炭素鋼と合金鋼
炭素鋼
(1) 炭素鋼の分類
1) 炭素鋼はその用途により、炭素構造用鋼と炭素工具鋼の2種類に大別される。
炭素構造用鋼は、様々な土木構造物や機械部品の製造に使用される。土木構造物に使用される炭素鋼は、一般的に溶接性に優れた低炭素鋼であり、一般的に熱処理は行われず、熱間圧延の状態で使用される。
機械部品用炭素鋼は通常、炭素含有量が0.6%未満で、機械的性質が良好であるため、使用前に熱処理が必要である。
炭素工具鋼は、様々な切削工具、測定工具、金型の製造に使用される。炭素含有量が高く、適切な熱処理を施すことで高い強度、硬度、耐摩耗性を発揮する。
2) 炭素含有量に基づき、炭素鋼は3つのカテゴリーに分けられる:
- 低炭素鋼:C<0.25%;
- 中炭素鋼:C=0.25%~0.60%;
- 高炭素鋼:C>0.60%.
3) 硫黄(S)とリン(P)の含有率の違いにより、炭素鋼は4つの等級に分類される:
- 普通鋼:S≦0.050%、P≦0.045%;
- 高品質の鋼:S≤0.035%、P≤0.035%;
- 高級鋼:S≤0.020%、P≤0.030%;
- プレミアム品質スチール:S≤0.015%、P≤0.025%。
4) 製錬法による分類。
製錬に使用される炉の種類により、炭素鋼は平炉鋼、転炉鋼、電炉鋼に分けられる。また、製錬時の脱酸プロセスにより、炭素鋼は、キルド鋼、セミキルド鋼、リムド鋼、特殊キルド鋼に分類される。
炭素鋼の鋼種、特性、および用途
1) 一般炭素構造用鋼。炭素構造用鋼とも呼ばれ、Q235AFのように降伏強さを表す文字(Q)、降伏強さの数値、品質等級記号、脱酸方法記号の順で構成される。一般炭素構造用鋼の等級、化学成分、機械的性質および用途の例を表1-5に示す。
2)高品質炭素構造用鋼。高品質炭素構造用鋼の等級は2桁の数字で示され、これは鋼中の平均炭素含有量を千分の一の百分率で表したものである。
例えば、45号鋼は平均炭素含有量0.45% の高品質炭素構造用鋼を示す。優良炭素構造用鋼の等級、化学成分、機械的性質、用途の例は表1-6に示す。
表1-5:一般炭素構造用鋼の鋼種、化学成分、機械的性質および用途例
グレード | レベル | 化学組成(%)以下 | 脱酸 方法 | 機械的特性 | 使用例 | ||||||
ダブリューシー | 世界気象機関 | Wsi | Ws | Wp | σs/MPa | σb/MPa | δ5 (%) | ||||
Q195 | -- | 0.12 | 0.5 | 0.3 | 0.040 | 0.035 | F、Z | 195 | 315~430 | 33 | 小さな荷重に耐える構造部品(リベット、ワッシャー、アンカーボルト、コッターピン、タイロッド、ねじ鉄筋など)、プレス部品、溶接部品 |
Q215 | A | 0.15 | 1.2 | 0.35 | 0.050 | 0.045 | F、Z | 215 | 335~450 | 31 | |
B | 0.045 | ||||||||||
Q235 | A | 0.22 | 1.4 | 0.35 | 0.050 | 0.045 | F、Z | 235 | 370~500 | 26 | 薄板、プロファイル、ボルト、ナット、リベット、タイロッド、ギア、シャフト、コネクティングロッドなど、Q235C、Q235Dは重要な溶接構造部品として使用できる。 |
B | 0.20 | 0.045 | |||||||||
C | 0.17 | 0.040 | 0.040 | Z | |||||||
D | 0.035 | 0.035 | TZ | ||||||||
Q275 | A | 0.24 | 1.5 | 0.35 | 0.050 | 0.045 | F、Z | 275 | 410~540 | 22 | キー、チェーン、タイロッド、回転シャフトなど、中程度の荷重に耐える部品、 スプロケットボルト、ねじ鉄筋など。 |
B | 0.21 | 0.045 | Z | ||||||||
C | 0.2 | 0.040 | 0.040 | Z | |||||||
D | 0.035 | 0.035 | TZ |
注:
1.表中の記号:A、B、C、Dは品質等級、Fは沸騰鋼、Zは殺鋼、TZは特殊殺鋼を表す。
2. δ₅は、引張試験片のゲージ長が直径の5倍、すなわちL 0 =5d0 .
