ビル、橋梁、発電プラントなどの社会インフラから自動車、家電、食器といった身近なものまで、あらゆる場所やものに鉄鋼（てっこう）が使用されています。
鉄鋼に対して「硬い」「重い」などのイメージをお持ちだと思いますが、鉄鋼とは一体どのような材料なのでしょうか。また、なぜ鉄鋼が多くの場所やものに使用されているのでしょうか。
本記事ではそんな疑問を解消するため、鉄鋼の基本的な知識から使用先まで詳しく解説しています！
この記事は、現役の材料エンジニアが書いています！
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鉄鋼とは？
鉄鋼（てっこう）は、鉄（てつ）を主成分とした金属材料のことです。
のちほど詳しく解説するように、世の中には「鋼（はがね）」や「鋳鉄（ちゅうてつ）」など、鉄を主成分とした金属材料が多く存在します。これらを総称したものが鉄鋼です。
鉄鋼の原料は、「鉄鉱石（てっこうせき）」と呼ばれる鉄の鉱石です。
鉄鉱石は「鉄と酸素が強く結びついた状態」の物質であり、いわゆる「サビた状態」になっています。
この鉄鉱石をコークスで還元処理すると、「銑鉄（せんてつ）」が取り出されます。取り出された銑鉄にさまざまな処理を行うことで、鉄鋼が作られます。
下の図は、鉄鋼のおおまかな製造プロセスになります。
鉄鋼を作る会社は「鉄鋼メーカー」と呼ばれ、そこでは一年中、昼夜問わず鉄鋼が作られています。また、国内には数多くの鉄鋼メーカーがあります。
鉄鋼の作り方については次の記事でも詳しく解説していますので、あわせてご覧ください！
鉄鋼の種類
ひとくちに鉄鋼と言っても、鉄鋼には数多くの種類があります。
鉄鋼の種類は製造方法、材質、用途などによって分類することができます。ここでは基本的な鉄鋼の種類について解説します。
基本の種類（純鉄／鋼／鋳鉄）
鉄鋼は、含有している炭素の量によって大きく「純鉄（じゅんてつ）」、「鋼（はがね）」、「鋳鉄（ちゅうてつ）」に分けることができます。
これは最も基本的な鉄鋼の分類になりますので、ぜひ覚えてください。
それぞれの鉄鋼の特徴は次の通りです。
| 鉄鋼の分類 | 純鉄（じゅんてつ） | 鋼（はがね） | 鋳鉄（ちゅうてつ） |
|---|---|---|---|
| 炭素含有量 | 約0.02%以下 | 約0.02～2.1% | 約2.1～6.7% |
| 特徴 | やわらかく、伸びやすい | 適度に硬く、粘り強さがある | 非常に硬く、もろい |
| 用途 | 限られた用途 | 幅広い用途 | 主に鋳物（いもの） |
もう少し詳しく見てみましょう。
① 純鉄（じゅんてつ）
純鉄は不純物をほとんど含まない鉄のことで、炭素含有量は約0.02%以下です。材料の世界では「鉄」と言う場合、普通この「純鉄」のことを指します。
純鉄は非常にやわらかく、伸びやすい性質を持ちます。伸びやすい性質のことを「延性（えんせい）」と言い、材料の変形能力を判断する重要な性質です。
純鉄の用途は限られており、磁性材料、粉末冶金（やきん）、触媒（しょくばい）などに使用されます。
② 鋼（はがね）
鋼は炭素とその他の元素を含有した鉄のことで、いわゆる「鉄合金」のことです。炭素含有量は約0.02～2.1%で、その他にシリコン（Si）、マンガン（Mn）、リン（P）、硫黄（S）も含有しています。
鋼にとって、炭素は鋼の性質を決める最も重要な元素です。鋼は炭素の含有量が大きいほど硬くなり、強度が向上します。従って、通常は炭素の量で鋼の強度を調整します。
のちほど詳しく解説するように、鋼に合金元素を添加すると「靭性（じんせい）」や「耐食性（たいしょくせい）」などの材料特性が生まれます。この材料特性が製品の機能を向上させるため、今日までにたくさんの種類の鋼が開発されています。
鋼は用途が幅広く、鉄鋼の基本材料として広く活用されています。
靭性とは？
発生した亀裂に対する材料の強さのこと。通常、材料内に亀裂が発生すると材料が破壊を起こしやすくなる。
耐食性とは？
