C（炭素）
鋼の鋳造工程でCを添加するのは一般的な鋳造方法です。Cの含有量が2%未満のものを鋳鋼、2%以上のものをC鋼と呼んでいます。しかし、C自体には強度や硬度はありません。しかし、固溶体中の炭化鉄であるFe(3)Cとして、Cは強度と硬度の主な支配元素となる。
主役のC：
ステンレス鋼鋳造において、C含有量が増加すると、鋼の強度、硬度、焼入れ性が向上する。しかし、塑性、靭性、磁気・電気特性は低下する。鋼中のCと特定の合金元素の組み合わせは、鋼の特性に異なる影響を与える様々な炭化物を形成する。
いくつかの鋳鋼のC含有量範囲：C鋼0.03 ~ 1.04%、高速度工具鋼0.75 ~ 1.60%、熱間工具鋼0.22 ~ 0.70%、冷間工具鋼0.45 ~ 2.85%。
ムン
脱酸・脱塩工程で溶鋼中にMnが見られるが、この時点では1%未満の量で鋼中に残存している。鋼中のMn量が1%を超える場合、Mnは意図的に添加された合金元素である。
Mnの主な役割
鋳鋼の引張強さ、焼入れ性、高靭性、加工特性を改善する。Sを含む鋼において、MnはSに起因する熱間および冷間の脆化を最小限に抑える。Mnを多く含む鋼は、硬い加工や衝撃後の耐摩耗性が高い。しかし、鋼の粒成長を促進し、第2種の焼戻し脆性を増加させる傾向がある。Mnは構造用鋼、鉄筋用鋼、ばね用鋼などに用いられる。
いくつかの鋼の鋳造のMnの含有量の範囲：C鋼0.25〜0.65%、Mn鋼1.6〜1.9%、冷間工具鋼0.30〜2.50%、本物のCr - Niステンレス鋼2.00〜15.5%。
Si
Siはフェライト形成元素である。A(1)およびA(3)温度を上昇させる。Siにはグラファイト効果があるため、一般に鋼材では炭化物の安定剤としてMnと組み合わされる。一般的に使用される脱酸剤である。
主役はSiだ：
電気シート鋼では、Siは透磁率と比抵抗を増加させ、浅いヒステリシス損失を可能にする。Siは一部の高温耐熱鋼を耐酸化性にする。また、鋳鋼はSiとMnの組み合わせにより、焼入れ性、強度、衝撃靭性を向上させる。特に焼入れと焼戻しの後、鋼の降伏限界と弾性限界を向上させることができる。鋳鋼のSi含有量が高いと、磁気特性、抵抗が著しく向上する。しかし、Siは黒鉛化を促進する傾向があり、鋼が高レベルのCを含む場合、その効果はさらに大きくなる。
普通鋼のSi含有量は0.17～0.37%である。
Cr
主な役割はCr：
Crが鋼の硬度を向上させる場合、ステンレス鋳鋼は十分なCを含む。一般的に1%のCを含む低Cr鋼は非常に硬い。低Cr鋼にCrを添加すると強度は向上するが延性は低下する。Crは鋼の高温強度と焼入れ性を向上させ、高C鋼では耐摩耗性を向上させる。
Crは25%まで多量に添加すると、鋼表面に保護酸化膜を形成するため耐食性を向上させる。Niなどの元素と組み合わせると、耐酸化性と鋼の熱強度を向上させ、耐食性をさらに向上させる。Crは結晶粒成長を促進し、鋼の脆性を高める。Crは構造用鋼、工具鋼、軸受鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼に広く使用されている元素である。
W
Wは固体の炭化物形成元素である。非常に硬く安定した炭化物W(2)C、WC、複合炭化物Fe(4)W(2)Cを形成する。これらの炭化物は非常にゆっくりと、そして非常に高温でのみ溶解する。Wは工具鋼、特に高速度工具鋼の重要な成分である。これらの鋼において、Wは二次硬化後の硬度を著しく増加させる。フェライト形成元素として、WはA(4)温度を下げ、A(3)温度を上げる。
主役のW：
