中炭素鋼：組成、特性、等級、用途

中炭素鋼棒

中炭素鋼は、炭素含有量が重量比で0.30～0.60%の合金鋼です。炭素含有量が高いため、鋼の強度と耐破損性が向上します。また、シリコンや硫黄などの合金元素が添加されており、耐摩耗性を高め、熱処理に適した特性を与えています。これにより、シャフト、ギア、車軸などの用途や、鉄道部品のような耐久性の高い高負荷用途において、優れた靭性を発揮します。 

Bodaは中炭素鋼を多数提供しています 鋼合金加工サービス 精密部品や鍛造部品向け。この記事では、中炭素鋼について知っておくべきことをすべてご紹介します。

 

中炭素鋼とは何ですか？

中炭素鋼について深く掘り下げる前に、鋼の分類をしっかりと理解しておくことが重要です。そうすることで、鋼の種類やその違いに関する多くの一般的な混乱を解消することができます。 合金鋼と炭素鋼図1に示すように、 炭素鋼 炭素鋼は、炭素含有量に基づいてさらに3つの主要なサブクラスに分類されます。中炭素鋼はそれらの中間的な位置を占めており、低炭素鋼と高炭素鋼の間のギャップを埋める役割を果たしています。

鋼材の分類

これは多くの人が疑問に思うよくある誤解です。炭素鋼は主に鉄と炭素で構成されており、他の元素は不純物として少量しか含まれていません。一方、合金鋼には、クロムやニッケルなどの他の金属元素が意図的に添加されています。 

炭素鋼は構造用途における強度と硬度の向上を目的としていますが、合金鋼は耐食性や耐久性などの特定の特性を実現するために最適化されています。 合金鋼と炭素鋼.

中炭素鋼の炭素含有量

中炭素鋼は一般的に 炭素含有量0.30～0.60% そして通常、マンガンが0.60～1.65％含まれている。さらに、微量のケイ素、硫黄、リンなどが不純物として含まれる場合がある。 下の表を見ると、炭素鋼ファミリーの中で中炭素鋼がどのような位置づけにあるのか、量的にも質的にも明確に分かります。

炭素含有量（重量％）	スチールクラス	特性
0.05 – 0.30	低炭素鋼	高い延性と成形性、低い強度
0.30 – 0.60	中炭素鋼	適度な延性、成形性、強度
0.6 – 2.0	高炭素鋼	高強度、低延性、成形性
> 2.0	鋳鉄（鋼鉄ではない）	高い圧縮強度と耐摩耗性を持つが、延性は低い。

表1： 中炭素鋼とその他の炭素鋼および鋳鉄との比較

低炭素鋼と高炭素鋼は、互いに正反対の性質を持つことがわかります。理論は単純で、炭素含有量を増やすと硬度と強度は向上しますが、延性と脆性は低下します。一方、中炭素鋼は、その中間的な特性を持ち、軟鋼よりも強度が高く、加工性や熱処理性にも優れています。鋼と鋳鉄のより詳細な図解については、以下を参照してください。 鉄-炭素相図.

中炭素鋼の化学組成

中炭素鋼は単一の合金ではなく、 合金鋼のグレード一覧 組成はわずかに異なります。下の表には、中炭素鋼に含まれる最も一般的な元素の平均重量パーセントが示されています。エンジニアは通常、カスタマイズされた特性を実現するためにこれらの組成を変更します。

素子	レンジ	追加目的
Carbon	0.30 – 0.60	強度と硬度を高める（ただし、炭素は延性を低下させる）
マンガン	0.60 – 1.65	焼入れ性と靭性の向上
シリコン	0.15 – 0.35	フェライトに脱酸素特性を与え、強度を高める
サルファー	≤0.05	不純物として入手可能
リン	≤0.04	不純物として入手可能
ニッケル、クロム、モリブデン	0 – 1	主に合金鋼に見られる。

表2：中炭素鋼の一般的な合金元素の組成

 

中炭素鋼の熱処理反応

中炭素鋼の非常に特別な特性は、 熱処理に対する優れた反応性これにより、顧客の要求に合わせて特性を変更することが可能になります。低炭素鋼も高炭素鋼も、この能力を持っていません。理由は以下のとおりです。