表1-6:高品質炭素構造用鋼の鋼種、化学成分、機械的特性および用途例
グレード | 化学組成(%) | 機械的性質(以下を下回らない) | 使用例 | |||||||
Wc | WSi | Wムン | σb/MPa | σs/MPa | δ(%) | ψ(%) | ハートビート (熱間圧延) | dK (J/m²) | ||
08 10 | 0.05~0.11 0.07~0.13 | 0.17~0.37 0.17~0.37 | 0.35~0.65 0.35~0.65 | 325 335 | 195 205 | 33 31 | 60 55 | 131 137 | 各種形状のスタンピング、タイロッド、ガスケットなど。 | |
20 | 0.17~0.23 | 0.17~0.37 | 0.35~0.65 | 410 | 245 | 25 | 55 | 156 | タイロッド、リフティングリング、フックなど | |
35 | 0.32~0.39 | 0.17~0.37 | 0.50~0.80 | 530 | 315 | 20 | 45 | 197 | シャフト、ボルト、ナットなど | |
40 45 | 0.39~0.44 0.42~0.50 | 0.17~0.37 0.17~0.37 | 0.50~0.80 0.50~0.80 | 570 600 | 335 355 | 19 16 | 45 40 | 217 229 | 6×105 5×105 | ギア、クランクシャフト、コネクティングロッド、カップリング、シャフトなど。 |
60 65 | 0.57~0.65 0.62~0.70 | 0.17~0.37 0.17~0.37 | 0.50~0.80 0.50~0.80 | 675 710 | 400 420 | 12 10 | 35 30 | 255 255 | スプリング、スプリングワッシャーなど |
3) 炭素工具鋼。
炭素工具鋼の鋼種は、Tの文字の後に数字が付され ている。Tは炭素工具鋼を表し、数字は鋼中の平均炭素含有量を千分の一で表す。
例えば、T10は平均炭素含有量1.0%の炭素工具鋼を表す。高級炭素工具鋼はT10Aのように等級番号の後に "A "が付きます。炭素工具鋼の等級、化学成分、機械的性質、用途の詳細については、表1-7を参照。
表1-7:炭素工具鋼の鋼種、化学成分、機械的性質および用途
グレード | 化学成分(%) | 熱処理 加熱温度 | 硬度 HRC | 使用例 | |||||
ダブリューシー | WSi | Wムン | WS | WP | 焼き入れ | 焼き戻し | |||
T7 | 0.65~0.74 | ≤0.40 | 800~820 (ウォーター・クエンチ) | 180~200 | 60~62 | ハンマーヘッド、ノコギリ、ドリルビット、ノミなど。 | |||
T8 | 0.75~0.84 | ≤0.40 | 780~800 (ウォーター・クエンチ) | 180~200 | 60~62 | パンチ、木工用工具など | |||
T10 T10A | 0.95~1.04 | ≤0.35 | ≤0.40 | <0.03 | <0.035 | 760~780 (ウォーター・クエンチ) | 180~200 | 60~62 | タップ、ダイス、鋸刃、プレーナー刃、小型パンチなど。 |
T13 T13A | 1.25~1.35 | ≤0.40 | 760~780 (水焼き入れ) | 180~200 | 60~62 | ヤスリ、測定工具、スクレーパーなど |
合金鋼
合金鋼は炭素鋼の発展形であり、特定の合金元素を添加することで実用性と加工性が向上する。
一般的に添加される合金元素には、マンガン、シリコン、クロム、ニッケル、モリブデン、タングステン、バナジウム、チタン、ホウ素、希土類元素などがある。これらの元素は鋼の全体的な機械的特性、焼入れ性、熱安定性、耐食性を向上させることができる。
(1) 鋼における合金元素の役割
1) 固溶体強化:ほとんどの合金元素は、程度の差こそあれフェライト相に固溶し、鋼の強度と硬度を高める一方で、塑性と靭性を低下させる。
Mn、Cr、Niなどの合金元素の中には、適切な割合で配合された場合、フェライトを強化するだけでなく、鋼の靭性を向上させ、全体として優れた機械的特性を発揮するものもある。
2) 二次相強化:合金元素と炭素との親和力が、鉄と炭素との親和力よりも大きい場合、合金元素はフェライトに溶解するだけでなく、合金炭化物や炭窒化物を形成することができる。これらの成分はいずれも高い強度と安定性を持つため、鋼の強度、硬度、耐摩耗性が向上する。
