炭素鋼（米国）または非合金鋼（欧州）とは、重量比で約0.05～2.1パーセントの炭素含有量を持つ鋼のことである。米国鉄鋼協会（AISI）による炭素鋼の定義は以下のとおりである。
ニッケル、クロム、バナジウム、モリブデンなどの他の金属を相当量添加すると、材料の定義が炭素鋼から合金鋼に変わる。
炭素含有率が上昇すると、鋼は熱処理によってより硬く強くなるが、延性は低下する。熱処理に関わらず、炭素含有量が高いほど溶接性は低下する。炭素鋼では、炭素含有量が高いほど融点が低下する。[ 2 ]
高炭素鋼には多くの用途があり、主に中程度の強度と低コストが求められる用途に用いられます。例えば、高強度鋼線、ばね、ボルト、園芸用具や農業用具、木工用ノミや斧などが挙げられます。
物件
炭素鋼は、大きく分けて低炭素鋼と高炭素鋼の2種類に分類されます。また、マンガン、リン、硫黄、ケイ素などの元素が含まれている場合もあり、これらの元素が炭素鋼の特性に影響を与えることがあります。低炭素鋼は加工や溶接が容易なため汎用性が高く、自動車のボディパネル、歩道橋、手すり、ガーデンファニチャー／公園のベンチ、釘、門扉など、適度な強度と低コストが求められる様々な用途に適しています。高炭素鋼は加工や溶接が難しくなりますが、熱処理によって強度、硬度、耐久性を向上させることができます。
炭素鋼は、特に湿度や塩分濃度が高い環境では、錆びや腐食を起こしやすい。塗料、ニス、その他の保護材でコーティングすることで腐食を防ぐことができる。あるいは、クロムを含むステンレス鋼合金で作ることも可能で、これにより優れた耐食性が得られる。炭素鋼は、他の元素を合金化することで特性を向上させることができる。例えば、クロムやニッケルを添加することで耐食性や耐酸化性を高めたり、モリブデンを添加することで高温での強度や靭性を高めたりすることができる。
タイプ
軟鋼または低炭素鋼
軟鋼（少量の炭素を含む鉄で、強度と靭性に優れているが、焼き戻しが容易ではない）は、普通炭素鋼や低炭素鋼とも呼ばれ、価格が比較的低く、多くの用途に適した材料特性を備えているため、現在最も一般的な鋼材となっている。軟鋼は炭素を約0.05～0.30%含有しており[ 1 ]、展延性がある。軟鋼は引張強度が比較的低いが、安価で成形しやすい。浸炭処理により表面硬度を高めることができる[ 3 ]。
軟鋼の密度は約7.85 g/cm 3 (7,850 kg/m 3 ; 0.284 lb/cu in) [ 4 ]であり、ヤング率は200 GPa (29 × 10 ^ 6 psi)です。[ 5 ]
低炭素鋼[ 6 ]は、材料に2つの降伏点がある降伏点ランアウトを示します。最初の降伏点（または上降伏点）は2番目の降伏点よりも高く、上降伏点を超えると降伏が急激に低下します。低炭素鋼が上降伏点と下降伏点の間の点までしか応力を受けない場合、表面にリューダー帯が発生します。[ 7 ]低炭素鋼は他の鋼よりも炭素含有量が少なく、冷間成形が容易なため、取り扱いが容易です。[ 3 ]低炭素鋼の典型的な用途は、自動車部品、パイプ、建設、食品缶です。[ 8 ]
高張力鋼
炭素含有量が約0.3%を超える鋼は、熱処理によって硬度と引張強度を変化させることができます。約850℃まで加熱した後、水または油で急速冷却/焼入れすると、硬度と引張強度は向上しますが、展延性が低下し、脆性が増し、亀裂や破損が起こりやすくなります。高い硬度と引張強度を維持しながらこれらの脆性の問題を軽減するために、低炭素鋼または中炭素鋼は他の金属と合金化されます。これらの合金鋼も、必要な機械的特性を得るために特定の熱処理が必要であり、引張強度/硬度と展延性のトレードオフは残りますが、低合金炭素鋼に比べてはるかに小さくなります。合金成分には、クロム、モリブデン、シリコン、マンガン、ニッケル、バナジウムなどがあります。これらの金属は鉄に比べて相対的に希少で高価であるため、その使用が制限される主な理由となっています。
高炭素鋼
熱処理に成功できる炭素鋼は、重量比で0.30～1.70%の炭素含有量を持つ。他のさまざまな元素の微量不純物は、結果として得られる鋼の品質に大きく影響する可能性がある。特に微量の硫黄は、鋼を赤焼けさせ、つまり、高温で脆く崩れやすくする。A36グレードなどの低合金炭素鋼は、約0.05%の硫黄を含み、1,426～1,538 ℃（2,600～2,800 °F）付近で溶融する。[ 9 ]マンガンは、低炭素鋼の焼入れ性を向上させるためによく添加される。これらの添加により、いくつかの定義では材料は低合金鋼になるが、AISIの炭素鋼の定義では、重量比で最大1.65%のマンガンが許容される。高炭素鋼と超高炭素鋼の2種類の高炭素鋼がある。高炭素鋼の使用が限られている理由は、延性や溶接性が極めて低く、製造コストが高いためです。高炭素鋼に最も適した用途は、ばね産業、農業、および幅広い高強度ワイヤの製造です。[ 10 ] [ 11 ]