腐食のしづらさのことで、簡単に言えば「サビにくさ」のこと。塩素などのハロゲンガスや海水などに材料が晒される場所では重要な性質。
③ 鋳鉄（ちゅうてつ）
鋳鉄は鋼よりも炭素含有量が大きい鉄のことで、炭素含有量は約2.1～6.7%です。溶かした鋳鉄を型に流し込む方法（鋳造）によって作られる「鋳物（いもの）」は、鋳鉄製品の代表格です。
鋳鉄は高炭素量のため非常に硬く、「耐摩耗性（たいまもうせい）」に優れた材料です。そのぶんもろく、衝撃に対して弱いという欠点があります。
機械の摺動面（しゅうどうめん）やマンホールなど、耐摩耗性が求められるような用途に向いています。
耐摩耗性とは？
摩耗に対する強さのこと。材料がものと接触し、こすれ合う場面では重要な性質。
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鋼の種類（炭素鋼／合金鋼）
前述した通り、「鋼」は鉄鋼の材料として広く活用されており、ものづくりに欠かせない材料となっています。そんな鋼にも、たくさんの種類があります。
鋼は、合金元素の有無によって大きく「炭素鋼（たんそこう）」と「合金鋼（ごうきんこう）」に分けることができます。合金元素とは、鋼の性質を向上させるために鋼中に添加される元素のことです。
それぞれの鋼の特徴は次の通りです。
| 鋼の分類 | 炭素鋼 | 合金鋼 |
|---|---|---|
| 合金元素 | なし | あり |
| 特徴 | 鋼の中では強度は低め | 強度が高く、他の材料特性も兼ね備えている |
| 主な用途 | 土木、建築など | 機械、工具など |
もう少し詳しく見てみましょう。
① 炭素鋼
炭素鋼は、鋼の中でもっとも一般的な鋼です。合金元素は添加されていません。シンプルに「鉄と炭素の合金」と言ってもよいでしょう。
合金元素の添加がないため安価で、入手しやすく、使い勝手のよい材料です。ただし、鋼の中では強度が低めの材料となっているため、高い強度を要する材料には適していません。
炭素鋼は一般的な用途に使用されることが多いため、「普通鋼」とも呼ばれます。主に土木や建築用の材料として活用されています。
② 合金鋼
合金鋼は、合金元素が添加されている鋼です。「サビない鉄」でお馴染みのステンレス鋼も、この一種です。
合金鋼に添加されている合金元素としては、ニッケル（Ni）、クロム（Cr）、モリブデン（Mo）、バナジウム（V）、タングステン（W）などがあります。
鋼は、合金元素が添加されると材料特性が変化します。合金元素の種類や添加量によりますが、「靭性」、「耐熱性」、「耐食性」などの性質が向上し、さまざまな機能を持つ合金鋼を作ることができます。
合金鋼は特殊な性質を持つため、「特殊鋼」とも呼ばれます。自動車や工具、機械、医療機器など、さまざまな用途に活用され、製品の機能向上に貢献しています。
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どのように使用される？
鉄鋼は、一体どのようにして使用されるのでしょうか？
鉄鉱石から作られた鉄鋼は、主に「工業材料」として使用されます。
工業材料とは、ものづくりを行うメーカーが製品やものを作るときに、もととする材料のことです。例えば自動車の部品や機械、建造物などを作るときの材料として使用します。
工業材料は大きく分けると「金属材料系」と「非金属材料系」があります。
金属材料系：
金、銅、鉄鋼、アルミニウム、チタン、マグネシウムなど
非金属材料系：
ガラス、プラスチック、セラミックス、ゴムなど
これらは異なる強度や化学的性質などを持つため、用途や目的に応じて使い分けられています。
金属材料の中では、鉄鋼が最も多く使用されています。金属製品の90%以上は鉄鋼が占めると言われており、まさに鉄鋼は「工業材料の王様」と言えます。
鉄鋼は一般的に、「鋼材（こうざい）」と呼ばれる形態に加工され、使用されます。
鋼材とは？
圧延、鍛造、引抜き、鋳造など各種の方法で所要の形状に加工された鋼の総称のこと。（鉄鋼用語（製品および品質）｜JIS G 0203より）
