鉄鋼材料は、成分別に大きく「炭素鋼」と「合金鋼」に分けられます。
それぞれ材料特性が異なるため、どちらの材料を使用するかは部品や製品の安全性に関わります。
そのため、鉄鋼材料を選定するときは、炭素鋼と合金鋼の違いをよく理解しておくことが大切です。
本記事では、炭素鋼と合金鋼の違いを詳しく解説しています。機械の設計や工作などに役立つ内容となっていますので、ぜひ最後までご覧ください！
- 炭素鋼と合金鋼の成分や材料特性の違い
- 代表的な炭素鋼と合金鋼
- 炭素鋼と合金鋼の選定基準
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鋼の基礎知識
鉄鋼材料には様々な種類の材質がありますが、基本的な材質は「鋼（はがね）」です。
鋼がどのようなものかを知っていないと、「炭素鋼」と「合金鋼」の違いを理解することはできません。
まずは、鋼の基礎知識を押さえておきましょう。
鋼とは？
鋼は、鉄を主成分とした合金のことです。
合金とは、２種類以上の元素が合わさってできている金属のことです。つまり鋼は、鉄をベースとし、その他の元素が混ぜられている金属材料となります。
一般的に鉄は強い高い材料だと思われていますが、鉄そのものはもろい材料です。強度があまりなく、工作用の材料として使用することはできません。
そこで鉄を強化するために様々な元素を入れ、強靭な材料にしたものが鋼です。
では、鋼の中にはどのような成分が入っているかを見ていきましょう。
鋼の成分
鋼には「主要５元素」と呼ばれる元素が含まれています。
このうち炭素、ケイ素、マンガンは鉄の強度を高める働きをしています。中でも一番重要な役割を担っている元素が「炭素」です。
炭素は、鉄を硬くする効果がある元素です。鉄の中に炭素が入ることで「セメンタイト」と呼ばれる硬い相ができ、これが鉄を強化します。
通常、炭素は含有率として0.02%から2.1%の範囲内で混ぜられています。炭素の含有率が高いほど硬い材料となり、強度が上がります。
ただし鋼は、強度が上がるのと引き換えに靭性が低下し、材料がもろくなります。靭性とは「粘り強さ」のことで、衝撃に対する破壊の抵抗力の指標となっています。
このように、鋼には炭素などの元素が入っており、それら元素の含有率が鋼の材料特性を担っています。
なお、リンと硫黄は鋼に不純物元素として含まれている元素です。鋼を強化するために混ぜられている成分ではないため、注意しましょう。
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炭素鋼と合金鋼の違い
ここまで、鋼の基礎知識について見てきました。ここからは、炭素鋼と合金鋼の違いについて見ていきましょう。
炭素鋼と合金鋼の違いは、合金元素が入っているかどうかです。
合金元素とは、鋼の性質を向上または引き出すことを目的に添加される元素のことです。
主要５元素に含まれる炭素、ケイ素、マンガンも合金元素と言えば合金元素ですが、通常はこれ以外の元素のことを指します。
日本産業規格（JIS）では、次の元素が１つ以上、一定量入っているものを合金鋼と定義しています。
| Al | B | Cr | Co | Cu | Pb | Mn | Mo |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.3%以上 | 0.0008%以上 | 0.3%以上 | 0.3%以上 | 0.4%以上 | 0.4%以上 | 1.65%以上 | 0.08%以上 |
| Ni | Nb | Si | Ti | W | V | Zr | その他 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.3%以上 | 0.06%以上 | 0.6%以上 | 0.05%以上 | 0.3%以上 | 0.1%以上 | 0.05%以上 | 0.1%以上 |
これらの合金元素が鋼に入ると、炭素鋼にはない機能が材料に生まれます。
