標準鋼：化学成分、特性、用途

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鋼は、溶融状態から凝固した直後の一定温度範囲で可鍛性を持つ、鉄-炭素合金の大規模なファミリーの総称です。

製鋼の主要原料は鉄鉱石、石炭、石灰石です。これらは高炉で「銑鉄」と呼ばれる製品に変換され、相当量の炭素、マンガン、硫黄、リン、ケイ素を含みます。銑鉄は硬く脆く、直接加工して鍛造形態にすることは不適切です。製鋼は、銑鉄および鉄・鋼スクラップを精錬し、溶湯から有害元素を除去し、所定量の有益元素を添加するプロセスです。ほとんどの製鋼における主要反応は、炭素と酸素の結合によるガス生成です。溶解酸素が注湯前または注湯中に除去されない場合、ガス生成物は凝固中も発生し続けます。脱酸元素の添加によって強力に脱酸されるとガスは発生せず、鋼は型の中で静かに横たわるため「キルド鋼」と呼ばれます。ガス発生度合いの増大（脱酸度の低下）により、「セミキルド鋼」「キャップド鋼」「リムド鋼」が特徴づけられます。脱酸度は鋼の一部特性に影響します。酸素のほか、溶鋼には測定可能な量の溶解水素と窒素が含まれます。重要な鋼用途では、特殊な脱酸方法や真空処理で溶解ガスを低減・制御することがあります。

一般的な鋼グレードの炭素含有量は、数百分の1パーセントから約1%の範囲です。すべての鋼には、主にマンガンを中心に、他の元素も様々な量で含まれます。マンガンは脱酸剤として働き、熱間加工を容易にします。ケイ素、リン、硫黄も常に存在し、たとえ微量であっても存在します。他の元素は、原材料や製鋼プラクティスに由来する残留元素として、または鋼の特性を変化させるために意図的に添加される合金元素として存在することがあります。

鋼は形状に鋳造できるほか、鋳塊やストランドを再加熱し、圧延、鍛造、押出し、その他のプロセスで熱間加工して鍛造工場形材にすることができます。鍛造鋼は最も広く使用される工学材料で、多様な形状、仕上げ、強度、使用温度範囲を提供します。製品設計において、これほどの汎用性を提供する他の材料はありません。

標準鋼の分類

鍛造鋼は、化学成分、脱酸方法、仕上げ方法、製品形状などの共通特性に基づいて体系的にグループに分類できます。化学成分が、鍛造鋼の識別と標準記号の割り当てに最もよく使用される基準です。炭素は鋼の主要な硬化・強化元素ですが、単一の元素が鋼の特性を支配することはありません。複数元素の組み合わせ効果が、熱処理応答、硬度、強度、組織、耐食性、成形性に影響します。標準鋼は大きく3つの主要グループに分けられます：炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼。

炭素鋼

マンガン含有量が1.65%（最大）、ケイ素が0.60%（最大）、銅が0.60%（最大）に制限される場合、その鋼は炭素鋼と見なされます。脱酸剤と指定時のホウ素を除き、他の合金元素は意図的に添加されませんが、残留元素として存在することがあります。これらの付随元素が特殊用途で有害と見なされる場合、許容最大限度が指定されることがあります。ほとんどの合金鋼とは対照的に、炭素鋼は最終熱処理なしで使用されることが最も多いですが、製造や機械的特性を向上させるために、焼鈍、正規化、浸炭焼入れ、焼入れ焼き戻しが行われることがあります。炭素鋼はキルド、セミキルド、キャップド、リムドのいずれでもあり、必要に応じて脱酸方法を指定できます。

合金鋼

合金鋼は、炭素鋼の元素含有量上限を超えるグレードだけでなく、炭素鋼で使用されるものとは異なる元素が、特定範囲または特定最小量で添加され、機械的特性、加工特性、または鋼のその他の属性を向上させるグレードも含みます。この定義では、合金鋼は炭素鋼以外のすべての鋼を包含しますが、慣習的に、3.99%以上のクロムを含む鋼は合金鋼の「特殊タイプ」と見なされ、ステンレス鋼と多くの工具鋼が含まれます。

技術的な意味では、合金鋼という用語は、控えめな量の合金元素（約1〜4%）を含み、一般的に熱処理によって特定の機械的特性を発現させる鋼に限定されます。合金鋼は常にキルド鋼ですが、特殊な重要用途では特殊な脱酸や溶解プラクティス（真空含む）が指定されることがあります。合金鋼は一般的に、熱的および機械的操作に対してより敏感であるため、製造全工程で追加の注意が必要です。

ステンレス鋼

ステンレス鋼は高合金鋼で、比較的大量のクロムを含むため、炭素鋼および従来の低合金鋼より優れた耐食性を持ちます。他の元素も耐食性を高めることがありますが、この点での有用性は限定的です。

