合金鋼

低合金鋼
低合金鋼は、金属の組成の 8% 未満を構成する合金元素を含む鋼です。 これらの合金元素は、鋼の機械的特性を向上させるために添加されます。 たとえば、モリブデンは強度を向上させます。 ニッケルは金属の靭性を高め、クロムは高温強度、耐食性、硬度を高めます。
低合金鋼は製造業や建設業で広く使用されています。 この鋼の一般的な用途には、軍用車両、建設機械、船舶、パイプライン、圧力容器、構造用鋼、石油掘削プラットフォームなどがあります。

高強度低合金 (HSLA) 鋼
高強度低合金 (HSLA) 鋼、または微合金鋼は、高強度と優れた大気耐食性の両方を備えています。 HSLA 鋼には、耐候性鋼、針状フェライト鋼、パーライト還元鋼、二相鋼、制御圧延鋼、および微合金化フェライト パーライト鋼の 6 つの主要なカテゴリがあります。 通常、銅、クロム、リン、シリコンは耐食性を高めるために使用され、バナジウム、ニオブ、チタン、銅は強度を高めるために使用されます。 HSLA 鋼は強度が高いため、成形が困難になる場合があります。
HSLA は自動車業界で広く使用されています。 熱間圧延 HSLA 鋼は、サスペンション システム、シャーシ、ホイール、シート機構に使用できます。 一方、冷間圧延HSLA鋼は補強材やシートブラケットに使用できます。

高合金鋼
高合金鋼は、鋼の全成分の 8% 以上の高い合金含有量が特徴です。 高合金鋼の製造は高価であり、作業が難しい場合があります。 ただし、これらのグレードは、その硬度、耐食性、靭性により、自動車用途、構造部品、化学処理、発電設備に最適です。

ステンレス鋼
ステンレス鋼は最もよく知られている合金鋼の 1 つであり、最も耐食性に優れています。 通常、主要な合金元素としてニッケル、クロム、モリブデンの組み合わせが含まれており、これらは鋼の組成の約 11-30 % を占めます。 ステンレス鋼には、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系の 3 種類があります。
オーステナイト鋼は通常、鉱業、化学、建築、または製薬産業の腐食性液体および機械を収容するために使用されます。 オーステナイト鋼には、多量のニッケル (最大 35%)、モリブデン、クロム (16-26%)、ニオブが含まれており、炭素は最大 0.15% です。 オーステナイト鋼は、多くの場合、すべてのステンレス鋼の中で最高の耐食性を備えています。 これらの鋼は高い成形性と強度も備えており、通常、極端な温度での特性が求められます。
産業機械や自動車に使用されるフェライト鋼は、0.10% 未満の炭素と 12% を超える炭素を含むステンレス鋼のグレードです。 このグレードの鋼は、腐食と酸化、より具体的には応力亀裂腐食に耐えるように開発されました。 これらの鋼は本質的に熱処理によって硬化することができず、冷間圧延によってのみわずかに硬化することができます。
主に刃物に使用されるマルテンサイト鋼は、典型的なクロム含有量が 11.6 ～ 18% で、1.2% の炭素とニッケルが添加されることもあります。 グループとして、マルテンサイト鋼の最高クロム含有量は、フェライト鋼およびオーステナイト鋼の最高クロム含有量よりも低くなります。 マルテンサイト鋼は、優れた焼入れ性と軽度の耐食性が認められています。 そのため、刃物、レンチ、手術器具、タービンに最適です。

微小合金鋼
高強度低合金 (HSLA) 鋼は、マイクロアロイ鋼と呼ばれることがよくあります。

先端高張力鋼（AHSS）
先進高強度鋼 (AHSS) は主に自動車産業で使用されます。 この金属合金は、車両の総重量を軽減する上で重要な役割を果たします。 高強度や最適化された成形性などのユニークな特性を備えており、自動車用途に最適です。

