はがね、こう、は異体字、: steel)とは、炭素を0.04パーセントから2パーセント程度含む合金鋼鉄(こうてつ)とも呼ばれる[1]。強靭で加工性に優れ、ニッケルクロムなどを加えた特殊鋼鋳鋼等とあわせて鉄鋼(てっこう)とも呼ばれ、産業上重要な位置を占める。

鋼橋。

語源

日本語の「はがね」の由来は刃物に用いる金属を意味する「刃金はがね」である。かつて鋼とは焼入れによって硬化する鉄合金をさし、鉄器時代以来、鍛造鍛接、熱処理や研磨技術によって刃物類が製作されてきた。ここを原点にさまざまな鉄合金が発達し、そのつど鋼の定義は拡大解釈されて現在に至っている。現在では刃物専用以外でも、精錬技術によって造られた鉄鋼材全般をはがね鋼鉄こうてつと呼び、錬鉄鋳鋼などを含めることがある。

鉄鋼はドイツ語の「Eisen und Stahl」の訳が語源とされているが、日本で最初に「鉄鋼」という呼び名が使われたのは雲伯鉄鋼合資会社(現・日立金属安来工場)の社名が原点とされている。雲伯鉄鋼合資会社による鉄鋼製品の源流は「たたら製鉄」であるが、ここでいう「鉄鋼」とは新案特許「製鋼法」(明治39年(1907年)取得)からなる錬鉄をさし、新特許法の錬鉄(伊部式包丁鉄と言う)が出発となる。

定義

Fe-C状態図
炭素量と温度により、鉄はさまざまな組織となる。

鉄の性質は、含まれる炭素の量で大きく変化する。鉄鉱石を還元したものを銑鉄といい、4%から5%の炭素を含む。これをそのまま鋳型に流したものが「鋳物」とも呼ばれる鋳鉄である。鋳鉄はもろくて可塑性がなく、鎚で叩いたり、曲げたりすると割れてしまう。

もろい銑鉄から炭素を除去すると、鉄は強靭になるとともに可塑性を持ち、叩いて整形(鍛造)したり、曲げたり、延ばしたりの加工が可能になる。この炭素の少ない鉄が鋼鉄である。

現在の金属学の定義では、Fe-C系2元合金において、C含有量が0.0218 - 2.14%の範囲にある部位である。言い換えると、フェライトのC最大固溶量(0.0218%)からオーステナイトのC最大固溶量(2.14%)までの範囲の部位とも定義できる。Fe-C系2元合金において、C含有量が0.0218%以下のものをと呼び、2.14[mass%]以上のものを鋳鉄と呼ぶ。一方で、極低炭素鋼ステンレス鋼のように炭素の添加がなされない鉄も「鋼」と呼ばれる[2]。国際規格の ISO 4948-1 では、一般的に2.0%以下の含有量の炭素と他の元素を含む鉄の合金を鋼 (英語: steelフランス語: acier) と定義している[3]

歴史

世界で初めて鋼を開発したのは、紀元前1400年ごろのヒッタイトであると考えられている。ヒッタイトはを使って鉄を鍛造することにより鋼を製造し[4]アナトリアを中心に鉄を主力とする最初の文明を築いた。この製法は厳重に秘匿されていたものの、前1200年のカタストロフと呼ばれる大動乱によって紀元前1190年頃にヒッタイトが滅亡すると、製鋼技術はヒッタイトを滅ぼした海の民や、エジプトメソポタミアといった近隣の諸国へと伝播し、さらにそこから遠方へと伝わっていった。

産業革命以前の世界においては各国で鋼が製造されたが、なかでも最も名高かったものはインドにおいて生産されるウーツ鋼であった。ウーツ鋼はインド国内で消費されるほか、中東方面へも盛んに輸出され、とくにシリアダマスカスにおいて刀剣に加工されたものは非常に高い評価を受けていた[5]。このことから、ウーツ鋼はダマスカス鋼という名前で広く知られるようになった。ウーツ鋼はるつぼによって生産されたが、19世紀初頭までには生産が途絶え、現代においては製法は失伝している。

日本においても砂鉄を原料とするたたら製鉄によって和鋼と呼ばれる鋼が生産され、日本刀などの原料として使用された。たたら製鉄は銑鉄を生産する「銑押し(ずくおし)」が主流であり、生産された銑鉄から鋼が生産されていたが[6]、江戸時代中期になると炉底に巨大な鉄塊を作り、それを割ることで砂鉄から直接鋼を生産する「鉧押し(けらおし)」の技法が生まれ、和鋼生産の中心となった。たたら製鉄では品質の良い鋼を作ることができ、中でも良質の部分は玉鋼と呼ばれ日本刀の材料に最適とされたが[7]、鉧押し法でも鋼の割合は多くて4割、一般的には2割程度であり、多くは銑鉄や錬鉄が生産されていた[8]

