鉄と鉄鋼 鉄金属元素 Fe 原鉱は酸化鉄 鉄鋼酸化鉄を還元 C( 炭素 ) Si Mn P Sなどの非金属元素 Ni Crなどの金属元素との合金 炭素含有量による分類 鉄 :0~0.008% 鋼 :0.008~2.0% 鋳鉄 :2.0~6.7% 歴史 BC2000 年 エジプト 鉄のナイフ 斧 10 世紀 日本 1735 年 Darby 鋳鉄の実用化 18C 終 ~19C 初 鋳鉄を構造用に利用 1856 年 Bessemerによる転炉法の発明 鋼 1861 年 Siemens Martinによる平炉法の発明 鋼 1901 年 官営八幡製鉄所 日本初の鉄鋼生産 現在 溶鉱炉の大型化 電気炉法の普及 生産 日本 米国 :9000 万 t~1 億 t 中国 :1 億 8000 万 t 分類 炭素鋼炭素量のみを調節 合金元素を加えないもの 合金鋼炭素以外の合金元素 (Mn, Cr, Ni, Mo など ) を加えたものクロム鋼 ニッケル クロム鋼 クロム モリブデン鋼 特殊鋼炭素鋼に特殊な熱処理や化学処理を加えたもの 高張力鋼引張強さ 500N/mm 2 以上で溶接性に優れる 耐食鋼 13 クロムステンレス鋼 (Cr : 18%) 18-8 ステンレス鋼 (Cr : 18% Ni : 8%) 低温用鋼 耐候性鋼 耐熱鋼 製法 製銑 製鋼 成形 製銑鉄鉱石 + コークス ( 燃料 還元剤 )+ 石灰石 ( 岩石分除去剤 ) ( 溶鉱炉 ) 銑鉄 ( 炭素 4~5% 不純物 2~4%)+ スラグ 製鋼 転炉法 溶融銑鉄 + くず鉄 + 焼石灰 + 鉄鉱石 + 蛍石 ( 高圧の純酸素 ) ( 炭素の燃焼 不純物のスラグ化 ) 鋼電気炉法 くず鉄 ( 主原料 )+ 銑鉄 + 鉄鉱石 + 合金 ( アーク熱 ) 鋼 高炉材に比べ Cu Cr Ni の含有量が多く 品質のばらつき大 鋳造溶鋼 ( 鋳型 ) 鋼塊 (ingot) 鋼片 (billet) 鋳鋼品
製法 機械的加工 圧延 反対方向に回転するロールに加熱状態の鋼をはさんで押し出しながら成形 圧延鋼材 ( 板材 形鋼 棒鋼 ) 押出し引抜き ダイス穴を通して引張って引き延ばして成形 棒 線 管 熱処理 加熱 冷却の組合せ操作による機械的性質の変化 焼きなまし炉中できわめて徐々に冷却 鋼の軟化 内部応力除去 焼きならし大気中で放冷 組織の改善 結晶粒の微細化 焼入れ急冷 鋼の硬化 焼戻し焼入れ 焼きなまし後 加熱 適当に冷却硬さの減少 内部応力の除去 延性 靭性の増加 化学処理 酸処理鉄鋼金属の熱処理 溶接 ロウ付けなどにより生じた焼け スケール 酸化皮膜 不動態皮膜 錆などを硫酸や塩酸などで除去酸洗い 熱処理により生じたスケールやさびの除去酸浸漬 アルカリ脱脂液でできたアルカリ皮膜や電解洗浄でできた酸化皮膜を除去し 金属表面を活性化エッチィング 冷間圧延等の常温加工による変質層の除去 浸炭処理表面の硬化加工性の良い低炭素鋼 低炭素合金鋼を機械加工した後 その表面層の炭素量を増加させ 表面層のみを焼入硬化する処理法浸炭剤 + 熱 表面の炭素量増加 焼入れ
物理的性質 力学的性質 応力ひずみ曲線 比例限度弾性限度上降伏点下降伏点降伏棚 ( 塑性流れ域 ) ひずみ硬化域引張強さ破断 0.2% 耐力 応力 ひずみ 0.2% の残留ひずみを生じる応力度 高張力鋼 塑性加工を受けた材 ( 降伏点が不明瞭 ) 物理的性質 力学的性質 炭素量 多少 : 硬 脆い 低融点 : 軟 粘り 引張強さ 降伏点 硬さ炭素量の増加とともに増大 C=0.85% で最大 以後低下 伸び炭素量の増加に伴い減少 炭素量 (%) 引張強さ (N/mm 2 ) 伸び (%) 用途 極軟鋼 