鋼種：化学と性質

鋼の特徴

鋼種等級システムは、化学組成、処理、および機械的特性を考慮して、製造業者が用途に適した製品を選択できるようにします。材料中の炭素やその他の合金の実際の割合は別として、微細構造も鋼の機械的特性に大きな影響を及ぼします。

微細構造の定義、および熱間成形と冷間成形を使用して製造後に鋼の微細構造を操作する方法を理解することが重要です。これらの技術は、特定の機械的特性を備えた製品を開発するために使用できます。ただし、組成と微細構造を操作すると、異なるプロパティ間のトレードオフが発生します。たとえば、硬い鋼は強度が低下する可能性があります。

微細構造

材料の微細構造は、分子がそれらの分子間で作用する力と一緒に結合される方法です。加熱および冷却プロセスを使用して、微細構造をある形態から別の形態に変更し、それによって材料の特性を変更します。

微細構造は肉眼では観察できませんが、顕微鏡で調べることができます。鋼は、フェライト、パーライト、マルテンサイト、セメンタイト、オーステナイトなど、いくつかの異なる微細構造を採用できます。

フェライト

フェライトは、室温での純鉄の分子構造に使用される用語です。炭素含有量が非常に少ない鋼も、これと同じ微細構造を採用します。フェライトの特徴的な形状は、体心立方（BCC）結晶構造です。視覚的には、各コーナーに1つの分子があり、キューブの中央に1つの分子がある立方体を想像してください。分子は、各立方体内により多くの分子を含む他の微細構造よりもBCCに緩く詰め込まれています。しかし、フェライトの微細構造を変えずに添加できる炭素の量は、室温でわずか0.006％と少ないです。

オーステナイト

オーステナイトは、鉄ベースの合金が1500°F以上1800°F未満に加熱されたときに形成される微細構造です。ニッケルなどの正しい合金が鋼に存在する場合、材料は冷却されてもこの微細構造を維持します。オーステナイトの特徴的な形状は、面心立方（FCC）結晶構造です。視覚的には、各角に1つの分子があり、立方体の各辺の中央に分子がある立方体を想像してください。オーステナイト構成の分子は、フェライトの分子よりも密に詰まっています。オーステナイトは最大2％の炭素を含む可能性があり、ステンレス鋼の一般的な微細構造です。

セメンタイト

炭素鋼がオーステナイトの範囲に加熱された後、オーステナイトの形状を維持するために合金が存在しない状態で冷却されると、微細構造はフェライトの形に戻ります。ただし、炭素含有量が0.006％を超える場合、過剰な炭素原子は鉄と結合して、セメンタイトとしても知られる炭化鉄（Fe3C）と呼ばれる化学化合物を形成します。一部の材料はフェライトの形で残るため、セメンタイトはそれ自体では発生しません。

パーライト

パーライトは、フェライトとセメンタイトの交互の層によって形成された積層構造です。これは、鋼がゆっくりと冷却され、共晶混合物を形成するときに発生します。共晶混合物は、2つの溶融材料が同時に結晶化する混合物です。これらの条件下では、フェライトとセメンタイトの両方が同時に形成され、微細構造内に交互の層が生じます。

マルテンサイト

マルテンサイトは、体心正方晶の結晶構造を持っています。この微結晶形態は、鋼を急速に冷却することによって達成され、炭素原子が鉄格子の内部に閉じ込められます。最終的な結果は、鉄と炭素の非常に硬い針のような構造になります。マルテンサイト微結晶構造の鋼は通常、約12％のクロムを含む低炭素鋼合金です。

鉄鋼メーカーと消費者にとって、鉄鋼の微細構造とそれが材料の機械的特性にどのように影響するかを理解することが重要です。炭素含有量、合金濃度、および仕上げ方法はすべて微細構造に影響を与えるため、完成品の特性を操作するために使用できます。同じ合金含有量の2つのサンプルは、使用する仕上げ方法と熱処理に応じて、異なる微細構造を持つ可能性があります。