Wは結晶粒の成長を抑制するため、結晶粒を微細化する効果がある。Wは熱間加工や熱処理中の脱炭を抑制する。焼入れ・焼戻し鋼の高温硬度を高める。一部の高温合金では、Wはクリープ強度を高める。Wを含むステンレス鋳鋼は600~700℃に加熱されても炭化物は析出しないため、鋼の軟化を避けることができる。高速度工具鋼や合金工具鋼に多く使用される元素の一つである。しかし、鋳鋼の耐酸化性には適さない。
Wは、いくつかの鋼の含有量の範囲である：W-Cr鋼1.75%、高速度工具鋼1.15 ~ 21.0%、熱間工具鋼0 ~ 19.0%、冷間工具鋼0 ~ 2.0%、耐衝撃鋼0 ~ 3.0%。
モ
Moは強固な炭化物形成元素である。硬くて安定した炭化物Mo(2)Cや、Fe(4)Mo(2)C、Fe(21)MoC(6)などの複雑な炭化物を形成する。
主役のモー：
少量で変態速度を効果的に低下させ、鋳鋼の高温強度と耐クリープ性を向上させることができる。また、ステンレス鋼の耐食性、特に塩酸水溶液中での耐食性を向上させることができる。Wは高速度工具鋼でも同様の役割を果たし、Wの代わりにMoを使用することが多い。これにより、Wを含む鋼の炭化物の蓄積を抑え、機械的特性を向上させることができる。Moは、高い引張強さと良好な塑性を持つMo鋼の必須成分の一つである。Cr鋼では、加工性と機械的特性を改善するためにMoが添加される。Ni-Mo鋼では、Moは鋳造ステンレス鋼の表面硬度を高める。
いくつかの鋼のMo含有量範囲：Mo鋼0.15 ~ 0.60%、高速度工具鋼0 ~ 10.0%、熱間工具鋼0 ~ 5.5%、冷間工具鋼0 ~ 1.8%、本物のCr - Niステンレス鋼0.~ 4.0%、マルテンサイトCr鋼0 ~ 1.25%、フェロクロム鋼0 ~ 1.25%。
V
Vは炭化物を形成する固体元素である。炭化物VCを形成する。Vは、鋳鋼中では細粒で拡散性の炭化物や窒化物として存在する。これらは平均的な熱処理温度では分解せず、結晶粒の成長を阻害する可能性がある。高温で十分な量の炭素と可溶性Vは、観察可能な最も顕著な二次硬化効果を引き起こす。
主役のV：
Vは結晶粒を微細化するのに不可欠な元素です。オーステナイトの成長を抑制し、わずか0.1%のVが硬化中の粒成長を効果的に抑制します。しかし、粒成長が炭化物や窒化物粒子の溶解を抑制する温度まで鋳鋼を加熱すると、直ちに粒成長が始まります。
鉄、炭素含有量比5.7以上は、ステンレス酸鋼の粒界腐食の媒体を防止または低減することができる。そしてかなり高温、高圧および水素の腐食の能力への鋳造物のステンレス鋼の抵抗を改善しなさい。結晶粒を微細化し、合金元素の移動速度を遅くすることができますが、鋳鉄鋼の高温耐酸化性は良好ではありません。
いくつかの鋼と合金の含有量範囲のV：クロム-V鋼0.10〜0.20%、高速度工具鋼0.90〜5.25%、熱間工具鋼0〜2.20%、冷間工具鋼0〜5.15%
Co
Coは炭化物形成元素である。鉄よりも炭化物を形成する傾向がやや強い。鋼の高温特性と耐酸化性、耐食性を向上させる。Coは、一部の超硬高速度工具鋼、一部の永久磁石合金、高温合金の重要な成分である。
主役のCo：
Coは析出硬化を促進することで、強度と靭性を大幅に向上させる。Coはフェライトまたはオースチナイトに溶解し、昇温時の軟化を抑制する。
一部の鋼と合金におけるCo含有量の範囲：高速度工具鋼は0～13.0%、熱間工具鋼は0～4.5%。
ティ
Tiは固体の炭化物形成元素である。固溶体状態では、信頼性の高い固溶体強化効果が極めて強いが、同時に固溶体の靭性を低下させる。
