鋳造用語集

鉛（なまり）
Lead

鉛は、人類が最も古くから利用してきた金属元素の一つである。
融点が約327.5℃と低く、鉱石から比較的容易に製錬できるため、古代エジプトやメソポタミアの時代にはすでに利用されていた。古代ローマでは水道管、容器、建築材料などに広く使用され、鉛を意味するラテン語 plumbum は、現在の元素記号Pbの由来となっている。
英語のLeadという名称はゲルマン系の古い言葉に由来すると考えられているが、その語源については明確でない部分もある。

鉛は第6周期・第14族に属する金属元素である。電子配置は [Xe] 4f¹⁴5d¹⁰6s²6p²で、最外殻には4個の電子を持つ。
同じ第14族には炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズなどが存在するが、周期表を下に進むにつれて金属性が強くなり、鉛は明確な金属としての性質を示す。
代表的な酸化数は+2と+4であるが、鉛では**+2の状態が比較的安定**である。これは重元素で顕著になる「不活性電子対効果」と関係している。

鉛は青みを帯びた灰白色の金属で、非常に軟らかく、展延性を持つ。密度は約11.34と大きい一方、融点は約327.5℃と金属としては比較的低い。
空気中では表面に酸化物や炭酸塩などの皮膜が形成され、内部の腐食進行が抑えられる場合がある。
天然では単体として存在することは少なく、代表的な鉱石は方鉛鉱（Galena：PbS）である。方鉛鉱は鉛の主要な原料であると同時に、銀を含むことがあり、歴史的には銀の重要な供給源でもあった。
鉛鉱石は焙焼や還元などの工程を経て金属鉛へ製錬される。また現在では使用済み鉛蓄電池から回収される再生鉛も重要な供給源となっている。

鉛の代表的な用途は鉛蓄電池である。自動車用バッテリー、非常用電源、産業用蓄電設備などに現在も広く利用されている。
また密度が高く、X線やγ線などを遮蔽する能力が高いため、医療施設、研究施設、原子力関連設備などの放射線遮蔽材として使用される。
このほか、はんだ、低融点合金、錘、制振材、ケーブル被覆などにも利用されてきた。
一方、鉛およびその化合物には人体や環境への有害性があるため、現在では多くの用途で使用量の削減や鉛フリー材料への置き換えが進められている。
特に電子機器のはんだや飲料水に接触する配管・バルブ材料などでは、鉛を使用しない材料への転換が重要な課題となっている。

鉛と鋳造

鉛は融点が低く、溶湯の流動性を確保しやすいため、古くから鋳造しやすい金属として利用されてきた。
純鉛や鉛基合金そのものを鋳造する用途に加え、銅合金などに少量添加することで、鋳造性や切削性を改善する元素としても重要な役割を果たしてきた。

■  鉛そのものの鋳造
鉛の融点は約327.5℃であり、鉄、銅、アルミニウムなどと比較すると非常に低い。
そのため比較的低温で溶解・鋳造でき、錘、放射線遮蔽部品、蓄電池部品など、さまざまな形状に成形することができる。
また密度が高いため、同じ体積でも大きな質量を得られることが鉛鋳物の特徴である。
一方、溶融鉛や鉛を含む材料を扱う場合には、作業者への曝露を防止することが極めて重要である。溶解作業だけでなく、酸化物やドロスの処理、研磨、切削、清掃などを含め、粉じんやヒューム等への曝露を適切に管理する必要がある。

■  銅合金への鉛添加
鉛と鋳造の関係で特に重要なのが、黄銅や青銅などの銅合金への添加である。
鉛は銅にほとんど固溶しないため、鉛を含む銅合金が凝固すると、鉛は銅合金の基地組織とは別の相として分散する。
この鉛相は軟らかく、切削加工時には切りくずを細かく分断し、工具との摩擦を低減する働きをする。
そのため鉛を添加した黄銅は、旋盤加工や自動盤加工などに適した快削黄銅として広く使用されてきた。
鋳造用銅合金でも、鉛を含む青銅系合金は優れた被削性を持ち、バルブ、ポンプ、軸受、機械部品などに利用されてきた。
また鉛は軟らかいため、摺動部では固体潤滑的な役割を果たし、耐焼付き性やなじみ性を改善する場合がある。この性質から軸受用銅合金にも利用されてきた。

■  鉛と鋳造性
鉛は銅にほとんど固溶しないため、鉛含有銅合金では凝固時の鉛相の分布が重要となる。
液体状態でも組成や温度条件によっては均一性が低下しやすく、さらに鉛は銅より密度が大きいため、溶湯の保持条件や凝固条件によっては重力偏析が問題となることがある。

また凝固が進むと、鉛は銅を主体とする固相から排出され、最終凝固部や粒界付近などに濃化しやすい。（粒界偏析）
適切に微細分散した鉛相は被削性や摺動特性の改善に有効である一方、粗大な鉛相や局所的な濃化は、機械的性質や鋳物品質を低下させる原因となる。
そのため鉛含有銅合金の鋳造では、合金組成だけでなく、溶解温度、保持時間、撹拌、鋳込み温度、冷却速度などを適切に管理することが重要である。

■  鉛青銅と軸受け
鉛を多く含む代表的な銅合金に鉛青銅がある。
鉛青銅では、銅を主体とする基地組織の中に軟らかい鉛相が分散している。
荷重を支える銅合金の基地と、摩擦を低減してなじみ性を与える鉛相を組み合わせることで、軸受材料として優れた特性を得ることができる。
このように鉛は、合金全体を均一に強化する元素ではなく、基地組織とは異なる軟質相として存在することで機能を与える元素である点が特徴的である。

■  鉛フリー銅合金
鉛は鋳造性や被削性を改善する非常に便利な元素である一方、人体や環境への影響から、現在では鉛を使用しない銅合金の開発と普及が進められている。
特に給水・給湯設備に使用されるバルブ、水栓金具、継手などでは、飲料水への鉛溶出を抑える必要がある。
そのため鉛の代わりにビスマス（Bi）やシリコン（Si）などを利用した鉛フリー銅合金が開発されている。
ただし、鉛を単純に別の元素へ置き換えれば同じ鋳造性や被削性が得られるわけではない。
鉛フリー化によって溶湯の流動性、凝固挙動、切削性、工具摩耗、鋳造欠陥の発生傾向などが変化するため、それぞれの合金に適した溶解・鋳造・加工条件を設定する必要がある。
鉛は長い間、「鋳造しやすく、削りやすく、滑りやすくする元素」として利用されてきた。
現在の鋳造技術では、その優れた材料特性を理解すると同時に、環境・安全面から鉛をどのような材料へ置き換えていくかも重要な技術課題となっている。

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