炭素鋼とは
炭素鋼とは、主成分となる鉄に炭素を添加した鉄鋼素材の一種です。
組成成分は、鉄と炭素以外にマンガンやケイ素、リン、硫黄といった元素などです。炭素の含有量によって鋼の性質が決まるため、炭素鋼と呼ばれています。
炭素や他の元素をほぼ含まない純鉄 (炭素含有量0.02%未満) は、非常に軟らかく実用に向きませんが、炭素を添加することで硬度や強度などが向上する性質を持ちます。この性質を活かした材料が炭素鋼で、炭素の含有量を調節することにより、利用目的に応じた性質の炭素鋼を得ることができます。
炭素鋼の使用用途
炭素鋼は合金鋼と同様に、あらゆる構造物や機械構成部品、日用品に使用されています。炭素鋼の機械的性質は、炭素の含有量によって異なり、さらに熱処理によっても大きく変化することです。
したがって、金属素材としての適応範囲が広く、さまざまな分野で利用されています。炭素鋼や合金鋼は、非常に多くの種類があり、それらは炭素含有量や使用用途、強度、組成成分などによって分類され、他の工業製品のように規格化がなされています。特に炭素鋼は合金鋼に比べて安価であるため、鉄鋼材料を選定する際、最初に検討すべき素材です。
炭素鋼の特徴
一般的に、炭素含有量が0.02%～2.14%までの鉄鋼材を「炭素鋼」と呼びます。炭素含有量が多くなるにつれて、硬さや引張強さが増加します。一方で、脆く伸びにくくなるため、耐衝撃性や加工性は低下します。
炭素含有量の調整に加えて、熱処理を加えることで特性が変化します。主な熱処理方法として、焼なまし・焼ならし・焼入れ・焼戻しが挙げられます。
炭素鋼に含まれる鉄以外の成分のうち、特に炭素・マンガン・ケイ素・リン・硫黄を5大元素と呼びます。炭素以外の元素は多くの場合、意図的に添加されたものではなく製造時に除去されずに残ったものです。
ケイ素には引張強さを、マンガンには粘り強さ (靭性) と焼入れ性を向上させる働きがあります。リンは低温下での靭性を、硫黄は高温下での靭性を下げる働きがあるため、可能な限り含有率を下げるのが望ましいです。
炭素鋼の種類
以下に示すように、炭素鋼には複数の分類方法があります。
1. 炭素含有量による分類
炭素含有量によって、低炭素鋼 (0.02%～0.25%) 、中炭素鋼 (0.25%~0.6%) 、高炭素鋼 (0.6%～2.14%) に分類されます。幅広い用途に用いられることから、特に低炭素鋼・中炭素鋼をまとめて普通鋼とも呼びます。
2. 硬さによる分類
硬さにより、大きく軟鋼・硬鋼の2つに分類されます。炭素含有量で見ると、概ね0.18%～0.3%が軟鋼、0.3%～1.0%が硬鋼に対応します。
より細かく、極軟鋼 (0.12%以下) 、軟鋼 (0.12%～0.2%) 、半軟鋼・半硬鋼 (0.2%～0.45%) 、硬鋼 (0.45%～0.8%) 、最硬鋼・至硬鋼 (0.8～1.7%) と呼び分けられることもあります。軟鋼と硬鋼では、焼入れに対する特性が異なります。
軟鋼は炭素量が少ないため、焼入れを施してもほとんど効果が得られない点がデメリットです。一方で、焼きが入りにくいため溶接が可能であるというメリットもあります。
3. JIS規定名称による分類
工業的には、JIS規格において組成成分量、機械的性質、名称 (記号) によって細かく分類されています。JIS規格における代表的な分類名とその特徴は、以下の通りです。
- 冷間圧延鋼板 (SPC材)
炭素含有量0.1%未満の炭素鋼です。板状に加工された炭素鋼で、炭素鋼の中ではもっとも軟らかく、加工が容易ですが、負荷のかかる部材には向きません。 - 一般構造用圧延鋼材 (SS材)
安価で汎用性が高く、加工性も優れるため、構造用としてだけでなく機械部品にも使用されています。熱処理には向いていないので、処理をせずに用いるのが基本です。代表的な鋼種にSS400があります。 - 機械構造用炭素鋼鋼材 (S-C材)
SS材に比べて硬度、強度が高く、熱処理もできるので、ギアやベアリングなど機械的強度が求められる機械部品に向いています。代表的な鋼種にS45CやS50Cがあります。 - 炭素工具鋼鋼材 (SK材)
S-C材よりもさらに硬度、強度の高い炭素鋼ですが、高温になると硬度が下がってしまいます。工具としての用途では、主に熱を発しない手作業用の工具類に向いています。