• 低炭素鋼は、効果的な焼き入れに必要な炭素量を十分に含んでいない。
• 高炭素鋼は炭素含有量が過剰なため、非常に脆くなり、加工中に亀裂が生じやすくなります。

しかし、中炭素鋼は適度な炭素含有量を有​​しており、その結果生じる微細構造は、熱処理中に起こる相変態にとって非常に好ましいものである。 適切な熱処理を施せば、中炭素鋼は高炭素鋼に匹敵する強度レベルを達成できるだけでなく、より優れた極限硬度と耐摩耗性も備えています。そして最も重要なのは、優れた靭性を維持し、割れのリスクが非常に低いことです。熱処理のプロセスパラメータを制御することで、個々の性能要件を満たすことも可能であり、中炭素鋼はカスタム金属加工において非常に有用な材料となります。

 

中炭素鋼の材料特性

中炭素鋼の独特な物性は、炭素の量だけでなく、鉄マトリックス内における炭素の分布の仕方にも起因する。それは、鉄原子の大部分の中に炭素原子が単純に規則的に配列しているようなものではない。 

中炭素鋼の微細構造

中炭素鋼は、室温では単一の均一な相から構成されていません。その微細構造は、フェライトとパーライトという2つの相の混合物から成り立っています。 

• フェライト相： 柔らかく延性のある相。フェライトは材料全体の延性を担っている。
• パーライト相： フェライトと炭化鉄（セメンタイト）からなる層状構造。炭化鉄は炭素が存在する唯一の部分である。パーライトは主に鋼の強度と硬度に寄与する。

上記の説明から、炭素含有量が増加すると強度が増す理由が明確に理解できるはずです。これはまた、中炭素鋼が低炭素鋼よりも強度が高く、高炭素鋼よりも脆くない理由も説明しています。

熱処理はどのように微細構造を変化させるのか？

熱処理炉

熱処理によって、中炭素鋼の内部構造をさらに改変し、好みの特性を得ることができます。中炭素鋼の熱処理中に何が起こるのかを、簡単に以下に説明します。

• 加熱 微細構造を単一の均一な相に変換する。この段階で、炭素原子は捕捉されていた相から解放され、構造内で再分布することができる。
• 浸漬 上記の温度では、鋼材中の炭素が完全に溶解し、均一に拡散する。保持時間は、プロセスの主要な制御パラメータの一つであるため、非常に重要である。
• 急冷とは、炭素原子が十分に再配列する時間を与えずに急激に冷却するプロセスです。その結果、マルテンサイトと呼ばれる異なる相が形成されます。マルテンサイトは、炭素原子よりもはるかに硬く、強固な内部構造を持っています。
• テンパリング これは、過度の脆性を低減するための最終段階である低温再加熱工程です。これにより、得られた強度の大部分を維持しながら、かなりの靭性を回復させることができます。

熱処理技術の中には、制御された加熱とそれに続く冷却を複数段階にわたって行うものがあり、温度、時間、冷却媒体などのプロセスパラメータを変化させることで、特定の特性を得ることができます。

 

中炭素鋼の機械的特性

中炭素鋼は、その組成により、優れた機械的特性のバランスを備えた鋼材として人気があります。しかし、強度と硬度をさらに高める必要がある場合は、延性や靭性を許容範囲内に保ちながら、熱処理によってそれを実現することも可能です。

強度と硬度

中炭素鋼は、中程度の荷重に耐え、耐摩耗性が求められる部品の要求を満たす優れた強度と硬度を備えています。以下に、中炭素鋼（正規化処理または熱間圧延処理済み）の平均強度と硬度を示します。これらの値は、鋼種や加工方法によって若干異なる場合があります。

• 引張強度： 550〜850 MPa
• 降伏強さ： 350〜600 MPa
• ブリネル硬度: 170～230ヘモグロビン（280～300ヘモグロビン以上に上昇する可能性がある） 熱処理した場合）

AISI 1045鋼は、中炭素鋼の中で最も一般的なグレードです。一般的に引張強度は約635MPaですが、熱処理を施すことで約900MPaまで強度を高めることができ、中炭素鋼ボルトや自動車用シャフトに適しています。