下の図に示したものは、「Ｈ型鋼（えっちがたこう）」と呼ばれる鋼材です。ビルの建築現場などで使用されているのを一度は見たことがあるのではないでしょうか。
断面がＨの形をしているからＨ形鋼と呼ばれますが、Ｌ字形をした「山形鋼（やまがたこう）」や、コの字形をした「溝形鋼（みぞがたこう）」などもあります。これらは用途に応じて使い分けれらます。
このように、鉄鉱石から作られた鉄鋼は鋼材に加工され、工業材料としてものづくりに使用されます。また、鉄鋼は他の金属材料と比べて圧倒的に多く使用されます。
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鉄鋼が使用される理由とは？
鉄鋼がよく使用される理由は、他の材料にはない優れた特徴をいくつも持つからです。
鉄鋼の優れた特徴を挙げると、こんなにあります。
詳しく見てみましょう。
① 強くて丈夫
鉄鋼が持つ１つ目の特徴は、何と言っても強くて丈夫なことです。
鉄鋼がどれほど強いのか、具体的な数値を見てみましょう。
下の図は、主要な工業材料の引張り強さを示しています。
出展：Nippon Steel Monthly Vol.191｜新日鐵住金
引張り強さとは「引っ張られる力に対する抵抗力」のことであり、材料の基本的な強度を表すパラメータです。単位はMPa（メガパスカル）で表され、数値が大きいほど強度が高く、丈夫な材料であることを意味します。
鉄鋼とアルミニウムの最大引張り強さを比較すると、アルミニウムは900MPa程度であるのに対し、鉄鋼は4,000MPaの引張り強さがあります。このように、鉄鋼はアルミニウムの４倍以上の強度を持っています。
ほかの材料と比べてもその差は歴然で、鉄鋼がいかに強くて丈夫な材料であることが分かるかと思います。鉄鋼のこの丈夫さが、耐久性のある機械や建造物を作るのに役立っています。
理想強度とは？
先ほどの図にあるように、鉄鋼の理想強度は約10GPa（ギガパスカル）です。
（※1GPa＝1,000MPa）
理想強度とは、結晶構造上の欠陥がない完ぺきな材料を作れた場合に、その材料が出せる最大の強度のことです。現実的には材料の製造過程で結晶構造上の欠陥ができてしまうため、実際に達成できる強度はかなり低いものです。
しかし、製造技術の向上によって理想強度に近づけることは可能です。鉄鋼の製造技術は日々進歩しており、鉄鋼はまだまだ強くなる可能性を秘めています。
② 幅広い用途に対応できる
鉄鋼が持つ２つ目の特徴は、幅広い用途に対応できることです。
ここまでに解説したように、鉄鋼は炭素の含有量によって強度が変わります。また、合金元素の添加や熱処理の施工によってさらに強度を上げることが可能です。
そのため、先ほどの図を見てもわかるように、鉄鋼は強度範囲が200MPaから4,000MPaまであります。これは、鉄鋼がさまざまな用途に対応できることを意味します。これほど強度の幅をきかせた材料は、他にはありません。
③ 特殊な環境に強い
鉄鋼が持つ３つ目の特徴は、特殊な環境に強いことです。
鉄は本来サビやすい性質を持っており、水に濡れるとすぐにサビてしまいます。しかし、鉄に10.5%以上のクロムを添加すると「耐食性」が生まれ、サビにくい鉄になります。ステンレス鋼は、この性質を活用して作られています。
このように、鉄鋼は成分や製造プロセスを緻密に制御することで、特殊な環境に耐えられる鉄鋼に変えることができます。以下は、特殊な性質を持つ鉄鋼の例を示しています。
同じ鉄鋼でありながら、作り方によって違う顔を見せる鉄鋼はとても魅力ある材料と言えます。
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④ 地球上に豊富な鉄資源がある
鉄鋼が持つ４つ目の特徴は、地球上に豊富な鉄資源が存在することです。
鉄鋼の資源である鉄鉱石は、地球重量の約３分の１を占めています。地表から容易に掘り出せる埋蔵量だけでも、約2,320億トンあると言われています。
