介绍碳钢的用途、种类、特点 SS400，S45C，S50C
发布日期: 2023-09-12
碳钢究竟是怎样的材料？本文将介绍一下碳钢的特点、代表性的碳钢SS400、S45C以及S50C。
说到金属材料，首先要了解钢。在此将介绍一下碳钢的定义、种类、碳钢的特点。
碳钢的特点
碳钢是钢（钢铁）的一种，不是合金钢（特种钢）。
在介绍碳钢的特点之前，首先让我们整理一下钢的定义。
钢是以铁为基础的一种合金。铁在纯铁状态下脆且易生锈，无法作为工业产品使用。因此，通常在铁中添加碳“C”以及锰、磷等，以合金的状态加以使用。“钢”是指其中含碳量约为0.02%～2.14%的物质。
碳量多于2.1%的称为“铸铁”，碳含量在约2.1%～6.67%的作为铸铁处理。碳量增加至该程度以上时，会再次变脆，工业用途上不会使用。
JIS中将碳量小于0.02%的铁记为“纯铁”，将碳量为0.02%～2.14%的记为“钢铁”，将碳量在此以上的铸铁记为“铁”。要注意“铁”与“铸铁”的定义。
铁中含有的碳量与通用名、JIS的名称如下所示。
|
名称 |
铁 |
钢铁 |
铸铁 |
|
碳含量 |
小于0.02% |
0.02%～2.14% |
2.1%～6.67% |
|
JIS名称 |
纯铁 |
钢铁 |
铁 |
铁中含有的碳的量较多时，铁会变硬，并且会变得更脆。即使受到力也不易变形，而在受到冲击力或者受到超过允许范围的力时，容易破坏粉碎。因此，机械和结构物的材料，要求兼具硬度和强度两者。
钢含有令铁兼具硬度和强度两者的恰到好处量的碳。
而且在钢中添加锰、铬、钛等使之具有各种特点的材料叫做合金钢、特种钢。
现在已经开发出不易生锈性质的钢、耐热性强的钢等根据目的而具有各种特点的特种钢。
钢铁中不属于合金钢、特种钢的材料叫做碳钢。即碳钢是没有特殊添加物、未实施加工的原始状态的钢铁。碳钢中的铁“Fe”和碳“C”以外的元素的量被规定为既定值以下，例如铬为0.3%以下，钛为0.05%以下。
碳钢有各种种类，按照所含的碳的量、使用目的、强度等分为以下几类。
|
碳含量 |
～0.1% |
0.1%～0.25% |
0.25%～0.3% |
0.3%～0.6% |
0.6%～2.14% |
|
分类 |
低碳钢 |
中碳钢 |
高碳钢 |
||
|
JIS名称 |
SPC材料 |
SS材料 |
− |
SK材料 |
|
|
SC材料 |
|||||
碳钢按照含碳量分为低碳钢、中碳钢、高碳钢。
碳含量为0.02%～0.25%的叫做低碳钢，0.25%～0.6%的叫做中碳钢，0.6%～2.14%的叫做高碳钢。
钢含碳越多越硬，因此低碳钢用作通过在低温下使材料变形的冷轧制作的钢板，高碳钢用于要求硬度的工具等。
SS400是具有怎样性质的材料呢？在此将介绍一下SS400的特点和用途。
特点
SS400是被称为一般结构用轧制钢材的SS材料（Structural Steel）的一种。
SS材料顾名思义，是作为一般的结构物的材料通过轧制制造的钢，SS材料的名称用符号“SS”后续加3位数字表示。以前曾标记为SS41。3位数字表示材料的拉伸强度，如果是SS400，则表示拉伸强度为400N/mm2以上的结构用钢。SS材料除了SS400以外，还有SS300、SS490以及SS540等种类，但其中使用最广泛的是SS400。
SS400的特点是与其他金属材料相比价格低廉且容易得到。
还具有容易进行焊接、切削等加工的特点。以板材状态流通的情况也较多，还能进行钣金加工、激光切割等。但是不能进行淬火。此外，因为容易生锈，所以需要实施电镀、染黑等防锈处理。
用途
SS400除了用作桥梁、船舶等的结构材料外，还被广泛地用于大型机械、车辆等机械领域到建筑领域。在思考想用铁、钢制作什么时，可以说SS400是设计人员最先浮现在脑海中的材料。SS400就是如此广泛和普遍使用的材料。
使用最广泛的钢材SS400具有怎样的优点和缺点呢？
优点
- 价格低廉且容易入手
- 容易焊接
- 还适合钣金、切削等加工
- 通用性极高
因为是广泛流通的通用材料，因此与其他金属材料相比，价格低廉，容易入手。与不锈钢等相比，材质柔软，因此也容易进行切削、钣金加工等加工，能够用于各种用途。由于碳量较低且不易受到热的影响，因此也适合于焊接。但是在想焊接板厚为25mm以上等较厚的材料时，最好使用SM材料等焊接用材料而非SS400。
缺点
- 不能淬火
- 在铁钢材料中质地也是较软的
- 因为容易生锈，所以需要采取电镀、涂装等防腐措施