延性

ピアノハンマーアセンブリ

炭素の添加によって延性は低下するものの、中炭素鋼は通常、 破断時の伸び率15～25％ この値は、予期せぬ荷重がかかった際に突然破壊するのではなく、安全に変形するのに十分な値であると一般的に考えられています。

靭性

中炭素鋼は、正規化処理を施した状態では優れた靭性を示す。しかし、過度の焼入れや焼き戻し工程を完全に省略すると、耐衝撃性が著しく低下する。そのため、適切な熱処理サイクルを制御することが重要となる。

 

中炭素鋼の物理的特性

中炭素鋼のもう一つの大きな利点は、工業部品の製造に理想的な物性を備えていることです。強度と予測可能な温度特性が求められる用途に最適な選択肢と言えるでしょう。

プロパティ	値
密度	7.75～7.89g/cm
熱伝導率	45 – 54 W / mK
比熱容量	0.49J / g°C
溶融範囲	1425 - 1540°C
磁気的性質	強磁性

表3：中炭素鋼の物理的特性

中炭素鋼の等級と規格

中炭素鋼棒

中炭素鋼は、強度、靭性、被削性といった特定の要件に合わせて設計された、幅広い規格グレードが存在します。これらのグレードは炭素含有量はほぼ同じですが、主に組成、加工方法、熱処理方法が異なります。性能が極めて重要な部品や特注部品に適したグレードを選択するには、これらの違いを理解することが不可欠です。

AISI 10xxシリーズ（AISI 1045鋼およびその他の一般的なグレード）

最も一般的な中炭素鋼は、AISI 10xx シリーズに属します。この表記を理解するのは簡単です。最初の 2 桁は鋼のクラスを表し、最後の 2 桁は炭素含有率を示します。例として、AISI 1045 鋼を解読してみましょう。

• "10" 普通炭素鋼を表す
• "45" 炭素の0.45％を表す

表4には、中炭素鋼の代表的なグレードがいくつか示されています。その中でも、AISI 1045鋼は最も一般的なタイプであり、幅広い産業分野で数多くの用途があります。

学年	炭素含有量（％）	最も一般的なアプリケーション
アイシ1035	0.35	一般機械部品（軽荷重用シャフト、ピン）
アイシ1040	0.40	中荷重機械部品（鍛造部品、車軸）
アイシ1045	0.45	構造機械部品（シャフト、ギア、ボルト）
アイシ1050	0.50	耐摩耗性と高負荷に対応する機械部品

表4：中炭素鋼の代表的なグレードとその用途

AISI 4140は中炭素鋼ですか？

AISI 4140は技術的には低合金鋼であり、 炭素鋼ではない炭素含有量が0.38～0.43%であるため、数値的には中炭素鋼の範囲に位置づけられ、中炭素鋼として言及されることもある。

しかし、AISI 4140は、意図的に主要な合金元素としてクロム（0.8～1.1%）とモリブデン（0.15～0.25%）を含んでいます。そのため、普通炭素鋼ではなく合金鋼に分類されます。AISI 4140は優れた焼入れ性と耐疲労性を備えており、クランクシャフト、ギア、高応力軸などに広く使用されています。

AISI中炭素鋼規格の国際規格相当品

AISI 10xxシリーズの中炭素鋼は、世界的に様々な名称で呼ばれています。規格によって表記形式が異なる場合もありますが、これらの鋼種は炭素含有量と機械的特性において概ね同等です。

AISI / SAE（米国）	炭素 (%)	ヨーロッパ (EN)	ドイツ（DIN / EN）	日本（JIS）	中国 (英国)
アイシ1035	0.35	C35 / C35E	1.0501 (Ck35)	S35C	35＃
アイシ1040	0.40	C40 / C40E	1.0511 (Ck40)	S40C	40＃
アイシ1045	0.45	C45 / C45E	1.1191 (Ck45)	S45C	45＃
アイシ1050	0.50	C50 / C50E	1.1206 (Ck50)	S50C	50＃

表5：各種規格における中炭素鋼の異なる名称

適切な炭素鋼のグレードを選ぶには？

適切な中炭素鋼のグレードを選択するには、エンジニアリング要件を明確に理解する必要があります。材料の選択には、部品に関する詳細な調査を行い、明確な要件、限界、環境条件、および財務能力を確立する必要があります。中炭素鋼を選択する際に考慮すべき重要な要素は次のとおりです。

