試作人基礎講座

本日はS45Cの調質材について解説していきます。
規格や焼入れなどの熱処理条件や硬度をご紹介していきますので、是非ご覧ください♪

S45Cに関連するJIS規格

S45Cは、日本産業規格（JIS G 4051）において「機械構造用炭素鋼鋼材」として分類される鋼材の一つで、特に炭素含有量が約0.45%前後の中炭素鋼です。
記号の「S」はSteel（鋼）、「45」は炭素含有量を100倍した値を示しており、「C」はCarbon（炭素）を表します。
つまり、S45Cは「炭素量0.45%程度の機械構造用炭素鋼」という意味になります。
この炭素量は、焼入れ性や強度といった機械的特性を得る上でバランスが良く、構造部材や機械部品など、広範囲な用途に対応できる鋼材とされています。
JIS G 4051で規定されるS45Cは、熱処理によって強度・硬度を調整することが可能で、特に「調質材（焼入れ・焼戻し済みの状態）」として流通することが多いです。
この調質処理を行うことで、S45Cは加工前に適切な機械的性質を確保しつつ、寸法精度や内部応力の制御が施された使いやすい素材となります。
調質前の状態（＝黒皮材や焼ならし材）では比較的軟らかく、切削加工はしやすいものの、強度や耐摩耗性に乏しいため、機能部品としての使用には適しません。
そのため、調質材としてのS45Cは、実用性の高い中炭素鋼として重宝されています。
物理的特性としては、引張強さは約570～735 MPa、降伏点は約335 MPa前後、伸びは15%程度が一般的な目安です。
ただし、これらは熱処理条件や素材の寸法によって変動するため、実際の用途に応じたスペック確認が不可欠です。
また、焼入れ性は高くないため、厚肉部品や大型部品では十分な硬化が得られないケースもあります。
この場合は、SCM材などの合金鋼に置き換える検討が必要になります。
S45Cの優れた特徴は「強度と加工性のバランスの良さ」にあります。
炭素含有量が適度であるため、適切な工具と条件下での切削加工が可能で、同時に必要な強度も得られるという特徴を持ちます。
また、熱処理性にも優れ、焼入れや焼戻し、焼ならしなどの工程によって、さまざまな機械的性質を付与できるという柔軟性も評価されています。
標準供給形態としては、丸棒（黒皮・研磨仕上げ）、四角材、フラットバーなどがあり、機械加工用の素材として広く流通しています。
また、近年では海外JIS類似材（例：AISI 1045など）との比較や互換性についても注目されており、国際調達を行うメーカーにとっても基準材料として重要な位置を占めています。

調質（焼入れ焼戻し）処理の意味と目的

S45Cをはじめとする中炭素鋼には、使用目的や要求される機械的特性に応じて「熱処理」が施されます。
その中でも特に広く用いられるのが「調質処理」です。
これは、焼入れと焼戻しを組み合わせた熱処理法で、鋼材に一定の硬度と靭性（粘り強さ）を持たせることを目的としています。
調質されたS45Cは「S45C調質材」として流通し、自動車部品や機械構造部品などに多用されます。
まず、「焼入れ（Quenching）」とは、鋼材を一定の温度（S45Cの場合およそ800〜850℃）に加熱し、その後急冷（通常は油冷）することで鋼の組織をマルテンサイトという非常に硬い構造に変化させる工程です。
焼入れによってS45Cは高い硬度と引張強さを得ることができますが、そのままでは内部応力が大きく、もろく壊れやすい状態になります。
これは、焼入れによって内部にひずみや残留応力が生じることが主な原因です。
そこで次に行うのが「焼戻し（Tempering）」です。
これは、焼入れ後の鋼材を200〜650℃程度に再加熱し、急激に硬化した組織を安定化させ、過剰な内部応力を除去する工程です。
焼戻しによって硬度はやや下がりますが、粘り強さや靭性が向上し、実使用に適したバランスの取れた特性となります。
これら一連の工程を「調質」と呼び、S45Cに対してこの処理を施すことで、耐摩耗性と耐衝撃性を両立させることが可能になります。
調質されたS45Cは、焼入れ前の生材や焼なまし材に比べ、強度や硬度が飛躍的に高まります。
たとえば、焼ならし状態では引張強さが約600MPa程度であるのに対し、調質材ではおおよそ700～850MPaに達します。
硬度もHB（ブリネル硬さ）で180程度から220〜260程度へと増加します。
これにより、シャフトやギア、ピン類といった応力が集中しやすい部品に適用可能となります。
また、S45C調質材はそのまま機械加工ができるように製品化されており、「ミガキ材」や「調質引抜材」として市場に出回ることもあります。
このような製品は寸法精度に優れ、すぐに加工工程へと移行できるため、納期短縮や工数削減の観点からも利便性が高いです。
ただし、注意点も存在します。
焼入れ時の急冷によって寸法変化が起きやすく、特に複雑な形状や肉厚が不均一な部品では、歪みや割れが生じるリスクがあります。
そのため、調質処理の際には形状や素材サイズに応じた冷却方法や焼戻し温度の選定が重要となります。
このように、調質処理はS45Cを実用に耐えうる強度と靭性を持つ材料へと進化させるための重要な工程であり、調質材としてのS45Cは、熱処理と機械加工のバランスを重視する現場において不可欠な存在といえるでしょう。

