少し詳しく知っているとあなたもハナタカさんに アルミニウム

アルミニウム(原子番号13)元素記号:Al 英語はAluminiumで米語はAluminum

日本語ではアルミニウムかアルミニュームと書かれますが、ここでは、アルミニウムとしています。

明治生まれだった私の父が、「ニューム管」と言っていたのはアルミパイプのこと・・・というのは今では懐かしい言葉になった感じがしますが、単に「アルミ」という呼び方でもOKなのは、日本語の便利さですね。

アルミニウムは、地球の地殻中で酸素O、ケイ素Si に次いで多い元素で、煮炊き、漬物、薬などで使われるアルミ化合物のミョウバン(明礬)は紀元前から使われていたように歴史は古いのですが、金属アルミニウムの発見は19世紀になってからで、現在主流の製造法の、原料であるボーキサイト鉱石からアルミナを作り、それを電気分解する製造法は20世紀になってから・・・という新しい金属です。

アルミニウムといえば、「軽い」「良好な熱・電気の伝導性」という特性が思い浮かぶのですが、ジュラルミンと呼ばれるアルミ化合物の名前が一般的になりましたし、アルマイト処理、メッキ、電着塗装などの表面処理が加わって、多種多様のアルミ製品があり、現在、アルミ製品の使用量は、鉄鋼の次に多くなっています。

しかし、 「日本では地金の製造はゼロ」「硬いアルミ製品も多い」「今や電線は銅ではなくてアルミ製」・・・などという、興味のある身近な話題も多い金属です。

ここでは、それらを詳しく説明するのではなく、幅広くアルミニウムのイメージを広げていただくための話題を集めました。 それだけでも結構な分量ですが、もしも興味が出れば、別に調べてくださいね。

アルミニウムのイメージ「軽い」「伝導性の良さ」などの数値比較

ここでは、手元の理科年表(2018年版)の値をピックアップして、アルミニュームの特性などをイメージで比較してみます。

物質特性一覧表

かんたんにこの表を説明します。

ここでは、数字の違いだけで特性の違いをイメージしてもらいやすいように、単位や測定条件などは表示せず、数字の大きさだけで比較表を作りました。(興味ある方は理科年表で・・・)

ここにあるジュラルミンはアルミと銅、マグネシウムなどとの合金で、合金にすることで強さが増します。現在は超々ジュラルミンなどと言われる、非常に強い(上の数値比較で500を超える軟鋼以上の強さを持つもの)合金もあります。それと他の金属を並べています。

密度は単位体積あたりの重さで、比重としてもいいでしょう。 金属中では金(GOLD)が飛び抜けて重いのですが、アルミニウムは「超軽い」ことがわかります。

ヤング率は力を加えたときの伸びやすさと変形度合いを示すもので、高いほど変形しにくく、変形量が少ないという、材料特有の数値です。

引張強さは強さを表し、大きいほうが強いと言えます。ここでは示していませんが硬さも同様の指標ですので、強いものは硬い・・・ということも言えます。

現在では軟鋼を超える強さのあるジュラルミンがありますので、加工のしやすい純アルミか、強度が必要なものにはアルミ合金を使えばいいことがわかります。

伸びは、引張試験をしたときに引きちぎれるまでの変形度合いを示しており、これが大きいと「じん性(粘り強さ)」が高いと言えます。伸展性はが高いのですが、この「伸び」が大きことは変形したときに切れにくいために、近年では電線の利用などでアルミニウムの特徴が生かされています。

線膨張率は、温度に対する伸び縮のしやすさ、熱伝導率は熱の伝わりやすさ、電気抵抗は電気の通りやすさ、音速は、音の伝えやすさ・・・などです。

【参考】

ここでは示していませんが、参考として、その他のよく知られた金属で、高い(または低い)値を持つものを紹介すると、(あまり聞かないものは省いています) 密度(大きい方:タングステン 19.3 小さい方:リチウム 0.5、マグネシウム 1.7など)、ヤング率(タングステンカーバイド=超硬合金の材料 534)、引張強さ(マルエージング鋼 2403)、伸び(工業用純鉄 60)、線膨張率(ポリエチレン・ポリスチレン 200)、熱伝導率・電気抵抗は銀が最高、音速(ベリリウム 12890)などです。