3)結晶粒の微細化強化:V、Ti、Nb、Zrのような強い炭化物を形成する元素や、強い窒化物を形成するAlは、安定した炭化物や窒化物の粒子を作ることができる。これらの粒子はオーステナイト粒の成長を抑制し、フェライト粒を微細化する。細粒鋼は優れた機械的特性を有し、特に鋼の靭性を著しく向上させる。
4) 鋼の焼入れ性を高める:Coを除き、オーステナイトに溶解するすべての合金元素は、過冷却オーステナイトの安定性を高め、等温変態曲線を右にシフトさせ、鋼の臨界冷却速度を低下させることができる。
そのため、同じ焼入れ媒体で冷却した場合、より大きな硬化層深さを得ることができ、また、同じ硬化層深さを得たい場合には、冷却能力の低い焼入れ媒体を使用することで、被加工物の焼入れ応力を低減し、変形や割れを最小限に抑えることができる。
5) 鋼の焼戻し耐性を向上させる:合金元素は鋼の焼戻しプロセスに大きな影響を与える。
一般的に、合金元素は焼戻し時にマルテンサイトを分解しにくくし、炭化物の成長を妨げ、これらの変態が起こる温度を上昇させる。このため 鋼の硬度 焼戻し温度が上昇するにつれて、耐焼戻性が向上する。
6)鋼に特殊な性質を与える:鋼材に特定の合金元素を一定量添加すると、鋼材の構造や性質が独特の変化を起こし、ステンレス鋼、耐熱鋼、耐摩耗鋼などの特殊な性質を持つ合金鋼ができる。
(2) 合金鋼の種類
合金鋼はその用途により、構造用合金鋼、工具用合金鋼、特殊性能鋼に分類される。合金元素の含有量によって、合金鋼は低合金鋼(wM<5%)、中合金鋼(wM=5%~10%)、高合金鋼(wM>10%)。
(3) 構造用合金鋼の呼称、機械的性質および用途
構造用合金鋼には、土木構造用鋼や機械製造用鋼が含まれる。構造用合金鋼の呼称は一般に、平均炭素質量分率(万分の一で表示)+合金元素の記号+合金元素の質量分率(百分率で表示)で構成されるが、例外もある。
一般的に使用される構造用合金鋼の呼称とその機械的特性、用途の例を表1-8に示す。
表1-8:一般に使用される構造用合金鋼の呼称、機械的特性および用途の例
スチール部門 | グレード | 熱処理温度 | 機械的特性 | 使用例 | |||
焼き入れ | 焼き戻し | σbMPa | σsMPa | δ5(%) | |||
低合金高強度構造用鋼 | Q345 Q390 | - | - | 510~660 530~680 | 345 390 | 22 20 | 橋、船舶、圧力容器など |
合金浸炭鋼 | 20Cr 20CrMnTi | 880 (水、油) 860 (油) | 200 200 | 834 1079 | 539 834 | 10 10 | 歯車、ピストンピン、自動車(トラクター)用トランスミッションギア等 |
合金焼入焼戻し鋼 | 40Cr 35CrMo | 850(オイル) 850(オイル) | 500 550 | 1000 1000 | 800 850 | 9 12 | 工作機械用スピンドル、クランクシャフト、コンロッド、ギア等 |
合金ばね鋼 | 60Si2Mn 50CrVA | 850(オイル) 850(オイル) | 480 500 | 981 1274 | 785 1127 | 5(δ10) 10(δ10) | 自動車(トラクター)のリーフスプリング、コイルスプリングなど |
1) 低合金高強度構造用鋼。低炭素鋼に少量の合金元素(wM <5%)を添加した鋼種。一般的に土木構造物に使用され、強度は比較的低いが、優れた塑性、靭性、溶接性を持つ。手ごろな価格で、通常は熱間圧延状態で使用されるが、必要に応じて焼ならし処理を施し、強度を高める。
低合金高強度構造用鋼は、主に橋梁、船舶、ボイラー、高圧容器、石油パイプライン、大型鋼構造物の製造に使用される。
2) 合金浸炭鋼。合金浸炭鋼とは、浸炭処理を施した合金鋼のこと。この鋼種は、炭素の質量分率が低い(0.15%~0.25%)ため、加工物の芯部は高い強度と靭性を持ち、浸炭と低温焼戻し後の表面は高い硬度(58~64HRC)と耐摩耗性を示す。
合金浸炭鋼は、主に自動車やトラクターのトランスミッションのギア、内燃機関のカムシャフトなど、高い耐摩耗性と動的な耐荷重性を必要とする部品の製造に使用されます。一般的に使用される合金浸炭鋼には、15Cr、20Cr、20CrMnTiなどがあります。
3) 合金調質鋼。この種の鋼は一般的に炭素含有量が0.25%~0.45%である。焼入れと高温焼戻し(焼戻し)の後、焼戻しソルバイト組織を形成し、鋼に高強度と靭性の良好な組み合わせを提供します。
主に自動車やトラクターのコネクティングロッド、トランスミッションシャフト、工作機械のスピンドル、ギア、カムなど、大きな交番荷重や様々な複雑な応力に耐える部品の製造に使用される。一般的に使用される合金調質鋼には、40Cr、35CrMo、40CrNiMoなどがある。
