鋼の特性を改善・向上させ、特殊な性質を持たせるために、製錬過程で意図的に添加される元素を合金元素と呼ぶ。一般的な合金元素は、クロム、ニッケル、モリブデン、タングステン、バナジウム、チタン、ニオブ、ジルコニウム、コバルト、ケイ素、マンガン、アルミニウム、銅、ホウ素、希土類などです。リン、硫黄、窒素なども場合によっては合金として作用する。
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Cr
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クロムは鋼の焼入れ性を高め、二次硬化の効果があり、鋼を脆くすることなく炭素鋼の硬度と耐摩耗性を向上させることができる。含有量が12%を超えると、鋼は良好な高温耐酸化性と耐酸化腐食性を有し、また鋼の熱強度を高める。クロムはステンレス鋼の耐酸鋼と耐熱鋼の主な合金元素である。
クロムは圧延状態での炭素鋼の強度と硬度を向上させ、断面の伸びと収縮を減少させることができる。クロム含有量が15%を超えると、強度と硬度が低下し、伸びと断面収縮が増加する。クロム鋼を含む部品は、研削により高い表面加工品質が得られやすい。
焼入れと焼戻し後の鋼は、より良い包括的な機械的特性を有するように、焼入れ性を向上させるために、焼戻し組織におけるクロムの主な役割は、浸炭鋼でもクロム炭化物を形成することができるように、材料表面の耐摩耗性を向上させることである。
クロムを含むばね鋼は熱処理中に脱炭しにくい。クロムは工具鋼の耐摩耗性、硬度、赤色硬度を向上させることができ、良好な焼戻し安定性を有する。電熱合金では、クロムは合金の耐酸化性、耐性、強度を向上させることができる。
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ニー
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ニッケルは鋼中のフェライト相を強化し、パー ライト相を微細化するが、全体的な効果は強 度を高めることであり、塑性への影響は大きくない。一般的に言って、焼戻し処理なしの圧延、焼ならし、または焼なまし状態で使用される低炭素鋼の場合、一定のニッケル含有量は、その靭性を著しく低下させることなく、鋼の強度を向上させることができる。統計によると、ニッケルが1%増加す るごとに、29.4Paの強度が向上する。ニッケル含有量の増加に伴い、鋼の降伏は引張強さよりも速くなるため、ニッケル含有鋼の比率は通常の炭素鋼よりも高くすることができる。鋼の強度を向上させる一方で、ニッケルは他の合金元素に比べ、鋼の靭性、塑性、その他の加工特性への影響は少ない。中 炭素鋼の場合、ニッケルはパーライト遷移温度を低 下させるため、パーライトは薄くなる。また、ニッケルは共析点の炭素含有量を減少させるため、パーライト量は同じ炭素含有量の炭素鋼よりも多くなり、ニッケルを添加したパーライトフェライト鋼の強度は同じ炭素含有量の炭素鋼よりも高くなる。逆に、鋼の強度が同じであれば、ニッケル含有鋼の炭素含有量を適切に低減することができるので、鋼の靭性と塑性を向上させることができる。ニッケルは鋼の耐疲労性を向上させ、鋼のノッチに対する感受性を低下させることができる。ニッケルは鋼の低温脆性遷移温度を低下させ、これは低温鋼にとって非常に重要である。3.5%ニッケルを含む鋼は-100℃で使用でき、 9%ニッケルを含む鋼は-196℃で使用できる。
高ニッケル含有Fe-Ni合金の線膨張係数は、ニッケル含有量の増減によって大きく変化する。この性質を利用して、線膨張係数が非常に小さい、あるいは一定の線膨張係数を持つ精密合金やバイメタル材料を設計・製造することができる。
また、鋼に添加されるニッケルは耐酸性だけでなく、耐アルカリ性、大気や塩分に対する耐食性もあり、ニッケルはステンレス耐酸鋼の重要な元素の一つである。
3
モ
42