主役はティだ：
中クロム鋼では、Tiは固溶体から炭素を引き戻し、マルテンサイトの硬度と焼入れ性を低下させる。高クロム鋼では、Tiはオーステナ イトの形成を妨げる。オーステナイト系ステンレス鋼では、Tiは 高温で固溶体から炭素を引き戻し、粒界に おけるクロム炭化物の形成を防ぐ。オーステナイト系高温合金では、Tiは析出硬化を促進する。堆積型高強度低合金鋼では、Tiは鋼の靭性を向上させる。Tiは結晶粒を微細化し、炭素を固定すること ができるため、鋳鉄鋼の溶接性を向上させる。
高強度低合金鋼のTi含有量は0～0.10%
鉛
鉛の溶鋼への溶解度は限られている。鉛の密度は鋼よりもはるかに優 れているため、溶けた鋼の中に沈み、鋼から分離する。鉛は鋼中に介在物として存在する。この介在物は柔らかく、間隙潤滑剤として機能する。その含有量は約0.20%で、非常に小さな粒子が存在するため、他の特性に大きな影響を与えることなく、鋼の被削性を向上させることができる。
ニー
Niは炭化物を形成しない。鋳鉄鋼にNiが存在すると、鉄の炭化物が不安定化するため、黒鉛化が促進される。Niは、単純な置換固溶体を形成してフェライト相を強化する。オーステナイト形成元素であるNiは、A(4)温度を上昇させ、A(3)温度を低下させることで、オーステナイトを安定化させる。純鉄が25%以上のNiを含む場合、室温まで徐冷されても、得られる合金は純オーステナイトである。
主役はニだ：
5%までのNiを含む合金鋼では、Niは 強度と靭性を向上させる。Niは高クロム含有量でのオーステナイト 形成を可能にし、オーステナイト系クロム-Ni ステンレス鋼を生み出す。特にステンレス鋼や耐熱鋼に広く使用されている。少量の炭素を含む高Ni鋼は、等方的異種結晶変態の熱ヒステリシスを著しく増大させる。このことは、600℃に加熱されたマルテンサイト時効鋼のマルテンサイトの保持につながる。Niは熱膨張係数を減少させ、高Ni合金では透磁率を増加させる。鋳鋼中のNi含有量が高い場合、クロムと組み合わせることで、鋼の耐食性と耐熱性を大幅に向上させることができる。
Nb
Nbは析出硬化によって強度を高め、フェライト粒をさらに微細化する。
Nbの主な役割
少量のNb (約0.02%)は、炭素鋼の引張強さと降 伏強さを効果的に高めることができる。Nbは一部の高強度低合金鋼の必須成分である。
含有量が炭素含有量の8倍を超えると、鋳鋼中の炭素のほとんどを固定することができる。オーステナイト鋼は酸化媒体による鋳鋼の粒界腐食を防止する。鋼中の炭素の固定と析出硬化効果により、高温強度鋼のクリープ強度などの高温特性を向上させることができる。
銅
銅はオースチナイト形成元素である。銅は黒鉛化しやすいため、軟鋼には1.5%以下の量しか添加されない。
銅の主な役割は、耐食性を向上させ、析出硬化によって合金の引張強度を高めることである。銅は、析出硬化が起きない鋼の降伏強度をわずかに高めることができる。しかし、ステンレス鋳鋼の塑性と靭性は低下する。炭素鋼は焼入れ性を高め、延性を低下させる。銅の含有量が0.4%-0.5%を超えると、熱間加工中に鋼部品の表面に亀裂が生じやすくなる。
アル
Alは鉄よりも炭化物形成能が低い。Alはステンレス鋳鋼の黒鉛化を促進する。
主役のアル：
Alと窒素またはOを効果的に微細分散させ、結晶粒成長を抑制する。窒素の低温拡散（窒化）により、効果的な表面硬化層を生成する。また、Alは鋳鉄鋼の表面にAl酸化物の強固な層を形成し、鋼を耐食性にします。Alは鋳造ステンレス鋼の結晶粒を微細化し、鋼の強度と靭性を高めます。
