１９．鉄鋼材料鉄と鉄鋼鉄

金属元素Fe原鉱は酸化鉄

鉄鋼

酸化鉄を還元

C（炭素）, Si, Mn, P, Sなどの非金属元素、Ni, Crなどの金属元素との合金

炭素含有量による分類

鉄 ：0～0.008%鋼 ：0.008～2.0%鋳鉄 ：2.0～6.7%

１９．鉄鋼材料歴史BC2000年 エジプト 鉄のナイフ・斧

10世紀 日本

1735年 Darby、鋳鉄の実用化

18世紀終～19世紀初 鋳鉄を構造用に利用

1856年 Bessemerによる転炉法の発明、鋼

1861年 Siemens・Martinによる平炉法の発明、鋼

1901年 官営八幡製鉄所、日本初の鉄鋼生産

現在 溶鉱炉の大型化、電気炉法の普及

生産日本・米国 ：9000万t～1億t中国 ：1億8000万t

１９．鉄鋼材料分類炭素鋼炭素量のみを調節、合金元素を加えないもの

合金鋼炭素以外の合金元素（Mn, Cr, Ni, Moなど）を加えたもの

クロム鋼、ニッケル・クロム鋼、クロム・モリブデン鋼

特殊鋼炭素鋼に特殊な熱処理や化学処理を加えたもの

高張力鋼引張強さ500N/mm2以上で溶接性に優れる

耐食鋼13クロムステンレス鋼（Cr : 18%）18‐8ステンレス鋼（Cr : 18%、Ni : 8%）低温用鋼・耐候性鋼・耐熱鋼

１９．鉄鋼材料製法

製銑⇒製鋼⇒成形

製銑

鉄鉱石＋コークス（燃料、還元剤）＋石灰石（岩石分除去剤）⇒（溶鉱炉）⇒銑鉄（炭素4～5%、不純物2～4%）＋スラグ

製鋼

転炉法

◦ 溶融銑鉄＋くず鉄＋焼石灰＋鉄鉱石＋蛍石⇒（高圧の純酸素）⇒（炭素の燃焼、不純物のスラグ化）⇒鋼

電気炉法

◦ くず鉄（主原料）＋銑鉄＋鉄鉱石＋合金⇒（アーク熱）⇒鋼

◦ 高炉材に比べCu、Cr、Niの含有量が多く、品質のばらつき大

鋳造

溶鋼⇒（鋳型）⇒鋼塊（ingot）、鋼片（billet）、鋳鋼品

１９．鉄鋼材料製法機械的加工

圧延

◦ 反対方向に回転するロールに加熱状態の鋼をはさんで押し出しながら成形

◦ 圧延鋼材（板材、形鋼、棒鋼）

押出し

引抜き

◦ ダイス穴を通して引張って引き延ばして成形、棒・線・管

１９．鉄鋼材料熱処理加熱・冷却の組合せ操作による機械的性質の変化

焼きなまし

炉中できわめて徐々に冷却、鋼の軟化・内部応力除去

焼きならし

大気中で放冷、組織の改善・結晶粒の微細化

焼入れ

急冷、鋼の硬化

焼戻し

焼入れ・焼きなまし後、加熱、適当に冷却

硬さの減少、内部応力の除去、延性・靭性の増加

１９．鉄鋼材料 １９．鉄鋼材料化学処理

酸処理

鉄鋼金属の熱処理、溶接、ロウ付けなどにより生じた焼け、スケール、酸化皮膜、不動態皮膜、錆などを硫酸や塩酸などで除去

酸洗い

◦ 熱処理により生じたスケールやさびの除去

酸浸漬

◦ アルカリ脱脂液でできたアルカリ皮膜や電解洗浄でできた酸化皮膜を除去し、金属表面を活性化

エッチィング

◦ 冷間圧延等の常温加工による変質層の除去

浸炭処理

表面の硬化

加工性の良い低炭素鋼・低炭素合金鋼を機械加工した後、その表面層の炭素量を増加させ、表面層のみを焼入硬化する処理法

浸炭剤+熱⇒表面の炭素量増加⇒焼入れ

１９．鉄鋼材料物理的性質・力学的性質応力ひずみ曲線比例限度

弾性限度

上降伏点

下降伏点

降伏棚（塑性流れ域）

ひずみ硬化域

引張強さ

破断

0.2%耐力

◦ 0.2%の残留ひずみを生じる応力度、高張力鋼・塑性加工を受けた材（降伏点が不明瞭）

ひずみ

応力

１９．鉄鋼材料物理的性質・力学的性質炭素量

多 ：硬、脆い、低融点

少 ：軟、粘り

引張強さ・降伏点・硬さ

炭素量の増加とともに増大、C=0.85%で最大、以後低下

伸び

炭素量の増加に伴い減少

炭素量（%）

引張強さ（N/mm2）

伸び（%） 用途