これを見ると、それぞれの特徴を活かせて製品が作られているのがわかりますね。

広辞苑を見るとアルミニウムについて「ラテン語で明礬(みょうばん)の意のalumenから来た言葉で、地殻中にアルミノ珪酸塩で大量に存在。軽くて柔らかな金属。比重は鉄の1/3。常温で酸化しない。酸に弱い。軽銀・・・」とあります。

戦後生まれの私のイメージでは、腐食して穴の空いた「ヤカン」があちこちに転がっていたイメージがあって、小学校では、腐食しやすいために「アルマイト」加工することで腐食しにくくしている・・・ということも習いました。

しかし、近年のアルミニウムは純度や品質が良くなったのか、薄いアルミホイルでも、腐食しやすいイメージはなくなっていますし、きれいな表面に仕上げられたアルミニウムは、酸素と化合して、耐食性のある状態になっている・・・と言うのが定説ですので、色々な表面処理とあわせることで、さらに、腐食しやすいというアルミニウムのイメージは薄れています。

広辞苑にある「軽銀」という呼び方は、私は聞いたことがありませんが、たしかに銀をイメージさせるきれいな金属光沢で、飲料を自販機から取り出したときのアルミ缶の感覚や、アルミホイルの便利さは、アルミニウムの保つ熱伝導性や加工性などの特性がうまく生かされているということですね。

しかしびっくりするのですが、現在は精錬コスト(地金を作るコスト)が高すぎて、日本ではアルミニウム地金が作られておらずに、輸入とリサイクル品であるということに驚かされます。

製造に関する雑学知識

ボーキサイト鉱山

これは、WEBにあったボーキサイト鉱山の写真です。アルミニウムはボーキサイトbauxiteから作られる・・・と学校で習ったと思います。

ボーキサイトとは、酸化アルミニウム(アルミナ)を55%程度含む「水酸化アルミニウム鉱物の混合物」で、上の写真のような赤い色をしているものが多いのですが、「ボーキサイト」という単体の鉱物ではありません。

このボーキサイトから不純物の二酸化ケイ素や酸化鉄を除くために高温加圧状態で濃水酸化ナトリウムに浸してアルミン酸ナトリウムにしてから水酸化アルミニウムを分離して焼成するとアルミナ(酸化アルミニウム)になります。〔バイヤー法〕

アルミナの白色粉末は、研磨剤やセラミックスの材料となるように、非常に硬いもので、アランダム・コランダムと呼ばれる硬い鉱石や、宝石のルビーやサファイアも酸化アルミニウムの一種です。

そのアルミナに5%の氷晶石を混ぜて炭素電極を陽極にして溶融塩電解すると、陰極にアルミニウムができます〔ホール・エルー法〕。この時に非常に電気を消費するのですが、現在の改良型製造法の発明発見が1920年と、意外と新しいことに驚かされます。

私が大学で金属工学を勉強し始めた1970年に、(50年も前のことですが)USJに近いアルミの製造工場を見学したときには、溶解炉の回りに白い粉(アルミナ)が盛り上げられて電解作業をしていたのですが、非常に多量の電気を必要とするため1995年以降は日本ではこの地金の製造はされておらず、すべてを海外から輸入しています。

原料石のボーキサイトの産出国は、オーストラリア(35%)中国(14%)ブラジル(11%)などで、ギニア、ジャマイカと続きますが、日本は、アルミの地金を2020年度には148万トンをさまざまなところから輸入しており、その地金を使って、366万トンのアルミ関連製品が作られています。

