鉄鋼で重要な合金元素 クロム

クロムはしばしば「クローム」「クロミウム」などと表示されますが、ここでは クロム Cr としています。

クロムが関係する身近なものは、ステンレススチール(ステンレス鋼)でしょう。鋼にクロムが加えられることで、耐熱性、耐酸化性が向上します。

そしていろいろな鉄鋼部品類にクロムメッキをすると耐食性や耐摩耗性を増すので、Crはいたるところに広く使われています。

また、人間の身体には成人で2mg程度が含まれる必須栄養素で、人体でCrが不足すると、糖尿病になる可能性が高くなるといわれます。その反面、「クロムは猛毒」という話題も耳にします。

ここでは、正しい知識を知っていただけるように、これらについて、わかりやすく解説していきます。

 

まず、クロムの毒性の話から

周期表

原子番号24の金属元素で、主に、3価と6価のクロムがあります。

この「価」というのを酸化クロム(Cr2O3)で説明すると、酸素Oは陰イオンの2価つまり「-2」でそれが3つ(-2x3=-6)ですが、それに対して陽イオンの3価のCrが2個(+3x2=+6)でプラスマイナス0となって安定に結合している物質になっています。

酸化クロムにも数種類あり、CrO3(3酸化クロム)のような猛毒の6価のクロムもあるので注意しなくてはなりません。

酸化クロムの粉

この酸化クロム(3価の無毒のクロム)は、私の勤めた会社が金属関係の仕事をしていたので、顕微鏡組織を観察するために金属表面を磨く「研磨剤」として、昭和年代の終わり頃まで使用していたのですが、「クロムは毒」「重金属は危険」ということが急に叫ばれて、この使用をやめて、アルミナの研磨剤に切り替えたという経験があります。

この酸化クロムは3価のクロム(Cr2O3)で毒性はなくて、鏡面に研磨するための作業効率も良かったのですが、風評被害と環境を考えて使用を中止しました。

3価(+3)のクロムは無害ですが、6価(+6)の例えば、クロム酸カリウムK2CrO4は劇物ということを知っておくといいでしょう。

クロム酸カリウムは猛毒だがクロム元素は人間に必要

このクロム酸カリウムは0.5~1gが致死量とされており、体内に入ると簡単に還元されて、安全な3価クロムになるときにタンパク質や酵素と結合してその機能を失わせるようです。

ともかく、接触しても吸引してもガンになるなどの重大なダメージを受けます

その反面、人間の身体は毎日1mg程度のクロムを摂取しないといけないと考えられており、レバー、エビ、豆類、キノコ類や生成されていない穀類などを食べることで適量を摂取します。

人体(70kgの成人)で、2mgのクロムが体内にある・・・とされています。

摂取したほとんどが排出されている計算ですが、クロムは糖やコレステロールの代謝に不可欠と考えられており、食べ物から摂取するということは、自然界でクロムが食物連鎖しているということです。

猛毒の6価クロムのほうが無毒の3価クロムより活性が高くて体に取り込まれやすいのですが、6価クロムは特定のクロム鉱石に含まれる程度で、自然にはほとんど無害の3価のクロムとして存在します。だから、通常の生活では3価や6価ということを気にする必要はないでしょう。

ちなみに、サプリメントではピコリン酸クロムなどで3価のクロムを摂取しますが、多くは、鉄、銅、亜鉛、ヨウ素、セレン、モリブデン、コバルトなどの体内に必要な微量元素をあわせて配合されているものも多いでしょう。

しかし言うまでもなく、とりすぎると毒になります。 サプリメントを取るときには金属類の過剰摂取に注意が必要です。

 

【重金属とは】

鉄の比重(約7.8)以上の金属を「重金属」という分類があって、クロムの比重は7.2なので鉄よりも軽いのですが、クロムは重金属に分類されています。

この理由は、重金属の反対語は「軽金属」で、つまり、アルミニウムやマグネシウムなどですが、その「軽金属」に対応して、比重が4程度以上のものを重金属とされるために、このことで「クロムは重金属」に分類されています。

クロムの重要性とステンレススチール

まず、有用なものの代表の鋼(はがね)とクロムの話です。

もちろん、製品になっているクロムには毒性がないことを頭に入れておいてください。

「鋼(はがね)」は鉄Feと炭素の合金のことをいいます。(鉄の項を参照

つまり、鉄と炭素の合金を「鋼」といい、この炭素によって、熱処理(焼き入れなど)することで非常に硬くしたり、加工できるような硬さに変えることもできるのですが、鋼は非常に有用な合金です。