S45C調質材の代表的な機械的性質

S45C調質材は、焼入れ・焼戻しを経ることで、汎用鋼材よりも優れた機械的特性を発揮します。
この性質が多くの機械部品に選ばれる理由でもあります。
ここでは、調質後に得られる代表的な機械的性質について、具体的な数値や特徴とともに解説します。
まず、引張強さ（Tensile Strength）についてですが、S45C調質材の一般的な引張強さは約650〜850MPaです。
これは熱処理の条件（特に焼戻し温度）や素材の形状・寸法にもよりますが、通常、焼ならし材の引張強さ（約570MPa）を大きく上回ります。
引張強さは、材料が破断するまでに耐える最大の応力を示す値で、S45C調質材は中程度以上の負荷に十分対応できる性能を持ちます。
次に降伏点（Yield Strength）ですが、こちらはおおよそ500〜650MPaが目安です。
これは、塑性変形が始まる応力レベルを示す値で、弾性限界以上の力を加えたときに永久変形することなく元に戻るかどうかの指標です。
引張強さと降伏点の差が比較的小さいことから、S45C調質材は「比例限界に近い範囲で確実に強度を発揮する」素材と言えます。
硬度（Hardness）については、焼戻し温度によっても左右されますが、HB（ブリネル硬さ）でおよそ200〜270程度、HRC（ロックウェル硬さ）で25〜35程度となることが一般的です。
硬度が高まることで耐摩耗性も向上し、摩擦の多い箇所に使用する際にも優れた性能を発揮します。
たとえばシャフト、歯車、ピン、カムなどがこれに該当します。
伸び（Elongation）および絞り（Reduction of Area）は、素材の靭性を示す重要な指標です。
S45C調質材の伸びは約15〜20%、絞りは40%以上を確保できる場合が多く、ある程度の変形に対しても破断せず粘り強く耐える能力があることを意味します。
靭性の確保は、特に衝撃荷重がかかるような場面では重要な性質であり、硬さや強度と並んで部品選定の際に重要なポイントになります。
また、衝撃値（シャルピー衝撃試験による吸収エネルギー）についても、適切に焼戻しを行えば30J/cm²以上と比較的良好な値が得られる場合があります。
これにより、過酷な使用環境下でも突然の破壊を避ける設計が可能になります。
ただし、すべての性質は加工や熱処理の条件、素材の断面積などに大きく依存します。
特に厚物材では中心部まで焼入れが不十分になるケースがあり、表面硬度と内部の硬度にばらつきが出る可能性もあります。
そのため、調質材を選定する際には、部品形状や必要とされる性能に応じて適切な仕様・処理条件の管理が求められます。
このように、S45C調質材は強度、靭性、硬度のバランスに優れた機械的特性を持ち、機械構造用材料として極めて扱いやすい鋼材といえます。
実用性が高く、かつ価格も比較的安定しているため、設計者・加工者の双方にとって「頼れる素材」の代表格といえるでしょう。

