鋼（スチール）とは？特性・用途・種類を徹底解説

鋼（スチール）とは？

鋼は、通常数分の1%の炭素を含む鉄の合金で、他の形態の鉄と比較して強度と破壊靭性を向上させています。多くの他元素が存在または添加される場合があります。耐食・耐酸化性を持つステンレス鋼には、通常さらに11%のクロムが必要です。

高い引張強度と低コストのため、鋼は建物、インフラ、工具、船舶、列車、自動車、機械、電化製品、武器に使用されます。鉄は鋼の基材です。

温度によって、体心立方格子と面心立方格子の2つの結晶形（同素多形）を取ります。鉄の同素多形と合金元素（主に炭素）の相互作用が、鋼と鋳鉄に独自の特性範囲を与えます。

純鉄では結晶構造が鉄原子の相互滑りに対してほとんど抵抗を持たないため、純鉄はかなり延性があり、柔らかく容易に成形できます。鋼では、少量の炭素、他元素、鉄中の介在物が硬化剤として働き、転位の移動を防ぎます。

鋼はいつ発明された？

最古の鋼生産は、アナトリア（カマン・カレホユック）の考古学遺跡から発掘された鉄製品の破片に見られ、約4000年前、紀元前1800年にさかのぼります。ホラティウスはイベリア半島のファルカタなどの鋼製武器を言及し、ノリクム鋼はローマ軍で使用されました。

鋼は金属か？

鋼は合金であるため純粋な元素ではなく、直接的な結果として、実際には金属ではありません。代わりに、金属の一変種です。鋼は鉄（金属）で構成されますが、化学組成に非金属の炭素が含まれるため純粋な金属ではなく、金属として分類できません。

結論：鋼は金属ではない。

鋼の組成

鋼は鉄と炭素の合金で、炭素含有量は最大2%（炭素含有量が高い場合は鋳鉄と定義されます）。世界のインフラと産業を構築するために最も広く使用される材料で、縫い針から油槽船まであらゆるものを製造するために使われます。また、それらを建設・製造するために必要な工具も鋼で作られます。

鋼は鉄と炭素の合金で、2%未満の炭素、1%のマンガン、少量のシリコン、リン、硫黄、酸素を含みます。鋼は世界で最も重要な工学・建設材料です。

自動車と建設製品、冷蔵庫と洗濯機、貨物船、外科用メスなど、私たちの生活のあらゆる側面で使用されています。

鋼の特性

鋼には硬度、靭性、引張強度、降伏強度、伸び、疲労強度、腐食、塑性、展性、クリープなど多くの特性があります。

耐摩耗・耐摩耗鋼で最も重要な特性は：

• 硬度（HARDNESS）は材料が摩擦と摩耗に耐える能力です。口語では強度や靭性と同じ意味で使われることがありますが、金属特性の文脈ではこれらとは大きく異なります。
• 靭性（TOUGHNESS）は定義が難しいですが、一般的に破断や破裂なしにエネルギーを吸収する能力です。応力を受けたときの材料の破壊抵抗とも定義されます。通常ft·lb/in²またはJ/cm²で測定されます。硬度と区別することが重要です。大きく変形しても破断しない材料は非常に靭性が高いと見なせますが、硬くはありません。
• 降伏強度（YIELD STRENGTH）は材料の変形（曲がりや歪み）を開始するために必要な力の測定値です。
• 引張強度（TENSILE STRENGTH）は材料を破断させるために必要な力の測定値です。
• 伸び（ELONGATION、または延性）は材料が破断するまで伸張または圧縮できる「度合い」です。試験長さのパーセントで表され、引張強度と降伏強度の間に位置します（つまり、破断前に何%曲がるか）。

鋼の基本物理特性

鋼の密度は7,850 kg/m³で、水の7.85倍の密度です。融点1,510℃はほとんどの金属より高いです。比較すると、青銅は1,040℃、銅は1,083℃、鋳鉄は1,300℃、ニッケルは1,453℃です。一方タングステンは3,410℃で融解します（電球フィラメントに使用されるのも納得です）。