一部の鋼および合金中のAl含有量は、普通鋼で0.01～0.03%、フェライト系ステンレス鋼で0～0.30%、析出硬化系ステンレス鋼で0～1.5%である。
B
Bは非常に硬い固体で、2300℃で溶ける。
主役のB：
完全脱酸鋳造ステンレス鋼に微量のB (0.0005～0.005%)を添加すると、鋼の焼入れ性が著しく向上する。これは、冷却中の相転移速 度の低下によるものだが、炭素含有量が増 加すると焼入れ性は低下する。従って、炭素含有量＜0.6%の低 炭素鋼または中炭素鋼に添加するBは、大きな効 果を発揮する。少量のBを添加する場合、他の高価な合金元素の量を半分に減らし、それでも同じ変態率を維持するために鋼を鋳造します。Bは、鋳造ステンレス鋼の延性と機械的特性を向上させます。
S
Sは鋳鋼に最も有害な元素である。脆い硫化物FeSを形成することで、鋼に最も有害な影響を与えます。硫化物は鋼中に0.01%という微量で存在し、粒界に沿って硫化物の析出を促すこともあります。
Sの主な役割
鋳鋼に十分な量のマンガンが添加されると、Sは熱間加工温度で塑性変形するMnSを形成する。Sは鋼中の非金属介在物を増加させるため、鋼の強度を低下させ、鋼の溶接特性を著しく低下させる。熱間加工では、脆性 (熱間脆性)を生じやすいが、Sの含有量がわずかに高ければ、低炭素鋼の被削性を向上させることができる。
普通鋼のSの含有量は≦0.045%である。
P
Sは鋳鋼に最も有害な元素である。Sは脆い硫化物FeSを形成することで、鋼に最も有害な影響を与えます。硫化物は鋼中に0.01%という微量で存在し、粒界に沿って硫化物の析出を促すこともあります。
Sの主な役割
鋳鋼に十分な量のマンガンが添加されると、Sは熱間加工温度で塑性変形するMnSを形成する。Sは鋼中の非金属介在物を増加させるため、鋼の強度を低下させ、鋼の溶接特性を著しく低下させる。熱間加工では、脆性 (熱間脆性)を生じやすいが、Sの含有量がわずかに高ければ、低炭素鋼の被削性を向上させることができる。
普通鋼のSの含有量は≦0.045%である。
N
鋼中のNは窒化物を形成することも、凝固後に間隙に溶解することもある。どちらの場合も、Nは鋼を脆化させ、冷間加工に適さなくなる。従って、高い塑性を持つ軟鋼を製造するためには、N含有量を0.002%と低くする必要がある。N含有量の低減は急冷時効も低減させる。熱間圧延鋼や鍛造鋼では、リンは鋼の弱点となる いわゆる「異常帯」を作る。
H
水素は室温で鋼の外に拡散する。この拡散は緩やかな温度上昇でより効果的になる。水素含有量が約0.0005%を超えると鋼の延性が低下する。水素含有量が0.0005%を超えると、鋼の内部破断を引き起こす可能性があります。これは一般的に圧延または鍛造後の冷却中に発生する。
これは、水素脆性につながる白点のような 許容されない欠陥を鋼に生じやすくし、溶接熱影響部での 冷間割れ（遅れ割れ）につながる本質的な要因でもある。
O
製鋼のブロー工程では、大量のOがメルトプールに吹き込まれる。脱酸されなければ、その後の注湯作業に影響を及ぼす。また、鋼の凝固過程では、Oは酸化物の析出という形で大量に存在する。鋳造ステンレス鋼も酸化物非金属介在物を生成し、鋼の可塑性と衝撃靭性を低下させ、鋼を脆くする。
として
含有量が0.20%を超えないため、鋳造ステンレス鋼の一般的な機械的特性は重要ではないが、焼戻し脆性の感度を増加させる。
Zr
少量のZrは、粒の役割を脱気し、純化し、精製している。鋼の低温靭性は有益である。また、時効現象を解消し、鋼のプレス特性を向上させることができる。