熱間成形と冷間成形

溶鋼を鋳造したら、腐食を防ぐために最終的な形状に成形してから仕上げる必要があります。鋼は通常、ブルーム、ビレット、スラブなどの機械に対応した形に鋳造されます。次に、鋳造形状は圧延によって形成されます。圧延は、材料とターゲットの用途に応じて、高温、高温、または低温で実行できます。圧延中、圧縮変形は2つの作業ロールを使用して行われます。ロールは急速に回転し、ロールの間の鋼を同時に引っ張ったり絞ったりします。

冷間成形

冷間成形は、再結晶温度以下で鋼を圧延するプロセスです。ロールによって鋼に加えられる圧力は、材料の微細構造に転位を引き起こし、したがって、材料に粒子を作成します。これらの転位が蓄積するにつれて、鋼はより硬くなり、さらに変形しにくくなります。冷間圧延も鋼を脆くしますが、これは熱処理によって克服できます。

圧延が完了した後、腐食を防ぎ、機械的特性を改善するために、二次加工技術を使用して鋼片を仕上げます。

• コーティング
• 表面処理
• 熱処理

熱処理

熱処理の効果

鋼の微細構造は、制御された加熱と冷却によって変更できます。これにより、微細構造を変更し、機械的特性に望ましい変化をもたらすためのさまざまな熱処理方法が開発されました。

鋼の微細構造は、特定の温度で相が変化します。熱処理は、特定の変換ポイントを理解して操作することに基づいています：

• 正常化温度
  オーステナイトは、他の構造が形成される相です。ほとんどの熱処理は、鋼を1500〜1800°Fの均一なオーステナイト相に加熱することから始まります。
• 上限臨界温度
  上限臨界温度は、それを下回るとセメンタイトまたはフェライトが形成され始めるポイントです。これは、鋼が標準化温度から冷却されているときに発生します。炭素含有量にもよりますが、このポイントは1333〜1670°Fの間にあります。
• より低い臨界温度
  下限臨界温度は、オーステナイトからパーライトへの変態のポイントです。オーステナイトは、1333°Fの下限臨界温度未満では存在できません。

正常化温度から上限および下限臨界温度までの冷却速度によって、室温で得られる鋼の微細構造が決まります。

熱処理には、焼きなまし、焼入れ、焼き戻しなどのさまざまなプロセスが含まれます。鋼では、延性と強度は反比例の関係にあります。熱処理は、強度を犠牲にして延性を高めるか、またはその逆を行うことができます。

熱処理の種類

球状化

炭素鋼を約1290°Fに30時間加熱すると、球状化が起こります。パーライトの微細構造内のセメンタイトの層は回転楕円体に変換され、最も柔らかく、最も延性のある鋼の形態になります。

フルアニーリング

炭素鋼は、最初に上限臨界温度をわずかに超えて加熱し、その温度を1時間維持し、次に1時間あたり約36°Fの速度で冷却することによって焼きなましされます。このプロセスにより、内部応力のない延性のある粗いパーライト構造が生成されます。

プロセスアニーリング

プロセス焼鈍は、冷間加工された低炭素鋼（> 0.3％C）の応力を緩和します。鋼は1025〜1292°Fに1時間加熱されます。微細構造の転位は、冷却前に結晶を再形成することによって修復されます。

等温アニーリング

高炭素鋼は、最初に上限臨界温度を超えて加熱されます。その後、それは維持され、より低い臨界温度に冷却され、そしてもう一度維持される。その後、徐々に室温まで冷却します。このプロセスにより、次の冷却ステップの前に、材料が均一な温度と微細構造に到達することが保証されます。

正規化

炭素鋼を標準化温度まで1時間加熱します。この時点で、鋼は完全にオーステナイト相に入ります。その後、鋼は空冷されます。焼ならしは、高い強度と硬度を備えた微細なパーライトの微細構造を作成します。

焼入れ

中炭素鋼または高炭素鋼は、焼ならし温度まで加熱され、その後、上限臨界温度まで急冷されます（水、ブライン、または油への浸漬による急冷）。焼入れプロセスにより、マルテンサイト構造が生成されます。非常に硬いですが、もろいです。

