安定した溶接が行える。

電 流とワイヤー速度

半自動アーク溶接では、電流の設定値はそのままワイヤーの供給速度になる。このワイヤー速度はか なりの速さで、溶接の結果に大きな影響を及ぼす。電流を増やした場合、ワイヤー速度が増し溶融金属の運動量が 増えるので、深く溶け込む。また、同じ電流値でもワイヤー径が細くなると、時間あたりの溶融量を保つためにワイヤー速度が上がる。その結果、ワイヤーの母 材へのぶつかる速度が増す。従って、細いワイヤーほど深く溶け込みやすい。

深い溶け込みはアーク溶接では一般に望ましいこととされるが、 液体が激し く動くことになるので、その分スパッタなど増えることにもなるので注意しなければならない。

移行状態

溶接棒や溶接ワイヤが溶けた溶融金属が母材上に移動することを溶滴移行という。この溶滴移行の様子は電圧、電流、 シールドガス、溶接材の種類などによって著しく変化する。

低電流の状態では、アーク熱により溶融した溶加材(溶接棒のこと)の先端部が溶 融した母材 に接触し(短絡)、アークが消えるとともに溶加材から母材へと流れるように溶融金属が移動する。これを短絡移行と言う。

炭 酸ガスアーク溶接における高電流の状態では、溶融した溶加材は大きな滴になって移行し、一部の溶融金属が飛び散るなどの現象が生じる。これをグロ ビュール移行という。飛び散った溶融金属はスパッタといい、溶接ビードの回りにこびり付き、溶接 の外観を悪くする原因となる。しかし、うまくコントロールできればグロビュール移行は高速な溶接ができるという長所がある。

MAG溶接に おける高電流の状態では、溶加材から母材への溶接金属の移動が非常に小さい滴の状態で行なわれる。これをスプレー移行と言う。スプレー移行 はスパッタが少ないため外観が良く、かつ溶け込みも深く、能率も良い溶接ができる。

シールドガス

シー ルドガスの働き

アーク溶接で溶融している金属に大気が接すると、大量の窒素が 金属の中に溶け込む。溶融金属が凝固するときに、この窒素が一気に析出し泡となってそのまま固まってしまう。この状態をブローホールとい い、この状態になると溶接部分の機械的強度が著しく低下する。代表的な溶接欠陥である。水を急速に氷らせると、炭 酸ガスが析出して真っ白な氷になるが、それと同じ現象である。

そのため、空気中でアーク溶 接を行うには何らかの方法で空気とアークや溶融池を遮断する必要があり、シールドガスが用いられている。シールドガスとしては二 酸化炭素やア ルゴンを主成分とし、時にはヘ リウム、水素、酸素な どを添加したガスが使われる。

日本では二酸化炭素を使った炭酸ガスアーク溶接が主流だが、欧米ではアルゴンやヘリウムを使ったマ グ溶接とミ グ溶接が主流で、炭 酸ガスアーク溶接による製品は二流品とされている。

アークとシールドガス

シール ドガスはその名の通り溶融金属を大気から保護する目的もあるが、それ以上にアークそのものの素材になるという重要な機能がある。アークとはプ ラズマの一種で、気体が電離したものであ る。電離とは高温により原子から一部または全部の電子が飛び出している状態になっている。電子が電離することをイオン化、あるいはプラズマ化などと言う。 電離した電子が電荷を運ぶので、アークおよびプラズマは気体であるにもかかわらず、電気を通す伝導体で ある。

アークとプラズマは厳密に使い分けされている言葉では無いが、慣例的に通電状態にあるプラズマをアークと呼ぶことが多い。アーク は一般に強い紫外線や熱線を 含む激しい光線を発する。

誤解されることが多いが、アーク溶接のアークは気化した金属ではない。シールドガスがプラズマ状態になったも のである。プラズマは不安定な状態で、大気の中では急速に冷えて普通の気体に戻ってしまうが、アークは電流が通ることで自ら発熱し、その熱でプラズマ状態 を維持することができる。アーク溶接の アークは15000度くらいの超高温になっており、鉄などは簡単に溶融してしまう。