20℃での鋼の線膨張係数は11.1 µm/(m·℃)で、銅（16.7）、錫（21.4）、鉛（29.1）よりも温度変化による寸法変化に強いです。

鋼は何でできている？

鋼は鉄と炭素の合金で、炭素含有量は最大2%（炭素含有量が高い場合は鋳鉄と定義されます）。

鉄は鋼の主要元素成分で、地球の地殻で最も豊富な元素の一つです。すべての鋼合金は主に鉄と0.002–2.1重量%の炭素です。この範囲では、炭素が鉄と結合して強力な分子構造を作ります。結果として得られる格子微細構造が、鋼で頼りにしている引張強度や硬度などの特定の材料特性を達成するのに役立ちます。

すべての鋼は鉄と炭素でできていますが、異なる種類の鋼は各元素の異なる割合を含みます。鋼にはニッケル、モリブデン、マンガン、チタン、ホウ素、コバルト、バナジウムなどの他元素も含められます。「レシピ」に異なる元素を加えると、鋼合金の材料特性に影響します。製造方法と鋼の処理がさらにそれらの能力を高めます。

注目すべき鋼合金グループの一つにクロムを含むものがあります。これらすべての合金は一般にステンレス鋼として知られています。

鋼の融点は？

鋼の融点は2500-2800°F（1371-1540℃）の範囲です。なぜ範囲なのか？なぜ温度計の単一ポイントではないのか？純金属の鉄とは異なり、鋼は合金だからです。

どの鋼合金について話しているかによります。最近では「合金」という用語がほぼ常に誤用されており、特にサイクリストの間で顕著です。彼らはアルミニウムを意味してこの用語を使います。合金が本当に意味するのは、あらゆる種類の金属の混合物です。今日使用されているほぼすべての金属は混合物であり、したがって合金です。

ほとんどの鋼には強度、耐食性、加工容易性などの特性を調整するために他の金属が添加されています。鋼は炭素量を制御するために加工された鉄元素です。地中の鉄は約1510℃（2750°F）で融解します。鋼はしばしば約1370℃（2500°F）で融解します。

炭素鋼の融点は？

鋼の融点は2500-2800°F（1371-1540℃）の範囲です。なぜ範囲なのか？なぜ温度計の単一ポイントではないのか？

純金属の鉄とは異なり、鋼は合金です。純金属には精密な温度、すなわち融点があります。しかし合金は異なる融点を持つ複数元素を含むため、固定温度で融解・凝固しません。

鋼は鉄と炭素の合金です。ステンレス鋼もクロムと通常ニッケル、その他元素を合金に含みます。各新元素の添加は全体の融点を低下させます。これを融点降下と呼びます。

ステンレス鋼の融点は？

ステンレス鋼の融点は2550-2790°F（1400-1530℃）の範囲です。

特定のステンレス鋼の融点はその正確な化学組成によります。各元素が独自の融点を方程式に持ち込みます。ステンレス鋼を構成する主要元素は鉄、クロム、ニッケルです。

純鉄の固定融点は1535℃、クロムは1890℃、ニッケルは1453℃です。これらの数値をステンレス鋼の1400-1530℃の範囲と比較してください。

各グレードのステンレス鋼はわずかに異なる元素配合を持ちます。したがって、正確な融点はグレードによって異なります。

グレードによる融点の変動は？

ステンレス鋼には5つの系列と150以上のグレードがあります。しかし、一般的に使用されるのは15グレードのみです。

最も人気のある2グレードは304と316です。両方ともオーステナイト系ステンレス鋼系列に属し、ステンレス鋼生産の約3分の2を占めます。オーステナイト系ステンレス鋼は面心立方晶構造を持ち、極低温から融点まで全温度範囲で一定です。

