ここでは、S15CK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S15CK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。
S15CKとは
S15CK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、S15CKは、浸炭焼入れ（はだ焼入れ）専用の低炭素鋼です。
「K」は高級の意味で、高品質な浸炭焼入れを行いたい場合に使用されます。
S15CKの関連規格
S15CKは下記のJIS規格で規定されています。
S15CKの鋼管は、S15CKTK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 | S15CK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 |
S15CKの化学成分
JISで規定された、S15CKの化学成分は下記のとおりです。
S15CKの化学成分[％]
| C | Si | Mn | P | S |
|---|---|---|---|---|
| 0.13 ～ 0.18 | ≦ 0.025i | 0.30 ～ 0.60 | ≦ 0.025 | ≦ 0.025 |
| Ni | Cr | Cu | Ni+Cr |
|---|---|---|---|
| 0.20以下 | 0.20以下 | 0.25以下 | 0.30以下 |
S15CKでは、浸炭焼入れ時の品質の安定化のため、P、S、Cu、Ni+Cの管理値が厳しく設定されています。
炭素当量
S15CKの炭素当量は、以下のとおりです。
0.19～0.34
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。
S15CK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。
下記の焼入れ後の機械的性質は、表面層ではなく中心部の特性です。
S15CKでは、破損の起点となる表面層には圧縮の残留応力が残るため、高い疲労強度が要求される部品に適しています。
S15CK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 | ー | ー | ー | ー | ー | ー |
| 焼きなまし | ー | ー | ー | ー | ー | 111 ～ 149 |
| 焼入れ焼戻し | 345以上 | 490以上 | 20以上 | 50以上 | 118以上 | 143 ～ 235 |
S15CKの熱処理（焼入れ・調質）
S15CK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。
S15CKの熱処理条件
| 焼ならし | 焼なまし | 焼入れ | 焼戻し |
|---|---|---|---|
| 880 ～930℃空冷 | 約 880℃炉冷 | 一次870 ～ 920℃油（水）冷二次750 ～ 800 ℃水冷 | 150 ～200℃空冷 |
浸炭焼入れはJISでは2回の焼入れとなっています。
実際には、ほとんどの工場で、じか焼入れ（1回だけの焼入れ処理）が行われています。
大量生産品はガス浸炭が多く、930℃程度で3～4時間の浸炭後、そのまま800℃まで下げて、焼入れを行います。
S15CKの物理的性質
下記の値は必ずしもS15CK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。
S15CKの物理的性質
| 物理的性質 | 物性値 |
|---|---|
| 縦弾性係数（ヤング率）[GPa] | 205～206 |
| 横弾性係数[GPa] | 79～82 |
| ポアソン比（常温） | 0.27～0.29 |
| 密度[g/cm3] | 7.84～7.86 |
| 比重 | 7.84～7.86 |
| 融点[℃] | 1660～1770 |
| 熱伝導率[W/(m・K)] | 44～60 |
| 熱膨張係数[10-6/K] | 10.7～11.6 |
| 固有抵抗[10-8Ω・m] | 13.3～19.7 |
| 比熱[J/(kg・K)] | 0.474～0.494 |
S15CKの使い方と注意事項
最後にS15CK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。
S15CKの用途
S15CKは浸炭焼入れ（はだ焼入れ）をするための鋼材です。
S15CKとS15Cの違い
S15CKは、P、S、Cu、Ni+Crの含有量が、S15CKよりも少なく規定されているだけで、炭素量は同じです。
S15CK、S15Cとも浸炭焼入れは可能ですが、S15Cでは、JIS B6914（鉄鋼の浸炭及び浸炭窒化焼入焼戻し加工）適合のJISマークは付けられません。
JIS B6914には、材料がS-CK材であることが条件として規定されています。
また、表面硬さや硬化層深さのばらつき、金属組織などについての品質規定があり、これらを満足するものだけにJISマークが付けられます。
JISマークが不要の場合は、S15Cを使い、個々の部品に必要な品質規定を定めれば、問題有りません。
はだ焼入（浸炭焼入）の特徴
浸炭は、浸炭剤中で表面に炭素を浸透・拡散させる処理です。
浸炭後に、焼入れを行って、表面を硬くします。中心部は柔らかいままなので、粘り強さを維持したまま、耐摩耗性などを高めることができます。
表面に圧縮の残留応力が残るため、疲労限度が高くなるメリットも有ります。
