お湯で溶ける金属 低融点合金の作り方 How to make Field’s metal

昔の資料が出てきたので、記事にまとめる
文化祭で作ったPb,Cdフリーの安全な低融点合金
融点は70℃くらい
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低融点合金とは?

低融点合金とは融点の低い合金のことを言う。別名 易溶合金。
代表的なものに、はんだがある。ヒューズやスプリンクラーに応用されている。
はんだは一般に鉛と錫(スズ)でできている。
鉛の融点は 327°C、錫の融点は 231°C これらの金属を組み合わせると、融点 184°Cのはんだができる。 このように合金にすることにより融点が下がるのはなぜでしょう?
金属は個体の状態では原子が規則的に整列しています。強く結びついているのです。 しかし、鉛に錫を混ぜると合金のなかに異種の原子が入っているため、原子間の結びつきが弱くなり、 融点が低くなり、脆くなります。
故に飽和食塩水の融点は-22°C
この原理を利用し、更に融点を低くしたものにウッド合金という物があります。
それはビスマス 50%、鉛 26.7%、錫 13.3%、カドミウム 10%の合金で融点は 70°Cとかなり低い。 しかし、この合金は鉛とカドミウムという毒性の強い物を使うため、文化祭での展示は危険。
ということで Field’s metal という鉛とカドミウムを使わない低融点合金を作る。
組成はビスマス 32.5%(271°C)、錫 16.5%(231°C)、インジウム 51%(156°C)で合金の融点は 62°C

 

Field’s metalの特徴

材料にビスマス、錫、インジウムを使う
ビスマスとインジウムはレアメタルで特にインジウムは液晶技術などに利用され、非常に高価
ウッド合金より安全で高価なのが特徴

 

作り方

wikipediaよりField’s metalの特徴組成比率は
Bi : Sn : In = 32.5 : 16.5 : 51 #mol%
しかし、これはmol%濃度なので質量パーセント濃度を計算する

Bi : Sn : In = 46.5 : 13.5 : 40 #wt%
つまり、ビスマス46.5% 錫13.5% インジウム40%
これで私達が普段使っているパーセントになる

この組成をもとに作ってみる
といっても測って溶かして混ぜて冷ますだけ

インジウムは購入時から粒上だったため計量しやすい
ビスマスはpinoのような台形柱であったが非常に脆いためハンマーで粉々にできる
錫はボール状のものでハンマーでも無理でしたので溶かして少しずつ固めて気合で分量に分けた

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混ぜるときは融点の高い金属から溶かしていき混ぜるといい
今回はビスマス→錫→インジウムの順で坩堝に入れ、ガスバーナーで溶かして混ぜていく
溶かしきったら火から放し、冷めるのを待つ
完全に固まったらお湯で溶かして取るか、無理やり取る

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この合金はお湯の中に直接入れて楽しむといい
手で触っても有毒性は低いが、皮膚にくっつく可能性があるのでやめといたほうがいい

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資料PDF Field’s metal