4) 合金バネ鋼。合金バネ鋼とは、様々なバネや弾性部品の製造に使用される合金鋼の一種です。このタイプの鋼は一般的に炭素の質量分率が0.50%-0.65%で、Mn、Si、Cr、Vなどの合金元素を含んでいます。
焼入れと中温焼戻しの後、焼戻しされたトルースタイト組織が形成され、高い弾性限界と降伏強度を示す。一般的に使用される合金ばね鋼には、65Mnや50CrVなどがある。
(4) 合金工具鋼の鋼種、機械的性質および用途
切削工具鋼、ダイス鋼、測定工具鋼などの合金工具鋼は、炭素工具鋼に合金元素を添加して形成される。合金工具鋼の鋼種は一般に、鋼中の炭素の平均質量分率(パーミラージュで表示)+合金元素の記号+合金元素の含有量から構成される。
炭素の質量分率が1.0%を超える場合は、等級に表示しない。一般に使用される合金工具鋼の鋼種、熱処理状況及び用途の例については、表1-9を参照されたい。
1) 合金切削工具鋼。合金切削工具鋼は、旋削工具、フライスカッター、ドリルビット、タップ、ダイスなどの各種切削工具の製造に使用される。一般的に使用される合金切削工具鋼には、低合金切削工具鋼と高速度工具鋼がある。
低合金切削工具鋼は通常、炭素質量分率(wC)の0.75%から1.45%である。熱処理には焼入れと低温焼戻しが含まれる。この種の鋼の最高使用温度は300℃を超えない。
低速切削工具や、プレーナー、タップ、ダイス、ドリルビットなど、高い耐摩耗性が要求される工具の製造にのみ使用される。低合金切削工具鋼の一般的な鋼種には、9SiCr、CrWMnなどがある。
高速度工具鋼は、高炭素高合金鋼の一種で、炭素の質量分率(wC)の0.7%~1.6%で、W、Cr、Mo、Vなどの合金元素を多く含む。高速度工具鋼の熱処理は、焼入れの後に高温焼戻しを複数回行い、焼戻しマルテンサイト+炭化物組織となる。
通常の焼戻し後、硬度は一般的に63~66HRCであり、良好な耐熱性を示す。高速度工具鋼で作られた工具は、600℃の切削温度下でも約60HRCの高硬度を維持するため、高速切削に適している。一般的な鋼種には、W18Cr4V、W6Cr5Mo4V2などがある。
表1-9:一般的な合金工具鋼の鋼種、熱処理条件および用途の例
鋼鉄の種類 | グレード | 熱処理と硬度 | 使用例 | |||
焼き入れ | 焼き戻し | |||||
加熱温度 | 硬度 HRC | 加熱温度 | 硬度 HRC | |||
低合金工具鋼 | 9SiCr CrWMn | 860~880(オイルクエンチ) 820~840(オイルクエンチ) | ≥62 ≥62 | 150~200 140~160 | 60~62 62~65 | タップ、ダイス、リーマ等 |
高速度工具鋼 | W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 | 1280(オイルクエンチ) 1220(オイルクエンチ) | 60~65 ≥64 | 560 560 | 63~66 64~66 | フライスカッター、旋削工具、ドリルビット、プレーナーなど |
熱間ダイス鋼 | 5CrNiMo 3Cr2W8V | 830~860(オイルクエンチ) 1050~1100(オイルクエンチ) | ≥47 >50 | 530~550 560~580 | 30~47 45~48 | 大型 鍛造用金型ホットプレス金型、ホットシャーブレード、ダイカスト金型など。 |
冷間ダイス鋼 | Cr12 Cr12MoV | 950~1000(オイルクエンチ) 1020~1040 (オイルクエンチ) | 62~65 62~63 | 180~220 160~180 | 60~62 61~62 | 寒い パンチング金型トリミングダイ、ワイヤードローイングダイ、エッジングダイ、ビーズダイなど。 |
2) 合金ダイス鋼。合金ダイス鋼は熱間ダイス鋼と冷間ダイス鋼に分けられる。
熱間金型用鋼は、各種熱間鍛造用金型、熱間押出用金型、ダイカスト用金型などの製造に使用され、使用時のキャビティ表面温度が600℃以上に達する。冷間金型用鋼は、各種冷間打抜き用金型、冷間圧造用金型、冷間押出用金型、伸線用金型などの製造に使用され、使用温度は300℃以下である。
冷間ダイス鋼は、炭素質量分率 wc ≥1.0%と添加された合金元素は、マトリックスを強化し、炭化物を形成し、鋼の硬度と耐摩耗性を向上させることができます。焼入れと低温焼戻し後、冷間ダイス鋼は焼戻しマルテンサイトと粒状炭化物組織を得る。一般的に使用される冷間ダイス鋼には、Cr12、Cr12MoVなどがある。