ステンレス鋼の融点は、316鋼の1375℃から430グレードの1510℃まで変動します。最も一般的な304グレードの融点は1400-1450℃です。

鋼の種類

鋼の4主な種類：

• 炭素鋼
• 合金鋼
• ステンレス鋼
• 工具鋼

1. 炭素鋼

炭素鋼は外観が鈍くマットで、腐食に弱いと知られています。全体的に低炭素、中炭素、高炭素の3サブタイプがあり、低炭素は約0.30%、中炭素0.60%、高炭素1.5%の炭素を含みます。

名前自体が示すように、他の合金元素をごく少量しか含みません。非常に強靭なため、ナイフ、高張力ワイヤー、自動車部品、類似品の製造によく使用されます。

• 炭素含有量2%までの鋼
• 「合金鋼」と分類される標準的量の元素（コバルト、ニッケル、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、バナジウム、クロムなど）を含まない鋼

銅0.4%未満の鋼や、特定のマグネシウム-銅含有量を持つ鋼に「炭素鋼」という用語が適用されることもありますが、それらの定義は業界によって異なります。ここでは最初の2つの定義について説明します。

炭素鋼の種類

炭素鋼は低、中、高の3通りに分類されます

• 低炭素鋼。 低炭素鋼（または「軟鋼」「普通鋼」）は炭素含有量0.30%までの炭素鋼を指します。これは金属市場で圧倒的に最も一般的な鋼タイプです。理由はいくつかあります。まず、低炭素鋼は比較的安価です。また、中・高炭素鋼より炭素含有量が低いため、成形が容易で、引張強度が即座の問題でない構造用ビームなどの用途に最適です。
• 中炭素鋼。 中炭素鋼は炭素含有量0.31-0.60%、マグネシウム0.31-1.60%の炭素鋼を指します。最大の利点は強度です。しかしトレードオフもあります。中炭素鋼は延性と靭性が低く、成形と溶接がより困難です。
• 高炭素鋼。 高炭素鋼は炭素含有量0.61-1.50%、マグネシウム0.31-0.90%の炭素鋼を指します。硬度と靭性では高炭素鋼が第一選択です。しかしトレードオフがあります。高炭素鋼の溶接、切断、成形は非常に困難です。

2. 合金鋼

次は合金鋼で、炭素鋼に様々な合金元素を組み合わせて各鋼に独自の特性を与えて作られます。合金鋼には信じられないほど幅広い種類がありますが、最も一般的なものにはクロム、コバルト、モリブデン、ニッケル、タングステン、バナジウムがあります。

合金鋼の驚くべき多様性により、合金元素を使用してほぼあらゆる可能な特性を持つ鋼を作れます。ただし、これらの鋼の一部は比較的高価です。

これらは耐食性が高く、自動車部品、パイプライン、船体、機械プロジェクトで好まれます。強度は含まれる元素の濃度に依存します。

3. 工具鋼

工具鋼は硬く、耐熱性と耐摩耗性に優れていることで有名です。名前は金属工具（ハンマーなど）の製造によく使用されることに由来します。

これらは穴あけなどの工具用途に使用される鋼です。一般的にモリブデン、バナジウム、タングステン、コバルトで構成され、工具鋼は耐熱性、耐久性、強度を備えます。

工具鋼には6つのグレードがあります：

• 空気硬化
• 水硬化
• D型
• 熱間加工
• 耐衝撃タイプ
• 油硬化

4. ステンレス鋼

最後に、ステンレス鋼はおそらく市場で最もよく知られたタイプです。このタイプは光沢があり、一般的に10-20%のクロムを含み、これが主要合金元素です。

この組み合わせにより、鋼は耐食性を持ち、様々な形状に非常に容易に成形できます。容易な加工性、柔軟性、品質により、ステンレス鋼は手術器具、家庭用品、銀食器、さらには商業・産業ビルの外装材として実装されています。

詳細： ステンレス鋼とは？

鋼の用途

鉄と鋼は道路、鉄道、その他インフラ、家電、建物の建設に広く使用されます。スタジアムや超高層ビル、橋、空港などの大規模現代構造物の多くは鋼骨で支えられています。コンクリート構造のものでも、鉄筋として鋼を使用します。

