「鋼鉄 」はこの項目へ転送 されています。1933年の映画については「鋼鉄 (映画) 」をご覧ください。
鋼 （はがね 、こう、釼 は異体字、英 : steel 炭素 を0.04から2パーセント程度含む鉄 の合金 。鋼鉄 （こうてつ）とも呼ばれる[ 1] ニッケル ・クロム などを加えた特殊鋼 （合金鋼 ）の2種が存在する。純粋な鉄に比べ強靭で加工性に優れ、鉄の利用の大部分は鋼によって占められているため、鉄と鋼を合わせ鉄鋼 （てっこう）とも呼ばれる[ 2] [ 3]
鋼橋。
日本語の「はがね」の由来は刃物 に用いる金属 を意味する「刃金 （ はがね ）
鉄鋼はドイツ語の「Eisen und Stahl 」の訳が語源とされているが、日本で最初に「鉄鋼」という呼び名が使われたのは雲伯鉄鋼合資会社 （現・プロテリアル 安来工場）の社名が原点とされている[要出典 。雲伯鉄鋼合資会社による鉄鋼製品の源流は「たたら製鉄 」であるが、ここでいう「鉄鋼」とは新案特許 「製鋼法」（明治 39年（1907年 ）取得）からなる錬鉄をさし、新特許法 の錬鉄（伊部式包丁鉄と言う）が出発となる。
Fe-C状態図 鉄の性質は、含まれる炭素 の量で大きく変化する。鉄鉱石 を還元したものを銑鉄 といい、4%から5%の炭素を含む。これをそのまま鋳型 に流したものが「鋳物」とも呼ばれる鋳鉄 である。鋳鉄はもろくて可塑性 がなく、鎚で叩いたり、曲げたりすると割れてしまう。
もろい銑鉄から炭素を除去すると、鉄は強靭になるとともに可塑性を持ち、叩いて整形(鍛造 )したり、曲げたり、延ばしたりの加工が可能になる。この炭素の少ない鉄が鋼鉄である。
現在の金属学 の定義では、Fe-C系2元合金において、C 含有量が0.0218 - 2.14%の範囲にある部位である。言い換えると、フェライト のC最大固溶 量（0.0218%）からオーステナイト のC最大固溶量（2.14%）までの範囲の部位とも定義できる。Fe-C系2元合金において、C含有量が0.0218%以下のものを鉄 と呼び、2.14[mass%]以上のものを鋳鉄 と呼ぶ。一方で、極低炭素鋼 やステンレス鋼 のように炭素の添加がなされない鉄も「鋼」と呼ばれる。国際規格の ISO 4948-1 では、一般的に2.0%以下の含有量の炭素と他の元素を含む鉄の合金を鋼 (英語 : steel 、フランス語 : acier ) と定義している[ 5]
「鉄」の使用そのものはエジプト（紀元前3000年頃）やアナトリア（紀元前2500-2200年頃）で鉄製の飾りや剣の現物が見つかっているが、これはニッケルが多いことから隕鉄 の加工とされる。ただし、後者の隕鉄の剣はむしろ普通の鉄より加工が難しいことからこの時点で十分鉄を加工する技術を持っていた証とされ、「製鉄」はこのアナトリア地方の人々（ヒッタイト以前）が銅を精錬する際に鉄やマンガンの鉱石を加えて、銅鉱石のケイ素分をファイアライト（2FeO・SiO2 ）などにして集める際に、炉内の還元状態が強くなって偶然でき、その後ヒッタイト時代にヒッタイト帝国はこれを秘伝として鉄の生産を続けていたと考えられている[ 6]
このヒッタイトは炭 を使って鉄を鍛造 することにより鋼を製造し[ 7] アナトリア を中心に鉄を主力とする最初の文明を築いた。この製法は厳重に秘匿されていたものの、前1200年のカタストロフ と呼ばれる大動乱によって紀元前1190年頃にヒッタイトが滅亡すると、製鋼技術はヒッタイトを滅ぼした海の民 や、エジプト やメソポタミア といった近隣の諸国へと伝播し、さらにそこから遠方へと伝わっていった。
