●第1章　熱処理に使用する鉄材料

鉄の登場が熱処理技術を発展させた

日本刀は熱処理を駆使した技術の極

生活のあらゆる鉄製品に利用される熱

≒垂葦≦三■≡r~===:二二......三

さまざまな道具として熱処理をした鉄が使われる

さまざまな分野に利用される鉄とともに･熱処理技術は発展してきた

熱処理は食べ物を

得るために生まれたけ

必要性から生まれた

熱処理技術

人類の歴史を紐解くと､衣食住が行動の基本です｡

またこれを確保するための闘争史でもあります｡

熱処理はこのような人間の生活史の中から､人類が

必然的に発見し､発展してきた技術といえるでしょう｡

人類は食物を得るため､最初に石器という道具を作り

ました｡その後多くの年月を経て鉄の発見があり､軟

らかくあるいは硬くする技術が生まれたのでしょう｡

それが熱処理のスタートです｡

鉄の熱処理技術が少しずつ発見され利用できるよう

になると､農耕や日用品､武器に応用されてきました｡

日本刀は熱処理を駆使した技術の極致です｡よく切

れて､曲がらず､刃が欠けず､摩耗しない日本刀は'刀

工達が長年蓄積してきた技術の結晶なのです｡このよ

うに､熱処理技術は極限まで追求されてきました｡

さて現代になると､料理には欠かせないものに包丁

やナイフがあります｡その切味を基本とする刃物も熱

処理で優劣が決まります｡また､釣針も古代では動物

の骨を利用しました｡釣針の条件は魚が噛んでも変形

せず硬いことが必要です｡鉄の登場で､焼入れされた

細くて硬い釣針ができるようになりました｡

熱処理の理論が解明され､技術が発展するにつれて

工業への応用が拡大しました｡たとえば木造建築に使

の

こ

ぎ

り

か

ん

な

の

み

う鋸､鈍､撃などの切削用の基本工具であったものが､

工業的な機械装置へと発展し､金属を切ったり､削っ

たりするようになりました｡そうして作られた製品

は､自転車のチェーンやスプロケット､自動車のエンジ

ン部品やフレームなど､広く工業製品に利用されてい

ます｡それらの製品は､それぞれが最大に機能を発揮

できるよう細微な熱処理が施工されているのです｡熱

処理は､生活のあらゆる製品に利用され､現代ではな

くてはならない技術の-つになっています｡

また'寸法や形を変化させる金属加工に対して､熱

処理は材料の内部を変質させるというちょっと不思議

な技術なのです｡

●第1葦　熱処理に使用する鉄材料

壷童⊂牽⊃一一■ ⊂垂>一一■⊂垂つ

製　鋼

. /r純02吹込み　高圧高電流

一讐!- _国バーナーによる燃焼

⊂垂⊃　　⊂垂⊃　(垂垂つ鋼　塊

リムド鋼には製鋼時の酸素が残り､キルド鋼にはない｡リムド鋼鋼塊中の泡状の残跡は脱醸されていない残留酸素と一部の不純物が側壁近傍に残る｡キルド鋼鋼塊の上部は不純物が浮上して凝固した跡および収絹時の引け巣o

