炭素鋼とは？炭素鋼の分類と特徴、炭素鋼の切削加工のポイント

　 　 　

鉄のなかでも入手しやすく、日用品から産業機械まで幅広く使われている炭素鋼。炭素鋼は、炭素の含有量や熱処理によって特性が大きく変わるため、材料の検討段階で、それぞれの特徴を把握しておくことが重要です。

この記事では、炭素鋼の分類とそれぞれの特徴、炭素鋼を切削加工する際のポイントについて解説します。

炭素鋼とは

鉄は、炭素の含有量に応じて「純鉄」「鋼鉄」「鉄」に分類されます。
炭素鋼は「鋼鉄」のなかでも、合金鋼（鉄・炭素以外の金属を含んだ合金）や、特殊鋼（特殊な元素を添加した合金）に分類されないものを指します。

炭素鋼（英：carbon steel）
炭素を除く元素の量が，合金鋼として規定されている量以下の鋼．炭素量はおよそ2質量％以下で，これ以上の炭素を含むものは鋳鉄と呼ぶ．炭素鋼に含まれる炭素以外の元素には，マンガン，アルミニウム，けい素，カルシウム，リン，硫黄などがある．

引用元：炭素鋼｜JSME Mechanical Engineering Dictionary

炭素鋼は、炭素の含有量が多くなるほど、引張り強さや硬さが増します。一方で、伸びが減少し、被削性（削りやすさ）も低下してしまいます。
熱処理を行うことで、性質を大きく変えることができることも大きな特徴です。

炭素含有量による分類

炭素鋼は炭素含有量によって、「低炭素鋼」「中炭素鋼」「高炭素鋼」の3つに分類されます。

用途や製造方法による分類（JIS）

JISでは炭素含有量と用途によって、「SPC材」「SS材」「SC材」「SK材」などに分類されます。

〈炭素鋼の種類〉

SPC材（冷間圧延鋼板）

SPC（Steel Plate Cold）材は、冷間圧延鋼板とよばれ、常温に近い温度で圧延された板金用の鋼材です。炭素含有量が少なく、炭素鋼のなかではやわらかく伸びやすいため、加工性に優れていることが特徴です。またスポット溶接にも適しています。

一方で、炭素含有量が少ないことから強度が低く、それほど強度が必要とされない箇所へ採用されています。
SPC材には、一般用として多く使われている「SPHC」をはじめ、絞り用の「SPCD」や、深絞り用の「SPCE」、SPCCをさらに冷間圧延した「SPCC」などがあります。

SS材（一般構造用圧延鋼材）

SS（Steel Structure）材は、一般構造用圧延鋼材とよばれます。炭素量が少なく、熱処理をせずにそのまま使うことを前提とした材料です。
比較的安価で、加工性や溶接性などのバランスがよく、広い分野で採用されています。

代表的な材料には、「SS400」や「SS490」などがあります。（SSの後の数字は、引張り強さ（N/mm²）を表しています）

SC材（機械構造用炭素鋼鋼材）

SC（Steel Carbon）材は、機械構造用炭素鋼鋼材とよばれ、SS材と並んで使用頻度が高く、入手性が高い材料として知られています。
SS材にくらべて機械的強度が高く、熱処理による特性の調整を前提とした材料です。冷却によるひび割れや、溶接性の低下には注意が必要です。

代表的な材料には、「S45C」や「S50C」「S30C」などがあります。（SとCの間の数字は炭素含有量（45であれば、0.45%）を表しています）

SK材（炭素工具鋼鋼材）

SK（Steel Kougu）材は、炭素工具鋼鋼材とよばれ、高炭素鋼に分類される材料です。
炭素の含有量が多く、硬さや耐摩耗性に優れることから、名前の通り工具の材料として使用されます。
熱処理をして使いますが、高温になりすぎると硬度が低下してしまうため、注意が必要です。

代表的な材料には、「SK140」や「SK85」などがあります。（SとCの間の数字は炭素含有量（140であれば、1.4%）を表しています）

その他の分類（SM材・SB材）

炭素鋼の代表的な熱処理

炭素鋼は用途によって、「焼きならし」「焼きなまし「焼き入れ」「焼き戻し」などの熱処理が行われます。熱処理を使い分けることで、炭素含有量だけでは調整できない特性をコントロールすることが可能です。

炭素鋼を切削加工する際の注意点

炭素鋼は分類ごとに特性が異なるため、切削加工の際も、材料別に注意すべきポイントが変わります。
ここでは、低炭素鋼・中炭素鋼・高炭素鋼に分けて紹介します。

低炭素鋼の切削加工

低炭素鋼は炭素の含有率が低く、伸びやすいことが特徴です。
切粉が分断されにくくワークや工具に絡みつくため、ワークのキズや、切削工具への溶着・チッピングが発生しやすくなります。
溶着は「構成刃先」の原因となり、精度の低下につながるため、切粉を分断できるような工具や加工条件の選定が重要です。

中炭素鋼の切削加工

中炭素鋼の代表的な材料には、SC材があげられます。SC材は超硬工具との親和性が高いため、溶着が発生しやすくなります。
また中炭素鋼のなかでも炭素含有量が多いものは、切削熱が発生しやすく、熱に強い工具の選定が必要です。

高炭素鋼の切削加工

高炭素鋼の代表的な材料には、SK材があげられます。
SK材は一定以上の高温になると焼きが戻ってしまうため、強度が低下するおそれがあります。切削熱による温度上昇の影響を受けないように、加工条件の調整やクーラントの使用が必要です。