SS400是非常普通的材料，因此作为铁钢材料不是特别坚固的材料。需要更加坚固的材料等时，还需要研究选择其他材料。而且由于其碳量低且不能淬火，因此无法进行仅表面获得硬度的加工。而且容易生锈，需要电镀、涂装、氧化膜（黑皮）的保护。
SS400容易生锈，因此多会实施镀镍、镀铬等表面处理。桥梁等我们生活中看到的SS材料绝大多数都是对电镀处理后的材料进一步实施了涂装。在不接触水的地方等不要求太高耐腐蚀性的情况下，也有时会使用实施了黑皮（氧化膜）处理的材料。在建筑工程出入口、地面上铺设的发黑的钢板就是经过黑皮处理的SS400。
SS400常用的表面处理的一览表
- 四氧化三铁膜（染黑）：使用药剂使铁的表面氧化，从而被四氧化三铁（Fe3O4）的膜覆盖。防止腐蚀。
- 无电解镀镍：利用化学的还原作用实施镍磷镀。与热处理一起实施，由此提高表面的硬度，提高耐磨性。
- 硬质镀铬：是比装饰镀铬厚的镀铬。耐磨性、滑动性提高。
- 三价铬酸盐：是为了提高电镀的质量而作为电镀后处理实施的处理。主要用于电镀。
S45C也是作为机械材料被大量使用的材料。在此介绍一下S45C的性质。
特点
S45C是被称为机械结构用碳钢钢材的SC材料（Steel Carbon）的一种。
SC材料用符号“SC”加后续的2位数字标记种类。数字部分表示材料的碳含量，如果是S45C，则表示含有0.45%的碳。以前曾标记为S450C，因此在旧图纸等中，可能会看到S450C的写法。
S45C与SS400并列都是非常常用的材料。而且是已知的SC材料中最流行的材料。因此价格比较低廉，容易得到，被用于各种场所。
能够通过淬火等热处理控制耐磨性、硬度等，因此尤其多用于齿轮那样的要求耐久性的机械部件。另一方面，容易生锈，因此需要实施涂敷油、涂装等防锈处理。
用途
S45C多用于机械部件，尤其是机械内侧的部件。
例如汽车的发动机周边部件、齿轮，此外还用于带轮、托架那样的标准机械部件。在想用铁系材料制作什么时和不要求太高强度时，选择SS400，在需要强度、耐久性时，S45C可以说是最先推荐的备选材料。S45C就是如此普通的机械部件材料。
S45C具有怎样的优点和缺点呢？下面依次介绍一下。
优点
- 通过热处理赋予强度
- 切削加工在热处理之前容易完成
- 通用性高
是广泛流通的通用材料，因此与其他金属材料相比，价格便宜，容易入手。如果是淬火前，容易进行切削加工，因此在制作齿轮等时，一般会在切削加工后实施热处理。另一方面，关于磨削加工，通常是在切削加工后实施热处理，之后为了调整尺寸等而进行磨削。
缺点
- 不适合焊接
- 不大被用作钣金
- 因为容易生锈而需要实施表面处理等
S45C是适合热处理的材料。也就是说会因热而改变性质，因此反而不适合于使用热的焊接。
表面处理的选择方法与SS400相同。
S45C是碳钢，因此除了淬火、回火外，还多使用正火、退火等一般的热处理。另一方面，其淬火性不像合金钢那么高，因此无法淬火得太深。在像齿轮等那样要求较强的表面耐久性的情况下，多会实施高频淬火。
容易与S45C并列比较的材料有S50C。S50C是怎样的材料呢？
特点
S50C是与S45C相同的机械结构用碳钢钢材，是SC材料的一种。
S50C含有0.50%的碳。如前所述，铁具有所含碳量越多硬度越高的性质。因此，S50C比S45C硬，但相应地也较脆。而且材料的成本比SS400、S45C高。
S50C也与S45C相同，是多用于机械部件等的材料。但是S50C在SC材料中也被划分为碳量较多的材料。不仅是硬度、拉伸强度，耐磨性等也比S45C高，因此被用于要求更高强度的部件等。
S50C也能够进行热处理。耐腐蚀性差，需要防锈处理。
碳量比S50C多的SC材料例如有S55C。S55C比S50C更硬，是耐磨性等优异的材料。与S50C的区分使用除了依据材料的强度外，还要考虑流通的材料形状等。
S50C的优点和缺点、常用的表面处理都与S45C、S55C相同。
用途
S50C多用于机械部件中需要较大强度的部件。
例如用于轴、螺栓螺母那样的容易受到较大的力的部件、模具那样要求耐久性的装置。
下面对前面介绍的SS400、S45C以及S50C的规格做以总结。在进行设计等时，建议关注这些数值进行计算。
机械性质
SS400、S45C以及S50C的机械性质由JIS如下表所示做出了规定。
※记载的数值为代表值，而非保证值。
|
种类 |
材质符号 |
热处理（℃） |
机械性质的代表值 |