極軟鋼 0.15以下 400以下 25 薄鉄板、鉄線、管

軟鋼0.15～0.28 400～500 20 建築・橋

梁・造船

半硬鋼0.28～0.40 500～600 16 建築・レー

ル

硬鋼0.40～0.50 600～700 14 軸類・歯

車・工具

最硬鋼0.50～0.60 700以上 8 工具・スプ

リング

１９．鉄鋼材料物理的性質・力学的性質密度

7.8（炭素量1.3%）～7.85（炭素量0.2%）

熱膨張係数

10.5（炭素量1.3%）～11.5（炭素量0.2%）×10‐6

比熱

0.11（炭素量0.2%）～0.12（炭素量1.3%）（cal/g･℃）

熱伝導率

0.09（炭素量1.3%）～0.13（炭素量0.2%）（cal/cm･s･℃）

電気抵抗

15（炭素量0.2%）～20（炭素量1.3%）（μΩ/cm3）

１９．鉄鋼材料物理的性質・力学的性質高温時の機械的性質

引張強さ

◦ 250～300℃で最大

◦ それ以上で急激に減少

◦ 500℃で1/2、600℃で1/3弾性係数・降伏点

◦ 温度の上昇に伴い低下

◦ 300℃以上で降伏点が不明確

伸び

◦ 200～300℃で最小

◦ それ以上の温度域で急増

低温時の機械的性質

引張強さ・降伏点・硬さ・弾性係数

◦ 温度の低下とともに増加

衝撃値

◦ 温度の低下とともに減少

◦ 遷移温度以下で急減（低温脆性）

１９．鉄鋼材料耐火被覆打込構法コンクリートの現場打ち

仕上げ・被覆厚さの確保容易、重量大、耐水性大、目地がないので耐火上有利

左官工法塗下地（メタルラスなど）の上にモルタル・プラスターを塗り重ね

施工技術が高度、目地がないので耐火上有利、ひび割れやすい

吹付工法ロックウールの吹き付け

施工速、特殊機械必要、表面仕上げ箇所には不利、目地なし耐火上有利、軽量

張付工法珪酸カルシウム板、ALC板、ロックウール板、石こう板を耐火接着剤で張付

仕上げ容易、耐火上目地処理に注意、耐水性・耐衝撃性に注意

１９．鉄鋼材料腐食と防食大気中の腐食酸素と反応⇒酸化物・炭酸塩皮膜（錆）の生成

水・ダスト・亜硫酸ガスが影響

土中での腐食土壌の電気伝導度、pH値が影響

海水中での腐食塩化物イオン濃度（不働体皮膜の生成を抑制）、酸素量が影響

防食法環境から遮断

◦ 亜鉛めっき、塗料

耐食性を向上

◦ ステンレス鋼（Cr：12%以上）、耐候性鋼（Cu, Cr, Niの添加）

１９．鉄鋼材料種類一般構造用圧延鋼材（JIS G 3101）：SS材SS400

◦ 最も一般的な熱感圧延鋼材

◦ 引張強さ 402〜510N/mm2

◦ 降伏点 216（厚40mm超）～245（厚16mm以下）N/mm2以上

◦ 伸び 17～24%以上

◦ 板厚19mm超：溶接に注意、板厚25mm超：溶接不可

SS490、SS540◦ Cを増して高強度化、溶接性不良

１９．鉄鋼材料種類溶接構造用圧延鋼材（JIS G 3106）：SM材、溶接性を改善SM400◦ 機械的性質はSS400と同等、溶接性最良

SM490◦ 引張強さ 490～608N/mm2

◦ 降伏点 294（厚40mm超）～324（厚16mm以下）N/mm2以上

◦ 伸び 17～23%以上

◦ 板厚50mm以下：溶接性問題なし、高張力鋼の汎用品

SM520◦ 引張強さ 520～637N/mm2

◦ 降伏点 333（厚40mm超）～363（厚16mm以下）N/mm2以上

SM570◦ 引張強さ 569～716N/mm2

◦ 降伏点 431（厚40mm超）～461（厚16mm以下）N/mm2以上

◦ 溶接構造用低合金高張力鋼の最高級品

１９．鉄鋼材料種類溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材（JIS G 3101）：SMA材SMA400

