第1章　元素の基礎知識

元素のことを知ると、鉄鋼材料と切削加工の

いろいろな知識がつながります！

鉄鋼材料は元素の組合せでいろいろな種類が作られています。また、

その鋼材を加工する切削工具も元素でできています。

切削加工を速く安全におこなう工具や条件を選定するには、鋼材の特性を

もたらす元素や結晶のことを知っておくと、すべてがつながってきます。

どのような部品に、どの材料を使っているのか？

１）なぜ、その材料を使うのですか？２）それを削ると、どのような特徴がでますか？３）切削加工する際には、何に注意するのですか？

この理由のなかに、元素のことがでてきます。

なので、元素のことから勉強しましょう ！

そうすると、加工現場の話しが良くわかるようになります。

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資　

料

身近な元素あれこれ1-1まず、元素に親しむために、どのような元素が身のまわりにあるか見ていきましょう。たとえば大気・地球・人体はこんな元素からできています。

N 窒素 78%O 酸素 21%Ar アルゴン 0.9%CO2 二酸化炭素（炭素と酸素） 0.04%Ne ネオン 0.0018% 18ppmHe ヘリウム 0.0005% 5ppmH2O 水蒸気（水素と酸素） 0 ～ 3％CH4 メタン 1.6ppmKr クリプトン 1.1ppmH 水素 0.5ppmCO 一酸化炭素 0.1ppm

その他 0.08ppm100% （体積％）

（ppmとは、1万分の1％の単位）

O 酸素 46%Si ケイ素（シリコン） 26%Al アルミニウム 8%Fe 鉄 7%Ca カルシウム 5%Mg マグネシウム 3%Na ナトリウム 2%K カリウム 1%Ti チタン 0.5H 水素 0.1その他（タングステン、コバルト、モリブデン、マンガン）

100%（重量％）

87％

O 酸素 65%C 炭素 18%H 水素 10%N 窒素 3%Ca カルシウム 1.5%P リン 1%S 硫黄 0.3K カリウム 0.2Na ナトリウム 0.2Cl 塩素 0.2Mg マグネシウム 0.05Fe 鉄 0.008F フッ素 0.007Zn 亜鉛 0.004Si ケイ素（シリコン） 0.002Ti チタン 0.001その他

100% （重量％）

96％

大気中の元素

えっ！　窒素が78％も！

地殻・マントル部の元素

人体の元素

大気

酸素は いろいろな元素と結びついて存在シリコン（水晶の成分）が、全体の4分の1も！

えっ！　アルミニウムの方が鉄より多いの ？

サーメットの原料

超硬チップの原料のタングステンやコバルトは0.1％以下

人間だけでなく、すべての生物はこの4つの元素が作るアミノ酸が基本です

鉄は血液中のヘモクロビンに含まれ、酸素を体内に運ぶ役割（昆虫は、銅が酸素を運び、血液は緑色）

人体

地殻

�

1-1　身近な元素あれこれ

鉄鋼材料 や 切削工具にかかわる元素が、いろいろ！

◦�空気中に78％も含まれ、アミノ酸をはじめ、多くの生体物質中に含まれており、すべての生物にとって必須の元素です。N2（窒素ガス）の状態で存在します。

◦窒素は人体にはほとんど影響しません。植物には窒素肥料として使われています。◦�窒素分子は常温では、無色無臭の非常に安定した気体です。空が青いのは、空気中の窒素や酸素の分子に、光の青い波長が反射しているからです。

窒素 N この窒素NとチタンTiの組合せ（TiN）が、切削工具チップへの金色コーティングです

◦�地球上では空気や水、大気・海・地殻のいずれにも多量に存在し、いろいろな元素と結びつきやすい元素です。

◦単体では酸素分子（酸素ガスO2）あるいはオゾン（O3）として存在しています。◦酸素は多すぎても少なすぎても、人の体に悪い影響を与えます。

酸素 O アルミ二ウムAl と結びついた酸化アルミ二ウム（Al2O3）は、コーティングの王様

◦材木が燃えると炭（すみ）になります。鉛筆の芯（しん）もダイヤモンドも炭素です。◦二酸化炭素は、地球温暖化をもたらし、氷河が溶けたり、異常気象の原因になっています。◦植物は二酸化炭素を取込んで酸素を出しています。

炭素 C 鉄に最も大きな影響を与える元素は、炭素（C）です。 その量に比例して硬くなります

たとえば、つぎの3つの元素は…

大気

地殻

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資　

料

　それにしても、なぜ地球の中心に鉄なのでしょうか？　それは、元素に重さがあって、元素に付けられた【原子番号】は、おおむね重さ（質量の大きさ）の順番で、原子番号の小さい元素は軽く、原子番号が大きい元素は重たい元素なのです。

　したがって、13番アルミニウムや14番シリコン（ケイ素）などの軽い元素は地表に存在し、26番の鉄は中心部へ集まったものと考えられています。　 太陽に近い惑星の水星・金星・地球・火星の4つは地球型と分類されています。それは地球と同じよ