熱間ダイス鋼の炭素質量分率は、一般的に0.3%~0.6%であり、添加された合金元素は、鋼の焼入れ性、耐熱性、耐熱疲労性を向上させることができる。
焼入れ、高温焼戻しまたは中温焼戻し後、熱間ダイス鋼は焼戻しソルバイトまたは焼戻しトルースタイト組織を得る。一般的に使用される熱間ダイス鋼には、5CrNiMo、3Cr2W8Vなどがある。
(5) 特殊性能鋼
特殊性能鋼とは、特殊な使用特性を持つ鋼のことである。特殊性能鋼には多くの種類があるが、ここでは機械工業でよく使用されるステンレス鋼、耐熱鋼、耐摩耗鋼のみを紹介する。
1) ステンレス鋼。
ステンレス鋼は、大気や腐食性媒体に耐える鋼を指す。一般的な種類としては、12Cr13マルテンサイト系ステンレス鋼、10Cr17フェライト系ステンレス鋼、18-8クロム-ニッケルオーステナイト系ステンレス鋼などがある。
マルテンサイト系ステンレス鋼は、高い機械的特性と比較的低い耐食性が要求される製品によく使用される。フェライト系ステンレス鋼は、硝酸、窒素肥料、リン酸産業で広く使用され、高温での耐酸化材料としても使用される。オーステナイト系ステンレス鋼は、産業界で最も広く使用されているステンレス鋼の一種であるが、粒界腐食を防止する必要がある。
2) 耐熱スチール。
耐熱鋼とは、高温下で高い化学的安定性と熱的強度を維持する鋼のこと。化学的安定性とは、高温下での様々な化学腐食に対する鋼の耐性をいい、熱的強度とは、高温下での鋼の強度性能をいう。
一般的に使用される耐熱鋼には、パーライト系耐熱鋼、マルテンサイト系耐熱鋼、オーステナイト系耐熱鋼などがある。
パーライト系耐熱鋼は450~550℃の温度で使用され、主にボイラー鋼管のような電力機器内の負荷の小さい部品の製造に使用される。マルテンサイト系耐熱鋼は550~600℃の温度で使用され、主にタービンブレード、ディーゼルエンジンの排気バルブなどの製造に使用される。オーステナイト系耐熱鋼は600~700℃の温度で使用され、最高850℃まで達することができ、主にジェットエンジンのタービンや排気管の製造に使用される。一般的な耐熱鋼には12Cr1MoV、42Cr9Si2、4Cr13Ni8Mn8MoVNbなどがある。
3) 耐摩耗鋼。
耐摩耗鋼は一般に、衝撃荷重下で衝撃硬化を起こす高マンガン鋼を指す。主な成分は以下の通り。 c =1.0%-1.3%, w ムン =11%-14%。鋳造により成形され、熱処理後、全体がオーステナイト組織となり、良好な靭性と耐摩耗性を示す。
一般的な高マンガン鋼にはZGMn13、ZGMn13Cr2などがある。高マンガン鋼は、掘削機のバケット、タンクトラックなど、大きな衝撃や圧力に耐える部品の製造に広く使用されている。さらに、高マンガン鋼は寒冷地でも脆くならないため、極寒地域での使用に適している。
非鉄金属および合金
アルミニウムおよびアルミニウム合金
純アルミニウムは銀白色で、面心立方晶の結晶構造を持ち、同素体変態を起こさない。融点が低く(660℃)、密度が低い(2.7g/cm3)、低強度(σb=80MPa)、高い塑性率(ψ=80%)、優れた電気伝導性と熱伝導性を持つ。
そのため、純アルミニウムは荷重を支える構造物には適していない。純アルミニウムは主にワイヤー、ケーブル、強度の低い器具、各種アルミニウム合金の製造に使用される。純アルミニウムは化学的に活性で、表面に頑丈で緻密な酸化皮膜を形成する傾向があり、空気中や淡水中で優れた耐食性を発揮します。
アルミニウム合金は、その加工特性から異形アルミニウム合金と鋳造アルミニウム合金に分けられます。図1-41にアルミニウム合金の分類図を示します。D点の左側の合金は、加熱すると塑性のよい単相の固溶体として存在し、加圧加工に適しています。
これらは異形アルミニウム合金と呼ばれる。D点より右側の合金は、合金元素の質量分率が大きく共晶組織を有し、融点が低く流動性が良いため鋳造に適しています。これらは 鋳造アルミニウム 合金である。
異形アルミ合金は一般的に、板、棒、管、線、形材、鍛造品などの様々な半製品に加工される。異形アルミ合金の中でも、Al-Mg系とAl-Mn系合金はほとんどが単相組織であり、熱処理によって強化することはできません。耐食性、溶接性、塑性加工性に優れ、低温特性にも優れている。
これらの特性から、航空宇宙などの分野で有望視されている。Al-Cu-Mg系およびAl-Cu-Mn系合金は、時効硬化性が強く、強度が高いが、耐食性や溶接性は劣る。主に構造部品として使用される。Al-Mg-Cu-Zn系合金はアルミニウム合金の中で最も高い常温強度を持つが、高温での軟化が早く、耐食性に劣る。
