炭素鋼と合金鋼の違いを理解する

炭素鋼と合金鋼の定義

 

鋼とは、周知のとおり、鉄と炭素の合金の総称です。炭素鋼（略して炭素鋼）は、炭素含有量が2.11%未満の鉄と炭素の合金です。その化学組成には、鉄と炭素の他に、ケイ素、マンガン、リン、硫黄などの不純物が少量含まれており、その他の合金元素は含まれていません。

 

炭素鋼の生産量は鉄鋼生産量全体の約80％を占め、建設、橋梁、車両、船舶、機械製造、工業、石油化学、海洋開発などの分野で幅広く使用されている。

 

合金鋼とは、炭素鋼にクロム、ニッケル、タングステン、チタン、バナジウム、マンガン、銅、アルミニウム、モリブデンなどの合金元素を1種類以上添加することで、鋼の特定の特性を向上させる鋼のことです。これらの化学元素は、硬度の向上、耐食性の向上、強度の向上、成形性の向上、溶接性の変化など、さまざまな効果をもたらすために、異なる割合／組み合わせで添加されます。

 

合金鋼の生産量は鉄鋼生産量全体の約20％を占め、機械製造、石油化学、建設、日用化学品、医療機器、合成繊維、輸送など、さまざまな分野で幅広く使用されている。

 

 

炭素鋼と合金鋼の分類

• 炭素鋼の分類

炭素含有量によって、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼に分類される。炭素含有量が高いほど、硬度が高く、靭性は低くなる。

 

低炭素鋼：炭素含有量C%≤0.25%。ファスナーの製造に一般的に使用される低炭素鋼には、A3鋼、Q215A鋼、Q235鋼、20#鋼、22#鋼などがあります。

中炭素鋼：炭素含有量0.25%＜C%≦0.45%。ファスナーの製造に一般的に使用される中炭素鋼には、35#鋼、45#鋼などがあります。

高炭素鋼：炭素含有量C%＞0.45%。高炭素鋼は、炭素含有量が高く、硬くて脆く、壊れやすいため、基本的に市場でファスナーの製造には使用されていません。

 

• 合金鋼の分類

合金元素の総含有量に応じて、低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼に分類され、それぞれ合金含有量や組成、性能が異なります。

 

低合金鋼：合金含有量≦5％

中合金鋼：合金含有量5％＜全合金含有量≦10％

高合金鋼：合金含有量＞10％。

 

ファスナーの製造に使用される一般的な合金鋼には、30CrMo、40Cr、35CrMo、42CrMoなどがあります。

 

炭素鋼と合金鋼の特性

• 炭素鋼の特性

炭素鋼の性能は炭素含有量によって決まる。炭素含有量が高いほど、強度と硬度は高くなるが、塑性、靭性、溶接性は低下する。

 

利点：優れた可塑性と溶接性、低価格、容易な溶解性、優れた加工技術、炭素含有量の調整や加工方法の変更により性能を向上させることができる。

 

欠点：強度がやや低い、焼入れ性が劣る、低温耐性が不十分、耐食性が低い、磁気伝導率が低い、磁場中で磁化されやすい。

 

• 合金鋼の特性

添加される合金元素によって、特性は異なる。

 

利点: 総合性能が優れている。特殊用途に使用可能。高強度、高靭性。焼入れ性が良好で、変形や亀裂が生じにくい。耐摩耗性、耐腐食性、耐低温性、耐高温性、非磁性など。

 

デメリット：高価であること。成形および熱処理工程がより複雑であること。

 

炭素鋼と合金鋼の用途

• 炭素鋼の用途

 

炭素鋼は、様々な建築部材、容器、箱、炉本体、農業機械、小型耐荷重部品、ワッシャー、割りピン、タイロッド、プレス加工品、溶接部品などの製造によく使用されます。

 

ファスナーの製造に使用される炭素鋼

 

Q215A鋼はワッシャーの製造に適しています。

 

Q235鋼は、ボルト、ナット、ねじスリーブ、割りピン、リベットなどの製造に適しており、主に4.8級ボルト、4級ナット、小ねじなど、硬度要件のない製品に使用されます。

 

35番鋼と45番鋼は高品質炭素鋼構造に属し、主に8.8級ボルト、8級ナット、8.8級六角ファスナーの製造に使用されます。

 

• 合金鋼の用途

 

合金鋼は、自動車、船舶、航空機などの輸送車両の部品、工作機械、ロケット、ミサイルなどの部品、各種転がり軸受、切削工具、測定工具、ばね、熱間金型、冷間金型、圧延金型、ばね、計器などの製造に使用できます。

 

蒸気タービン、ボイラー、化学装置など、耐熱性および耐腐食性に優れた環境など、特別な用途で使用されます。

 

ファスナーの製造に使用される合金鋼

 

主に高強度ボルトやナットの製造に使用され、10.9グレードの材料には30CrMoや40Cr、12.9グレードの材料には35CrMo、42CrMoなどがあります。

 

30CrMoは、高荷重下でのボルトやスタッドの製造、蒸気タービンやボイラーなどの高温（450℃以下）環境で使用される各種ファスナー、高温（500℃以下）圧力環境で使用されるフランジやナットの製造によく使用されます。

 

40Crは、ねじスリーブ、ピン、コネクティングロッドねじ、ナットなどの製造に適しています。

 

35CrMoは、蒸気タービン発電機の締結具など、高負荷下での各種締結具の製造によく使用されます。また、ボイラーなどの高温（480℃以下）環境で使用される各種締結具にも使用されます。

 

42CrMoは、35CrMoよりも高い強度を必要とする締結部品の製造に適しています。

 

炭素鋼と合金鋼の特性を考慮すると、締結具の材料を選ぶ際には、使用要件を満たすことを前提として炭素鋼を優先することができます。仕様が大きい場合、形状がより複雑な場合、強度や精度に対する要求が高い場合、または高温硬度などの特殊な性能が要求される場合は、合金鋼を使用する必要があります。

 

これを読んだ後、炭素鋼と合金鋼の違いを理解できますか？

 

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