うに外部は岩石、内部は鉄でできているからです。一方、木星と土星はガス星で、地球型岩石の地面はないといわれています。

地球だけは内部の液体状の鉄が対流しており、そのおかげで磁場が発生して、生命に有害な宇宙線から地球を守っています。

　火山から吹き出る真っ赤なマグマは、溶岩という言葉どおり岩石が溶けたものであって、内部の鉄の液体が噴出しているのではなく、溶岩の半分はシリコンなのです。わたしたちが利用している鉄は、溶岩に含まれる鉄分が海に溶け出して酸化鉄として堆積し、ぶ厚く集まった鉄鉱床から採掘しています。

なぜ、地球の中心が鉄なのか？

地球は鉄の星！1-2

地球は【水の星】とよく言われますが、じつは鉄が3分の1を占める【鉄の星】なのです。地殻・マントルには�7％しか鉄は含まれていませんが、内部は液体と固体の鉄です。

体積の3分の1が鉄

（実際の惑星間の距離は図とは異なります）

中心部は鉄ニッケルも含む

水の星！�地球

3400km 3000km

外核：液体内核：固体

地殻（ちかく）：固体（海の下は10km程度、陸の下は20～50km程度）

上部マントル：固体と液体

下部マントル：液体

岩石マーキュリ：水星

ビーナス：金星

アース：地球

ジュピター：木星

マース：火星

サターン：土星

ウラヌス：天王星

ネプチューン：海王星

豆知識 地球ができて46億年ですが、40億年前には地球表面はすべて海だったようです。太陽からの距離が、水を蒸発させてしまわない奇跡的な位置に地球があるからです。

Mercury

Venus

Earth

JupiterMars

Saturn

Uranus

Neptune

11

1-2　地球は鉄の星！

　宇宙ができたとき、水素と水素がぶつかって【ヘリウムHe】ができ、ヘリウムどうしが3つぶつかり合って炭素（C）というように、核融合を繰り返して、鉄（26）までがつくられました。　鉄はそれ以上に核融合をしない、安定している元素ですが、では、鉄以上の元素はどのようにして生まれたのでしょうか？　それは、太陽の8倍以上に大きい星が作ります。

【鉄以上の元素】は、どのようにしてできたのか？

〈メモ〉オリオン座のベテルギウス（左上の赤い星）は太陽の20倍と推定され、超新星爆発寸前の状態と言われている。

超新星爆発の瞬間に、鉄以上の元素ができる！

核融合の燃料の水素を使い果たし、星間ガスになる。

大きくなって拡散する。

【赤色巨星】Red giant

太陽水素H、ヘリウムHe

2 6 14 22 27 28 74 水素 シリコン チタン 鉄 タングステン ウラン

H He C Si Ti Fe Co Ni W U軽い元素 重い元素

261 92 原子番号

太陽の8倍以上の恒星水素H、ヘリウムHe

このときのエネルギーによって、鉄の他の元素がぶつかって、核融合を起こして【鉄からウランまでの元素】が合成されると考えられている。そうして元素は宇宙に飛び散って、新たな星のもとになります。 新星：Nova ノバ

それは、

一生の最後に重力収縮が起きて、その圧力で、水素とヘリウムが核融合し、それが加速する。

玉ねぎ状に重い元素が中に作られていく。 そして、一番安定した【鉄元素：番号26】までできる。

すると、それ以上は核融合が進まず、重力崩壊して大爆発を起こします。

【超新星爆発】新しい星ができたかのように、大きく輝く

水素、ヘリウム炭素、酸素アルミニウム、シリコンチタン、クロム鉄

【白色矮わい

星せい

】White dwarf

あとに小さい白色の星が残り、らせん星雲になって消えていく。

太陽より25倍以上の恒星は、【ブラックホール】になる。 Black hole

25倍以下のものは、電子と陽子が結合して、中性子だけからなる不思議な【中性子星】になる。

Neutron star

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資　

料

世の中のすべてのものは、この表にある元素の組合せでできています！

◦たとえば、サーメットチップ（TiC）は、22番チタン（Ti）と6番炭素（C）の組合せでできています。◦炭素鋼�S45Cは、26番の鉄（Fe）と6番の炭素（C）の組合せ。◦合金鋼�SCM435は、26番の鉄＋24番クロム（Cr）＋42番モリブデン（Mo）の組合せ。◦ステンレス鋼�SUS304は、26番の鉄＋24番クロム（Cr）＋28番のニッケル（Ni）の組合せです。

鉄鋼材料や工具のチップに関係する元素を見てみると…

すべての元素の一覧表が 周期表1-3

　すべての元素を並べて表にしたものを周期表といいます。電子軌道の数が【周期】、性格の似た元素の並びを【族】といいます。元素は電子の数を原子番号として番号付けされています。数が増えるだけで、元素の性質が大きく変わるのですから不思議です。自然界は92種類（ウランまで）の元素でできており、�それ以上の番号の元素は、人工的に融合させた元素です。

