合金鋼要素の組み合わせ

合金鋼の主な合金元素は、シリコン、マンガン、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、ニオブ、ジルコニウム、コバルト、アルミニウム、銅、ホウ素、希土類元素などです。
1. 炭素（C）：鋼中の炭素含有量が増加すると、降伏点と引張強度は増加しますが、塑性と耐衝撃性は低下します。炭素含有量が0.23%を超えると、鋼の溶接性が低下するため、溶接に使用されます。低合金構造用鋼では、炭素含有量は通常0.20%を超えません。炭素含有量が高いと、鋼の耐大気腐食性も低下し、屋外の貯蔵庫では高炭素鋼が錆びやすくなります。さらに、炭素は鋼の冷間脆性や老化感受性を高める可能性があります。
2. シリコン（Si）：シリコンは製鋼工程で還元剤や脱酸剤として添加されるため、キルド鋼には0.15～0.30％のシリコンが含まれています。鋼中のシリコン含有量が0.50～0.60％を超えると、シリコンは合金元素とみなされます。シリコンは鋼の弾性限界、降伏点、引張強度を大幅に向上させることができるため、ばね鋼に広く使用されています。焼入れ焼戻し構造用鋼に1.0～1.2％のシリコンを添加すると、強度が15～20％向上します。シリコンはモリブデン、タングステン、クロムなどと結合して耐食性や耐酸化性を向上させ、耐熱鋼の製造にも使用できます。1～4％のシリコンを含む低炭素鋼は透磁率が非常に高く、電気業界ではシリコン鋼板の製造に使用されています。シリコン含有量が増えると、鋼の溶接性能が低下します。

3. マンガン（Mn）：製鋼工程において、マンガンは優れた脱酸剤および脱硫剤として機能します。一般に、鋼には0.30～0.50％のマンガンが含まれています。炭素鋼に0.70％以上添加すると、「マンガン鋼」と呼ばれます。普通鋼よりもマンガン含有量の多い鋼は、十分な靭性を持つだけでなく、強度と硬度が高く、鋼の焼入れ性が向上し、熱間加工性も向上します。例えば、16Mn鋼の降伏点はA3鋼よりも40％高くなります。11～14％のマンガンを含む鋼は耐摩耗性が極めて高く、掘削機のバケットやボールミルのライニングなどに使用されます。マンガン含有量の増加は鋼の耐食性を弱め、溶接性も低下させます。
4. リン（P）：通常、リンは鋼材中の有害元素であり、鋼材の冷間脆性を高め、溶接性を悪化させ、塑性を低下させ、冷間曲げ性を悪化させます。そのため、鋼材中のリン含有量は通常0.045%未満であることが求められ、高品質鋼材ではさらに低い要件となります。
5. 硫黄（S）：硫黄も通常の状況下では有害な元素です。鋼材の熱間脆化を引き起こし、延性と靭性を低下させ、鍛造・圧延時に割れを引き起こします。また、溶接性にも悪影響を及ぼし、耐食性を低下させます。そのため、硫黄含有量は通常0.055%未満、高品質の鋼材では0.040%未満とされています。鋼材に0.08～0.20%の硫黄を添加すると被削性が向上し、快削鋼と呼ばれます。
6. クロム（Cr）：構造用鋼や工具鋼において、クロムは強度、硬度、耐摩耗性を大幅に向上させますが、同時に塑性および靭性を低下させます。また、鋼の耐酸化性と耐腐食性を向上させるため、ステンレス鋼や耐熱鋼の重要な合金元素です。

7. ニッケル（Ni）：ニッケルは、優れた可塑性と靭性を維持しながら鋼の強度を向上させることができます。ニッケルは酸やアルカリに対する耐食性に優れ、高温でも防錆性と耐熱性を備えています。しかし、ニッケルは希少資源であるため、ニッケルクロム鋼の代わりに他の合金元素を使用する必要があります。
8. モリブデン（Mo）：モリブデンは鋼の結晶粒を微細化し、焼入れ性と熱強度特性を向上させ、高温でも十分な強度と耐クリープ性を維持します（高温での長期応力は変形を引き起こし、これをクリープといいます）。構造用鋼にモリブデンを添加すると、機械的特性が向上します。また、合金鋼の焼入れ脆化を抑制する効果もあります。工具鋼においては、赤みの改善が期待できます。
9. チタン（Ti）：チタンは鋼材中の強力な脱酸剤です。鋼材の内部組織を緻密化し、結晶粒力を微細化し、時効感受性と冷間脆性を低減します。溶接性も向上します。クロム-18-ニッケル-9オーステナイト系ステンレス鋼に適切な量のチタンを添加することで、粒界腐食を回避できます。
10. バナジウム（V）：バナジウムは鋼にとって優れた脱酸剤です。鋼に0.5%のバナジウムを添加すると、組織が微細化し、強度と靭性が向上します。バナジウムと炭素が形成する炭化物は、高温高圧下における耐水素腐食性を向上させます。

11. タングステン（W）：タングステンは融点が高く、比重が大きいため、生活に欠かせない合金元素です。タングステンと炭素は炭化タングステンを形成し、高い硬度と耐摩耗性を備えています。工具鋼にタングステンを添加すると、赤外硬度と耐熱強度が大幅に向上し、切削工具や鍛造金型などに使用されます。
12. ニオブ（Nb）：ニオブは結晶粒を微細化し、鋼の過熱感受性と焼戻し脆性を低減し、強度を高めますが、可塑性と靭性は低下します。通常の低合金鋼にニオブを添加すると、大気腐食や高温における水素、窒素、アンモニア腐食に対する耐性が向上します。ニオブは溶接性を向上させます。オーステナイト系ステンレス鋼にニオブを添加すると、粒界腐食を防止できます。
13. コバルト (Co): コバルトは希少な貴金属で、主に耐熱鋼や磁性材料などの特殊鋼や合金に使用されます。
14. 銅（Cu）：武漢鋼鉄有限公司が大冶鉱石から製造する鋼材には、銅がしばしば含まれています。銅は強度と靭性を向上させ、特に耐大気腐食性を向上させます。欠点は、熱間加工時に熱脆性が生じやすく、銅含有量が0.5%を超えると塑性が大幅に低下することです。銅含有量が0.50%未満の場合、溶接性には影響しません。
15. アルミニウム（Al）：アルミニウムは鋼材の脱酸剤として広く用いられています。少量のアルミニウムを鋼材に添加すると、結晶粒が微細化し、衝撃靭性が向上します。例えば、深絞り用薄板材の08Al鋼などがその例です。アルミニウムは抗酸化性と耐腐食性も備えています。アルミニウム、クロム、シリコンを組み合わせることで、鋼材の高温剥離性能と耐高温腐食性を大幅に向上させることができます。アルミニウムの欠点は、鋼材の熱間加工性、溶接性、切削性に影響を与えることです。
16. ホウ素（B）：鋼に微量のホウ素を添加すると、鋼の密度と熱間圧延特性が向上し、強度が増します。
17. 窒素（N）：窒素は鋼の強度、低温靭性、溶接性を向上させ、老化感受性を高めます。
18. 希土類元素（Xt）：希土類元素とは、周期表の原子番号57～71の15個のランタノイド元素を指します。これらの元素はすべて金属ですが、酸化物は「土」に非常に似ているため、一般的に希土類元素と呼ばれます。鋼に希土類元素を添加すると、鋼中の介在物の組成、形状、分布、特性が変化し、靭性、溶接性、冷間加工性など、様々な特性が向上します。鋤刃鋼に希土類元素を添加すると、耐摩耗性が向上します。
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