鋼中の炭素とは何ですか?内容、グレード、鍛造ガイド

炭素は普通鉄を鋼から分離する単一元素であり、その量は通常、 0.05重量%および2.0重量% 、鋼片が荷重、熱、鍛造ハンマーの下でどのように動作するかについてほぼすべてを決定します。炭素の割合を増やすと、金属の硬度と引張強度は向上しますが、延性と溶接性が失われます。これを下げても、鋼は柔らかく、成形可能で、溶接が容易なままですが、合金元素の助けがなければ硬い刃先や高い強度を維持することはできません。すべての工場証明書、すべての鍛造図面、および 1045 や 4140 などのすべてのグレードの指定は、この 1 つの比率に遡ります。

炭素は鋼の内部で実際にどのような働きをしているのか

鉄自体は柔らかく、比較的弱い金属です。製錬中に炭素原子が導入されると、炭素原子は結晶格子内の鉄原子の間に留まり、フェライトと呼ばれる固溶体と一緒にセメンタイト（炭化鉄、Fe3C）と呼ばれる化合物を形成します。これら 2 つの微細構造間のバランス、そして熱処理後のパーライト、マルテンサイト、ベイナイト間のバランスが、鋼に機械的個性を与えます。

イメージすると分かりやすいでしょう。フェライトは柔らかく、磁性があり、曲がりやすい構造の部分ですが、セメンタイトは硬くてもろいです。炭素含有量が増加すると、より多くのセメンタイトが形成され、鋼の硬度はかなり予測可能な曲線で上昇します。冶金学者は 20 世紀初頭からこの関係を追跡しており、今日でもあらゆる冶金教室で使用される鉄 - 炭素状態図の基礎となっています。

炭素含有量がパーセント単位で測定される理由

カーボンの影響が非常に強いため、わずかな差が生じます。 0.10% 鋼の分類とそれに適した用途を変更します。 1020 スチール (炭素 0.20%) は、技術的にはどちらも普通の炭素鋼であるにもかかわらず、1095 スチール (炭素 0.95%) とはまったく異なります。鉄鋼メーカーが工場の試験報告書で炭素含有量を四捨五入せず、100 分の 1 パーセントで報告するのはこのためです。

炭素鋼の割合による分類

普通炭素鋼は、炭素含有量に基づいて 4 つの大きなグループに分類されます。それぞれのファミリーには特有の代表的な用途があり、鍛造業者は完成品に必要な強度、靭性、機械加工性のバランスに基づいてその中から選択します。

以上、ざっくり 2.0% カーボン 、その材料はもはや鋼としてはまったく分類されません。それは鋳鉄になりますが、これははるかに脆く、鍛造や圧延ではなく鋳造によって成形されます。

炭素含有量が機械的特性をどのように変化させるか

カーボンと機械的性能の関係は、材料工学における最も一貫した傾向の 1 つです。炭素の割合が増加すると、4 つの特性が予測可能な方向に変化します。

• 硬度が上がる — 微細構造内のより多くのセメンタイトが圧痕や摩耗に耐えます。
• 引張強度が上がる — ある程度までは、炭素を追加すると、破損する前に鋼鉄がより多くの荷重に耐えることができます。
• 延性が低下する — 鋼は亀裂が入るまでの曲げや伸びが少なくなるため、冷間成形が難しくなります。
• 溶接性が低下する — 高炭素鋼は、予熱および慎重に制御しない限り、熱影響部で亀裂が発生しやすくなります。

このため、強度と割れずに衝撃を吸収する能力の両方が必要な自動車の鍛造アクスル シャフトでは、通常、実験室テストでは強度が高いものの道路の衝撃には脆すぎる高炭素鋼ではなく、1045 などの中炭素グレードが使用されます。

炭素含有量と 鋼鍛造品 プロセス

鋼の鍛造では、ハンマー、プレス、またはロールを使用して、加熱した鋼を金型または目的の形状に押し込む圧縮塑性変形によって金属を成形します。炭素含有量は、最初のハンマーブローが着地する前に鍛造工場が下すほぼすべての決定を左右します。

鍛造温度ウィンドウ

低炭素鋼と中炭素鋼は通常、次の間で鍛造されます。 1150℃と1250℃ (およそ 2100°F ～ 2280°F)、この温度では材料はオーステナイト相にあり、圧力下で容易に流動します。高炭素鋼は通常、その範囲の下限に向かって鍛造されます。これは、過剰な熱と高炭素含有量の組み合わせにより、結晶粒の成長と表面の脱炭が促進され、どちらも完成部品を弱めるためです。

鍛造業者が中炭素グレードを好む理由

1040、1045、4140 などの中炭素鋼は、実行可能なバランスをとっているため、鍛造業界で主流となっています。つまり、焼き入れや焼き戻しなどの鍛造後の熱処理に十分に反応するのに十分な炭素が含まれていますが、ダイの下でビレットが割れるほどではありません。クランクシャフト、コネクティングロッド、ギア、フランジ、ハンドツールなどのコンポーネントは、ほとんどの場合、両端ではなくこの中間バンドから鍛造されます。

