機械材料の基礎：鉄鋼

機械材料として鉄鋼は非常に広範に使用されている材料です。
資源量が豊富で精錬しやすく強靭であり加工も容易なため広く利用され、機械産業において非常に重要な位置を占めています。そのため生産量が非常に多く全世界の金属材料生産の約90％は鉄鋼の生産になっています。

鋼鉄材料の種類

炭素鋼（鉄鋼）
合金鋼
鋳鉄

炭素鋼（鉄鋼）

炭素鋼は、主成分である鉄に、その性質を決定づける最も重要な元素として炭素を0.02パーセントから約2.14パーセントの範囲で添加した合金の総称です。一般に「鉄鋼」と呼ばれる材料の大部分を占め、その圧倒的な生産量、経済性、そして加工性の良さから、建築、土木、自動車、産業機械、日用品に至るまで、現代社会を構築する上で最も不可欠な金属材料となっています。

炭素鋼の工学的な本質は、単一の材料ではなく、含有される炭素の量と、後述する熱処理というプロセスによって、その機械的性質、すなわち硬さ、強さ、そして粘り強さを、極めて広範囲にわたって自在にコントロールできる点にあります。

炭素の役割：強度と硬さの源泉

純粋な鉄は、比較的柔らかく、延性に富む金属です。この鉄の結晶格子の中に、鉄原子よりも小さな炭素原子が入り込むと、格子に「ひずみ」が生じます。金属が変形する際、内部では転位と呼ばれる原子配列のズレが移動します。炭素原子によって生じたこのひずみは、転位のスムーズな移動を妨げる強力な障害物となります。

したがって、炭素の含有量が増加するにつれて、転位は動きにくくなり、結果として材料の強度と硬度は著しく向上します。これが、炭素鋼が強度を持つ基本的なメカニズムです。

しかし、この強化には代償が伴います。炭素量が増え、硬度が高くなるにつれて、材料は粘り強さ、すなわち靭性や延性を失い、もろくなる傾向を示します。この強度ともろさのトレードオフを、いかにして最適化するかが、炭素鋼を利用する上での核心的な課題となります。

炭素含有量による分類と用途

炭素鋼は、この炭素の含有量によって、その性質と用途が明確に三つに大別されます。

1. 低炭素鋼

炭素量: 約0.25パーセント以下
特徴: 炭素量が少ないため、柔らかく、延性に富み、塑性加工（プレス加工や曲げ加工）に極めて適しています。また、溶接性も良好です。熱処理による顕著な硬化は望めません。
主な用途: 自動車のボディパネル、鋼板、釘、針金、そしてSS400に代表されるような一般的な建築用・構造用鋼材。

2. 中炭素鋼

炭素量: 約0.25パーセントから0.6パーセント
特徴: 強度、硬度、靭性のバランスが最も取れた領域です。この鋼種の最大の価値は、熱処理に対して非常に良好な応答を示す点にあります。焼き入れや焼き戻しといった熱処理を施すことで、その機械的性質を劇的に向上させることが可能です。
主な用途: S45Cに代表される機械構造用炭素鋼がこれに該当し、歯車、軸、クランクシャフト、ボルトなど、高い強度と靭性が要求される機械部品の材料として最も広く使用されます。

3. 高炭素鋼

炭素量: 約0.6パーセント以上
特徴: 炭素量が多いため、非常に硬く、耐摩耗性に優れます。一方で、延性は低く、もろいため、加工は難しくなります。
主な用途: その高い硬度を活かし、工具鋼として、刃物、ドリル、タップ、あるいは高い弾性が求められるばね、鉄道のレールなどに使用されます。

