合金鋼

合金鋼は、通常、機械的特性を向上させるために、重量の 1.0% ～ 50% の量のさまざまな元素が合金化された鋼です。

合金鋼は、低合金鋼と高合金鋼の2つのグループに分けられます。この2つの境界については議論があります。スミスとハシェミは、その差を4.0%と定義していますが、^[1]デガーモらは、その差を8.0%と定義しています。^[2]ほとんどの合金鋼は低合金鋼です。

最も単純な鋼は、鉄(Fe) に (0.1% ～ 1%)炭素(C) を合金化したもので、他には何も含まれていません (わずかな不純物を除く) 。これらは炭素鋼と呼ばれます。ただし、合金鋼には、追加の (金属) 合金元素を含む鋼が含まれます。一般的な合金元素には、マンガン(Mn) (最も一般的)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr) 、モリブデン(Mo )、バナジウム(V)、シリコン(Si)、ホウ素(B) などがあります。あまり一般的ではない合金元素には、アルミニウム(Al)、コバルト(Co)、銅(Cu) 、セリウム(Ce) 、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)、タングステン(W)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr) などがあります。

合金鋼は、強度、硬度、靭性、耐摩耗性、耐腐食性、焼入れ性、高温硬度をさまざまな面で向上させます。これらの特性を向上させるには、金属に特定の熱処理と厳格な冷却プロトコルの組み合わせが必要になる場合があります。

合金鋼は何世紀にもわたって製造されてきましたが、その冶金学は19 世紀に化学が進歩してその組成が明らかになるまではよく理解されていませんでした。初期の合金鋼は「秘密のレシピ」をモデルに作られ、ナイフや刀などの道具に鍛造された高価な贅沢品でした。機械時代の合金鋼は、改良された工具鋼として、また新たに利用できるステンレス鋼として開発されました。合金鋼は、手工具や食器からジェット エンジンのタービン ブレードや原子炉まで、さまざまな用途に使用されています。

鉄の強磁性特性のため、一部の合金は、電気モーターや変圧器など、磁気に対する応答が非常に重要となる用途で使用されています。

合金元素は、特定の特性を得るために添加されます。合金元素は、柔軟性、強度、成形性、硬化性など、複数の特性に影響を与える可能性があります。^[4]ガイドラインとして、強度や硬化性を高めるには合金元素を低い割合（5%未満）で添加し、耐腐食性や極端な温度安定性などの特性を得るには合金元素を高い割合（5%以上）で添加します。^[2]

• 製鋼工程では、溶存酸素、硫黄、リンを除去するためにマンガン、シリコン、アルミニウムが添加されます。
• マンガン、シリコン、ニッケル、銅を添加してフェライト中に固溶体を形成し、強度を高めます。
• クロム、バナジウム、モリブデン、タングステンは第二相炭化物を形成することで強度を高めます。
• ニッケルと銅は少量で耐食性を向上させます。モリブデンは脆化を防ぐのに役立ちます。
• ジルコニウム、セリウム、カルシウムは介在物の形状を制御することで靭性を高めます。
• 硫黄（硫化マンガンの形態）、鉛、ビスマス、セレン、テルルは切削性を高めます。^[5]

合金元素は固溶体、化合物、または炭化物のいずれかを形成する傾向があります。

• ニッケルはフェライトに溶解するため、通常は Ni ₃ Al の化合物を形成します。
• アルミニウムはフェライトに溶解し、化合物 Al ₂ O ₃および AlN を形成します。シリコンも溶解性があり、通常は化合物 SiO ₂ •M _x O _yを形成します。
• マンガンは主にフェライトに溶解して化合物MnS、MnO•SiO ₂を形成しますが、炭化物（Fe、Mn）3Cも形成し_ます。
• クロムは、鋼鉄のフェライト相と炭化物相の間に仕切りを形成し、(Fe,Cr ₃ )C、Cr ₇ C ₃、および Cr ₂₃ C ₆を形成します。クロムが形成する炭化物の種類は、存在する炭素およびその他の合金元素の量によって異なります。
• タングステンとモリブデンは、十分な炭素とより強力な炭化物形成元素（チタンとニオブ）の不在により炭化物を形成し、それぞれW ₂ C と Mo ₂ C の炭化物を形成します。
• バナジウム、チタン、ニオブは強力な炭化物形成元素であり、それぞれバナジウム炭化物、チタン炭化物、ニオブ炭化物を形成します。^[6]

