炭素鋼は、鉄と炭素の合金で、クロム、ニッケル、その他の元素ではなく、炭素が、特性を変える主な成分であり、通常、混合物の0.05%〜2.1%を占めます。その炭素含有量は、材料の硬さ、強度、延性、溶接性に対する、唯一最大のてこで、炭素が多いほど、硬く、強くなりますが、延性が低下し、溶接が難しくなります。
炭素含有量が効く理由
鉄単体は柔らかく、規則的で繰り返しの結晶格子を形成します。炭素原子を加えると、その格子が乱され、炭素原子が鉄の結晶構造に割り込んで歪ませるため、構造が荷重で変形しにくくなります。それが、仕組みのすべてを一文で表したものです。格子に閉じ込められた炭素原子が多いほど、変形への抵抗が大きくなり、それが、より高い硬さと引張強さとして現れます。トレードオフは、同じ仕組みが延性に対して逆に働くことです。変形しにくい格子は、割れずに曲げたり引き伸ばしたりすることも難しく、変形に抵抗する同じ剛性が、溶接が加える局所的な加熱と冷却にも抵抗するため、きれいに溶接するのも難しくなります。
炭素鋼には、ステンレス鋼に耐食性を与えるクロムとニッケルの含有量もないため、保護されていない炭素鋼は、炭素の尺度のどこに位置していても、湿った、または濡れた環境で錆びます。
炭素鋼の分類
| 分類 | 炭素含有量 | 特性 | 一般的な用途 |
|---|---|---|---|
| 低炭素(軟鋼) | 0.05%–0.25% | 柔らかく、延性があり、溶接と機械加工が容易 | 構造用の梁、自動車のボディパネル、パイプ |
| 中炭素 | 0.30%–0.60% | 強度と硬さのバランス | 歯車、車軸、レール |
| 高炭素 | 0.60%〜1.0%(1.25%や1.5%まで広げている情報源もある) | 硬く、耐摩耗性があり、熱処理で硬化でき、溶接がより難しい | 切削工具、ばね、高強度ワイヤー |
| 超高炭素 | 1.25%–2.0% | 最大の硬さで、もろい | 特殊な工具鋼 |
「高炭素」の上限は、合意された単一の数値ではなく、参考資料によって、炭素1.0%から1.5%の間のどこかに設定されています。これは、単一の権威ある線引きではなく、情報源間の本当の不一致ですので、その範囲の数値は、厳格なルールではなく、妥当な基準点として扱ってください。
ある推定(単一の情報源によるもので、他と相互確認されていません)では、炭素鋼は、世界の鉄鋼生産のおよそ90%を占めるとされています。業界規模の数値として触れておく価値はありますが、正確に検証された数値として扱うものではありません。
高炭素鋼と低炭素鋼の比較一覧
炭素含有量の尺度の両端は、すべての実用上の軸で、正反対です。
| 低炭素 | 高炭素 | |
|---|---|---|
| 炭素含有量 | ~0.05%–0.25% | ~0.6%–1.0%+ |
| 硬さ | 低い | 高い |
| 延性/成形性 | 高い | 低い |
| 溶接性 | 容易 | 難しく、予熱/溶接後熱処理なしでは割れやすい |
| 一般的な部品 | 構造用形鋼、板、パイプ | 切削工具、ばね、高強度ワイヤー |
この表以外に説明すべき別個の「違い」はありません。高炭素鋼と低炭素鋼は、上記の分類尺度の両端にすぎず、完全に、炭素の割合のどこに位置するかによって区別されます。
よく知られた高炭素鋼種
高炭素の範囲では、少数のSAE/AISIのグレードが、工具やファスナーの仕事で、絶えず登場します。
| グレード | おおよその炭素含有量 | 代表的な用途 |
|---|---|---|
| 1060 | ~0.60% | 工具、歯車、刃 |
| 1080 | ~0.80% | ヘビーデューティーのばね、切削工具、高引張強さのワイヤー |
| 1095 | ~0.95% | 精密な切削工具と刃 — 3つの中で、最も優れた刃持ち/硬さの保持 |
このグレードファミリーの用途は、一般に、4つの分類に分けられます。切削工具(ナイフ、のみ、のこぎりの刃、切れ刃)、高張力ばね(車両のリーフ/コイルスプリング、産業用スプリング)、高強度ワイヤー(サスペンションケーブル、エレベーターケーブル、楽器用ワイヤー)、そして耐摩耗/耐衝撃部品(コンクリート用ドリルビット、石材加工工具、ベアリングボール、歯車)です。
軟鋼は炭素鋼と同じか?
はい、重要な意味で:軟鋼は低炭素鋼であり、それが炭素鋼の一種である、つまり別個の材料ではない、ということです。軟鋼は、炭素がおよそ0.05%〜0.25%で、上記の分類表の、まさに低炭素の行です。この2つの用語は、日常会話では、ある程度、区別なく使われるため、混乱は理解できますが、その関係は、包含関係であって、並列の2つのカテゴリーではありません。
あるサプライヤーの資料(metalsupermarkets.com)は、炭素鋼の軟鋼に対する強度の優位を、最大20%としていますが、その数値は、特に、軟鋼を中炭素/高炭素鋼と比較したもので、炭素鋼のカテゴリー全体(繰り返しますが、軟鋼自体を含みます)との比較ではありません。
合金鋼との関係
炭素鋼も、技術的には合金で、鉄に炭素を加えたものです。しかし、業界の用法では、「合金鋼」は、特定の特性を微調整するために、通常の炭素鋼の組成を超えて、他の元素(クロム、ニッケル、モリブデン、バナジウム、マンガン)が意図的に添加されたグレードのために取っておかれます。組成、性能のトレードオフ、どちらをいつ選ぶかを含む完全な比較については、炭素鋼と合金鋼の違いは?をご覧ください。
融点
炭素鋼は、単一の点ではなく、ある範囲で溶け、およそ1,425°C〜1,540°C(2,600°F〜2,800°F)で、正確な値は炭素含有量によって変わります。炭素含有量が高いほど融点が下がる理由を含め、完全に解説したのが、炭素鋼は何度で溶ける?です。
関連記事: 炭素鋼と合金鋼の違いは? · 炭素鋼は何度で溶ける? · 4140鋼とは?成分・強度・用途