ウーツ鋼や玉鋼に見られるように、近代以前の世界において鋼の主な使用法は、硬度の要求される刀剣の材料としてのものであったが、16世紀以降、オスマン帝国で鋼は銃の砲身に使用されるようになり、この製法はムガル帝国にも伝わった[9]。しかし、大量に生産することはどこの文明圏においてもできなかった。18世紀に入るとイギリスで徐々に製鋼法の改善がはじまり、1740年代にはベンジャミン・ハンツマンによってるつぼを使用して良質の鋼が作られたものの、これは量産することは不可能であった[10]。このように様々な鋼の生産法が開発されるものの、真に工業的に大量生産ができるようになるのにはヘンリー・ベッセマーによる1856年の転炉法の発明を待たねばならなかった[11]

製鋼法

製鉄と製鋼

鋼の生産は、先ず赤鉄鉱磁鉄鉱など採掘された酸化鉄である鉄鉱石高炉還元させて銑鉄を得る。縦長の高炉上部から、鉄鉱石・コークス石灰石を投入し、下部から熱ガスと空気を送り込んで800℃以上を維持するよう燃焼させる。これにより、コークスから発生する一酸化炭素が酸化鉄を還元させて銑鉄が得られる。この工程は高炉の耐久性限界まで連続して行うのが通例である[12]

高炉で得られた銑鉄に含まれる炭素など不純物を次の製鋼工程で取り除く。ここでは、ケイ素リン硫黄などを除去し、炭素の含有率が0.5 - 1.7%程度に調整される。この方法には転炉平炉がある[12]

転炉法

転炉(転炉製鋼法)は1856年イギリスの発明家ヘンリー・ベッセマーが開発した。彼の名を取ってベッセマー法と名づけられた本技術によって初めて鉄鋼の大量生産が可能となった。このベッセマー転炉においては、珪石製の煉瓦を内部に張った炉に銑鉄を入れ加熱空気を送ると不純物や余分な炭素が燃焼(酸化)して除去できる。この方法によって20トンの製鉄を30分以下で行うことが可能となった。発明当初の技術ではリンの除去は不可能であったが、1887年にシドニー・ギルクリスト・トーマス白雲石粉末を裏張りした転炉を用いる方法を開発し、このトーマス転炉においてリンをリン酸カルシウム溶滓(ようさい)として分離させることが可能となった[13]。この溶滓は肥料に転用された。現在では1946年にオーストリアで開発された空気の代わりに酸素を用いるLD転炉法が主流となっている[12]。また、1949年にはそれまで底から酸素を送り込んで不純物を除去していたものが、上から酸素を吹きつけるだけでも撹拌が起きて不純物が除去されることがわかり、上部から酸素を送り込む工法が主流となった。しかし上部からの酸素だけでは撹拌が弱くなるため、1970年代にはふたたび底吹きが主流となる。しかし今度は上部の温度が上がりにくくなるという欠点が現れ、結局1980年代以降は上部からの酸素供給を基本とし、底部から補助的に空気を送り込む混合式の吹込みが主流となった[14]

平炉法

平炉は反射炉の一種で、1856年にシーメンス兄弟(カール・ウィルヘルム・シーメンスとフレデリック・シーメンス)によって炉の構造が発明され、マルタン父子(ピエール・ マルタンとエミール・マルタン)によって製鋼法が発明された[15]ことから、両者の名を取ってシーメンス・マルタン法と呼ばれる。鉄鉱石と屑鉄(スクラップ)を混合し加熱して不純物を酸化・除去し、適度の炭素を残す。熱源は電気アークである[12]。しかし平炉法は冷えた材料の加熱を行うため、初期のものは鋼の製造まで10時間を要した。1960年代には3時間まで時間が短縮されたものの、転炉はこの過程を30分で行えるため勝負にならず、日本では1960年代以降この方式での製鋼は行われていない[16]

電気炉および伝統製法

このほかにスクラップを主に用いる電気炉生産方式(電気炉製鋼法)がある。1900年にポール・エルーによって実用化されたもので[17]、高炉と転炉による鉄鉱石からの一貫製鋼にくらべ小規模な生産となるが、このために多品種少量生産に適している[18]日本での生産割合は、転炉製鋼法が約75%、電気炉製鋼法が約25%である[19]

