プレーンカーボンスチール:特性と主要な用途

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プレーンカーボン鋼は、主に炭素含有量によって特徴付けられる鋼の基本的なカテゴリーであり、通常0.05%から2.0%の範囲です。この分類には、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼などのさまざまなサブカテゴリーが含まれており、それぞれ特定の炭素割合とそれに対応する特性によって定義されます。プレーンカーボン鋼の主な合金元素は炭素自体であり、これが機械的特性、硬度、延性に大きく影響します。

包括的な概要

プレーンカーボン鋼は、その炭素含有量に基づいて三つの主要なカテゴリーに分類されます:
- 低炭素鋼: 約0.05%から0.25%の炭素が含まれています。優れた延性と溶接性で知られ、広範な成形や加工が求められる用途に適しています。
- 中炭素鋼: 約0.25%から0.60%の炭素が含まれています。このタイプは強度と延性のバランスを保ち、自動車部品や機械部品などの用途に理想的です。
- 高炭素鋼: 0.60%から2.0%の炭素が含まれています。高い硬度と強度が特徴ですが、延性は低く、切削工具やばねに適しています。

プレーンカーボン鋼の重要な特性には、以下が含まれます:
- 強度: 高い炭素含有量は引張強度を増加させます。
- 延性: 低い炭素含有量は延性を向上させ、加工や成形を容易にします。
- 溶接性: 一般的に良好ですが、炭素含有量や熱処理によって影響を受けることがあります。

利点:
- コスト効果が高く、広く利用可能。
- 炭素含有量の幅広さによりさまざまな用途に対応可能。
- 優れた機械的特性を熱処理によって調整可能。

制限事項:
- 保護コーティングなしでは腐食に対して脆弱。
- 高炭素鋼は脆く、延性が低い可能性があります。
- 合金鋼に比べて高温に対する抵抗が限られています。

歴史的に、プレーンカーボン鋼は鋼鉄産業の基盤となる存在であり、その入手の容易さと加工のしやすさから多くの工学応用の基礎として機能してきました。

代替名、規格、および同等品

標準機関 指定/グレード 原産国/地域 備考
UNS G10100 アメリカ 低炭素鋼
AISI/SAE 1010 アメリカ UNS G10100に最も近い同等品
ASTM A36 アメリカ 低炭素含有の構造鋼
EN S235JR ヨーロッパ A36に比較可能、わずかな組成の違いあり
DIN St37-2 ドイツ S235JRに類似、構造用途に使用
JIS SS400 日本 S235JRの同等品、建設で一般的に使用
GB Q235 中国 A36に類似、建設で広く使用

表のメモは、これらのグレードが同等と見なされることがあるが、特定の用途での性能に影響を与える微妙な組成や機械的特性の違いがあることを強調しています。たとえば、A36鋼には指定された降伏強度があり、S235JRには溶接性に影響を与えるわずかに異なる化学組成があります。

主要特性

化学組成

元素(記号と名前) 割合範囲(%)
C(炭素) 0.05 - 2.0
Mn(マンガン) 0.30 - 1.65
Si(シリコン) 0.10 - 0.40
P(リン) ≤ 0.04
S(硫黄) ≤ 0.05

プレーンカーボン鋼における主要な合金元素の役割は以下を含みます:
- 炭素(C): 硬度と強度を増加させるが、延性を低下させる。
- マンガン(Mn): 硬化性と強度を向上させるとともに、鋼の靭性も改善する。
- シリコン(Si): 製鋼中に脱酸剤として機能し、強度を改善する。
- リン(P): 微量では加工性を改善するが、高濃度では脆さを引き起こす可能性がある。

機械的特性

特性 状態/温度 試験温度 典型的な値/範囲(メートル法) 典型的な値/範囲(米国単位) 試験方法の参照標準
引張強度 焼鈍 室温 370 - 700 MPa 54 - 102 ksi ASTM E8
降伏強度(0.2%オフセット) 焼鈍 室温 250 - 450 MPa 36 - 65 ksi ASTM E8
伸び 焼鈍 室温 20 - 40% 20 - 40% ASTM E8
硬度(ブリネル) 焼鈍 室温 120 - 200 HB 120 - 200 HB ASTM E10
衝撃強度 シャルピーVノッチ -20 °C 20 - 40 J 15 - 30 ft-lbf ASTM E23

これらの機械的特性の組み合わせは、プレーンカーボン鋼をさまざまな用途に適したものにしています。特に、中程度の強度と延性が必要な場合に適しています。たとえば、低炭素鋼は自動車のボディパネルにしばしば使用され、一方、中炭素鋼はその強度と加工性のバランスから構造部品に好まれます。

物理的特性

特性 状態/温度 値(メートル法) 値(米国単位)
密度 室温 7.85 g/cm³ 0.284 lb/in³
融点/範囲 - 1425 - 1540 °C 2600 - 2800 °F
熱伝導率 室温 50 W/m·K 29 BTU·in/(hr·ft²·°F)
比熱容量 室温 0.49 kJ/kg·K 0.12 BTU/lb·°F
電気抵抗率 室温 0.0000017 Ω·m 0.0000017 Ω·ft
熱膨張係数 室温 11.0 x 10⁻⁶ /°C 6.1 x 10⁻⁶ /°F

密度や融点などの重要な物理的特性は、高温環境を扱う用途にとって重要です。プレーンカーボン鋼の熱伝導率は、熱の散逸が必要な用途に適しており、比熱容量は加工中の温度変化に対する反応を示します。