S45C調質材の製造工程

素材としてのS45Cの鋼材製造

S45CはJIS G 4051に準拠した「機械構造用炭素鋼鋼材」として、日本国内外の製鉄メーカーで広く製造されている中炭素鋼です。
その素材製造のプロセスは、原料の選別から始まり、製鋼、鋳造、圧延、熱処理といった複数の段階を経て最終形状へと仕上げられます。
これらの工程は、材料の機械的性質や加工性、さらにはコストにも大きく影響を与えるため、製造の過程を正しく理解することは非常に重要です。
まず、製鋼工程においては、鉄鉱石やスクラップを高炉または電気炉で溶解し、溶鋼を精錬することから始まります。
ここで炭素含有量や不純物（リン、硫黄、窒素など）を厳密に制御し、JIS規格で定められた化学成分範囲に収める必要があります。
S45Cの場合、炭素含有量は0.42～0.48%、マンガンは0.60～0.90%程度が目安とされており、これらが適切に含まれていなければ、焼入れ性や強度などに悪影響を及ぼします。
続いて、鋳造工程では、精錬された溶鋼が連続鋳造機（CC：Continuous Casting）により鋳片（スラブ、ブルーム、ビレットなど）として成形されます。
S45Cの用途に応じて、その後の加工方法が選定されます。
たとえば、丸棒材はビレットを熱間圧延することで製造されることが一般的であり、板材やフラットバーはスラブを熱間圧延して製造されます。
その後の圧延工程では、加熱された鋼材を回転ロールで延ばし、目的の形状・寸法に加工します。
この時点で「黒皮材（表面が酸化皮膜で黒くなる熱間圧延材）」として製品化されることもありますが、高精度を求める場合はさらに「冷間引抜材（コールドドロー材）」として仕上げる場合もあります。
引抜加工を施すことで寸法精度が向上し、表面も滑らかになります。
また、S45Cは後工程で調質処理が施される場合が多いため、焼入れ・焼戻しの前提に適した材質であることが求められます。
そのため、焼ならし（正火）などの一次熱処理が施された状態で出荷されることもあります。
焼ならしは鋼材全体を一様な組織（フェライト＋パーライト）に整える工程で、これによって内部応力を除去し、後の加工や熱処理の精度向上につながります。
製造されたS45C鋼材は、その後用途に応じた形状に仕上げられ、市場へと供給されます。
一般的な供給形態には以下のようなものがあります。
・丸棒（ミル仕上げ／黒皮材／ミガキ材）
・フラットバー（平鋼）
・角棒（四角形断面）
・六角棒（ボルト・ナット向け）
・鋼板（薄板・厚板）
これらは、自動車、産業機械、金型、建設機械など幅広い分野での使用を想定しており、加工性や入手性の良さから、多くの部品設計における「標準材」としての役割を担っています。
以上のように、S45Cの鋼材製造は、化学成分管理から始まり、適切な鋳造・圧延・熱処理工程を経て供給されることで、その機械的性質と加工適性を保証しています。
信頼性の高い素材として広く利用されるためには、これら一連の工程が厳密に管理されていることが大前提となります。

調質処理の工程（焼入れと焼戻し）

S45C調質材は、その名の通り「調質処理（熱処理）」を経て、最終的な強度や靭性を備えた状態に仕上げられています。
調質処理とは、焼入れと焼戻しの2つの工程を組み合わせたもので、鋼材にとって理想的な機械的特性を実現するための重要な処理です。
ここでは、それぞれの工程の詳細と目的、そしてS45Cにおける実際の適用方法について解説します。

1. 焼入れ（Quenching）の工程

焼入れは、鋼材をオーステナイト領域（約800〜850℃）まで加熱し、その後急冷することで、組織を「マルテンサイト」という非常に硬くて脆い構造に変化させる工程です。
マルテンサイトは、鉄と炭素が高温で形成した固溶体（オーステナイト）を急激に冷やすことで、炭素が鉄の格子構造内に閉じ込められた状態となり、硬化するという特性を持ちます。
S45Cの場合、炭素含有量が0.45%前後であるため、焼入れによって十分な硬度を得ることができます。
焼入れの冷却媒体としては通常、油冷が使用されます。
これは、水冷に比べて冷却速度が穏やかであり、割れや歪みといった熱応力による欠陥を抑えることができるからです。
特に中炭素鋼であるS45Cでは、冷却速度と硬化深さ（焼入れ深さ）のバランスが求められ、油冷がもっとも一般的な選択肢となります。
ただし、焼入れ時には素材全体に急激な温度変化が生じるため、寸法変化や内部応力の蓄積が避けられません。
このため、焼入れ後の鋼材は非常に硬くなる一方で、脆く、衝撃に弱い状態となります。

