ここでは、S55Cを使って機械部品の設計するときに必要な情報として、化学成分や機械的性質、熱処理と物理的性質などJIS規格の内容を整理しました。
また、比重やヤング率などの物理的性質や、実際にS55Cを使う上で、使い方や加工性や溶接性などについての注意事項などについてもまとめました。
S55Cとは
S55Cは、JIS G4051(機械構造用炭素鋼鋼材）で規定された鋼材です。
機械構造用炭素鋼は、S-C材と呼ばれ、キルド鋼から合金鋼と同様の管理で製造されるので高品質です。
その中で、S55Cは比較的多く流通している炭素鋼で、焼入れ後の硬さを高くすることができます。
焼きれ後の硬さは工具鋼に匹敵しますが、摩耗性などが必要な場合は、炭素工具鋼の方が適しています。
S55Cの関連規格
S55Cは下記のJIS規格で規定されています。
S55Cの鋼管は、S55CTKとして規定されています。
| 規格番号 | 規格名称 | 概要 |
|---|---|---|
| JIS G4051 | 機械構造用炭素鋼鋼材 | S55C素材の成分規定など |
| JIS G3478 | 一般機械構造用炭素鋼鋼管 | 鋼管について規定 |
| ー | ー | ー |
S55Cの化学成分
JISで規定された、S55Cの化学成分は下記のとおりです。
S55Cの化学成分[％]
| C | Si | Mn | P | S |
|---|---|---|---|---|
| 0.52 ～ 0.58 | ≦ 0.035i | 0.60 ～ 0.90 | ≦ 0.030 | ≦ 0.035 |
| Ni | Cr | Cu | Ni+Cr |
|---|---|---|---|
| 0.20以下 | 0.20以下 | 0.30以下 | 0.35以下 |
S55Cは、炭素量が多く、焼入性を良くするためMnも増やされています。
脆さにつながるSやPは上限値が管理されています。
炭素当量
S55Cの炭素当量は、以下のとおりです。
0.63～0.79
炭素当量は、溶接の熱影響部の脆さを炭素量に換算した数値で示した値です。
この数値が0.44％以上になると溶接割れを起こしやすくなります。
S55Cの機械的性質
下記は、旧JISに掲載されていた、直径25mmの標準試験片での機械的性質です。
もっと太い材料の場合は質量効果により強度が低下しますのでご注意ください。
S55Cでは、引張強度や硬さは高くなりますが、伸びや衝撃値がかなり低下するため、割れなどには注意が必要です。
S55Cの機械的性質
| 熱処理 | 降伏点
MPa |
引張強さ
MPa |
伸び
% |
絞り
% |
シャルピー
衝撃値 J/cm2 |
硬度
HB |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 焼きならし | 390以上 | 650以上 | 15以上 | ー | ー | 183 ～ 255 |
| 焼きなまし | ー | ー | ー | ー | ー | 149 ～ 192 |
| 焼入れ焼戻し | 590以上 | 780以上 | 14以上 | 35以上 | 59以上 | 229 ～ 285 |
S55Cの熱処理（焼入れ・調質）
S55CのJISに規定された基本的な熱処理条件は下記の通りです。
必ずしもこの通りである必要はなく、必要な強度や硬さを得るために熱処理条件は変更すべきです。
S55Cの熱処理条件
| 焼ならし | 焼なまし | 焼入れ | 焼戻し |
|---|---|---|---|
| 800 ～ 850℃空冷 | 約 790℃炉冷 | 800 ～ 850℃水冷 | 550 ～650℃急冷 |
熱処理条件はあくまで、基本の方法であって、必ずしもこのとおりである必要はりません。
S55Cでは、A3変態点が低炭素の鋼に比べて低くなるので、焼入れ温度は低めになっています。
ずぶ焼入れの場合、S35Cなどと比べると、焼入性が良いので焼きが深く入ります。
焼きが深く入ると、中心部のマルテンサイト変態による膨張で、表面に引っ張りの残留応力が残りやすく、焼割れの原因となります。
焼割れを防ぐには、Ms点（マルテンサイト変態が始まる温度）の少し上の温度（250～300℃）で保持して、品物の温度を均一にしてからゆっくりと冷却する方法が取られます。
この処理をマルクエンチまたはマルテンパと言い、温度の保持にはソルトバス（塩浴）が用いられます。
S55Cの物理的性質
下記の値は必ずしもS55Cそのものではなく、炭素量が近い炭素鋼の値となりますので、参考に留めてください。
特に熱伝導率や固有抵抗は成分のバラツキによる変動が大きくなりますのでご注意ください。
S55Cの物理的性質
| 物理的性質 | 物性値 |
|---|---|
| 縦弾性係数（ヤング率）[GPa] | 202～205 |
| 横弾性係数[GPa] | 81～82 |
| ポアソン比（常温） | 0.27～0.29 |
| 密度[g/cm3] | 7.83～7.84 |
| 比重 | 7.83～7.84 |
| 融点[℃] | 1600～1720 |
| 熱伝導率[W/(m・K)] | 43～44 |
| 熱膨張係数[10-6/K] | 9.6～10.9 |
| 固有抵抗[10-8Ω・m] | 19.7～20.4 |
| 比熱[J/(kg・K)] | 0.494～0.506 |
S55Cの使い方と注意事項
最後にS55C材を機械部品に使用する際の一般的な注意事項を挙げます。
S55Cの用途
S55Cは工具鋼に近い炭素量なので、HRC60前後の硬さを得ることができます。
強度の必要な部品、耐摩耗性が要求される部品などに適しています。
S45Cとの使い分け
S55Cを選ぶ理由は、硬さが必要な場合です。
火炎焼入れ、高周波焼入れなどにより表面硬化させ、低温焼戻しとすれば、HRC60前後の硬度にすることができます。
面圧が高くなる部分や摺動部などを硬化させることで、耐摩耗性を向上させることができます。
但し、ずぶ焼入れで調質してHRC30～50程度にするのであれば、焼戻し温度の調節で、S45Cでも実現できます。
それでもS55Cを選ぶ理由は、S45Cよりも中心部まで深く焼きを入れたい場合です。
但し、焼入れ中心部まで入れると表面は引っ張りの残留応力になりますので、疲労強度などについては注意が必要です。
また、中心部まで焼きを入れたい場合は、焼入れの品質が安定する合金鋼の選定も視野に入れたほうが良いと思います。