最初のアーク は、最初に溶加材(溶接棒や溶接ワイヤのこと)が母材とスパークした瞬間に、その熱でシールドガスがイオン化することによって生じる。アークは電気を通す ため、一度アークが生じるとアークを介して電気が流れるようになる。するとアーク自体が発熱し、周囲のシールドガスをイオン化する。 アークはある段階まで成長すると一定の条件下で安定状態に入る。そのアークが溶加材や母材を溶融させていく。

シールドガスはアークを保護 するとともに、アークそのもののベースである。従って、シールドガスの成分はアークの状態を大きく左右し、さらに溶接の結果に大きな影響を与える。特に二 酸化炭素はアークの特性を大きく変化させる物質である。

シールドガスの種類

シールドガスに 使われる物質は二 酸化炭素、ア ルゴン、ヘ リウム、水 素、酸素な どである。一般的なのは二 酸化炭素とア ルゴンである。日本では二酸化炭素だけを使うケースが多い。欧米ではアルゴン、もしくはアルゴンと二酸化炭素を混ぜたシールドガスを使うのが普 通である。また、米国ではヘリウムも比較的多く使用されているようだ。

アルゴンは空気中に含まれているので、沸点の違いを利用して液化し た空気から生 産される。しかし、アルゴンと酸素は沸点が近い(それぞれ-186℃と-183℃)ので、分離が難しい。そのため、安物のアルゴンを使うと溶接のスラグが 多くなり、欠陥が発生しやすい。

アーク溶接における二酸化炭素の働き

鉄鋼のアーク溶接の シールドガスにはCO₂(二 酸化炭素、炭 酸ガス)が使われる場合がある。

CO₂は化合物であり、CO₂が電離してプラズ マになること は無い。CO₂はプラズマ状態になる前に、高熱により酸素と炭素に 分かれる分解を 起こす。その酸素と炭素がさらに電離してプ ラズマとなり、それがアークを形成する。

シールドガスはアークや溶融金属を空気から保護するために使うのだが、CO2から生じ た酸素、しかも電離した活性な酸素が溶けた金属と化学反応を起こすのではないか、と疑問が生じる。幸いなことにアークの中には活性化した炭 素もあり、炭素は鉄よりイ オン化傾向が強いので酸素と結びつきやすい。つまり鉄と酸素が結びつく前に炭素と再びくっついてしまい、鉄は酸化しない。逆に何らかの原因で アークの中の酸素が不足すると、鉄と炭素が化合し、鉄がもろ くなる。還元反応といい、転炉で鉄を精錬す るのと理屈は同じである。

しかし、やはり少しは鉄と化学反応を起こして酸化鉄を生じるため、CO2で溶接するとアルゴンだけで溶接するよ り多くスラグが出る。スラグとは溶接ビードに浮き出てくる酸化鉄な どの不純物である。液体の鉄は非常に重いため、酸化鉄などの不純物は鉄が冷えて固まる前に表面に浮いてくるのでほとんど問題になることはない。しかし溶接 条件によっては溶接内部にスラグが入り込み、溶接欠陥を生じてしまうこともある。なお、溶接金属が炭素よりイオン化傾向の強いアルミのような金属ではCO₂は 使えない。

上記のようにCO₂は化学反応を起こすため、炭酸ガスをシールドガスとして使うと、アークの中にはア ルゴンガスだけのときよりも複雑な現象が生じる。CO₂は酸素と炭素に化学分解するときに周囲から大量の熱を奪う。そのため溶融金 属の温度も下がり、その 表面張力と粘性が大きくなる。その結果、比較的大きな溶滴が生じ易くなり、スパッタが生じやすくなる。