2. 焼戻し（Tempering）の工程

焼入れによって高硬度化した鋼材は、そのままでは機械部品としての使用に適しません。
これを実用的な強度と靭性のバランスに調整するために必要なのが焼戻しです。
焼戻しは、焼入れ後の鋼材を400〜650℃程度に再加熱して保持し、その後再び冷却するという処理です。
目的は主に以下の3つです。
・内部応力の除去：急冷で発生した残留応力を低減することで、割れや歪みを防止。
・靭性の回復：硬くなりすぎたマルテンサイト組織を、適度に軟化させ、粘り強さを取り戻す。
・寸法安定性の向上：長期的な使用における変形リスクを軽減。
焼戻し温度が高いほど硬度は下がりますが、靭性は向上します。
そのため、用途に応じて最適な焼戻し温度を選定することが重要です。
例えば、歯車やシャフトのような衝撃や曲げに耐える部品には、高靭性を重視してやや高めの焼戻し温度（550〜600℃）が選ばれます。

3. 調質処理の品質管理

調質処理は、S45Cの性能を決定づける工程であるため、温度管理・保持時間・冷却条件などを厳密に管理する必要があります。
特に、加熱温度のばらつきや不適切な冷却条件は、焼割れ、硬度ムラ、過度な残留応力といった品質不良を招きます。
そのため、温度管理用の炉（電気炉・ガス炉）では精密な温度制御装置が使用され、時には鋼材内部の温度分布を測定して均一性を確認することもあります。
また、焼入れ・焼戻し後の材質検査として、硬度試験（ブリネル・ロックウェル）や金属組織観察、引張試験などが行われ、適正な熱処理がなされたことを確認した上で出荷されます。
このように、焼入れと焼戻しを組み合わせた調質処理は、S45Cを構造用部品に適した素材へと昇華させるための極めて重要なプロセスです。
調質処理の適否は、使用中の破損リスクや製品寿命に直結するため、製造・加工現場では常に高いレベルの熱処理技術が求められます。

機械加工前後の品質管理と検査

S45C調質材を用いた部品の信頼性と性能を確保するには、調質処理後の鋼材に対して厳格な品質管理と検査を行うことが不可欠です。
特に、機械加工の前後における品質検証は、最終製品の寸法精度、機械的強度、安全性を左右する重要なステップです。
この項目では、調質材の品質管理の目的と具体的な検査手法について詳しく解説します。

1. 機械加工「前」の品質管理：素材状態の確認

加工に入る前の段階では、材料としてのS45C調質材が設計通りの機械的性質と寸法精度を持っているかどうかを確認する必要があります。
主に以下の点がチェックされます。

・硬度試験（ブリネルHBまたはロックウェルHRC）
調質後のS45Cは、一般的にHB200〜270、またはHRC25〜35程度の範囲に収まります。
適切な熱処理がなされていれば、均一な硬度分布が得られるはずですが、万一バラツキがある場合、局所的な加工性や使用時の破損リスクに影響を及ぼします。

・外観検査
表面の割れ、焼割れ、酸化スケール、寸法不良などを目視またはマイクロスコープ等で確認します。
焼入れ時に発生しやすいクラック（特に端部）や熱膨張による歪みは、加工性や使用信頼性に直接関わるため重要なチェックポイントです。

・内部欠陥の確認（超音波探傷試験 UT）
鋼材内部に介在物、割れ、介在ガスなどが存在しないかを非破壊で検査します。
特に大型シャフトや重要構造部品に使われる場合は、UTや磁粉探傷（MT）による欠陥検出が不可欠です。