0.15 以下 400 以下 25 薄鉄板 鉄線 管 軟鋼 0.15~0.28 400~500 20 建築 橋梁 造船 半硬鋼 0.28~0.40 500~600 16 建築 レール 硬鋼 0.40~0.50 600~700 14 軸類 歯車 工具 最硬鋼 0.50~0.60 700 以上 8 工具 スプリング 物理的性質 力学的性質 密度 7.8( 炭素量 1.3%)~7.85( 炭素量 0.2%) 熱膨張係数 10.5( 炭素量 1.3%)~11.5( 炭素量 0.2%) 10-6 比熱 0.11( 炭素量 0.2%)~0.12( 炭素量 1.3%)(cal/g ) 熱伝導率 0.09( 炭素量 1.3%)~0.13( 炭素量 0.2%)(cal/cm s ) 電気抵抗 15( 炭素量 0.2%)~20( 炭素量 1.3%)(μΩ/cm 3 ) 物理的性質 力学的性質 高温時の機械的性質引張強さ 250~300 で最大 それ以上で急激に減少 500 で 1/2 600 で 1/3 弾性係数 降伏点 温度の上昇に伴い低下 300 以上で降伏点が不明確伸び 200~300 で最小 それ以上の温度域で急増 低温時の機械的性質引張強さ 降伏点 硬さ 弾性係数 温度の低下とともに増加衝撃値 温度の低下とともに減少 遷移温度以下で急減 ( 低温脆性 )
耐火被覆 打込構法コンクリートの現場打ち仕上げ 被覆厚さの確保容易 重量大 耐水性大 目地がないので耐火上有利 左官工法塗下地 ( メタルラスなど ) の上にモルタル プラスターを塗り重ね施工技術が高度 目地がないので耐火上有利 ひび割れやすい 吹付工法ロックウールの吹き付け施工速 特殊機械必要 表面仕上げ箇所には不利 目地なし耐火上有利 軽量 張付工法珪酸カルシウム板 ALC 板 ロックウール板 石こう板を耐火接着剤で張付仕上げ容易 耐火上目地処理に注意 耐水性 耐衝撃性に注意 腐食と防食 大気中の腐食酸素と反応 酸化物 炭酸塩皮膜 ( 錆 ) の生成水 ダスト 亜硫酸ガスが影響 土中での腐食土壌の電気伝導度 ph 値が影響 海水中での腐食塩化物イオン濃度 ( 不働体皮膜の生成を抑制 ) 酸素量が影響 防食法環境から遮断 亜鉛めっき 塗料耐食性を向上 ステンレス鋼 (Cr:12% 以上 ) 耐候性鋼 (Cu, Cr, Ni の添加 ) 種類 一般構造用圧延鋼材 (JIS G 3101):SS 材 SS400 最も一般的な熱感圧延鋼材 引張強さ 402 510N/mm 2 降伏点 216( 厚 40mm 超 )~245( 厚 16mm 以下 )N/mm 2 以上 伸び 17~24% 以上 板厚 19mm 超 : 溶接に注意 板厚 25mm 超 : 溶接不可 SS490 SS540 Cを増して高強度化 溶接性不良 種類 溶接構造用圧延鋼材 (JIS G 3106):SM 材 溶接性を改善 SM400 機械的性質は SS400 と同等 溶接性最良 SM490 引張強さ 490~608N/mm 2 降伏点 294( 厚 40mm 超 )~324( 厚 16mm 以下 )N/mm 2 以上 伸び 17~23% 以上 板厚 50mm 以下 : 溶接性問題なし 高張力鋼の汎用品 SM520 引張強さ 520~637N/mm 2 降伏点 333( 厚 40mm 超 )~363( 厚 16mm 以下 )N/mm 2 以上 SM570 引張強さ 569~716N/mm 2 降伏点 431( 厚 40mm 超 )~461( 厚 16mm 以下 )N/mm 2 以上 溶接構造用低合金高張力鋼の最高級品
