試作人基礎講座

おはようございます！本日は材料解説シリーズ～S45C編～です。
特徴や用途、他材料との比較を書いていきますので、是非ご覧ください♪

S45Cとは

S45Cとは、JIS（日本産業規格）G 4051に規定されている機械構造用炭素鋼鋼材の一種です。
この「S45C」という名称にはいくつかの意味が込められています。
「S」はSteel（鋼）を表し、「45」は炭素含有量がおおよそ0.45%であることを示しています。
末尾の「C」はCarbon（炭素）を示し、合金元素が特別に添加されていない炭素鋼であることを意味します。
このS45Cは、機械的性質と加工性のバランスが良く、一般的な機械構造用材料として幅広く使用されています。
JISでは、熱間圧延・冷間圧延・鍛造などの形態での供給が想定されており、丸棒、角材、板材などさまざまな形状で入手可能です。
JIS G 4051の規格において、S45Cの使用に関しては機械部品・シャフト・ピン・ボルトなどの構造物に利用されることが多く、強度と靭性をある程度確保しながら、コストも比較的低く抑えられる点が評価されています。
また、熱処理によってさらに強度や硬度を高めることも可能であるため、強度要求が中程度の機械部品に適しています。
一方で、炭素含有量が中程度に高いため、焼き入れ性はそこそこあるものの、厚物や大きな構造物に対する深部焼き入れは難しく、均一な硬化には工夫が必要です。
また、炭素量が多いことで、溶接性に関してはやや難があることも特徴の一つです。
要するに、S45Cは「汎用性が高く、加工性と強度のバランスに優れた中炭素鋼材」と位置づけられ、多くの設計者や加工業者にとって定番の材料として利用されているのです。

S45Cの化学成分と物理的性質

S45Cは、機械構造用炭素鋼の中でも「中炭素鋼」に分類される鋼材であり、化学成分とそれに基づく物理的特性がその性能を大きく左右します。
ここでは、S45Cの主要な化学組成と、それが機械的性質や加工性にどう影響しているのかを詳しく見ていきましょう。

◆ S45Cの代表的な化学成分（JIS G 4051準拠）

元素	含有量（%）
C（炭素）	0.42～0.48
Si（ケイ素）	0.15～0.35
Mn（マンガン）	0.60～0.90
P（リン）	0.030以下
S（硫黄）	0.035以下

このように、S45Cは特別な合金元素を含まず、炭素・ケイ素・マンガンといった基本的な成分で構成されています。
以下、それぞれの元素が持つ意味について解説します。
・C（炭素）：S45Cの機械的強度や硬度を決定する最重要元素です。0.45%前後の炭素量は、硬さと靭性のバランスが良好で、焼き入れにも適した含有率といえます。
・Si（ケイ素）：脱酸剤としての役割を果たします。適度に含まれることで靱性の低下を防ぎ、強度向上にも寄与します。
・Mn（マンガン）：焼入性の向上、強度・靱性のバランスを整えるために加えられます。また、SやPと結びつくことで被削性の向上にも寄与します。
・P・S（リン・硫黄）：不純物として存在します。多すぎると脆性を高めるため、JISでは含有量に上限が設けられています。

◆ S45Cの物理的性質（代表値）

性質	値（焼ならし材の代表値）
引張強さ	約570～750 MPa
降伏点	約355 MPa
硬さ（HB）	約160～220 HB
比重	7.85
ヤング率	約200 GPa
線膨張係数	約11.7×10⁻⁶ /K（常温～100℃）

これらの物性値は、熱処理状態や材料の大きさ、試験条件によって多少変動しますが、S45Cはこのような「中程度の強度と硬さ」を持つことが特長です。
特に焼き入れや焼き戻しなどの処理を施すことで、さらに高い硬度や耐摩耗性を実現することも可能です。

◆ 性質から見た活用のポイント

S45Cの物性値は、シャフト・ピン・ボルト・ギアといった「動力を伝える部品」や「繰り返し荷重がかかる構造材」にとって理想的です。
たとえば、自動車のステアリングシャフトや産業機械のスピンドルなどは、適度な剛性と靱性が求められるため、S45Cの特性がよく活かされます。
ただし、硬度が高くなるほど延性や靱性が低下する傾向もあるため、最終的な用途に応じて熱処理の条件や形状選定に注意が必要です。

