鉄（鉄鋼）の熱処理変化 小田原市立城北中学校 ２年 志村 彩夏 それでは発表させていただきます。

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1 鉄（鉄鋼）の熱処理変化 小田原市立城北中学校 ２年 志村 彩夏 それでは発表させていただきます。
鉄（鉄鋼）の熱処理変化、小田原市立城北中学校、志村彩夏。 よろしくお願いします。★ 小田原市立城北中学校 　　　　　２年　志村　彩夏

2 【原料処理】 コークス 鉄鉱石 石灰石 鉄鉱石 石灰石 石炭 鉄 コークス 焼結鉱 鉄鉱石 焼結鉱 コークス 鉄分 鉄(鉄鋼) 世界文化遺産
鉄鉱石　焼結鉱　コークス まず、鉄はどのように作られるかを説明します。 ★　鉄は、鉄鋼石と石灰石・石炭から作られます。 ★　石炭をコークス炉で蒸し焼きにして、コークスを作ります。 ★　そのコークスと鉄鉱石・石灰石を混ぜたものを焼き固めて焼結鉱を作ります。 ★　鉄鋼石と先ほど作った焼結鉱・コークスを溶鉱炉の上から入れます。 　　　　溶鉱炉の下から1200℃の熱風を酸素と一緒に吹き込み、湯のように溶かします。 ★　溶鉱炉の中では、不純物が上に浮かび重い鉄分が下にたまります。 　　　　下にたまった、鉄分を取出し製鉄所で鉄（鉄鋼）を作り出されます。 「観察目的及び動機」は、 　私達の周りには、様々な金属が存在し、使用されています。その様々な金属の中で一番使用されおり、また、★「韮山反射炉」が世界文化遺産に認定された事で、日本の近代化に対して最も重要な役割を果たした事を知り、「鉄」に焦点を置きました。その「鉄」も私達の周りでは、色々な物に使用され、その使用される物に適した特性を有している事を知りました。そこで昔から使用されている、「鉄」の熱処理を観察する事で、「鉄」の多様性を確認したいと思ったので、この実験を行いました。★ 鉄分 鉄(鉄鋼) 世界文化遺産 「韮山反射炉」 映画もののけ姫より　　　 　「たたら製法」

3 【実験方法】 200g/cm 鋼材 2 焼き入れ…材料を硬くする熱処理 焼き戻し…材料を元の硬さに戻す。 硬さを調整すること
【実験方法】です。 　熱処理（「焼き入れ」「焼き戻し」）をした、鋼材（鉄）に★200g/㎠の圧力を加えて、鋼材の変形具合を確認する事により、鋼材の熱処理前と熱処理後の変化を確認します。又、熱処理後の鋼材とその他鋼材（未熱処理）を比較する事により、鋼材の種類ごとの変化を確認します。 ★焼き入れとは、鉄鋼を高温に熱した後に、急冷することで、材料を硬くする熱処理のことです。 　鉄鋼に含まれる炭素量によって左右されます。 ★焼き戻しとは、焼き入れをした後に行う熱処理のことです。焼き入れにより硬くなった鉄鋼をもとの硬さに戻したり、固さを調整することです。★ 焼き戻し…材料を元の硬さに戻す。 硬さを調整すること

4 【材料】20mm×20mm×100mmに統一 ＜一般材料（熱処理比較）＞ SS400 315g 安価 最もよく使用される S50C 314g
　安価　最もよく使用される 　 S50C　314g 　炭素鋼と呼ばれる 　 ＜一般材料（熱処理をしない）＞ アルミニウム　107g 　軽量を必要とする材料 　 【用意した材料】（20ｍｍ×20ｍｍ×100ｍｍの形に統一しました。） 焼き入れと焼き戻しをするための材料として２種類用意しました。 ★SS400は、炭素量の少ない鋼材で値段が安いため、最もよく使用されている金属です。船舶や車両外装などに用いられます。統一形状の重さは315gでした。 ★S50Cは、炭素鋼と呼ばれ、炭素がある程度入っている鋼材です。Ｓ50Ｃの50とは、炭素を0.50％を含んでいることを表しています。機械部品などの機械構造用に用いられます。統一形状の重さは314gでした。 次に熱処理をしない材料を用意しました。 ★アルミニウムは、鉄鋼よりも比重が軽いため、軽量を必要とする材料として使われます。軽量化が要求される新幹線、航空機、ロケットなどで使用されます。統一形状の重さは107gでした。 ★ステンレスは、鉄とクロム（Ｃｒ）の合金で最近では急激に使用が伸びている材料です。特徴として錆びにくい性質を持っています。腐食防止箇所に使用されます。統一形状の重さは316gでした。 ★クロムモリブテン鋼は、強靭（ｷｮｳｼﾞﾝ）さが必要とされる、機械類に使用される材料です。車両部品、建設機械部品などに使用されます。統一形状の重さは318gでした。★ ステンレス　316g 　鉄とクロムの合金 　 クロムモリブテン鋼　318g 　強靭な材料

