特殊鋼とは？種類ごとの特性や用途｜添加物によって付与される様々な特性

• 投稿日：2024年2月14日(水曜日)

特殊鋼は、元素を添加することで、特性が付与される合金鋼のことです。
この記事では、そんな特殊鋼について、基本的な情報をまとめました。

特殊鋼とは

特殊鋼とは、鉄や炭素にさまざまな元素を添加して、その種類や量、タイミングによってさまざまな特性を付与した合金鋼のことです。
添加する元素はマンガン（Mn）やモリブデン（Mo）、クロム（Cr）などがあり、これにより強度や耐食性、耐熱性などの特性が付与されます。
そしてこれによって特殊鋼自体も、構造用鋼や工具鋼、ステンレス鋼など種類があり、自動車や航空機、建築物など幅広い用途で用いられます。

特殊鋼の種類ごとの特性と用途

特殊鋼は、大きく構造用鋼と工具鋼、その他特殊用途鋼の3種類があります。
その他特殊用途鋼については、ステンレス鋼、耐熱鋼、超合金・超耐熱合金、バネ鋼、快削鋼に種類分けされます。
なお、特殊鋼の種類ごとに特性は異なり、また用途も異なります。

構造用鋼

構造用鋼は、建築物や機械部品などに用いられる、強度の高い特殊鋼です。
炭素（C）やリン（P）の調整によって特性が変わり、また細かく種類も分けられますが、幅広く用いられているのは、SS材と呼ばれる一般構造用圧延鋼材とSC材と呼ばれる機械構造用圧延鋼材です。
SS材は安価で入手しやすく建築物に、SC材は強度が高く機械部品に、それぞれ用いられることが多いです。

工具鋼

工具鋼は、硬度の高い特殊鋼です。
また耐摩耗性も高いことから、名前の通り切削工具、また金型にも用いられることが多いです。
なお、工具鋼もいくつかの種類に分けられ、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼などがあげられます。
炭素工具鋼はSK材と呼ばれ、工具鋼の中でも使われる頻度が高く、刃物などに用いられます。
合金工具鋼はSKS材と呼ばれ、基本的な用途は炭素工具鋼と同じですが、モリブデン（Mo）やクロム（Cr）などを添加することで耐衝撃性や耐熱性が改良されています。
そしてハイス（High Speed Steel）と呼ばれる高速度工具鋼は、硬度と耐熱性が非常に高い特性を持ち、名前の通り高速回転させる切削工具などで用いられます。

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、鉄を主成分としてクロム（Cr）を10.5％以上含んだ、耐食性の高い特殊鋼です。
クロム（Cr）が酸素と結びつくことで酸化し、鉄が酸化する前に表面を不働態被膜で覆うことから、錆に強い特性を持ちます。
なお、上記のことから、用途は食器や厨房設備、自動車部品や建築内装など、非常に幅広いです。

耐熱鋼

耐熱鋼は、高温下における強度や耐熱性が高く、また酸化や腐食にも強いといった特性を持つ特殊鋼です。
クロム（Cr）やニッケル（Ni）、タングステン（W）などを添加することで、高温下における上記の特性を向上させています。
ちなみに、ステンレス鋼も耐熱鋼に種類分けされることがあります。
なお、耐熱鋼の用途としては、自動車エンジンのバルブや排気管、化学プラントなどがあげられます。

超合金・超耐熱合金

超合金・超耐熱合金は、ステンレス鋼や耐熱鋼以上に、高温下での強度や耐熱性が高く、また酸化や腐食にも強いといった特性を持つ特殊鋼です。
ニッケル（Ni）やコバルト（Co）、モリブデン（Mo）やタングステン（W）、チタン（Ti）やニオブ（Nb）、そしてクロム（Cr）などを添加して、高温下における上記の特性を向上させています。
なお、種類がいくつかあり、代表的なのはチタン合金やニッケル基超耐熱合金、コバルト基超耐熱合金などです。
用途はその特性から、火力発電のガスタービンや航空機のジェットエンジンなどになります。

バネ鋼

バネ鋼は、名前の通りバネに用いられる、シリコン（Si）を添加して衝撃や疲労に強い特性を持つ、特殊鋼です。
狭義ではバネの形状に成形した後に熱処理を行う熱間成形で作られたものを指しますが、広義では熱処理を行った後にバネの形状に成形する冷間成形で作られたものも指します。
なお、バネと一口に言っても種類はさまざまで、このバネ鋼は引張コイルバネやネジリコイルバネ、板バネやトーションバーなどに用いられます。

快削鋼

快削鋼は、切削性の高い特性を持つ、特殊鋼です。
リン（P）やマンガン（Mn）、そして硫黄（S）を添加して、これにより切削性を向上させています。
用途としては、切削性の高いという特性上、大量生産されるボルトやナットなどに用いられることが多いです。
他にも、自動車エンジンのシャフト、テレビやデジカメなどの家電など、幅広い分野で用いられています。

特殊鋼に添加される元素と付与される特性

特殊鋼は、鉄や炭素にさまざまな元素を添加することで、さまざまな特性を付与した合金鋼です。
添加する主な元素と、付与される特性を以下にまとめました。

特殊鋼の熱処理の加工方法

特殊鋼はその特性を発揮するために熱処理が欠かせません。
熱処理の加工方法には、主に焼き入れ、焼き戻し、焼きなまし、焼きならしがあります。

焼き入れ

焼き入れは、特殊鋼を高温（850℃～950℃）で加熱した後、水や油で急冷することで、強度や硬度を向上させる加工方法です。
しかし、焼き入れ後はもろくなっているため、焼き戻しが必要です。

焼き戻し

焼き戻しは、焼き入れした特殊鋼を再度加熱した後、冷却することで不安定になっている組織を安定させる加工方法です。
これにより粘り、いわゆる靭性、また耐衝撃性を高めることができます。

焼きなまし

焼きなましは、特殊鋼を低温で加熱した後、空気中で冷却する加工方法です。
これにより特殊鋼を柔らかくでき、靭性また加工性を高めることができます。

焼きならし

焼きならしとは、特殊鋼を加熱した後、空気中で冷却することで、組織を均一にする加工方法です。
特殊鋼の内部の歪みを除去することができます。

特殊鋼と普通鋼の違い

普通鋼は、鉄に炭素（C）やシリコン（Si）、マンガン（Mn）やリン（P）、硫黄（S）などの元素を含み、熱処理を行わずに使用する材料です。
汎用的なため、一般的な建築物、また機械部品など、幅広い用途で用いられます。

一方特殊鋼は、普通鋼の元素を高度に管理したり、クロム（Cr）やニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）などを添加して強度や耐摩耗性、耐食性や耐熱性などの特性を付与したりして使用する材料です。
特性の発揮には熱処理を行う必要がありますが、普通鋼では厳しい条件で使用する場合や、より性能が求められる場合などに適しています。
例えば、航空また宇宙産業や工具製造業などで用いられることが多いです。

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