圏　匝塾頭出典: ｢おもしろ話で理解する金属材料入門｣坂本卓､日刊工業新聞社･ 2000年

鉱浮:スラグ(Slag)のことo酸化物や珪化物など酒鋼上に浮かぶ不純物のことo

鉄を作ることとは

どういうことか

全世界で1年間で製造される鉄は､約1 0億トンに迫

っています｡このような多量の鉄はどのようにして製

造されているでしょうか｡

鉄(Lie)の原料は鉄鉱石です.化学式はLLeO､触03､

さ

び

触aなどです｡これらは鉄鏡の塊､あるいは砂鉄と考

えてもいいでしょう｡鉄鉱石の状態では鉄は酸素と強

く結びついているので酸素を除去しなければなりませ

ん｡その方法が製鉄です｡室温では鉄は酸素と化合し

やすいのですが､高温では酸素と離れてC(炭素)と結

びつきます｡化学式では､3FeO+2CI3Fe+CO+

CONのようになります｡製鉄用のCとしてはコークス

を用い､鉄鉱石を高温に加熟して燃焼させます｡cO

やC02はガスとなって飛散するので､高温で溶けた鉄

せ

ん

て

つ

を取り出すことができます｡これは銑鉄(ビッグアイロ

ン)と言ってへまだ不純物が多く含有されています｡

そこで銑鉄をさらに精製して良質な鉄を製造しま

す｡それが製鋼です｡製鋼の大量生産では転炉方式が

多く採用されています｡これは転炉という一種の鍋に

溶融した銑鉄を入れ､高温で加熱しながら純酸素を吹

き込んで不純物を燃焼させます｡容量は-基で150

トン以上もあります｡ここでは銑鉄に含有していたC

の濃度を調整し､同時にS(シリコン)､仙(マンガン)､

ド(リン)ts(硫黄)などを燃焼させて飛散させるか､

溶融鉄上に浮遊させて不純物を除去します｡

溶融した鉄はインゴットケースという容器に注入し

て冷却します｡酒鋼中にある多量に吹き込んだ酸素を

取り除くために､州(アルミニウム)やS-帆(シリコン

ーマンガン)の合金粉末を投入し､酸素と化合させて脱

酸します｡こうしてでき上がった鉄をキルド鋼と言い､

脱酸しなかった鋼(リムド鋼)と比較すると不純物が少

ない良質な鋼塊(インゴット)になります｡なお最近は

省エネのため､製鋼した後にインゴットにすることな

く､溶融した状態で鋳造しながら､塑性加工する連続

鋳造圧延方式を採用する企業が多くなっています｡

蒜言.:I-I:f･ ･:'･;.L.''･. 7;: '■l"I:'･ ･･'●i･;'

● Cの濃度が2.06%～6.67%の鉄が鋳鉄

●鋳鉄の組織はフェライト､パーライト､黒鉛(単独のC)から構成される

普通鋳鉄(ねずみ鋳鉄)　　　　球状黒鉛鋳鉄

出典. ｢おもしろ話で理解する金属材料入門｣坂本卓､日刊工業新聞社､ 2000年

純鉄

マンホールのブタジュースの缶

セメンタイト: FeとCが化合したFe3Cのこと｡非常に硬くて脆い｡

鉄と鋼と鋳鉄の違い

学術的に鉄はその組成によりいくつかに分類できま

す｡組成とは鉄と固酒する成分の濃度'つまり鉄との

比率です｡鉄に固溶する元素にはC､t75JMntP､Sが

あり､これらを鉄の5元素と呼んでいます｡なかでも

Cは鉄の性質を大きく左右する元素のため､鉄の分類

にはC濃度によって分ける方法を採用しています｡

鉄はC濃度で大きく3分類でき､純鉄(一般に鉄と

している)､鋼､鋳鉄です｡｢鋼｣は｢はがね｣ですが'｢こ

う｣と読みます｡

鉄のC濃度はFe-C系状態図に基づいています｡本

来､純鉄はCが0%のはずですが､o･02%までの範囲

の鉄を称しています｡鋼はそれを超えて2･06%まで'

鋳鉄は6･67%までCが固酒しています｡鉄はCが固

酒すればするほど硬くなり強度が増します｡

純鉄は組織が軟らかいフェライトでできており､塑

性加工が容易なため､薄板や箔､細線に加工できます｡

たとえば薄板は各種の容器やジュースの缶などになり､

切手にも応用されたことがあります｡

鋼にはCが多く固酒しています｡その組織はフェラ

イトとパーライトが混合していて､パーライトは硬いセ

メンタイトから構成されています｡C濃度が多くなれ

ばセメンタイトが増加し､さらに硬くなります｡

鋼は強度があるので､生活関連商品や産業界に最も

多く応用されています｡そのため熱処理は純鉄や鋳鉄

より鋼を対象にして行うことが多くなります｡鋼はほ

んのわずかなC濃度の遣いによって性質が大きく変わ

ります｡そこで鋼のC濃度を低炭素､中炭素､高炭素

とし､さらに細かく分けて実用化しています｡

鋳鉄は極めてC濃度が高いのですが'CはすべてFe

に固溶せず単独で存在しています｡つまり鋳鉄の組織

はフェライト､パーライト､黒鉛(単独に存在するC)か

も

ろ

ら構成されているのです｡鋳鉄の特性は硬く脆いため､

鋳造によって製造します｡身近な鋳造品にはマンホー

ルや門扉などがあります｡

●第1章　熱処理に使用する鉄材料

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ヽ　ヽ　′　　　-.