分類
非合金鋼には様々な分類が存在する。
炭素鋼は炭素含有量に基づいて4つのクラスに分類されます。[ 1 ]
- 低炭素鋼は炭素含有量が0.05～0.15％（普通炭素鋼）である。[ 1 ]
- 中炭素鋼は炭素含有量が約0.3～0.5%です。[ 1 ]延性と強度のバランスが良く、耐摩耗性にも優れています。大型部品、鍛造品、自動車部品などに使用されます。[ 12 ] [ 13 ]
- 高炭素鋼、例えば1075（C75）合金や1095合金は、炭素含有量が約0.6～1.0%である。[ 1 ]これらの鋼は非常に強度が高く、ばね、刃物、高強度ワイヤーなどの製品に使用されている。[ 14 ]
- 超高炭素鋼は、炭素含有量が約1.25～2.0%です。[ 1 ]炭素含有量1.5%のD2鋼はこのカテゴリーに属します。UHC鋼は焼き戻しによって非常に硬くすることができ、ナイフ、車軸、パンチなどの特殊用途（非工業用途）に使用されます。炭素含有量が2.5%を超える鋼のほとんどは、粉末冶金を使用して製造されます。
EN10020
EN 10020では、非合金鋼を主に2つのグループに分類しています。
- 非合金鋼：これらは、一般的な構造用途に最もよく使用される非合金鋼であり、広く入手可能です。その特性は保証されていますが、特殊鋼よりも許容範囲が広くなっています。例としては、EN 10025規格で定義されているS235、S275、S355などの構造用鋼が挙げられます。
- 非合金特殊鋼：これらの鋼は、より高い純度で製造され、化学組成がより精密に制御されています。焼き入れや焼き戻しなどの熱処理によって、一貫した特定の特性が求められる用途向けに設計されています。例えば、機械部品や歯車に使用される鋼などが挙げられます。
熱処理
鉄-炭素相図。特定の熱処理における温度範囲と炭素含有量範囲を示す。炭素鋼の熱処理の目的は、鋼の機械的特性、通常は延性、硬度、降伏強度、または耐衝撃性を変化させることです。電気伝導率と熱伝導率はわずかにしか変化しないことに注意してください。鋼のほとんどの強化技術と同様に、ヤング率（弾性）は影響を受けません。鋼のすべての処理は、延性と強度のトレードオフであり、その逆もまた然りです。鉄はオーステナイト相で炭素に対する溶解度が高いため、球状化とプロセス焼鈍を除くすべての熱処理は、鋼をオーステナイト相が存在できる温度まで加熱することから始まります。次に、鋼は中程度から低速で急冷（熱を抜く）され、炭素がオーステナイトから拡散して炭化鉄（セメンタイト）を形成し、フェライトが残ります。または、高速で急冷され、炭素が鉄内に閉じ込められてマルテンサイトが形成されます。鋼が共析温度（約727 ℃または1,341 °F ）を通過する際の冷却速度は、オーステナイトから炭素が拡散してセメンタイトを形成する速度に影響します。一般的に、急速冷却すると炭化鉄が微細に分散し、微細粒のパーライトが生成され、ゆっくり冷却すると粗粒のパーライトが生成されます。亜共析鋼（炭素含有量0.77重量%未満）を冷却すると、炭化鉄層とα-フェライト（ほぼ純鉄）が層状に並んだ層状パーライト構造になります。過共析鋼（炭素含有量0.77重量%以上）の場合は、粒界にセメンタイトの小粒（パーライト層よりも大きい）が形成された完全なパーライト構造になります。共析鋼（炭素含有量0.77%）は、粒界にセメンタイトが存在しない、粒全体にパーライト構造を持ちます。構成成分の相対量は、てこの法則を用いて求められます。以下に、可能な熱処理の種類を示します。
- 球状化
- 炭素鋼を約700 °C (1,300 °F)に 30 時間以上加熱すると、球状化鉄が生成される。球状化鉄はより低い温度でも生成されるが、拡散制御プロセスであるため、必要な時間は大幅に増加する。結果として、一次組織 (共析のどちら側かによってフェライトまたはパーライト) 内に棒状または球状のセメンタイト構造が形成される。目的は、高炭素鋼を軟化させ、成形性を向上させることである。これは、鋼の中で最も軟らかく、最も延性に優れた形態である。[ 15 ]
- 完全アニーリング