これらの ため、CO₂で溶接するよりアルゴンガスなどで溶接したほうが、一般的には溶接の品質が良いと言われる。また、CO₂は 高熱で化学分解すると炭素原子1個、酸素原子2個で合計3個の原子に変わり、急激に体積が膨張する。さらに化学分解によりアークから熱量が奪われる。その 結果アークが圧迫されて細く鋭くなり、狭い範囲に熱が集中しやすくなる。これを熱的ピンチ力という。その結果、母材に 深い溶け込みができやすく、かつ速い溶接が可能になり、溶接対象物への熱影響が少なくなる。これらの現象は溶接に対して、溶接欠陥や外観を悪くするという 悪い要素と、溶け込みが深く、熱影響が少なく、速い溶接ができるという良い要素を与える。

そのため一概にはCO₂は 悪いとは言えず、目的によってはアルゴンガスより良い結果が得られる場合もある。また、アルゴンガスとCO₂を混ぜて使い、両方の いい面を利用する溶接があり、これをマ グ溶接という。日本では、CO₂が20%、アルゴンが80%の比率のMAG溶接がもっとも一般的な比率である。

さ らに、アルゴンガスとヘリウムガスでは微妙に異なる。シールドガスのメーカーはこれらのガスを混ぜる比率を研究し、目的別に最適なシールドガスを売り出し ている。高速溶接のできるシールドガス、溶接品質の良いシールドガス、深い溶け込みのシールドガスなどが販売されており、中には通常の4倍以上の 速度で溶接できると謳うシールドガスもある。

アーク溶接と材料

熱影響

金属を一部分だけ加熱し冷却すると大きく歪む。そのため溶接を行うと溶接された部材は大きく歪んでしまう。

金属を一部分 だけ加熱すると当然その部分は膨張する。しかし周囲は冷えたままなのである。すると、膨張した部分は周囲から圧縮を受ける形になる。その結果、加熱された 部分は冷えたままのところより柔らかいので、加熱された部分は縮む方向に塑性変形することになる。さらに、この一部分だけ加熱した金属 を常温まで冷却すると、加熱を受けた部分は元の体積より小さくなり、周囲を強烈な力で引っ張ることになる。この結果、製品全体が大きく歪む。これを熱 歪みと言っている。また加熱を受けた部分の周囲には強い引張応力が残る。これを残留応力といい、最 終的な製品の強度に大きく影響する。

アーク溶接では金属が溶融するまで加熱するので当然大きな熱歪みと残留応力が発生する。スポット溶接 もアーク溶接ほどではないが熱歪みと残留応力が発生する。

また、溶接の周囲では母材の組織の変化が発生する。金属は規格ごとに結晶構造や 化学組成が決められているが、溶接のように急激な加熱と冷却をしてしまうと、これらの結晶構造や化学組成が変化し、素材の強度を大きく変化させてしまう。 これらの結晶構造や組成変化、熱歪み、残留応力を総称して熱 影響と呼んでいる。

普通は溶接部分は焼 き入れのような状態になり、周囲の熱影響を受けていない部分より頑丈になってしまう。頑丈になれば良いのではないかと思うかもしれない が、実際にその溶接製品に負荷をかけると、頑丈な溶接部とそうでない普通の部分の境界辺りに応力が集中する。これを応力集中と いうが、これがあまりに大きいと破断に至る。よく、溶接の周囲で破断が多いため、ゴテゴテと補強板を貼り付けたり、板厚を増したりする設計図を見かける が、これはあまり効果的な方法ではない。

膨張係数の異なる材料をいきなり溶接すると、どちらかが溶接中に割れたり、冷却時に割れたりす る。このため製品全体を溶接前に加熱する予熱や、ゆっくり冷す後熱が行われることもある。また、溶接製品は溶接を終えると全 体としては小さく なるが、それをあらかじめ予測して大きく材料を作っておく対策も行われる。

