鉄について

Size: px

Start display at page:

Download "鉄について"

ふじきみちづ
5 years ago
Views:

1 1 鉄鋼について我々が日常目にする鉄と呼ばれている物にも実に様々な種類と分類があってそれぞれ機械的特性や性質が違っていますそれは機械金属の専門家か鉄の生産加工を生業とする人たち以外にはあまり馴染みの無い学問知識だったりするので身近に溢れている素材であっても意外に知らなかったり誤認されてトンデモ情報になっている事例も耳にします鉄と鋼の生産鉄の生産普及が始まったのは一説には紀元前 18~15 世紀頃からとされ日本では弥生時代の後半 (3 世紀 ) 頃からまず渡来品として普及が始まり日本独自に製鉄が始まったのは5 世紀後半からというのが定説です古代の製鉄はたたらといわれる技法で行なわれ炉の中に燃料である薪や木炭を入れて踏鞴 ( ふいご ) で風を送り砂鉄や鉄鉱石を溶かして鉄を作っていました ( この光景はジブリ映画もののけ姫の中にも出てきます ) 鉄の原料は砂鉄や鉄鉱石ですが元から金属の鉄としてあるのではなく酸化鉄として存在していますこれを炉の中で還元させて鉄にします酸化鉄の還元とは木炭などを還元材として使い鉄鉱石と一緒に燃焼させることで木炭から発生する一酸化炭素が酸化鉄の酸素と結合して除去され金属の鉄成分となる化学反応のことです ( 還元の反対が酸化 ) 現在の高炉 ( 溶鉱炉 ) では還元材として使われるのはコークスですコークスは石炭を乾留 ( 蒸し焼き ) した燃料のことで石炭のままより硫黄などの成分が少なく燃焼温度を高くすることが出来るので効率の良い溶鉱が可能ですこの工程を製銑 ( せいせん ) といいますこれら還元製銑されて出来た最初の鉄が銑鉄 ( せんてつ ) ですこの銑鉄は高温で還元するために多量の炭素を吸収している他に不純物のケイ素リン硫黄なども多く含んでいますそのため硬くて脆 ( もろ ) くそのままでは使い物になりませんこれを粘り強い鋼 ( はがね ) にするには脱炭精錬をして不純物を取り除く必要がありますこの工程を製鋼 ( せいこう ) といいます現在の製綱は転炉法が主流となっています転炉による製鋼は銑鉄の中に生石灰などを入れ高圧をかけた酸素を吹き込んで炭素やケイ素リン硫黄などの不純物を生石灰と化合させて分離

2 2 除去する方法ですその他に鉄のスクラップなどを直接再精錬する電気炉製鋼法という方式もあり生産割合の25~30% ぐらいを占めていますその後鋼は加工されさまざまな鋼材の原材料になります鋼の誕生フロー図 1 鉄鉱石溶鉱 ( 還元 ) 製銑銑鉄精錬製綱鋼鋼とは鋼 ( はがね ) はその昔刃金ともいい鍛えられ熱処理をして刃物工具武器などの特殊な用途に使われる金属を意味していましたそれが産業革命以後大量に生産されるようになると機械や工作機器建築物を支える構造部材までに用途が拡大し鋼材の生産量は国力の指標にもなりました鋼は鉄に炭素 (C) が混ざった合金です炭素の含有量が多ければ硬くなり少なければ軟らかくなるという特性があり硬さが区別されます一般的な区別表 1 炭素 (C) 0 ~ 0.04% 0.04 ~ 2.1% 2.1 ~ 6.7% 分類鉄 ( 工業上 ) 鋼鋳鉄 ( ちゅうてつ ) 鋼の区別表 2 C 0.15% 以下 0.2~0.3% 0.3~0.5% 0.5~0.8% 0.8~1.2% 分類極軟鋼軟鋼半軟鋼硬鋼最硬鋼この様に鉄の中に主に炭素だけが入った鋼を炭素鋼又は普通鋼といいます実際に炭素 (C) の他にケイ素 (Si) マンガン(Mn) リン(P) 硫黄 (S) の5 元素が含まれていてその含有量で品質が決まります有害で除去が難しいリンと硫黄の少ないことが品質の良し悪しを決定します鉄とは一般的に鉄と呼ばれる金属は純粋な鉄ではなく炭素をはじめ他の金属を添加した鉄鋼材の総称である場合がほとんどなので説明は鋼に準じるものとします学術的に鉄を意味する物理特性は次の通りです元素記号 :Fe / 原子番号 :26 / 原子量 :55.845amu / 比重 :7.876 モース硬度 :4.0 / 融点 :1534 / 沸点 :2754 / 色 : 灰色の金属色