つまり、炭素鋼は普通の鋼であり、合金鋼は特殊な機能を持つ鋼となります。そのため、炭素鋼は「普通鋼」、合金鋼は「特殊鋼」と呼ばれることもあります。
以下では、それらの特徴について詳しく解説していきます。
炭素鋼の特徴
ここまで解説したように、炭素鋼は合金元素が入っていない鋼です。基本的に炭素、ケイ素、マンガンのみで構成された鋼で、主に炭素によって強度を出している鉄鋼材料となります。
炭素鋼は、炭素含有率によって大きく「低炭素鋼」、「中炭素鋼」、「高炭素鋼」の３つに分類されます。
| 炭素鋼の区分 | 炭素含有率 | 代表的な鋼種 |
| 低炭素鋼 | 0.02～0.25% | SS400、SPCC、SPHC |
| 中炭素鋼 | 0.25～0.6% | S45C |
| 高炭素鋼 | 0.6～2.14% | SK105 |
各炭素鋼の炭素含有率はご覧の通りですが、実用的な炭素鋼は炭素含有率が1%以内のものが多いです。高いものでも、1.5%程度となっています。
炭素鋼のポイントとしては、以下のようになります。
低炭素鋼は炭素鋼の中でもっとも炭素含有率が低く、強度も比較的低めです。ただし軟らかいため、板を曲げて部品に成形するときのように、加工を重視する用途に使用されています。
高炭素鋼は炭素鋼の中でもっとも炭素含有率が高く、硬さと強度があります。特に摩耗に対する強さである「耐摩耗性」に優れてるため、工具のように摩耗を気にする用途に使用されています。
中炭素鋼はこれらの中間の炭素含有率で、材料の性質も中間的な性質となっています。
代表的な炭素鋼「S45C」
具体的な炭素鋼として、代表的な鋼種である「S45C」の成分や機械的性質について見てみましょう。
S45CはJIS G 4051という規格に定められている鉄鋼材料で、「機械構造用炭素鋼鋼材」に分類されている鉄鋼材料です。その名の通り機械構造部品などを製作するときに適した材料であり、歯車やシャフトなどの材料に使用されています。
S45Cの組成は、次のようになっています。炭素含有率は0.45%程度で、中炭素鋼に分類される含有率となっています。
S45Cの組成：0.45%C－0.25%Siー0.75Mn
S45Cの特徴は、焼入れ・焼戻しによって強度アップできることです。
焼ならし状態のS45Cの引張強さは570N/mm2以上ですが、焼入れ・焼戻しされると、引張強さは690N/mm2以上にアップします。
| 熱処理 | 引張強さ N/mm2 | 降伏点 N/mm2 | 伸び % | 絞り % | 硬さ HBW |
|---|---|---|---|---|---|
| 焼ならし | 570以上 | 345以上 | 20以上 | － | 167～229 |
| 焼入れ・焼戻し | 690以上 | 490以上 | 17以上 | 45以上 | 201～269 |
このように、炭素鋼は焼入れ・焼戻しすることで強度アップできる特徴があります。ただし、炭素含有率が低い低炭素鋼は焼入れ・焼戻ししてもあまり強度アップしません。
焼入れ・焼戻しなどの用語がよく分からない方は、以下の記事をご参照ください↓↓
その他の炭素鋼
その他の炭素鋼として、実用的な鋼種を３つ紹介します。
① 一般構造用圧延鋼材（SS材）
「一般構造用圧延鋼材」は、JIS G 3101に定められている炭素鋼です。通称、SS材と呼ばれています。
一般的によく使用されている炭素鋼で、安価で入手しやすいという特徴があります。そのため、ワッシャーなどの単純部品や、建築資材などによく使用されています。
SS材は強度別に4つの鋼種があり、その中でも「SS400」はSS材の代表格です。SS400は、引張強さとして400N/mm2以上の値を保証しています。炭素含有率が低いため、焼入れ・焼戻しによる強度アップは図れません。
② 冷間圧延鋼板（SPC材）
「冷間圧延鋼板」は、JIS G 3141に定められている炭素鋼です。通称、SPC材と呼ばれています。