148万トンの地金で366万トンの製品という数字の差は、国内でリサイクルなどの再生地金が122万トンも作られているためですが、地金の輸入先では、オーストラリア46万トンが最大で、UAE(33万)、ロシア(24万)などで、この輸入は、「開発輸入」と呼ばれる、日本の企業が現地企業に資本参加して地金製品の輸入権を獲得するという特殊な契約方法になっていることもあって、輸入先が多方面にわたっているのが特徴です。

 

アルミ製品の表示

アルミ製品といえば、どんなものがイメージできますか

先ほどの数字の366万トンの製品のうち、約40%が輸送用機械部品等です。くだいていえば、自動車、鉄道車両、自転車、航空機製造用ということです。 サッシなどの建築用は14%、アルミ缶などの食品関係は11%程度です。

大阪万博のあった1970年頃は125万トン/年の生産量であったものが、1990年頃から、350万トンを超えるようになってきて、それ以降は増加しておらず、2020年度も366万トンと、最大でも450万トンは超えていないのですが、鉄鋼の国内粗鋼生産量は約1億トンを推移していますので、かなり差があるように思うのですが、アルミニウムの比重が約1/3ですので、体積でみると、鉄鋼の1/7~1/8程度になります。

まだまだ鉄鋼需要には及ばないものの、アルミニウムは鉄鋼についで2番めに使用量の多い金属となっており、アルミニウムの需要が意外に高いということがわかります。

この需要と原料(地金)高を克服するために、リサイクルの仕組みがうまく機能しています。

 

アルミ製品のリサイクル

現在は、アルミ缶がスチール缶を上回る生産量になっています。

そして、それらのアルミ缶類の約90%以上がリサイクルされています。

ちなみに、2018年のデータですが、リサイクル率は、スチール缶91%、アルミ缶94%、ガラス瓶69%、ペットボトル85%ですので、かなり食品部門のリサイクルが進んでいると言えます。

しかし、アルミニウム全体のリサイクル率は50%を少し超える程度です。 つまり、アルミ缶以外のアルミ製品の回収率が悪いということですが、この、足らない分をアルミニウム地金を輸入して様々な製品が製造されているということになります。

巷には、アルミ缶を回収して、古物商に売り渡す人を見かけます。 アルミ缶のリサイクル引き取り価格は1キロ75円程度なので、アルミ缶を集めて売却して1,000円を儲けようとすると、13.3kgも空き缶を集めなければなりません。

アルミ缶350ml用の重さは徐々に軽いものに変わっていて、現在のところ15g程度までになってきていますので、1個集めると1円少しということになります。

これは、鉄スクラップの20円/kgと比べると、アルミスクラップはかなり高価ですが、それでもアルミ缶を約900個集めないと1,000円にはなりませんので、これで食べていこうとすると大変ですね。

 

 

アルミニウムの特徴や用途の雑学

【軽い】

リチウム(0.5で水よりも軽い)などには及びませんがアルミニウムも非常に軽いのが特徴です。

比重は2.7で、鉄は7.8、銅が9.0ですので、それらの1/3程度重さで、さらに柔らかいのが特徴です。

軽いということを見せるために、1円玉が水に浮いている写真を見ることがありますね。

アルミは軽いという写真

水の比重は1なので、これは、表面張力によって浮いている状態ですので、この表面に洗剤を垂らすと、比重2.7の1円玉はたちどころに沈んでしまいます。やってみると手品みたいで面白いですよ。

 

