1. 導入
スチールは最新のインフラストラクチャを支えています, そびえ立つ高層ビルから精密な外科ツールまで.
世界で最もリサイクルされた素材として, 比類のない強度の組み合わせを提供します, 形成性, および費用対効果.
この記事で, 炭素鋼と合金鋼の2つの基礎鋼ファミリを比較してください。, プロパティ, 処理, 経済, およびアプリケーション.
最後まで, ピークのパフォーマンスと値のために各タイプをいつ選択するかを把握します.
2. 炭素鋼とは何ですか?
炭素鋼 最もシンプルで最も広く使用されている鉄鋼ファミリの1つとして際立っています.
定義により, 主に鉄で構成されています (fe) 炭素で合金化されています (c), 通常、範囲 0.05 % に 1.00 % 重量で.
炭素含有量を増やすと, 合金の強度と硬度が上昇しますが、延性と溶接性の低下.
さらに, マンガンの制御された追加 (〜1.65まで %), シリコン (0.15 %–0.30 %), リン (< 0.04 %), と硫黄 (< 0.05 %) 穀物構造を洗練させるのを手伝ってください, 硬化性を向上させます, 加工性を向上させます.
炭素鋼の種類
エンジニアは、炭素の割合に基づいて炭素鋼を4つの主要なカテゴリに分類します. 各カテゴリは明確な役割を果たします, 柔軟なワイヤーフォームから耐摩耗性のブレードまで:
| カテゴリ | Cコンテンツ | 重要な特徴 | 一般的な用途 |
|---|---|---|---|
| 低炭素 (軽度) | 0.05 %–0.30 % | 優れた延性; 溶接して形成しやすい | 自動車パネル, 構造形状, フェンシング |
| 中炭素 | 0.30 %–0.60 % | バランスの取れた強さと靭性; 熱処理可能 | ギア, 車軸, シャフト, 機械コンポーネント |
| 高炭素 | 0.60 %–1.00 % | 消光後の高い硬度; 延性が低い | 切削工具, スプリング, 高強度ワイヤ |
| 非常に高い炭素 | 1.00 %–2.00 % | 例外的な耐摩耗性; 自然の中で脆い | 特殊ナイフ, せん断刃, パーツをキャストします |
3. 合金鋼とは何ですか?
合金鋼 1つ以上の合金要素を意図的に追加することにより、プレーン炭素鋼を高めます,
クロムなど, ニッケル, モリブデン, バナジウム, タングステン, またはホウ素, 炭素含有量だけでは提供できないプロパティを達成するため.
これらの戦略的な追加は、鋼の微細構造を改良します, 機械的パフォーマンスを向上させます, 熱に対する抵抗を改善します, 着る, および腐食.
化学組成と微細構造
各合金要素は、明確な利点を提供します:
- クロム (0.5–2 %) ハードクロム炭化物の形成と薄い, 付着酸化層, 耐摩耗性と腐食保護を強化します.
- ニッケル (1–5 %) 室温でオーステナイト相を安定させます, 劇的に増加します - 特に低温環境で.
- モリブデン (0.2–0.6 %) クリープ強度を高め、穀物の成長を抑制することにより、高温で硬度を維持します.
- バナジウム (0.1–0.3 %) 前のオーステナイトの穀物サイズを改良します, より高い降伏強度と優れた疲労寿命を提供します.
- タングステン (まで 2 %) そして ボロン (0.0005–0.003 %) さらに、高温の硬度と深部硬化性を向上させます, それぞれ.
合金鋼の種類
組み合わせは大きく異なる場合があります, 5つの最も一般的な合金鋼のグループには含まれます:
| 合金家 | 重要な要素 | 主な利点 | 例の使用 |
|---|---|---|---|
| 低合金鋼 | cr, で, MO (合計≤ 5 %) | バランスの取れた強さ, 中程度のタフネス, 硬化性が向上しました | 自動車シャーシ, 構造ビーム |
| 高合金鋼 | cr, で, MO, v, w (合計 > 5 %) | 例外的な強度と腐食/耐熱性 | タービンブレード, 原子炉部品 |
| ツール鋼 | cr, MO, w, v, c (c最大〜2 %) | 非常に高い硬度, 耐摩耗性, 寸法安定性 | 切削工具, パンチ, 死ぬ |
| ステンレス鋼 | ≥ 10.5 % cr, プラスNI, MO, n | 未解決の腐食抵抗, 形成性 | 医療機器, 食品加工装置 |
| マレージング鋼 | で (15–25 %), co, MO, の, アル (低c) | 優れたタフネスを備えた超高強度 | 航空宇宙構造コンポーネント, ツーリング |
4. 4桁のAISIスチール指定システムのデコード
炭素と合金の鋼を区別する前に, 彼らの命名条約を理解することが不可欠です.
