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7.炭素鋼の基礎

炭素鋼の精製 　 　・鉄鉱石をコークス・石灰石と一緒に溶鉱炉に入れて熱風を送る →　還元されて →　銑鉄 　・銑鉄を電気炉などで，鉄くずと一緒に余分の炭素を取り除く →鋼塊(Steel Ingot)　→圧延、鍛造等の加工

7.1　純鉄の性質 　 　・99.99%　（フォーナイン）　・C　0.01%〜0.02%,　Si　0.02〜0.05%,　P<0.01%,　S<0.03% 　・主として電気材料に使用

純鉄の変態

7.2　炭素鋼の状態図　Fe - C

7.2.1　フェライト(Ferrite)とオーステナイト(austenite) 　・炭素原子Cが鉄原子より小さいので隙間に入り込む　侵入型、すき間の大きいところにはいる。 　・P,Q,R点の位置に侵入 　・ γ 鉄は， α鉄よりも隙間が大きいので、多くの炭素を固溶 　・ α鉄、　BCC 723℃で炭素Cを最大0.02%固溶 　・ γ鉄，　FCC 1147℃にて，炭素Cを最大2.03%固溶 　・ C原子を固溶したα鉄をフェライト(Ferrite)，強い 　・ C原子を固溶したγ 鉄をオーステナイト(austenite)，　変形しやすい，高温で存在 　 　＊α鉄　体心のEの面ABCDに関して対称な点E'としたとき、4点EE'BCから等距離にある点S、4点EE'ABから等距離にある点S'が隙間最大で、各辺の中点がそれに次いで大きい。

(a) BCC (b) FCC 図1 炭素原子Cの侵入箇所

7.2.2セメンタイト　Cementite 　 　・鉄と炭素の化合物　正斜方晶　Fe3C　・炭素量　6.67%　　・強度が高くもろい

7.2.4 Fe-C系状態図

状態図では、フェライト(Ferrite)をα、オーステナイト(austenite)をγとおいている。

図２　炭素鋼の状態図

Fe-C系状態図に表れる反応 反応の名称 反応温度(℃) 反応を起こすC量の範囲(%) 　反　応　式 包晶反応 1493 約0.1〜0.51 　δ + L　⇔　γ　　L:液相 共晶反応 1147 2.06〜6.67 　L　 ⇔　γ　+　Fe3C 共析反応 723 0.02〜6.67 　γ　⇔　α　＋　Fe3C

■実用的な温度と濃度範囲のFe-C系状態図

図3 実用的な温度と濃度範囲のFe-C系状態図

GS線:A3変態　 　　　γ　　⇔　　α+γ　　　　A3　変態 　 　SE線: Acm変態　　　γ　　⇔　　Fe3C+γ 　 　PK線: A1変態　　　　γ　　⇔　　パーライト(α)＋ Fe3C 　　　A1　変態線，共析変態　723℃

◆状態図は、温度と濃度を指定したとき，その点が存在する領域の相になっていることを示す。 ◆２相以上の時は，濃度によって相の割合は異なる

7.2.5 炭素鋼を加熱し冷却するときの組織変化

�@　炭素量C%<0.8%の場合　0.3%C 900℃から冷却 ・９００℃では　オーステナイトγ　　・温度低下　T1 でGS線と 交差( =800℃) 　　　A1　変態: γ　→　　α　　フェライトの結晶が析出　　　初析フェライト,　相は， γ＋α　の２相に 　　　　n = 2,　r = 2、 相律　f = n + 1- r = 1 より、温度は変化し低下する

図4 炭素量C%<0.8%の炭素鋼の冷却

図５　A1変態: 　γ　→　　α

・温度低下と共にαの量が増加 　　　フェライトαは0.02%の炭素Cしか固溶できないので、未変態のオーステナイトの炭素濃度は高くなる 　 　・未変態のオーステナイト炭素濃度が，0.8%に達したとき，温度723℃　　 　 　　　共析変態　　γ　→　パーライト(Fe3C+α)

共析変態中　温度一定，オーステナイトγ，初析フェライト，パーライトの３相 　　n = 2(Fe,C), r=3(γ,α， Fe3c)　 相律　f = n +1- r = 0 　温度一定

図６　共析変態

◆　共析変態完了後　温度は室温まで低下，相変化無し 　 　室温での相　　　　　初析フェライト＋パーライト(Fe3C+α) 　 　0.8%>炭素量では、炭素量が少ないほど初析フェライトの量は多く，の量パーライトは少ない

図７　SS400の組織　 0.18%程度の炭素量

�A　炭素量C%>0.8%の場合

●1.0%C 900℃から冷却 　・ 900℃では，オーステナイトの相 　・温度低下　ES線と交わる温度　約８００℃　オーステナイト→セメンタイトに変わる 　　　　Acm変態　　　　γ　→　　Fe3C+γ ・セメンタイトFe3Cは，多くの炭素を必要とするため，変態が　進むにつれて，オーステナイト中の炭素が吸収され， 　オーステナイト中の炭素濃度はだんだん低下する。全体は1.0% ・未変態のオーステナイト炭素濃度が，0.8%に達したとき， 　温度723℃　共析変態　　γ　→　パーライト(Fe3C + α)

図８　1.0%Cの炭素鋼の900℃からの冷却

図９

�B　炭素量C%=0.8%の場合　共析鋼

・0.8%C 900℃から冷却　 900℃では，オーステナイトの相 　・温度低下　S点に達する．温度　723℃ 　　　　共析変態　　γ　→　パーライト(Fe3C+α)

図１０　0.8%C 900℃から冷却

図１１　共析変態

◆変態完了　→温度低下 　組織全面がパーライト(Fe3C + α)　　:共析鋼、強度が高く、粘さもあり、工具鋼として使われる

◆パーライト　pearlite 　 　・フェライトとセメンタイトの層状組織,この２つの組織が共析反応で析出,細かい組織 　・真珠，パールのような輝き 　・柔らかいフェライトと強いセメンタイト　複合材料のような役割　結果として粘り強い材料　　工具鋼 　・共析鋼0.8%C 全体がパーライト

図12　パーライト組織

炭素量　 C%<0.8% 　　　亜共析鋼 　　　　　　C%=0.8%　 　　共析鋼 　　　　　　C%>0.8%　 　　過共析鋼

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