鉄鋼材料の基礎知識 | ものづくりの解説書

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Fe－C系平衡状態図とは？
Fe－C系平衡状態図が重要な理由
1. 鉄鋼材料とは？
2. Fe－C系平衡状態図が使われる場面
Fe－C系平衡状態図の読み方
FeーC系で見られる相の性質
おわりに

Fe－C系平衡状態図とは？

これが「Fe－C系平衡状態図（えふいー・しーけい・へいこう・じょうたいず）」です。

見るからにグラフの形をしていますが、縦軸には温度が書かれていますね。

横軸には炭素のパーセンテージが書かれており、グラフの中には直線やカーブなどが描かれています。

この図は一体、何を示している図なのでしょうか？

合金の状態を示している

まず、FeーC系平衡状態図の「Fe」と「C」はそれぞれ成分を示しており、「鉄」と「炭素」のことを意味します。

Fe・・・鉄のこと
C・・・炭素のこと

「系」は、外界（がいかい）から独立して１つの状態をとりえる物質の集合のことです。つまり、何らかの合金や化合物のことです。

そして「平衡状態」とは、物質の反応においてつり合いがとれ、それ以上変化しない状態のことを意味します。下の図のように、異なる物質どうしを混ぜて反応させたとき、反応しきった状態が平衡状態です。

つまりFeーC系平衡状態図は、次のことを示した図です。

FeーC系平衡状態図とは

⇒ 鉄と炭素の合金が、ある組成や温度のときにどのような状態で存在するかを示した図

鉄と炭素を混ぜ合わせると、鉄と炭素の合金となります。

このとき、合金がとろうとする物質的な状態は、合金の組成（＝炭素の濃度）や温度によって変わります。

ある組成や温度のときに合金がどのような状態をとるか、これを教えてくれるものが「FeーC系平衡状態図」となります。

なお、FeーC系平衡状態図では合金の状態を「相（そう）」という概念で見ます。

相（そう）とは？

相とは、化学的組成と物理的状態が均一な物質系の実体のことです。

英語では「フェーズ（Phase）」と言います。

相は基本的に「気相」、「液相」、「固相」の３つの形態に分類されます。

気相・・・気体の形をとる相
液相・・・液体の形をとる相
固相・・・固体の形をとる相

私たちが普段「液体」や「固体」と言っているものは、「物質の状態」を指します。

一方の相は「境界によってはっきりと区切られている物質そのもの」を指します。

例えば水と油を混ぜたものは、見た目の状態としては液体ですが、それぞれ分離しています。この液体中では「水の相」と「油の相」が存在することとなります。

また氷水の場合、氷の部分は「固相」で、水の部分は「液相」となります。氷水には組成が同じ２つの相が混在することとなります。

このように、相とは状態が物質的に均一な実体のことであり、合金の状態を知るときのカギとなっています。

鉄で起こる相転移

ある相が別の相に変わることを「相転移（そうてんい）」と言います。別名、「相変態（そうへんたい）」とも呼ばれます。

温度を変化させたときに鉄で起こる相転移について見ていきましょう。

鉄の融点は1536℃であるため、鉄を1536℃以上に加熱すると溶融し、液体となります。

液体となった鉄の温度を下げていくと鉄は固まっていき、鉄の相は液相から固相へと転移していきます。

固相に転移するとき、鉄の内部では自由に動き回っていた原子が規則的に配列し始め、いわゆる「結晶」を作ります。結晶の粒（結晶粒）が一つ一つ作られて固体の鉄となるため、鉄は結晶の集合体であると言えます。

さらに温度を下げていくと、1392℃と912℃でそれぞれ結晶構造の変化が起こります。このプロセスは、固相が別の固相に転移するプロセスとなります。

このように、溶融した鉄を冷やしていくと単に冷え固まるのではなく、相転移（結晶構造の変化）を繰り返しながら固まっていきます。

ここに炭素が溶け込んでいる場合、作られる相がちょっと複雑になります。どのような相を形成するかは本記事の後半で解説しますが、ともあれ、どのような相を作るかを教えてくれるものがFeーC系平衡状態図となります。

なお、FeーC系平衡状態図は、反応があくまでも平衡状態であるときの合金の状態を示しています。焼入れのように、反応が急速に行われた場合の状態は示していません。

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Fe－C系平衡状態図が重要な理由

ここまで、「FeーC系平衡状態図とは “鉄と炭素の合金の状態” を示したもの」と解説してきました。

鉄と炭素の合金とは、まさしく「鉄鋼材料」のことを指します。

FeーC系平衡状態図は、目的の材質をもつ鉄鋼材料を得たいときの道しるべとなるため、重要なアイテムとなっています。

鉄鋼材料とは？

鉄鋼材料と言えば、現代のものづくりにおいて欠かせない重要な材料です。

硬さがあることから工具の材料として、また強靭性があることから自動車、機械、構造物などの部材として、その他幅広い用途に使用されています。

金属製品の約90%は鉄鋼材料から作られているとも言われています。

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ここで驚くべきことを言うと、鉄そのものはまったく強度がありません。荷重が加わる場所に使おうものなら、すぐに折れ曲がってしまいます。

しかし、鉄に少量の炭素を加えることで鉄が硬くなり、強度が出ます。

炭素を加えすぎると逆に材料がもろくなりますが、適量の炭素を加えることで硬さや強度を調整したものが鉄鋼材料です。

鉄鋼材料の硬さや強度には、「相」や「結晶構造」が深く関係しています。

つまり、鉄鋼材料の材質を理解するには、どのような相や結晶構造が生じているかを見る必要があります。そのため、鉄鋼材料を扱う場面ではFeーC系平衡状態図を理解することが大切となっています。

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Fe－C系平衡状態図が使われる場面

では、具体的にどのような場面でFe－C系平衡状態図が使われているのでしょうか？

例えば、次のような工程においてFeーC系平衡状態図が活用されています。

鉄鋼材料の成分設計
鉄鋼材料の熱処理
鉄鋼材料の溶接

鉄鋼材料の成分設計では、材料エンジニアが目的とする材質に応じた成分設計を行います。

例えば、成形性（曲げやすさ）を重視したやわらかい相をもつ材料を作りたいとき、Fe－C系平衡状態図からその相をもつ組成を導くことができます。

鉄鋼材料の熱処理を行うときも、FeーC系平衡状態図がよく活用されています。

熱処理は「熱サイクルを与えることによって材質を変化させる処理」ですが、熱サイクルによって生じる相転移を利用して材質を変化させています。

鉄鋼材料の溶接も材料に熱が加わる処理となるため、溶接後に生じる相を検討するためにFeーC系平衡状態図が活用されています。

Fe－C系平衡状態図の読み方

FeーC系平衡状態図の読み方について見ていきましょう！

縦軸は「温度」、横軸は「炭素濃度（%）」を示しています。

そして線で囲まれた領域は「その合金が平衡状態でとりえる相の範囲」を示しています。

高温域側には液相の領域が存在し、低温域側には固相の領域がいくつか存在します。それらの中間部には、液相と固相が混在する領域も存在します。

液相の領域・・・融液（L）
固相の領域・・・フェライト（α）、デルタフェライト（δ）、オーステナイト（γ）、α＋γ、δ＋γ、α＋セメンタイト（Fe₃C）、γ＋Fe₃C
液相と固相が混在する領域・・・L＋δ、L＋γ

実際にこれを活用するときは、検討したい炭素濃度のところで縦線を引きます。そして縦線をたどり、温度ごとにどのような相が存在するかを見ます。

例えば炭素濃度が１％の融液を冷却させたとき、どのような相が現れるかを見てみましょう。

融液の温度が下がると「液相線」と呼ばれる線に到達し、液相の中から「オーステナイト」と呼ばれる固相が晶出（しょうしゅつ）し始めます。

晶出とは、液相から固相が生じる反応のこと

そこから温度が下がるにつれて固相の量は増えていき、「固相線」と呼ばれる線に到達すると、相は完全な固相（オーステナイト一相）となります。

さらに温度が下がると「A_cm線」と呼ばれる線に到達し、オーステナイトの固相の中に「セメンタイト」と呼ばれる固相が析出（せきしゅつ）します。そこから温度が下がるにつれ、セメンタイトの量は増えていきます。

析出とは、１つの固相から別の固相が生じる反応のこと

炭素濃度が0.77%以下の場合は、同じ温度域に「A₃線」と呼ばれる線が存在します。A₃線を通過した場合は、オーステナイトの固相から「フェライト」と呼ばれる固相が析出することとなります。

さらに727℃まで温度が下がると、「A₁線」と呼ばれる線に到達します。A₁線は共析（きょうせき）が生じる線であり、残っていたオーステナイトがフェライトとセメンタイトに変態します。

共析とは、１つの固相から２つ以上の固相が生じる反応のこと

A1線を通過したときに生じた相が、最終的に室温で現れる相となります。このとき炭素濃度が増えるにつれ、相の中に現れるフェライトの量は少なくなります。

なお、A₃線とA_cm線が交わる点のことを「共析点」と言います。

共析点は炭素濃度が0.77%の地点であるため、炭素濃度が0.77%の鋼は「共析鋼」と呼ばれます。炭素濃度が0.77%より低い鋼は「亜共析鋼」、0.77%より高い鋼は「過共析鋼」と呼ばれます。

FeーC系で見られる相の性質

先ほどの図の中で解説したように、FeーC系平衡状態図には多くの相が存在します。

それぞれ構造や性質が異なり、これが材料の機械的性質に影響を与えます。

それぞれの構造や性質を以下に解説します。

フェライト（α）

フェライトは、910℃以下の範囲に現れる鉄の固相です。記号では、α（アルファ）と書かれます。

結晶構造は体心立方構造（bcc）を取り、炭素をごく微量固溶できます。固溶できる最大炭素量は、727℃で0.02%となります。

フェライトは純鉄が室温で示す相でもあり、軟らかくて展延性があるのが特徴です。鋼の加工性を生むカギとなっています。

デルタフェライト（δ）

デルタフェライトは、1392～1536℃の範囲に現れる鉄の固相です。記号では、δ（デルタ）と書かれます。

結晶構造は、体心立方構造（bcc）を取ります。1494℃で最大0.1%の炭素を固溶できます。

デルタフェライトは高温域でのみ現れる相であり、室温では他の相に変態するため、鋼の材質に影響しません。

オーステナイト（γ）

オーステナイトは、710～1494℃の範囲に現れる鉄の固相です。記号では、γ（ガンマ）と書かれます。

結晶構造は面心立方構造（fcc）を取り、多くの炭素を固溶できます。固溶できる最大炭素量は、1147℃で2.14%となります。

オーステナイトは710℃以上で現れる相であり、室温では他の相に変態します。しかし、オーステナイト状態のときに固溶した炭素量が室温で現れる固相の性質に影響するため、オーステナイトは特に重要な固相となっています。

セメンタイト（Fe3C）

セメンタイトは、1147℃以下（炭素濃度が2.14%以下の鋼では727℃以下）で現れる金属化合物です。

セメンタイトは板状の結晶で、展延性がありません。硬く、もろい性質をしています。室温では、フェライトと共存してパーライト組織を形成します。

パーライト

パーライトは、727℃以下で現れる組織です。

非常に薄い板状のフェライトとセメンタイトが、交互に並んだ形態をとっています。

炭素濃度0.77%では、金属組織が全てパーライトとなります。

おわりに

本記事では、FeーC系平衡状態図の読み方について解説してきました。お分かりいただけましたか？

筆者は学生時代に受けた材料講座の中で、FeーC系平衡状態図の構成を細かく覚えさせられた記憶があります。

しかしこれがきっかけで金属材料を面白いと感じるようになり、金属材料の道を志すようになりました。

この記事を読んだ方の中にも、そのように感じてくれた方がいましたら嬉しい限りです。

なお、本記事だけではよく理解できなかったという方は、ぜひ専門書を読んで勉強されることをおすすめします。

おすすめの書籍を以下に紹介しておきます。

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【実務に役立つ】鉄鋼材料を学びたい人におすすめの本８選！

ひろ — Sun, 26 May 2024 03:32:49 +0000

「仕事で鉄鋼材料を扱うことになったけど、鉄鋼材料のことをよく知らない！」
「鉄鋼材料のことを勉強したい！」

そんなときは一度専門書を手に取り、自分自身で鉄鋼材料について学習してみることが大切です。

本記事では、鉄鋼材料について学べるおすすめの本を８冊紹介しています。どれも実務に役立つ内容の本ばかりです。おすすめポイントと、どんな人に向いているかもあわせて解説しています。

鉄鋼材料について学びたい方は、ぜひ参考になさってください！

こんな方に読んでいただきたい

鉄鋼材料に興味・関心がある方
鉄鋼材料に関する仕事をしているサラリーマン
鉄鋼材料について学びたい学生さん

鉄鋼材料について学べるおすすめの本８選！
おわりに

鉄鋼材料について学べるおすすめの本８選！

さっそく、鉄鋼材料について学べるおすすめの本を８冊紹介していきます！

① トコトンやさしい金属材料の本

難しい内容が苦手な人におすすめの本はこれ！

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金属材料についてやさしく解説している。
マンガを読むような感覚で読める。
金属材料の基本から応用まで、幅広く学べる。

本書はタイトル通り、金属材料についてトコトンやさしく書かれている本です。金属材料に馴染みのない一般の方でも、理解しやすい内容になっています。

本書を読むと、「金属とは何か？」、「金属材料の種類」といった金属材料の基本を学ぶことができます。もちろん、鉄鋼材料のことも学べます。また、試験方法、加工プロセス、表面処理プロセスといった、金属材料の製造に欠かせない知識も学べます。

本書は、金属材料の知識があまりないという方、学生さん、文系の方におすすめの１冊です。金属材料製造の入門書としても最適です！

② トコトンやさしい機械材料の本

機械系の人におすすめの本はこれ！

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おすすめポイント

機械材料についてやさしく解説している。
実用的な機械材料を学べる。
最新の材料技術を学べる。

本書は、先ほど紹介した「トコトンやさしい金属材料の本」と同じシリーズの本です。機械材料のことがやさしく書かれています。

機械材料とは、機械の製作に用いられる材料のことです。本書を読むと、実用的な機械材料の種類や性質を学ぶことができます。機械材料の改質方法や破壊現象といった、より実践的な内容も書かれているため、機械系の人が知っておきたい材料の知識が散りばめられています。