他の炭素鋼（S50C・S35Cなど）との違い

S45CはJIS規格の機械構造用炭素鋼の中でも代表的な中炭素鋼ですが、同じ規格内には炭素含有量の異なるいくつかの種類が存在し、それぞれ特性や用途が異なります。
ここでは、特に近いS35C（低炭素鋼寄り）とS50C（高炭素鋼寄り）との違いを中心に解説します。

◆ 炭素含有量の違いと機械的性質の変化

鋼種	炭素含有量（%）	引張強さ（MPa）	硬さ（HB）	主な用途例
S35C	0.32～0.39	約490～630	約140～180	一般機械構造部品、板バネ、比較的低荷重部品
S45C	0.42～0.48	約570～750	約160～220	シャフト、ピン、ギア、ボルトなど中荷重部品
S50C	0.48～0.55	約600～800	約180～230	耐摩耗性が求められる部品、刃物など

このように、炭素量の増加に伴い引張強さや硬さが上がり、耐摩耗性や強度も向上します。
ただし炭素が増えると、延性や溶接性は低下し、割れやすくなる傾向が強まります。

◆ 用途の違い

S35Cは炭素量が低めのため、加工性や溶接性が良く、比較的柔らかく靭性が高いです。
これにより、曲げや衝撃に強く、部品の加工が容易な反面、高強度が必要な部分には不向きです。
S45Cは炭素量が中程度で、強度・硬度・加工性のバランスが良いことから、機械構造用鋼材として最も汎用的に使われています。
熱処理で強度を上げやすい点も利点です。
S50Cは炭素含有量が高く、より硬くて耐摩耗性が必要な部品に向いていますが、加工時の割れやすさに注意が必要です。
刃物や工具の材料に使われることもあります。

◆ 加工性・熱処理の違い

S35Cは加工が容易で、切削や曲げ加工に適していますが、焼き入れによる硬化効果は控えめです。
S45Cは熱処理により硬度や強度を大幅に上げられますが、加工時には切削条件や熱処理後の割れに注意が必要です。
S50Cはさらに硬化性が強いですが、その分、熱処理による割れリスクが高いので、十分な前処理と後処理が求められます。

◆ まとめ

S45Cは「中間的な炭素量で機械的性能と加工性のバランスが良い」ため、汎用鋼として幅広く選ばれています。
一方で、使用条件によってはS35CやS50Cの方が適している場合もあるため、設計段階で目的に合った鋼種の選択が重要です。

S45Cの特性

機械的性質（引張強さ・硬度など）

S45Cは中炭素鋼として、機械構造用材料の中でも非常に汎用性が高く、機械的性質が優れているのが特徴です。
特に引張強さや硬度は、設計上の重要な指標となり、用途によっては熱処理で大きく性能を変えることもできます。
ここでは、代表的な機械的性質を詳しく解説します。

◆ 引張強さと降伏強さ

引張強さ（UTS）は、S45Cの基本状態（焼ならし材）でおおよそ570～750 MPaの範囲にあります。
この値は、材料が破断するまでに耐えられる最大の引張応力を示します。
熱処理で焼き入れを行うと、この数値はさらに大幅に上昇します。
降伏強さ（YS）は約355 MPa程度で、材料が永久変形を始める応力の値です。
これも焼き入れによって増加しますが、同時に靱性（割れにくさ）が低下する傾向があります。

◆ 硬度

S45Cの硬度は、焼ならし状態で約160～220 HB（ブリネル硬さ）です。
熱処理を行うと、硬度はさらに上がり、焼き入れ＋焼き戻しを適切に行うことで、300 HB以上の高硬度も可能です。
硬度の増加は耐摩耗性の向上につながりますが、同時に脆さが増すため、用途に応じたバランスが必要です。

◆ 靱性と延性

S45Cは炭素量が中程度のため、適度な靱性（割れにくさ）と延性（塑性変形能力）を備えています。
未処理の焼ならし状態では、衝撃吸収能力も高く、機械的負荷に対する耐久性が優れています。
ただし、硬化処理を強めると靱性は減少し、衝撃や疲労に弱くなるため、使用環境に応じて熱処理条件を調整することが重要です。