産業革命 以前の世界においては各国で鋼が製造されたが、なかでも最も名高かったものはインド において生産されるウーツ鋼であった。ウーツ鋼はあらかじめ砕けやすい褐鉄鉱 をシャフト炉（筒形の炉）でルッペという低炭素の鉄塊を作り、これをるつぼ に木の欠片を入れ、加熱させて融解させ炭素を吸収させ1-1.6％ほどの鋼にしたものを鍛造して作られ[ 8] シリア のダマスカス において刀剣 に加工されたものは非常に高い評価を受けていた[ 9] ダマスカス鋼 という名前で広く知られるようになった他、東洋でも中国では木炭不足で5世紀頃には石炭製鉄（木炭と違い直接鋼や低炭素の鉄にならず、銑鉄として製造される。）に切り替えられたことで銑鉄を脱炭して作った鋼より上等だと輸入されていた[ 10]
日本においても砂鉄 を原料とするたたら製鉄 によって和鋼 と呼ばれる鋼が生産され、日本刀 などの原料として使用された。たたら製鉄は銑鉄を生産する「銑押し（ずくおし）」が主流であり、生産された銑鉄から鋼が生産されていたが[ 11] 玉鋼 と呼ばれ日本刀の材料に最適とされたが[ 12] 錬鉄 が生産されていた[ 13]
ヨーロッパにおいては18世紀初頭に低炭素のルッペ鉄に浸炭して鋼にする方法が開発されたが、小さな刃物程度ならば問題ないものの、表面と中心部にムラができるので大きな塊にはできなかった[ 14] ベンジャミン・ハンツマン によってイギリスにおいてもるつぼ法が開発され、良質な鋼を比較的量産できるようになった。これは原料を正確に測ってから中に入れ、蓋をして加熱するので火炎にさらされず有害なガスの混入を防ぐことができ脱ガスも不要だったが、るつぼの大きさや窯の構造にもよるが、18世紀頃でも溶解に6時間ほどかかり、るつぼ1つにつき10㎏づつ程度しかできないという欠点があった[ 15] アルフレッド・クルップ はこの方法で巨大な鋳鋼 （鋳鉄 ではない）を作ってロンドン万博に出品し、これまで錬鉄や銑鉄でしかできなかった大砲の砲身や鉄道の車軸に用途に鋼が使えることを示したが、高価であるという問題はクルップにも解決できず、真に工業的に大量生産ができるようになるのにはイギリスのヘンリー・ベッセマー による1856年の転炉法 やジーメンスの平炉法 の発明を待たねばならなかった[ 16]
高炉 （神戸製鋼所加古川製鉄所 ）
近代における鋼の生産は、先ず赤鉄鉱 や磁鉄鉱 など採掘 された酸化鉄 である鉄鉱石 を高炉 で還元 させて銑鉄 を得る。縦長の高炉上部から、鉄鉱石・コークス ・石灰石 を投入し、下部から熱ガスと空気を送り込んで800℃以上を維持するよう燃焼させる。これにより、コークスから発生する一酸化炭素 が酸化鉄を還元させて銑鉄が得られる。この工程は高炉の耐久性限界まで連続して行うのが通例である[ 17]
高炉で得られた銑鉄に含まれる炭素など不純物を次の製鋼 工程で取り除く。ここでは、ケイ素 、リン 、硫黄 などを除去し、炭素 の含有率が0.5 - 1.7%程度に調整される。この方法には転炉 と平炉 が使用された[ 17]
転炉（転炉製鋼法）は1856年 にイギリス の発明家ヘンリー・ベッセマー が開発した。彼の名を取ってベッセマー法 と名づけられた本技術によって初めて鉄鋼の大量生産が可能となった。このベッセマー転炉においては、珪石 製の煉瓦 を内部に張った炉に銑鉄を入れ加熱空気を送ると不純物や余分な炭素が燃焼（酸化）して除去できる。この方法によって20トンの製鉄を30分以下で行うことが可能となった。発明当初の技術ではリンの除去は不可能であった[ 注釈 1] シドニー・ギルクリスト・トーマス が白雲石 粉末を裏張りした転炉を用いる方法を開発し、このトーマス転炉において硫黄の除去が可能となったほか、リンをリン酸カルシウム の溶滓 （ようさい）として分離させることも可能となった。