本書は「３Dプリンタ用材料」や「マテリアルズ・インフォマティクス」といった最新の材料技術についても触れており、読みごたえがあります。機械系の人が初めて材料を学ぶときにおすすめの１冊です！

③ 元素から見た鉄鋼材料と切削の基礎知識

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元素の基礎知識を学べる。
鉄鋼材料と切削加工の基本を学べる。
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本書は、鉄鋼材料と切削加工の基礎知識についてまとめられている本です。

本のタイトルにあるように、本書は鉄鋼材料の基本要素である「元素」を切り口として鉄鋼材料のことを解説しています。鉄の性質、熱処理、鍛造、鋳造、切削加工の基本について学ぶことができます。一見、科学的な内容の本のように思えますが、書かれていることはどれも工業の現場で役立つ実務的な内容ばかりです。

本書はオールカラーの図解入りで解説しているため、文系の方でも理解しやすいようになっています。工業に関わっている方におすすめの１冊です！

④ めっちゃ使える！設計目線で見る「機械材料の基礎知識」

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機械設計者の目線で書かれている。
機械設計に必要な機械材料の知識を学べる。
適切に材料選択を行うポイントがわかる。

本書は、機械設計者をターゲットにして書かれた機械材料の本です。

機械設計において、材料は必要な機能を実現する手段の一つです。本書は、機械設計者が効率的かつ適切に材料選択できるよう、鉄鋼、非鉄金属、プラスチック、セラミックス、複合材料といった様々な機械材料の基礎知識が書かれています。機械設計者であれば知っておきたい熱処理やめっきについても学ぶことができます。

本書は４名の技術士によって監修、執筆されているため、内容の信頼性も高いです。機械設計の実力をアップさせたい方におすすめの１冊です！

⑤ 機械構造用鋼・工具鋼大全

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鉄鋼材料の基礎知識がわかる。
機械構造用鋼と工具鋼の材料特性がわかる。
熱処理、表面処理、機械加工、溶接のことも書かれている。

機械構造用鋼と工具鋼は、構造材料として最も多く使われる鉄鋼材料です。本書は、そんな機械構造用鋼と工具鋼についてまとめられた本です。

本書は、現場で目にすることの多い各種機械構造用鋼・工具鋼の用途や材料特性について書かれています。そもそもこれらの材料のことがわからない人のために、鉄鋼材料の基礎知識についてもちゃんと書かれています。鉄鋼材料を扱う上で欠かせない熱処理、表面処理、機械加工、溶接のことも書かれています。

というわけで、本書は実用的な鉄鋼材料の知識を網羅した内容になっています。ぜひ機械系技術者が手元に持っておきたい１冊です！

⑥ ステンレス鋼大全

ステンレス鋼について理解を深めたい人におすすめの本はこれ！

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入門・金属材料の組織と性質: 機械・材料系技術者、大学生のためのやさしいテキスト材料を生かす熱処理と組織制御

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ステンレス鋼の種類、用途がわかる。
ステンレス鋼の金属組織、材料特性がわかる。
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ステンレス鋼は、耐食性をはじめとした普通鋼にはない様々な特性を持っています。本書は、そんなステンレス鋼についてまとめられた本です。ステンレス鋼の製法、種類、金属組織、材料特性、加工方法、試験方法、トラブル事例など、専門的なことが詳しく書かれています。

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⑦ 入門・金属材料の組織と性質

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知られざる鉄の科学　人類とともに時代を創った鉄のすべてを解き明かす (サイエンス・アイ新書)

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金属材料の各種特性は、組織で決まります。本書は、金属材料の組織がどのようにして作られるか、その組織がどのような性質をもたらすかなどが書かれた本です。

本書を読むと、組織と強さ、摩耗特性、耐熱性、耐酸化性、耐食性、被加工性などの各種特性との関わりを学ぶことができます。かなり専門的な内容になっているため、材料初心者の方には読みづらいかもしれません。

金属材料の特性について理解を深めたいと考えている機械・材料系の学生さんや、材料系技術者の方におすすめの１冊です！

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鉄は、私たちの社会をあらゆる場面で支えている存在です。人類は鉄とともに時代を創ってきました。本書は、そんな鉄のすべてを解き明かした本です。

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これほどまでに鉄の魅力について語りつくした本は他になく、読み終えたときには思わず鉄に敬意を払いたくなること間違いなしです。理系の人もそうでない人も、全ての人に読んでもらいたい１冊です！

おわりに

鉄鋼材料について学べるおすすめの本を８冊紹介してきました！

ここで紹介した本を１度読んだだけでは、鉄鋼材料の知識はなかなか頭に入らないと思います。その知識が必要となる場面ごとに本を読み返すことで、覚えられるようになります。そのため、自分の仕事内容や実力に合った本を１冊以上持っておくとよいです。

最後に、鉄鋼材料はものづくりにおいて欠かせない材料です。鉄鋼材料を学び、楽しくものづくりを行っていきましょう！

【ステンレス鋼とは？】種類と材質をわかりやすく解説！

ひろ — Sat, 06 Apr 2024 13:25:06 +0000

ステンレス鋼は普通の鋼と違い、高い耐食性をもつ鋼です。

耐食性とは「腐食のしにくさ」のことですが、ステンレス鋼はその耐食性の高さから多くの部品に使用され、機械や構造物の耐久性向上に役立っています。

しかしステンレス鋼は種類が多く、それぞれ材質も異なるため、扱うときに悩む人が多いのではないでしょうか。

本記事では、ステンレス鋼の種類と材質についてわかりやすく解説しています。ステンレス鋼がさびない理由や使用上の注意点などが分かりますので、ぜひ最後までご覧ください！

この記事を読んで分かること

ステンレス鋼が腐食しない理由
ステンレス鋼の種類とそれぞれの材料特性
ステンレス鋼の弱点

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炭素鋼と合金鋼の違いとは？使いわけかたを詳しく解説！

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ステンレス鋼とは？
1. 鋼とは？
ステンレス鋼の特徴
ステンレス鋼の種類
ステンレス鋼の弱点
おわりに

ステンレス鋼とは？

ステンレス鋼の代表製品（スプーン、フォーク、ナイフ）

ステンレス鋼とは、どのような金属のことなのでしょうか。

日本産業規格（JIS）では、ステンレス鋼について次のように定義しています。

ステンレス鋼の定義：

クロム含有率を10.5%以上、炭素含有率を1.2%以下とし、耐食性を向上させた合金鋼

出所：鉄鋼用語（製品及び品質）｜JIS G 0203：2009

このように、ステンレス鋼は成分的に見ると、10.5%以上のクロム（Cr）を含有し、なおかつ炭素（C）の含有率を1.2%以下に抑えた鋼となります。

鋼とは？

ここで一旦、鋼についておさらいしておきましょう。

鋼とは、鉄と炭素の合金のことです。鉄は炭素を含むと硬くなる性質があるため、炭素を加えることによって鉄を強化したものが鋼です。

一般的な鋼は「炭素鋼」とも呼ばれ、炭素の含有率が高いほど、硬くて高強度な材料となります。通常、炭素は0.02%から2.1%の範囲内で加えられます。

この鋼に対し、さらに他の合金元素が加えられると、より鋼の性質がアップします。そのような鋼は「合金鋼」と呼ばれます。

炭素鋼・・・一般的な鋼のこと。炭素含有率が高いほど強度が高い。
合金鋼・・・合金元素を含有している鋼のこと。炭素鋼にはない性質をもつ。

例えば、SCM440に代表される機械構造用合金鋼は、クロム（Cr）やモリブデン（Mo）などの合金元素を含有させることで強靭性をアップさせた合金鋼です。

電磁鋼板と呼ばれる合金鋼は、合金元素としてケイ素（Si）を含有させることで優れた磁気特性を持たせた合金鋼です。

このように、合金鋼は普通の鋼（炭素鋼）にはない材料特性があります。ステンレス鋼もそんな合金鋼の一種であり、クロムを多めに加えたことで耐食性を向上させた材料です。耐食性については次に詳しく解説します。

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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...

ステンレス鋼の特徴

ここでは、ステンレス鋼がもつ特徴について解説していきます。

ステンレス鋼の最大の特徴は、高い耐食性を有することです。

先ほど、ステンレス鋼の定義の中でも出てきましたが、ステンレス鋼は「耐食性を向上させた合金鋼」です。この耐食性の高さこそがステンレス鋼の最大の特徴であり、この材料の魅力でもあります。

ここで耐食性とは、「腐食しにくい性質」のことです。「腐食」とは、金属の表面が酸化、もしくは化学的に溶けることによって失われていく現象のことを言います。

例えば、鉄（鋼）でできた釘やボルトなどを外に放置していたら、赤茶色に錆（さび）ていた、という経験をされたことはありませんか？このような錆も、腐食によって発生する現象です。

鉄は、一般的に腐食が起こりやすい金属です。そのため、炭素鋼のような普通の鋼は何も対策していないと、どんどん腐食が進みます。腐食した鋼は見た目が悪いだけでなく、強度の低下や破壊などをもたらします。

しかし、ステンレス鋼はそんな腐食が起こりづらい性質を持ちます。外に長期間放置していてもさびず、ピカピカの状態を保ちます。

ちなみに、ステンレス鋼は英語で「Stainless Steel」と書きます。「Stainless」には「さびない」という意味があり、ステンレス鋼という名前はさびないことが由来となっていることが分かります。

腐食が発生するメカニズム

ここでは、金属で腐食が発生するメカニズムについて解説します。

腐食は、金属元素が電子を失ってイオン化し、酸素や水と反応して酸化している状態のことを指します。

金属の表面に酸素（O₂）と水（H₂O）が存在すると、それらと金属との間で電位差が生じ、金属元素が電子を放出します。電子を放出した金属元素はイオン化し、水に溶け出すことで酸素と結合し、酸化が起こります。

酸化した部分はもろいため破壊し、金属が失われていきます。これが腐食の発生メカニズムです。

つまり、金属の表面に酸素と水があると、腐食が起こります。水は大気中にも存在するため、鋼は大気中に置かれるだけで腐食が起こります。そのため、外で長年放置された鋼製の釘やボルトは赤茶色にさびています。

鋼が塩化物イオン（Cl^–）に晒された場合、腐食のスピードが早まります。塩化物イオンは海水に含まれるため、何も対策していない鋼を海水で使用することはできません。

ステンレス鋼の耐食性が高い理由

では、ステンレス鋼はなぜ腐食が起こりづらいのでしょうか。

ステンレス鋼が腐食しづらい理由は、クロムによって作られる酸化皮膜が腐食を防いでいるためです。

ステンレス鋼は、鋼中にクロムを10.5%以上含有しています。このクロムにより、鋼の表面にクロム酸化皮膜が形成されます。この酸化皮膜を「不動態（ふどうたい）皮膜」と言います。

不動態皮膜は1～3nm（ナノメートル）程度の薄さで、ステンレス鋼全体が薄いフィルムでコーティングされたような状態になっています。この不動態皮膜が鋼中への水や酸素の侵入を防ぎ、腐食を防いでいます。

これがステンレス鋼の耐食性が高い理由ですが、高い耐食性を発揮させるため、ステンレス鋼には「固溶化処理」が施されています。

固溶化処理とは？

固溶化処理とは、析出物を金属の基地中に溶け込ませるための熱処理のことです。

ステンレス鋼の固溶化処理では、合金元素が固溶する温度（1050℃など）に加熱し、水などで急冷する操作が行われます。

固溶化処理されていないステンレス鋼では、主にクロム炭化物などの析出物が結晶粒界中に析出します。クロム炭化物は、鋼中のクロムと炭素が結合したものです。

クロム炭化物が析出すると、クロム濃度が低い領域である「クロム欠乏層」ができます。ステンレス鋼が耐食性を発揮するためにはクロム濃度を10.5%以上とする必要があるため、クロム欠乏層があると耐食性が落ちてしまいます。

そのため、ステンレス鋼ではこのような有害な析出物が生成しないよう、固溶化処理が行われます。炭素の含有率も耐食性と関係があり、炭素の含有率が低いステンレス鋼ほど耐食性が高くなります。

それ以外の特徴

ステンレス鋼は優れた耐食性を有するだけでなく、優れた耐熱性も有しています。

耐熱性とは、熱に対する強さのことです。

普通の鋼は熱に弱く、500℃などの高温環境に晒されると著しく強度が低下し、高温酸化や高温腐食なども起こります。そのため、高温になるような場所で使用することができません。

一方のステンレス鋼は耐熱性を有しており、特に、のちほど紹介する「オーステナイト系ステンレス鋼」は500℃を超える高温環境下でも強度が低下しづらい性質があります。

高温酸化や高温腐食も起こりにくいため、ステンレス鋼は高温になる場所でも使用することができます。

ステンレス鋼の種類

ステンレス鋼は、組成や組織の違いなどによってたくさんの種類が存在します。

主要なステンレス鋼の規格であるJIS G 4304（規格名称：熱間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯）には、約60種類ものステンレス鋼が規定されています。そんな数が多いステンレス鋼も、大きく次の５つに分類することができます。

フェライト系ステンレス鋼
オーステナイト系ステンレス鋼
マルテンサイト系ステンレス鋼
オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼
析出硬化系ステンレス鋼

この５つ分類は「ステンレス鋼に現れる主要組織の違い」をもとにして分類したもので、基本的なステンレス鋼の分類となります。

ここで組織とは、材料内の相や結晶構造の状態によって現れる結晶様式のことです。ステンレス鋼ではフェライト、オーステナイト、マルテンサイトの３つの組織が出現します。

以下で詳しく見ていきましょう。

① フェライト系ステンレス鋼

フェライト系ステンレス鋼は、常温でフェライト組織を示すステンレス鋼です。

他のステンレス鋼はクロム以外の合金元素を含有しているのに対し、フェライト系ステンレス鋼はクロムを主成分としています。18%Crが基本的な組成となっています。

フェライト系ステンレス鋼の特徴は、安価でありながら高い耐食性を示すことです。

クロム以外の合金元素を含有していない分、他のステンレス鋼よりも安価となっています。耐食性については、オーステナイト系ステンレス鋼に劣りますが、比較的良好な耐食性を示します。