◦ 通常の軟鋼に適量のCu、Cr、Niなどの合金元素を加え、大気中での適度な乾湿の繰返しにより、表面に緻密な錆を形成し、耐候性を付加した鋼材

◦ 溶接性はSM400と同等

高耐候性圧延鋼材（JIS G 3125）Pを多くして、SMA鋼よりも耐候性を向上

森の学校「キョロロ」

１９．鉄鋼材料種類一般構造用炭素鋼鋼管（JIS G 3444）：STK

一般構造用角形鋼管（JIS G 3352）：STKR

一般構造用軽量形鋼（JIS G 3352）：SSC

１９．鉄鋼材料種類デッキプレート（JIS G 3352）折れ板状に加工された鋼板

上側に配筋してコンクリート打設

床用型枠

支柱不要

建築構造用圧延鋼材（JIS G 3136）：SN鋼材

A種：下記以外のもの

B種：溶接性・靭性に配慮

C種：溶接性・靭性に加え、板厚方向特性・内部性状に配慮

１９．鉄鋼材料種類建築構造用耐火鋼材：FR鋼材

一般の建築用鋼材に比べて高温時の強度が高い

耐火被覆を低減・省略可能

◦ 鉄骨建築の意匠性の向上

◦ 柱の径を細くできる

◦ 自由な塗装

◦ 工期短縮

◦ 作業環境改善

２０．非鉄金属建築分野での利用銅、鉛、亜鉛、スズ、アルミニウム、チタン

性質・物性（機械的性質、電気・熱伝導率、延性、展性など）を活用

デザイン的に金属光沢を活用

２０．非鉄金属銅歴史・生産エジプト 紀元前5世紀

日本 世界でも有数の消費国、海外依存度40%

製造方法電解精錬（硫酸銅溶液の電気分解）→加熱圧延→常温牽引加工→（焼鈍、成形）

２０．非鉄金属銅性質比重 8.93融点 1080 ℃比熱 0.092cal/g/℃電気比抵抗 1.55×10‐6Ωcm（小）

熱伝導率 338kcal/m･h･℃（銀の次に高）

熱膨張率 16.5×10‐6/℃（鉄の1.4倍）

ヤング係数 132kN/mm2（鉄の1/2倍）

降伏点 60N/mm2

引張強度 245N/mm2

伸び 40～60%耐食性 高湿度環境下で腐食：暗褐色→緑青（塩基性酸化銅）

酸・アンモニア中で激しく腐食

２０．非鉄金属銅用途屋根板材

◦ 銅板（JIS H 3101）◦ 葺き方

◦ 一文字葺き、段葺き、菱葺き、銅瓦葺き

◦ 特殊な表面仕上げ処理

◦ 化学処理（電解・噴霧）による緑青化

◦ 硫化処理による黒色化

樋・外壁・看板・表札

建具用金具・建築部品

◦ 黄銅・青銅

２０．非鉄金属 ２０．非鉄金属

２０．非鉄金属鉛歴史古代ローマ時代 水道管、石材補強用、屋根材

製造方法（製錬）

方鉛鉱（PbS）→（精錬）→粗鉛（純度95～98%）→（精錬）→鉛（純度99.9%以上）

２０．非鉄金属鉛性質比重 11.3（最重、高放射線遮蔽性、高遮音性）

融点 327 ℃

比熱 0.0302cal/g/℃

電気比抵抗 21×10-6Ωcm

熱伝導率 30.2kcal/m･h･℃

熱膨張率 29×10-6/℃

ヤング係数 16.1kN/mm2（低、高遮音性）

引張強度 9～23N/mm2

伸び 20～60%

耐食性 高、炭酸鉛皮膜（大気中・海水中・地中）

耐酸性 高、塩化鉛・硫酸鉛の不溶性膜

耐アルカリ性 低

２０．非鉄金属鉛用途防水・衛生用管材・板材

間仕切

放射線遮蔽用薄型パネル

◦ 鉛粒モルタル板

２０．非鉄金属

２０．非鉄金属 ２０．非鉄金属亜鉛歴史明治以前 金・銀・鉛採取の残滓

製造方法閃亜鉛鉱（ZnS）→（選鉱）→純度35～60%→（精錬）→粗亜鉛→（精製）→亜鉛（純

度98.5～99.9%）

２０．非鉄金属亜鉛性質比重 7.12

融点 419 ℃

比熱 0.0918cal/g/℃

電気比抵抗 5.9×10-6Ωcm

熱伝導率 97.2kcal/m･h･℃

熱膨張率 30×10-6/℃

ヤング係数 80kN/mm2