3 3 普通鋼 ( 炭素鋼 ) 日本で市販される鋼材のほとんどは日本工業規格 (JIS) に規定があり普通鋼は一般加工用と構造用に区別されます板は厚さ3mmを境に薄板と厚板に大別され 3~6mmを中板それ以上を厚板といいます一般加工用炭素の含有量が 0.15% 以下の極軟鋼です一般用及び絞り用の軟鋼板で薄板が多く板金や曲げ加工プレス絞り加工に適した鋼材です主な用途一般建材 ( 耐震材金具 ) 生活日用品( 事務机ロッカー鋼製棚 ) 自動車部品 ( ドアの外板フレーム ) 電気制御盤家電製品の外枠ドラム缶カメラ鋼製箱物製品 ( 大型キャビネット ) など JISの記号 ( 代表鋼種 ) SPHC SPHD(JIS G 3131 : 熱間圧延軟鋼板 ) SPCC SPCD(JIS G 3141 : 冷間圧延軟鋼板 ) 機械的性質引張強さ 270 N/mm² 以上を規定構造用炭素の含有量が 0.15~0.3% の軟鋼です橋船舶車両その外の構造物に用いる鋼材で厚板が多く鋼板棒鋼形鋼として使用されています主な用途機械部品 ( 躯体外板材 ) 構造物の主要補強部材圧力容器など JISの記号 ( 代表鋼種 ) SS 材 (JIS G 3101 : 一般構造用圧延鋼材 ) 例 :SS400 SM 材 (JIS G 3106 : 溶接構造用圧延鋼材 ) 例 :SM400 機械的性質引張強さ 400~510 N/mm² を規定 (SS400 の場合 ) 特性汎用性の高い鋼材の代表が SS400 ( エスエスヨンヒャク ) です数字は最低引張強さを意味していて当然一般加工用より構造用の方が高い数値を保証しています炭素の含有量はJISの化学成分表では横バー ( 表示なし ) になっていますが規定をしていないという意味で実際には 0.21% 程度含まれています

4 4 特殊鋼鋼材に含まれる炭素の含有量に規定があり更にクロム (Cr) ニッケル (Ni) モリブデン (Mo) を加えて硬さ耐磨耗性を向上させた鋼材です機械構造用炭素鋼 (S-C 材 ) 炭素の含有量を規定して機械的な強度硬さを持たせた合金鋼です熱処理をして使用されることもあります主な用途重機生産機械自動車エンジン部品 ( 車軸 ) など JISの記号 ( 代表鋼種 ) S C 材 (JIS G 4051: 機械構造用炭素鋼鋼材 ) 例 :S45C 特性 JISの規定では S10C~S58C までありますが一番多く使われ実用性のある鋼材が S45C ( エスヨンゴーシー ) です数字は炭素の含有量でスチールに 0.45% カーボンという意味です機械構造用合金鋼 (S-A 材 ) 上記のS C 材にクロム (Cr) ニッケル (Ni) モリブデン (Mo) を加えて熱処理を施し主として機械構造用に使用される合金鋼です主な用途エンジン部品ピストンピンクランクシャフト歯車など JISの記号 ( 代表鋼種 ) SCr 材 (JIS G 4104 : クロム鋼鋼材 ) 例 :SCr 440 SCM 材 (JIS G 4105 : クロムモリブデン鋼鋼材 ) SMnC 材 (JIS G 4106 : マンガンクロム鋼鋼材 ) 特殊用途鋼文字通り特殊な用途に使用する鋼材でそれぞれ目的に合わせて添加される元素が異なります特殊用途鋼材の代表はステンレス鋼ですステンレス鋼 (SUS 材 ) 鋼材にクロム (Cr) ニッケル (Ni) モリブデン (Mo) を加えて耐候性耐食性を向上させた合金鋼ですその特性は金属成分と金属組織の違いによって大きく三つのタイプに分類されます

