試作人基礎講座

本日は鉄について解説していきます！
性質や加工性など解説していきますので、是非ご覧ください♪

鉄の性質

鉄の性質は、含まれている不純物の種類と量によって違ってきます。
特に鉄に含まれる炭素は、その量によって鉄の性質を変える働きをします。

純粋な鉄は白色の艶を持ち、展延性のある金属です。
また、強磁性があり、物理的性質も持っています。

鉄は、希塩酸や希硫酸にはよく溶け、水素を発生して塩を作ります。
一方、鉄と硝酸の反応は非常に複雑で、希硝酸には溶けますが水素を発生せず、二酸化窒素などの窒素の酸化物を発生します。

また、濃硝酸に鉄を浸すと、非常に安定した鉄となり、他の物質と化合しにくくなります。
このような状態を不動態と言い、不動態になった鉄は希硝酸の中に入れても溶けません。
鉄は酸素とよく化合するほか、塩素・硫黄・リン・炭素・ケイ素などとも直接化合します。

鉄の加工性

高温や常温での鍛造や引き抜き、圧延などの加工ができ、焼き入れや焼戻しなどの熱処理によって、さらに広範囲に活用できるようになります。
ステンレスなどの合金としても使われ、高い多様性もあります。

軟鋼と銑鉄

溶鉱炉から取り出した銑鉄を、酸化鉄と一緒に反射炉に入れて熱すると、硫黄・リン・炭素などの不純物が酸化されて、取り除かれます。
こうしてできた鉄を軟鋼と言い、普通使われている鉄の中では最も炭素を含む量の少ない鉄です。
したがって、性質は非常に純鉄に近いものと言えます。

軟鋼は融点が高く溶けにくいので、鋳物にすることはできませんが、熱すると柔らかくなるので、叩いて色々な形にすることができます。
また、軟鋼は展延性が大きいので、針金・鎖・農器具などを作るのに使われます。

しかし最近では、、鋼を使って作る事が多くなってきたため、軟鋼の使用量は次第に減ってきました。

これに対し、銑鉄は最も不純物を多く含む鉄なので、性質も純粋な鉄とかなり違います。
不純物の中でも、鉄の性質を加える働きの強いものは炭素で、一般に炭素を含む量が多い鉄ほど硬くてもろくなります。

また、鉄の融点は、ある一定の限度までは、炭素を含むほど低くなります。
銑鉄は硬くてもろいために、叩いたり引き伸ばしたりして加工することはできませんが、1100～1200℃ぐらいの低い温度で溶けるので鋳物を作るのに適しています。

また、溶けた銑鉄は、固まるときに少し膨張します。
この性質も、鋳物を作るときに役に立ちます。
しかし銑鉄は、そのままで加工品を作るよりも、むしろ鋼の原料として、非常に重要なのです。

鉄(炭素鋼)の種類

鉄と炭素の合金で、炭素の含有量が0.02～2％までの素材を炭素鋼と言います。
その中でも品種が細かく分類されているので紹介します。

SPC材

0.4～3.2mmの薄板で、主に板金機械のプレス加工、曲げ加工に使用されます。
冷蔵庫のボディ部分に使われるような薄い板材で、他にSPCC、SPCD、SPCEがあります。

SS材

丸棒・角棒・鋼板・型鋼など様々な形状があり、安価で汎用性があるため最も普及している鉄鋼素材です。
JIS規格では、SS330、SS490、SS540があり、数字は引張り強さの最低保証値となっています。

S-C材

SS材に次いで普及しており、SとCの間に2桁の数字が入って表されます。
数字は炭素量×100を示しており、S45Cと表記してあれば、炭素量が0.45％という意味です。
炭素量が3％以上になると焼入れ硬化があります。

SK材

鋼の中では炭素量が最も多く、含有量は0.6～1.5％です。
硬度と耐摩耗性に優れており、焼入れすると硬さは0.6％まで上がりますが、摩耗は炭素量に比例して強くなります。
SKの後の2桁の数字は、炭素含有比率の100倍を表します。

鉄(合金鋼)の種類

鉄鋼素材の五大元素に、他の金属元素を添加したものを合金鋼と言います。
鉄鋼より高価で形状も種類も少ないので、炭素鋼で要件を満たさない場合に使用されます。

ステンレス鋼

汚れ、錆びが少ないという意味のステンレス。合金鋼の中でもよく使われ、SUS材とも呼ばれます。
五大元素にニッケルとクロムを加えてできますが、その含有量によって3種類に分かれます。

合金工具鋼

工具素材には硬い素材が必要ですが、SK材で硬さや耐摩耗性が満たない場合に使われる素材です。
合金工具鋼にはSKS材、SKD材、SKT材があり、五大元素に加えてクロム、バナジウム、タングステンを添加して硬度や耐摩耗性、耐熱性をアップさせています。

機械構造用合金鋼

機械構造の部品で使われる鉄鋼素材には、炭素鋼と合金鋼があります。
しかし、より強度と靭性が要求される場合には合金鋼を使います。
合金鋼は素材の中心部まで焼きが入り、機械的性質に優れています。

超硬合金

クロム、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルといった素材に、鉄、コバルト、ニッケルで結合した合金鋼です。
名前の通り、極めて硬い合金鋼で、スローアウェイの旋盤用工具のチップなどに使われます。

ハイテン鋼

高張力鋼とも呼ばれ、引張りの強さが特徴的です。
汎用的な炭素鋼SS400と比べると、ハイテン鋼は2倍以上の引張強度があります。
薄くて丈夫なので、電車のボディやガスタンクなどに使われています。

鉄のサビ

鉄を塩水の中につけておいたり、水が付いたままにしておくと、表面に赤褐色したものが発生します。
これは、赤さびと言われる錆で、純鉄よりも不純物を含む鉄の方が早く錆びます。
また、湿り気が多いとより早く錆びます。

このサビは、鉄が空気中の酸素や水蒸気と作用してできたものですが、この反応はただの酸化ではなく、非常に複雑な変化です。

したがって、サビの成分もただの酸化鉄だけではありません。
錆びには、酸化第二鉄をはじめとして塩基性炭酸第一鉄や塩基性炭酸第二鉄などのような化合物が含まれています。

このような化合物ができるためには、炭酸が必要です。
つまり赤さびができるときには、空気中の酸素のほかに水蒸気や二酸化炭素も関係しているのです。

赤さびは、空気や水分を通しやすいので、長い間ほったらかしにしておくと、次第に鉄の内部まで錆びてきてしまい、腐ってしまいます。

一方、空気中で鉄を強く熱すると、表面が黒色に変わります。
これは鉄が酸化して、黒色の四酸化鉄ができたためで、黒サビと呼ばれます。

黒サビは目が細かいので、これが表面にできるとかえって鉄を赤さびから守るようになります。
また、加熱した鉄に水蒸気を通しても、鉄は酸化されて四三酸化鉄となります。
このような方法で、鉄の表面に四三酸化鉄をつくって鉄の錆止めにすることがあります。

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