日本古来のたたら製鉄は明治時代以降近代製鉄に押されて急速に生産量を減らしていき、1925年にはすべての生産が終焉した[20]。しかし日本刀の原料である玉鋼はたたら製鉄でしか製造できなかったため、1933年には「靖国たたら」が島根県に作られ、1945年まで操業した[21]ほか、数軒のたたらが復活し鉄の生産を行った。これらのうちいくつかでは従来に比べ鉧の生産割合が顕著に増加しており、鋼を重視した生産が行われた[22]ものの、終戦とともにふたたびたたらの火は消えた[23]。第二次世界大戦後、玉鋼需要が逼迫したため[24]、1977年には日立金属の支援によって日本美術刀剣保存協会が日刀保たたらを建設し、玉鋼の生産を行っている[25]。ここで生産された玉鋼は指定された日本刀の刀工にのみ配布され、一般には流通しない[26]

強化法

一般に、金属材料の降伏強さを向上するためのメカニズムには、大別して「固溶強化」「析出強化」「転位強化」「結晶粒微細化強化」の4つが存在する[27][28]。これらの機構を適用して、鋼の強化も行われる[27]塑性変形は結晶中の転位の動きによって起こる[28]。4つの強化機構は、いずれも転位の動きやすさを低下させるように働き、それによって鋼を強化させる[27]

鋼の種類

鋼の特長は、まず鉄に軽微な合金化を行うことにより強靭な固体材料を生成できること、資源が豊富であり酸素との親和性が比較的低いため安価に精錬ができることにある。別元素の固溶限が大きく合金化しやすいため、多様な鋼種が開発されてきた。

ケイ素 (Si) を添加した電磁鋼、ニッケル (Ni) やマンガン (Mn) を添加した非磁性鋼、クロム (Cr) やニッケル (Ni) を添加したステンレス鋼など、さらに工具鋼高速度鋼など、さまざまな用途に適した鋼種があり特殊鋼とよばれている。

鉄鋼材料は各観点からいろいろな名前で呼ばれ、分類法によっては同じものが別の名前で呼ばれることがある。 鋼はその用途ごとに鋼種の改良が進んできた。例えばJISの分類も、などの合金が比較的成分の系列にしたがって命名されているのに比べ、用途や製法、強度区分、炭素量を示すものなどがあり、解りにくいものになっている。

例えばS45Cという鋼種は炭素量0.45%の鋼をいい、SUJ(軸受鋼)は、ボールベアリングの内外輪に使われる鋼種であるということを示す。

さらに、各国の規格において鋼種の呼称が異なっている。例えば

  • S45C (JIS)、1045、(SAE/AISI)、C45 (DIN)
  • SKH10 (JIS)、T15 (AISI/ASTM)、S12-1-4-5 (DIN) である。

成分からの分類

鉄鋼は大きく分けて、鉄と微量の炭素による合金である炭素鋼(普通鋼)と、それ以外の金属との合金である合金鋼(特殊鋼)に二分される。

炭素鋼

普通鋼の名の通り、古来から製造使用されてきた鋼は炭素鋼に分類され、鋼の総生産量のうち約8割を占めている[29]。炭素鋼は含まれる炭素量によって、炭素含有量が約0.3%以下の低炭素鋼、炭素含有量が約0.3 - 0.7%の中炭素鋼、炭素含有量が約0.7%以上の高炭素鋼に分けられる。炭素量が少ないほど柔らかく、多くなるほど硬い鋼となる[30]

また、炭素鋼は、組成(標準組織)や炭素濃度の上から以下のように分類できる。

合金鋼

炭素鋼を基本として一種または数種類の金属を添加し性質を改善したものが合金鋼であり、普通鋼に対して特殊鋼の名で呼ばれている。特殊鋼は添加する金属によって、ニッケルクロム鋼ニッケルクロムモリブデン鋼クロム鋼クロムモリブデン鋼マンガン鋼など様々な種類が存在する。特殊鋼の生産量は鋼の総生産量のうち約2割を占めている[31]。合金鋼は含まれる金属の量によって、合金成分5%以下の低合金鋼と5%以上の高合金鋼に分けられる[32]

性質からの分類

用途からの分類

JIS規格ではこの分類法が用いられている。

製法・形状からの分類

鋼は鍛造鋳造圧延などでさまざまな形状に姿を変える。圧延法による鋼材は形状により条鋼鋼板鋼管の3つに分類され、さらに条鋼は軌条形鋼棒鋼線材に分類される。鋼板は厚さにより厚さ3mm未満の薄板、厚さ3mm以上6mm未満の中板、厚さ6mm以上の厚板に分けられる[33]