【電気伝導度が良い】

金属の中で電気を最もよく通すのはです。 次に、銅、金、アルミニウム、マグネシウムなどの順になっています。

わかりやすいように銀、銅、アルミ、鉄で、銀を1の電気の通りやすさとすると、銅は1.05でほとんど変わらないのですが、アルミニウムは1.8で、鉄は6.3です。

電気抵抗が高いと、電流の熱作用で送電中にエネルギーが失われたり、その発熱が危険なのですが、電線を太くすることで対応できます。

アルミニウムは銅や銀よりは少し電気抵抗が高いのですが、銅に比べて安くて軽いことから、大半の高圧線の電線は今や銅製ではなくてアルミ製になっています。

高圧送電線

この写真のように、いたるところに張り巡らされている高圧電線は「鋼芯アルミより線」というものが使われています。

これは、中心に亜鉛メッキをした強い鋼線が入っていて、それが強度を保っていて、その周りにアルミ線をより合わせて電線が作られています。

アルミの電気抵抗がたとえ銅の1.8倍高くても、比重(密度)が3割程度のために、それに見合うように太くできます。

また、銅とアルミの価格差も重要です。

価格は相場ですので変動しますが、2020年の年間平均価格でアルミニウム1700ドル/トンに対して銅は6200ドル/トンと、この場合は3.6倍の価格の開きがあるので、価格的にもメリットが出ます。

そのために、実際には、全体的には電気抵抗が銅の半分程度となって、高圧電圧を送る際の熱損失が少なく送電効率がいいというアルミ電線が使われています。

今や、「電線は銅」という常識は変わってきています。

 

【胃腸薬】についても知っておいてください

水酸化アルミニウムは制酸材として胃薬になっていますし、胃潰瘍の薬スクラルファートはアルミニウムイオンがタンパク質とくっついて胃壁を守るなどの効用があって、いずれも医薬品としても役立っています。

しかし、薬と毒は表裏一体で、アルミニウムが過剰に体内に取り込まれると、骨や筋肉に異常が出ることや、アルミニウム塩類は酸・アルカリに溶けやすいので酸性雨などでの生態系に影響があるとされ、健康への懸念もあるようですが、胃薬として使用する分には、これで問題がでることはありません。

【宝石の話】

酸化アルミニウムの結晶からなる鉱物の鋼玉(こうぎょく:コランダム)は非常に硬い無色透明の結晶からなる鉱物です。

このモースの硬度(10段階で鉱物の硬さを評価する方法)では、コランダムはダイヤモンド(硬度10)に次いで硬い「9のランク」にあります。

そのために、純度の高くない低級のコランダムの粉を耐水紙や布に貼り付けて、ヤスリ(サンドぺーパー、エメリー紙)として研磨用の道具として用いられます。

純度の高いものが「宝石」に加工されます。

アルミと関係あるルビーとサファイア

自然の鋼玉は不純物の金属イオンによってクロム(Crが1%以下)が入ると赤いルビーになり、鉄(Fe)やチタン(Ti)が入ると青色のサファイアになります。

もちろんその分量でも宝石になるかならないかが決まります。たとえば、クロムが多くても少なくてもルビーの価値が下がるのですが、そうなると工業用の研磨剤にしか使えないようになってしまうので美しい色の鉱石は希少です。

もちろん、熱処理によって色を変えたり、人工に作ることも行われています。

宝石の熱処理について、こちらに簡単な内容ですが紹介しています。

 

ルビーはその中に含まれる3価クロムイオンを利用して赤色単色光にして用いる「ルビーレーザー」は様々な工業的な用途に使われています。

 

高強度アルミ「ジュラルミン」

ジュラルミン製のバッグ

アルミニウムは柔らかく展延性に富む金属ですが、偶然に銅を混ぜると軽量で破断に強いものになることが、これも、1900年代の初めに発見されました。

またこれを放置しておくと、さらに強度が上がる「時効硬化」という現象が現れます。(これがT4処理と言う自然時効ですが、アルミの品種ごとに熱処理で温度を上げて時効硬化させるものも多いです)

アルミニウムと異種金属を混ぜる合金化や熱処理による強化などで、いろいろな強度や特性の持つアルミニウム合金が製造され、現在は、チタンが使われることも多くなっていますが、超ジュラルミン(2000系)、超超ジュラルミン(7000系)などが開発されて航空機部品などに使用されています。

 

前の話題へ→ リチウム Li       次の話題へ→ 銅 Cu


(来歴)2017.10文章作成 2021.8全面見直し