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鉄鋼材料についてのまとめ

忘れたらアカン、ものづくり のブログを書いている、マーシーです。

今日は鉄鋼材料についてまとめ的なものを少し、記します。


■鉄と炭素との状態図
・鉄鋼材料は、鉄と炭素との合金
・製銑、製鋼の工程で、炭素を含めて、鉄鋼中の五大元素(炭素、
     マンガン、ケイ素、リン、イオウ)が含有される。
・最も、鉄鋼の性質に影響を与える炭素の含有量を変化させて、
     非常にゆっくり加熱・冷却(準定常状態という)したときの組織を
     示したものがFe-C状態図という。


■鉄・鋼・鋳鉄の分類
    ・鉄・鋼・鋳鉄は炭素の含有量によって分類される。
      鉄: 炭素量が0.02%以下(純鉄とみなす)
      鋼: 炭素量が0.02~2.06%
      鋳鉄:炭素量が2.06~6.67%(6.67%は炭素の固溶限)

    ・鋼は炭素量によって機械的性質が変わる。
      硬さ:炭素量が増えると硬さは増化する。
      引張強さ:炭素量が増えると引張強さは増化する。
      伸び:炭素量が増えると伸びは小さくなる。


■鉄鋼材料における五大元素の働き
・炭素(C):鋼にとって最も重要な元素。
    熱処理により、さらに硬さ・強さを増加させる。
    最高焼入れ硬さは炭素量により決まる。
    含有量が多くなると、硬くなると同時にもろくなる。
   ・ケイ素(Si):鋼の耐熱性・硬さ・強さを増加させる。
   ・マンガン(Mn):焼き入れ性が良くなる。強じん性を与える。
   ・リン(P):鋼に有害な元素で、寒いときに鋼をもろくする。(低温脆性)
   ・イオウ(S):鋼に有害な元素で、赤熱状態のとき鋼をもろくする。
    (赤熱脆性)


■鉄鋼材料における合金元素の働き
・合金鋼と呼ばれる鉄鋼材料には、五大元素のほかに性質を改善する
     ため微量な元素が添加される。
・クロム(Cr):摩耗に強く、耐食性を増加させる元素。
     また、浸炭を促進し、焼入れし易くする働きもある。
    ・ニッケル(Ni):鋼に耐食性・強靭性を与える。
     粘り向上による低温時の耐衝撃特性を増加させ、
     熱処理をしやすくします。
    ・モリブデン(Mo):焼入性を増加させる元素。高温加熱時に、結晶粒の
     粗大化を防ぎ、高温引張強さを増大させる。
    ・バナジューム(V):鋼の硬度・強度を増大させる。鉄と反応して硬い炭化物
     を造り、結晶粒を微細化して強じん性を与え・耐摩耗性の向上がはかられる。
    ・タングステン(W):高温における軟化抵抗が大きい。硬い炭化物を形成する。
    ・コバルト(Co):鋼中に溶解する。耐熱性を増大させる。


■一般構造用圧延鋼材( Steel for structure ) :JIS G3101
・建築・橋・船舶・車両及びその他の構造に用いられ、一般構造用の熱間圧延鋼材
     一番使用頻度の高い材料。JISには4種類規定。
    ・成分は、有害元素のリン・イオウが0.05%以下に規制以外に規定はない。
    ・数字は引張強さを表す。
    ・炭素量は、0.2~0.25%で焼入れしても硬度は上がらない。
    ・炭素が少ないので溶接が可能。
    ・一般に熱処理をしないで使用。


■機械構造用炭素鋼( Carbon steels for machine structural use ) :JIS G4051
・熱間圧延,熱間鍛造など,熱間加工によって作られたもので、
     通常,更に鍛造,切削などの加工及び熱処理を施して使用される。
    ・一般構造用圧延鋼材より信頼性が高い、強度を必要とする軸・歯車などや
     硬度が必要なものに熱処理をして使用。
    ・主要5元素の成分について規定があり、炭素量を違うものを規定。
・炭素量が0.3%以上の炭素鋼は余熱無しに溶接すると焼き割れ発生の恐れあり。