マレージング鋼
マレージング鋼は、炭素含有量が低い特殊な合金鋼です。 この超高張力鋼は、ほとんどの鋼と比較して優れた靭性と良好な延性を備えています。 他の合金鋼とは対照的に、マレージング鋼は炭素の存在によってではなく、金属間化合物の析出によって硬化します。 マレージング鋼は、炭素の欠如と金属間化合物の析出の使用により、高い強度と硬度、および比較的高い延性を兼ね備えています。 主な沈殿物の種類は Ni3Mo、Ni3Ti、Ni3Al、Fe2Mo であり、これらも大量の留分で発生します。 マルエージング鋼は、主に航空宇宙分野や工具や兵器の製造で使用されます。

工具鋼
工具鋼は、工具の製造に適した一連の炭素鋼および合金鋼を表すために使用される用語です。 これらの鋼は、硬度、耐摩耗性、靱性、および高温での軟化に対する耐性によって区別されます。 工具鋼の理想的な適用靭性と高温での軟化に対する耐性。 工具鋼の理想的な用途は、機械の金型や手動工具を含む (ただしこれらに限定されない) 工具の製造です。

合金鋼の製造に使用される方法には、クロム、ニッケル、モリブデン、バナジウムなどの合金元素を使用する方法が含まれます。必要な鋼の種類とグレードに応じて、合金鋼の製造にはさまざまなプロセスが使用されます。 一般的なプロセスの一部は次のとおりです。

電気アーク炉 (EAF) プロセス

この手順の主な供給材料はスクラップ鋼または直接還元鉄 (DRI) であり、電気炉で溶解されます。 酸素吹き込みまたは真空脱ガスにより、合金元素が溶鋼に導入され、精製されます。 次に、鋼はスラブ、インゴット、ブルーム、ビレット、またはその他の形状に成形されます。

基礎酸素製鋼 (BOS) プロセス

この手順の主な原料は高炉からの液体銑鉄とスクラップ鋼であり、不純物は転炉に酸素を吹き込むことによって酸化されます。 真空脱ガスまたは取鍋冶金により、精錬前に合金元素が溶鋼に導入されます。 次に、鋼はスラブ、インゴット、ブルーム、ビレット、またはその他の形状に成形されます。

電気誘導炉（EIF）プロセス

この方法では、廃鋼を主原料とし、誘導炉内で電磁誘導を利用して溶解します。 取鍋冶金は、合金元素の導入後に溶鋼を精製するために使用されます。 次に、鋼はスラブ、インゴット、ブルーム、ビレット、またはその他の形状に成形されます。

るつぼプロセス

この手順では、燃料源として木炭を使用し、気密るつぼ内で合金鉄、鉄スクラップ、錬鉄を溶かします。 供給物質の組成により、炭素および合金元素の量が調整されます。 溶解後、鋼はインゴットに成形されます。

ベッセマープロセス

銑鉄はこのプロセスの主原料として機能し、洋ナシ型の転炉に空気を吹き込んで汚染物質を酸化させます。 溶鋼にフェロマンガンまたはシュピーゲライゼン（マンガンを豊富に含む銑鉄）を添加することで、合金成分と炭素含有量を調整できます。 溶解後、鋼はインゴットに成形されます。

平炉工程

銑鉄と廃鋼はこのプロセスで使用される主な原料であり、ガスまたは石油を燃料として浅い炉で溶解します。 石灰石、鉄鉱石、その他の材料を溶鋼に添加して、合金化と炭素含有量を調整できます。 溶解後、鋼はインゴットに成形されます。

鋳造後、合金鋼のインゴット、ブルーム、ビレット、またはスラブはさらに加工されて、棒、棒、ワイヤー、シート、プレート、パイプライン、チューブなどのさまざまな形状の合金鋼製品が作成されます。 追加の加工方法としては、熱間圧延、冷間圧延、鍛造加工、機械加工、熱処理、表面処理などが挙げられます。