これらは主に重要な構造物や高荷重のかかる部品に使用される。Al-Mg-Si-CuおよびAl-Cu-Mg-Fe-Ni系合金は、良好な熱可塑性、鋳造性、および比較的高い機械的特性を有する。主に複雑な航空宇宙部品や計器部品に使用され、耐熱合金としても使用できます。
Al-Cu-Mg系、Al-Cu-Mn系、Al-Mg-Cu-Zn系、Al-Mg-Si-Cu系、Al-Cu-Mg-Fe-Ni系アルミニウム合金は、いずれも熱処理によって強化することができます。一般的に使用される異形アルミニウム合金の例、それらの化学組成、機械的特性、および用途を表1-10に示します。
表1-10:一般的に使用される異形アルミニウム合金の例(呼称、化学組成、機械的特性、用途を含む
カテゴリー | コード | 化学組成(%) | 熱処理 理論 | 機械的特性 | 応用例 | |||||
W銅 | WMg | Wムン | W亜鉛 | σb/MPa | δ(%) | 硬度 ハートビート | ||||
防錆アルミニウム合金 | 5A05 | 4.5~5.5 | 0.3~0.6 | M | 270 | 23 | 70 | 中荷重部品、リベット、溶接オイルタンク、オイルパイプなど。 | ||
3A21 | 1.0~1.6 | 130 | 23 | 30 | ||||||
硬質アルミニウム合金 | 2A01 | 2.2~3.0 | 0.2~0.5 | CZ | 300 | 24 | 70 | 中強度および100℃以下の使用温度 リベット材料 | ||
2A11 | 3.8~4.8 | 0.4~0.8 | 0.4~0.8 | 420 | 18 | 100 | フレーム、プロペラブレード、リベットなどの中強度の構造部品およびコンポーネント。 | |||
2A12 | 3.8~4.9 | 1.2~1.8 | 0.3~0.9 | 470 | 17 | 105 | フレーム、梁などの高強度部品および150℃以下で使用される部品。 | |||
超硬質アルミニウム合金 | 7A04 | 1.4~2.0 | 1.8~2.8 | 0.2~0.6 | 5~7 | CS | 600 | 12 | 150 | 航空機の梁、トラス、補強フレーム、着陸装置などの主要な耐荷重構造物。 |
鍛造アルミニウム合金 | 2A50 | 1.8~2.6 | 0.4~0.8 | 0.4~0.8 | 420 | 13 | 105 | 複雑形状、中強度鍛造品、型鍛造品など。 | ||
2A70 | 1.9~2.7 | 1.4~1.8 | 440 | 12 | 120 | 高温で使用される複雑な鍛造品や構造部品、内燃エンジンのピストンなど。 | ||||
2A14 | 3.9~4.8 | 0.4~0.8 | 0.4~1.0 | 480 | 19 | 135 | 単純形状、高荷重鍛造品、型鍛造品など。 |
注:M-焼きなまし;CZ-焼き入れ+自然時効;CS-焼き入れ+人工時効。
銅および銅合金
純銅の密度は8.94g/cm³、融点は1083℃。結晶構造は面心立方で、同素体ではありません。電気伝導性、熱伝導性、耐食性に優れています。純銅は延性に優れていますが、強度と硬度は低く、構造材料として直接使用するには不向きです。
導電性、熱伝導性材料、耐食性デバイスの製造によく使われ、銅合金の原料にもなります。純銅は熱処理によって強化することはできません。化学組成の違いにより、銅合金は黄銅、青銅、白銅の3種類に分けられます。
(1) 真鍮
亜鉛を主合金元素とする銅合金は黄銅と呼ばれる。化学組成によって、黄銅は単純黄銅と特殊黄銅に分けられる。単純黄銅は銅と亜鉛の二元合金である。亜鉛の質量分率が30%~32%の場合、構造は面心立方α固溶体で、単相黄銅と呼ばれる。
この種の黄銅は鍛造性、溶接性に優れ、錫めっき性もよい。亜鉛の質量分率が32%を超えると(45%以下)、α+βの二相組織となり、二相黄銅と呼ばれる。
高温延性がよく、熱間加工に適している。普通黄銅の呼称は「H+数字」で構成され、Hは黄銅を表し、数字は銅の質量分率を示す。例えば、H80は80%の銅と20%の亜鉛を含む普通黄銅である。
特殊黄銅は、銅と亜鉛の合金に他の合金元素を加えることで形成される。亜鉛のほか、鉛、アルミニウム、マンガン、スズ、鉄、ニッケル、シリコンなどが一般的な合金元素です。これらの合金元素を加えることで、黄銅の強度、耐食性、耐摩耗性が向上する。
特殊黄銅は、添加される主合金元素によって、鉛黄銅、アルミニウム黄銅、マンガン黄銅などに分けられる。特殊黄銅の呼称は、「H+一次合金元素記号+銅の質量分率+一次合金元素の質量分率」で構成される。
例えばHPb59-1は、質量分率で銅59%、鉛1%、残部が亜鉛の特殊黄銅を示す。一般に使用される黄銅の呼称、化学成分、機械的性質および用途例を表1-11に示す。
(2) ブロンズ