「SUS430」は、代表的なフェライト系ステンレス鋼として知られています。本鋼種は一般的な耐食用部材として使用されており、特に厨房機器に広く使用されています。

その他、自動車の排気系部品や家電機器にもフェライト系ステンレス鋼が活用されています。

② オーステナイト系ステンレス鋼

オーステナイト系ステンレス鋼は、常温でオーステナイト組織を示すステンレス鋼です。

クロムとニッケルを主成分としたステンレス鋼であり、18%Cr－8%Niがオーステナイト系ステンレス鋼の基本的な組成となっています。

オーステナイト系ステンレス鋼の特徴は、耐食性よし、耐熱性よし、機械的性質よしのオールマイティな材料特性をもつことです。そのため、ステンレス鋼の中ではもっとも使用されている鋼種になります。

オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性は、ステンレス鋼の中では高い部類にあります。一方で、塩化物イオンがある環境で荷重を受けているときは、応力腐食割れの発生に注意する必要があります。

機械的性質面ではほどよい強度があり、高温強度にも優れています。そのため、高温部材への使用にも適しています。また、延性があって成形性に優れるため、プレス加工用の部材にも向いています。

「SUS304」は、代表的なオーステナイト系ステンレス鋼として知られています。フォークやスプーンなどの食器をはじめ、食品貯蔵設備、建築用品、医療用品、機械部品など、幅広い用途に使用されています。

「SUS316」も、SUS304と同様に有名なオーステナイト系ステンレス鋼です。SUS316はモリブデンを含有しており、SUS304よりも耐食性が優れますが、SUS304よりも高価となっています。

③ マルテンサイト系ステンレス鋼

マルテンサイト系ステンレス鋼は、常温でマルテンサイト組織を示すステンレス鋼です。

主成分はクロムのみで、13%Crがこの鋼種の基本的な組成となっています。ただし、他のステンレス鋼よりも多くの炭素を含有しています。

マルテンサイト系ステンレス鋼の特徴は、高い強度と耐摩耗性をもつことです。

本鋼種の組織は、焼入れによって硬いマルテンサイト組織となっています。そのため、フェライト系やオーステナイト系と比べて強度と耐摩耗性が優れています。耐食性については、ステンレス鋼の中でもっとも低い鋼種となります。

「SUS410」は、代表的なマルテンサイト系ステンレス鋼として知られています。包丁やナイフなどの刃物には、マルテンサイト系ステンレス鋼がよく使用されています。

その他、シャフトや軸受などの機械構造用部品にも使用されています。

④ オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼

オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼は、常温でオーステナイトとフェライトが混在する組織をもつステンレス鋼です。組織内に２つの相をもつことから、別名「二相系ステンレス鋼」とも呼ばれています。

本鋼種のクロム含有率は高く、25%程度あります。その他にニッケル、モリブデン、窒素を含有しており、ステンレス鋼の中では特に高合金の組成となっています。

オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼の特徴は、塩化物イオン環境下でも優れた耐食性を示すことです。

耐食性を表す指標の１つである「耐孔食指数（PERN）」が一般的なオーステナイト系よりも高いため、塩化物イオンが存在する環境でも腐食を起こしにくい特性をもちます。また、オーステナイト系の弱点である応力腐食割れへの耐性も高いというメリットがありまです。

一方、合金元素の含有量が多いことから材料費は高価であり、本鋼種の利用はまだまだ進んでいません。

「SUS329J4L」は、代表的なオーステナイト・フェライト系ステンレス鋼として知られています。海水が当たる油井や橋梁などの部材に活用されています。

⑤ 析出硬化系ステンレス鋼

析出硬化系ステンレス鋼は、組織内に金属間化合物を析出させて硬い組織としたステンレス鋼です。

本鋼種はニッケルとクロムを基本的な組成とし、鋼種に応じて銅、アルミニウム、ニオブなどが添加されています。

析出硬化系ステンレス鋼の特徴は、耐食性を落とさずに強度に優れることです。

析出硬化系ステンレス鋼は、アルミニウムや銅などの金属間化合物が基地中に微細析出しているため、非常に硬い金属組織となっています。同じように高硬度材であるマルテンサイト系ステンレス鋼は耐食性が低い欠点がありましたが、析出硬化系ステンレス鋼はこれを克服しています。

「SUS630」は、代表的な析出硬化系ステンレス鋼として知られています。シャフト類やタービン部品などに使用されています。

ステンレス鋼の弱点

ステンレス鋼は高い耐食性を有するとは言え、その特性は万能ではありません。一定の条件が揃うと腐食を起こすことがあるため、注意が必要です。

ステンレス鋼にはいくつかの腐食形態がありますが、代表的な腐食形態を次に示します。

ステンレス鋼で起こる代表的な腐食形態

全面腐食
孔食
すきま腐食
応力腐食割れ

「全面腐食」は、金属の表面が全面的に腐食される形態の腐食現象です。塩酸や希硫酸などの化学薬品に晒されたときに起こります。

「孔食」と「すき間腐食」は、塩化物イオンなどのハロゲンイオンを含む環境下で起こる腐食現象です。ハロゲンイオンによって不動体被膜が局部的に破壊され、その部分が優先的に腐食されることで進行します。局部的に腐食が起こることから、前述の全面腐食に対して「局部腐食」と呼ばれます。海水には塩化物イオンが多く含まれているため、海水は局部腐食を起こしやすくさせます。

「応力腐食割れ」は、オーステナイト系ステンレス鋼で起こりやすい腐食現象です。環境中に塩化物イオンなどが存在する条件と、材料に引張応力が作用する条件が複合したときに起こります。

いずれの腐食現象も一定の条件や環境下で発生する腐食現象であり、ステンレス鋼を使用するときは、腐食が発生し得る要因を調査した上で使用することが大切です。

おわりに

本記事では、ステンレス鋼について解説してきました。

たくさんのことを述べてきましたが、本記事で述べたことはステンレス鋼に関する初歩的な部分です。ステンレス鋼は奥が深いため、もっと実践的なことを知りたい方は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紹介しますので、ぜひ手に取って読んでみてください！

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炭素鋼と合金鋼の違いとは？使いわけかたを詳しく解説！

ひろ — Sat, 30 Mar 2024 13:11:05 +0000

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！

この記事を読んで分かること

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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鋼の中に含まれている元素とは？鋼の化学成分を詳しく解説！

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鋼の基礎知識
1. 鋼とは？
2. 鋼の成分
炭素鋼と合金鋼の違い
炭素鋼の特徴
1. 代表的な炭素鋼「S45C」
2. その他の炭素鋼
合金鋼の特徴
炭素鋼と合金鋼の比較
鉄鋼材料の選定基準
おわりに

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。

鋼の主要５元素

炭素・・・別名、カーボンとも呼ばれる。元素記号は「C」
ケイ素・・・別名、シリコンとも呼ばれる。元素記号は「Si」
マンガン・・・元素記号は「Mn」
リン・・・元素記号は「P」
硫黄・・・別名、サルファとも呼ばれる。元素記号は「S」

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。

炭素鋼は、合金元素が入っていない。
合金鋼は、合金元素が入っている。

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

注：その他の元素とは、S、P、C、N以外の元素のこと。（出所：鉄鋼用語（製品及び品質）／JIS G 0203）

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。

低炭素量のものほどやわらかく、部品加工用の材料に向いている。
高炭素量のものほど硬く、部品を高強度化できる。

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

S45Cの機械的性質参考値（※あくまで参考値であり、すべての材料についてこの機械的性質が保証されているわけではありません。）

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↓↓

【鉄鋼材料】熱処理の基礎をわかりやすく解説！

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。

強度特性・・・焼入れ性、高張力、強靭性、耐疲労特性など
耐環境特性・・・・耐食性、耐候性、耐熱性、耐低温特性など
加工特性・・・被削性など
その他・・・磁気特性、摩擦特性、熱膨張特性、減衰特性など

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↓↓

ステンレス鋼は普通の鋼と違い、高い耐食性をもつ鋼です。耐食性とは「腐食のしにくさ」のことですが、ステンレス鋼はその耐食性の高さから多くの部品に使用され、機械や構造物の耐久性向上に役立っています。しかしステンレス鋼は種類が多く、それぞれ材質も異なるため、扱うときに悩む人が多いのではないでしょうか。本記...

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。

鋼種の選定基準

基本的には、炭素鋼を選択
炭素鋼では強度が不足する場合は、合金鋼を選択
特殊な環境下で使用する場合は、合金鋼一択

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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【鉄鋼材料】熱処理の基礎をわかりやすく解説！

ひろ — Sun, 10 Mar 2024 02:36:05 +0000

熱処理は、材料の性質を改善するために行うプロセスです。熱処理にはたくさんの種類があり、目的に応じて使い分けられています。

熱処理にはどのような方法があるのか、また、どのような効果が得られるのかを知りたいと思っていませんか？

本記事では主要な熱処理方法について、その概要や得られる効果などについてわかりやすく解説しています。

機械構造物の設計や製造などで「熱処理の知識が必要になった」という方などに読んでいただきたいです。ターゲットとしている材料は、鉄鋼材料です。

この記事を読んでわかること

熱処理の目的
熱処理の種類
各種熱処理で得られる効果

ひろ" class="speech-icon-image"/>

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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【機械設計者・加工者必見】鉄鋼材料の基礎知識を解説！

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熱処理とは？
1. 相変態とは？
熱処理で得られる効果
熱処理の仕方
熱処理の種類
特殊な熱処理
1. ① 固溶化熱処理
2. ② 析出硬化処理
おわりに

熱処理とは？

熱処理とは、材料に加熱と冷却の熱サイクルを与え、材料の性質を変化させるプロセスのことです。

具体的には、材料に対して次の一連の操作を行います。

①加熱操作・・・材料を加熱して赤らめる
　　↓
②均熱操作・・・一定の温度で一定の時間保持し、材料全体に熱を行きわたらせる
　　↓
③冷却操作・・・材料を冷やす

加熱操作では、熱処理炉を用いて材料を加熱し、材料の温度を上げていきます。加熱温度は、熱処理の種類によって異なります。

熱処理炉内の温度が目的の温度に達したら、材料全体が均一な温度になるまでそのまま保持します。材料を一定の加熱温度で保持することを「均熱」と言います。

材料が均熱されたら、水や油などの冷却媒体を用いて材料を冷却します。

熱処理では、このようにして材料に加熱と冷却の熱サイクルを与えます。一見、単純そうに見えるプロセスですが、材料の内部では相変態（そうへんたい）が起こり、これによって材料の性質が変化します。

相変態とは？

「相変態」とは、温度や圧力によって相が異なる相に変化することです。「相転移」とも言います。

相とは？
相とは、その物質がとる化学的な実体のことです。金属は常温で「固相」の状態をとりますが、加熱することで「液相」や「気相」に変化します。このように、物質に温度や圧力が与えられて相が変化することを「相変態」と言います。

鉄鋼材料は結晶の集合体であり、温度によって結晶構造が変化して異なる相に変態します。どの温度でどのような相を形成するかは、Fe－C系平衡状態図で確認することができます。

Fe-C系平衡状態図（出展：熱処理技術入門）

S45Cなどの亜共析鋼（炭素含有率が約0.77%以下の鉄合金）は、約900℃の高温域ではオーステナイトと呼ばれる相を形成します。オーステナイトは「面心立方構造（fcc）」と呼ばれる結晶構造をもち、多くの炭素を固溶することができます。

オーステナイト化した亜共析鋼を冷やしていくと、変態点と呼ばれる温度で相変態を起こします。このとき、材料を冷やす速度によって、形成される相が異なります。

ゆっくり冷やしたとき

オーステナイト化した亜共析鋼をゆっくり冷やしていくと、フェライトとセメンタイトの２つの相が形成されます。

フェライトは「体心立方構造（bcc）」と呼ばれる結晶構造をもち、炭素をあまり固溶できない相です。性質は純鉄に近く、やわらかくて延性があります。

セメンタイトは鉄と炭素が結合し、Fe₃Cの状態をとる相です。セメンタイトはセメントのように硬く、もろい性質があります。

セメンタイトはフェライトと交互に折り重なり、１つの組織となります。この組織をパーライト組織と言います。

結果として、オーステナイト域からゆっくり冷やした亜共析鋼の組織は、フェライトだけの部分とパーライト化した部分が混在する組織となります。硬い相とやわらかい相が混ざっているため、鉄鋼材料としては比較的低強度な材料となります。

素早く冷やしたとき

オーステナイト化した亜共析鋼を素早く冷やしていくと、マルテンサイトが形成されます。

マルテンサイトはbccの結晶構造をもち、非常に硬くてもろい相です。マルテンサイトは平衡状態図上には存在しない相で、鉄鋼材料をオーステナイト域から急冷させたときのみに現れる相です。

焼入れと呼ばれる熱処理は材料の組織をマルテンサイトとする熱処理方法で、これによって高強度な材料が得られます。

このように、熱処理では加熱条件と冷却条件を制御して材料を相変態させ、所望の性質の材料を得ることができます。

熱処理で得られる効果

熱処理では、熱処理条件によってさまざまな効果を得ることが可能です。

熱処理によって得られる効果は、次の通りです。

材料の硬さや引張強さを高める（機械的性質の向上）
材料を加工しやすくする（加工性の向上）
材料内部のひずみや応力を除去する（健全性の向上）
材料の耐食性をよくする（化学的性質の向上）

熱処理による機械的性質の向上は、もっとも利用価値の高い熱処理効果と言えます。熱処理方法としては、「焼入れ」が代表的な熱処理方法です。

一方、硬すぎる材料は加工しづらいことがあります。この場合は、材料をやわらかくする熱処理が行われます。熱処理方法としては「焼なまし」が代表的な熱処理方法です。

熱処理では、機械的性質を向上させるだけでなく、耐食性などの化学的性質面を向上させることも可能となります。その代表的な熱処理方法は「固溶化熱処理」です。

固溶化熱処理は、ステンレス鋼の製造において欠かせない熱処理方法となっています。

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熱処理の仕方

材料の加熱には「熱処理炉」が使用されます。熱処理炉には石油またはガスによる燃焼加熱式のものや、電気加熱式のものがあります。

熱処理炉内は大気中の雰囲気であることが一般的ですが、目的に応じて真空引きされ、真空熱処理が行われます。本記事内では紹介しませんが、表面硬化処理と呼ばれる熱処理では浸炭または窒化用のガスが使用されます。