腐食抵抗

腐食性物質 濃度(%) 温度(°C) 抵抗評価 備考
大気 変動 常温 普通 錆に対して脆弱
塩化物 変動 常温 悪い ピッティング腐食のリスク
変動 常温 推奨しない 非常に脆弱
アルカリ 変動 常温 普通 中程度の抵抗
有機溶剤 変動 常温 良好 一般的に抵抗あり

プレーンカーボン鋼は特に、高湿度や塩化物にさらされる環境では限られた腐食抵抗を示します。湿気にさらされると錆びやすく、屋外用途には保護コーティングや亜鉛メッキが必要です。耐腐食性が向上したクロムを含むステンレス鋼と比較すると、プレーンカーボン鋼は腐食環境ではかなり耐久性が低いです。

耐熱性

特性/限界 温度(°C) 温度(°F) 備考
最大連続サービス温度 400 °C 752 °F この温度を超えると酸化が発生します。
最大断続サービス温度 500 °C 932 °F 短期間の露出のみ
スケーリング温度 600 °C 1112 °F この温度を超えるとスケーリングのリスクがあります。
クリープ強度の考慮は約 400 °C 752 °F 高温でクリープが発生する可能性があります。

高温では、プレーンカーボン鋼は酸化やスケーリングが発生し、構造的完全性が損なわれる可能性があります。最大連続サービス温度は、熱を伴う用途にとって重要であり、この限界を超えると材料特性が大きく劣化する可能性があります。

加工特性

溶接性

溶接プロセス 推奨フィラー金属(AWS分類) 典型的なシールドガス/フラックス 備考
MIG ER70S-6 アルゴン/CO2 薄いセクションに適しています。
TIG ER70S-2 アルゴン 精密作業に非常に優れています。
スティック E7018 N/A 屋外作業に適しています。

プレーンカーボン鋼は一般的に良好な溶接性があると考えられており、特に低炭素範囲での溶接性が高いです。厚いセクションの場合、割れを防ぐために予熱が必要になることがあります。溶接後の熱処理は、溶接部分の靭性を向上させることができます。

加工性

加工パラメーター [プレーンカーボン鋼] [AISI 1212] 備考/ヒント
相対加工性インデックス 100 150 AISI 1212は加工しやすいです。
典型的な切削速度(旋削) 30 m/min 50 m/min AISI 1212ではより高い速度があります。

プレーンカーボン鋼は特に低炭素グレードにおいて合理的な加工性を提供します。ただし、炭素含有量が高くなると、工具の摩耗が増加し、切削速度が低下する可能性があります。

成形性

プレーンカーボン鋼は特に低炭素範囲において優れた成形性を示します。さまざまな形状に冷間成形が容易であり、高温での熱成形も可能です。成形操作中には作業硬化効果を考慮する必要があり、これは材料の強度を増加させる一方で、適切に管理されないと割れの原因になることがあります。

熱処理

処理プロセス 温度範囲(°C/°F) 典型的な浸漬時間 冷却方法 主な目的/期待される結果
焼鈍 600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F 1 - 2時間 空気または水 延性を向上させ、硬度を低下させる
急冷 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F 30分 水または油 硬度を増加させる
焼戻し 400 - 700 °C / 752 - 1292 °F 1時間 空気 脆さを減らし、靭性を向上させる

熱処理プロセスはプレーンカーボン鋼の微細構造を大きく変化させ、その機械的特性に影響を与えます。たとえば、急冷は硬度を増加させますが、脆さを引き起こす可能性があり、焼戻しによって軽減されます。

典型的な用途と最終的な利用

産業/セクター 具体的な用途の例 この用途に利用される主要な鋼の特性 選択の理由
自動車 ボディパネル 優れた成形性、溶接性 コスト効果が高く、形状が整えやすい
建設 構造ビーム 高強度、良好な溶接性 荷重支持構造に不可欠
製造 機械部品 強度と延性のバランス さまざまな部品に対して汎用性がある
ツーリング 手工具 高硬度(高炭素バリエーション) 耐久性と耐摩耗性

他の用途には:
- パイプとチューブ: 配管や構造用途で使用。
- ファスナー: ボルト、ナット、スクリューなどの強度が必要なため。
- 農業機器: 耐久性と耐摩耗性が求められる部品。

プレーンカーボン鋼は、その入手の容易さ、コスト効果の高さ、および熱処理や加工を通じて調整可能な特性により、これらの用途に選ばれています。

重要な考慮事項、選定基準、およびさらなる洞察

特徴/特性 [プレーンカーボン鋼] [AISI 4140] [ステンレス鋼 304] 簡潔な利点/欠点またはトレードオフのメモ
主要な機械的特性 中程度の強度 高強度 中程度の強度 AISI 4140は高い強度を提供しますが、コストが高くなります
主要な腐食の側面 悪い 普通 優れている ステンレス鋼は腐食性環境で優れています
溶接性 良好 普通 良好 プレーンカーボン鋼はAISI 4140よりも溶接しやすいです
加工性 中程度 普通 良好 プレーンカーボン鋼はAISI 4140よりも加工しやすいです
成形性 良好 普通 良好 プレーンカーボン鋼はAISI 4140よりも成形しやすいです
おおよその相対コスト 低い 中程度 高い プレーンカーボン鋼は最もコスト効果の高いオプションです
典型的な入手可能性 高い 中程度 高い さまざまな形状で広く入手可能

プレーンカーボン鋼を選定する際には、コスト効果、入手可能性、用途に必要な特定の機械的特性を考慮する必要があります。その汎用性はさまざまな用途に適している一方で、腐食に対する感受性から特定の環境には保護措置が必要です。

要約すると、プレーンカーボン鋼はエンジニアリングおよび製造の基本的な材料として残り、さまざまな用途のニーズに合わせて調整可能な特性のバランスを提供します。

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