4桁のAISIで (アメリカン鉄鋼研究所) システム, 最初の2桁では、鉄鋼ファミリーを識別します, 最後の2桁で公称炭素含有量を指定している間 (100分の1パーセント, まで 1.00 %).
例えば, 「10」の接頭辞は、プレーンカーボンスチールを指定します, と 1018 含む 0.18 % 炭素と 1045 含む 0.45 %.
同じく, 4140 - その「41」プレフィックスにもかかわらず、それだけで意味します 0.40 % 炭素, しかし、クロム - モリブデン合金ファミリーの一部として.
すべての「10」シリーズグレードには、少量のマンガンが含まれています, リン, 穀物構造を改良し、強度を改善するためのシリコン.
たまに, 接尾辞文字が表示されます: l 優れた加工性のために追加されたリードを示します, そして b より深いセクションでの硬化性を高めるホウ素の追加を信号します.
これらのプレフィックスをデコードすることにより, 数字, と手紙, あなたは鋼の基本化学を予測することができ、したがってその硬さを推測することができます, 抗張力, 熱処理への適合性.
以下は、完全な4桁のAISI/SAE番号のテーブルです, 両方のプレーンカーボンサブシリーズを表示します (10xx – 15xx) メインアロイスチールシリーズ (2xxx – 9xxx).
最後の2桁は、常に100分の1パーセントで名目上のC含有量を与えます (例えば. 「18」→ 0.18 %c).
| シリーズ | 一次合金要素(s) | 炭素範囲 (%c) | 重要な特性 / メモ |
|---|---|---|---|
| 10xx | プレーンカーボン (c + Mn, p, そして) | 0.06 - 0.60 | 寒い & ホットロール炭素鋼 (例えば. 1018, 1045) |
| 11xx | 再硫化炭素 (sを追加します) | 0.06 - 0.60 | より良い加工性 (例えば. 1117, 1144) |
| 12xx | 再硫化 + 再リン酸炭素 (S+P) | 0.06 - 0.60 | オイル硬化, 優れた機械性 (例えば. 1215) |
| 15xx | 高マンガン炭素 (〜1.00を追加します % Mn) | 0.20 - 0.50 | 強度が向上しました & 加工性 (例えば. 1541) |
| 15BXX | 高mn + ボロン (B〜0.0005–0.003 %) | 0.20 - 0.50 | 強化されたハーデン剤 |
2xxx |
ニッケル鋼 (1-5で %) | 0.06 - 0.60 | 厳しい, 低TEMPパフォーマンス (例えば. 2024) |
| 3xxx | ニッケルクロミウム鋼 (で + cr) | 0.06 - 0.60 | 耐熱性 & 高強度 (例えば. 3090) |
| 4xxx | モリブデン鋼 (MO 0.2–0.5 %) | 0.06 - 0.60 | ハイテム強度, 耐食性 (例えば. 4042) |
| 41xx | クロム - モリブデン鋼 (cr + MO) | 0.06 - 0.60 | 優れたハーデン剤 & 耐摩耗性 (例えば. 4140, 4130) |
| 43xx | クロム鋼 (CR 0.5–1.5 %) | 0.06 - 0.60 | 高強度, いくつかの腐食抵抗 (例えば. 4310) |
5xxx |
クロム鋼 (4xxxよりも高いCR) | 0.06 - 0.60 | 空気硬化ツール鋼 (例えば. 5140) |
| 6xxx | クロムバナジウム鋼 (cr + v) | 0.06 - 0.60 | 春 & 高ストレス部品 (例えば. 6150) |
| 7xxx | タングステン鋼 (W 1–5 %) | 0.06 - 0.60 | 高速 & ホットワーキングツールスチール (例えば. 7XXX HSSシリーズ) |
| 8xxx | ニッケルクロミウム - モリブデン (at + cr + i) | 0.06 - 0.60 | 超高強度 & タフネス (例えば. 815M40) |
| 9xxx | シリコンマンガン鋼 (そして + Mn) | 0.06 - 0.60 | 春の鋼, 高い疲労寿命 (例えば. 9260) |
接尾辞文字
- l: 改善された機械加工のためのリードを追加しました (例えば. 1215l)
- b: 硬化性のためにホウ素を追加しました (例えば. 8640b)
- h: 特別な硬化性要件 (例えば. 4140h)
5. 合金鋼の機械的特性と. 炭素鋼
機械的パフォーマンスは、材料の選択を促進します, および合金と炭素鋼は主要なメトリックで大幅に分岐します.