・寸法・形状の確認
引抜材や機械加工前の丸棒に対して、直径、真円度、曲がり（真直度）などが規格・図面通りかをノギス、マイクロメーター、ダイヤルゲージなどで確認します。
特にセンター穴加工を要する部品では、中心ずれの有無は後工程の精度に大きく影響します。

2. 機械加工「後」の品質検査：製品完成品の検証

加工が完了した後にも、S45C調質材を使用した製品の寸法精度や品質に対する確認作業が行われます。
代表的な検査内容は次のとおりです。

・寸法検査・幾何公差チェック
加工後の寸法公差（±0.01mmレベルなど）、形状公差（真直度、円筒度）、位置公差などを三次元測定機（CMM）やプロファイルメーターを用いて確認します。
S45C調質材は比較的加工精度が出しやすい素材ですが、焼戻しによるわずかな残留応力が、切削加工後に寸法の狂いをもたらすことがあります。

・表面粗さ測定（Ra）
工業製品では表面の滑らかさが性能や耐久性に直結します。
表面粗さ計を用いて、Ra（平均粗さ）やRz（最大高さ）などを計測し、指定値内にあるかを確認します。
S45C調質材は焼入れによる硬さがあるため、仕上げ加工時の工具摩耗やビビリによる粗さ悪化が懸念されます。

・機械的特性の抜き取り試験
量産品や重要構造部品では、ロット単位での機械的性質（引張試験、衝撃試験など）の抜き取り検査が行われます。
これにより、同じ調質処理でもロット間で性能のバラツキがないかをチェックします。

・非破壊検査（MT/UT/ETなど）
最終製品においても、重要度の高い部品（例：安全部品、圧力部品、回転部品）には再度非破壊検査が行われます。
特に焼入れ後に発生しうる表面クラックはMT（磁粉探傷）で、内部欠陥はUT（超音波探傷）で確認します。

3. トレーサビリティとデータ管理

製造業では近年、「トレーサビリティ（履歴追跡）」の重要性が高まっています。
S45C調質材に関しても、ロット番号、処理条件、検査記録を管理・保存しておくことで、万一の不良品発生時に原因追及や再発防止が可能になります。
これはISOなど品質管理規格においても重視されており、多くの加工会社や鋼材メーカーが対応しています。

このように、S45C調質材を用いた部品の信頼性を確保するには、熱処理・加工のそれぞれの段階で厳格な品質管理と検査を行う必要があります。
素材が良くても、管理が不十分であればその性能は発揮されません。適切な検査は、高品質なものづくりの基盤なのです。

他材料との比較と選定ポイント

S50Cとの違い（強度とコスト）

S45CとS50Cは、いずれもJIS G 4051に準拠した機械構造用炭素鋼で、材料の性質は似ているものの、使用用途や性能、コストにおいていくつかの違いがあります。
両者の違いを正しく理解することで、設計・加工現場での適切な材料選定が可能となります。

化学成分と強度の差

材料	炭素含有量（C）	一般的な引張強さ	一般的な硬度（調質）
S45C	約0.45%	570〜750 MPa	HRC25〜35
S50C	約0.50%	630〜800 MPa	HRC28〜40

S50Cの方が炭素含有量がやや多く、それに比例して引張強さ・硬度が高くなります。
そのため、より高負荷な条件下や摩耗の多い部品に用いられる傾向があります。
ただし、炭素量が高まることで、以下のようなデメリットも発生します。
・溶接性がやや低下（割れのリスク）
・焼入れによるひずみや割れの可能性が増大
・加工性が若干悪化（工具摩耗が早まる）
これに対しS45Cは、加工性と強度のバランスが良く、中庸な特性が求められる機械部品に最適です。
特にコストと生産効率が重視される量産部品ではS45Cが選ばれることが多いです。

コストと入手性の比較

S45Cの方が生産・流通量が多いため、一般に入手性が高く、価格も安定しています。
S50Cは高炭素鋼としてやや専門用途向けであるため、在庫が限られていたり、サイズ展開が狭かったりすることがあります。

観点	S45C	S50C
加工性	良好（バランスが取れている）	やや劣る（硬さが高い）
焼入性	良好	より強化されている
溶接性	比較的良好	劣る（割れやすい）
コスト	安価・流通豊富	やや高価・用途限定

