ものづくりに欠かせない炭素鋼の基礎知識。種類や熱処理について解説

商品お試しキャンペーン実施中!

ものづくりに欠かせない炭素鋼の基礎知識。種類や熱処理について解説

一般的に「鉄」と呼ばれている金属は、機械や建造物、自動車などの材料として多くの場所で使われています。しかし、実際にはその多くが炭素鋼と呼ばれるものです。 この記事では鉄と炭素鋼の違いや炭素鋼の種類とそれぞれの用途、熱処理の方法などをご紹介します。

炭素鋼とは

日常的に「鉄」と呼ばれている材料は、実際はその大半が純粋な鉄ではありません。純度の高い鉄は非常に脆く加工に向かないため、鉄以外の成分を加えています。この鉄を主成分とした材料を「鉄鋼」と呼びます。

鉄鋼には、炭素(C)をはじめ、シリコン(Si)・マンガン(Mn)・リン(P)・硫黄(S)の5大元素と呼ばれる鉄以外の成分が添加されていて、その中でも炭素の含有量が0.02~2%程度のものが炭素鋼です。炭素鋼よりも炭素の含有量が多い鉄鋼は「鋳鉄」と呼ばれます。

また、5大元素に加えてクロム(Cr)やモリブテン(Mo)、ニッケル(Ni)などを添加し特性を変えたものが合金鋼です。代表的な合金鋼としては、ステンレス鋼や超硬合金など挙げられます。

炭素鋼の種類

炭素鋼には主な使用目的に応じた特性が与えられ、分類ごとに規格化されています。一般的に用いられる炭素鋼としては、次の4種類が代表的です。

・SPC材

SPC材とは、炭素含有量0.1%未満の炭素鋼のことです。Steel Plate Coldの略で、日本語では冷間圧延鋼板と呼ばれます。炭素鋼の中では最も柔らかく、主に曲げ加工やプレス加工といった加工方法の材料に適しています。

・SS材

Steel Structure(構造用鋼)を略したもので、炭素含有量は0.1~0.3%です。日本語名は一般構造用圧延鋼材となります。
SS400が代表的な鋼種で、SSの後の数字は引っ張り強さを表します。SS400は比較的安価で加工性が良いため、建築から自動車まで幅広い分野で使われていて、鉄鋼材料として最も流通量が多いです。

・S-C材

機械構造用炭素鋼鋼材とも呼ばれ、炭素含有量は0.1~0.6%です。炭素0.45%のS45Cのように、炭素含有量を間に挟んで表記します。 S-C材は機械的強度が高く、熱処理での特性変化にも優れますが、冷却で割れが生じたり、熱で焼きが入って硬くなったりするので、溶接性の面ではSS材に劣ります。 精密機械の部品や強度の求められるピンやシャフト、ベアリングなどに使われることが多いです。

・SK材

SKとはSteel Kouguの略で、炭素工具鋼鋼材と呼ばれます。SKの後ろに入る数字は炭素含有量を表していて、SK85の場合は炭素量0.85%となります。炭素含有量が0.6~1.5%と炭素鋼の中でも高く、硬さや耐摩耗性に優れているのが特徴です。 工具向けの鋼種として開発されたSK材ですが、現在はモリブテンやバナジウムを加えた合金鋼が工具材料の主流となっています。

炭素鋼に熱処理を行う方法

炭素鋼は炭素の含有量を調整してさまざまな特性を持たせるだけでなく、熱処理によって硬さや粘り強さなどの特性をコントロールできる点も特徴のひとつです。炭素鋼に施す熱処理としては、以下のような方法があります。

・焼き入れ

炭素鋼の組織構造が変化する温度(変態点)まで加熱し、一定時間おいた後に急冷する熱処理方法を焼き入れといいます。主に炭素鋼を硬くするのが目的です。 焼き入れ作業には、ズブ焼き入れ・表面焼き入れ・浸炭焼き入れ・高周波焼き入れ・真空焼き入れ・窒化焼き入れなど、手法が細かく分類されていて、方法によって素材への影響が変わります。

・焼き戻し

焼き入れによって炭素鋼は硬くなりますが、そのままではもろく割れやすいという弱点も持つことになります。そこで、硬さを調節すると同時に粘り強さも与えるために、焼き戻しという熱処理を行います。 素材のひび割れや破損を防ぐために、焼き入れと焼き戻しはセットで行うのが基本です。

焼き入れを行った材料を再加熱し、適切な温度で冷却していくのが、焼き戻しの基本的な方法です。再加熱の温度により、低温焼き戻しと高温焼き戻しの2つに大きく分けられます。

・焼きなまし

焼きなましは、加熱後に長時間かけてゆっくり冷却する熱処理です。炭素鋼を柔らかくし、加工性や切削性、割れ耐性を向上させる目的で行われます。 焼きなましを行う目的に応じて、拡散焼きなまし・完全焼きなましなどの手法を使い分けます。

・焼きならし

炭素鋼は加工する際に生じたひずみが原因で、組織中の成分が偏っています。この偏りを均一化して、機械的性質を高める目的で行うのが焼きならしです。 基本の方法としては、変態点よりも高い温度で炭素鋼を再加熱した後、空中で放冷する手法がとられます。

用途の幅広い炭素鋼は金属材料を代表する素材

炭素鋼はさまざまな分野・場所で使われている金属材料の代表的存在で、現代文明を支えている重要な主要材料のひとつです。
用途に応じていくつかの種類に分けられているので、真価を発揮するためには、種類ごとの特性を理解して使い分ける必要があります。また、それぞれに適した加工法も異なるため、鋼種ごとの特性について理解を深めておきましょう。