「冷間圧延」と呼ばれる方法で製造されており、板または帯状の形になって販売されています。別名「みがき材」とも呼ばれ、表面がなめらかでつやがある点が特徴です。
SPC材は「SPCC」や「SPCD」など、用途別に５つの鋼種があります。これらは非常に炭素含有率が低いために軟らかく、曲げ加工や絞り加工などによって部品を成形するのに適した材料となっています。
③ 炭素工具鋼（SK材）
「炭素工具鋼」は、JIS G 4401に定められている炭素鋼です。通称、SK材と呼ばれています。
SK材は工具に適した硬さを持っており、相手材料とのしゅう動によって摩耗しにくいことが特徴です。
SK材は「SK105」や「SK95」など、成分や硬さ別に11鋼種があります。これらはやすり、ドリル、刃物、刻印など、主に小型工具に使用されています。
合金鋼の特徴
合金鋼は、炭素鋼の成分に合金元素が加わり、優れた性質をもつ鋼です。
合金鋼は、合金元素の含有率によって大きく「低合金鋼」、「中合金鋼」、「高合金鋼」の３つに分類されます。
| 合金鋼の区分 | 合金元素の含有率 | 代表的な鋼種 |
| 低合金鋼 | 5%以下 | SCM440, SNCM439, SUJ2 |
| 中合金鋼 | 5～10% | SKD61 |
| 高合金鋼 | 10%以上 | SKD11, SKH51, SUS304 |
各合金鋼における合金元素の含有率は、ご覧の通りです。合金元素の含有率が高いものほど、材料は優れた性質をもつ傾向にあります。
材料に与えられた性質は、材料の機能性として発揮します。合金鋼が持つ性質としては、以下の性質が挙げられます。
どのような性質を持つかは、合金元素の種類によって異なります。具体的な鋼種を３つ紹介します。
機械構造用合金鋼
「機械構造用合金鋼」は、JIS G 4053に定められている低合金鋼です。強度と靭性がともに高いという特徴があります。
機械構造用合金鋼は、成分別にマンガン鋼（Mn鋼）、クロムモリブデン鋼（CrMo鋼）、ニッケルクロムモリブデン鋼（NiCrMo鋼）など、７つの鋼種があります。そこからさらに細分化され、合計で40個もの鋼種があります。
代表的な鋼種はCrMo鋼の「SCM440」や、NiCrMo鋼の「SNCM439」などです。どちらも高い強度と靭性を誇りますが、その程度は後者が勝ります。
機械構造用合金鋼の特徴は、合金元素によって「焼入れ性」が高められている点です。これにより、材料の中心部まで高い強度と靭性が確保されています。
機械構造用合金鋼は大型の歯車やクランク軸など、耐久性が求められる機械構造用部品に使用されています。
焼入れ性とは？
焼入れ性とは、焼入れによる材料の硬化の程度のことです。
一般的に鋼の焼入れでは、材料に厚みがあるほど内部が冷えにくくなり、十分に硬化しません。そのため、炭素鋼はサイズが大きいと、焼入れしても十分な強度と靭性を得られません。
一方、Mn、Ni、Cr、Moなどの合金元素は、鋼の焼入れ性を高める効果があります。そのため、これらの合金元素が入っている機械構造用合金鋼は、サイズが大きくても強靭な材料となっています。
合金工具鋼
合金工具鋼は、JIS G 4404に定められている中～高合金鋼です。
合金元素としてクロム（Cr）、モリブデン（Mo）、タングステン（W）、バナジウム（V）などの元素が入っており、硬さや耐摩耗性が非常に高い点が特徴です。鋼種によっては、耐衝撃特性として靭性に優れる鋼種もあります。
合金工具鋼には焼入れ性を高める合金元素が多く入っているため、大型の工具への使用に適しています。炭素工具鋼との違いはここにあります。
合金工具鋼は「SKS3」、「SKD11」、「SKT4」など、成分別に32個の鋼種があります。これらは切削工具、冷間金型、熱間金型などに使用されています。
WやMoの含有率を高め、合金工具鋼以上に耐摩耗性と耐熱性を高めた「高速度工具鋼」もあります。
ステンレス鋼（SUS材）
「ステンレス鋼」は、JIS G 4303などに定められている高合金鋼です。通称、SUS材と呼ばれています。
