炭素鋼も、技術的には合金で、鉄に炭素を加えたものです。業界の用法が引く、本当の区別は、より狭いものです。「合金鋼」とは、炭素含有量だけに頼るのではなく、特定の特性を微調整するために、炭素以外の元素(クロム、ニッケル、モリブデン、バナジウム、マンガンなど)が、意図的に、意味のある量で添加された鋼種を意味します。
組成の違い
- 炭素鋼:鉄に炭素(一般に2%未満)を加えたもので、マンガン、ケイ素、同様の元素は、付随的な量のみで、特定の特性を高めるために意図的に添加されるものはありません。
- 合金鋼:鉄と炭素に加えて、意図的に添加された元素を含みます。業界の慣例では、一般に、これを低合金鋼(合金元素の合計がおよそ5%未満)と高合金鋼(およそ5%超 — クロム10.5%以上のステンレス鋼は、このカテゴリーの高いほうの端に位置します)に分けます。その5%の線は、情報源によって完全には一貫しておらず、4%と低く設定するものもあれば、8%と高く設定するものもあるため、固定の規格ではなく、業界でよく使われる経験則として扱ってください。
合金鋼は何でできているか
合金鋼に添加される各元素は、普通炭素鋼の特定の弱点を狙っています。
| 元素 | 一般的な添加範囲 | 改善するもの |
|---|---|---|
| クロム(Cr) | 0.5%〜2%(ステンレス鋼種では12%以上まで) | 硬さ、耐摩耗性、耐食性 |
| ニッケル(Ni) | 0.5%–5% | 靭性、耐衝撃性、耐食性 |
| モリブデン(Mo) | 0.1%–0.5% | 高温強度、焼入れ性 |
| バナジウム(V) | 0.1%–0.25% | 結晶粒の微細化、疲労強度 |
| マンガン(Mn) | 0.3%–2% | 強度、焼入れ性、耐摩耗性 |
| ケイ素(Si) | 0.2%–2% | 脱酸剤、より高い降伏強さ |
実例として、最も一般的な低合金鋼種の1つである4140鋼は、約0.4%の炭素、1%のクロム、0.2%のモリブデンを含みます。その組み合わせは、普通炭素鋼で炭素含有量だけが実現できる水準を、はるかに超えるのに十分です。仕様の完全な内訳は、4140鋼とは?をご覧ください。
性能比較
| 炭素鋼 | 合金鋼 | |
|---|---|---|
| 強度/硬さの源 | 炭素含有量+熱処理 | 合金元素+熱処理の組み合わせ |
| 耐食性 | 低い、錆びやすい | 使用する元素による — 大幅に改善できる(例:クロム) |
| 高温での性能 | 一般に限られる | 通常、より良い(モリブデンが高温強度を向上させる) |
| 溶接性/被削性 | 通常、より容易 | 通常、より難しく、合金元素による |
| コスト | 低い | より高い(合金元素のコスト+加工の難しさ) |
| 一般的な用途 | 梁、板、パイプ、一般的な構造部品 | 歯車、高強度シャフト、圧力容器、高温部品、自動車部品 |
どちらを選ぶべきか
- 一般的な構造工事、限られた予算、または溶接しやすさが必要な部品:炭素鋼。
- 高い比強度の要求、高温、腐食にさらされる、あるいは疲労に敏感な用途:合金鋼で、その特定の要求に対応する具体的な元素(摩耗/腐食にはクロム、熱にはモリブデン、疲労にはバナジウム)で選びます。
炭素鋼自体の内部のグレード構成(低/中/高炭素、そして軟鋼の位置づけ)については、炭素鋼とは?をご覧ください。
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