- 亜共析炭素鋼（炭素組成が共析炭素鋼より小さい）は、オーステナイト温度（A 3 ）より約30 ～ 50 °C（54 ～ 90 °F）高い温度に加熱されるのに対し、過共析鋼は、一定時間、共析温度（A 1 ）より高い温度に加熱されます。これにより、すべてのフェライトがオーステナイトに変化することが保証されます（ただし、過共析鋼にはセメンタイトが残っている場合があります）。その後、鋼は 1 時間あたり 20 °C（36 °F）程度の速度でゆっくりと冷却する必要があります。通常は、鋼がまだ炉内にある状態で炉の電源を切る炉冷のみです。これにより、粗大なパーライト組織が得られ、パーライトの「バンド」が厚くなります。[ 16 ]完全に焼きなましされた鋼は、内部応力がなく、柔らかく延性があり、コスト効率の良い成形によく必要になります。球状化鋼だけがより柔らかく、より延性がある。[ 17 ]
- プロセスアニーリング
- 炭素含有量が0.3%未満の冷間加工炭素鋼の応力を除去するために用いられるプロセス。通常、鋼は550～650 ℃（1,000～1,200 °F）で1時間加熱されるが、場合によっては700 ℃（1,300 °F）もの高温になることもある。上の図は、このプロセスのアニーリング領域を示している。
- 等温焼鈍
- これは、亜共析鋼を上部臨界温度以上に加熱するプロセスです。この温度を一定時間維持した後、下部臨界温度以下に下げて再び維持します。その後、室温まで冷却します。この方法により、温度勾配が解消されます。
- 正規化
- 炭素鋼はオーステナイト領域まで加熱され、鋼が完全にオーステナイトに変態した後、空気中でゆっくり冷却される。鋼の正規化は、結晶粒構造を微細化したり、焼きなまし鋼に比べて強度を高めたり、より均一な内部構造を提供したりするために行われることが多い。[ 18 ]
- 急冷
- 炭素含有量が0.4重量％以上の炭素鋼を正規化温度まで加熱し、その後、水、塩水、または油で臨界温度まで急速冷却（焼入れ）します。臨界温度は炭素含有量に依存しますが、一般的には炭素含有量が増加するにつれて低くなります。これによりマルテンサイト組織が形成されます。マルテンサイト組織とは、変形した体心立方（BCC）結晶構造（正しくは体心正方（BCT）と呼ばれる）に過飽和炭素含有量を持つ鋼の一種で、内部応力が非常に大きいものです。そのため、焼入れ鋼は非常に硬いですが脆く、通常は実用上は脆すぎます。これらの内部応力により、表面に応力亀裂が生じる可能性があります。焼入れ鋼は正規化鋼よりも約3倍（炭素含有量が多い場合は4倍）硬いです。[ 19 ]
- マルテンパリング（マルクエンチング）
- マルテンパリングは実際には焼き戻し処理ではないため、マルクエンチングという用語が使われます。これは、通常溶融塩浴中で、マルテンサイト開始温度よりわずかに高い温度で初期焼入れを行った後に適用される等温熱処理の一種です。この温度では、材料内部の残留応力が緩和され、他のものに変化する時間がなかった残留オーステナイトからベイナイトが形成されることがあります。工業的には、これは材料の延性と硬度を制御するために使用されるプロセスです。マルクエンチングを長くすると、強度の低下を最小限に抑えながら延性が向上します。鋼は、部品の内部と外部の温度が等しくなるまでこの溶液に保持されます。その後、鋼は温度勾配を最小限に抑えるために適度な速度で冷却されます。このプロセスは、内部応力と応力亀裂を低減するだけでなく、耐衝撃性も向上させます。[ 20 ]
- 焼き戻し
- これは、焼き戻しの温度と時間によって最終的な特性を正確に決定できるため、最も一般的に見られる熱処理です。焼き戻しとは、焼入れした鋼を共析温度以下の温度まで再加熱し、その後冷却することです。高温によりごく少量の球状化石が形成され、延性が回復しますが硬度が低下します。実際の温度と時間は、各組成に合わせて慎重に選択されます。[ 21 ]
- オーステンパリング
- オーステンパリング処理はマルテンパリング処理と同じですが、焼入れを中断し、鋼を205～540 ℃（400～1,000 °F）の温度の溶融塩浴に保持し、その後、適度な速度で冷却します。結果として得られる鋼はベイナイトと呼ばれ、鋼中に針状の微細構造を形成し、マルテンサイト鋼よりも強度が高く（ただしマルテンサイトよりは低い）、延性が高く、耐衝撃性が高く、歪みが少ないという特徴があります。オーステンパリングの欠点は、数枚の鋼板にしか適用できず、特殊な塩浴が必要であることです。[ 22 ]
表面硬化
表面硬化処理は、鋼材の表面のみを硬化させ、硬く耐摩耗性に優れた皮膜（「ケース」）を形成しますが、内部は靭性と延性を維持します。炭素鋼は焼入れ性が低いため、厚肉部全体を硬化させることはできません。合金鋼は焼入れ性が高いため、全体を硬化させることができ、表面硬化処理は不要です。炭素鋼のこの特性は、表面に優れた耐摩耗性を与えつつ、内部は柔軟で衝撃吸収性に優れているため、有益です。
参考文献
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