合金元素も鋼の 共析温度に影響を与えます。

• マンガンとニッケルは共析温度を下げるため、オーステナイト安定化元素として知られています。これらの元素を十分に摂取すると、室温でオーステナイト構造が得られます。
• 炭化物形成元素は共析温度を上昇させるため、フェライト安定化元素として知られている。^[7]

鋼の特性はその微細構造、すなわち、いくつかの相の配列によって決まり、いくつかの相はより硬く、いくつかの相はより延性が高い。原子レベルでは、自動車用鋼の4つの相は、マルテンサイト（最も硬いが最も脆い）、ベイナイト（それほど硬くない）、フェライト（より延性がある）、オーステナイト（最も延性がある）である。鋼鉄メーカーは、加熱および冷却プロセスの間隔（場合によっては数秒単位）と温度を操作することによって相を配列する。^[9]

TRIP 鋼は、自動車衝突などの変形を受けると、比較的延性が高い状態から比較的硬い状態へと変化する。このような変形により、オーステナイト組織がマルテンサイト組織に変化する。TRIP 鋼は、比較的高い炭素含有量を使用してオーステナイト組織を形成する。比較的高いシリコン/アルミニウム含有量は、ベイナイト領域での炭化物の析出を抑制し、フェライト/ベイナイトの形成を促進する。これにより、室温でオーステナイトを支えるために炭素が保持される。特定の冷却プロセスにより、成形中のオーステナイト/マルテンサイト変態が低減される。TRIP 鋼は通常、冷却中に中間温度で等温保持する必要があり、これによりベイナイトが生成される。追加のシリコン/炭素要件には、パルス溶接や希釈溶接の使用などの溶接サイクルの変更が必要である。^[10]

1 つのアプローチでは、鋼を高温に加熱し、ある程度冷却し、一定時間安定させてから急冷します。これにより、より柔らかいフェライトのマトリックスに囲まれたオーステナイトの島と、より硬いベイナイトとマルテンサイトの領域が生成されます。結果として得られる製品は、破壊することなくエネルギーを吸収できるため、バンパーやピラーなどの自動車部品に便利です。 高度な高強度鋼には 3 世代があります。最初の世代は 1990 年代に作成され、強度と延性が向上しました。第 2 世代では、新しい合金を使用して延性をさらに高めましたが、高価で製造が困難でした。第 3 世代が採用され始めています。洗練された加熱および冷却パターンにより、強度と延性の両方が向上しますが、延性は多少犠牲になります (第 2 世代と比較)。これらの鋼は、以前の鋼のほぼ 10 倍の強度に達すると主張されており、製造コストははるかに安価です。^[10]

• 二相鋼
• HSLA鋼
• マイクロアロイ鋼
• SAE鋼種
• レイノルズ 531

1. ^ スミス＆ハシェミ2001、393ページ。
2. ^ ab Degarmo、Black & Kohser 2007、p. 112より。
3. ^ スミス＆ハシェミ2001、394ページ。
4. ^ 「鋼の種類にはどんなものがあるのか​​？ | Metal Exponents Blog」Metal Exponents . 2020-08-18 . 2021-01-29閲覧。
5. ^ デガーモ、ブラック＆コーザー2007年、113ページ。
6. ^ スミス＆ハシェミ2001、394-395頁。
7. ^ スミス＆ハシェミ2001、395-396頁。
8. ^ デガーモ、ブラック＆コーザー2007年、144ページ。
9. ^ ジョンソン・ジュニア、ジョン（2024年8月5日）。「より強く、より軽い車のための新しい形の鋼」Knowable Magazine。doi：10.1146 / knowable-080524-1。
10. ^ ab Hickey, Kate (2021-06-23). 「Transformation Induced Plasticity (TRIP)」AHSSガイドライン. 2024-08-21閲覧。

• デガーモ、E. ポール; ブラック、J. T.; コーサー、ロナルド A. (2007)、製造における材料とプロセス(第 10 版)、Wiley、ISBN 978-0-470-05512-0。
• Groover, Mikell P. (2009 年 2 月 26 日)。『現代製造業の基礎: 材料、プロセス、システム』John Wiley & Sons, Inc.
• スミス、ウィリアム F.; ハシェミ、ジャバド (2001)、『材料科学と工学の基礎』（第 4 版）、マグロウヒル、p. 394、ISBN 0-07-295358-6