5 【焼き入れ】 加熱前の素材 赤くなるまで加熱 水につけて急冷 実験の行程です。まずは、金属を焼き入れすることから始めました。
★使用したガスバーナーは、こちらの写真になりますが、要ガス溶接技能講習というものを受けていないと使用できないということで、私は残念ながらこの作業をやらせてもらえませんでした。★ このガスバーナーで、鋼材がまんべんなく赤くなるまで熱し、水に着けて急冷しました。★ 赤くなるまで加熱 水につけて急冷

6 【焼き戻し】 ①＝素材のまま(未処理) ②＝焼き入れ後 ③＝焼き戻し後 S50C① SS400① S50C② SS400② SS400③
次に焼き戻しです。 　焼き入れをした素材を再度、ガスバーナーで、鋼材がまんべんなく赤くなるまで熱し、常温で時間をかけて冷ましました。 　これで加圧するための材料が揃いました。それぞれの材料を区別するために番号をつけました。 それぞれの★素材のまま（未処理)のものを①、★焼き入れ後のものを②、★焼き戻しの後のものを③とし、★その他の材料（アルミニウム・ステンレス・クロムブテン鋼）は未処理のまま観察します。★ SS400③ S50C③ アルミニウム ステンレス クロムブテン鋼

7 【予想】硬い順位。変形・歪みが少ない順。
１位 クロムモリブデン鋼　（未処理） 318g 　S50C以上に強度を求められる。 　機械部品等に使用されているので硬いと思う ２位 Ｓ50Ｃ②　　 （焼き入れ） 314g 　炭素量が多く、 　焼き入れ特性に優れていると思う ３位 ＳＳ400② 　（焼き入れ） 315g 　S50Cほど炭素量が多くないが、 　焼き入れが可能だと思う ４位 Ｓ50Ｃ③　 （焼き戻し） 　焼き戻しはしているが、 　未処理のS50C①よりは硬いと思う ５位 Ｓ50Ｃ① 　（未処理） 　使用している箇所から、元々硬い鉄だと思う ６位 ＳＳ400③ 　（焼き戻し） 　未処理のSS400①よりは硬いと思う ７位 ステンレス　 （未処理） 316g 　腐食性に優れているが、 　鋼材としての硬さはあまり無いと思う ８位 ＳＳ402①　 　一般鋼材として多用され、安価なため、 　やわらかいと思う ９位 アルミニウム　（未処理） 107g 　他の鋼材と比べて非常に軽いので、

8 【加圧】 SS400①(未処理) SS400②(焼き入れ後) いよいよ【加圧】です。
★使用したプレス機がこちらです。200ｇ/㎠　の圧力をかけて、材料の変形及びひずみを確認しました。加圧圧力選定のため、SS400①の素材のまま（未熱処理鋼材）を100～300g/㎠まで加圧して、適度な変形から200g/㎠と選定しました。 ★SS400①をプレス機にのせ、200g/㎠の圧力をかけるとSS400が変形しました。★素材を変え、同様の実験を繰り返しました。★

