Si – 鋼へのシリコン（ケイ素）合金添加

シリコン – ばね鋼、耐熱鋼などの特性への影響

シリコンの発見とその冶金における重要性

ケイ素は1823年にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスによって化学元素として発見され、これが後の冶金における利用の始まりとなった。当初はその役割が過小評価されていたものの、19世紀の鉄鋼業の急速な発展により、鋼の特性に対するケイ素の影響をより詳細に理解することが可能になった。重要な転換点となったのは、ケイ素が強度と耐食性を向上させるという発見であり、これにより様々な産業で広く利用されるようになった。

シリコン – 物理化学的特性

化学的特性評価

• シリコンは半金属であり、ダイヤモンド型の結晶構造を持つ。
• 通常条件下では、SiO₂パッシベーション層のおかげで酸素に対する耐性があります。
• 水やほとんどの酸とは反応しない（例外：HFとは反応して揮発性のSiF₄を生成する）。
• 塩基と反応してケイ酸塩を生成する。
• 鋼材において重要な合金添加物であり、焼入れ性、クリープ耐性を向上させ、脱酸剤として、またフェライト組織の安定化剤として作用する。
• 電子工学において、半導体は基本的な材料であり、マイクロプロセッサ、太陽電池、センサーの基礎となる。

冶金におけるシリコンの初期利用

19世紀前半、シリコンは冶金工程における脱酸剤として主に用いられるようになった。酸素と結合してスラグを形成するシリコンの能力により、溶鋼から不要な介在物を除去し、均質性を向上させ、気孔をなくし、構造的純度を高めることが可能になった。時が経つにつれ、シリコン含有量の増加が鋼の機械的特性に影響を与えることが認識され、この元素が合金成分として意図的に添加されるようになった。

シリコンは鉄組織中で様々な溶解度を示す。γ鉄（オーステナイト）では最大2%まで溶解するが、炭素が0,35%存在すると溶解度は9%まで増加する。α鉄（フェライト）ではシリコンの溶解度は最大18,5%に達し、高い機械的および熱的負荷を受ける鋼材において極めて重要な役割を果たす。

シリコンが鋼の特性に及ぼす影響

シリコンは鋼の微細構造と機能特性に大きな影響を与える。シリコンの存在は以下のような影響をもたらす。

• 硬度と引張強度の向上 シリコンは鋼構造における欠陥の数を減らし、均質性を向上させる。
• 弾力性の向上 ―ばね鋼や構造用鋼において重要。
• ガス腐食および酸化に対する耐性が向上しました。 －耐熱鋼および耐酸性鋼のキー。
• 衝撃強度の低下 シリコン含有量が多いと鋼が脆くなるため、合金組成中のシリコンの量を制御する必要がある。

0,4%までのケイ素は、鋼の脱酸工程における自然な残留物と考えられています。しかし、それ以上の濃度になると、ケイ素は重要な合金元素となり、様々な鋼種の性能特性を決定づける要因となります。

ばね鋼中のシリコン

ばね鋼では、シリコンはクロム、バナジウム、またはマンガンと組み合わされます。この元素の組み合わせにより疲労耐性が向上し、これは繰り返し動的荷重を受ける部品にとって非常に重要です。これらの鋼は次のような用途に使用されます。

• 自動車 サスペンションスプリング、ショックアブソーバー、スタビライザー。
• 機械産業 ―繰り返し荷重を受ける要素。
• 航空 ―高い弾性と耐亀裂性が求められる航空機部品。

耐熱鋼におけるシリコン

シリコンは合金表面に安定した酸化層を形成する能力があるため、高温での鋼の耐酸化性を向上させます。耐熱鋼では、クロム、モリブデン、アルミニウムと組み合わせて使用​​されることが多く、 900～1100℃の温度範囲で優れた構造安定性を提供します。これらの鋼は、次のような用途に使用されます。

• ボイラーと蒸気タービン ―高温ガスにさらされる部品。
• 工業用炉 ―火格子、燃焼室、断熱カバー。
• 排気システムとエンジンバルブ ―酸化耐性およびガス状硫黄腐食に対する耐性が重要な場合。

特殊鋼中のシリコン

内燃機関に使用されるバルブ鋼では、シリコン含有量が3%に達し、高温や排気ガスの腐食作用に対する耐性が向上します。

ケイ素含有量12～18％の鉄合金は、硫酸や硝酸に対する優れた耐性を示し、化学工業において不可欠な材料となっている。このような鋼は以下のような用途に用いられる。

• 腐食性化学物質を貯蔵するためのタンク.
• 工業用パイプライン 酸腐食に強い。
• 化学実験器具酸性環境に対する高い耐性が求められる場合。

シリコン、硬化性、プラスチック加工

シリコンの添加は鋼の焼入れ性に影響を与え、特にマンガン、クロム、モリブデンなどの炭化物形成元素と組み合わせた場合に顕著である。シリコン含有量の多い鋼は、耐摩耗性が向上し、運転プロセス中のエネルギー損失が低減されるという特徴がある。