熱処理：鋼のポテンシャルを引き出す技術

熱処理は、この状態図の原理を利用し、鋼を加熱・冷却することで、意図的に内部組織を制御し、鋼の性能を最大限に引き出すプロセスです。

焼き入れ

焼き入れは、鋼を最も硬くするための処理です。

加熱: 鋼をオーステナイトが存在する高温域まで加熱し、硬さの源である炭素を、オーステナイト組織の中に均一に溶かし込みます。
急冷: この状態から、水や油に入れて急速に冷却します。
変態: この急冷により、炭素原子は拡散してパーライトを形成する時間を与えられません。その結果、行き場を失った炭素原子が、鉄の結晶格子の中に無理やり閉じ込められた、マルテンサイトと呼ばれる、状態図には現れない特殊な組織へと変態します。
硬化: マルテンサイトは、内部に極めて大きなひずみを抱えた、針状の組織です。この巨大なひずみが、転位の動きを強力に阻害するため、マルテンサイトは、鋼がとりうる組織の中で最も硬く、強い組織となります。

焼き戻し

焼き入れによって得られたマルテンサイトは、非常に硬い反面、ガラスのようにもろく、衝撃に弱いため、そのままでは実用になりません。

そこで、焼き入れ後には、必ず焼き戻しという処理が行われます。これは、焼き入れした鋼を、変態点よりも低い温度（例：摂氏150度から650度）で再加熱する処理です。この加熱により、不安定だったマルテンサイトの内部ひずみが解放され、組織が安定化します。これにより、硬度はわずかに低下しますが、それと引き換えに、破壊に対する抵抗力、すなわち靭性が劇的に回復します。

この焼き入れと焼き戻しを組み合わせた処理を調質と呼び、エンジニアは、この焼き戻しの温度を調整することで、S45Cのような中炭素鋼の「強度」と「靭性」のバランスを、用途に応じて自在に設計するのです。

合金鋼

合金鋼は、鉄と炭素からなる炭素鋼に、その性質を飛躍的に向上させる目的で、クロム、ニッケル、モリブデンといった、炭素以外の元素を意図的に添加した鋼の総称です。

炭素鋼の性質が、主に炭素量と熱処理によって決まるのに対し、合金鋼は、これら合金元素の添加によって、炭素鋼の限界を超える、特定の高度な性能が付与されます。その目的は、強度、硬度、靭性、耐摩耗性、耐食性、耐熱性の向上など、多岐にわたります。

合金元素の工学的な役割

合金鋼の工学的な本質を理解する上で、最も重要な概念が「焼入性」の向上です。

焼入性の飛躍的向上

焼入れとは、鋼を高温のオーステナイト状態から急冷し、硬いマルテンサイト組織に変態させる熱処理です。炭素鋼は、この変態を成功させるために、水による極めて急速な冷却を必要とします。そのため、表面は硬化しても、中心部まで冷却が追い付かず、太い部品や大型の部品では、内部まで十分に硬化させることができません。

合金元素は、この変態の速度を遅らせる働きを持ちます。熱力学的には、TTT曲線（時間-温度-変態曲線）の「鼻」を右側に移動させ、パーライトやベイナイトへの変態を抑制します。

これにより、合金鋼は、水よりも穏やかな油による冷却でも、部品の中心部まで、全体を均一にマルテンサイト組織にすることが可能となります。この「いかに深く、芯まで焼きを入れることができるか」という能力が、焼入性です。

焼入性が高いことの工学的な利点は絶大です。穏やかな冷却が可能になることで、急冷によって生じる熱応力や変態応力が緩和され、焼き入れの最大の敵である歪みや焼割れのリスクを、劇的に低減できるのです。