■機械構造用合金鋼(Low-alloyed steel for machine structural use) :JIS G4053
・熱間圧延,熱間鍛造など,熱間加工によって作られたもの。
     通常、更に鍛造、切削などの加工及び熱処理又は窒化処理を施して使用。
    ・JISには40種類規定。:マンガン鋼(SMn)、マンガンクロム鋼(MnC)、
                   クロム鋼(SCr)、ニッケルクロム鋼(SNC)、
                   クロムモリブデン鋼(SCM)、
                   ニッケルクロムモリブデン鋼(SNCM)
    ・機械構造用炭素鋼では、質量の大きなものは焼きが入り難い(質量効果)ので、
     特殊合金を添加して熱処理性を改善して耐摩耗・耐食・耐衝撃性等を持たせる。


■工具鋼(Carbon tool steel) :JIS G4401
・工作機械の刃物ややすり、のこぎり、プレスに用いられる鋼材。
      耐摩耗性が要求される。
    ・耐摩耗性を優先するため炭素量が多い。
          JISでは11種類の規定があり。
    ・炭素%の高い鋼材はやすり等に、
      プレス等の衝撃がかかるものは低炭素%のものが使用される。


■合金工具鋼(Alloy tool steel) :JIS G4404
・工具鋼にCr、W、V等の合金を添加して耐熱・靭性・焼入れ性を向上。
    ・鋼材の種類は32種類。
     切削工具用、耐衝撃工具用、冷間金型用、熱間金型用の4種類に分類。


■高速度工具鋼(High speed tool steel) :JIS G4403
・ハイスピードスチールを略してハイスと呼ばれる。
    ・機械加工の切削速度の高速化に伴い開発された工具鋼。
      高速になると切削時の温度は200℃を超えるため合金工具鋼では、
      焼き戻し温度を超えるため硬度が落ちます。
    ・高速度工具鋼の焼入れ温度は1300℃以上、焼き戻し温度は500℃以上で
     行われるため高温まで硬度低下がない。
    ・高速度工具鋼の成分:W、Mo、V、Co、Cr。次の2種類に分類される。
・タングステン系・・・硬さ・耐摩耗性に優れる
    ・モリブデン系・・・粘り強さに優れる
    ・材料記号はSKH


■超硬合金(Cemented Carbide)
・セラミックスであるWCを10%程度のCoと焼結した材料を超硬合金という。
    ・超硬工具は旋盤やフライス盤、マシニングセンターなどの工作機械用のチップや
     ドリルなどとして使用。
    ・炭化物の組み合わせにより、WC-Co系、WC-TiC-Co系の合金がある。
    ・耐摩耗性に優れ、1000℃の高温でも硬度の低下が少ない。
    ・硬度は成分の組成で異なる。Coの少ないと硬さは増すが脆くて欠けやすくなり、
      Coが増すと欠けにくくなるが硬さは落ちる。
    ・工具の研磨は、一般にダイヤモンド砥石で行う。


■浸炭鋼(Wrought case-hardening steel) :JIS G7503
・浸炭は、低炭素鋼の表面に炭素を侵入させて表面のみ硬度を上げる。
    ・JISでははだ焼き鋼という。
    ・浸炭鋼は低炭素鋼で次の2種類がある。
    ・浸炭用炭素鋼:S09CK、S15CK、S20CK
    ・浸炭用合金鋼:SMn、SCr、SCM、SNCM


■窒化鋼(Wrought nitriding steel)  :JIS G7502
・窒化は鋼の表面に窒素を浸透させ硬いFeN化合物(Fe3N,Fe4N)を作る。
    ・窒化層の深さは0.1~0.3mmと浅いが、
     硬さは1000Hvと硬く耐摩耗性に優れる。(鋼種により最高硬さは異なる)
    ・AlとCrが窒素と化合してAlNやCrNの硬い化合物を生成する。(SACM465)


■ばね鋼(Spring steel) :JIS G4801
・ばねは、荷重が負荷されると弾性変形し、荷重を除荷すると元の状態に戻る。
    ・繰り返し荷重や衝撃・振動に耐えるためには、大きなねじり強さが必要なため、
     高炭素鋼(0.5~0.9%)を使用。