◆ 疲労強度

繰り返し荷重に対する抵抗力である疲労強度も、S45Cの重要な特性です。
機械構造部品として長期間安全に使うためには、この疲労特性が重要で、熱処理や表面処理（ショットピーニングなど）によって向上させることができます。

熱処理による性能変化と注意点

S45Cは中炭素鋼の中でも熱処理がしやすい材料として知られており、焼き入れや焼き戻しなどの熱処理によって、強度や硬度、靱性を大きく変化させることができます。
ここでは、S45Cに対する代表的な熱処理方法と、それによる性能の変化、そして加工時の注意点について詳しく解説します。

◆ 主な熱処理方法

・焼きなまし（アニーリング）
材料を850～900℃程度まで加熱し、徐冷（ゆっくり冷却）する処理です。
内部応力の除去や組織の均一化を目的とし、加工性を向上させる効果があります。
硬さが下がり、切削や曲げ加工がしやすくなります。

・焼き入れ（急冷処理）
840～860℃程度に加熱後、油冷や水冷で急冷することで、組織をマルテンサイトに変え、高硬度・高強度を実現します。
硬さは約55～60HRC程度にまで上がり、耐摩耗性が飛躍的に向上します。

・焼き戻し
焼き入れ後に150～650℃程度で再加熱し、靱性を調整する処理です。
焼き戻し温度が低いほど硬度は高く、靱性は低くなります。
適切な焼き戻しにより、割れやすさや脆性を抑えつつ、目的の機械的特性を得られます。

◆ 熱処理による性能変化

熱処理前の焼ならし材状態では、引張強さは約570～750MPa、硬さは160～220HB程度ですが、焼き入れ後は硬さが大幅に増し、耐摩耗性が向上します。
その一方で、靱性は低下し、割れやすくなるため、熱処理後の焼き戻しによる調整が必須です。
熱処理後の性能は、使用環境や求められる強度に応じて最適な条件を設定します。
例えば、機械の駆動軸など耐摩耗性が重要な部品には高硬度化が有効ですが、衝撃が加わる部分では靱性重視の焼き戻し条件が適しています。

◆ 熱処理時の注意点

・割れのリスク
急冷による内部応力の集中や急激な温度変化で割れが発生しやすいので、加熱・冷却速度の管理が重要です。
特に複雑形状や肉厚のある部品は注意が必要です。

・歪みの発生
熱処理によって歪みや変形が起きやすいため、仕上げ加工や機械加工の前に熱処理を行うことが一般的です。

・均一な加熱
部分的な過加熱や加熱不足があると、組織の不均一が生じ、性能のバラツキや割れの原因になります。
炉内の温度管理が重要です。

加工性（切削・溶接など）

S45Cは中炭素鋼として機械構造用に広く使われていますが、その炭素含有量の影響から、加工時にはいくつかの特徴と注意点があります。
ここでは主に切削加工と溶接加工に焦点をあてて解説します。

◆ 切削加工性

S45Cは炭素量が0.42～0.48％と中程度であり、焼ならし状態では比較的加工しやすい部類に入ります。
ただし、炭素量が多い分、低炭素鋼と比べると切削抵抗はやや高めです。
切削工具の摩耗が進みやすいため、適切な切削条件の設定が重要です。

・工具材質
高速度鋼（HSS）や超硬合金（カーバイド）工具がよく使われます。
特に高硬度化した熱処理後のS45Cを加工する場合は超硬工具の使用が推奨されます。

・切削条件
切削速度は中程度に設定し、切削油の使用で冷却・潤滑を行うことで工具寿命を延ばせます。
切りくずの排出性も良好ですが、加工中の振動に注意が必要です。

・仕上げ加工
熱処理後は硬度が高いため、研削加工や放電加工を併用することも多いです。
熱処理前に大まかな形状出しをし、熱処理後に仕上げるのが一般的です。

◆ 溶接性

S45Cは炭素含有量が0.42～0.48％と比較的高めであるため、溶接時には割れやすいという問題があります。
特に熱影響部での硬化や割れが起きやすいため、適切な前処理・後処理が不可欠です。