しかし、この「鋼」は錆びやすいのが欠点です。そこで、錆びにくい(耐食性、耐酸化性の高い)鋼として、各種のステンレス鋼があります。

ステンレス鋼は普通鋼(鉄と炭素の合金)に耐食性・耐熱性の高いクロムやニッケルを含む合金にしたものですが、サビないのではなくて、さびにくいというものです。

ステンレス鋼には成分的にいくつかの種類があり、比較的安価なもの(フェライト系ステンレス鋼)、耐食性の高いもの(オーステナイト系ステンレス鋼)、刃物などに使われるもの(マルテンサイト系ステンレス鋼)などがあって、耐食性の高いものは高価ですし、刃物に使うものは耐食性が低いのですが、すべてに優れるものはないので、それらの特徴を生かして、目的に応じた物を使う必要があります。

専門的になりますが、現在ステンレス鋼の分類をする場合は成分系で3つまたは5つに分類されます。3つの分類のほうが昔からあるので、これについて簡単に説明します。

1)フェライト系ステンレス

13Cr(じゅうさんくろむ)と呼ばれる13%のクロムを含む、最も安価な部類のステンレスで、流し台やステンレス浴槽などに多く使われているものです。

磁性があり、磁石に引っ付きます

 

2)オーステナイト系ステンレス

18-8ステンレスが有名で、18%のクロムと8%ニッケルを含むものですが、非磁性で磁石には引っ付きません

スプーンやフォークなどの食器や耐食部分の部品などに用いられます。

また、耐熱用途や耐食性が要求されるもの、極低温で使用させるものなどはこの、オーステナイト系ステンレス鋼が使われます。

 

3)マルテンサイト系ステンレス

包丁などの刃物用いられるステンレスで、焼入れをして硬くする用途に使われます。

硬くするために炭素を多く含みますので、オーステナイト系に比べて耐食性は劣りますが、硬くて強い品物にできるステンレス鋼です。

 

ステンレス鋼は錆びないのではなく錆びにくい鋼材

ステンレスはさびにくいということですが、クロムの酸化物(進行しにくいサビのようなもの)が表面にできて、結果としてさびにくくなっています。

砥石などで磨くと黒い汁が出ますが、これが耐食性の源になっている証拠です。

もちろんこれも、有毒とも無毒とも言えないもので、あえて飲んだり食べたりするものではありません。(鉄やクロムの過剰摂取となり、身体いよいものではありません)

余談ですが、近年はステンレスの種類も多様化して、上記3つの分類以外に、④析出硬化系ステンレス ⑤2相系ステンレス など合計5つに分けて説明されることが多くなっています。

 

【その他 鉄鋼におけるクロム】

鉄と炭素の合金が鋼(はがね)ですが、その大きな特徴は、焼入れ焼戻しの熱処理をすることで機械的性質を大きく変えることができる点が優れていて、現在の文明は「鋼」で支えられているといっていいでしょう。

その鋼に「クロム」を添加すると、

①大きな品物も焼入れで硬くなる「焼入れ性の増大」

②硬さの上昇や炭化物を造ることで「耐摩耗性の増大」

③鋼の組織を強くして「ネバさ・強さの増大」

などの効果が得られます。

工具に用いられる工具鋼(ダイス鋼)や高速度工具鋼(ハイス)と呼ばれる鋼材はクロムのほかにマンガン、ニッケル、タングステン、モリブデン、バナジウムといった元素を配合することで、様々な特徴を持った鋼が製造されています。

その製造法も、従来の製鋼法ではできない成分のものは粉末にした鋼を固める方法(粉末冶金:ふんまつやきん)によって作られた「粉末ハイス」などの新しい鋼が製造されています。

ステンレス鋼は無害か?

ステンレス鋼にはクロムなどの重金属が含まれます。しかし、通常に販売されて使用されている商品や製品は無害と考えていい・・・とされています。

安全衛生法などでは、その使用量(製造のための量)やその廃棄についても特に問題にはされませんが、ステンレス鋼の研磨粉や微細な切り屑などの廃棄物になると、それらを吸引したり環境に影響する可能性があって、その判断は微妙で、有害物になる可能性があります。

しかし無害とはいえ、金属アレルギーを起こす人もいるので、法律的な問題ではなく、基本的に、金属類を長期間肌に密着させたり摂取することは良くない・・・と考えておくのが無難です。

もちろん、クロムなどの金属類をサプリメントで摂取する人もいますが、人体に含まれる微量元素は重要で、たとえ販売されているサプリメントでも、それを摂取する場合は、医師などの専門家に相談するのが良く、元素量が足りない場合を除いて、摂取には慎重であるのが望ましいでしょう。

また、ステンレスやチタン、プラチナなどがいくら人体に無害だと言っても、長期間の接触や摂取はしないようにするのが賢明でしょう。

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クロムメッキの話

知ったかぶりをする人が、クロムメッキは六価クロムを使用するので有害だし、クロムも重金属なので・・・などと書いている個人の意見記事を見ることがありますが、これを真に受けると大変で、メッキ工場やその工程は十分管理されており、メッキ製品自体は危険なものではないので、メッキについて正しい知識を知っておきましょう

 

クロムメッキ

 