5 表 3 5 組織分類マルテンサイト系フェライト系オーステナイト系金属成分クロム量 13% クロム量 18% クロム量 18% ニッケル量 8~14% SUS403 SUS304 JIS 記号 SUS430 SUS410 SUS316 主な用途医療用メス包丁ナイフ産業機器食器 ( スプーン ) キッチン厨房医療機器建材原子力プラントマルテンサイト系( 一般呼称 :13クロム系) 焼入れ硬化する特性があり刃物や耐食機械部品に使用されます代表的な鋼種は SUS403 ( サスヨンマルサン ) SUS410 フェライト系( 一般呼称 :18クロム系) 材質が軟らかいので食器類厨房機器に多く使用されています代表的な鋼種は SUS430 ( サスヨンサンマル ) オーステナイト系( 一般呼称 :18-8 系ジュウハチハチ系 ) クロム (Cr) の他にニッケル (Ni) を加えて高い耐食性を持たせさびに対して強くステンレス鋼材の中では最優良品です代表的な鋼種は SUS304 ( サスサンマルヨン ) SUS316 鋼の分類フロー図 2 普通鋼一般加工用 (SPHC SPSS) 構造用 (SS 材 SM 材 ) 鋼合金鋼 (S-C 材 S-A 材 ) 特殊鋼工具鋼 (S-K 材 ) 特殊用途鋼 (S-U 材 ) ステンレス鋼耐熱鋼バネ鋼

6 6 熱処理とは熱処理とは鋼に加熱冷却を施し硬さなどの性質を変えることをいいます赤めて冷やすという表現をします赤めた鋼は冷やし方しだいで硬くもなれば軟らかくもなり人間でいうと体質改善のようなものです熱処理には一般熱処理と表面熱処理の二通りがあります一般熱処理 : 焼入れ焼戻し / 表面熱処理 : 高周波焼入れ浸炭熱処理の代名詞は何といっても焼入れです赤めた鋼を素早く冷やして硬くする加工をいいますこの時の冷却には水や油を使い焼入れ後の硬さは炭素の含有量や鋼材の大きさ冷却する速さによって決まりますその他鋳鉄 ( ちゅうてつ ) 炭素の含有量が 2.1~6.7% の鋼材 ( 表 1を参照 ) 溶かした時の湯流れが良いので鋳物で生産されます複雑な形状のものでも造れ硬く加工性耐摩耗性耐熱性に優れていますが衝撃や引っ張りには弱い JISの記号 ( 代表鋼種 ) FC 材 (JIS G 5501 : ねずみ鋳鉄品 ) 例 :FC200 FCD 材 (JIS G 5502 : 球状黒鉛鋳鉄品 ) 例 :FCD600 鋳物 ( いもの ) 鋳物とは加熱して溶けた鋼材を型に流し込んで造った物の総称です型には砂で作る砂型と金属で作る金型があります玉鋼 ( たまはがね ) たたらといわれる技法で生産された錬鉄( れんてつ ) です良質な砂鉄 ( 真砂砂鉄 ) を木炭を還元材として低融点で還元させるため鋼材にとって有害な不純物元素の含有が極めて少なく純粋な地質が得られます日本刀や高級刃物の原材料になります別名は和鋼 ( わこう ) 現在は日立金属株式会社安来工場のみがこの伝統を継承しており YSSヤスキハガネとして生産をしています ( 和鉄は包丁鉄 ) スウェーデン鋼スウェーデン産の優良鉱石を良質な木炭で還元させ不純物の含有が少ない優秀鋼の代表でした 18 世紀の刃物に使われたことで有名になりドイツのゾーリンゲンの刃物も同じ鋼材だったとされています今は電気炉製鋼法で生産されているのでその特異性を失っています

