合金元素
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焼入れ性を良くするためには、マルテンサイト生成比率を高めたり、生成されるマルテンサイトが硬いことなどがポイントである。
合金元素の影響の大きさはそれぞれの成分の炭素当量を使って計算する。
一般的に、少量の合金元素の添加によって焼入れ性は良くなる。
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変態機構の変化に及ぼす合金元素の働きが必ずしも比例的でないため、ベイナイトの生成に及ぼす合金元素の影響は複雑である。
さらに悪いことに、それらの合金元素の影響は相互作用により阻害される。
鉄との間に置換型固溶体を形成する合金元素は、ベイナイト変態温度域では置換型合金元素の拡散が起こらないために、ベイナイト変態に対して専ら間接的な影響しか与えない。
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なお、ヨーロッパではGFの特性を生かした利用分野が確立しており、現在でも一定の需要がある。
日本の鉄鋼メーカーの中には、ガルタイトを元にして、合金元素を工夫することで耐食性などの性能を高めた独自製品を開発・生産している企業がある。
日本国内においては、これら独自製品の流通量が大半を占め、本来のガルタイトはごく少量になっている。
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よって、完全焼入れを狙った上で、所定の硬さに焼戻しで調整するのが理想とされる。
焼入れ後の最高硬さは、ほぼ炭素含有量によって決定され、他の合金元素の影響は少ない。
概算式として、マルテンサイトの含有率に応じた硬さの計算式を示す。
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合金元素の影響の大きさはそれぞれの成分の炭素当量を使って計算する。
一般的に、少量の合金元素の添加によって焼入れ性は良くなる。
特に、クロム、マンガン、モリブデン、ニッケルの添加が焼入れ性を向上させる。
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金属工学のうち材料のミクロな原子格子レベルの研究を行う分野が結晶学、比較的マクロな結晶粒や組成、組織を研究する分野が材料組織学である。
一例を挙げると、純金属は軟らかいため大部分の金属は鋼・黄銅・ジュラルミンのように合金の形で使用されるが、結晶学では合金元素の侵入に伴う格子のゆがみや転位を研究するのに対し、材料組織学では顕微鏡で観察できるような組織を研究する。
特に、鋼として知られる重要なFe-C二元系合金についてはよく研究されてきた。
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その酸素と銑鉄中の炭素が結合して一酸化炭素となり、回収される。
また、必要に応じて、ニッケルやクロム等の合金元素が投入され、対流によって均一な状態になるまで攪拌される。
転炉内部の鉄が所定の成分になると作業は終了し、転炉は最初とは反対側に回転して、別の取鍋に完成した溶けた鋼を排出する。
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鉄との間に置換型固溶体を形成する合金元素は、ベイナイト変態温度域では置換型合金元素の拡散が起こらないために、ベイナイト変態に対して専ら間接的な影響しか与えない。
そのため、合金元素は炭素の拡散速度を変えることによってベイナイトの成長の動力学に影響を与える。
定性的には、マンガンやニッケル、クロム、珪素といった元素の減少はベイナイト変態開始温度を高め、変態時間を長くする。
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合金鋼とは、鋼の性質を変えたり、用途に合った特性を得るために合金元素を1種類以上添加したりした鋼であるが、鋼自体に鉄合金という意味があり自家撞着的用語で使用範囲が曖昧なので学術論文ではあまり使用されない。
それぞれの元素添加量については下限が定められており、FeとC以外の元素いずれもがその下限に満たないものは、合金鋼と呼ばない。
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鉄器時代以降、鉄は最も重要な金属の1つであり、産業革命以降、益々その重要性は増した。
鉄は、炭素などの合金元素の存在により、より硬い鋼となり構造物を構成する構造用鋼などや、工具鋼などの優れたトライボロジー材料にもなる。
純粋な鉄は白い金属光沢を放つが、イオン化傾向が高いため、湿った空気中では容易に錆を生じ、見かけ上黒ずんだり褐色になったりする。
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この効果は変態速度を低下させ、極端な場合は濃化した相界面の移動は、この界面に炭化物を形成することによって、停止状態になる。
バーデシアとエドモンズは直接の意見表示として、合金元素を添加した場合を例として、炭素活量の低下が変態の停留原因とならないと反論している。
加えて、SDLEはベイナイトとパーライトの間の変態停留の領域は説明できるものの、下部ベイナイトと上部ベイナイトの間に認められる二次的な変態停留を説明できないと論じている。
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最高硬さは炭素含有量によって決まるが、どれだけ加工品の内部深くまで硬くなるかは加工品材料の焼入れ性によって大きく影響され、炭素以外のモリブデンなどの合金元素の影響もある。
硬さ以外の機械的性質としては、引張強さ、降伏比も焼入れにより向上する。
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これらを添加した場合、炭素の濃化したオーステナイトは室温まで急冷したときに安定化して、多量の残留オーステナイトとして残り、合金の機械的性質に大きな影響を与えるかもしれない。
変態機構の変化に及ぼす合金元素の働きが必ずしも比例的でないため、ベイナイトの生成に及ぼす合金元素の影響は複雑である。
さらに悪いことに、それらの合金元素の影響は相互作用により阻害される。
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高炉で取り出した銑鉄はこのままでは硬くてもろく、圧延加工をすることが困難である。
銑鉄から炭素分を除去し、必要に応じて他の合金元素を混ぜることで、粘り強さを持つ鋼を製造する工程を製鋼と呼ぶ。
鉄鋼の基本的な性質を決める重要な工程であり、日本の製鋼技術は世界のトップクラスを走る。
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現在においても工業生産されている金属の大半は鉄鋼であり、鉄を含まない金属は非鉄金属と呼ばれる。
鉄は、炭素をはじめとする合金元素を添加することで鋼となり、炭素量や焼入れなどを行うことなどで硬度を調節できる極めて使い勝手の良い素材となる。
鋼は古くから刃物の素材として使われ、ほとんどの機械は鉄鋼を主な素材とする。
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この説明はTTT図及びCCT図上に、パーライト変態のC曲線とは別の、ベイナイト変態の開始点と終了点のC曲線があるとする。
この考えはベイナイト変態は合金元素の影響による変態停留域の存在により、パーライト変態と分けられるべきとする。
しかし動力学的な説明は、いくつかの鋼において変態停留が起きないことを説明できない。
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合金元素の電気陰性度に関する法則である。
電気化学的に正なA原子、電気化学的に負なB原子がある。
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いくらかの何も起こらない時間の後に、パーライトの生成が始まる。
ここで合金元素を添加すると、パーライト変態温度域の上昇或いはベイナイト変態域の低温側への移動が起こり、この変態温度域で変態に非常に長い時間がかかるようになる。
この現象は高温で炭化物の生成が抑制されるためと説明される。
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例えば合金元素として珪素を添加すると、炭化物を形成して変態が停止して、多量のオーステナイトが変態しなくなり、室温まで焼入れると、部分的に残留オーステナイトを得ることができる。
この残留オーステナイト量は変態を終わらせたオーステナイトのマルテンサイト変態の開始温度に依存する。
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製鉄所の製造ロットの基本は転炉の処理能力で決まる。
転炉工程が終了して、産出された溶鋼は、さらに硫黄などを取り除いたり合金元素添加など成分を微調整する二次精錬を行った後、鋼片として固めるための連続鋳造工程へと運ばれる。
転炉の役割の1つは、溶銑中にある炭素を取り除く脱炭である。
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