種類 溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材 (JIS G 3101):SMA 材 SMA400 通常の軟鋼に適量の Cu Cr Ni などの合金元素を加え 大気中での適度な乾湿の繰返しにより 表面に緻密な錆を形成し 耐候性を付加した鋼材 溶接性は SM400 と同等 高耐候性圧延鋼材 (JIS G 3125) P を多くして SMA 鋼よりも耐候性を向上 種類 一般構造用炭素鋼鋼管 (JIS G 3444):STK 一般構造用角形鋼管 (JIS G 3352):STKR 一般構造用軽量形鋼 (JIS G 3352):SSC 森の学校 キョロロ 種類 デッキプレート (JIS G 3352) 折れ板状に加工された鋼板上側に配筋してコンクリート打設床用型枠支柱不要 建築構造用圧延鋼材 (JIS G 3136):SN 鋼材 A 種 : 下記以外のもの B 種 : 溶接性 靭性に配慮 C 種 : 溶接性 靭性に加え 板厚方向特性 内部性状に配慮 種類 建築構造用耐火鋼材 :FR 鋼材一般の建築用鋼材に比べて高温時の強度が高い耐火被覆を低減 省略可能 鉄骨建築の意匠性の向上 柱の径を細くできる自由な塗装 工期短縮 作業環境改善
建築分野での利用 銅 鉛 亜鉛 スズ アルミニウム チタン 性質 物性 ( 機械的性質 電気 熱伝導率 延性 展性など ) を活用 デザイン的に金属光沢を活用 銅 歴史 生産 エジプト 紀元前 5 世紀 日本 世界でも有数の消費国 海外依存度 40% 製造方法電解精錬 ( 硫酸銅溶液の電気分解 ) 加熱圧延 常温牽引加工 ( 焼鈍 成形 ) 銅 性質 比重 8.93 融点 1080 比熱 0.092cal/g/ 電気比抵抗 1.55 10-6 Ωcm( 小 ) 熱伝導率 338kcal/m h ( 銀の次に高 ) 熱膨張率 16.5 10-6 / ( 鉄の1.4 倍 ) ヤング係数 132kN/mm 2 ( 鉄の1/2 倍 ) 降伏点 60N/mm 2 引張強度 245N/mm 2 伸び 40~60% 耐食性 高湿度環境下で腐食 : 暗褐色 緑青 ( 塩基性酸化銅 ) 酸 アンモニア中で激しく腐食 銅 用途屋根板材 銅板 (JIS H 3101) 葺き方一文字葺き 段葺き 菱葺き 銅瓦葺き 特殊な表面仕上げ処理化学処理 ( 電解 噴霧 ) による緑青化硫化処理による黒色化樋 外壁 看板 表札建具用金具 建築部品 黄銅 青銅
鉛 歴史古代ローマ時代 水道管 石材補強用 屋根材 製造方法 ( 精錬 ) 方鉛鉱 (PbS) ( 精錬 ) 粗鉛 ( 純度 95~98%) ( 精錬 ) 鉛 ( 純度 99.9% 以上 ) 鉛 性質 比重 11.3( 最重 高放射線遮蔽性 高遮音性 ) 融点 327 比熱 0.0302cal/g/ 電気比抵抗 21 10-6 Ωcm 熱伝導率 30.2kcal/m h 熱膨張率 29 10-6 / ヤング係数 16.1kN/mm 2 ( 低 高遮音性 ) 引張強度 9~23N/mm 2 伸び 20~60% 耐食性 高 炭酸鉛皮膜 ( 大気中 海水中 地中 ) 耐酸性 高 塩化鉛 硫酸鉛の不溶性膜 耐アルカリ性 低
鉛 用途防水 衛生用管材 板材間仕切放射線遮蔽用薄型パネル 鉛粒モルタル板 亜鉛 歴史明治以前 金 銀 鉛採取の残滓 製造方法閃亜鉛鉱 (ZnS) ( 選鉱 ) 純度 35~60% ( 精錬 ) 粗亜鉛 ( 精製 ) 亜鉛 ( 純度 98.5~99.9%)