トーマス法ではこのリン酸カルシウムも肥料になるので無駄にならない一方で、このリンの反応も熱源なので原料のリン濃度が低いと逆にうまくできなくなる（1.8-2.5％程度のリン濃度が必要[ 注釈 2] [ 20] [ 21] [ 22] オーストリア で開発された空気の代わりに酸素 を用いるLD転炉法が主流となっている[ 17] 1949年 にはそれまで底から酸素を送り込んで不純物を除去していたが炉底が痛むので上から酸素を吹きつけた所、これだけでも撹拌が起きて不純物が除去されることがわかり、上部から酸素を送り込む工法が主流となった。しかし上部からの酸素だけでは撹拌が弱くなる（＝時間がかかる）ため、1970年代にはプロパンガスを同時に吹き込みこの分解熱で炉底を守る底吹きが主流となる。すると今度は上部の温度が上がりにくくなるという欠点が現れ、結局1980年代以降は上部からの酸素供給を基本とし、底部から補助的に空気を送り込む混合式の吹込みが主流となった[ 24]
平炉は反射炉 の一種で、1856年にシーメンス兄弟（カール・ウィルヘルム・シーメンスとフレデリック・シーメンス）によって炉の構造が発明され、マルタン父子（ピエール・ マルタンとエミール・マルタン）によって製鋼法が発明された[ 25] [ 26] [ 27] [ 注釈 3] [ 29]
このほかにスクラップを主に用いる電気炉 生産方式（電気炉製鋼法）がある。1900年にポール・エルー によって実用化されたもので、日本 での生産割合は、転炉製鋼法が約75%、電気炉製鋼法が約25%である[ 31] [ 32]
日本古来のたたら製鉄は明治時代以降近代製鉄に押されて急速に生産量を減らしていき、1925年にはすべての生産が終焉した[ 33] 玉鋼 はたたら製鉄でしか製造できなかったため、1933年には「靖国たたら」が島根県 に作られ、1945年まで操業した[ 34] [ 35] [ 34] [ 36] 日立金属 の支援によって日本美術刀剣保存協会 が日刀保たたらを建設し、玉鋼の生産を行っている[ 37] [ 38]
一般に、金属材料の降伏強さ を向上するためのメカニズムには、大別して「固溶強化」「析出強化」「転位強化」「結晶粒微細化強化」の4つが存在する。これらの機構を適用して、鋼の強化も行われる。塑性変形 は結晶中の転位 の動きによって起こる。4つの強化機構は、いずれも転位の動きやすさを低下させるように働き、それによって鋼を強化させる。
鋼の特長は、まず鉄に軽微な合金化を行うことにより強靭 な固体材料を生成できること、資源が豊富であり酸素との親和性が比較的低いため安価に精錬ができることにある。別元素の固溶限が大きく合金化しやすいため、多様な鋼種が開発されてきた。
ケイ素 (Si) を添加した電磁鋼、ニッケル (Ni) やマンガン (Mn) を添加した非磁性鋼、クロム (Cr) やニッケル (Ni) を添加したステンレス鋼 など、さらに工具鋼 、高速度鋼 など、さまざまな用途に適した鋼種がある。
鉄鋼材料は各観点からいろいろな名前で呼ばれ、分類法によっては同じものが別の名前で呼ばれることがある。
鋼はその用途ごとに鋼種の改良が進んできた。例えばJISの分類も、銅 などの合金が比較的成分の系列にしたがって命名されているのに比べ、用途や製法、強度区分、炭素量を示すものなどがあり、解りにくいものになっている。
例えばS45Cという鋼種は炭素 量0.45%の鋼をいい、SUJ（軸受鋼）は、ボールベアリング の内外輪に使われる鋼種であるということを示す。
さらに、各国の規格において鋼種の呼称が異なっている。例えば
鉄鋼は大きく分けて、鉄と微量の炭素による合金である炭素鋼 （普通鋼）と、それ以外の金属との合金である合金鋼 （特殊鋼）に二分される。