しかし、シリコンが過剰になると冷間加工性が損なわれるため、構造用鋼におけるシリコンの使用量は4～7％の範囲に制限される。この値を超えると、鋼の成形や機械加工が困難になる。

磁性鋼 ― シリコンの重要な応用例

鋼材におけるシリコンの最も重要な用途の一つは、電磁鋼板における役割である。1 ～3％のシリコン添加はヒステリシス損失を大幅に低減し、変圧器、発電機、電動機の効率を向上させる。

磁性鋼におけるシリコンの特性：

• 電気抵抗が増加する渦電流損失を低減する。
• 透磁率を向上させるこれにより、変圧器コアの性能が向上します。
• 磁歪を低減する電気機器から発生する騒音を低減します。

これらの特性のおかげで、ケイ素鋼はエネルギー産業や電気機器の製造において広く使用されている。

多用途な合金元素であるシリコンは、多様な特性を持つ鋼の製造において重要な役割を果たします。硬度、耐食性、耐熱性に対するシリコンの影響により、以下のような特殊合金の製造が可能になります。

ばね鋼 －強度と弾力性の向上。

50HS – シリコンとマンガンの含有量を増やしたばね鋼で、高い弾性と耐疲労性を特徴とする。ばね、サスペンションスプリング、ショックアブソーバーの製造に使用される。

C67Sは、炭素含有量約0,67%の炭素ばね鋼で、優れた焼入れ性と高い耐摩耗性を備えています。ばね、ばねバンド、高硬度工具の製造に使用されます。

C75S – 炭素含有量約0,75%のばね鋼で、高い機械的強度と優れた弾性を特徴とする。工業用ばね、手工具、刃物などの製造に使用される。

C85S – 焼入れ後の高硬度と優れた耐摩耗性を備えた高炭素鋼（炭素含有量約0,85%）。高い機械的強度を必要とするナイフ、ばね、刃物、工具などの製造に使用される。

C100S – 炭素含有量が非常に高い（約1,00% C）ばね鋼で、最高の硬度と耐摩耗性を備えています。精密ばね、工具刃、および極めて高い硬度を必要とする部品の製造に使用されます。

耐熱鋼 ―高温下での酸化に対する耐性。

H13JS – クロム含有量約13%の耐熱フェライト鋼で、酸化や腐食性ガスに対する耐性を向上させるシリコン添加剤が含まれています。高温で稼働する熱交換器、炉、炉部品などに使用されます。

H18JSは、クロム含有量約18%の耐熱鋼で、保護酸化皮膜の安定性を高めるシリコン添加剤が配合されています。酸化やガス腐食に対する耐性が高く、工業炉、排気ダクト、化学装置などでの使用に適しています。

H24JSは、クロム含有量が高く（約24%Cr）、シリコン含有量も多い耐熱鋼で、酸化性雰囲気や硫黄雰囲気に対する耐性が向上しています。冶金産業やエネルギー産業の高温設備で使用されています。

1.4828 – 耐熱性オーステナイト鋼（クロム約19%、ニッケル約11%）にシリコンを添加したもので、1000℃までの耐酸化性と高温での構造安定性が向上しています。排気システム、ガスバーナー、工業炉部品などに使用されます。

1.4841 – オーステナイト系耐熱鋼（クロム約25%、ニッケル約20%）にシリコンを添加したもので、1100℃までの耐酸化性および耐ガス腐食性が向上しています。タービン、工業用ボイラー、暖房システム、高炉など、極端な高温条件下での高い安定性が求められる用途に使用されます。

バルブ鋼 ―燃焼機関における高温に対する耐性。

H9S2 – クロム約9%、ケイ素約2%を含む耐熱フェライト鋼。ケイ素は高温下での酸化およびガス腐食に対する耐性を向上させる。炉部品、熱交換器、および高温条件下で稼働する設備に使用される。

H10S2Mは、クロム約10%、ケイ素約2%、モリブデン添加による耐熱フェライト鋼で、硫黄雰囲気下での耐食性が向上しています。ケイ素の存在により、1000℃までの温度で高い安定性を示します。エネルギー産業や化学産業で使用されています。

磁性鋼 －電気機器におけるエネルギー損失の最適化。

シリコンが鋼鉄に及ぼす影響に関する継続的な研究のおかげで、今後さらに高度な冶金技術が開発されることが期待できる。