主要な合金元素とその効果

合金鋼の多様な特性は、添加される元素の組み合わせによって、精密に設計されます。

クロム (Cr) 最も基本的で重要な合金元素です。焼入性を著しく向上させ、鋼の強度と硬度を高めます。また、耐摩耗性や耐熱性も改善します。添加量を10.5パーセント以上にまで引き上げると、鋼の表面に強固な不動態皮膜を形成し、錆びない鋼、すなわちステンレス鋼となります。
ニッケル (Ni) 鋼の靭性、すなわち粘り強さや衝撃に対する抵抗力を、飛躍的に向上させる元素です。特に、低温環境下でも、もろくなることなく靭性を維持する「低温靭性」の改善に絶大な効果を発揮します。焼入性も高めるため、強靭な構造用鋼には不可欠です。
モリブデン (Mo) クロムと並び、焼入性を非常に強く向上させる元素です。しかし、モリブデンの最も重要な工学的な役割は、焼き戻し処理の際に発生することがある「焼戻し脆性」という、鋼がもろくなる有害な現象を、強力に防止することにあります。これにより、強度と靭性を高いレベルで両立させた、信頼性の高い調質鋼を作ることが可能になります。また、高温での強度維持にも不可欠です。
マンガン (Mn) 比較的安価に焼入性を高めることができるため、ほぼ全ての合金鋼に含まれています。また、鋼の不純物である硫黄と結合し、加工性を阻害する硫化鉄の生成を防ぐ、重要な役割も担います。
ケイ素 (Si) 主に脱酸剤として製鋼時に使用されますが、固溶強化によって鋼の強度を高める効果もあります。特に、弾性限度を著しく高めるため、ばね鋼の主要な合金元素として活躍します。

合金鋼の分類と応用

合金鋼は、その用途と特性によって、大きく分類されます。

構造用合金鋼 機械部品の材料として、最も広く使用される合金鋼です。強度と靭性のバランスを確保するため、焼き入れと、その後の高温焼き戻し（調質）を施して使用されます。代表的なものに、クロムとモリブデンの長所を組み合わせた**クロムモリブデン鋼（SCM材）**があり、自動車のクランクシャフト、歯車、高張力ボルトなど、最も過酷な力がかかる重要保安部品に使用されます。
工具鋼 切削工具、金型などに使用される、極めて高い硬度と耐摩耗性を追求した合金鋼です。炭素量を高く設定し、クロム、タングステン、バナジウムなどを多量に添加することで、硬い炭化物を組織内に多数形成させています。特に**高速度工具鋼（ハイス）**は、切削時の摩擦熱で刃先が赤熱しても硬度を失わない、優れた高温硬度を持ちます。
特殊用途鋼 特定の機能に特化した高合金鋼の総称です。
- ステンレス鋼: クロムを主役とした、耐食性。
- 耐熱鋼: クロムやニッケルを主役とした、高温強度。

鋳鉄

鋳鉄は、鉄を主成分とし、炭素を約2.14パーセントから6.67パーセント程度、実際には2.5パーセントから4.5パーセント程度含んだ鉄系合金の総称です。炭素含有量が2.14パーセント以下の鋼とは、この炭素量によって明確に区別されます。

この多量に含まれる炭素が、鋳鉄の工学的な本質を決定づけています。炭素の働きにより、鋳鉄は鋼に比べて融点が低いという大きな特徴を持ちます。この低融点は、溶融した金属が金型によく流れ込むという、卓越した鋳造性（湯流れ性）をもたらします。これにより、自動車のエンジンブロックや機械のベッドのような、複雑で大型の形状を、一体で成形することが可能となります。

黒鉛の形態：鋳鉄の性質を支配する鍵

鋳鉄の機械的性質を工学的に理解する上で、最も重要な概念が黒鉛の形態です。鋼では、炭素は鉄の母材に溶け込むか、微細な炭化物として分散します。一方、鋳鉄は、その炭素含有量が多すぎるため、鉄の母材に溶けきれなかった過剰な炭素が、冷却・凝固の過程で、黒鉛（グラファイト）として晶出します。

