鋼

鋼（はがね）

概要

鋼は、鉄の合金であり、炭素を0.04%から2%程度含んでいます。一般的に、炭素を加えたものは炭素鋼と呼ばれ、さらにニッケルやクロムなどの添加により作られる特殊鋼、つまり合金鋼が存在します。鋼は純粋な鉄よりも強く、加工性にも優れ、鉄の利用のほとんどを占めるため、鉄鋼とも呼ばれることもあります。豊富な資源と安価な精錬により、世界中で広く使用されており、金属材料の約95%が鋼で占められています。

語源

日本語の「はがね」は、鋭利な刃物の材料を指す「刃金（はがね）」から派生していると考えられています。また、鉄鋼という用語はドイツ語の「Eisen und Stahl」からの訳で、日本では雲伯鉄鋼合資会社が初めてこの言葉を使用しました。彼らの製品は「たたら製鉄」に由来し、明治39年（1907年）に新しい製鋼法の特許を取得しました。

定義

鉄は、炭素の含有量によって性質が大きく変わります。4%から5%の炭素を含む物質が銑鉄で、これを鋳型に流し込むと「鋳物」、すなわち鋳鉄として知られるものになります。鋳鉄は脆く、曲げたり叩いたりすると壊れやすい特徴を持っています。

その一方で、銑鉄から炭素を減らしたものが鋼であり、強靭で可塑性を持つため、様々な形状に加工することができます。金属学の定義によると、鋼は炭素の含有量が0.0218%から2.14%の範囲にあるFe-C系2元合金の一種として定義されています。

歴史

鉄の使用は古代エジプトやアナトリア地域で始まったとされています。当初の鉄は隕鉄の加工によるもので、ヒッタイト文明で炭素を添加した鋼の製造法が発展しました。この技術は、ヒッタイトの滅亡後、他の文明に伝わり普及していきました。

19世紀にはインドで鋼の一種ウーツ鋼が名声を得て、西洋では「ダマスカス鋼」として知られるようになりました。日本でもたたら製鉄が行われ、日本刀の材料として和鋼が生産されました。

製鋼法

現代の鋼の製造は、まず鉄鉱石を高炉で還元し銑鉄を得るところから始まります。その後、この銑鉄から不純物を取り除き、炭素の含有率を調整する製鋼工程が行われます。1860年代には、イギリスでベッセマー法が開発され、初めて大量生産が可能となりました。現在ではLD転炉法やシーメンス・マルタン法などが主流です。

強化法

鋼の強度はさまざまなメカニズムによって向上させることができます。「固溶強化」「析出強化」「転位強化」「結晶粒微細化強化」の技術が用いられ、鋼の特性を改善するために応用されます。

鋼の種類

鋼は、普通鋼である炭素鋼と、特殊鋼である合金鋼に分類されます。炭素鋼は全鋼生産量の約8割を占め、炭素含有量によって低炭素、中炭素、高炭素の3つに分類されます。

合金鋼は、ニッケルやクロムを添加して特性を改善したもので、特殊鋼とも呼ばれ、総生産量の約2割を占めます。鋼には、用途によって建材、自動車用、工具鋼など多様なカテゴリが存在し、さらに各国の規格により異なる呼称が付けられています。

加工法

鋼は鍛造、鋳造、圧延などの方法で多様な形状に変形されます。圧延法による鋼材は、条鋼、鋼板、鋼管などに分類され、厚さによっても細かく分けられます。

利用

鋼は、機械部品から建材、生活雑貨に至るまで多岐にわたって使用され、国の生活水準とも深い関わりがあります。これにより、鋼の消費量は経済指標の一つとされ、工業の発展と密接に連動しています。

生産

世界の粗鋼生産は、かつてはイギリスが主導していましたが、現在では中国が最大生産国として圧倒的なシェアを持っています。日本も一時は世界の生産トップに近づいたものの、中国の急成長に伴い、現在は主に中国、インド、日本が上位生産国となっています。日本の製鉄業界も集中が進み、主要な高炉メーカーは限られています。

このように、鋼はその強さと多用途性から、私たちの生活や産業に不可欠な材料であり続けています。

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