族1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

周期

1

1 H水素

2 Heヘリ ウム

2

3 Li

リ チ ウム

4 Be

ベ リリ ウム

5 B

ホ ウ素

6 C炭素

7 N窒素

8 O酸素

9 F

フッ素

10 Neネ オ ン

3

11 Na

ナトリ ウム

12 Mg

マグ ネ シ ウム

13 Al

アル ミ ニ ウム

14 シリコ ン

Siケイ素

15 Pリン

16 S硫黄

17 Cl塩素

18 Arアルゴ ン

4

19 K

カ リ ウム

20 Ca

カ ル シ ウム

21 Sc

ス カン ジ ウム

22 Tiチ タ ン

23 V

バ ナ ジ ウム

24 Crク ロ ム

25 Mnマ ン ガ ン

26 Fe鉄

27 Coコ バ ルト

28 Ni

ニッケ ル

29 Cu

銅

30 Zn亜鉛

31 Gaガ リ ウム

32 Ge

ゲ ル マ ニ ウム

33 As

ヒ素

34 Seセ レン

35 Br臭素

36 Kr

クリプトン

5

37 Rb

ル ビ ジ ウム

38 Sr

スト ロ ン チ ウム

39 Y

イットリ ウム

40 Zr

ジ ルコ ニ ウム

41 Nb

ニ オ ブ

42 Moモ リブ デ ン

43 Tc

テ ク ネ チ ウム

44 Ru

ル テニ ウム

45 Rhロ ジ ウム

46 Pd

パ ラ ジ ウム

47 Ag

銀

48 Cd

カド ミ ウム

49 In

イン ジ ウム

50 Sn

ス ズ

51 Sb

ア ン チ モ ン

52 Teテ ル ル

53 I

ヨ ウ素

54 Xeキ セ ノン

6

55 Csセ シ ウム

56 Baバ リ ウム

57 ～ 71

ラン タノイド

72 Hf

ハ フ ニ ウム

73 Ta

タ ン タ ル

74 W

タ ン グ ス テン

75 Reレ ニ ウム

76 Os

オ ス ミ ウム

77 Ir

イリジ ウム

78 Pt白金

79 Au

金

8 0 Hg水銀

81 TI

タリ ウム

82 Pb

鉛

83 Bi

ビ スマ ス

84 Po

ポ ロ ニ ウム

85 At

ヘリリ ウム

8 6 Rnラド ン

7

87 Fr

フ ラン シ ウム

8 8 Raラ ジ ウム

89 ～ 103

アク チノイド

104 Rf

ラ ザ ホ ー ジ ウム

105 Db

ド ブ ニ ウム

10 6 Sg

シ ー ボ ー ギ ウム

107 Bh

ボ ー リ ウム

10 8 Hs

ハッシ ウム

109 Mt

マイト ネ リ ウム

110

Dsダ ー ム ス タ チ ウム

111 Rg

レント ゲ ニ ウム

112 Cn

コ ペ ル ニ ウム

113 114

Flフ レ ロ ビ ウム

115 116

Lvリ バ モ リ ウム

117 118

57 Laラ タ ン

58 Ceセ リ ウム

59 Pr

プ ラ セ オ ジ ウム

60 Nd

ネ オ ジ ウム

61 Pm

プ ロ メ チ ウム

62 Smサ マリ ウム

63 Eu

ユ ウ ロ ピ ウム

64 Gd

ガドリニ ウム

65 Tb

テ ル ビ ウム

66 Dy

ジ ス プ ロ シ ウム

67 Ho

ホ ル ミ ウム

68 Er

エ ル ビ ウム

69 Tmツリ ウム

70 Yb

イッテ ル ビ ウム

71 Lu

ル テ チ ウム

89 Ac

アク チニ ウム

9 0 Thトリ ウム

91 Pa

プ ロトアク チニ ウム

92 U

ウ ラン

93 Np

ネ プ ツ ニ ウム

94 Pu

プ ルトニ ウム

95 Am

アメリシ ウム

9 6 Cmキュリ ウム

97 Bk

バ ー クリ ウム

9 8 Cf

カ リ ホ ル ニ ウム

99 Es

アイン ス タイニ ウム

10 0 Fm

フェ ル ミ ウム

101 Md

メン デレ ビ ウム

102 No

ノ ー ベ リ ウム

103 Lr

ロ ー レン シ ウム

カリウム クリプトン

ナトリウム アルゴン

リチウム ネオン

水素 ヘリウム

周期表

原子核電子

電子軌道の数

サーメット チップ TiC

超硬チップ WC

ステンレス鋼 SUS304

窒化チタン・コーティング層 TiN（金色コーティング）

非金属 気体

液体

固体

金属 液体

固体

1周目には2個の電子しか入れない

2周目は8個まで入る

3周目は18個まで

4周目は32個まで

5周目は50個まで

左上の番号が元素の番号【原子番号】で、電子と原子核内の陽子と中性子の数を表しています

豆知識 金属元素のことを英語で「ミネラル」といいます。スコットランド人やイギリス人、フランス人が発見者として多いなか、スウェーデン鋼で有名なスウェーデンの人たちが発見した元素もたくさんあります。

スウェーデン人が発見した元素