アルミニウムは鉄鋼に次いで資源の多い金属材料ですが、その量は約280億トンです。鉄の資源量がいかに多いかがわかります。
鉄鋼はこのような資源の優位性があるため、人類は低コストで鉄資源を入手し、多くの鉄鋼製品を作ることができます。
⑤ 加工しやすい
鉄鋼が持つ５つ目の特徴は、加工しやすいことです。
いくら資源量が豊富であっても、そこから鉄を取り出すことや加工することが困難だと、鉄鋼が使用されることはなかったかもしれません。
しかし、鉄は還元処理によって鉄鉱石から容易に取り出せます。また、取り出された鉄はさまざまな形状に加工できます。
このように加工しやすいメリットがあるため、鉄鋼は工業で活用され、今日までに多くの鉄鋼製品が作られてきました。
⑥ リサイクルしやすい
鉄鋼が持つ６つ目の特徴は、リサイクルしやすいことです。
日本では、年間4,000トンもの「鉄スクラップ」が発生しています。鉄スクラップとは、古くなったビルや自動車などの解体によって発生した「鉄くず」のことです。
これらの鉄スクラップは埋め立て処分されることなく、しっかりとリサイクルされています。鉄鋼は何度も溶かし直し、新しい鉄鋼に再生することが可能だからです。
このように、鉄鋼は資源循環が図られており、地球環境に優しい材料です。一方、鉄鋼は製造時に多くのCO2を排出していると思われがちですが、他の金属材料と比べて製造時のCO2排出量が低いという特徴があります。
鉄鋼が使われている場所
前述したように、鉄鋼は「強くて丈夫」、「幅広い用途に対応できる」、「加工しやすい」などの優れた特徴をいくつも持っています。そのため、多くの場所で鉄鋼が使用されています。
具体的に、鉄鋼はどのような場所で使用されているのでしょうか。以下は、鉄鋼が使用されている場所やものの例です。
このように、私たちはその存在に気付いていないだけで、多くの場所やものに鉄鋼が使用されています。生活で触れることの多い缶コーヒーや缶詰め、包丁、スプーンなどもそうです。
鉄鋼の使用先について、少しだけひも解いてみます。
一番の使用先は「建築・土木」
建築・土木は、最も鉄鋼が使用されている分野です。
国内で生産されている普通鋼材のうち、建築・土木分野での使用比率は約45%となっています。
鉄鋼は強度があるため、耐久性のある構造物を作るのに適しています。鉄鋼があるおかげで今日までに高層ビルや鉄道、橋梁などが数多く作られ、社会が発展してきました。今日の快適な暮らしがあるのは、まさに鉄鋼のおかげです。
近年は、大きな災害に耐えられる国づくりに鉄鋼を活かす取り組みが加速しています。耐震性能が高い鉄鋼を用いた防災拠点ビルの建設や、津波に強い防波堤づくりなどが行われています。
鉄鋼の進化＝自動車の進化
自動車は、土木・建築に次いで鉄鋼が使用されている分野です。
自動車にとって鉄鋼は欠かせない材料であり、鉄鋼の進化が自動車の進化をもたらしてきたといっても過言ではありません。
自動車には安全性が求められるため、車体の骨格構造には多くの鉄鋼が使用されています。耐熱性が求められるエンジン部品や、耐摩耗性が求められる変速機などにも鉄鋼が使用されています。
近年、自動車には高い安全性能、加速性能、燃費性能などが要求されるようになり、これに対応できる鉄鋼が開発されてきました。「高張力鋼板（ハイテン）」はその代表的な鉄鋼です。
ハイテンは軽くて高強度なため、骨格構造をハイテンにすることで車体を軽量化できます。このハイテンの開発のおかげで、自動車は燃費の向上が図られてきました。
このように、鉄鋼は求められるニーズに合わせて新しいものが開発され、ものづくり産業の発展に貢献してきました。
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おわりに
本記事では、鉄鋼の種類、特徴、使用例などを解説してきました。
スペースに限りがあるため、すべてのことを細かく解説しきれていません。
「鉄鋼のことをもっと詳しく知りたい！」という方にオススメの本を紹介しますので、ぜひ手に取って読んでみてください！