鋼の用途を以下に示します：

• 鋼は環境に優しく持続可能。優れた耐久性を持つ。
• 他材料と比較して、軽量鋼構造の製造に少ないエネルギーで済む。
• 鋼は世界で最もリサイクルされる材料で、非常に容易にリサイクル可能。独自の磁気特性により、廃棄物から容易に回収してリサイクルできる。
• 鋼は様々な形状に設計可能。鉄より良い形状とエッジが得られ、武器製造に使用される。
• 工業用鋼は一般工学と製造分野で使用される。
• 鋼は自動車産業で多用される。車体、ドア、エンジン、サスペンション、内装に様々な鋼タイプが使用される。平均して車の50%は鋼でできている。
• 鋼はCO2排出を削減する。
• すべてのエネルギー分野がインフラと資源採掘に鋼を必要とする。
• ステンレス鋼は洋上プラットフォームとパイプラインの製造に使用される。
• 鋼は包装に使用され、商品を水、空気、光の露出から保護する。
• 冷蔵庫、テレビ、オーブン、シンクなどほとんどの家電製品は鋼製。
• 鋼は農業車両と機械などの産業財生産に使用される。
• ステンレス鋼はカトラリー材料として使用される。
• 容易な溶接性と魅力的な仕上げにより、鋼は現代建築の顕著な特徴となっている。
• ステンレス鋼は衛生的な環境を提供するため、手術用インプラントに使用される。
• 鋼は広い温度範囲を持つため、大型板材の製造に使用される。
• 太陽光、水力、風力などの再生可能エネルギーはステンレス鋼部品を使用する。
• 軟鋼は建築建設に使用される。建物フレーム材料としても高く評価されている。

よくある質問

鋼とは？

鋼は、通常数%の炭素を含む鉄の合金で、鉄と比較して強度と破壊靭性を向上させています。多くの他元素が存在または添加される場合があります。耐食・耐酸化性のステンレス鋼には、通常さらに11%のクロムが必要です。

鋼は何でできている？

鋼は鉄と炭素の合金で、炭素含有量は最大2%（炭素含有量が高い場合は鋳鉄と定義されます）。

鋼の融点は？

鋼の融点は2500-2800°F（1371-1540℃）の範囲です。なぜ範囲なのか？なぜ温度計の単一ポイントではないのか？純金属の鉄とは異なり、鋼は合金だからです。

鋼の組成は？

鋼は鉄と炭素の合金で、2%未満の炭素、1%のマンガン、少量のシリコン、リン、硫黄、酸素を含みます。鋼は世界で最も重要な工学・建設材料です。

鋼の特性は？

鋼には硬度、靭性、引張強度、降伏強度、伸び、疲労強度、腐食、塑性、展性、クリープなどの特性があります。

鋼の種類は？

鋼の4主な種類：

1. 炭素鋼。 炭素鋼は鈍くマットで、腐食に弱いと知られています。
2. 合金鋼。 ニッケル、銅、アルミニウムなどいくつかの異なる金属の混合物です。
3. 工具鋼。
4. ステンレス鋼。

鋼は何に使われる？

鋼は世界で最も重要な工学・建設材料です。自動車と建設製品、冷蔵庫と洗濯機、貨物船、外科用メスなど、私たちの生活のあらゆる側面で使用されています。特性を失うことなく何度もリサイクルできます。

鋼は金属か？

鋼は合金であるため純粋な元素ではなく、直接的な結果として実際には金属ではありません。代わりに金属の一変種です。鋼は鉄（金属）で構成されますが、化学組成に非金属の炭素が含まれるため純粋な金属ではなく、金属として分類できません。

なぜ「steel」と呼ばれる？

名詞steelは原始ゲルマン語の形容詞stakhlijanに由来し、英語では「鋼で作られた」を意味し、また「立ち続ける」を意味するstakhlaとも関連しています。stakhlaの語根はstakで、「立つ、置く、固い」を意味します。