抗張力, 降伏強度, と延性
- 炭素鋼: 低炭素グレード (例えば. アイシ 1018) 400〜550 MPa前後の引張強度を示し、250〜350 MPaの近くの降伏強度を示します, 20〜30の破損時に伸びがあります %.
中炭素鋼 (例えば. 1045) 引張強度を600〜800 MPaに押し込み、350〜550 MPaになります, しかし、延性は〜15に落ちます %. - 合金鋼: 対照的に, a 4340 合金鋼, クエンチと和らげられた, の引張強度を達成します 1 100–1 400 MPAおよび950〜1の降伏強度 150 MPA, 12–18を維持しながら % 伸長.
その結果, 合金鋼は、過度の延性を犠牲にすることなく、炭素鋼の2倍の強度を実現します.
さらに, ニッケルやバナジウムなどの戦略的追加の追加は、テーラーの収量行動を促進します.
例えば, a 2 % NI低合金グレードは、影響点を〜10に増やします % 同様のCR-MOスチールと比較.
硬度と耐摩耗性
- 炭素鋼: 熱処理された高炭素鋼に到達できます 60 HRC (ロックウェルの硬度c), ブレードとスプリングに良い耐摩耗性を提供します.
しかし, 炭素が超えると 0.8 %, フォーミングは、消光中にリスクを引き起こします. - 合金鋼: ツール鋼 (例えば. 〜12のD2 % cr, 1.5 % c) 優れたエッジ保持を備えた62〜64 HRCを達成します.
その間, タングステンアロイホットワークグレード (H13) 48〜52 HRCと赤毛を届けます 600 °C.
加えて, 合金鋼はしばしば硬い炭化物を埋め込みました (cr, v, またはw) 炭素鋼のセメンタイトよりもはるかに優れた摩耗に抵抗する.
その結果, 炭化物強化合金は、ハイウィアの型で2〜3倍長く続き、死にます.
靭性と耐衝撃性
- 炭素鋼: 低炭素鋼は衝撃を容易に吸収します, 室温で80〜120 jのシャルピーVノッチ値を生成する.
まだ, カーボンが上に登るように 0.6 %, タフネスが下に急上昇します 20 j, 脆性骨折をより可能性が高くする. - 合金鋼: ニッケルを含む合金 (例えば. 8640 と 2 % で) 上記のシャルピー値を維持します 50 j -40°Cでも.
さらに, マイクロアロイ型バナジウム鋼は、高骨折の靭性を実現します (K_IC > 80 MPA・√m) 穀物サイズを精製することによって.
疲労性能とクリープ抵抗
- 倦怠感: 合金鋼は通常、疲労制限を50〜60程度示します % 究極の引張強度の, 〜40と比較 % 炭素鋼用.
例えば, クエンチとテンパーの 4140 合金には近くの持久力制限があります 650 MPA, 一方 1045 ホーバーで 320 MPA. - クリープ: 高温で (> 300 °C), 炭素鋼は急速に忍び寄る, 熱暴露部品での使用の制限.
逆に, CR-MOおよびNI-CR-MO合金は、200〜300 MPaのストレスを数千時間維持し、 550 °C, 穀物に囲まれた滑りを妨げる安定した炭化物ネットワークのおかげです.