鉄鋼

アー ク溶接の主たる対象材料はやはり鉄鋼である。

右 図はFe-C状態図と言い、縦軸が温度、横軸が炭素量となっている。鉄鋼は温度と炭素量により相変化を 起こし、物理的特性の違う組織に変化する。右図は十分に冷却時間を取った場合の鉄鋼の相変化を表している。溶接の場合は急激な温度変化を伴うため、右図に 示される相変化を激しく遷移し、加熱と冷却の仕方によって様々な組織に変化する。

そのため一口に鉄鋼と言っても様々な種類があり、アーク 溶接に適さない種類の鉄鋼もある。また、溶接可能な鉄鋼でも、溶接するにあたって特別な処理が必要となるものもある。このような溶接に対する材料の性質を溶 接性と言う。一般的に硬い材料ほど溶接しにくい。

鉄をアーク溶接すると、溶融部は液相から急激に固相に移行し急激に冷却されるこ とになる。また溶接周辺部も急激な加熱のあと急激な冷却を受けることになる。鉄はこれらの熱影響によって成分や結晶構造が変化し、鉄の種類 によっては強度が不足したり、変形したり、亀裂 が生じたりする。鋼材をある程度まで熱してから急激に冷却すると、いわゆる焼きの入った状 態になって硬化を起こす。鋼材には炭素が含まれているためで、この炭素が鉄と化学反応を起こしたり、結晶構造を変化させるなど結果として硬化が起きる。鉄 鋼が硬くなると脆くなるため 機械的強度が低下することがある。そのため、一般に炭素が少ない鋼材のほうが溶接性が良いとされる。

鉄を硬 化させる物質は炭素だけではなく、マンガンやシリコンなども硬化の原因となる。これらの物質の影響を炭素の影響に換算したものを炭 素当量と言う。

軟鋼

炭素が0.25%以下の焼き入れ硬化が無視できる鋼 材を軟鋼と言う。最も一般的な鋼材で引っ張り強度は400N/mm²程度であ る。低炭素鋼、普通鋼な どとも言う。

JIS規 格では、一般構造用圧延鋼材のSS400という鉄鋼が軟鋼に相当するが、JIS規格ではリンと硫黄の 成分のみが規定されており、炭素や他の成分は規定されていない。従ってメーカーやロットによっては同じSS400でも溶接に適さないものもある。

そ のため溶接用に規定された軟鋼としてはSM材とSN材が規定されている。SN材は特に建築用として規定された材料で、大地震などで十分な強度が得られるよ うに成分調整と検査が義務付けられた鋼材である。軟鋼は特に溶接性の悪い材料ではないが、比較的柔らかい鋼材のため、溶接量が多いと大きな歪みが 生じる。そのため形状によっては縮み代や逆歪み、冷却などの対策が必要になる。

余談だが、日本では鉄と鋼は 一緒くたにされているが、日本以外では全く違う物質として認識する地域もある。日本のSS400だと規格上、国によって は鋼として分類されずにクズ鉄同然の見方をされることがある。

高張力鋼

高張力鋼とはJIS に規定された鉄鋼で、490N/mm²以上の一般構造用鉄鋼を言う。溶接性、切り欠きじん性などに配慮することもJISに規定され ている。溶接性も規格に入っているため溶接性は悪くないが、硬いため形状と溶接量によっては亀裂が生じる場合もある。また軟鋼に比べると炭素が多いため、 焼き入れ性が強く、アーク溶接を行うと多かれ少なかれ焼き入れ硬化を起こす。強度的な問題が生じる場合は、予熱や後熱処理などが必要と なる。

TMCP鋼

炭素や合金を少なくし、溶接しやすい高張力鋼とするため、普通の圧延鋼板よりも低い温度で精密に温度制御しつつ圧延した鋼材である。組織 が微細なため、炭素当量が少なくても普通の圧延鋼板なみの強度がある。炭素当量が少ないので熱影響部の硬化が少なく溶接性は良好である。

TMCP 鋼は溶接用に開発さ れた素材だが、ほかにも様々な鋼材が溶接用に開発されている。特に低温に強いものや、高温につよいもの、サビに強いものなど目的に応じたものがある。