引張強度 110～280N/mm2

伸び 30～50%

耐食性 高、水酸化物皮膜・炭酸塩皮膜

耐酸・耐アルカリ性 低（SO2、塩酸ガス、アンモニア）

安定（pH6～12）

２０．非鉄金属亜鉛用途メッキ用

◦ 溶融亜鉛メッキ

◦ 構造物用

◦ 皮膜厚さ：75～125μm◦ 電気亜鉛メッキ

建具金物・設備

２０．非鉄金属スズ製造方法スズ石（SnO2）→（選鉱）→（精錬）→スズ（純度99.5%以上）

性質比重 7.28融点 231℃比熱 0.064cal/g/℃電気比抵抗 11.4×10-6Ωcm熱伝導率 55.1kcal/m･h･℃熱膨張率 21×10-6/℃ヤング係数 58kN/mm2

耐食性 高（大気中）

用途ブリキ（鉄板にスズをめっき）はんだ（スズと鉛の合金）

２０．非鉄金属アルミニウム歴史1866年 溶融電解法による製造方法の発明

製造方法ボーキサイト（Al2O3･3H2O）→（溶融電解）→アルミニウム→（表面処理：電気化学的

処理・化学的処理による皮膜）

２０．非鉄金属アルミニウム鋳造押出し

２０．非鉄金属アルミニウム性質比重 2.69（鉄の1/3）融点 660 ℃比熱 0.223cal/g/℃電気比抵抗 2.65×10‐6Ωcm（低）

熱伝導率 191kcal/m･h･℃（高）

熱膨張率 24.6×10‐6/℃ヤング係数 71kN/mm2

引張強度 86～195N/mm2

伸び 4～50%耐食性 高（自然酸化皮膜：厚10nm）

表面処理（汚れ防止、耐久性向上）

耐酸・耐アルカリ性 低（両性金属）

コンクリートとの接触に注意

耐塩性 低

耐熱性 低（200℃、強度1/3）

２０．非鉄金属アルミニウム用途外装

◦ カーテンウォールパネル（Al‐Si系：AC3A、Al‐Si‐Mg系：AC4A）

◦ サッシ（Al‐Mg‐Si系：6063）◦ 門扉、フェンス

内装

◦ 間仕切りパネル、枠材、ドア、床

２０．非鉄金属

２０．非鉄金属 ２０．非鉄金属チタン製造方法酸化チタン（TiO2）含有鉱石（ルチル、イルメナイト）→（クロール法）→スポンジチタ

ン→（破砕、プレス）→（アーク溶解）→インゴット状のチタン→（加工）

２０．非鉄金属チタン性質比重 4.51融点 1668 ℃比熱 0.125cal/g/℃電気比抵抗 50×10-6Ωcm（鉄の5倍）熱伝導率 14.4kcal/m･h･℃（鉄の1/4）熱膨張率 9.0×10-6/℃ヤング係数 10.9kN/mm2

引張強度 300～700N/mm2

耐食性 非常に高酸化皮膜：微量の水あるいは水酸基の存在下

耐酸・耐アルカリ性 高耐塩性 低

用途外装材 屋根、外壁

２０．非鉄金属

２０．非鉄金属腐食・防食腐食条件酸素、亜硫酸ガス

塩類、バクテリア

異種金属との接触、電気

温度、応力

イオン化傾向（大） アルミニウム→亜鉛→鉄→すず→鉛→銅 （小）

アノード カソード

腐食（金属が溶解） 金属が析出

２０．非鉄金属腐食・防食防食方法金属材料の適切な選択

◦ 耐食性金属、均質な材料

適正な設計と用法

◦ 異種金属・非金属と非接触

表面の保護被覆

◦ 金属被覆

◦ 電気メッキ、溶融メッキ

◦ 化成処理

◦ アルミニウムの陽極酸化（アルマイト）、燐酸塩処理

◦ クロム酸塩処理

◦ 無機質材被覆

◦ 無機質ペイント塗装、ほうろうライニング

◦ セメント・コンクリート被覆

◦ 有機質材被覆

◦ 有機質ペイント塗装、ゴム・プラスティックライニング

環境処理

◦ 湿気・有害成分の除去、結露防止、腐食抑制剤の使用

電気防食

２０．非鉄金属表面処理外観の向上着色

平滑・光沢化（研磨）

粗化（ヘヤライン仕上げ、サンドブラスト）

表面の硬質化硬質クロムメッキ

硬質アルマイト処理（アルミニウム）

表面の防眩化クロムメッキ面の粗化

乱反射面化