材料の冷却には大気、水、油などの冷却媒体が使用されます。以下のように、使用する冷却媒体によって冷却方法の呼び名が決まっています。

熱処理の冷却方法

水冷・・・水に浸漬して冷やす方法。材料を急速に冷却できる。
油冷・・・油に浸漬して冷やす方法。材料を比較的ゆるやかに冷却できる。
空冷・・・大気中で冷やす方法。材料をゆるやかに冷却できる。
炉冷・・・熱処理炉の中でゆっくり冷やす方法。冷却速度はすべての冷却方法の中でもっとも遅い。
噴射冷却・・・水を噴射して冷やす方法。
噴霧冷却・・・霧状の水をかけて冷やす方法。
衝風冷却 ・・・強い風を当てて冷やす方法。

熱処理では、冷却速度が材料の性質を決めるカギとなります。使用する冷却媒体によって材料が冷える速度が変わるため、目的に応じて適切な冷却方法が適用されます。

熱処理の種類

ここでは、鉄鋼材料に対して行われている一般的な４つの熱処理について、その目的や操作などを解説します。

焼入れ
焼戻し
焼ならし
焼なまし

① 焼入れ

目的：材料の組織をマルテンサイトにして材料を硬化させる。

操作：材料をオーステナイト化温度で均熱し、急冷する。

焼入れは、鉄鋼材料を硬化させるために行われる代表的な熱処理です。焼入れの英語名が「Quenching（クエンチング）」であるため、「クエンチ」とも呼ばれます。

操作としては、材料を900℃程度に加熱して組織をオーステナイト化させ、その後室温まで一気に急冷させます。冷却の媒体は、主に水や油が使用されます。

焼入れ後の材料の組織は、マルテンサイト組織となります。マルテンサイトは非常に硬い組織であるため、材料は硬い材料となります。材料の硬化にともない、引張り強さや耐力も向上します。

ただし、焼入れされた鉄鋼材料は非常にもろく、靭性がありません。そこで、靭性を向上させるため、焼入れ後には焼戻しがセットで行われます。

焼入れは、一定量の炭素を含有した鉄鋼材料のみで効果があります。SS材、SPH材、SPC材のように、炭素含有率が低い鉄鋼材料では焼入れの効果がありません。

② 焼戻し

目的：焼入れによって硬化した材料をやわらかくし、材料に靭性を与える。

操作：材料をオーステナイト化温度以下で均熱し、炉冷または空冷によって徐冷する。

一般的に、焼戻しは焼入れに続いて行われます。焼戻しの英語名が「Tempering（テンパリング）」であるため、「テンパー」とも呼ばれます。

焼入れされた鋼はマルテンサイト組織を形成しているため、硬く、脆い状態です。そこで、硬くなった鋼をやわらかくして靭性を与える目的で焼戻しが行われます。

焼戻しの方法には、「低温焼戻し」と「高温焼戻し」があります。

低温焼戻し・・・150～250℃程度で行う焼戻しのこと。硬さをあまり低下させずに、内部応力を低下させることができる。主に工具鋼に適用される。
高温焼戻し・・・500～680℃程度で行う焼戻しのこと。硬さ、引張強さは低下するが、靭性が向上する。主に機械構造用鋼に適用される。

なお、焼入れと焼戻しの操作を一連で行う熱処理のことを「調質」と言います。調質は「QT」と称されることがあります。

③ 焼ならし

目的：熱間加工によって不均一になった組織をととのえる。

操作：材料をオーステナイト化温度で均熱し、空冷する。

焼ならしは英語名が「Normalizing（ノルマライジング）」であるため、「ノルマル」とも呼ばれます。Normalizingには「標準」の意味があり、この熱処理は鋼を標準な状態にすることに由来しています。

一般的に、焼ならしは熱間圧延や熱間鍛造などの熱間加工後に行われます。

熱間加工を受けたあとの材料の内部は、ひずみの分布が不均一な状態となっています。そのため、組織がいびつで、未変態の組織や粗大化した結晶粒などが存在します。また、材料は硬い状態にあり、切削加工しづらい材料となっています。

焼ならしを行うと結晶粒が微細化し、きれいにととのった組織となります。同時に内部の残留応力が低減され、やわらかさも生じ、切削加工が容易になります。

また、後工程の熱処理で安定な組織を得られるという効果もあります。浸炭熱処理や軟窒化処理の前に焼ならしを行うことで、品質のよい材料が得られます。

④ 焼なまし

焼なましは、所定の温度で材料を均熱したのち、決められた温度で冷却する熱処理方法です。英語名である「Annealing」から「アニール」とも呼ばれます。

焼なましは、加熱条件や得られる効果によって多くの種類があり、目的によって使い分けられます。

以下は、焼なましの種類とその概要です。

完全焼なまし・・・オーステナイト化温度で均熱し、行う焼なまし
応力除去焼なまし・・・内部応力を低減するために適切な温度で均熱し、徐冷する熱処理
低温焼なまし・・・残留応力の低減または軟化を目的として、変態点以下で行う焼なまし
拡散焼なまし・・・偏析による成分の不均一性を、拡散によって低減させることを意図した高温の長時間焼なまし
球状化焼なまし・・・析出した炭化物を安定な球状にする熱処理
等温焼なまし・・・オーステナイト化後冷却し、変態が完結するような温度で均熱することで冷却を中断する焼なまし

このうち、代表的な焼なましである「完全焼なまし」、「拡散焼なまし」、「球状化焼なまし」について詳しく解説します。

a. 完全焼なまし

目的：熱間加工によって生じた材料内部の応力を除去し、加工性を向上させる。

操作：材料をオーステナイト化温度以上で均熱し、徐冷する。

完全焼なましは、主に熱間圧延や熱間鍛造などの熱間加工後に行われる熱処理です。

熱間加工を受けた材料は、内部応力やひずみが生じています。材料は硬く、加工しづらい状態となっています。

完全焼なましを行うと、内部応力やひずみが除去され、鋼をやわらかくすることができます。これによって切削加工性や冷間加工性が向上し、部品加工が容易になります。

完全焼なましは、結晶粒を微細化させる効果もあります。

b. 拡散焼なまし

目的：材料内で合金元素が均一に分布した材料を得る。

操作：材料を固相線直下の高温域（1200～1250℃）で長時間均熱する。

拡散焼なましは、別名「ソーキング」と呼ばれます。主に合金元素が多く添加されている鉄鋼材料に対して行われる熱処理です。

合金元素が多く添加されている鉄鋼材料は、内部に偏析を生じています。偏析とは、合金元素が不均一に分布し、場所によって成分の濃淡が生じている状態のことです。鋳造工程において、インゴット内の場所によって凝固スピードが異なることで偏析が生じます。

拡散焼なましを行うと合金元素の拡散が生じ、偏析が解消されます。合金元素が均一に分布し、材料内で成分の濃淡がなくなるため、良好な品質の材料が得られます。

c. 球状化焼なまし

目的：基地中に球状化炭化物が分散した組織を作り、材料を軟化させる。

操作：オーステナイトとセメンタイトが共存する温度域で材料を均熱し、徐冷する。

球状化焼なましは、主に高炭素鋼に対して行われる熱処理です。鋼種としては軸受鋼や工具鋼などが該当します。

通常、高炭素鋼は熱間加工後、パーライトが主体の組織になります。材料は非常に硬く、切削加工性が悪い状態となります。

球状化焼なましを行うと、パーライト中の炭化物が分断されて球状化します。フェライト基地中に球状化炭化物が均一分散した組織となり、やわらかい材料が得られます。材料の切削加工性が向上するため、焼入れ前に部品を加工するための手段として本熱処理が活用されています。

球状化焼なましを行うと材料の切削加工性が向上するだけでなく、焼入れ時に安定した組織が得られます。これにより、材料の強度や耐摩耗性を向上させることができます。

特殊な熱処理

ここでは、主にステンレス鋼に対して行われる特殊な熱処理について、その目的や操作内容などを解説します。

固溶化熱処理
析出硬化処理

ステンレス鋼について詳しく知りたい方は、次の記事をご参照ください。↓↓

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① 固溶化熱処理

目的：析出物を基地中に固溶させ、材料の耐食性と機械的性質を向上させる。

操作：析出物が固溶する温度で均熱し、急冷する。

固溶化熱処理は、主に以下のステンレス鋼に対して行われる熱処理です。

オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304、SUS316など）
オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼（SUS329J1、SUS329J4Lなど）
析出硬化系ステンレス鋼（SUS630、SUS631など）

これらのステンレス鋼は、熱間圧延や熱間鍛造が行われたあと、不安定な組織となっています。内部にひずみを持ち、炭化物やσ相などの有害な析出物を生成しているため、機械的性質や耐食性が低下した状態となります。

固溶化熱処理を行うと、析出物が分解して基地中に固溶します。組織はオーステナイト単相となり、ひずみは低減されます。これにより、材料の機械的性質や耐食性が向上します。

析出硬化系ステンレス鋼では、次に解説する「析出硬化処理」を行う前にこの固溶化熱処理を行うことで、安定した組織が得られます。

固溶化熱処理を行うときの加熱温度は、鋼種によって異なります。SUS304では1010～1150℃、SUS329J4Lでは950～1100℃、SUS630では1020～1060℃となっています。

② 析出硬化処理

目的：組織中に微細な金属間化合物を析出させ、材料を硬化させる。

操作：一定の温度で均熱し、空冷する。

析出硬化処理は、主にSUS630やSUS631などの析出硬化系ステンレス鋼に対して行われる熱処理です。析出硬化処理を行うと、組織中に硬い金属間化合物が析出し、材料を硬化させることができます。

金属間加工物を均一に析出させるために、析出硬化処理前に固溶化熱処理を行うのが一般的です。

固溶化熱処理を行うと、析出硬化元素（Cu、Alなど）が基地中に固溶します。析出硬化元素がしっかり固溶した状態で析出硬化処理を行うと、金属間化合物が分散して析出します。

析出硬化処理温度は、鋼種や目的とする硬さによって異なります。SUS630では、470～630℃の範囲内で均熱後、空冷する操作が行われます。SUS631では、760℃で均熱後、15℃以下に冷却したのち、再び加熱して565℃で均熱し、空冷する操作が行われます。

析出硬化処理された材料は、時間をかけてゆっくりと硬化していきます。硬くなるまでに時効があるため、析出硬化処理は別名「時効硬化処理」とも呼ばれます。

おわりに

本記事では、熱処理の基礎について解説してきました。

忙しい方のために要点をかいつまんで解説しているため、ここで解説した内容は初歩的な内容となります。

もっと詳しく知りたいという方は、専門書を読まれることをオススメします。筆者がオススメする専門書を掲載しておきますので、ぜひ手に取ってみてください！

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【機械設計者・加工者必見】鉄鋼材料の基礎知識を解説！

ひろ — Sun, 21 Jan 2024 13:27:37 +0000

鉄鋼材料は、多くの機械構造物に採用されている材料です。そのため、機械設計者や加工者であれば、鉄鋼材料について知りたいと思うことがあるはずです。

しかし、鉄鋼材料のことを知りたくても、どのようなことを知っておけばよいかわからないと思っていませんか？

そんな方のために、本記事では、最低限知っておきたい鉄鋼材料の基礎知識を解説しています。

若い機械設計者さんや加工者さん向けに、鉄鋼材料の知識を要約してわかりやすく解説しています。

この記事を読んでわかること

鉄鋼材料の材料特性
特殊鋼とはどのような材料なのか
圧延材と鍛造材の違い

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鉄鋼材料はこんなところで使用されている
鉄鋼材料の主要材質は「鋼」
鋼材の材料特性
特殊な用途に使用される「特殊鋼」
圧延材と鍛造材の違い
おわりに

鉄鋼材料はこんなところで使用されている

そもそも、鉄鋼材料がどのようなところで使用されているかを把握していますか？

あまりピンと来ないという方のために、鉄鋼材料が使用されている物について見てみましょう。

鉄鋼材料が使用されている物の例

鉄構造物（ビル、タワー、橋梁など）
自動車（骨格構造、エンジン部品、排気系部品、駆動系部品、足回り系部品など）
船舶（船体構造、エンジン部品、発電機部品、推進器など）
鉄道車両（ボディ、車軸、モータなど）
産業機械（歯車、軸、ボルト、ナット、ばね、ベアリングなど）
プラント（貯蔵容器、反応容器、熱交換機、ポンプなど）
火力発電機器（タービン、ボイラ、バルブ、蒸気配管など）
原子力発電機器（格納容器、圧力容器、冷却材配管など）

これを見てわかるように、社会的に重要な役割を果たしている製作物には、鉄鋼材料が使用されていることが多いです。

鉄鋼材料は丈夫な材料の象徴であり、鉄構造物では鉄鋼材料によって何百メートルもの高さをもつ高層建築物（ビル、タワーなど）が作られています。

輸送機器や産業機器も鉄鋼材料が欠かせない物の代表例であり、自動車にいたっては車体重量の70%を占める部分に鉄鋼材料が使用されています。火力発電所のボイラや原子力発電所の圧力容器のように、条件が過酷な場所でも鉄鋼材料が活躍しています。

このように鉄鋼材料は多くの製作物に使用されており、鉄鋼材料がいかに重要な材料であるかがわかると思います。ものづくりに欠かせない存在である以上、ものづくりに従事する人は鉄鋼材料の知識が必須であると言えます。

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鉄鋼材料の主要材質は「鋼」

一口に鉄鋼材料と言っても、鉄鋼材料には多くの材質があります。

ここで覚えておきたいのが、鉄鋼材料の主要材質は「鋼（はがね）」ということです。

鋼とは、鉄を主成分とした合金のことです。基本的な合金元素として炭素を含有しており、必要に応じてその他の合金元素が添加されています。

例えば、機械構造用炭素鋼の一種である「S45C」は、次のような組成をしています。

S45Cの組成： 0.45C－0.25Si－0.75Mn

これは、鋼の中にC（炭素）が0.45%、Si（ケイ素）が0.25%、Mn（マンガン）が0.75%含まれているという意味です。組成は鋼種（＝鋼の種類のこと）によって変わり、鋼の特性も変わります。