焼戻し焼入れ鋼

その結果を正確に予測できるため、最も一般的な熱処理。焼入れ鋼は下限臨界点以下の温度に再加熱され、次に冷却されます。温度は意図した結果に応じて異なります。298〜401°Fの範囲が最も一般的です。このプロセスでは、スフェロイダイトを形成することにより、脆い焼入れ鋼にある程度の靭性を回復させます。

機械的特性

機械的特性は、ASTM（米国材料試験協会）やSAE（自動車技術者協会）などの国際規格に従って測定されます。

鋼の主要な機械的特性

硬度

硬度は、摩耗に耐える材料の能力です。硬度を上げるには、炭素含有量を増やし、焼入れしてマルテンサイトを形成します。

強さ

金属強度は、材料を変形させるのに必要な力の量です。鋼片を正規化すると、材料全体に一貫した微細構造が作成されるため、強度が向上します。

延性

延性とは、引張応力下で金属が変形する能力です。冷間成形鋼は、微細構造の転位のために延性が低くなります。プロセスアニーリングは、結晶を再形成できるようにすることでこれを改善し、したがって転位の一部を排除します。

タフネス

靭性とは、破壊することなく応力に耐える能力です。焼入れ鋼は、微細構造に回転楕円体を追加する焼き戻しによってより丈夫にすることができます。

機械加工性

被削性とは、鋼を切断、研削、または穴あけすることで簡単に成形できることです。被削性は主に硬度に影響されます。材料が硬いほど、機械加工が難しくなります。

溶接性

溶接性とは、鋼を欠陥なく溶接する能力です。それは主に化学組成と熱処理に依存しています。融点、電気伝導率、熱伝導率はすべて、材料の溶接性に影響を与えます。

鋼の機械的特性と試験の詳細については、鋳鋼の特性と製造を参照してください。

品質記述子

品質記述子は、商人、工業、または構造品質などの幅広いカテゴリの鉄鋼製品に適用されます。これらのラベルは、特定の鋼が特定の用途や製造プロセスに適していることを示しており、より迅速な市場ナビゲーションと意思決定を可能にします。鋼は、いくつかの異なる要因に基づいて特定のカテゴリに分類されます。

• 内部の健全性
• 化学組成と均一性
• 表面の欠陥の程度
• 製造中のテストの範囲
• インクルージョンの数、サイズ、および分布
• 焼入れ性

鋼種等級システム

ASTM、AISI（American Iron and Steel Institute）、およびSAEによって発行された仕様などは、エンジニア、製造業者、および消費者が鋼の特性を伝達するための標準言語を提供します。多くの場合、等級付けは非常に具体的であり、化学組成、物理的特性、熱処理、製造プロセス、および形状からすべてが含まれます。

ASTM

ASTMシステムは、説明文字とそれに続く連番を使用します。たとえば、「A」は鉄金属を示し、「53」は亜鉛メッキ炭素鋼に割り当てられた番号です。

ASTMA53には次のプロパティがあります。

• 化学組成、最大％
  • カーボン：0.25（グレードA）、0.30（グレードB）
  • マンガン：0.95（グレードA）、1.20（グレードB）
  • リン：0.05
  • 硫黄：0.045
• 機械的特性
  • 引張強度、UTS：330MPaまたは48,000psi（グレードA）、414MPaまたは60,000psi（グレードB）
  • 引張強度、降伏：207MPaまたは30,000psi（グレードA）、241MPaまたは35,000psi（グレードB）
• 形式と扱い
  • パイプNPS1/8– NPS 26
  • 亜鉛メッキ鋼
  • 黒と溶融亜鉛めっき
  • 亜鉛コーティング
  • 溶接されたシームレス

SAE

AISI / SAEナンバリングシステムは、分類に4桁の番号を使用します。最初の2つの数字は鋼の種類と合金元素の濃度を示し、最後の2つの数字は炭素濃度を示します。

たとえば、SAE 5130は、1％のクロムと0.30％の炭素を含む鋼を表します。文字の接頭辞は、販売者の品質の品質記述子として使用されます。