7 7 誤解されやすい話し下記の Q は鉄に関連した記述でインターネット検索をかければ出てくる文章ですおそらく机上の学問だけで記述しているものと思われ実際とは相違があります間違いではありませんが誤解されやすい事例です Q: ステンレス製の包丁はなぜ切れ味が悪いのか? A: 何もステンレス製の包丁だけが切れ味が悪い訳ではありません総じて熱処理の悪い刃物が切れ味が悪いのです焼入れをきちんとするには鋼材成分も重要になるので生産由来が明確なものを選ぶ必要があります医療用メスが切れなかったら話しになりません ( 表 3を参照 ) Q: ステンレス鋼はさびない? A: ステンレス鋼はクロム (Cr) が酸素と結合して表面に強力な不動態の酸化皮膜 ( 酸化クロム ) を形成します鉄がさびるのも一種の酸化現象なのでステンレス鋼は常にさびている状態を保っているからそれ以上はさびない訳です厳密にはさびないのではなくさびにくいという表現が適切です 13クロム系には表面さびが発生しますステンレス鋼の中でも最もさびに強いでも条件さえ合えば腐食するのです Q:18-8 ステンレス (SUS304) は磁石につかない? A: 通常 304 は磁石につかないので他のステンレスと区別する事が出来ますしかし強く叩いたり曲げたりすると磁性を持つ場合があります Q: 純鉄は柔らかい上に脆くそのままでは鍋程度にしか使えない? A: 炭素の含有量 0.04% 以下のものが一般的な区別で工業上鉄ということになります ( 表 1を参照 )JISには脱炭鋼板といってホウロウがけを行なう鋼板として規格があります (JIS G 3133) 鉄を鍋のような製品にする場合必ず何かの金属表面処理が行なわれ素材のままの鉄を目にすることはありません Q: 焼入れは炭素の含有量で決まる? A: 確かに焼入れ硬度を決める大きな要因は炭素 (C) の含有量ですしかし同じ炭素鋼の鋼材でも大きさが違えば小さい物の方に深く焼きが入りますまた同じ温度から焼入れをしても早く冷やせば ( 急冷 ) 硬くなりゆっくり冷やせば ( 徐冷 ) 軟らかくなります

8 8 怪しい材質表示機器のカタログや商品などに記入される使用鋼材の材質表示は日本工業規格 (JIS) の名称や種類の記号に準じるのが一般的です中には紛らわしい怪しい表現も目にするので注意が必要です例えば特殊金属とか高級ステンレスとかいった表示を目にする事がありますがこれは鋼材を特定する表示ではありませんこの様な表現だけでは何に対して特殊なのか何を指して高級なのか判断が出来ません JISに特殊鋼という分類はありますが特殊金属という分類はありません特殊鋼にもいろいろ種類がありますステンレス鋼も同様ですもう一度鋼の分類フロー図 2 を参照して頂ければ分類がよく解ると思います例えば機器のボディーを造る時に特殊鋼である合金鋼や工具鋼は使えません硬すぎて大きな造形が出来ず目的に合った適材とはいえないからです鋼材は適材適処理適所が重要です鋼材の質的な優劣は鉄鉱石がどの場所で取れたかという産地優先ではなく精錬された後の品質が最優先されます例えば貴金属の金がどこで取れたかという産地優先で為替されることはありません精錬され24K 18Kといった品質保証のみでその価値が決まりますましていくら高級車でも廃車にすればスクラップになる鉄に対して鉄鉱石の産地を言っても意味のないことですたとえ高品質な鉄鉱石が産出されても鋼の誕生フロー図 1 にある工程をたどらなければ鋼材は生まれない訳です産地よりもそれがどのような工程で精錬されたかを知らなければ質的な優劣は語れません鋼材は品質を証明することが第一になりますその基準になるものが日本では日本工業規格 (JIS) でありそれは国際的な基準に準じたものですたまに日本の鋼材はさびやすいので外国の鋼材より品質が悪いような風評を聞きますが鋼材の耐候性は同じ品質でも置かれた環境に左右されるので多湿で梅雨があるような環境下ではさびやすくなるのは当然です現在日本のステンレス鋼材やベアリング鋼材は世界に向けて輸出されており日本の品質が世界の基準を決めていると言っても過言ではありません