一般的に、鋼は炭素含有率が0.02～2.1%のものを言います。それ以外のものは、次のように区別されています。

炭素含有率が0.02%以下のもの　→　純鉄（じゅんてつ）
炭素含有率が0.02～2.1%以下のもの　→　鋼（はがね）
炭素含有率が2.1～6.7%のもの　→　鋳鉄（ちゅうてつ）

純鉄は合金元素をほとんど含有しておらず、きわめて純度の高い鉄です。しかし強度がないため、機械材料として使用されることはほとんどありません。

鋳鉄は非常に硬く、もろい鉄です。ただし振動吸収特性があるため、鋳物（いもの）としてマンホールや工作機械のベッドなどに使用されています。

鋼はこれらの中間的な特性をもち、一般的に鋼材（こうざい）として使用されています。

鋼材の材料特性

鋼材がもつ基本的な材料特性は、強度があること、そして靭性（じんせい）があることです。

鋼材に強度があることは、比較的イメージしやすいかと思います。一般的に鋼材の強度は、引張試験によって求められる「引張強さ」のことを指します。引張強さとは、外力によって引っ張られる力に対して示す抵抗力のことです。

靭性についてはあまり聞きなれないかもしれませんが、これは外力によって変形を生じたときに、破壊しないように粘ろうとする強さのことを言います。

つまり鋼材には引張荷重を受けても破断しないように耐える強さがあり、また、衝撃を受けても急速に破壊しないように粘る強さがあります。

ただし、どの鋼材も一律に高い強度と靭性があるわけではありません。材料特性は鋼種によって異なります。また、使用環境によってもその特性は変化します。

一般的な鋼材である普通鋼（炭素鋼）の性質を以下に示します。

高強度材ほど、靭性・延性が低い
高温域では、強度が低下する
低温域では、靭性が低下する
基本的に腐食しやすい

鋼材を使用するときや選定するときは、鋼材にこのような性質があることを覚えておきましょう。以下にこれらのことを詳しく解説していきます。

① 高強度材ほど、靭性・延性が低い

強度と靭性には、相反する関係性があります。

一般的に、硬くて高強度な鋼材ほど靭性が低くなります。靭性が低い鋼材は、変形をともなうほどの強い衝撃を受けたときに急速にき裂が進展し、破壊を起こす可能性があります。

靭性は、主に衝撃試験によって求められる「シャルピー吸収エネルギー」で評価されます。シャルピー吸収エネルギーの値が大きい鋼材ほど、靭性が高いことを示します。

高強度な鋼材では、靭性以外に「延性（えんせい）」も低下します。

延性とは伸びやすさのことで、材料の成形性にかかわる性質です。延性が高い材料は曲げや絞りなどの成形加工がしやすいですが、強度が高くて延性が低い材料はこれらの成形加工に向いていません。

② 高温域では、強度が低下する

一般的に、300℃を超える高温域では、鋼材の強度が低下します。そのため、高温域での使用時に荷重が加わっていると、鋼材は常温での破断荷重よりも低い荷重で破断を起こします。

またクリープ現象といって、荷重が低くても、材料が少しずつ伸びて破断に至る現象が発生します。このクリープ現象は、火力発電所のボイラや蒸気配管などでは重要視されています。

高温域における鋼材の強度は、主に「高温引張試験」や「クリープ破断試験」によって評価されます。

高温域では、鋼材の酸化も進みやすくなります。そのため、高温域で鋼材を使用する場合は、高温でも信頼できる鋼材を使用する必要があります。

③ 低温域では、靭性が低下する

一般的に、氷点下などの低温域では、鋼材の靭性が低下します。そのため、鋼材は低温域で使用するともろくなり、弱い衝撃でも破壊を起こします。

温度低下によって靭性が低下して材料がもろくなる現象のことを「低温脆性（ていおんぜいせい）」と言います。過去には、低温脆性によって発生した事故がいくつもあります。その代表的な事故が、リバティー船沈没事故です。

リバティー船は、第二次世界大戦中にアメリカで大量に製造された輸送船です。2,708隻建造されたリバティー船のうち、1,000隻以上に船体の欠陥が認められ、うち200隻は折損して沈むなどの重大事故が発生しました。

船体には一般的な鋼材が使用されており、鋼材どうしは溶接で接合されていました。この鋼材が冷たい海水に晒されたことで低温脆性を起こし、事故をもたらしたとされています。

④ 基本的に腐食しやすい

腐食とは、材料表面の鉄が空気や水と反応して溶け出し、酸化する現象のことです。俗にいう「サビ」は、この腐食が原因です。

鋼材は基本的に腐食しやすく、腐食した部分はもろくなります。

鉄は水に濡れるとサビるイメージがあるかと思いますが、水は空気中にも存在するため、腐食は大気中でも起こります。さらに、塩素イオンを含む海水などに晒された場合は、急速に腐食が進行します。

鋼材の使用中に腐食が進行すると、部材としての機能が低下して事故につながるため、大変危険です。腐食しやすい環境で鋼材を使用する場合は、腐食に対して信頼性のある鋼材を使用する必要があります。

特殊な用途に使用される「特殊鋼」

先ほど解説したように、使用環境によって鋼材は劣化を起こし、材料としての機能を徐々に失っていきます。

そんな鋼材のデメリットを改善し、特殊な環境や条件でも使用できる鋼材があります。それが「特殊鋼」です。

特殊鋼は合金元素を多量含む鋼で、別名「合金鋼」とも呼ばれます。特殊鋼にはたくさんの種類がありますが、代表的な特殊鋼を以下に示します。

特殊鋼の種類	特徴	代表的な鋼種名
機械構造用鋼材	強度・靭性に優れる	SCM440、SNCM439
工具鋼材	耐摩耗性・耐熱性に優れる	SKD11、SKD61、SKH51
ばね鋼材	弾性限・疲労特性に優れる	SUP12、SUP13
軸受鋼材	耐摩耗性・疲労特性に優れる	SUJ2
ステンレス鋼材	耐食性に優れる	SUS304、SUS430、SUS329J4L
耐熱鋼材	高温強度・耐酸化性・耐高温腐食性に優れる	SUH600、SUH661
高張力鋼材	強度・靭性・溶接性に優れる	SM570、SPV490、SHY685

特殊鋼がもつ優れた特性は、特定の環境や条件でその強さを発揮します。「機械構造用鋼材」は代表的な特殊鋼ですが、高い強度と靭性を兼ね備えていることから、機械の動力部に広く使用されています。

また、SUS304に代表される「ステンレス鋼材」は、腐食に強い材料として有名な特殊鋼です。輸送機器、家庭用機器、産業機器、建設・土木分野など、幅広い分野で使用されています。

近年、カーボンニュートラルやSDGの促進・普及を背景に、機器の長寿命化や動力の高出力化を目指す動きが加速しています。それを実現可能にするため、特殊鋼の利用が欠かせなくなってきています。

高い性能をもつ一方で、特殊鋼はレアメタルを含む合金元素が多量に使用されています。そのため、コストが高いことが特殊鋼のデメリットと言えます。

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圧延材と鍛造材の違い

鋼材は、強靭な材質にするために製造過程で塑性加工（そせいかこう）が施されています。塑性加工とは、圧力を加えて材料を変形させ、良質な材料組織を作る方法のことです。

鋼材は、塑性加工方法の違いによって大きく「圧延材」と「鍛造材」にわかれます。どちらも強靭性がありますが、材質やコストに差があります。

圧延材と鍛造材それぞれの特徴は次の通りです。

	圧延材	鍛造材
形状	△ 二次元形状（単純形状）	〇二次元～三次元形状（立体形状）
材質	△ 材料組織に方向性があり材料の健全性に劣る	〇材料組織の方向性が少なく材料の健全性が高い
入手性・コスト	〇市場に多く流通しており、比較的安価で入手しやすい	△ 市場に少なく、大半は特注のため高価

両者にはこのような差があり、コスト的に有利で入手しやすいのは圧延材です。そのため、圧延材は第一に選択されることが多く、広く利用されています。

一方、圧延材よりも材料内部の健全性が優れるため、鍛造材は高い品質が求められるものを製作するときに選択されることが多いです。材料を三次元状の立体形状で用意できる点も、鍛造材の大きなメリットです。このことは、製作物の工程や品質に影響を与えます。

例えば、鋼材で圧力容器を製作するとします。これを圧延材だけで作る場合、板状の鋼材を用意し、鋼材を曲げ、鋼材どうしを溶接で接合する工程が必要になります。また、溶接部は脆弱になるリスクをもっています。

鍛造材であれば、圧力容器を一体形状で製作することが可能です。溶接による接合を必要としないため、溶接部による脆弱性のリスクもありません。

なお、圧延材と鍛造材の見分け方は、材料記号を確認することです。鍛造材は、材料記号に「SF」が付きます。

鍛造材の材料記号の例

SF490A（炭素鋼鍛鋼品）
SFVQ1A（圧力容器用調質型合金鋼鍛鋼品）
SUSF304（圧力容器用ステンレス鋼鍛鋼品）
SFCM780S（クロムモリブデン鋼鍛鋼品）
SFNCM930S（ニッケルクロムモリブデン鋼鍛鋼品）

おわりに

本記事では、機械設計者・加工者が最低限知っておきたい鉄鋼材料の基礎知識について解説してきました。

ここで解説していることは、あくまでも初歩的な内容になります。

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【材料選定に役立つ】実用的な鉄鋼材料を13種類解説！

ひろ — Mon, 15 Jan 2024 13:23:03 +0000

鉄鋼材料は、ものづくりでもっとも使用されている金属材料です。

調理器具や工具などの日用品をはじめ、自動車や家電などの部品、高層ビルや橋梁などの建築物まで、多くの製品に使用されています。

鉄鋼材料と言ってもたくさんの種類があり、それぞれ材料特性や用途が異なります。一体、どのような鉄鋼材料があるのか気になる方もいるでしょう。

本記事では、実用的な鉄鋼材料を13種類解説しています。鉄鋼材料を選定するさいの参考にもなりますので、ぜひ最後までご覧ください！

この記事を読んで分かること

鉄鋼材料の品種の数
鉄鋼材料の分類
実用的な鉄鋼材料

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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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鉄鋼材料は種類が多い
鉄鋼材料の分類
1. 化学成分による分類
2. 加工状態による分類
実用的な13種類の鉄鋼材料
おわりに

鉄鋼材料は種類が多い

日本産業規格（JIS）には、2,000品種以上の鉄鋼材料が定められています。

日本産業規格とは、産業製品に関する規格や測定法などを定めている日本の国家規格のことです。通称「JIS」と呼ばれ、多くの産業製品がJISに基づいて製造されています。

JISには多くの材料規格がありますが、鉄鋼材料の規格は他の材料に比べて非常に数が多いです。一般的な鉄鋼材料である「鋼材（こうざい）」の規格数だけでも、約200規格あります。各規格では材質や材料特性などによって品種が細かく分類されており、その品種の数は2,000品種にものぼります。

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海外に目を向けると「ISO」や「ASTM」などの国際規格もあり、これらの規格にもさまざまな種類の鉄鋼材料が定められています。鉄鋼メーカーが「メーカー規格」として独自に鉄鋼材料を規格化し、販売している場合もあります。

これらも合わせると、世の中には非常に膨大な品種の鉄鋼材料が存在することになります。それほど鉄鋼材料は種類が多いことを意味します。そんな鉄鋼材料の中から最適な材料を選定することは、容易でないことが想像できるかと思います。

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鉄鋼材料の分類

鉄鋼材料のおおまかな分類を知っておきましょう。おおまかな分類を知っておくと、鉄鋼材料の全体像をとらえやすくなります。

鉄鋼材料の分類の仕方はさまざまありますが、ここでは次の２つの分類について見ていきます。

化学成分による分類
加工状態による分類

化学成分による分類

化学成分とは、材料が持つ化学的な組成のことです。鉄鋼材料はさまざまな元素を含有しており、材料によって元素の組成が異なります。

鉄鋼材料は、化学成分によって次の３材料に大別することができます。

純鉄（じゅんてつ）　［炭素含有量：約0.02%以下］
鋼（はがね）　［炭素含有量：約0.02～2.1%］←基本の鉄鋼材料
鋳鉄（ちゅうてつ）　［炭素含有量：約2.1～6.7%］

これらの材料の違いは、炭素含有量です。同じ鉄でありながら、まったく異なる材料特性を示します。

純鉄は比較的やわらかく、伸びやすい材料です。逆に鋳鉄は非常に硬く、もろい材料です。鋼はその中間の性質を持ち、「強度」と「靭性（じんせい）」のバランスがよい材料です。靭性とは、材料が塑性変形しても破壊しないように耐える性質のことです。

鉄にこのような性質を与えているのが、「炭素」です。炭素は鉄を硬くする働きがあり、0.1%～1.0%程度の含有量でほどよい強度と靭性を示します。

そのため鋼は鉄鋼材料としての用途に向いており、基本の鉄鋼材料となっています。鋼製の材料は、一般的に「鋼材（こうざい）」と呼ばれます。

鋼の分類

基本の鉄鋼材料である鋼は、次の２鋼種（こうしゅ）に大別することができます。

炭素鋼（たんそこう）・・・もっとも一般的な鋼で、強度は比較的低い
合金鋼（ごうきんこう）・・・合金元素を含有する鋼で、特殊な性質を持つ

これらの鋼種の違いは、合金元素を含有しているかどうかです。合金元素は鋼の性質を向上させる働きがあるため、合金鋼は「高靭性」、「高耐熱性」、「高耐食性」など、特殊な性質を示します。ただしレアメタルなどを使用しているため、比較的高価です。

このように、鉄鋼材料は「鋼」が基本です。鋼はさらに「炭素鋼」と「合金鋼」に分類され、用途や目的に応じて使用されます。鉄鋼材料を知る上で、これらのことは最低限知っておきたい知識です。

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加工状態による分類

鉄鋼材料は、溶けた鉄（鋼）を冷やし固める、つまり「鋳造（ちゅうぞう）」することで材料になっています。

鋳造された鉄鋼材料は、その後「塑性（そせい）加工」されているかどうかによって、材料の特性に違いが生じます。塑性加工とは、材料に力を加えて変形を生じさせる加工方法のことです。