||||
|
拉伸强度 |
耐力 |
伸长率 |
硬度 |
||||
|
构造用钢 |
SS400 |
− |
400～510 |
215以上 |
21%以上 |
− |
|
|
碳钢 |
S45C |
正火 |
810～860 |
570以上 |
345以上 |
20以上 |
167~229HBW |
|
退火 |
约800 |
− |
− |
− |
137~170HBW |
||
|
淬火 |
810～860 |
690以上 |
490以上 |
17以上 |
201~269HBW |
||
|
回火 |
550～650 |
||||||
|
S50C |
正火 |
810～860 |
610以上 |
365以上 |
18%以上 |
179～235HBW |
|
|
退火 |
约800 |
− |
− |
− |
143～187HBW |
||
|
淬火 |
810～860 |
740以上 |
540以上 |
15%以上 |
212～277HBW |
||
|
回火 |
550～650 |
||||||
物理性质
SS400、S45C以及S50C的物理性质由JIS如下表所示做出了规定。S45C和S50C的物理性质差别不大。
※记载的数值为代表值，而非保证值。
SS400的物理性质
|
物理的性质 |
纵弹性系数（杨氏模量）[GPa] |
横弹性系数[GPa] |
泊松比（常温） |
密度[g/cm3] |
比重 |
熔点[℃] |
导热系数[W/（m・K）] |
热膨胀系数[10-6/K] |
固有电阻[10-8Ω・m] |
比热[J/（kg・K）] |
|
物性值 |
205～206 |
79～82 |
0.27～0.29 |
7.84～7.86 |
7.84～7.86 |
1660～1770 |
44～60 |
10.7～11.6 |
13.3～19.7 |
0.474～0.494 |
S50C的物理性质
|
熔点 |
密度 |
杨氏模量 |
刚性模量 |
泊松比 |
线膨胀系数 |
定压比热 |
导热系数 |
|
GPa |
GPa |
||||||
|
约1,660〜1,680℃ |
7.84 |
205 |
82 |
0.25 |
11.7 |
489〜494 |
44 |
|
种类 |
材料符号 |
形状 |
单位 |
标准尺寸 |
|
一般结构用 |
SS400 |
扁钢 |
t |
6,9,12,13,14,16,19,22,25,28,30,32,35,38,40, |
|
方钢 |
□ |
9,13,16,19,22,25,32,38,44,50,65,75,90,100 |
||
|
冷轧条钢 |
SS400D |
扁钢 |
t |
2, 3, 4, 4.5, 5, 5.5, 6,7,8,9,10,11,12,13,14, |
|
六角钢 |
对边H |
3,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,17,19,21,22,23, |
||
|
圆棒 |
D |
2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18, |
||
|
机械结构用 |
S45C-D |
圆棒 |
D |
2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 6,7,8,9, 9.5, 10,11, |
|
S45C |
扁钢 |
t |
3, 4.5, 5,6,8,9,10,12,16,19,22,25,30,32,38,50 |
|
|
S50C |
扁钢 |
t |
6, 9.5, 12.7, 13,16,19,22,25,27,32,38, |
|
|
方钢 |
□ |
12.7, 13,16,19,25,28,32,38,44,50,55, |
但是该标准尺寸由JIS规定，并不代表实际流通状况。而且流通状况也会因时事情况而改变。因此请使用材料制造商的手册等确认材料的形状和尺寸。
SS400、S45C是作为机械、结构用材料使用最多的材料，S50C是继它们之后使用较多的材料。甚至可以说“在想用金属制作部件、机械时，首先作为备选的就是SS400和S45C”。请学习材料的基本性质，灵活用于设计吧。
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