青銅は、ZnとNi以外の主要合金元素を含む銅合金を指す。その呼称は「Q+主合金元素記号+主合金元素の質量分率」で構成される。鋳造青銅の場合は、呼称の前に "Z "が付きます。青銅は普通青銅と特殊青銅に分けられる。
表1-11:一般的に使用される異形アルミニウム合金の代表的呼称、化学組成、機械的特性および用途例
カテゴリー | グレード | 化学成分(%) | 機械的特性 | 応用例 | |||||||
W銅 | W鉛 | WSi | Wアル | Wムン | σb/MPa | δ(%) | 硬度 ハートビート | ||||
コモンブラス | H90 | 88~91 | 320 | 52 | 53 | コーティングおよび装飾など | |||||
H68 | 67~70 | 660 | 3 | 150 | カートリッジケース、コンデンサー管など | ||||||
H62 | 60.5~63.5 | 600 | 3 | 164 | ワッシャー、スプリング、スクリューなど | ||||||
スペシャル・ブラス | 鉛ブラス | HPb59-1 | 57~60 | 0.8~1.9 | 650 | 16 | 140 | ピン、ネジ、その他のプレスまたは機械加工部品 | |||
アルミニウム 真鍮 | HAl59-3-2 | 57~60 | 2.5~3.5 | 650 | 15 | 150 | 高強度、化学的に安定な部品 | ||||
マンガン・ブラス | HMn58-2 | 57~60 | 1.0~2.0 | 700 | 10 | 175 | 船舶用部品および弱電用部品 |
普通青銅は錫青銅のことで、錫(Sn)が主な合金元素である。Snの質量分率が錫青銅の性能の鍵である。Snの質量分率が5%~7%の錫青銅が最も塑性加工性に優れ、冷間および熱間変形加工に適しています。Snの質量分率が10%を超える錫青銅は、強度は高いが塑性加工性に劣り、鋳造にのみ適している。
錫青銅は大気、海水、無機塩水溶液に対しては優れた耐食性を示すが、アンモニア、塩酸、硫酸に対しては耐食性が劣る。
特殊青銅とは、Snを含まない青銅のことである。主合金元素によって、アルミニウム青銅、ベリリウム青銅、シリコン青銅などに分けられる。アルミニウム青銅はアルミニウムの質量分率が5%~10%で、化学的安定性が高く、耐食性、耐摩耗性に優れ、強度と塑性が高く、加工性に優れています。
主に海水や高温で使用される高強度耐摩耗部品に使用される。ベリリウム青銅のベリリウム質量分率は1.7%~2.5%である。固溶強化と時効硬化が可能で、高強度、耐摩耗性、耐食性、電気・熱伝導性を有する。
また、反磁性、衝撃による火花の発生がないなどの特殊な特性を持ち、主に精密機器の弾性体やモーターの防爆部品などに使用されています。珪素青銅は、珪素の質量分率が3%~4.6%で、錫青銅より機械的性質が高く、鋳造性、冷間・熱間加工性に優れている。
シリコン青銅にニッケルを添加すると、強度と耐摩耗性が著しく向上し、主に航空産業、長距離架空電話線、送電線などに使用される。一般に使用される青銅の銘柄番号、化学成分、機械的性質、用途例は表1-12に示す。
(3) 洋白
白銅とも呼ばれる洋白は、ニッケルを主成分とする銅合金の一種です。普通洋白と特殊洋白の2種類に分けられます。
表1-12:一般的な青銅の等級、化学組成、機械的性質および用途の例
カテゴリー | グレード | 化学組成(%) | 機械的特性 | 使用例 | ||||||
Wスナップ | Wアル | WSi | その他 | σb/MPa | δ(%) | 硬度 | ||||
普通のブロンズ | QSn4-3 | 3.5~4.5 | Znだ: 2.7~3.3 | 350~550 | 4~40 | 60~160 ハートビート | 弾性要素、耐摩耗性、抗 磁気部品 | |||
QSn6.5-0.1 | 6.0~7.0 | P: 0.10~0.25 | 350~450 | 60~70 | 70~90 ハートビート | 接点部品、スプリング、耐摩耗部品 | ||||
スペシャル・ブロンズ | ベリリウム青銅 | QBe2 | Be:1.8〜2.1 Ni:0.2〜0.5 | 500~850 | 3~40 | 90~250 HV | 重要なバネ、弾性要素 ベアリングなど | |||
シリコン・ブロンズ | QSi3-1 | 2.7~ 3.5 | ムン: 1~1.5 | 80~180 HV | 腐食性媒体中で働くバネと部品 |
通常の洋白は、銅とニッケルのみを含み、良好な強度と優れた塑性を有する。冷間圧延、熱間圧延の両方の加工が可能です。耐食性に優れ、電気抵抗率が高く、抵抗温度係数が小さい。