ヽ　　ヽ　ー~一~~~

鉄の強度と

炭素の役割

C濃度を変え､

目的に合った鉄を作り出す

鉄の性質はCと密接に結びついています｡鉄の種類

がC濃度と関連することはすでに述べましたが､鉄の

機械的性質も同様に関係が深いのです｡

純鉄は軟らかく変形しやすいと説明しました｡それ

は純鉄の強度(ここでは引張強さ)が低い値を示すとい

うことです｡一方､鋼は強度が高くなります｡

鋼は純鉄に比べてC濃度が増加します｡鋼のC濃度

が低炭素鋼領域では､強度はやや高い値程度ですが､

中炭素'高炭素とC濃度が高くなるに従って強度が急

激に増加します｡

つまりC濃度が増加すると､フェライトとパーフイト

の混合組織のうち､フェライトの組織比率が少なくな

りパーフイトが増加します｡パーフイト内には硬いセ

メンタイトがあり､その比率と量が増加するので強度

が高くなるわけです｡しかし､C濃度の増加とともに

強度は高くなりますが､1%を超えると増加の傾きが

小さくなり､およそ-･2%を超えると2･06%までは

わずかな上昇になります｡

ここでは引張強さを例にしましたが'機械的性質の

うち鋼ののび(伸び)については小さい億になり､引張

強さとのびが反比例する関係が生じます｡また鋼の硬

さは引張強さと近似して同じ傾向を示します｡

FeにCが固溶すると引張強さが増加する理由は､組

織上はセメンタイトの増加が要因の-つです｡さらに

FeへのCの固酒は侵入型なので､Feの結晶格子に大き

な歪みが発生し'外力に対して抵抗を示すため引張強

さが高くなるのです｡

鋳鉄の代表的な種類にねずみ鋳鉄があります｡外観

の色が似ているため､そう呼ばれるようになりました｡

この組織には単独の黒鉛が部分的に存在します｡黒鉛

◆Ⅴろ

のある鋳鉄の引張強さは弱く脆い性質を示します｡し

かし黒鉛が持つ特性は､鋼には見られない鋳鉄独特の

長所があります｡たとえば音を吸収する性質､耐振動

性があり､耐熱性や耐摩耗性も優れています｡

●第1華　熱処理に使用する鉄材料

●脱酸する判抄ド鍋は精密で高強度の部材に適す

●鍋の選定はC濃度が鍵とな臥

重要となる

キルド鋼塊:不純物の含有が少ないリムド鋼塊:鋼中

に不純物が残留

キ14.C, ��

ポイラ及び圧力容器用炭素鋼及びモリブデン鋼板 敗3��2�

リベット用丸鋼 田3��B�

チ土-ン用丸鋼 售c3��R�

溶接構造用圧延鋼材 田3��b�

ばね鋼鋼材 敗C����

高炭素クロム車申受鋼鋼材 敗C��R�

鋼中に含有する非金属介在物(MnS､ Si02など)の多少を示し､顕微鏡観察して点算する｡鋼の清浄度

鋼の選び方

鋼はC濃度によって

特性が大きく異なる

鋼は組織および含有する成分､とくにC濃度により

特性が大きく異なるため､目的に合う性質を把握して

選択する必要があります｡

その前に､鋼を製造する過程で脱酸を行うかどうか

で鋼の清浄度に差異が出ます｡脱酸しないリムド鋼は､

鋼中に多くの酸素が残留したままになっています｡酸

素は溶鋼でC濃度を調整し､各種の不純物と化合(酸

こ

う

さ

い

化)させて飛散あるいは鉱淳として溶鋼上に浮上させ

ます｡これにより鋼の純度は向上しますが､酸素はC

濃度調整や不純物との化合によって多くを除去できる

わけではなくへ鋼中に過剰な酸素がそのまま残ってい

ます｡酸素分子は軽量ですが飛散しやすいわけではあ

りません｡そのため､リムド鋼の鋼塊は圧延や鍛造し

て製造した二次材料に多くの酸素が残るため､強度や

内部組織が低級でも構わない用途に用いられます｡

一方､キルド鋼は溶鋼中で役目を終えた酸素を除去

するために脱酸剤を投入して酸素と強力に化合させ､

純度を高くしています｡一般に鋼の成分規定には､酸

素､水素､窒素などの気体の含有量を定めていません｡

しかし実際は､ガス成分の過多があります｡キルド鋼

は含有する各種の不純物が少なく高級であるため'後

述する熱処理を施工する対象の鋼であり､精密で高強

度部材に適しています｡

次に鋼の選定は成分上の分類から行われます｡この

場合､C濃度が鋼選定の鍵になります｡次に鉄の5元

素ですが､これらは｣-Sにより規定されているため､

特殊な鋼以外は考慮する必要はありません｡C濃度の

次に重要な成分は､合金(合金鋼)を作る元素であり､

代表的なのはN i(ニッケル)､cr(クロム)､MO(モリブデ

ン)､W(タングステン)などです｡

次は用途上から見た分類です｡特殊な鋼は用途先の

名称をつけて専用の鋼になります｡｣-Sに定める種

類は多く､製鋼メーカー独自の鋼種もあります｡さら

に選別すると､強度上から分類できる鋼もあります｡