誰が鋼を発明した？

ヘンリー・ベッサマーは第二次産業革命で最も重要な発明家の一人で、鉄、鋼、ガラスの分野で100以上の他の発明も行いました。

鋼は鉱物か？

鋼は人々によって生産される合金であるため鉱物ではありません。「無機的」とは生物によって作られていない物質を意味します。

なぜ鋼がそんなに重要？

鋼産業は米国経済にとって不可欠です。鋼は製造、建設、輸送、様々な消費者製品の多くの要素で選ばれる材料です。伝統的に強度で評価されてきましたが、最もリサイクルされる材料にもなっています。

日常生活での鋼の重要性は？

鋼は私たちの生活に大きな影響を与えてきました。運転する車、働く建物、住む家、その間の無数の側面。鋼は送電塔、天然ガスパイプライン、工作機械、軍事兵器などに使用され、リストは尽きません。

鋼は良い材料か？

鋼は不燃で座屈や歪みに強いため、地震多発地域で最適な選択肢です。木材とは異なり製造品なので、均一な品質と強度を持ちます。さらに、鋼を他の建設材料より標準強度で先んじさせる進歩が続けられています。

鋼と鉄、どちらが優れている？

鉄の特性。鋼は鉄より強い（降伏強度と引張強度）し、多くの鉄タイプよりも靭性があります（しばしば破壊靭性で測定）。最も一般的な鋼タイプは重量比で0.5%未満の炭素添加を持ちます。

鉄と鋼の違いは？

鉄と鋼の主な違いは、前者が金属であるのに対し、後者は合金であることです。鉄は地球上に自然に存在する金属元素です。比較すると、鋼は鉄と炭素を混ぜて作られる人工合金です。

鋼はどれくらい強い？

炭素鋼片の平均引張強度と降伏強度は、鋼の炭素含有量と他の製造要因によって大きく異なります。AISI 1020鋼（低炭素軟鋼）の降伏強度は47,900 psi、引張強度は65,300 psiです。

どの国が発明した？

インドが最初の真の鋼を生産しました。紀元前400年頃、インドの金属職人は偶然鉄に完璧な量の炭素を結合する製錬方法を発明しました。鍵は溶融金属用の粘土容器：るつぼでした。

鋼はどこで見つかる？

最も基本的には、鋼は非常に高温（2600°F以上）で炭素と鉄を混ぜて作られます。一次製鋼は「銑鉄」と呼ばれる製品から鋼を作ります。銑鉄は鉱石から製錬された鉄で、鋼に適した量より多くの炭素を含みます。

鋼は岩石と見なされる？

すべての鉱石は鉱物ですが、すべての鉱物が鉱石ではありません。鉄の鉱石は赤鉄鉱、磁鉄鉱です。鉱石から不純物を除去して鋼を得ます。鋼は鉄と炭素の合金で、しばしば他のいくつかの元素を含むため、鋼合金は通常天然岩石に存在しません。

鋼は自然にどう作られる？

鋼は銑鉄から、塩基性酸素転炉で一部の炭素を除去し、マンガン、クロム、銅、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、バナジウムなどの合金元素を添加して生産されます。鋼は電気炉で鉄系スクラップをリサイクルすることでも作られます。

鋼のユニークな点は？

鋼は最も純粋な形の鉄の約1,000倍強く、強度を失うことなくリサイクルできます。鋼は太陽光、水力、風力などの再生可能エネルギー供給に使用される主要材料です。

製鋼は社会にどう利益をもたらす？

低排出。当然ながら、エネルギー効率は全体的なCO2排出削減により低炭素未来に積極的に貢献します。強靭で持続可能な社会の構築に中心的役割を果たします。また、「グリーン化」にはビジネスインセンティブがあります：企業の良いPR、税控除も。

なぜ鋼が最高なのか？

より広い耐温度範囲：鋼はほとんどの商業用プラスチックより広い温度範囲に耐えられます。さらに、鋼は急速または周期的な温度変動にもほとんどのプラスチックより耐えられます。より高い耐食性：ステンレス鋼は大気環境と純水環境で耐食性を発揮します。