・溶接前の予熱
溶接部周辺の温度を150～250℃程度に予熱することで、急冷を防ぎ割れを抑制します。
特に肉厚のある部品では必須です。

・溶接後の熱処理
溶接後に応力除去のための焼きなましや焼き戻しを行い、硬化やひずみを軽減します。

・溶接方法
TIG溶接やMAG溶接が一般的ですが、炭素量の高さを考慮して溶接棒やワイヤーの選定を行います。
低水素型の溶接材料が推奨されます。

◆ その他の加工性

S45Cは曲げ加工やプレス加工も可能ですが、硬度が高くなると割れのリスクが高まるため、加工前の焼きなましが望ましいです。
バリ取りや表面処理も熱処理後に行うことが多いです。

S45Cの用途と使用事例

S45Cは機械構造用の中炭素鋼として、強度と加工性のバランスが良いことから幅広い産業分野で利用されています。
ここでは具体的な用途例と、特に多く使われている産業について詳しく解説します。

◆ 自動車産業

自動車部品の製造では、耐摩耗性や強度が求められるシャフトやギア、クランクシャフトの製造にS45Cが多用されます。
熱処理により高硬度を実現できるため、エンジンやトランスミッション部品として重要な役割を担っています。
また、加工性が良いため量産にも適しています。

◆ 工作機械・産業機械

S45Cは工作機械の主軸や歯車、治具やチャックなどの部品に使われています。
機械的な強度や耐久性が必要な部分に適しており、機械の安定した動作に貢献しています。
特に機械の精度を左右する部品には、高い寸法安定性が求められます。

◆ 建設機械・農業機械

建設現場や農業機械に使われる部品は、耐久性や耐摩耗性が重要です。
S45Cはこれらの用途において、丈夫で長持ちする部品素材として採用され、クレーンのブームやショベルのアーム、トラクターの駆動部品などに用いられています。

◆ 一般機械・工具

S45Cは、バネや工具類、金型部品にも利用されます。
強度が高く耐摩耗性にも優れるため、作業工具や切削工具の部品としても適しています。
特に硬化処理を施すことで長寿命化が可能です。

◆ その他の産業

航空機部品や鉄道車両の一部構造部品にも使われることがあります。
一般産業用の軸受けやローラー部品など、多種多様な機械部品にも広く使われています。

他の鋼材との比較と選定基準

S45Cは中炭素鋼の代表格として幅広く使われていますが、同じ機械構造用鋼材の中には、用途や求められる性能に応じて他の鋼材も選択肢として存在します。
ここでは、代表的な鋼材との比較を通じて、S45Cを選ぶ際の基準やポイントについて解説します。

◆ S45CとS50Cの比較

S50CはS45Cよりも炭素含有量がやや高く、約0.47～0.55％含まれています。
これにより硬度や強度はS45Cより高いですが、その分加工性はやや劣ります。
・強度・硬度: S50CはS45Cより硬度が高く、耐摩耗性に優れます。
・加工性: S45Cの方が加工がしやすく、切削や曲げ加工に向いています。
・用途: 高強度が求められる部品はS50Cが適しますが、加工しやすさを重視する場合はS45Cが選ばれます。

◆ S45CとSS400（一般構造用鋼）の比較

SS400は低炭素鋼で、炭素含有量は約0.17％以下と低く、加工性や溶接性に優れていますが、強度はS45Cに劣ります。
・強度: S45CはSS400より約2倍近い強度を持ちます。
・加工性: SS400の方が溶接や曲げ加工が容易です。
・用途: 大型構造物や溶接主体の部品はSS400、機械部品で強度が必要な場合はS45Cが適します。

◆ S45CとSCM材（クロムモリブデン鋼）の比較

SCM材（例：SCM435）は合金鋼であり、強度・耐摩耗性・耐熱性に優れています。
S45Cに比べて高価で、より厳しい環境下で使われることが多いです。
・強度・耐熱性: SCM材の方が優れている。
・コスト: S45Cの方が安価。
・用途: 高負荷や高温環境にはSCM材、コストとバランスを考慮するならS45C。

◆ 選定基準まとめ

S45Cを選ぶ際には、以下のポイントを検討します。
・強度・硬度の要求レベル
・加工性（切削・溶接・曲げ）
・コスト面の制約
・使用環境（耐摩耗性、耐熱性、耐腐食性など）
S45Cは強度と加工性のバランスが良く、コストパフォーマンスに優れるため、多くの機械部品で第一選択として用いられますが、特定の性能が強く求められる場合は他の鋼材も検討すべきです。

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