主に船舶計器部品、化学機械部品、医療機器などの製造に使用される。洋白の品位は、「B+Niの平均質量分率」で構成されます。例えば、B19はニッケル含有量19%の普通洋白を表します。
特殊洋白は、洋白に他の合金元素を添加して製造されます。添加される合金元素の種類によって、洋白の特性や用途は異なります。例えば、マンガンの質量分率が高いマンガン洋白は、熱電対線や計測器などの製造に使用されます。例えば、BZn15-20は、ケイ素含有量が15%、亜鉛含有量が20%の特殊洋白を表します。
チタンとチタン合金
純チタンの密度は4.5g/cm³、融点は1667℃であり、同素体である。882.5℃以下では、純チタンはα-Tiとして知られる最密充填六方晶の結晶構造を持つ。882.5℃以上では、β-Tiと呼ばれる体心立方晶の結晶構造を持つ。
純チタン(α-Ti)は、比較的低い弾性率、良好な耐衝撃性、高い比強度、優れた塑性を有するが、その機械的特性は不純物の影響を極めて受けやすい。
チタン合金の主な特徴は、高強度、低密度、優れた耐熱性、耐食性である。しかし、機械加工性が悪く、摩耗に弱く、比較的高価である。チタン合金はその焼鈍組織からα型(TA)、β型(TB)、α+β型(TC)に分類される。
一般的に使用されるチタン合金の等級、化学組成、機械的特性、用途の例を表1-13に示す。
(1) α型チタン合金
α型チタン合金の焼鈍組織はα単相固溶体であり、熱処理によって強化することはできない。これらの合金は、安定した組織、優れた耐食性、良好な塑性、成形性を有する。また、優れた溶接性能と低温特性を示します。
航空機のスキンやフレーム、エンジンのコンプレッサーディスクやブレード、タービンケーシング、超低温容器の製造によく使われている。
表1-13:一般的に使用されるチタン合金とその化学組成、機械的特性、用途の例
カテゴリー | グレード | 化学組成グループ | 熱処理 | 室温機械特性 | 高温機械特性 | 使用例 | |||
σb/MPa | δ(%)以上 | 試験温度 | 瞬時 強さ /MPa | 持久力 ① /MPa | |||||
アルファチタン合金 | TA28 | Ti-3Al | アニーリング | 700 | 12 | 500℃以下での作業 ミサイル燃料などの部品 タンク、航空機タービンケーシングなど | |||
TA5 | Ti-4Al-0.005B | アニーリング | 700 | 15 | |||||
TA6 | Ti-5Al | アニーリング | 700 | 12~20 | 350 | 430 | 400 | ||
ベータチタン合金 | TB2 | チタン-5モリブデン-5V-8Cr-3Al | 焼き入れ | 1000 | 20 | 350℃以下での作業 コンプレッサー・ブレードなどの部品 シャフト、ディスク、その他の高荷重回転部品、航空機部品など | |||
クエンチング+エージング | 1350 | 8 | |||||||
α+βチタン合金 | TC1 | Ti-2Al-1.5Mn | アニーリング | 600~800 | 20~25 | 350 | 350 | 350 | 400℃以下での作業 特定の高温強度を持つエンジン部品、低温ロケット、ミサイル液体水素燃料タンクなどの部品。 |
TC2 | Ti-4Al-1.5Mn | アニーリング | 700 | 12~15 | 350 | 430 | 400 | ||
TC3 | Ti-5Al-4V | アニーリング | 900 | 8~10 | 500 | 450 | 200 | ||
TC4 | Ti-6Al-4V | アニーリング | 950 | 10 | 400 | 630 | 580 | ||
クエンチング+エイジング | 1200 | 8 |
①持久强度表示材料在给定温度下经过100h后,试样发生断裂时的应力值。
(2) ベータ・チタン合金
β相チタン合金はβ相焼鈍構造を有する。焼入れにより準安定β相チタン合金を得ることができる。これらの合金は、その強度を高めるために熱処理することができ、高い室温強度と良好な冷間成形性を有する。しかし、これらの合金は密度が高く、その構造は十分に安定しておらず、耐熱性が低い。βチタン合金は主に、スプリング、ファスナー、厚い断面の部品など、高温を必要としないが高い強度を必要とする航空機部品の製造に使用されています。
(3) アルファ+ベータ・チタン合金
α+βチタン合金の焼鈍構造は(α+β)相であり、αチタン合金とβチタン合金の特徴を兼ね備えている。総合的な機械的特性に優れ、最も広く使用されているチタン合金である。例えば、TC4(Ti-6Al-4V)は航空宇宙やその他の産業分野で広く使用されています。