ステンレス鋼は一般的に10%以上のクロムを含み、他の元素を含むか含まないかです。しかし、米国では慣翏的に、クロムを4%含む鋼もステンレス鋼分類に含めてきました。これらは総称してステンレス耐熱鋼ファミリーを形成し、中には非常に高い強度と酸化抵抗性を持つものもあります。しかし、クロム30%以上または鉄50%未満のものはほとんどありません。

広い意味では、標準ステンレス鋼は組織に基づいて3グループに分けられます：オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系。各グループには、基本的な汎用合金を表す組成が1つあります。他のすべての組成は、非常に特定の特性を得るために、基本合金から特定の組成変化を加えて派生させたものです。

オーステナイト系グレードは、焼鈍状態では非磁性ですが、冷間加工後にはわずかに磁性を帯びることがあります。冷間加工でのみ硬化可能で、熱処理では硬化せず、幅広い温度範囲で優れた耐食性・耐熱性と良好な機械的特性を兼ね備えています。オーステナイト系グレードはさらに2つのサブグループに分類されます：クロム-ニッケル系と、あまり使用されないクロム-マンガン-低ニッケル系です。クロム-ニッケルグループの基本組成は18-8（Cr-Ni）として広く知られ、汎用オーステナイトグレードです。このグレードは20以上の派生グレードの基礎となっており、以下のように特徴づけられます：クロム-ニッケル比を変更して成形特性を変化させる；炭素含有量を減らして粒界腐食を防止する；ニオブやチタンを添加して組織を安定化させる；モリブデンを添加するかクロムとニッケル含有量を増やして耐食性や酸化抵抗性を向上させる。

標準フェライト系グレードは常に磁性を持ち、クロムを含みますがニッケルは含みません。冷間加工である程度硬化可能ですが、熱処理では硬化せず、耐食性・耐熱性と中程度の機械的特性、装飾的魅力を兼ね備えています。フェライト系グレードは一般的に、オーステナイト系グレードより狭い耐食条件範囲に限定されます。基本フェライトグレードは17%クロムを含みます。この系列には、フリーカッティング改良グレードと、スケール耐性向上のためクロム含有量を増やしたグレードがあります。また、このフェライトグループには、アルミニウムやチタンなどの他元素を添加して硬化を防止した12%クロム鋼（マルテンサイトグループの基本組成）も含まれます。

標準マルテンサイト系グレードは磁性を持ち、焼入れ焼き戻しで硬化可能です。クロムを含み、2つの例外を除きニッケルは含みません。基本マルテンサイトグレードは通常12%クロムを含みます。マルテンサイト系列には10以上の標準組成があり、一部は切削性向上のために改良され、一部は少量のニッケルや他元素を添加して機械的特性や熱処理応答を改良しています。また、工具鋼レベルまで炭素含有量を大幅に増やし、すべてのステンレス鋼の中で最高レベルまで硬化可能なものもあります。マルテンサイト系グレードは、大気、淡水、蒸気、弱酸などの穏やかな環境での使用に優れていますが、強腐食性溶液には耐えられません。

金属と合金の番号体系

様々な業界団体、専門技術協会、標準化機関、民間企業が、それぞれの用途のために金属と合金の番号体系を開発してきました。金属や合金を識別するために使用される数値コードは、仕様（製品が満たすべき技術的・商業的要求事項の記述）に関連している場合もあれば、関連していない場合もあります。使用されている番号体系には、米国鉄鋼協会（AISI）、自動車技術者協会（SAE）、米国材料試験協会（ASTM）、米国規格協会（ANSI）、米国鋼造協会、米国機械学会（ASME）、米国溶接協会（AWS）、アルミニウム協会、銅開発協会、米国国防総省（軍事仕様）、会計検査院（連邦仕様）などが開発したものがあります。

統一番号体系（UNS）は、ASTMとSAEの共同努力によって開発され、商業的地位を持つ金属と合金の異なる番号体系を相関させる手段を提供するものです。このシステムは、同じ材料を指定するために複数の識別番号が使用される場合や、同じ番号が全く異なる2つの材料に割り当てられる場合に生じる混乱を防ぎます。UNS番号は仕様ではなく、詳細な仕様が別途提供される金属と合金の識別番号であることを理解することが重要です。UNS番号は表1に示され、各番号は文字プレフィックスと5桁の数字で構成されます。一部では、文字がその系列で識別される金属ファミリーを示唆しています（例：Aはアルミニウム、Cは銅）。可能な限り、UNSグループの番号には、材料の識別を容易にするため、他のシステムから直接番号体系が採用されています。例えば、AISI 1020鋼に対応するUNS番号はG10200です。普通鋼、合金鋼、工具鋼を識別するために一般的に使用されるAISI-SAE番号に対応するUNS番号は表2に示されています。

まとめ

この記事では、標準鋼の主要な種類について説明しました。材料の特性についてさらに学ぶには、産業出版から刊行されAmazonで入手可能な『機械設計便覧 第30版』を参照してください。

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