加工法

表面硬化処理及び表面処理例

生産

19世紀には世界で最初に産業革命を起こしたイギリスが粗鋼の最大生産国であったが、19世紀末にはドイツアメリカの追撃を受け、1890年にはアメリカが世界最大の粗鋼生産国となり、1895年にはドイツがイギリスを抜いて世界第2の生産国となった[34]。その後はアメリカが最大の粗鋼生産国となり、西欧諸国やソヴィエト連邦がそれに続く状態が20世紀の間続いた。第二次世界大戦後は日本の粗鋼生産量が増大し、1960年には世界5位[35]、1965年には世界3位となった[36]。しかし1990年代以降中国が急速に鉄鋼生産量を増大させ、1996年には日本とアメリカを抜いて世界一の生産量となり、以後トップの座を保ち続けている[37]。さらに20世紀末からはインド韓国ブラジルトルコといった新興国の鉄鋼生産が増大し、2018年にはインドが世界2位の鉄鋼生産国となった[38]

2018年の粗鋼最大生産国は中国であり、世界生産18億トンの51%を占めている。次いで、インド、日本、アメリカ、韓国、ロシア、ドイツ、トルコ、ブラジル、イタリアの順となっている[39]

日本の高炉メーカーは合併による集約が進み、2020年時点では日本製鉄JFEスチール神戸製鋼所の3社のみとなっている[40]。これに対し普通鋼の電気炉メーカーは小規模なメーカーが多く、最大手の東京製鐵のほか、2015年時点では30社ほどが操業している[41]

