鋳造用語集

タングステン
Tungsten

タングステンは1781年、スウェーデンの化学者カール・ヴィルヘルム・シェーレ（Carl Wilhelm Scheele）によって、その存在が明らかにされた。
シェーレは、当時タングステンと呼ばれていた鉱物で、現在は灰重石（Scheelite／CaWO₄）として知られる鉱石を分析し、そこから未知の金属元素の酸化物に相当する物質であるタングステン酸（H₂WO₄）を得ることに成功した。しかし、この段階では金属タングステンそのものの単離には至らなかった。
その後1783年、スペインの化学者ファン・ホセ・エルヤル（Juan José Elhuyar）とファウスト・エルヤル（Fausto Elhuyar）の兄弟が、鉄マンガン重石（Wolframite）を分析し、得られた酸化物を炭素で還元することによって、初めて金属タングステンの単離に成功した。
名称の「Tungsten」は、スウェーデン語で「重い石」を意味する tung sten に由来する。一方、元素記号の「W」は、ドイツ語などで用いられてきた別名「Wolfram（ウォルフラム）」に由来している。

このため、英語名はTungstenでありながら、元素記号にはWが採用されている。

タングステンは第6周期・第6族に属する遷移金属元素であり、代表的な高融点金属の一つである。電子配置は [Xe] 4f¹⁴5d⁴6s² で、代表的な酸化数は+6である。このほか+5、+4などの酸化状態もとり、三酸化タングステン（WO₃）や各種タングステン酸塩など、多様な化合物を形成する。

純タングステンは銀白色から灰白色の金属光沢を持ち、密度は約19.25 g/cm³である。金の約19.3 g/cm³に近い非常に高密度な金属であり、融点は約3,422℃と、金属元素の中で最も高い融点を持つことが最大の特徴である。沸点も約5,555℃と極めて高く、高温環境においても低い蒸気圧を示す。

また、高い弾性率と優れた高温強度を持ち、熱膨張率が比較的小さいことから、高温炉の発熱体や耐熱部品、電極材料などに利用されている。ただし、大気中の高温環境では酸化が進行するため、特に高温で使用する場合には真空や不活性ガス、水素などの適切な雰囲気管理が必要となる。

タングステンの結晶構造は、常温から融点付近まで体心立方構造（BCC）であり、常圧ではチタンのような同素変態を示さない。

純タングステンは高温では塑性変形が可能である一方、常温付近では脆性を示しやすく、加工が難しい金属として知られている。この性質は結晶粒径、不純物、加工履歴などによっても大きく変化するため、製造時には材料組織や加工温度の管理が重要となる。

また、タングステンは融点が極めて高いため、一般的な溶融鋳造による製造には適していない。そのため、金属粉末を加圧成形した後、高温で焼結する粉末冶金（Powder Metallurgy）が主要な製造方法として利用されている。粉末冶金では、金属を完全に溶融させることなく緻密な材料を得ることができ、高融点金属であるタングステンの製造に適している。

タングステンを利用した代表的な材料が、炭化タングステン（WC）である。炭化タングステンは極めて高い硬さと耐摩耗性を持ち、コバルトなどを結合材として焼結することで、切削工具や金型に使用される超硬合金となる。超硬合金は、金属材料の切削加工をはじめ、鉱山工具、耐摩耗部品など、現代のものづくりに欠かせない材料である。

天然では金属タングステンの状態ではほとんど存在せず、主としてタングステン酸塩鉱物として産出する。代表的な鉱物には灰重石（CaWO₄）や鉄マンガン重石〔(Fe,Mn)WO₄〕がある。

タングステンの地殻中の存在量は約1～1.5ppmとされ、比較的希少なレアメタルに分類される。また、鉱石から金属タングステンを得るには、選鉱、化学的精製、酸化物の還元など複数の工程を必要とする。工業的には、精製された三酸化タングステン（WO₃）などを水素によって還元し、金属タングステン粉末を製造する方法が広く利用されている。

タングステンの代表的な用途は、炭化タングステンを主成分とする超硬合金である。高い硬さと耐摩耗性を利用して、切削工具、ドリル、エンドミル、金型、鉱山工具などに広く使用されている。
また、金属タングステンは融点が高く、高温でも蒸発しにくいことから、高温炉の発熱体、TIG溶接用電極、電子放出用部品などにも利用されている。かつては白熱電球のフィラメントとしても広く使用され、電気を流すことで高温に加熱しても容易に溶融しないという特性が活用されてきた。

さらに、鉄との合金では、工具鋼の耐摩耗性や高温硬さを向上させる添加元素として重要であり、特に高速度工具鋼（ハイス）などに利用されている。

このほか、金に近い高密度を利用したバランスウェイトやカウンターウェイト、放射線遮蔽材料などにも使用される。近年では、極めて高い融点と耐熱性を持つことから、核融合炉において高い熱負荷を受けるプラズマ対向材料としても研究・利用が進められている。

このようにタングステンは、金属元素中で最高の融点と高い密度を持つという特異な性質を生かし、精密加工から高温設備、エネルギー分野まで、幅広い産業を支える重要な元素である。

タングステンと鋳造

タングステンは、金属元素の中で最も融点が高いため、一般的な溶解炉や鋳造設備による加工が極めて難しい材料である。
通常のロストワックス鋳造で使用される石膏系埋没材やセラミック鋳型では、タングステンの溶融温度に耐えることが難しく、溶湯と鋳型の反応や汚染も問題となる。
そのため、タングステン製品の製造には、一般的な溶融鋳造よりも、粉末を加圧成形して高温で焼結する粉末冶金（Powder Metallurgy）が広く利用されている。

■　粉末冶金による製造

タングステン粉末を所定の形状に成形し、水素雰囲気や真空中などで高温焼結することで、金属組織を緻密化させる製造方法である。
融点以上まで加熱して完全に溶融させる必要がないため、高融点金属の製造に適している。
また、炭化タングステン（WC）とコバルト（Co）などを組み合わせた超硬合金も、主に粉末冶金によって製造されている。

■　特殊溶解技術による加工あ

タングステンの溶融加工には、電子ビーム溶解（EBM）やアーク溶解など、極めて高いエネルギー密度を持つ特殊な溶解技術が用いられる場合がある。
これらの方法では、水冷銅ハースなどを使用することで、一般的な耐火物製るつぼとの接触を抑えながら金属を溶解することが可能となる。
ただし、溶融状態からの凝固過程では、熱応力による割れや結晶粒の粗大化などが問題となりやすく、製品形状や製造条件には大きな制約がある。
タングステンは、金属を溶かして鋳型に流し込むという一般的な鋳造の考え方だけでは対応が難しい、代表的な高融点金属といえる。

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