鉄鋼材料は加工状態によって、次の３材料に大別することができます。

圧延材（あつえんざい）・・・圧延されているため結晶粒が細かく、強靭な材料
鍛造品（たんぞうひん）・・・鍛造されているため金属組織の異方性が少なく、強靭な材料
鋳造品（ちゅうぞうひん）・・・塑性加工されておらず、強靭性に乏しい材料

この中でもっとも一般的な鉄鋼材料は、圧延材です。市場流通性が高く、比較的安価な材料です。

圧延材は圧延時の温度によって、さらに次の２材料に大別することができます。

熱間圧延材（ねっかんあつえんざい）・・・一般的な圧延材で、強度と靭性のバランスが優れている
冷間圧延材（れいかんあつえんざい）・・・表面が滑らかで、寸法精度がよい

このように、鉄鋼材料は化学成分や加工形態によって分類できます。これら違いは材料特性だけでなく、コストにも影響することを覚えておくとよいでしょう。

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実用的な13種類の鉄鋼材料

ここでは、JISに定められている鉄鋼材料の中から、選定に役立つ実用的な鉄鋼材料を13種類解説しています。

なお、本文中に登場する「JIS G ○○○○（４桁の数字）」は、その鉄鋼材料を規定しているJIS番号を示しています。

① 一般構造用圧延鋼材（SS材）

一般構造用圧延鋼材は、一般構造への使用に適した材料特性をもつ熱間圧延鋼材です。通称、「SS材」と呼ばれます。

一般構造とは、橋梁、船舶、車両などの構造物の一般的な構造部分を指します。本鋼材の特徴は、次の通りです。

材質は低炭素鋼で、比較的低強度
熱処理で強度向上を図ることができない
市場流通性が高く、安価

本鋼材は低炭素鋼であるため、比較的低強度です。そのため、大きな強度や衝撃が要求されない用途に向いています。鉄鋼材料は熱処理（焼入れ）によって強度の向上を図れますが、本鋼材はそれができません。

JIS G 3101には、４鋼種の一般構造用圧延鋼材が定められています。それぞれ引張り強さの保証値が異なります。

本鋼材の中でも「SS400」はSS材の代表格で、ニーズが高く、安価で入手しやすい鋼材です。幅広い分野で広く用いられています。

鋼種	引張り強さ
SS330	330～430N/mm²
SS400	400～510N/mm²
SS490	490～610N/mm²
SS540	540N/mm²以上

② 溶接構造用圧延鋼材（SM材）

溶接構造用圧延鋼材は、溶接構造物への使用に適した材料特性をもつ圧延鋼材です。通称、「SM材」と呼ばれます。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

材質は低炭素鋼
溶接性に優れている
靭性が保証されている

本鋼種は一般構造用圧延鋼材（SS材）と同じ低炭素鋼ですが、SS材と異なる点は溶接性を確保する組成になっている点です。

溶接性とは、溶接部に割れなどが生じることなく溶接できる程度のことです。鋼中に炭素（C）、マンガン（Mn）、リン（P）、硫黄（S）などの含有量が大きいと、溶接したときに母材が割れを生じることがあります。本鋼種はこれらの元素の含有量を抑えており、溶接に適した材料設計になっています。

本鋼種は溶接性以外に、靭性が保証されています。

溶接構造物では、外力によって変形が生じたときに接合部が破断しないように、靭性が求められます。一般的に「シャルピー吸収エネルギー」の値が高い材料ほど、靭性が高くなります。

JIS G 3106には、11鋼種の溶接構造用圧延鋼材（SM材）が定められています。それぞれ引張り強さ、シャルピー吸収エネルギーの保証値が異なります。本鋼種は主に橋梁、船舶、車両、石油貯蔵、容器などの溶接構造物に使用されています。

鋼種	引張り強さ	シャルピー吸収エネルギー
SM400A／SM400B／SM400C	400～510N/mm²	A種：規定なし、 B種：27J以上、C種：47J以上
SM490A／SM490B／SM490C／ SM490YA／SM490YB	490～610N/mm²	A種：規定なし、 B種：27J以上、C種：47J以上
SM520B／SM520C	520～640N/mm²	B種：27J以上、C種：47J以上
SM570	570～720N/mm²	47J以上

備考：SM490YAとSM490YBは高降伏点仕様

③ 建築構造用圧延鋼材（SN材）

建築構造用圧延鋼材は、建築構造物への使用に適した材料特性をもつ熱間圧延鋼材です。通称、「SN材」と呼ばれます。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

材質は低炭素鋼
溶接性と靭性に優れている
高い塑性変形能力をもつ

本鋼種は、溶接構造用圧延鋼材（SM材）と同じく低炭素鋼です。SM材と同じように溶接性や靭性に優れますが、高い「塑性変形能力」をもつ点が本鋼種の大きな特徴です。

建築構造物において、材料の塑性変形能力は耐震性に大きく影響します。塑性変形能力が高い材料ほど地震エネルギーをよく吸収でき、破壊を起こしにくくなります。

本鋼種では塑性変形能力を確保するため、「降伏比」に上限が定められています。また、厚さ方向の引張り力に対する性能として「厚さ方向特性」も定められています。

JIS G 3136には、５鋼種の建築構造用圧延鋼材（SN材）が定められています。それぞれ引張り強さ、降伏比、シャルピー吸収エネルギー、厚さ方向特性の保証値が異なります。

かつて、建築構造用材料にはSS材やSM材が使用されていました。近年、建築構造物に高い耐震性能が求められることから、現在ではSN材が建築構造用材料の主流となっています。

鋼種	引張り強さ	降伏比（注）	シャルピー吸収エネルギー	厚さ方向特性
SN400A	400～510N/mm²	規定なし	規定なし	規定なし
SN400B	400～510N/mm²	80以下	27J以上	規定なし
SN400C	400～510N/mm²	80以下	27J以上	絞り25%以上
SN490B	490～610N/mm²	80以下	27J以上	規定なし
SN490C	490～610N/mm²	80以下	27J以上	絞り25%以上

注：鋼材の厚さが40mmを超え100mm以下の場合の降伏比を示す

④ 機械構造用鋼材（S-C材、SCM材、SNCM材など）

機械構造用鋼材は、機械構造への使用に適した材料性質をもつ鋼材です。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

強度、靭性、耐摩耗性に優れる
材質は「炭素鋼系」と「合金鋼系」がある
用途に合った材料を幅広い鋼種の中から選択できる

本鋼材の特徴は「強度」、「靭性」、「耐摩耗性」などの性質に優れる点です。これらの性質は多くの機械構造に欠かせない性質です。そのため、本鋼材は一般用機械から航空機に至るまで、幅広い機械の部品などに使用されています。

機械構造用鋼材には、炭素鋼系のものと合金鋼系のものがあります。鋼種が非常い多いため、幅広い鋼種の中から欲しい材料特性のものを自在に選択できる点も本鋼材の特徴です。

炭素鋼系（S-C材）

JIS G 4051には、27鋼種の「機械構造用炭素鋼鋼材」が定められています。それぞれ炭素含有率が異なり、一番低いもので0.1%程度、一番高いもので0.6%程度あります。炭素含有率が高いものほど強度が高く、焼入れによってさらに強度を向上させることも可能です。

本鋼材の中でも「S45C」は代表的な機械構造用炭素鋼鋼材で、シャフト、歯車、ボルト、ナットなど、多くの機械部品に使用されています。

鋼種	組成	鋼種	組成	鋼種	組成
S10C	0.10C-0.25Si-0.45Mn	S33C	0.33C-0.25Si-0.45Mn	S55C	0.55C-0.25Si-0.45Mn
S12C	0.12C-0.25Si-0.45Mn	S35C	0.35C-0.25Si-0.45Mn	S58C	0.58C-0.25Si-0.45Mn
S15C	0.15C-0.25Si-0.45Mn	S38C	0.38C-0.25Si-0.45Mn	S60C	0.60C-0.25Si-0.75Mn
S17C	0.17C-0.25Si-0.45Mn	S40C	0.40C-0.25Si-0.45Mn	S65C	0.65C-0.25Si-0.75Mn
S20C	0.20C-0.25Si-0.45Mn	S43C	0.43C-0.25Si-0.45Mn	S70C	0.70C-0.25Si-0.75Mn
S22C	0.22C-0.25Si-0.45Mn	S45C	0.45C-0.25Si-0.45Mn	S75C	0.75C-0.25Si-0.75Mn
S25C	0.25C-0.25Si-0.45Mn	S48C	0.48C-0.25Si-0.45Mn	S09CK	0.09C-0.20Si-0.45Mn
S28C	0.28C-0.25Si-0.45Mn	S50C	0.50C-0.25Si-0.45Mn	S15CK	0.15C-0.25Si-0.45Mn
S30C	0.30C-0.25Si-0.45Mn	S53C	0.53C-0.25Si-0.45Mn	S20CK	0.20C-0.25Si-0.45Mn

合金鋼系（SMn材、SCr材、SCM材、SNCM材など）

JIS G 4053には、40鋼種の「機械構造用合金鋼鋼材」が定められています。それぞれ合金元素の組成が異なります。

クロムモリブデン鋼の「SCM440」は代表的な機械構造用合金鋼鋼材で、高い強度と靭性を示します。自動車のシャフトや歯車、軸受などの、荷重を支えて動力を伝達する部品などによく使用されています。

ニッケルクロムモリブデン鋼の「SNCM439」も、比較的使用頻度が高い鋼材です。焼入れ性を向上させるニッケルを含有しているため、強度を確保することが難しい大型のシャフトや歯車などに使用されています。

ニッケルクロム鋼の「SNC815」は「肌焼鋼（はだやきこう）」の一種で、浸炭焼入れによって表面を硬化させて使用します。耐摩耗性、疲労強度、耐衝撃性に優れるため、主に大型の歯車に使用されています。

分類	鋼種
マンガン鋼	SMn420／SMn433／SMn438／SMn443
マンガンクロム鋼	SMnC420／SMnC443
クロム鋼	SCr415／SCr420／SCr430／SCr435／SCr440／SCr445
クロムモリブデン鋼	SCM415／SCM418／SCM420／SCM421／SCM425／ SCM430／SCM432／SCM435／SCM440／SCM445／ SCM822
ニッケルクロム鋼	SNC236／SNC415／SNC631／SNC815／SNC836
ニッケルクロムモリブデン鋼	SNCM220／SNCM240／SNCM415／SNCM420／ SNCM431／SNCM439／SNCM447／SNCM616／ SNCM625／SNCM630／SNCM815
アルミニウムクロムモリブデン鋼	SACM645

⑤ 熱間圧延軟鋼板（SPH材）

熱間圧延軟鋼板は、曲げなどの加工に適した材料特性をもつ熱間圧延鋼板です。通称、「SPH材」と呼ばれます。

鋼板とは、板状に作られた鋼材のことです。熱間圧延されたあとコイル状に巻かれているため、本鋼材は「ホットコイル」とも呼ばれています。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

材質は低炭素鋼
比較的やわらかく、加工性に優れる
表面に黒皮ある

熱間圧延軟鋼板は、炭素含有率が約0.1%以下と低めに作られています。そのため本鋼種はやわらかく、加工性の指標として用いられる「伸び」が高くなっています。

本鋼種は主に曲げたり切断したりして使用され、機械の外装などを作るときに適しています。

JIS G 3131には、４鋼種の熱間圧延軟鋼板が規定されています。それぞれ伸びの保証値が異なります。自動車、建材、建機、容器、鋼管、電気製品など、幅広く使用されています。

鋼種	炭素含有率	用途（参考）
SPHC	0.12%以下	一般用
SPHD	0.10%以下	加工用
SPHE	0.08%以下	加工用
SPHF	0.08%以下	加工用

⑥ 冷間圧延鋼板（SPC材）

冷間圧延鋼板は、絞りなどの加工に適した材料特性を持つ冷間圧延鋼板です。通称、「SPC材」と呼ばれます。

冷間圧延鋼板は表面がなめらかでつやがあるため、「ミガキ材」とも呼ばれています。本鋼種は、次の特徴を持ちます。

材質は低炭素鋼
延性に優れ、成形性が非常によい
寸法の精度がよい

冷間圧延鋼板は炭素含有率が低く、鋼種によっては0.02%以下にまで抑えられているものもあります。そのため延性に優れ、伸びやすいことから絞り加工に適しています。

前述の熱間圧延軟鋼板は表面が酸化しているため黒皮がありますが、冷間圧延鋼板には黒皮がありません。そのため厚みにばらつきがなく、寸法精度が高い点も本鋼種の特徴です。

JIS G 3141では、５鋼種の冷間圧延鋼板が定められています。主に見た目の外観を重視する機械部品や、寸法精度が求められるような場所に使用されています。

鋼種	炭素含有率	用途（参考）
SPCC	0.15%以下	一般用
SPCD	0.10%以下	絞り用
SPCE	0.08%以下	深絞り用
SPCF	0.06%以下	非時効性深絞り用
SPCG	0.02%以下	非時効性超深絞り用

⑦ ステンレス鋼材（SUS材）

ステンレス鋼材は、クロム（Cr）を10.5%以上含有し、高い耐食性をもつ鋼材です。通称、「SUS材」と呼ばれます。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

水のある環境下で高い耐食性を示す
塩化物イオンには弱い
材質によって耐食性や機械的性質が異なる

一般的に鋼は腐食されやすい金属であり、水や水蒸気に晒されると簡単に腐食を起こしてサビてしまいます。しかし、ステンレス鋼材ではそれが起こりません。その理由は、高いCr含有率にあります。

ステンレス鋼材にはCrが10.5%以上含まれており、これが「不動態被膜」と呼ばれる薄い酸化膜を鋼の表面に形成します。この不動態被膜が鋼と水の反応を阻止し、腐食を防止します。

しかし、ステンレス鋼材は海水などに含まれる塩化物イオンに対しては弱く、腐食を起こします。また、環境によっては大気下でも「孔食」や「すきま腐食」などの腐食を起こすため、注意が必要です。