純鉄は柔らかすぎて構造の目的に使用できませんが、少量の他の元素（炭素、マンガン、シリコンなど）を添加すると、その機械的強度が大幅に向上します。
合金は通常、純粋な金属よりも強度が高くなりますが、一般に電気伝導性と熱伝導性が低くなります。 強度は、多くの構造材料を判断する最も重要な基準です。 したがって、合金は工学構造に使用されます。 合金元素と熱処理の相乗効果により、非常に多様な微細構造と特性が生み出されます。

炭素。炭素は非金属元素であり、すべての鉄金属ベースの材料における重要な合金元素です。 炭素は金属合金、つまりすべてのグレードのステンレス鋼や耐熱合金に常に存在します。 炭素は非常に強力なオーステナイト化剤であり、鋼の強度を高めます。 実際、これは主要な硬化元素であり、セメンタイト、Fe3C、パーライト、球状晶、および鉄-炭素マルテンサイトの形成に不可欠です。 鉄に少量の非金属炭素を添加すると、その優れた延性と引き換えに強度が高まります。 別の成分 (炭化クロム) としてクロムと結合すると、合金内の固溶体からクロムの一部が除去され、その結果、安全性を確保するために利用できるクロムの量が減少するため、耐食性に悪影響を及ぼす可能性があります。耐食性。

クロム。クロムは硬度、強度、耐食性を高めます。 粒界に安定した金属炭化物を形成する強化効果と耐食性の大幅な向上により、クロムは鋼にとって重要な合金材料となっています。 腐食剤の化学的影響に対するこれらの金属合金の耐性は、不動態化に基づいています。 不動態化が発生し、安定した状態を維持するには、Fe-Cr 合金のクロム含有量が約 11 重量％以上でなければならず、これを超えると不動態化が発生し、それ以下では不動態化が不可能になります。 クロムは硬化元素として使用でき、優れた機械的特性を生み出すためにニッケルなどの強化元素とともによく使用されます。 高温では、クロムは強度の向上に貢献します。 高速度工具鋼には 3 ～ 5% のクロムが含まれています。 通常、この種の用途にはモリブデンと組み合わせて使用​​されます。

ニッケル。ニッケルは最も一般的な合金元素の 1 つです。 ニッケル生産量の約 65% はステンレス鋼に使用されます。 ニッケルは鋼中で炭化物化合物を形成しないため、フェライト中の溶液中に残り、フェライト相を強化し、靱性を高めます。 ニッケル鋼は、ニッケルが臨界冷却速度を低下させるため、熱処理が容易です。 ニッケル基合金 (Fe-Cr-Ni(Mo) 合金など) 合金は、高強度レベルであっても優れた延性と靭性を示し、これらの特性は低温まで維持されます。 ニッケルは熱膨張も低減し、寸法安定性が向上します。 ニッケルは、ジェットエンジンで使用されるニッケル、鉄ニッケル、コバルト合金のグループである超合金の基本元素です。 これらの金属は、熱クリープ変形に対する優れた耐性を備えており、他の航空宇宙構造材料よりもはるかに高い温度でも剛性、強度、靱性、寸法安定性を維持します。

モリブデン。モリブデンはステンレス鋼に少量含まれており、特に高温での硬化性と強度を高めます。 モリブデンは融点が高いため、高温で鋼や他の金属合金に強度を与えることが重要です。 モリブデンは、鋼の高温引張強度とクリープ強度を高める点で独特です。 これは、オーステナイトからベイナイトへの変態よりも、オーステナイトからパーライトへの変態をはるかに遅らせます。 したがって、ベイナイトはモリブデン含有鋼の連続冷却によって生成される可能性があります。

バナジウム。バナジウムは一般に、熱処理中の結晶粒の成長を抑制するために鋼に添加されます。 結晶粒の成長を制御することで、焼入れ焼き戻し鋼の強度と靱性の両方が向上します。

タングステン。タングステンは安定した炭化物を生成し、特に高温で硬度を高めるために粒子サイズを微細化します。 タングステンは高速度工具鋼に広く使用されており、原子力用途の還元活性化フェライト鋼におけるモリブデンの代替品として提案されています。