鋼
鋼（はがね、こう、釼は異体字）とは、鉄の持つ性能（強度、磁性、耐熱性など）を高めた鉄合金を指す。
一般に鋼とは、0.3%～2%の炭素を含んだ鉄合金の総称であるが、0.3%以下の炭素量でも、ステンレスや耐熱鋼などは鋼として扱われる。軟鉄や鋳鉄とあわせて鉄鋼（てっこう）とも呼ばれ、鋼でできた材料を鋼材、板状のものを鋼板と呼ぶ。日本語の「はがね」の由来は「刃金」である。20世紀後半には多くの新材料が発達したが、鋼は依然として産業上重要な位置を占めている。
目次
定義[編集]
語源[編集]
鋼（はがね）の語源は、刃物に用いる金属を意味する(刃金,はがね)である。
かつて鋼とは焼入れによって硬化する鉄合金をさし、鉄器時代以来、鍛造や鍛接によって刃物類が製作されてきた。 ここを原点にさまざまな鉄合金が発達し、そのつど鋼の定義は拡大解釈されて現在に至っている。 現在では刃物専用以外でも、精錬技術によって造られた鉄鋼材全般を鋼(はがね)・鋼鉄(こうてつ)と呼び、錬鉄・鋳鉄などを含めることがある。
鉄鋼はドイツ語の「Eisen und Stahl」の訳が語源とされているが、日本で最初に「鉄鋼」という呼び名が使われたのは雲伯鉄鋼合資会社（現・日立金属安来工場）の社名が原点とされている。雲伯鉄鋼合資会社による鉄鋼製品の源流は「たたら製鉄」であるが、ここでいう「鉄鋼」とは新案特許「製鋼法」（明治39年（1907年）取得）からなる錬鉄をさし、新特許法の錬鉄（伊部式包丁鉄と言う）が出発となる。
金属学からの定義[編集]
現在の金属学からの定義は、Fe-C系2元合金において、C含有量が0.0218 - 2.14%の範囲にある部位である。言い換えると、フェライトのC最大固溶量・0.0218%からオーステナイトのC最大固溶量・2.14%までの範囲の部位とも定義できる。
なお、Fe-C系2元合金において、C含有量が0.0218%以下の部位を鉄と呼び、2.14[mass%]以上の部位を鋳鉄と呼ぶ。
セメンタイト も参照
製鋼法[編集]
鋼の生産は、先ず赤鉄鉱や磁鉄鉱など採掘された酸化鉄である鉄鉱石を高炉で還元させて銑鉄を得る。縦長の高炉上部から、鉄鉱石・コークス・石灰石を投入し、下部から熱ガスと空気を送り込んで800℃以上を維持するよう燃焼させる。これにより、コークスから発生する一酸化炭素が酸化鉄を還元させる。この工程は高炉の耐久性限界まで連続して行うのが通例である[1]。
これにより銑鉄が得られるが、次に未だ多く含まれる炭素など不純物を取り除く製鋼工程に進む。ここでは、珪素、リン、硫黄などを除去し、炭素の含有率を0.5 - 1.7%程度に調整する。この方法には転炉と平炉がある[1]。
転炉（転炉製鋼法）は1856年にイギリスの発明家ヘンリー・ベッセマーが開発し、彼の名を取ってベッセマー法と名づけられた技術は初めて鉄鋼の大量生産を可能とした。珪石製煉瓦を内部に張った炉に銑鉄を入れ加熱空気を送る。これにより不純物や余分な炭素を燃焼させて酸化し除去する。この方法によって20トンの製鉄を30分以下で行うことが可能となった。当初の技術ではリンの除去は不可能だったが、1887年にシドニー・ギルクリスト・トーマスが白雲石粉末を裏張りした転炉を用いる方法を開発し、リンをリン酸カルシウムの溶滓（ようさい）として取り出すことが可能となった。この溶滓は肥料に転用された。現在は、1946年にオーストリアで開発された空気の代わりに酸素を用いるLD転炉法が主流となっている[1]。
平炉は反射炉の一種で、シーメンス・マルタン法と呼ばれる。鉄鉱石と屑鉄（スクラップ）を混合し加熱して不純物を酸化・除去し適度の炭素を残す。加熱には電気アークが用いられる[1]。