9 9 豆知識かつて鉄を生産する現場で使われていた専門用語が今では日常的に使われる言葉の語源になっている事例を紹介します鉄の生産と人との係わりは意外に深いものがあります焼きを入れる人を手荒く育てる時に使う表現です鋼は生 ( なま ) のままでは使いものにならないので熱処理をして体質改善を施し有効な鋼材に育てます付け焼き刃間に合せのにわか仕込みの知識のこと鍛えていない生の鋼材に刃の部分だけ焼き刃を継ぎ足した見せ掛けの刃物切れそうで切れません鉄は熱い内に打て熱い情熱は冷めない内にこれはそのままです手子( てご ) をする目上の人や親の仕事を手伝う時によく使われ中国地方の方言でもあります鉄や金銀を精錬する鍛冶 ( かじ ) 場で親方である大工の下で雑役をする人を手子 ( てご ) といいましたお釈迦( しゃか ) にする作り損ねた不良品使い物にならなくなったもの昔鋳物職人が使っていたとされ諸説あります阿弥陀像を鋳造するはずが溶けた鉄がうまく流れずお釈迦さまのようになった ( 失敗した ) という説死んでしまうことをお陀仏というのに掛けたという説昔の職人は粋です鉄にちなんだ地名かつて鉄の生産が行なわれていた場所がそのまま地名となって残っている土地が今でもあります昔たたら製鉄が行なわれた一画を山内 ( さんない ) と呼び熱い鉄を冷やす金池製鉄をする鍛冶屋事務をする元小屋労働者住宅の長屋燃料の炭小屋食料を備蓄する米倉守護神である金屋子神 ( かなやご ) などが集落していました他にも鉄山 ( かねやま ) 金谷 ( かなだに ) 金井戸 ( かないど ) なども文字通り鉄作りの村の名残ですこのような地名は昔からたたらが盛んだった中国地方の山間部に多く点在しておりかつての繁栄が偲ばれます

10 10 備考ここではかなり大雑把に解説しましたが鉄鋼に関する規格は JISハンドブックだけでも鉄鋼 Ⅰ 鉄鋼 Ⅱ とあり実に 3600 ページ以上にも及び (2010 年度版 ) その個々にもそれぞれ専門性があって深く学ぼうとするとかなりの広範囲になります他に銅やアルミなどは工業的に非鉄という分野に分けられていますまた JIS 規定の鋼板形鋼鋼管の中でも汎用性の有るものと無いものがあり JISやカタログに規定があるからといって必ずしも市場にあるとは限りませんこれは実社会で経験を積んで初めて解かる事で机上の学問では学べない知識が必要となりますそれ故鉄や鋼に関して解からない事や怪しいまゆつば的な情報に接した時はそのままを鵜呑みにするのではなく専門書を手にするか詳しく知っている人に聞くことが最も早くて確実な解決方法になります記 ) 大和鉄工所岡崎出展参考資料鋼のおはなし大和久重雄著発行 : 日本規格協会日本工業規格鉄鋼 Ⅰ 鉄鋼 Ⅱ 2010 年度版発行 : 日本規格協会日立金属株式会社 WEBサイトたたらの話他リンク社団法人日本鉄鋼連盟 (JISF)WEBサイト

資バルブの材質青銅 ( 砲金 ) バルブ料JIS H 5111 CAC402 (BC2) CAC403 (BC3) CAC406 (BC6) CAC407 (BC7) 銅 (Cu) 錫 (Sn) 化学成分 (%) 機械的性質亜鉛 (Zn) 鉛 (Pb) その他引張強さ伸び (N/mm2)

資バルブの材質青銅 ( 砲金 ) バルブ料JIS H 5111 CAC402 (BC2) CAC403 (BC3) CAC406 (BC6) CAC407 (BC7) 銅 (Cu) 錫 (Sn) 化学成分 (%) 機械的性質亜鉛 (Zn) 鉛 (Pb) その他引張強さ伸び (N/mm2) 青銅 ( 砲金 ) バルブ料JIS H 5111 CAC402 (BC2) CAC403 (BC3) CAC406 (BC6) CAC407 (BC7) 銅 (Cu) 錫 (Sn) 亜鉛 (Zn) 鉛 (Pb) その他 () () 86.0 90.0 7.0 9.0 3.0 5.0 1.0 残部 245 86.5 89.5 9.0 11.0 1.0 3.0 1.0 残部 245 15 83.0 87.0