比較表
| 財産 | 炭素鋼 | 合金鋼 |
|---|---|---|
| 抗張力 | 400 - 550 MPA (ロー-C); 600 - 800 MPA (Med-C) | 1 100 - 1 400 MPA (例えば. 4340 QT) |
| 降伏強度 | 250 - 350 MPA (ロー-C); 350 - 550 MPA (Med-C) | 950 - 1 150 MPA (例えば. 4340 QT) |
| 延性 (休憩時の伸び) | 20 - 30 % (ロー-C); 〜15 % (Med-C) | 12 - 18 % (4340 QT); 合金要素によって異なります |
| 硬度 (熱処理後のHRC) | 最大60 HRC (ハイコン); 〜0.8を超える亀裂を消すリスク % c | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); 高温で維持されます |
シャルピーの衝撃 (20 °C) |
80 - 120 j (ロー-C); < 20 j (ハイコン) | ≥ 50 j –40°Cで (Ni-Bearing Grades); K_IC > 80 MPA・√m (Vミクロアロイ鋼) |
| 疲労制限 | 〜40 % UTSの (例えば. 〜320 MPaの 1045) | 〜50 - 60 % UTSの (例えば. 〜650 MPaクエンチとテンパーのため 4140) |
| クリープ抵抗 (で > 300 °C) | 貧しい; 急速な変形制限の使用 | 良い; CR-MOおよびNI-CR-MO合金が維持されます 200 - 300 〜550°Cで数千時間にわたってMPAストレス |
| 耐摩耗性 | セメンタイトに依存します; 適度 | ハードCRのために優れています, v, またはW炭化物; 持続します 2 - 金型とダイで3倍長い |
qt = Quenched and empered
6. 腐食と環境抵抗
- 炭素鋼 すぐに酸化します, 周囲条件では年間0.1〜0.5 mm/年の典型的な腐食速度で.
- 合金鋼 ≥で 12 % CRは、不快なフィルムを形成します, 腐食率の低下 < 0.01 多くの環境でMM/年.
さらに, ニッケルとモリブデンは、塩化物が豊富な培地で戦闘の孔食を加えています. コーティングですが (亜鉛メッキ, エポキシ) 炭素鋼を助けます, 繰り返しメンテナンスコストを追加します.
対照的に, ステンレスと風化の合金鋼は、冶金だけで長期的な保護を実現します.
7. 合金鋼の熱処理と製造と製造. 炭素鋼
- 炭素鋼 熱処理 - 発言, 正規化, クエンチ & 気性 - 硬度と靭性を制御します. 例えば, 1045 オイルでクエンチした鋼は、〜55 HRCを達成します.
- 合金鋼 多くの場合、溶液処理を受けます (例えば。, 17-4pHステンレス) または年齢硬化 (例えば。, NIベースの超合金) ピークプロパティのロックを解除します.
加えて, 合金の含有量が上昇すると、溶接性とフォーミン性が低下します.
例えば, プレーンカーボン 1018 一般的な電極で簡単に溶接します, 一方、オーステナイトのステンレス304Lは、特殊なフィラーと予熱を要求します.
その結果, 製造業者は、より厳格なコントロールと高度なグレードのための溶接後の治療を計画しています.
8. コストと経済的考慮事項
| コストファクター | 炭素鋼 | 合金鋼 |
|---|---|---|
| 原材料 | $500 - $700 トーンごと | $1,000 - $3,000 トーンごと (合金に応じて) |
| エネルギー & 処理 | 適度 (よりシンプルなメルト & リファイン) | 高い (真空治療, 正確な構成) |
| 熱処理 | $50 - $200 トーンごと | $200 - $800 トーンごと (複雑なサイクル) |
| メンテナンス & ライフサイクル | 周期的な再調整または腐食修復 | ステンレスおよび風化鋼の最小限 |
| 総所有コスト (TCO) | より低い; より高い維持 | より高い投資; ライフサイクルコストの削減 |
9. 合金と炭素鋼の用途
炭素鋼用途
- 工事: 構造ビーム, 強化バー
- 自動車: フレーム, ボディパネル
- パイプライン & 圧力容器: 油, 水, ガス輸送
- 一般工学: 機械部品, 農機具
合金鋼用途
- 航空宇宙: 着陸装置, タービンディスク
- 油 & ガス: 襟を掘削します, 海底バルブ
- 発電: ボイラーチューブ, 原子炉成分
- 高温環境: 炉部品, 熱交換器
10. 合金鋼と炭素鋼の違いは何ですか?