メッキとは

メッキは、電解液中に品物を入れて通電して品物の表面に金属(この場合はクロム)を表面に固着させることです。

電気で通電しない化成処理もありますが、多く行われる「クロメート」はクロム酸塩を用いる処理のことを言い、電解液は「クロム酸」の状態で、3価のクロムや6価のクロムの溶液になっています。

 

クロムメッキとは

耐食性向上、耐摩耗性向上、光沢性向上などの目的でメッキをしますが、クロムメッキには、大きく分けて ①装飾クロムメッキ(ニッケルクロムメッキ) ②硬質クロムメッキ(工業用クロムメッキ)があり、有害な6価クロムのほうがメッキがやりやすく、品質の良いものができます。

しかし現在は3価の電解液を用いたり、その他の金属による皮膜処理も開発されて、安全性をうたっているものに移っていく傾向があるのですが、品質的には、有害の、6価クロム電解液を用いる方法が優れています。

メッキ後の色メッキ後の色

メッキをした品物は、最終的には洗浄された状態で品物になります。

この状況では、3価や6価のクロムがイオン的に化学反応する状態でないので、触っても無毒の状態です。

クロムメッキされた製品はいたるところにありますが、きっちりと洗浄処理されていれば無害です。

 

それでは、何が問題かというと、メッキ液(電解液)を扱うメッキ業者さんが接触したり微粒子を吸引する危険性と、廃液の問題です。

過去には「無知で取り扱う」ことや「費用を下げるために廃液の処理をしなかったこと」が問題で、危険性を知らされずに作業して重篤な病気になったり、廃液を処理しないで河川を汚染して生態系に問題を起こしたのですが、現在では、法律的にも規制が厳しく、安全に管理されています。

 

この硬質クロムメッキは耐摩耗性が高く、長時間電解すればメッキ層を厚くすることができるので非常に優れたものです。

メッキ加工をする場合は、通電するときに、製品側のクロム層に水素ガスが発生し、それが残ると水素脆性によって鉄鋼製品が早期破損するなどの問題が生じる場合があります。

これを防ぐために、十分な洗浄とともに、メッキ後に200℃程度の加熱処理(これをベイキングといいます)することなどが行われます。これらによって、電解液が残留する危険性は低いといえます。

 

このメッキ層は、焼き入れ鋼の表面硬さ以上の硬さがあり、膜厚も厚いので、メッキ後に研磨することもできるので、高精度の製品に仕上げることも可能です。

このために、硬質クロムメッキは、他のメッキに変えられないという優秀さもあって、大切なものです。

 

その他 クロムの雑学

【宝石】

ルビーは高価な宝石ですが、これは、地中でコランダム(ダイヤモンドに次ぐモース硬さ9の鋼玉)に1%程度のクロムが混じると、濃い赤色のルビーになるとされています。

クロムが0.1%程度ではピンクサファイヤになり、価値が下がりますし、鉄やチタンが入ると青色のサファイヤになるというので、これは自然の不思議ですね。

ルビー原石

現在はこのルビーはもとより、サファイヤ、アメシスト、アレキサンドライトなど主要宝石のほとんどは合成されるという噂もありますが、今日、熱処理などを含めて、手を加えられていない宝石は皆無と言ってよいでしょう。→コチラを参考に

ルビー関連では、酸化チタンを使ってベルヌイ法(原料粉末を酸水素炎で落下させながら溶融して結晶を成長させる方法)での高級ルビー製造は古くから行われているようですし、熱処理や放射線を使って着色中心を変化させることによる高品質化は当たり前のように行われているようです。

もちろん、処理宝石かどうかを調べる技術と、偽物を本物に似せる技術の両方が進化しています。そして、調べる技術が後追いになることや、企業が本格的に加工販売に参入するなどもあって、改造宝石はかなり出回っているようですが、改造宝石は価値が低いということではありません。

 

【鉱石の採石】

クロム鉱石は南アフリカ共和国(44%)インド、カザフスタン(各17%)で多く産出され、偏在しているうえに、日本では鉄鋼業などでたくさん消費するので、使用量の60日分が政府の方針で備蓄されています。

 

【国家備蓄】

この備蓄は国家備蓄42日分と民間備蓄18日分の60日分で、平常時の使用量を基準にして市場価格の安定化を図る目的で備蓄されています。

ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、コバルト、マンガン、バナジウムの7元素が対象になっていて、レアアースなどについても順次備蓄することで品目が追加されています。

 

これら元素(=レアメタル)の主な使用目的は鉄鋼や合金用途ですが、話題に上るものとしてはフェロクロム(鉄とクロムの合金)、フェロニッケル(鉄とニッケルの合金)などが相場を形成していて、近年では、中国の動向で価格が左右するという話題を聞きます。

そのため、鋼材価格には「サーチャージ」という言葉で、鋼材価格も短期的な相場の影響を考慮した価格体系が出来ています。(これは、「ひも付き価格」と呼ばれる、個別の多量取引の場合のメーカーと需要者との価格で、小口の小売価格ではこのような言葉は使いません)

 

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