ステンレス鋼の最大の特徴は、耐食性のよさです。炭素鋼や他の合金鋼と違い、大気中や塩水中で腐食が発生しにくくなっています。
ステンレス鋼には、クロム（Cr）が10.5%以上入っています。高濃度に入っているCrが「不動態被膜」と呼ばれる酸化膜を鋼の表面に形成することで、腐食を防いでいます。
ステンレス鋼は、成分別に約60鋼種のステンレス鋼があります。代表的なステンレス鋼は、「SUS304」です。
SUS304は耐食性だけでなく、機械的性質、耐熱性、加工性に優れることから、ステンレス鋼の王様として多くの幅広い工業分野で利用されています。
ステンレス鋼についてもっと詳しく知りたい方は、以下の記事をご参照ください↓↓
炭素鋼と合金鋼の比較
炭素鋼と合金鋼の特徴がそれぞれ分かったところで、両者の材料特性、加工性、コストなどを比較しながら見ていきましょう。
- 材料特性
| 炭素鋼 | 合金鋼 |
| △ | ◎ |
ここまで見てきたように、炭素鋼がもつ材料特性は、炭素含有率によって決まる強度のみと言えます。
一方の合金鋼は、強靭性、耐摩耗性、耐食性など、入っている合金元素の種類や量によって現れる材料特性が異なります。そのため、合金鋼は材料特性に幅があり、応用できる範囲も広がります。
- 加工性
| 炭素鋼 | 合金鋼 |
| 〇 | △ |
鋼材の加工性は、基本的に硬さに比例します。炭素鋼は比較的や軟らかいため切削性がよく、加工しやすいです。
一方の合金鋼は、強靭鋼や合金工具鋼に代表されるように硬い材料が多いため、切削性が悪く、加工しにくいです。
ただし、鋼材は焼入れ状態よりも焼ならしや焼なまし状態のほうが軟らかいため、両者ともに焼入れ前に加工することが望ましいです。
- 入手のしやすさ
| 炭素鋼 | 合金鋼 |
| ◎ | △ |
炭素鋼は、SS400に代表されるように汎用性が高い鋼種があるため、市場流通性が高く、入手しやすいです。
一方の合金鋼は、特殊材料であるため生産量が少なく、求める形状・寸法のものが容易に入手できない場合があります。ただし、ステンレス鋼のSUS304のように、利用度が高い鋼種は入手しやすいです。
- コスト
| 炭素鋼 | 合金鋼 |
| ◎ | × |
一般的に鋼材は、合金元素の使用率が高いほど、コストが大きくます。炭素鋼は合金元素が入っていないため、低価格です。
一方の合金鋼は、合金元素の使用率が高く、中にはレアメタルが使用されている鋼種もあるため、高価になっています。
鉄鋼材料の選定基準
機械構造物を設計するときや工作するときは、部品に使用する鉄鋼材料を選定する必要があります。
このとき、どのような基準で材料を選定すべきかを知りたいという方もいると思います。
ここでは、炭素鋼と合金鋼を選定する基準について簡単に解説します。
このように、基本的には炭素鋼を選択します。部品に必要とする強度や靭性を見積もり、それに見合った機械的性質をもつ鋼種を選定します。
しかし、炭素鋼では強度が不足する場合があります。もしくは、部品の肉厚が大きいために炭素鋼では必要な強度が得られないケースがあります。その場合は、合金鋼を選択します。
もし、特殊な環境下での使用となる場合は、それに見合った材料特性をもつ合金鋼一択となります。
例えば、氷点下で使用する場合は低温特性に優れた合金鋼を、腐食が懸念される環境下で使用する場合はステンレス鋼を選択する、といった形になります。
実際、材料を選定する上では疲労特性なども考慮しなかればならず、材料の選定には経験が必要です。
おわりに
本記事では、炭素鋼と合金鋼の違いについて解説してきました。
ここで解説したことは、鉄鋼材料の基本的な内容となります。鉄鋼材料についてもっと学びたいと思った方は、一度専門書を読まれることをオススメします。
筆者オススメの専門書を掲載しておきますので、ぜひ手にとってみてください！
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