標準鋼の特性、組成、および用途
画像クレジット：Shutterstock / CHIARI VFX
鋼は、溶融状態から凝固した直後に、ある温度範囲内で可鍛性のある鉄-炭素合金の大きなファミリーの総称です。
製鋼に使用される主な原料は、鉄鉱石、石炭、石灰石です。これらの材料は、高炉で「銑鉄」と呼ばれる製品に変換されます。この製品には、かなりの量の炭素、マンガン、硫黄、リン、およびシリコンが含まれています。銑鉄は硬く、もろく、錬鉄に直接加工するには不向きです。製鋼は、溶融物から望ましくない元素を除去し、次に望ましい元素を所定の量で加えることによって、銑鉄ならびに鉄鋼スクラップを精製するプロセスです。ほとんどの製鋼における主な反応は、炭素と酸素を組み合わせてガスを形成することです。注ぐ前または注ぐ間に溶存酸素が溶融物から除去されない場合、ガス状生成物は凝固中に進化し続けます。脱酸元素を添加して鋼を強く脱酸すると、ガスが発生せず、金型内に静かに存在するため「キル」と呼ばれます。ガス発生の程度の増加（脱酸の減少）は、「セミキル」、「キャップ」、または「リム」と呼ばれる鋼の特徴です。脱酸の程度は、鋼のいくつかの特性に影響を与えます。液体鋼には、酸素に加えて、測定可能な量の溶存水素と窒素が含まれています。一部の重要な鉄鋼用途では、溶存ガスを削減および制御するために、特別な脱酸と真空処理が使用される場合があります。
一般的な鋼種の炭素含有量は、数百パーセントから約1パーセントの範囲です。すべての鋼には、さまざまな量の他の元素、主にマンガンが含まれています。マンガンは、脱酸剤として機能し、熱間加工を容易にします。シリコン、リン、硫黄も、微量の場合でも常に存在します。他の元素は、意図的に添加されたのではなく、原材料または製鋼の慣行から生じた残留物として、または鋼の特性を変化させるために添加された合金元素として存在する可能性があります。
鋼を鋳造して成形することも、鋳造したインゴットまたはストランドを再加熱して、圧延、鍛造、押し出し、またはその他のプロセスで鍛造ミルの形状に熱間加工することもできます。錬鉄は最も広く使用されているエンジニアリング材料であり、さまざまな形状、仕上げ、強度、および使用可能な温度範囲を提供します。製品設計に匹敵する汎用性を提供する材料は他にありません。
標準鋼分類
錬鉄は、化学組成、脱酸の方法、仕上げ方法、製品の形態など、いくつかの一般的な特性に基づいて体系的にグループに分類できます。化学組成は、錬鉄の標準的な指定を識別して割り当てるために最も頻繁に使用される基礎です。炭素は鋼の主要な硬化および強化元素ですが、単一の元素が鋼の特性を制御することはありません。いくつかの要素の複合効果は、熱処理、硬度、強度、微細構造、耐食性、および成形性への応答に影響を与えます。標準鋼は、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼の3つの主要なグループに大きく分けることができます。
炭素鋼
マンガン含有量が1.65パーセント（最大）、シリコンが0.60パーセント（最大）、銅が0.60パーセント（最大）に制限されている場合、鋼は炭素鋼として適格です。指定された場合の脱酸剤とホウ素を除いて、他の合金元素は意図的に添加されていませんが、それらは残留物として存在する可能性があります。これらの付随的な要素のいずれかが特別なアプリケーションにとって有害であると見なされる場合は、最大許容限度を指定できます。ほとんどの合金鋼とは対照的に、炭素鋼は最終的な熱処理なしで最も頻繁に使用されます。ただし、製造または機械的特性を向上させるために、焼きなまし、正規化、肌焼き、または焼き入れおよび焼き戻しを行うことができます。炭素鋼は、殺す、半殺す、蓋をする、または縁を付けることができ、必要に応じて、脱酸の方法を指定することができます。
合金鋼
合金鋼は、炭素鋼の元素含有量の制限を超えるグレードだけでなく、炭素鋼に使用されるものとは異なる元素が特定の範囲または特定の最小値内で追加されて、機械的特性、製造特性、または鋼の他の属性。この定義により、合金鋼は炭素鋼以外のすべての鋼を含みます。ただし、慣例により、3.99％を超えるクロムを含む鋼は、ステンレス鋼や多くの工具鋼を含む「特殊タイプ」の合金鋼と見なされます。
技術的な意味では、合金鋼という用語は、適度な量の合金元素（約1〜4パーセント）を含み、特定の機械的特性を開発するために一般に熱処理に依存する鋼のために予約されています。合金鋼は常に殺されますが、真空を含む特別な脱酸または溶融方法が、特別な重要な用途に指定される場合があります。合金鋼は、熱的および機械的操作に対してより敏感であるため、通常、製造全体を通じて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あり、比較的大量のクロムを含んでいるため、炭素鋼や従来の低合金鋼よりも優れた耐食性を備えています。他の元素も耐食性を高める可能性がありますが、この点での有用性は限られています。
ステンレス鋼は一般に、他の元素の有無にかかわらず、少なくとも10パーセントのクロムを含んでいます。しかし、米国では、ステンレス鋼の分類に、わずか4パーセントのクロムを含む鋼を含めるのが通例でした。これらの鋼は一緒になって、ステンレス鋼および耐熱鋼として知られるファミリーを形成し、そのいくつかは非常に高い強度と耐酸化性を備えています。ただし、30パーセントを超えるクロムまたは50パーセント未満の鉄を含むものはほとんどありません。
最も広い意味で、標準的なステンレス鋼は、その構造に基づいて、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系の3つのグループに分類できます。 3つのグループのそれぞれに、基本的な汎用合金を表す1つの組成があります。他のすべての組成物は基本的な合金に由来し、非常に特定の特性を得るために組成物の特定のバリエーションが作られています。
オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工後にわずかに磁性を帯びる場合がありますが、焼きなまし状態では非磁性です。それらは、熱処理ではなく冷間加工によってのみ硬化することができ、優れた耐食性と耐熱性を広い温度範囲にわたって優れた機械的特性と組み合わせます。オーステナイト系ステンレス鋼はさらに2つのサブグループに分類されます。クロムニッケルタイプと、あまり使用されないクロムマンガン低ニッケルタイプです。クロムニッケルグループの基本組成は18-8（Cr-Ni）として広く知られており、汎用オーステナイト系ステンレス鋼です。このグレードは、次のように特徴付けることができる20を超える変更の基礎となります。クロム-ニッケル比は、成形特性を変更するために変更されています。粒界腐食を防ぐために炭素含有量が減少しました。構造を安定させるために、ニオブまたはチタンの元素が追加されています。または、耐食性または耐酸化性を向上させるために、モリブデンが追加されているか、クロムとニッケルの含有量が増加しています。
標準のフェライト系ステンレス鋼は常に磁性を帯びており、クロムは含まれていますがニッケルは含まれていません。それらは冷間加工によってある程度硬化することができますが、熱処理によっては硬化できません。また、耐食性と耐熱性を適度な機械的特性と装飾的な魅力と組み合わせています。フェライト系ステンレス鋼は一般に、オーステナイト系ステンレス鋼よりも狭い範囲の腐食条件に制限されています。基本的なフェライト系ステンレス鋼には、17パーセントのクロムが含まれています。このシリーズでは、耐スケーリング性を向上させるために、クロム含有量を増やしたフリーマシニングの修正とグレードがあります。また、このフェライト系には、硬化を防ぐためにアルミニウムやチタンなどの他の元素が添加された12％クロム鋼（マルテンサイト系の基本組成）が含まれています。
標準のマルテンサイトグレードは磁性があり、焼入れおよび焼き戻しによって硬化させることができます。それらはクロムを含み、2つの例外を除いてニッケルを含みません。基本的なマルテンサイト系ステンレス鋼には通常、12パーセントのクロムが含まれています。マルテンサイト系には10以上の標準組成があります。機械加工性を改善するために変更されたものもあれば、機械的特性または熱処理に対する応答を改善するためにニッケルまたは他の元素を少量添加したものもあります。さらに、工具鋼の範囲で炭素含有量が大幅に増加し、すべてのステンレス鋼の最高レベルに硬化するものもあります。マルテンサイト系ステンレス鋼は、大気、淡水、蒸気、弱酸などの穏やかな環境での使用に最適ですが、ひどく腐食性の溶液には耐性がありません。
金属および合金の記数法
さまざまな業界団体、専門技術団体、標準化団体、および民間企業が独自に使用するために、金属および合金用にいくつかの異なる番号付けシステムが開発されています。金属または合金を識別するために使用される数値コードは、製品が満たさなければならない技術的および商業的要件の記述である仕様に関連している場合と関連していない場合があります。使用されているナンバリングシステムには、American Iron and Steel Institute（AISI）、Society of Automotive Engineers（SAE）、American Society for Testing and Materials（ASTM）、American National Standards Institute（ANSI）、Steel Founders SocietyofAmericaによって開発されたものが含まれます。 American Society of Mechanical Engineers（ASME）、American Welding Society（AWS）、Aluminum Association、Copper Development Association、U.S。Department of Defense（Military Specification）、およびGeneral Accounting Office（FederalSpecifications）。
統一番号システム（UNS）は、ASTMとSAEの共同の取り組みによって開発され、商業的地位を持つ金属および合金のさまざまな番号付けシステムを相互に関連付ける手段を提供します。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ている場合、または2つのまったく異なる材料に同じ番号が割り当てられている場合に発生する混乱を回避します。 UNS番号は仕様ではないことを理解することが重要です。これは、詳細な仕様が他の場所で提供されている金属および合金の識別番号です。 UNS番号を表1に示します。各番号は、文字の接頭辞とそれに続く5桁の数字で構成されます。いくつかの文字は、アルミニウムのAや銅のCなど、シリーズで識別される金属のファミリーを示唆しています。可能な限り、UNSグループの番号には、資料の識別を容易にするために他のシステムから直接取得された番号付けシーケンスが含まれています。たとえば、AISI1020鋼に対応するUNS番号はG10200です。普通炭素鋼、合金鋼、工具鋼を識別するために使用される一般的に使用されるAISI-SAE番号に対応するUNS番号を表2に示します。
概要
この記事では、標準鋼の主な種類について説明しました。材料の特性の詳細については、AmazonのIndustrialPressから発行および入手可能なMachinery'sHandbook、30thEditionを参照してください。
鉄鋼の供給元を見つけるには、Thomas Supplier Discovery Platformにアクセスして、70,000を超えるさまざまな製品およびサービスカテゴリの潜在的な供給元を見つけることができます。
金属