このほかにスクラップを用いる電気炉生産方式（電気炉製鋼法）がある。日本での生産割合は、転炉製鋼法が約75%、電気炉製鋼法が約25%である。 日本古来の製鋼法を「たたら吹き」と呼び、日本刀の原料、玉鋼を極少量であるが非営利目的で製造している。
鋼の種類[編集]
鋼の特長は、まず鉄に軽微な合金化を行うことにより強靭な固体材料を生成できること、資源が豊富であり比較的酸素との親和性が低いため安価に精錬ができることにあり、別元素との固溶限が大きく合金化しやすいため多様な鋼種が開発されてきた。
ケイ素 (Si) を添加した電磁鋼、ニッケル (Ni) やマンガン (Mn) を添加した非磁性鋼、クロム (Cr) やニッケル (Ni) を添加したステンレス鋼など、さらに工具鋼、高速度鋼など、さまざまな用途に適した鋼種がある。
鉄鋼材料は各観点からいろいろな名前で呼ばれ、分類法によっては同じものが別の名前で呼ばれることがある。 鋼はその用途ごとに鋼種の改良が進んできたため、例えばJISの分類も、銅などの合金が比較的成分の系列にしたがって命名されているのに比べ、用途や製法、強度区分、炭素量を示すものなどがあり、解りにくいものになっている。
例えばS45Cという鋼種は炭素量0.45%の鋼をいい、SUJ（軸受鋼）は、ボールベアリングの内外輪に使われる鋼種であるということを示す。
さらに、各国の規格において鋼種の呼称が異なっている。例えば
成分からの分類[編集]
鉄鋼には様々な種類が存在する。ここに代表的なものを列挙する。
炭素鋼と合金鋼は、成分からの分類では、以下のようにさらに細かく分類できる。
- 炭素鋼（JIS記号:S○○C）
- 低炭素鋼（炭素含有量が約0.3%以下）
- 中炭素鋼（炭素含有量が約0.3 - 0.7%）
- 高炭素鋼（炭素含有量が約0.7%以上）
また、
- 極軟鋼
- 軟鋼
- 半軟鋼
- 硬鋼
- 最硬鋼
という分類もある。
- 合金鋼
- 低合金鋼
- 中合金鋼
- 高合金鋼
また、炭素鋼は、組成（標準組織）や炭素濃度の上から以下のように分類できる。
- 共析鋼
- パーライトのみからなり、炭素濃度は0.77%。
- 亜共析鋼
- 初析フェライトとパーライトからなり、炭素濃度は0.02% - 0.77%。
- 過共析鋼
- 初析セメンタイトとパーライトからなり、炭素濃度は0.77% - 2.11%。
性質からの分類[編集]
用途からの分類[編集]
JIS規格ではこの分類法が用いられている。
形状からの分類[編集]
加工法[編集]
表面硬化処理及び表面処理[編集]
世界の主要鉄鋼メーカー[編集]
主要な鉄鋼メーカーを、粗鋼生産量順（2012年）に並べた。
- アルセロール・ミッタル（
ルクセンブルク） - 新日鐵住金（
日本） - 河北鋼鉄集団（
中華人民共和国） - 宝鋼集団（ 中華人民共和国）
- ポスコ（
韓国） - 武漢鋼鉄（ 中華人民共和国）
- 江蘇沙鋼集団（ 中華人民共和国）
- 首鋼集団（ 中華人民共和国）
- JFEスチール（ 日本）
- 鞍山鋼鉄集団（ 中華人民共和国）
参考文献[編集]
- 大澤直 『金属のおはなし』 日本規格協会、2008（初刷2006）、第一版第四刷。ISBN 4-542-90275-6。
- 『日本の鉄鋼業』（日本鉄鋼連盟、2013年）
脚注[編集]
関連項目[編集]
外部リンク[編集]
- 日立金属「たたらの話」
- 社団法人 日本鉄鋼協会 (ISIJ)
- 社団法人 日本鉄鋼連盟 (JISF)
- 社団法人 日本鋼構造協会 (JSSC)
- 低温でもしなやかで強い鉄、超微細結晶粒鋼の靭性の逆温度依存性を発見、 2008年5月23日、物質・材料研究機構
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