9 【結果】硬い順位。変形・歪みが少ない順。
１位 Ｓ50Ｃ②　　（焼き入れ） 314g 　 80g/㎠の加圧で折れてしまったが、変形・ ひずみは無し（硬い＝折れる？）※１ ２位 ＳＳ400②　 （焼き入れ） 315g 　思っていたより、焼き入れの変化が ある事が解った ３位 Ｓ50Ｃ③　 （焼き戻し） 　S50C②が折れてしまい、炭素鋼は適度な 焼き戻しが大切だと解った ４位 クロム モリブデン鋼　 （未処理） 318g 　未熱処理で一番だが、クロムモリブデン鋼を熱処理した時を調べたいと思った※２ ５位 Ｓ50Ｃ①　 314g　　　 未熱処理だが、SS400①と比べるとかなりの 硬さと思った ６位 ステンレス　（未処理） 316g 　思っていたより、硬い素材だと解ったが、 腐食性を必要としない時は単価が問題 ７位 ＳＳ400③　 　焼き戻しにより、未熱処理のSS400①に近い 硬さに戻った ８位 ＳＳ400① 　（未処理） 予想通りの結果だが、硬いだけが鉄の特性 では無いと思う ９位 アルミニウム　（未処理） 107g 硬い・やわらかいと単純に2つに分けると 非常にやわらかいが、他の1/3の重さが魅力

10 【考察・調べ学習】上から①～③の順。 SS400①→③ S50C①→③ クロムモリ ブテン鋼 S50C②が80g/㎠の加圧で
アルミニウム ステンレス クロムモリ ブテン鋼 S50C②が80g/㎠の加圧で 　折れてしまったが、 　変形・ひずみは無し 　（硬い＝折れる？） 考察と調べ学習のまとめです。 ★今回の実験で、硬い＝変形・ひずみが無いと言う実験をしましたが、硬い＝適度の粘りが必要な気がしたので、調べてみると、機械の車軸等で使用される鉄の中には、車軸の鉄全てを熱処理するのでは無く、表面を熱処理（高周波焼き入れ）し外側だけを固くし、車軸が折れないようにする技術がある事が解りました。 ★クロムモリブテン鋼について調べてみると、表面を熱処理し、特殊用途（耐摩耗性等）に使われるようだが、調べれば調べるほど、専門的で意味が理解できなかった、今後の私自身の課題になれば良いと思いました。(*^_^*)★ クロムモリブデン鋼 を熱処理すると…

11 【感想】 クロムモリブデン鋼に 焼き入れするとS50C②より 硬いものができる！！ 焼き入れしすぎも× ⇒焼き戻しをして使用
　目的にあった鋼鉄を作る 感想です。まず、この服装で実験を行ったので、汗が部活並みに出てきて大変でした。 　今回の実験を終えて予想だったクロムモリブデンは一番硬いと思っていたが焼入れをしたS50C②（炭素0.50%の焼き入れ熱処理）がクロムモリブデンより固かったのでびっくりしました。 しかし、★気になって調べてみたらクロムモリブデンに焼入れをすればS50C②より硬い物が出来ることがわかりました。逆に焼入れのしすぎは、むやみに硬くするだけで、鋼材としての使用目的に対して良くないことも分かりました。 　今回の実験ではS50C②は焼入れのしすぎだったので80g/㎠で割れてしまいました。鉄を熱し内部構造を「オーステナイト組織」に変化させた後に、急冷することにより、炭素原子が体心立方格子内で急激な組織変異のため、取り残される、このことにより常に内部構造的にストレスのかかった、「マルテンサイト組織」に変化させることで、内部結晶が面心立方格子に変わる、内部組織的には硬い素材ではあるが、内部構造にストレスがあるため、組織的にもろい構造になる。冷却速度を調整したり、焼き戻しをしたりして、使用目的にあった鉄鋼を作ることが、非常に大事だと解りました。 本やインターネットがあるわけではないのに昔の人はその焼入れ技術をうまく使い幾度とない失敗と成功を繰り返し日本刀などの優れた金属製品を作ってきたのは素晴らしい技術だと思いました。 また、これからは、金属という枠組みを超えて内部組織をその時の使用用途に合わせて素材の特性（硬くなったり柔らかくなったり）を変えることのできる新素材などが出来れば凄いと思いました。★ 素材の特性を変える ことのできる新素材が できたら凄いと思う！

12 ご清聴ありがとう ございました 鉄（鉄鋼）の熱処理変化 ご静聴ありがとうございました。 小田原市立城北中学校 　　　　　２年　志村　彩夏