この黒鉛が、どのような「形」で晶出するかによって、鋳鉄の性質は、硬くてもろいものから、鋼のように粘り強いものまで、劇的に変化します。

ねずみ鋳鉄（普通鋳鉄）

JIS記号でFC材として知られ、鋳鉄の中で最も生産量が多く、汎用的に使用されるタイプです。

組織: 過剰な炭素が、片状黒鉛（フレーク状の黒鉛）として晶出します。破断面がねずみ色に見えることが、その名の由来です。
工学的な特徴: この片状の黒鉛は、冶金学的には、無数の鋭い「切り欠き」や「内部亀裂」として振る舞います。外部から力がかかると、この黒鉛の先端に応力が集中し、材料は粘ることなく、容易に破壊されます。
長所:
1. 優れた振動減衰能: 片状黒鉛が、機械的な振動を吸収・減衰させるクッションの役割を果たします。
2. 優れた切削性: 黒鉛自身が潤滑剤として機能し、切りくずを細かく分断するため、旋盤やフライス盤での加工が非常に容易です。
3. 優れた耐摩耗性・摺動性: 黒鉛が持つ自己潤滑性と、表面の微細な孔が潤滑油を保持する（保油性）ため、滑り運動に適しています。
短所: 片状黒鉛の存在により、靭性（粘り強さ）が極めて低く、もろい性質を持ちます。
主な用途: 高い振動減衰能が求められる工作機械のベッドやテーブル、優れた切削性と摺動性が求められる自動車のエンジンブロック、シリンダーライナー、そして安価で複雑な形状が作れるマンホールの蓋など。

ダクタイル鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄）

JIS記号でFCD材として知られ、ねずみ鋳鉄の「もろさ」という致命的な欠点を、冶金技術によって克服した、高性能な鋳鉄です。

組織: 溶融した鋳鉄に対し、鋳型に流し込む直前に、マグネシウムやセリウムなどを添加する「球状化処理」を行います。この処理により、黒鉛は、有害な片状ではなく、球状（スフェロイダル）で晶出します。
工学的な特徴: 黒鉛が滑らかな球状になることで、応力集中が劇的に緩和されます。これにより、黒鉛による組織の分断がなくなり、鉄の母材（基地）そのものが持つ、本来の高い強度と優れた延性・靭性が発揮されます。
性質: ねずみ鋳鉄の持つ優れた鋳造性をそのままに、鋼に匹敵するほどの「強靭さ」を兼ね備えた、理想的な材料です。
主な用途: 高い強度と信頼性が要求される、自動車のクランクシャフトやサスペンション部品、上下水道用の高圧パイプ、バルブなど、従来は鍛造鋼や鋳鋼が用いられていた多くの分野で、代替材料として活躍しています。

白鋳鉄

組織: ねずみ鋳鉄とは対照的に、炭素が黒鉛として晶出することを許さず、冷却・凝固させたものです。これは、ケイ素の含有量を減らしたり、急速に冷却したりすることで達成されます。その結果、過剰な炭素は、全て鉄と化合して、セメンタイト（Fe₃C）という、極めて硬くてもろい金属間化合物を形成します。破断面が白く輝いて見えることから、白鋳鉄と呼ばれます。
工学的な特徴: 全体がセメンタイトの塊であるため、極めて高い硬度と卓越した耐摩耗性を持ちます。しかし、同時に非常にもろく、切削加工はほぼ不可能です。
主な用途: その耐摩耗性を活かし、鉱石などを粉砕する粉砕機（ボールミル）のライナーやボール、圧延機のロール、あるいは後述する可鍛鋳鉄の原料として使用されます。

その他の鋳鉄

可鍛鋳鉄: 一度、白鋳鉄として鋳造した後、高温で長時間の焼なまし処理を施すことで、硬くてもろいセメンタイトを分解させ、塊状の黒鉛を析出させたものです。これにより、延性と靭性を大幅に改善しています。自動車のジョイント部品や、配管用の継手などに用いられます。
CV鋳鉄: ねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄の中間的な性質を持ちます。黒鉛の形状が、片状と球状の中間である、いも虫状（Compacted Vermicular）をしています。