2025.10.27 2025.10.31

炭素鋼とは？鉄と炭素の割合で変わる特性を理解する

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鉄鋼材料の中でも、もっとも身近で広く利用されているのが「炭素鋼（たんそこう）」です。建築、機械、自動車、工具など、あらゆる産業分野で活躍しており、私たちの生活を支える基礎的な素材といえます。
しかし、「炭素鋼とは何か？」と聞かれると、意外と正確に答えられる人は多くありません。本記事では、炭素鋼の定義から種類・特性・用途までを、わかりやすく丁寧に解説します。

CONTENTS

炭素鋼とは何か？

炭素鋼とは、鉄（Fe）を主成分とし、炭素（C）を一定割合含む合金鋼のことです。
基本的には「鉄＋炭素」で構成されており、その他の合金元素（クロム、ニッケル、モリブデンなど）はごく少量、またはほとんど含まれません。

つまり、ステンレス鋼や工具鋼などのように特殊な合金元素を添加していない「最もシンプルな鋼材」です。
構成は単純ですが、炭素の含有量を変えるだけで、硬さ・靭性（ねばり強さ）・加工性などの性質が大きく変わるのが特徴です。

炭素鋼の基本構成

炭素鋼の主成分は以下の2つです。

鉄（Fe）： 鋼のベースとなる金属。柔らかく延性に優れる。
炭素（C）： 鋼に硬さと強さを与える元素。

鉄単体は非常に柔らかく、そのままでは構造材として使うには不十分です。
しかし、そこにわずか数％未満の炭素を加えることで、鉄の中に「セメンタイト（Fe₃C）」と呼ばれる硬い化合物が形成され、強度や硬さが飛躍的に高まります。

鉄と炭素の関係

鉄と炭素の関係を理解するうえで重要なのが、「炭素含有量」です。
炭素鋼に含まれる炭素量は、通常0.02〜2.1％程度の範囲にあります。
この含有量の違いが、鋼の性質を大きく左右します。

炭素が多いほど硬く強くなりますが、その分だけ脆くなり加工しにくくなるというトレードオフの関係があります。
逆に炭素が少ないと柔らかく、加工や溶接が容易になりますが、強度や耐摩耗性は低下します。

炭素鋼の分類

炭素鋼は、炭素含有量によって大きく3つに分類されます。

低炭素鋼（軟鋼）

炭素量：約0.02〜0.25％

最も柔らかく、延性（のびる性質）や加工性に優れた鋼です。
板金や構造材、自動車のボディなど、曲げ・プレス・溶接が必要な部品に多く用いられます。

代表例：SS400、SPCC（冷間圧延鋼板）など。

特徴：

加工しやすく、コストが安い
溶接性に優れる
強度は低め

中炭素鋼

炭素量：約0.25〜0.6％

低炭素鋼よりも強度が高く、熱処理によって硬さを調整しやすい材料です。
自動車のシャフトや歯車、ボルトなど、強度と靭性のバランスが求められる部品に使用されます。

代表例：S45C、S35C など。

特徴：

熱処理により強度を高められる
適度な硬さと靭性
加工性・溶接性はやや低下

高炭素鋼

炭素量：約0.6〜1.5％

非常に硬く、摩耗に強いのが特徴。工具や刃物、バネなどに使用されます。
その反面、加工や溶接は難しく、脆く割れやすいため、用途は限られます。

代表例：SK85、SUP10など。

特徴：

高い硬度と耐摩耗性
熱処理により高強度化可能
衝撃には弱く、脆い

炭素鋼と鋳鉄の違い

炭素含有量がさらに多くなると、「鋳鉄（ちゅうてつ）」になります。
炭素量が2.1％以上になると、鉄中の炭素が結晶として析出し、鋼ではなくなります。

種類	炭素含有量	特徴
鉄（純鉄）	約0％	柔らかく延性が高い
炭素鋼	約0.02〜2.1％	強度と靭性のバランスが良い
鋳鉄	約2.1〜4％	硬いが脆い、鋳造しやすい

つまり、「炭素鋼」は鉄と鋳鉄の中間的な性質を持つ材料とも言えます。

炭素鋼の特性

炭素鋼の特徴を理解するには、以下の5つの性質を押さえておくと良いでしょう。

強度

炭素量が増えるほど、引張強さや硬さが高くなります。
中炭素鋼・高炭素鋼では、熱処理によりさらに高強度化が可能です。

靭性（ねばり強さ）

炭素量が多くなると、靭性は低下します。
つまり「硬くなるほど割れやすくなる」傾向があります。

加工性

低炭素鋼は塑性加工（曲げ・引き抜きなど）に優れていますが、炭素量が増えるにつれて加工が難しくなります。

溶接性

炭素量が多いと、溶接熱で硬化やひび割れが起きやすくなります。
そのため、溶接構造物には主に低炭素鋼が使用されます。

耐摩耗性

炭素量が多いほど表面硬度が上がり、摩耗しにくくなります。
工具・刃物・ベアリングなどに利用されます。

炭素鋼の熱処理

炭素鋼の大きな特徴は、「熱処理」によって性能を調整できる点です。
代表的な熱処理方法には以下のものがあります。

焼入れ

鋼を高温に加熱してから急冷することで、硬度を高める処理です。
マルテンサイトと呼ばれる硬い組織が形成され、耐摩耗性が向上します。

焼戻し

焼入れによって硬くなりすぎた鋼を、再び中温に加熱して靭性を回復させる処理です。
硬さと粘り強さをバランス良く調整します。

焼なまし（焼鈍）

鋼を加熱後、ゆっくり冷却して組織を安定化させる処理です。
加工しやすくする目的で使用されます。

これらを組み合わせることで、炭素鋼は用途に応じた特性を自在に作り出すことが可能です。

炭素鋼の用途例

炭素鋼は、炭素量と熱処理の組み合わせによって幅広い用途に対応します。代表的な用途を以下にまとめます。

種類	主な用途
低炭素鋼	建築用鋼材、ボルト、パイプ、自動車ボディ
中炭素鋼	シャフト、歯車、ピン、機械部品
高炭素鋼	バネ、刃物、ノコ刃、ベアリング、金型

このように、構造部品から精密工具まで、ほぼすべての産業分野で使われています。