グレインフローと強度の向上

鍛造は形鋼以上の効果を発揮します。部品の輪郭に沿って内部粒子構造を整えます。鍛造部品は連続的な結晶粒流線をたどりますが、機械加工または鋳造部品は結晶粒を横切って切断するか、まったく切断しません。業界のテストでは、鍛造鋼部品が同じ化学組成の鋳造部品や機械加工部品よりも大幅に高い耐疲労性を発揮できることが繰り返し示されており、そのため、鍛造炭素鋼はステアリングナックルやクランクシャフトなどの安全性が重要な部品の標準であり続けています。

炭素鋼と合金鋼およびステンレス鋼の比較

他の要素が混合されると、炭素含有量だけではすべてがわかりません。普通の炭素鋼がその合金鋼と比較してどの位置にあるかを理解することは、なぜ鍛造図面が別のファミリーよりもあるファミリーを必要とするのかを説明するのに役立ちます。

実際、購買エンジニアは、部品を塗装、塗装、または屋内に保管する場合には普通炭素鋼を選択し、用途で耐食性やより厚い断面によるより高い焼入れ性が必要な場合には、合金またはステンレスグレードを選択します。

鍛造部品用の炭素鋼グレードの選択

適切なカーボンの割合を選択するには、部品にどの程度の強度が必要か、部品がどの程度の衝撃や疲労を吸収するか、その後どのように機械加工または接合するかという 3 つの問題の間でバランスを取る必要があります。

1. 負荷のタイプを特定します。静的荷重はより高い炭素含有量を許容します。繰り返しの衝撃荷重には、優れた靭性を持つミディアムカーボンが適しています。
2. 鍛造後の動作を確認します。部品が下流で溶接される場合は、予熱と制御された冷却がプロセス計画の一部でない限り、炭素含有量を約 0.30% 未満に抑えてください。
3. 熱処理経路を確認してください。中炭素鋼および高炭素鋼は、焼き入れと焼き戻しのサイクルによく反応します。低炭素鋼は、代わりに肌焼きまたは浸炭に依存します。
4. 被削性と硬度を比較検討します。一般に、炭素含有量が高くなると、二次加工時の切削速度が遅くなり、工具の摩耗が早くなります。

自動車または農業機器メーカーに製品を供給する鍛造工場は、多くの場合、いくつかのグレードを標準化します。 1045 一般的なシャフト用と 4140 これらのグレードは鍛造性と完成品の性能の間のスイートスポットに位置するため、より高い強度対重量比が必要とされます。

鍛造後の熱処理

鍛造だけで部品の最終的な機械的特性が得られることはほとんどありません。炭素含有量によって、その後どのような熱処理が可能かが決まります。

正規化

ほぼすべての炭素鋼鍛造品は、鍛造後に焼ならしされ、臨界温度以上に加熱され空冷され、結晶粒構造が微細化され、鍛造プロセスによって残された不均一な応力が緩和されます。

焼き入れと焼き戻し

中炭素鋼および高炭素鋼は、油または水中で焼き入れしてマルテンサイトを形成し、その後焼き戻しして、ある程度の硬度と引き換えに靭性を得ることができます。炭素の割合は、達成可能な硬度の上限を設定します。炭素が約 0.30% 未満の鋼は、焼き入れの厳しさに関係なく、1060 または 1080 グレードと同じ焼き入れ後の硬度に到達することはできません。

低炭素部品の表面硬化処理

歯車など、硬い摩耗表面と強靱なコアを必要とする低炭素鋼は、代わりに浸炭処理されます。高温で炭素が外表面に拡散し、その表層のみが硬く焼き入れされ、低炭素コアは延性を保ちます。

よくある質問

鋼を工具に十分な硬度にする炭素の割合は何ですか?

ツール アプリケーションは通常、次のあたりから始まります。 0.60% 炭素 この範囲は焼入れによりよく硬化し、鋭い刃先を保持するため、約 1.0% まで上がります。

炭素が多ければ常に鋼が強いことを意味しますか?

ある時点までだけです。引張強度と降伏強度は炭素含有量とともに増加しますが、約 0.80 ～ 0.90% を超えると増加は横ばいになり、一方で脆性は増加し続けるため、炭素の量が増えればすべての用途に自動的に優れるわけではありません。

なぜ中炭素鋼が最も一般的な鍛造材料なのでしょうか?

これは、熱処理によって硬化するのに十分な炭素を含みながら、ビレットに亀裂を生じさせることなく鍛造の圧縮力に耐えるのに十分な延性を備えた、最も広い実用範囲を提供します。

低炭素鋼は鍛造できますか?

はい。低炭素鋼は延性が高いため鍛造が容易で、溶接される部品や、表面硬度よりも強靱で耐衝撃性のあるコアが必要な部品に一般的に選択されます。

完成した鋼部品の炭素含有量はどのように測定されますか?

生産者は燃焼分析または発光分光法を使用してサンプルから炭素の割合を直接測定し、その結果は材料に付属する工場試験証明書に報告されます。

炭素含有量が鍛造用途には高すぎる場合はどうなりますか?

過剰な炭素は、特に金型の角や薄い部分で、圧縮中にビレットに亀裂が生じる可能性がある点まで延性を低下させます。そのため、鍛造工場は広い製造公差を受け入れるのではなく、炭素含有量の範囲を指定します。