ステンレス鋼材は、材質によって次の５鋼種に大別されます。それぞれ耐食性の強さや、機械的性質などが異なります。

分類	特徴	代表鋼種
オーステナイト系	加工性、耐食性、溶接性に優れる	SUS304、SUS316
フェライト系	軟質で加工性に優れる	SUS430
オーステナイト・フェライト系	オーステナイト系ステンレス鋼よりも高い強度と耐食性を示す	SUS329J4L
マルテンサイト系	硬くて靭性に優れる	SUS403、SUS410
析出硬化系	非常に硬い	SUS630、SUS631

JIS G 4303には、61鋼種のステンレス鋼材（SUS材）が定められています。ステンレス鋼材は欠かせない工業材料の一つであり、調理器具、家電機器、自動車用品、建築資材、医療用器具など、幅広い分野で使用されています。

分類	鋼種
オーステナイト系	SUS201／SUS202／SUS301／SUS302／SUS303／SUS303Se／ SUS303Cu／SUS304／SUS304L／SUS304N1／SUS304N2／SUS304LN／ SUS304J3／SUS305／SUS309S／SUS310S／SUS312L／SUS316／ SUS316L／SUS316N／SUS316LN／SUS316Ti／SUS316J1／SUS316J1N／ SUS316F／SUS317／SUS317L／SUS317LN／SUS317J1／SUS836L／ SUS890L／SUS321／SUS347／SUSXM7／SUSXM15J1
フェライト系	SUS405／SUS410L／SUS430／SUS430F／SUS434／SUS447J1／SUSXM27
オーステナイト・フェライト系	SUS329J1／SUS329J3L／SUS329J4L
マルテンサイト系	SUS403／SUS410／SUS410J1／SUS410F2／SUS416／SUS420J1／ SUS420J2／SUS420F／SUS420F2／SUS431／SUS440A／SUS440B／ SUS440C／SUS440F
析出硬化系	SUS630／SUS631

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⑧ 耐熱鋼材（SUH材）

耐熱鋼材は、その名の通り耐熱性をもつ鋼材です。通称、「SUH材」と呼ばれます。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

高温環境下で「高い高温強度」、「耐酸化性」、「耐高温腐食性」を示す
材質は「ステンレス鋼」

一般的に、鋼は高温環境下では強度が低下します。そのため、常温での破断荷重よりも低い荷重で破断を起こします。また、酸化や腐食も常温より早い速度で起こり、材料の劣化を早めます。

耐熱鋼材は、鋼がもつこれらの弱点を克服した材料特性をもつ鋼材です。

耐熱鋼材の材質は「ステンレス鋼」です。ステンレス鋼がもつ耐食性や耐酸化性などの材料特性がそのまま耐熱鋼材に活かされています。そのため、耐熱鋼材はステンレス鋼と同様に「オーステナイト系」、「フェライト系」、「マルテンサイト系」、「析出硬化系」に分類されます。

JIS G 4311に「耐熱鋼棒・線材」として35鋼種、JIS G 4312に「耐熱鋼板・鋼帯」として28鋼種の耐熱鋼材が定められています。鋼種は「SUH系」と「SUS系」の２種類があります。SUS系は、通常のステンレス鋼材を耐熱鋼材に転用したものです。

耐熱鋼材の代表的な用途は、火力発電所のボイラーやタービン、自動車や航空機のエンジン部品、ゴミ焼却処理設備などです。

分類	鋼種
オーステナイト系	SUH31／SUH35／SUH36／SUH37／SUH38／SUH309／SUH310／ SUH330／SUH660／SUH661／SUS302B-HR／SUS304-HR／ SUS309S-HR／SUS310S-HR／SUS316-HR／SUS316Ti-HR／ SUS317-HR／SUS321-HR／SUS347-HR／SUSXM15J1-HR
フェライト系	SUH21／SUH409／SUH409L／SUH446／SUS405-HR／ SUS410L-HR／SUS430-HR／SUS430J1L-HR／SUS436J1L-HR
マルテンサイト系	SUH1／SUH3／SUH4／SUH11／SUH600／SUH616／ SUS403-HR／SUS410-HR／SUS410J1-HR／SUS431-HR
析出硬化系	SUS630-HR／SUS631-HR

※ JIS G 4311とJIS G 4312の鋼種をまとめて記載

⑨ 工具鋼材（SK材）

工具鋼材は、工具・治具などへの使用に適した材料特性をもつ鋼材です。通称、「SK材」と呼ばれています。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

高い「耐摩耗性」、「耐衝撃性」、「耐熱性」などの特性を示す
材質によって「炭素工具鋼」、「合金工具鋼」、「高速度工具鋼」に分類される

工具は、金属や非金属材料を「切削加工」したり「塑性加工」したりするための道具です。使用中に工具と被加工物どうしが頻繁にこすれ合うするため、「硬くて摩耗に強いこと」が求められます。

また、使用中に高温になるため、「高温でも強度が低下しないこと」が求められます。その他、「繰り返し応力によって疲労破壊を起こさないこと」や、「加熱と冷却の繰り返しによってヒートクラックが発生しないこと」なども求められます。

工具鋼材は、これらに優れた材料特性をもちます。工具鋼は、材質によって「炭素工具鋼材」、「合金工具鋼材」、「高速度工具鋼材」の３つに分類されます。

炭素工具鋼材

炭素工具鋼材は、特別に合金元素を添加せず、炭素のみで硬さを確保している工具鋼材です。

JIS G 4401には、11種類の炭素工具鋼材が定められています。炭素含有率は、一番低いもので0.6%程度、一番高いもので1.4%程度あります。

代表的な炭素工具鋼材として、「SK105」が知られています。やすり、ドリル、ハクソー、刃物、丸のこ、たがね、刻印などの小型工具への使用に適しています。

鋼種	組成	鋼種	組成
SK140	1.40C-0.20Si-0.30Mn	SK80	0.80C-0.20Si-0.30Mn
SK120	1.20C-0.20Si-0.30Mn	SK75	0.75C-0.20Si-0.30Mn
SK105	1.05C-0.20Si-0.30Mn	SK70	0.70C-0.20Si-0.30Mn
SK95	0.95C-0.20Si-0.30Mn	SK65	0.65C-0.20Si-0.30Mn
SK90	0.90C-0.20Si-0.30Mn	SK60	0.60C-0.20Si-0.30Mn
SK85	0.85C-0.20Si-0.30Mn	－	－

※ JIS G 4311とJIS G 4312の鋼種をまとめて記載

合金工具鋼材

合金工具鋼材は合金元素が添加され、材用特性を向上させた工具鋼材です。

JIS G 4404には、32種類の合金工具鋼材が定められています。用途として「切削工具鋼用」、「耐衝撃工具鋼用」、「冷間金型用」、「熱間金型用」があります。代表的な合金工具鋼材として「SKD11」、「SKD61」が知られています。

SKD11は耐摩耗性と焼入れ性に優れており、主に大型の冷間金型に使用されています。SKD61は靭性と耐熱性に優れており、主に熱間金型に使用されています。

分類	鋼種
切削工具用	SKS11／SKS2／SKS21／SKS5／SKS51／SKS7／SKS81／SKS8
耐衝撃工具用	SKS4／SKS41／SKS43／SKS44
冷間金型用	SKS3／SKS31／SKS93／SKS94／SKS95／ SKD1／SKD2／SKD10／SKD11／SKD12
熱間金型用	SKD4／SKD5／SKD6／SKD61／SKD62／ SKD7／SKD8／SKT3／SKT4／SKT6

高速度工具鋼材

高速度工具鋼材は別名「ハイス」と呼ばれ、合金元素が多量に添加されている工具鋼材です。高温でも硬さが低下せず、高速で加工できることから、その名前が付いています。

JIS G 4403には、15種類の高速度工具鋼材が定められています。代表的な高速度工具鋼材として「SKH51」が知られています。SKD11よりも靭性、硬さ、耐摩耗性に優れ、使用時の負荷が大きな切削工具や鍛造用金型などに使用されています。

分類	鋼種
タングステン系	SKH2／SKH3／SKH4／SKH10
粉末冶金で製造したモリブデン系	SKH40
モリブデン系	SKH50／SKH51／SKH52／SKH53／SKH54／ SKH55／SKH56／SKH57／SKH58／SKH59

※ JIS G 4311とJIS G 4312の鋼種をまとめて記載

⑩ ばね鋼材（SUP材）

ばね鋼材は、ばねへの使用に適した材料特性をもつ鋼材です。通称、「SUP材」と呼ばれています。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

鋼の中でも高強度鋼に分類される
高い「弾性限」、「疲れ強さ」、「耐へたり性」などの特性を示す

ばねは、上から押すと縮み、押すのを止めると元の形に戻る動作が起こります。ばねがこの動作を起こすためには、材料に「高い弾性限（降伏強度）」が必要になります。

また、ばねは使用中に繰り返し荷重や衝撃が発生するため、「疲れ強さ（耐久性）」や「耐へたり性」も必要です。ばね鋼材は、これらの特性に優れた材料特性をもちます。

JIS G 4801には、８鋼種のばね鋼鋼材が定められています。代表的なばね鋼に、シリコンクロム系の「SUP12」と、クロムモリブデン系の「SUP13」があります。

SUP12は耐へたり性が優れていることから、自動車用懸架コイルばねに使用されています。SUP13は焼き入れ性が優れていることから、超大型のばねに使用されています。

分類	鋼種
シリコンマンガン系	SUP6／SUP7
マンガンクロム系	SUP9／SUP9A
クロムバナジウム系	SUP10
マンガンクロムボロン系	SUP11A
シリコンクロム系	SUP12
クロムモリブデン系	SUP13

⑪ 軸受鋼材（SUJ材）

軸受鋼材は、転がり軸受への使用に適した材料特性をもつ鋼材です。通称、「SUJ材」と呼ばれています。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

「耐摩耗性」と「転がり疲労特性」に優れる
組成は「高炭素クロム鋼」

転がり軸受は、軸受の中でボールが転がることで軸を支える部品です。そこには高い「耐摩耗性」と「転がり疲労特性」が求められます。

軸受鋼は、これらの特性に優れた材料特性をもっています。材料の組成は、炭素含有率が1%程度、クロム含有率が1.0～1.5%程度の「高炭素クロム鋼」です。この組成が鋼の硬度を高め、耐摩耗性や転がり疲労特性を生み出しています。

JIS G 4805には、４鋼種の高炭素クロム軸受鋼が規定されています。それぞれ化学成分が異なります。

代表的な軸受鋼材は「SUJ2」です。極小から中形までのあらゆる軸受に使用されています。

鋼種	組成
SUJ2	1.0C-0.25Si-0.40Mn-1.45Cr
SUJ3	1.0C-0.55Si-1.05Mn-1.05Cr
SUJ4	1.0C-0.25Si-0.40Mn-1.45Cr-0.15Mo
SUJ5	1.0C-0.55Si-1.05Mn-1.05Cr-0.15Mo

⑫ 快削鋼材（SUM材）

快削鋼は、被削性に優れた鋼材です。通称、「SUM材」と呼ばれています。

ここで被削性とは「削られやすさ」のことで、鋼材を切削加工するときに重視される指標です。本鋼材の特徴は、次の通りです。

炭素鋼に「硫黄（S）」または「鉛（Pb）」が多量に添加されている
切削加工時に工具が摩耗しにくい
切削加工時に切粉がなめらかに排出される

快削鋼材は、鋼の被削性を向上させるために「硫黄（S）」または「鉛（Pb）」もしくはこれらを複合したものが多量に添加されています。これによって工具が摩耗しにくくなり、工具を交換する回数を減らせるメリットが生まれます。

快削鋼材には、切粉がスムーズに排出されるために切粉の処理が容易になるメリットや、仕上げ面が滑らかになって見た目がよくなるメリットもあります。これらのことが加工面の品質を向上させる他、加工リードタイムの低減に寄与します。

JIS G 4804には、13鋼種の快削鋼材が定められています。これらは、組成が異なります。

この中でも「SUM43」は代表的な快削鋼材です。SUM43は優れた被削性を有しながら、S45Cに匹敵する高い強度をもち、実用性が高い鋼材です。

鋼種	組成	鋼種	組成
SUM21	0.1C-0.9Mn-0.1P-0.2S	SUM31	0.17C-1.2Mn-0.1S
SUM22	0.1C-0.9Mn-0.1P-0.3S	SUM31L	0.17C-1.2Mn-0.1S-0.2Pb
SUM22L	0.1C-0.9Mn-0.1P-0.3S-0.2Pb	SUM32	0.17C-0.9Mn-0.15S
SUM23	0.05C-0.9Mn-0.07P-0.3S	SUM41	0.36C-1.5Mn-0.1S
SUM23L	0.05C-0.9Mn-0.07P-0.3S-0.2Pb	SUM42	0.41C-1.5Mn-0.1S
SUM24L	0.1C-1.0Mn-0.07P-0.3S-0.2Pb	SUM43	0.44C-1.5Mn-0.29S
SUM25	0.1C-1.2Mn-0.1P-0.35S	ー	ー

⑬ 電磁鋼板

電磁鋼板は優れた磁気特性をもち、主に電力機器の鉄心に使用される鋼材です。

本鋼材の特徴は、次の通りです。

シリコン（Si）の含有率が高い
鉄損が小さい
「方向性電磁鋼板（GO）」と「無方向性電磁鋼板（NO）」がある

電磁鋼板は「ケイ素（Si）」が多く添加されていることから、別名「ケイ素鋼板」とも呼ばれています。

電磁鋼板は、主に電力機器の鉄心に使用されています。鉄心には、磁化によって発生した磁気を効率よく通すために「鉄損（磁化したときに生じる電気エネルギーのロス）が小さいこと」が求められます。電磁鋼板は、この要求を満足するために高い磁気特性をもっています。

電磁鋼板は、磁界の向きによって大きく「方向性電磁鋼板（GO）」と「無方向性電磁鋼板（NO）」に分けられます。「方向性電磁鋼板」は磁気特性が一方向に向いており、主に変圧器の鉄心に使用されています。「無方向性電磁鋼板」は磁気特性の異方性が小さく、主にモータや発電機の鉄心に使用されています。

