金属加工・金属切削加工

鉄と鋼の違いとは?その種類と使い分け

2017.04.10

鉄という物質ですが、実は単体ではほとんど私たちの生活の中では存在していません。
何故なら、純度100%の鉄は非常に脆いからです。
非常に脆いということは、加工するのも難しいので使われることがほとんどありません。
私たちが目にする鉄と呼ぶものはほとんどが実は鋼という物質です。

鋼の特徴

鋼とは、2%以下の炭素を含んだ鉄の合金で、ほかにも微量ですが、マンガンやリン硫黄なども含んでいます。
鉄と鋼の違いですが、素材の中に含まれている「炭素」の量の違いです。
炭素量によって性質が変わってきます。
もっとも変化が大きい性質は鉄の強度や硬度といった、材料としての強さの性質です。
炭素量が多いと材料は硬くなります。
しかしその反面、粘り強さが落ちてきます。
硬いものはその限度を超えるような力がかかると折れてしまいます。
ここで折れにくいものを粘り強いといいます。
または「靱性」が強いという言い方もあります。
硬さと粘り強さは両方を同時に高めることができません。
通常は反比例の関係で、どちらかに優れていると、どちらが劣ってしまいます。
したがって、鉄鋼系の材料を選ぶ場合は用途に応じて、硬さと粘り強さののバランスを考えて、選ぶことになります。

材料の強さは、硬さ、粘り強さの他にも耐衝撃性、耐腐食性、耐疲労性、耐磨耗性、耐熱性、耐低温脆性、耐薬品性、というような指標が関わってきます。
一つの強さだけを見て、その材料の総合的な強さは判断することはできません。

鋼の種類

SS材

もっとも多く使われる鋼材の一つです。
SS300、SS400、SS490、SS540の4種類がよく知られています。
SSのあとに続く数字は引っ張り強さを表しています。
SS400は市場によく出回っており、安価であるため広い分野で使用されています。
常温から中温域(350℃)まで安定しており、この温度帯域でよく使用されます。
鉄鋼系の中では耐熱性は低い方ですが、一般的な産業・工業用途では特に問題ありません。
SS400の硬度については規格には記載がありませんが、SS400は鉄鋼材料の中ではやわらかい材料に分類されます。
そのため、摺動部位(高い硬度、耐摩耗性が必要な箇所)にはSS400は適していません。
SS400の溶接について、通常の溶接ではSS400は問題なく使用できる溶接性です。
ただし、板厚が50mmを超える厚みになると、溶接構造用圧延鋼材(SM材)が用いられます。
高い負荷、圧力がかかるような用途をはじめ、高いレベルでの溶接性が要求される場合には検討が必要です。

炭素鋼鋼材S-C系

「S45C」のような数字が炭素量をあらわしている材料です。
機械部品など多くの用途で使用されています。
規定では炭素量に応じてS10CからS58Cまで20種類のものがあります。
この中で実際によく使われるものは、S20CからS55Cあたりで、機械の部品・部材を中心に幅広い用途で、使用されています。
炭素量の増減や熱処理(焼き入れ、焼き戻しなど)を加えることで様々な性質を持つ鋼に仕上げることができます。

S45C

炭素鋼鋼材S45Cは一番メジャーな炭素鋼鋼材です。
熱処理をすることによって、機械的性質が向上するため、一般的には熱処理をしたものが使用されます。
S45Cは特に強度が必要な場面で使用される鋼材で、軸やピン、研削加工においてもよく使用されます。
市場にもよく流通しており、価格もそこまで高価ではないため、汎用性が高く、とりあえずS45Cが使われているということが多く見られます。

SS400とS45Cの使い分け

大まかなイメージとしては、特に硬さが必要な部品の場合にはS45C材を使用する、それほど強度の必要のない部品の場合にはSS400材を使うというようなイメージです。
部品の要求レベルで材料を使い分けているというのが現状です。
たとえば、硬さが必要な部品ならば、S45Cを使うというような判断の仕方になります。
SS400は硬度が400[N/mm^2]に対して、S45Cは生材でも570[N/mm^2]あり硬度に差があります。
更に、S45Cは熱処理をすることで、硬度が690[N/mm^2]以上となりさらに硬くさせることができます。
そんなS45Cに対してSS400は焼きが入りませんので硬度は変わりません。
仕様用途も選定理由の一つになります。
ある程度の硬さが欲しい部品、昔からこの部品の材質はS45Cを使っているという実績のある部品には、S45Cを選定します。
例えば、ベアリングを嵌めるためのシャフト形状のもの、回転数が速く、力も加わりやすい回転する形状が必要であれば、S45Cを選定すべきです。
上記で述べたようにS45Cは摺動部位に適した性質を持っているからです。
一方で、同じ丸物でも負荷軽い箇所での使用目的、多少振動などがあっても問題がないような環境であれば、安価に済ませることができるSS400を選定するのが良いと思います。
また、溶接部品にはSS400材を用いられることが多いです。
その理由としては、溶接をするということは歪な形状になることが多いため、振動にも弱く、剛性も高くないからです。
そのため溶接部品には基本的にSS400材を用いるケースが多いです。

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