■軸受鋼(High carbon chromium bearing steel) :JIS G4805
・高速で繰り返し荷重を受けながら、耐摩耗性と疲労限を維持する、高炭素鋼。
    ・正式名称は、高炭素クロム軸受鋼。
    ・焼入れ性を高めるためクロムを添加。
    ・組織は、微細なCr炭化物を球状化処理して強度を上げる。
    ・焼き戻し温度は、150~180℃のため、ベアリングの焼きばめ温度は120℃以下。


■ステンレス鋼(Stainless steel)  :JIS G4304
・ステンレスとは、ステイン(錆:Stain)が無い(less)という意味。
      日本語では、不銹鋼といいます。
    ・鉄にCrを12%以上加えると金属の表面に薄い強固な酸化皮膜を生成。
      耐食性が改善される。
    ・フェライト系、マルテンサイト系、オーステナイト系の3種類がある。
    ・フェライト系:低炭素でフェライト組織。
     硬さより錆びないことを優先。家庭器具や建築材料
    ・マルテンサイト系:錆びないことより硬さを求めるときに使用。
          焼入れして使用するため、炭素が他のステンレスより多い
    ・オーステナイト系:耐食性に最も優れており、溶接性良好。
          化学装置、建築材料、自動車等に幅広く使用。
      18-8ステンレス(Cr 18%、Ni 8%)が代表鋼種
      オーステナイト系のステンレスは、非磁性。


■耐熱鋼(Heat resisting steel)  :JIS G4312
・高温での酸化防止と強度低下を防止する材料。
    ・高温で金属材料に荷重が負荷されると、時間の経過と共に徐々に塑性変形が
     発生し、破壊に至るクリープ現象が発生する。これに対応した鋼
    ・400℃以上の高温域で使用できるように耐熱性を高めたものいい、1000℃の高温
     まで耐えられる耐熱鋼もある。
    ・自動車エンジン用バルブなどに使用。
    ・耐熱鋼は、オーステナイト系とフェライト系の2種類に分類される。


■快削鋼(Free cutting steel) :JIS G4804
・切削加工が、容易に加工できるように開発された鋼。
     イオウ・リン・マンガン・鉛などの元素を添加。
    ・リン・イオウは、もろい性質があるので切りくずが脱落しやく、
     鉛は融点が低いため切削時の発熱のために軟化する。
    ・切削後の表面の仕上がりは良好。
    ・快削鋼は、強度より加工性を優先。大量生産品で切り欠き等の考慮が不要
     な部品に適用。
    ・JISでは13種類あり、マンガン、リン、イオウ、鉛の規定がある。


■ねずみ鋳鉄(Grey cast iron)  :JIS G5501
・鋳鉄は、炭素量が2.5~3.5%含まれており、鉄の中にすべてが溶解せず、
    一部が黒鉛として存在する。
    ・普通鋳鉄は、ねずみ鋳鉄といい複雑な形状なものに使用。
    ・鋼に比較して、引張強さが弱く、衝撃に弱いが圧縮強さは大きい
    ・黒鉛により、摩擦係数は小さく、黒鉛自体の潤滑や油溜りの役目をする。
     振動吸収性があるので、工作機械のフレームやベッドに使われる。
    ・黒鉛は、断面は三日月状に観察され、片状黒鉛と言う。
    ・普通鋳鉄の種類は、FC100、FC150、FC200、FC250、FC300、FC350の
     6種類で数字は引張強さを表わす。


■球状黒鉛鋳鉄(Spheroidal graphite cast iron)  :JIS G5502
・普通鋳鉄の片状黒鉛を球状にして、均一に分布させたもの。
     ダクタイル鋳鉄ともいう。
    ・普通鋳鉄に比較して、黒鉛による切り欠きが無いので引張強さと伸び
     が改善されている。
    ・JISでは次の7種類が規定されている。
      FCD350、FCD400、FCD450、FCD500、FCD600、FCD700、FCD800
      いずれも普通鋳鉄より引張強度が高い

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