電磁鋼板は、鉄鋼メーカーが独自に規格化し販売しているケースがほとんどです。近年、電磁鋼板は電気自動車の普及によって需要が拡大しています。

おわりに

本記事では、鉄鋼材料の種類について解説してきました。

ここで解説したことは、わずかな内容に過ぎません。実際に鉄鋼材料を扱おうとする場合には、鉄鋼の基礎知識や材料特性などをよく理解する必要があります。

鉄鋼材料についてもっと詳しく知りたい方は、参考書を手に取って読まれることをおすすめします。オススメの参考書を紹介しますので、ぜひ手に取ってみてください。

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鋼の中に含まれている元素とは？鋼の化学成分を詳しく解説！

ひろ — Mon, 01 Jan 2024 06:14:47 +0000

金属材料の一種である鋼（はがね）は、機械、構造物、自動車、家電など、多くの製品づくりに欠かせない材料です。

鋼は、硬くて強度があります。種類によっては、靭性（じんせい）や耐食性（たいしょく）などの優れた材料特性を持つ鋼もあります。

鋼がこれらの材料特性を持つ上でもっとも重要なのが化学成分です。

鋼には一体、どのような元素が含まれているのでしょうか。本記事では、鋼の化学成分について詳しく解説しています。

この記事を読んで分かること

化学成分とは？
鋼に含まれる主要５元素、合金元素、不純物元素
各鋼種の化学成分

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鋼（はがね）とは？
化学成分とは？
鋼の化学成分
各鋼種の化学成分
おわりに

鋼（はがね）とは？

鋼（はがね）とは、「鉄（てつ）を主成分とした合金（ごうきん）」のことです。

鉄と言えば、誰もが「硬くて強い金属材料」を想像するかと思います。しかし、鉄自体はあまり強度がないため、単体で使用されることはほとんどありません。

その鉄を他の金属や非金属と混ぜ合わせて「合金（ごうきん）」の状態にすると、強い材料に変化します。「硬さ」や「強度」が生まれ、変形しづらくなり、大きな負荷や衝撃に耐えられるようになります。これが「鋼」です。

鋼は、機械や構造物などの製作にもっとも適した金属材料であり、多くの場所で使用されています。

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化学成分とは？

化学成分とは、材料が持つ化学的な組成のことです。

前述したように、鋼は「鉄を主成分とした合金」です。その鋼がどのような成分で構成されているかを明らかにしたものが化学成分です。

鋼にはたくさんの種類があり、それぞれ化学成分が異なります。その化学成分の違いが、材料特性に違いをもたらします。

鋼の場合、化学成分は「元素」で表されます。実際にどの元素がどのくらい入っているかは「ミルシート」で確認することができます。

ミルシートとは、材料の製造元が発行する「材料証明書」のことです。一般的に次のことが記載されています。

化学成分
機械的性質（強度や硬さなど）
熱処理状態
寸法
各種材料検査の結果

ミルシートの例（出所：Stella Mechanics HP）

鋼の化学成分

鋼の化学成分について見ていきましょう。

鋼の中には、さまざまな元素が含まれています。その中には「主要５元素」と呼ばれ、鋼の基本的な性質を決める重要な元素があります。

その他にも鋼の性質を向上させる「合金元素」や、鋼に悪影響を及ぼす「不純物元素」があります。詳しく見ていきましょう。

主要５元素

主要５元素とは、次の５元素のことです。（［　］内の数値は含有量を示しています。）

炭素（C）　［0.02～2.1%］
ケイ素（Si）　［通常、0.5%以下］
マンガン（Mn）　［通常、1.6%以下］
リン（P）　［通常、0.04%以下］
硫黄（S）　［通常、0.04%以下］

のちほど紹介する「炭素鋼（たんそこう）」は、化学成分がこれらの元素だけで構成されている鋼です。

各元素が鋼に与える影響について見ていきましょう。

炭素は、鋼の硬さを決めるもっとも重要な元素

炭素は、鋼を硬くする働きがあります。炭素の含有量が大きいほど鋼が硬くなり、強度も高くなります。

ただし、鋼は強度が高いほど「延性（えんせい）」や「靭性（じんせい）」が低下し、もろい材料になります。延性とは、材料の伸びやすさのことです。また靭性とは、材料が外力によって変形し始めてから破壊するまでに耐える力のことです。

つまり、鋼は強度が高すぎてもよくないため、炭素含有量によって強度が調整されています。なお、鋼の炭素含有量は0.02～2.1%程度と決められています。

ケイ素とマンガンは、鋼の靭性を向上させる元素

ケイ素とマンガンは、鋼を作るときに脱酸材として用いられる元素です。

脱酸材とは、鋼中の酸素を除去するための材料です。鋼は製造中に多くの酸素を溶け込むため、この脱酸材を投入することで酸素を除去します。

ケイ素とマンガンは鋼の靭性を向上させる働きがあるため、通常、ケイ素は0.5%以下、マンガンは1.6%以下になるように含有量が調整されます。

リンと硫黄は、鋼をもろくさせる有害元素

リンは鋼中で偏析（へんせき）しやすく、含有量が大きいと鋼の延性や靭性を低下させる有害元素です。偏析とは、その元素や化合物が一定の箇所に濃く集まる現象のことです。

硫黄もリンと同様、含有量が大きいと、鋼の靭性を低下させる有害元素です。これらの元素は通常、含有量が0.04%以下になるように調整されています。ただし、硫黄は削りやすさを向上させるために意図的に添加される場合もあります。

なぜこのような元素が鋼に含有しているかと言うと、鋼の原料である「鉄鉱石」などに含まれているためです。これらの元素は鋼を作る過程で除去されますが、完全に除去されずにわずかに残ってしまいます。

このように、主要５元素は鋼の性質に大きく関わっています。そのため、要求される性質に応じて含有量が調整されています。

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合金元素

合金元素とは、「鋼の性質を向上させるために添加されている元素」のことです。

通常、前述した主要５元素以外のものを指します。

鋼に合金元素が入ると、主要５元素だけでは得られない性質を得ることができます。例えばクロム（Cr）やモリブデン（Mo）が添加された鋼は「焼入れ性（やきいれせい）」が向上し、強靭な鋼になります。

「焼入れ」とは、熱した鋼を急冷し、鋼を硬くする操作のことです。また「焼入れ性」とは、急冷したときに材料中心部まで冷える程度のことです。

一般的に、鋼はサイズが大きくなるほど焼入れ性が悪くなります。焼入れ性が悪いと、中心部までよく冷えないため十分な硬さが出ません。CrやMoは焼入れ性を向上させる効果があるため、鋼のサイズが大きくても中心部までよく冷え、強靭な鋼になります。

このように鋼に特殊な性質を付与する合金元素は、他にもあります。

硬さを向上させる元素・・・Cr、Mo、V、W、Nb、Nなど
焼入れ性を向上させる元素・・・Ni、Cr、Mo、Nb、Bなど
耐食性を向上させる元素・・・Ni、Cr、Mo、Cuなど
耐熱性を向上させる元素・・・Ni、Cr、Mo、Coなど

のちほど紹介する「合金鋼（ごうきんこう）」は、これらの合金元素が配合された鋼です。合金元素の働きによって、材料に高い機能性を生み出しています。

不純物元素

不純物元素とは、主に以下の元素のことを指します。

銅（Cu）
スズ（Sn）
ヒ素（As）
鉛（Pb）

これらの元素は「トランプエレメント」と呼ばれ、「鋼の圧延中に割れをもたらす」、「冷間加工性を低下させる」などの悪影響をもたらします。特に「電炉法（でんろほう）」と呼ばれる方法で製造された鉄は、トランプエレメントを多く含有している場合があります。

電炉法とは？

鉄を製造するさい、原料に「鉄スクラップ」を使用し、電気炉で溶かして製造する方法のことです。鉄スクラップとは、古くなった建築ビルや自動車などの解体によって発生した鉄の廃棄物のことです。

鉄は何度でも溶かし直してリサイクルできるため、電炉法では鉄スクラップが活用されています。しかし、リサイクルを繰り返すうちに鉄にトランプエレメントが蓄積することがあります。

このようにトランプエレメントは有害元素であるため、特定の用途に使用される鉄鋼材料においては含有量が厳しく管理されています。

しかし、鋼に特性を持たせる目的で意図的にこれらの元素を含有させる場合もあります。「快削鋼（かいさくこう）」はその代表例です。削りやすさを向上させるために、「硫黄」や「鉛」などが添加されています。

各鋼種の化学成分

鋼は、化学成分によって次の３鋼種に大別することができます。

炭素鋼・・・基本的な鋼
合金鋼・・・合金元素を含有した鋼
ステンレス鋼・・・クロム（Cr）を10.5%以上含有した鋼

以下では、実用的な鋼種を化学成分とあわせて紹介します。

炭素鋼

炭素鋼は、もっとも基本的な鋼です。主要５元素以外の元素をあまり含有していません。

代表的な炭素鋼を挙げると、「SPCC」、「S45C」、「SK95」などがあります。

① SPCC

SPCCは、「冷間圧延鋼板（れいかん・あつえん・こうはん）」の一種です。

炭素量が低いためやわらかく、成形して使用したいときなどに向いています。機械や家電などのカバーに使用されることが多く、重宝されています。

鋼種	C	Mn	P	S
SPCC	0.15以下	1.00以下	0.100以下	0.035以下

単位 %｜JIS G 3141

② S45C

S45Cは、「機械構造用炭素鋼鋼材（きかいこうぞうよう・たんそこう・こうざい）」の一種です。

加工性がよく、熱処理することで強度を高くできる特徴があります。シャフト、ボルト、ナットなどの機械部品に使用されています。

鋼種	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu	Ni+Cr
S45C	0.42～0.48	0.15～0.35	0.60～0.90	0.030以下	0.035以下	0.20以下	0.20以下	0.30以下	0.35以下

単位 %｜JIS G 4051

③ SK95

SK95は、「炭素工具鋼鋼材（たんそこうぐこう・こうざい）」の一種です。

炭素量が大きいため、硬くて耐摩耗性に優れることが特徴です。本鋼種は工具用に開発されたものですが、ばね、ぜんまい、座金、スペーサーなどにも使用されています。

鋼種	C	Si	Mn	P	S
SK95	0.90～1.00	0.10～0.35	0.10～0.50	0.030以下	0.030以下

単位 %｜JIS G 4401

合金鋼

合金鋼は、合金元素を１種類以上を含有した鋼です。合金元素によって特殊な性質を持つ材料となっています。

代表的な合金鋼を挙げると、「SCM440」や「SNCM439」などがあります。

① SCM440

SCM440は「機械構造用合金鋼鋼材（きかいこうぞうよう・ごうきんこう・こうざい）」の一種です。クロム（Cr）とモリブデン（Mo）を含有しているため、通称「クロモリ」と呼ばれます。

高い強度と靭性を有するため、強度が求められる構造材に適しています。シャフト、ボルト、継手など、多くの機械部品に使用されています。

鋼種	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu
SCM440	0.38～0.43	0.15～0.35	0.60～0.90	0.030以下	0.030以下	0.25以下	0.90～1.20	0.15～0.30	0.30以下

単位 %｜JIS G 4053

② SNCM439

SNCM439は、先ほどのSCM440と同じ「機械構造用合金鋼鋼材（きかいこうぞうよう・ごうきんこう・こうざい）」の一種です。

本鋼種は、SCM440の成分系にニッケル（Ni）を追加しています。これにより焼入れ性を高めているため、材料の奥深くまで強靭な性質を持つことが特徴です。大型の軸類や歯車などに使用されています。

鋼種	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu
SNCM439	0.36～0.43	0.15～0.35	0.60～0.90	0.030以下	0.030以下	1.60～2.00	0.60～1.00	0.15～0.30	0.30以下

単位 %｜JIS G 4053

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炭素鋼と合金鋼の違いとは？使いわけかたを詳しく解説！

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、クロム（Cr）を10.5%以上含有する鋼です。合金鋼の一種で、高い耐食性を持つことが特徴です。

代表的なステンレス鋼を挙げると、「SUS430」、「SUS304」、「SUS403」などがあります。

① SUS430

SUS430は、「フェライト系ステンレス鋼」の一種です。クロム（Cr）を18%程度含有することから、「18Crステンレス鋼」とも呼ばれます。

本鋼種は他のステンレス鋼に比べて耐食性が劣りますが、安価で入手しやすいことが特徴です。主に厨房機器や家庭用器具の水回りなどに使用されます。

鋼種	C	Si	Mn	P	S	Cr
SUS430	0.12以下	0.75以下	1.00以下	0.040以下	0.030以下	16.00～18.00

単位 %｜JIS G 4303

② SUS304

SUS304は、「オーステナイト系ステンレス鋼」の一種です。クロム（Cr）を18%程度、ニッケル（Ni）を8%程度含有することから、「18-8ステンレス鋼」とも呼ばれます。

ニッケルを含有しているため耐食性に優れ、なおかつ強度、加工性、耐熱性にも優れるため、オールマイティな用途に対応しています。建築用資材、自動車部品、家電部品、化学設備、食品設備など、幅広い用途に使用されています。

なお、スプーンの裏に「18-8」と刻印されているものは、間違いなくこの鋼種が使用されています。

鋼種	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo
SUS304	0.08以下	1.00以下	2.00以下	0.045以下	0.030以下	8.00～10.50	18.00～20.00	ー

単位 %｜JIS G 4303

③ SUS403

SUS403は、「マルテンサイト系ステンレス鋼」の一種です。クロム（Cr）を13%程度含有するため、「13Crステンレス鋼」とも呼ばれます。

マルテンサイトとは、焼入れによって作られる硬い金属の相のことです。本鋼種は耐食性を有するとともに硬さがあるため、強度が必要な用途に使用されます。主に包丁やナイフなどに使用されます。

鋼種	C	Si	Mn	P	S	Cr
SUS403	0.15以下	0.50以下	1.00以下	0.040以下	0.030以下	11.50～13.00

単位 %｜JIS G 4303

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おわりに

本記事では、鋼の化学成分について解説してきました。

鉄鋼材料の性質は「化学成分」が大きく影響しているため、鉄鋼材料を扱う場合には化学成分をよく理解している必要があります。

「鋼の化学成分をもっと詳しく知りたい！」という方には、次の本を読むことをオススメします。ぜひ手に取って読んでみてください。

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