継 手形状

接合する母材と母材の配置のしかたには多くの種類がある。用途により使い分ける。その一部を右図に示す。

1. 突き合わせ継ぎ手
2. 開先継ぎ手(両開先)
3. 重ね継ぎ手
4. 隅 肉継ぎ手

いずれの溶接も二つの材料に均等に熱を加えることが基本であり断面方向の狙い角度が要である。誤った溶接 法・溶接材料を適用したり、母材に与える熱量が過大または過小であった場合、期待する強度が得られず部材が破断する。

突き合わせ継ぎ手は 別名、バット溶接とかIバット(アイバット)などと言う。アーク溶接の場合、ピッタリくっついた突き合わせ継ぎ手は施工しにくい。そのため、ウラガネ(裏 金または裏鉄)という薄いプレートを裏側に付け、突合せの間隔を板厚以上に取るのがふつうである。

開先継ぎ手は溶接しやすいのだが、開先 を作るための加工コストが必要になる。また図のような両開先継ぎ手の場合、母材の薄い部分が溶け落ちてしまうため、ウラガネを使うのが普通である。

重 ね継ぎ手、隅肉継ぎ手は中厚板の溶接で最も一般的な溶接である。図には無いが片側開先の隅肉継ぎ手も多い。

アーク溶接の歴史

溶 接の 項を参照のこと。

アーク溶接の用途

アーク溶接の用途は広く、自動車、列車、船舶、航空機、建築物、建 設機械など、あらゆる金属構造物にごく一般的に使われていると思ってよい。母材は鉄鋼が多いが、アルミやチタンな どほかの金属にも普通に利用される。

アーク溶接の種類

• 被 覆アーク溶接
• 半 自動アーク溶接
• ガ スシールドアーク溶接
• ティ グ溶接（Tungsten Inert Gas welding）
• ミ グ溶接（Metal Inert Gas welding）
• マ グ溶接 （Metal Active Gas welding）
• 炭 酸ガスアーク溶接
• サ ブマージアーク溶接
• プ ラズマアーク溶接
• タ ンデムアーク溶接

アーク溶接と安全

アーク溶接は強烈な紫外線を 発生する。その強さは、アークから50cm離れた皮膚に数秒間アー ク光を曝しただけで炎 症を起こすほど であり、日光の比ではない。長時間アーク光に曝した場合、火傷、水ぶくれ、 シミなどの症状が発生する。何度も至近距離で強烈なアーク光に皮膚を曝すと最悪皮膚癌に至る場合もある。通常、溶接の光 では日焼けと同じような炎症を起こし皮が剥けるものの、残念ながら小麦色の肌にはならない。(しかしシミはできる。)裸眼でアーク光を見た場合、電光性 眼炎(電眼炎)という目の炎症を起こす。何 度も電光性眼炎になると視力の低下や最悪の場合失明に至る。

ま た金 属ヒュームという酸化鉄か らなる煙を発生し、大量に吸った場合、金 属ヒューム熱やじん肺な どの深刻な病気の原因となる。ヒュームには一 酸化炭素やオゾンも 混ざっており、換気には十分注意しなければならない。

防護装備

強力な紫外線を避けるため、アーク溶接作 業には長袖、長ズボンの作業服、溶接面、皮手袋が必須である。さらに、ヒュームを避けるために防塵マスクが必須で ある。また必要に応じて安全靴、ス パッツ(足カバー)、厚手の耐熱エプロン、ヘ ルメット、ゴー グルなどを着用しなければならない。さらに場合によってはワ セリンや熱焼け防止クリームなどの表皮保護剤（ゲル状クリーム状の物が望ましい）を顔面や頸胸部周囲などに事前塗布しておく事が望ましい。ま た、溶接作業者の更衣室、休憩室などには衣服に付いた粉塵を吸い取る装置や、空気清浄器などを設置することが望ましい。

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