選定ポイントのまとめ

・S45C：中負荷の一般部品、軸、ボルト、ピンなどに最適。コスト・加工性・機械的性質のバランスを重視。
・S50C：高負荷がかかる部品、摩耗性が求められる部位に。加工に注意が必要だが、より高強度。

SCM材との使い分け（合金鋼との比較）

SCM材（Cr-Mo鋼：主にSCM415、SCM435など）は、S45Cとは異なり合金元素を加えた「合金鋼」であり、用途・特性ともに明確な違いがあります。
特に自動車や航空機、重機分野では、S45CとSCM材の適切な使い分けが求められます。

化学成分と特性の違い

材料	主な成分	特徴
S45C	C（約0.45%）、Mn	中炭素鋼、焼入れ性・強度は中程度
SCM435	C, Cr, Mo（0.15～0.35%）	焼入れ性・耐熱性・疲労強度が高い

SCM材は、クロム（Cr）とモリブデン（Mo）を含んでおり、これらの元素によって焼入れ性・耐疲労性・靱性・高温強度が飛躍的に向上します。
特に高い表面硬度と内部の靭性が両立しやすいため、SCM材は以下のような高要求特性部品に使用されます。
・高速回転軸、ギア、エンジン部品
・自動車のミッション部品、カムシャフト
・ボルト類（SCM435相当の10.9級など）

焼入れ性と表面処理の柔軟性

SCM材は表面硬化（浸炭、窒化）との相性が非常によく、S45Cと比較して深く均一な硬化層を形成できます。 これにより、外部は高硬度・内部は粘り強い構造を得られます。
一方で、S45Cは表面硬化が浅く、深い焼入れが困難です。

コスト面での注意

合金鋼であるSCM材は、材料単価が高く、熱処理コストも上昇します。
また、被削性はS45Cに比べて劣るため、加工コストもやや高めになります。

選定のポイント

・S45C：汎用的な機械部品、コスト優先。中程度の強度で問題ない場合に選択。
・SCM材：疲労、摩耗、衝撃が繰り返される部品に最適。高性能を優先する場合に有利。

SUS材や工具鋼との用途別選定基準

S45Cとよく比較される材料に、SUS材（ステンレス鋼）や工具鋼（SKD11など）があります。
これらは用途や物理的特性が大きく異なるため、選定には明確な基準が必要です。

SUS材（ステンレス鋼）との違いと選定基準

SUS304やSUS420などは、耐食性を重視した材料で、S45Cとは使用環境が根本的に異なります。

材料	特徴	用途例
S45C	強度・加工性に優れるが錆びる	一般機械部品、シャフト、ピン
SUS304	耐食性が非常に高い、非磁性	厨房設備、医療機器、食品機械
SUS420	焼入れ可能な耐食鋼、硬度も確保	バルブ部品、ナイフ、金型

ステンレス鋼は、酸化環境や水分、薬品などに対する腐食耐性を必要とする場面に最適です。
対してS45Cは空気中ですぐに酸化するため、屋外や高湿環境では防錆対策が必要です。

工具鋼（SKD、SKHなど）との比較と使い分け

工具鋼は、焼入れ後の硬度・耐摩耗性が極めて高く、金型や切削工具に使用されます。

材料	硬度（焼入れ後）	特徴	用途例
S45C	HRC30前後	汎用的な構造材	軸、プレート、ベース材
SKD11	HRC60前後	高硬度・高耐摩耗性	プレス金型、成形金型
SKH51	HRC60〜65	高速工具鋼、高温下でも硬さ維持	ドリル、エンドミルなど

S45Cは、量産可能でコストパフォーマンスに優れた材料であるのに対し、工具鋼は高負荷・高精度・高摩耗環境に特化した材料です。
工具鋼は焼入れや加工が難しく、熱処理による変形リスクもあるため、構造部品としてはコストオーバーになることが多いです。

総合的な選定基準

優先項目	選定材料
コスト重視	S45C、S50C
強度・焼入性重視	S50C、SCM435
耐食性重視	SUS304、SUS420
耐摩耗性・高硬度	SKD11、SKH51（工具鋼）
熱処理の自由度	SCM材（表面硬化処理向き）

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