亜鉛 性質 比重 7.12 融点 419 比熱 0.0918cal/g/ 電気比抵抗 5.9 10-6 Ωcm 熱伝導率 97.2kcal/m h 熱膨張率 30 10-6 / ヤング係数 80kN/mm 2 引張強度 110~280N/mm 2 伸び 30~50% 耐食性 高 水酸化物皮膜 炭酸塩皮膜 耐酸 耐アルカリ性 低 (SO 2 塩酸ガス アンモニア) 安定 (ph6~12) 亜鉛 用途メッキ用 溶融亜鉛メッキ構造物用皮膜厚さ :75~125μm 電気亜鉛メッキ 建具金物 設備 スズ 製造方法スズ石 (SnO 2 ) ( 選鉱 ) ( 精錬 ) スズ( 純度 99.5% 以上 ) 性質比重 7.28 融点 231 比熱 0.064cal/g/ 電気比抵抗 11.4 10-6 Ωcm 熱伝導率 55.1kcal/m h 熱膨張率 21 10-6 / ヤング係数 58kN/mm 2 耐食性高 ( 大気中 ) 用途ブリキ ( 鉄板にスズをめっき ) はんだ ( スズと鉛の合金 ) アルミニウム 歴史 1866 年溶融電解法による製造方法の発明 製造方法ボーキサイト (Al 2 O 3 3H 2 O) ( 溶融電解 ) アルミニウム ( 表面処理 : 電気化学的処理 化学的処理による皮膜 )
アルミニウム 性質比重 2.69( 鉄の 1/3) 融点 660 比熱 0.223cal/g/ 電気比抵抗 2.65 10-6 Ωcm( 低 ) 熱伝導率 191kcal/m h ( 高 ) 熱膨張率 24.6 10-6 / ヤング係数 71kN/mm 2 引張強度 86~195N/mm 2 伸び 4~50% 耐食性 高 ( 自然酸化皮膜 : 厚 10nm) 表面処理 ( 汚れ防止 耐久性向上 ) 耐酸 耐アルカリ性 低 ( 両性金属 ) コンクリートとの接触に注意 耐塩性 低 耐熱性 低 (200 強度 1/3) アルミニウム 用途外装 カーテンウォールパネル (Al-Si 系 :AC3A Al-Si-Mg 系 :AC4A) サッシ (Al-Mg-Si 系 :6063) 門扉 フェンス 内装 間仕切りパネル 枠材 ドア 床
チタン 製造方法酸化チタン (TiO 2 ) 含有鉱石 ( ルチル イルメナイト ) ( クロール法 ) スポンジチタン ( 破砕 プレス ) ( アーク溶解 ) インゴット状のチタン ( 加工 ) チタン 性質比重 4.51 融点 1668 比熱 0.125cal/g/ 電気比抵抗 50 10-6 Ωcm( 鉄の5 倍 ) 熱伝導率 14.4kcal/m h ( 鉄の1/4) 熱膨張率 9.0 10-6 / ヤング係数 10.9kN/mm 2 引張強度 300~700N/mm 2 耐食性 耐酸 耐アルカリ性耐塩性 用途外装材 非常に高酸化皮膜 : 微量の水あるいは水酸基の存在下高低 屋根 外壁 腐食 防食 腐食条件酸素 亜硫酸ガス塩類 バクテリア異種金属との接触 電気温度 応力 イオン化傾向 ( 大 ) アルミニウム 亜鉛 鉄 すず 鉛 銅 ( 小 ) アノードカソード腐食 ( 金属が溶解 ) 金属が析出
腐食 防食 防食方法金属材料の適切な選択 耐食性金属 均質な材料適正な設計と用法 異種金属 非金属と非接触表面の保護被覆 金属被覆電気メッキ 溶融メッキ 化成処理アルミニウムの陽極酸化 ( アルマイト ) 燐酸塩処理 クロム酸塩処理 無機質材被覆無機質ペイント塗装 ほうろうライニング セメント コンクリート被覆 有機質材被覆有機質ペイント塗装 ゴム プラスティックライニング環境処理 湿気 有害成分の除去 結露防止 腐食抑制剤の使用電気防食 表面処理 外観の向上着色平滑 光沢化 ( 研磨 ) 粗化 ( ヘヤライン仕上げ サンドブラスト ) 表面の硬質化硬質クロムメッキ硬質アルマイト処理 ( アルミニウム ) 表面の防眩化クロムメッキ面の粗化乱反射面化