| 寸法 | 炭素鋼 | 合金鋼 |
|---|---|---|
| 化学組成 | fe + 0.05–1.0 % c; Mnの痕跡, そして, p, s | fe + c + ≥ 0.5 % 戦略的要素 (cr, で, MO, v, w, b, 等) |
| 炭素含有量 | 0.05–2.0 % | 通常0.1〜1.0 %, しかし、グレードによって異なります |
| 一次合金要素 | なし (痕跡を超えて) | cr, で, MO, v, w, B - それぞれが硬度に合わせて調整されています, タフネス, 腐食または高T強度 |
| 抗張力 | 400–800 MPa (低い- ハイコンへ) | 900–1 400 MPA (低い- 高合金にクエンチします & 気性) |
| 降伏強度 | 250–550 MPa | 800–1 200 MPA |
| 伸長 (延性) | 20–30 % (ロー-C); 〜10–15 % (ハイコン) | 10–20 %, 合金ミックスに依存します |
| 硬度 (HRC) | ≤ 60 HRC (高Cグレード) | 48–64 HRC (ツール鋼 65 HRC; ホットワークグレード〜50 HRC) |
耐摩耗性 |
適度 (セメンタイトベース) | 高い (Crのハードカービド, v, w); 2–3×摩耗の長寿命 |
| 腐食率 | 0.1–0.5 mm/yr soated | < 0.01 ステンレス/風化のためのmm/yr; 0.02–0.1 mm/yrの低合金の場合 |
| 熱伝導率 | 45–60 w/m・k | 20–50 w/m・k (CR/NI合金が低くなっています; MO/W合金が高くなっています) |
| 熱膨張 | 11–13×10⁻⁶/k | 10–17×10⁻⁶/k (ステンレス≈ 17; cr-mo≈ 11; 子供の子供 13) |
| 電気抵抗率 | 10–15 µΩ・cm | 20–100 µΩ・cm (ステンレス〜70; 合金含有量で上昇します) |
| 磁性透過性 | 高い (≈200–1 000) | 変数: オーステナイトが低い (〜1–2), フェライト/マルテンサイトグレードが高い |
| 熱処理 | 単純: アニール, ノーマライズ, クエンチ & 気性 | 複雑な: ソリューショントリート, 年齢層, 正確なクエンチレート, 特別なポスト溶けた熱処理 |
製造 |
優れた形成性, 溶接性, 加工性 | 合金の含有量が上昇するにつれてより挑戦的 - より厳しいコントロールと専門化された消耗品を追求する |
| 密度 | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8.1 g/cm³ (合金要素によってわずかに異なります) |
| 最大サービス温度. | ≤ 300 °C (その上にクリープ/スケーリングが加速します) | 400–600°C (cr-mo); 700–1 000 °C (NIベースの超合金) |
| 料金 (USD/トン) | $500 - $ 700 | $1 000 - $ 3 000 (複雑さの合金に応じて) |
| 典型的なアプリケーション | 構造ビーム, 自動車フレーム, パイプライン, 一般工学部品 | 航空宇宙コンポーネント, 油 & ガスバルブ, パワープラントタービン, 高性能ツール, 医学 |
11. 結論
要約すれば, 合金鋼Vs. 炭素鋼はそれぞれ重要なニッチを占めています.
炭素鋼は手頃な価格を提供します, 製造の容易さ, 日常の構造的および機械的使用に適したパフォーマンス.
逆に, 合金鋼 - その強化された機械的および腐食耐性特性を備えて、航空宇宙の需要を回避します, エネルギー, その他のハイステークス産業.
化学的構成を評価することにより, 機械的要件, 製造能力, および経済的要因, エンジニアは、コストのバランスをとる最適な鋼鉄グレードを選択できます, 耐久性, とパフォーマンス.