• 機械的負荷要件
• 耐摩耗性および表面性能に関する要件
• 断面の厚さと焼入れ性
• 製造および加工上の制約
• 環境条件およびサービス条件
• コストと材料の入手可能性

最終的な選択を行う前に、関連する専門家から助言や相談を受けることを強くお勧めします。

 

中炭素鋼の用途

自動車用車軸

中炭素鋼の優れた特性の組み合わせは、構造、機械、自動車業界のエンジニアの間で非常に人気があります。そのため、中程度から高い応力、繰り返し荷重、摩耗にさらされる部品に広く使用されています。 

シャフトと車軸

高い引張強度と耐疲労性を持つため、自動車のシャフト、車軸、動力伝達シャフトなどに広く使用されています。

歯車とカップリング

高い接触応力がかかる歯車、ピニオン、および機械的カップリングの材料として使用される。 

鍛造部品

強度、耐衝撃性、耐久性に優れているため、レンチ、ロッド、ハンマーヘッドなどに広く用いられている。

機械部品

クランクシャフト、コネクティングロッド、および繰り返し使用条件下でねじり荷重と曲げ荷重が複合的に作用する回転機械部品に広く使用されています。

建設・重機

中炭素鋼製のボルト、ピン、吊り上げ部品、構造用コネクタは、高い耐荷重性と機械的摩耗に対する耐性から非常に人気が高い。

 

中炭素鋼の利点

バランスの取れた機械的特性

中炭素鋼の特性を優れたバランスで兼ね備えているため、強度と靭性を同時に高めることができます。そのため、優れた変形抵抗性と動荷重耐性が求められる耐荷重部品に最適です。

熱処理に対する高い反応性

これにより、加工や熱処理の際にその特性を自在に調整することが可能になります。この特性の非常に有用な利点は、内部に強靭な芯部を持ちながら、硬く耐摩耗性に優れた表面が得られることです。これらは、歯車、カム、および疲労荷重を受ける部品の製造に広く用いられています。

未処理状態でも良好な被削性 

中炭素鋼は熱処理前に容易に機械加工できます。そのため、最終熱処理前にさまざまな形状に簡単に加工できます。これにより、工具の摩耗と製造コストが大幅に削減されます。 一般機械加工に使用される鋼材.

幅広い利用可能性と標準化

中炭素鋼のほとんどは世界的に標準化されており（例えば、AISI 1045とC45は異なる規格の下で同じグレードである）、入手も容易であるため、材料の選定、品質管理、交換が非常に簡単になる。

費用対効果

中炭素鋼は、高価な合金元素を添加することなく優れた機械的性能を発揮します。そのため、合金鋼を使用すると不必要なコストや過剰設計につながるような大量生産部品に広く使用されています。

 

中炭素鋼の限界

低炭素鋼に比べて延性が低い

中炭素鋼は炭素含有量が高いため、成形性や冷間成形が非常に難しい。

中程度の溶接性

溶接作業を行う場合は、材料を予熱し、適切な溶接後熱処理を施して割れを防ぐ必要があります。

限られた耐食性

耐食性を最優先するのであれば、中炭素鋼は理想的な選択肢とは言えません。腐食性の高い環境でこの鋼材を使用する必要がある場合は、コーティングや適切な表面保護対策が必須となります。そうでない場合は、AISI 4140などの代替鋼材を検討することをお勧めします。

熱処理が不完全なために脆くなるリスク

焼き戻しが不十分であったり、焼き戻しを完全に無視したりすると、硬度が過剰になり靭性が低下し、脆性破壊のリスクが高まる可能性がある。

合金鋼よりも焼入れ性が低い 

非常に厚い断面の場合、通常の中炭素鋼では断面全体にわたって均一な硬度が得られない可能性がある。

カスタム金属加工 

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結論

中炭素鋼は、強度と靭性が高く、延性が低いことが求められる用途に最適です。例えば、動力伝達シャフトや車軸などが挙げられます。中炭素鋼には多くのグレードがあり、中には熱処理によって靭性を向上させることができるものもあります。