世界の主要鉄鋼メーカー

主要な鉄鋼メーカーを、粗鋼生産量順(2012年)に並べた。

脚注

  1. 三省堂. 鋼鉄とは 大辞林 第三版の解説”. コトバンク. 朝日新聞社/VOYAGE GROUP. 2017年6月24日閲覧。
  2. 田中 2015, p. 478.
  3. ISO 4948-1:1982, Steels — Classification — Part 1: Classification of steels into unalloyed and alloy steels based on chemical composition. https://www.iso.org/standard/10963.html
  4. 「文明の誕生」p128-129 小林登志子 中公新書 2015年6月25日発行
  5. 『世界文明における技術の千年史 「生存の技術」との対話に向けて』p137 アーノルド・パーシー 林武監訳、東玲子訳、新評論、2001年6月。ISBN 978-4-7948-0522-5
  6. http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp0103.htm 「たたら製鉄の方法」日立金属株式会社 2020年10月13日閲覧
  7. http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp0108.htm 「玉鋼と日本刀」日立金属株式会社 2020年10月13日閲覧
  8. 「たたら製鉄の歴史」p97-100 角田徳幸 吉川弘文館 2019年6月1日第1刷発行
  9. 『世界文明における技術の千年史 「生存の技術」との対話に向けて』p138-139 アーノルド・パーシー 林武監訳、東玲子訳、新評論、2001年6月。ISBN 978-4-7948-0522-5
  10. 「人はどのように鉄を作ってきたか 4000年の歴史と製鉄の原理」p100-102 永田和宏 講談社ブルーバックス 2017年5月20日第1刷発行
  11. 「人はどのように鉄を作ってきたか 4000年の歴史と製鉄の原理」p105-107 永田和宏 講談社ブルーバックス 2017年5月20日第1刷発行
  12. 大澤p.83-86 Ⅱ.金属の材料 3.鉄鋼 3.2.転炉と平炉
  13. 「人はどのように鉄を作ってきたか 4000年の歴史と製鉄の原理」p108-109 永田和宏 講談社ブルーバックス 2017年5月20日第1刷発行
  14. 新日鉄住金 2004, pp. 6869.
  15. 中沢護人「平炉法の発明の経過」(『生産研究』16巻9号、 1964年) 東京大学生産技術研究所
  16. 新日鉄住金 2004, pp. 6768.
  17. 「人はどのように鉄を作ってきたか 4000年の歴史と製鉄の原理」p117 永田和宏 講談社ブルーバックス 2017年5月20日第1刷発行
  18. 「図解入門業界研究 最新鉄鋼業界の動向とカラクリがよーくわかる本 第2版」p52 川上清市 秀和システム 2019年11月1日第1版第1刷
  19. 「人はどのように鉄を作ってきたか 4000年の歴史と製鉄の原理」p118 永田和宏 講談社ブルーバックス 2017年5月20日第1刷発行
  20. http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp0205.htm 「たたらの衰退」日立金属株式会社 2020年10月11日閲覧
  21. http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp0304.htm 「靖国たたらと和鋼記念館」日立金属株式会社 2020年10月11日閲覧
  22. 「たたら製鉄の歴史」p207-210 角田徳幸 吉川弘文館 2019年6月1日第1刷発行
  23. http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp0304.htm 「靖国たたらと和鋼記念館」日立金属株式会社 2020年10月11日閲覧
  24. 「人はどのように鉄を作ってきたか 4000年の歴史と製鉄の原理」p130 永田和宏 講談社ブルーバックス 2017年5月20日第1刷発行
  25. http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp0305.htm 「技術の伝承」日立金属株式会社 2020年10月11日閲覧
  26. https://www.touken.or.jp/employment/tamahagane.html 「玉鋼頒布」公益財団法人日本美術刀剣保存協会 2020年10月13日閲覧
  27. 谷野・鈴木 2013, p. 117.
  28. 高木 1997, p. 675.
  29. 「図解入門業界研究 最新鉄鋼業界の動向とカラクリがよーくわかる本 第2版」p56 川上清市 秀和システム 2019年11月1日第1版第1刷
  30. 「元素から見た鉄鋼材料と切削の基礎知識」p25 横山明宜 日刊工業新聞社 2012年10月29日初版1刷発行
  31. 「図解入門業界研究 最新鉄鋼業界の動向とカラクリがよーくわかる本 第2版」p56 川上清市 秀和システム 2019年11月1日第1版第1刷
  32. 「元素から見た鉄鋼材料と切削の基礎知識」p25 横山明宜 日刊工業新聞社 2012年10月29日初版1刷発行
  33. 「元素から見た鉄鋼材料と切削の基礎知識」p89 横山明宜 日刊工業新聞社 2012年10月29日初版1刷発行
  34. 「図解入門業界研究 最新鉄鋼業界の動向とカラクリがよーくわかる本 第2版」p91 川上清市 秀和システム 2019年11月1日第1版第1刷
  35. 「図解入門業界研究 最新鉄鋼業界の動向とカラクリがよーくわかる本 第2版」p95 川上清市 秀和システム 2019年11月1日第1版第1刷
  36. 「図解入門業界研究 最新鉄鋼業界の動向とカラクリがよーくわかる本 第2版」p97 川上清市 秀和システム 2019年11月1日第1版第1刷
  37. http://www.peopleschina.com/zhuanti/2009-10/20/content_224713_3.htm 「釘まで輸入していた国が 鉄鋼生産世界一に」人民中国インターネット版 2009年10月 2020年10月10日閲覧
  38. 「図解入門業界研究 最新鉄鋼業界の動向とカラクリがよーくわかる本 第2版」p13 川上清市 秀和システム 2019年11月1日第1版第1刷
  39. 「図解入門業界研究 最新鉄鋼業界の動向とカラクリがよーくわかる本 第2版」p205 川上清市 秀和システム 2019年11月1日第1版第1刷
  40. https://www.nikkei.com/article/DGXKZO55068730Q0A130C2EA2000/ 「高炉とは 製鉄所の中核設備、日本の大手は3社に集約」日本経済新聞 2020/1/31 2020年10月11日閲覧
  41. https://net.keizaikai.co.jp/archives/17001 「経産省の電炉再編要請を突っぱねる鉄鋼業界」経済界ウェブ 2015年9月8日 2020年10月11日閲覧

参考文献

  • 大澤直『金属のおはなし』日本規格協会、2008(初刷2006)、第一版第四刷。ISBN 4-542-90275-7。
  • 『日本の鉄鋼業』(日本鉄鋼連盟、2013年)
  • 谷野 満・鈴木 茂、2013、『鉄鋼材料の科学 : 鉄に凝縮されたテクノロジー』第3版、内田老鶴圃〈材料学シリーズ〉 ISBN 978-4-7536-5615-8
  • 新日鉄住金株式会社(編著)、2004、『カラー図解 鉄と鉄鋼がわかる本』第1版、日本実業出版社 ISBN 978-4534-03835-7
  • 田中 和明、2015、『図解入門 最新金属の基本がわかる事典』第1版、秀和システム〈図解入門シリーズ〉 ISBN 978-4-7980-4431-6
  • 高木 節雄、1997、「鉄の強化機構と限界強度」、『まてりあ』36巻7号、日本金属学会、doi:10.2320/materia.36.675 pp. 675679

関連項目

外部リンク

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