普通鋼の名の通り、古来から製造使用されてきた鋼は炭素鋼に分類され、鋼の総生産量のうち約8割を占めている[ 41] [ 42]
また、炭素鋼は、組成（標準組織）や炭素 濃度の上から以下のように分類できる。
炭素鋼を基本として一種または数種類の金属を添加し性質を改善したものが合金鋼であり、普通鋼に対して特殊鋼の名で呼ばれている。特殊鋼は添加する金属によって、ニッケルクロム鋼 、ニッケルクロムモリブデン鋼 、クロム鋼 、クロムモリブデン鋼 、マンガン鋼 など様々な種類が存在する。特殊鋼の生産量は鋼の総生産量のうち約2割を占めている[ 41] [ 42]
JIS規格 ではこの分類法が用いられている。
鋼は鍛造 や鋳造 、圧延 などでさまざまな形状に姿を変える。圧延法による鋼材は形状により条鋼 、鋼板 、鋼管 の3つに分類され、さらに条鋼は軌条 、形鋼 、棒鋼 、線材 に分類される。鋼板は厚さにより厚さ3mm未満の薄板、厚さ3mm以上6mm未満の中板、厚さ6mm以上の厚板に分けられる[ 43]
鋼は極めて用途が広く、機械や建材から生活用品に至るまで多くのものに用いられる。このため、鉄鋼の消費量と当該国の生活水準との間には強い関連があり、経済指標の一つとして用いられる[ 44]
ウーツ鋼や玉鋼に見られるように、近代以前の世界において鋼の主な使用法は、硬度の要求される刀剣の材料としてのものであったが、16世紀以降、オスマン帝国 で鋼は銃の砲身に使用されるようになり、この製法はムガル帝国 にも伝わった[ 45] レール は1860年代以降急速に鋼鉄製へと代わっていった[ 46]
19世紀には世界で最初に産業革命を起こしたイギリス が粗鋼の最大生産国であったが、19世紀末にはドイツ とアメリカ の追撃を受け、1890年にはアメリカが世界最大の粗鋼生産国となり、1895年にはドイツがイギリスを抜いて世界第2の生産国となった[ 47] ソヴィエト連邦 がそれに続く状態が20世紀の間続いた。第二次世界大戦後は日本の粗鋼生産量が増大し、1960年には世界5位[ 48] [ 49] 中国 が急速に鉄鋼生産量を増大させ、1996年には日本とアメリカを抜いて世界一の生産量となり、以後トップの座を保ち続けている[ 50] インド や韓国 、ブラジル やトルコ といった新興国の鉄鋼生産が増大し、2018年にはインドが世界2位の鉄鋼生産国となった[ 51]
2018年の粗鋼最大生産国は中国であり、世界生産18億トンの51％を占めている。次いで、インド、日本、アメリカ、韓国、ロシア 、ドイツ、トルコ、ブラジル、イタリア の順となっている[ 52]
日本の高炉メーカー は合併による集約が進み、2020年時点では日本製鉄 、JFEスチール 、神戸製鋼所 の3社のみとなっている[ 53] 電気炉メーカー は小規模なメーカーが多く、最大手の東京製鐵 のほか、2015年時点では30社ほどが操業している[ 54]
^ なお、それまで行われていたパドル法などは時間がかかり炉内も酸素分圧が高く低温のため、リン酸鉄がスラグに混ざって取り除かれていた。
^ このため、戦前日本というより東洋全土でも唯一トーマス転炉を使用していた日本鋼管 では原料の銑鉄中のP濃度が0.4％のため、低位品位の安価なものとはいえリン鉱石をわざわざ投入していた[ 18] [ 19]
^ 平炉全盛期時代の1910年に書かれた俵の『鉄と鋼』では「（こうした理由で塩基性の平炉は）もっとも広く現今又は将来において用いられる運命を持っている」と言い切られている[ 28]
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