鋼中のモリブデンは、焼入れ性と熱強度を向上させ、焼戻し脆性を防止し、残留磁化と保磁力を増加させ、いくつかの媒体中での耐食性を向上させることができる。
焼戻し鋼では、モリブデンは、部品がより効果的に（または削減）残留応力を除去するように、より高い温度で焼戻しすることができるように、鋼の焼戻し抵抗性または焼戻し安定性を向上させ、深く焼入れ部品の大きなセクションを作ることができます可塑性を向上させる。
浸炭鋼における上記の機能に加えて、モリブデンは、浸炭層の粒界に連続したネットワークを形成する炭化物の傾向を低減し、浸炭層の残留オーステナイトを低減し、表層の耐摩耗性を相対的に向上させることができる。
鍛造金型では、モリブデンはまた、鋼は比較的安定した硬度を持って維持することができ、変形を増加させる。割れや摩耗に対する耐性。
ステンレス耐酸鋼において、モリブデンは有機酸（ギ酸、酢酸、シュウ酸など）および過酸化水素、硫酸、亜硫酸塩、硫酸塩、酸性染料、漂白粉などに対する耐食性をさらに向上させることができる。特に、モリブデンの添加により、塩化物イオンの存在による点腐食傾向が防止される。
約1%のモリブデンを含むW12Cr4V4Mo高速度鋼は、耐摩耗性、焼戻し硬度、赤色硬度を有する。
4
W
74
鋼中の炭化物を形成することに加えて、タングステンは、固溶体を形成するために鉄に部分的に溶解している。その効果は、質量分率の計算によると、モリブデンに似ていますが、一般的な効果はモリブデンほど重要ではありません。鋼中のタングステンの主なサンプルは、焼戻し安定性、赤硬度、熱強度を向上させ、炭化物の形成による耐摩耗性の向上です。したがって、主に高速度鋼、熱間鍛造ダイス鋼などの工具鋼に使用されます。
タングステンは、炭化物の蓄積プロセスを容易にし、高温で焼戻しされたときに高い高温強度を維持することができ、高品質のばね鋼の耐火炭化物を形成する。タングステンはまた、鋼の過熱感度を低減し、焼入れ性を高め、硬度を増加させることができます。65SiMnWAバネ鋼は、熱間圧延後の空冷後の硬度が高く、50mm2の断面を持つバネ鋼は、大きな荷重、耐熱性（350℃以下）と衝撃に耐えるために重要なバネとして使用することができ、油で急冷することができます。30W4Cr2VA高強度耐熱バネ鋼、焼入れ性大、1050 ~ 1100℃、550 ~ 650℃焼戻し引張強さ1470 ~ 1666Pa。主に高温（500℃以下）で使用されるスプリングの製造に使用されます。
タングステンの添加により、それは大幅に鋼の耐摩耗性と被削性を向上させることができますので、タングステンは、合金工具鋼の主な元素である。
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V
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バナジウムは炭素、アンモニア、酸素と強い親和性を持ち、それらに対応する安定した化合物を形成する。バナジウムは主に鋼中の炭化物の形で存在する。その主な機能は、鋼の構造と結晶粒を微細化し、鋼の強度と靭性を向上させることである。高温で固溶体に溶解すると焼入性を高め、逆に炭化物の形で存在すると焼入性を低下させる。バナジウムは焼入れ鋼の焼戻し安定性を高め、二次硬化の効果をもたらす。高速度工具鋼を除く鋼中のバナジウム含有量は、一般に0.5%以下である。
通常の低炭素合金鋼のバナジウムは、結晶粒を微細化し、正規化後の強度と降伏比を向上させ、低温特性を改善し、鋼の溶接性能を向上させることができる。
一般的な熱処理条件による合金構造鋼のバナジウムは焼入れ性を低下させるため、構造鋼ではマンガン、クロム、モリブデン、タングステンと組み合わせて使用されることが多い。焼戻し鋼のバナジウムは、主に鋼の強度と降伏比を向上させ、結晶粒を微細化し、過熱感受性をピックアップするために使用されます。浸炭鋼では、結晶粒を微細化することができるため、二次焼入れを行うことなく、浸炭後に直接焼入れを行うことができる。
バネ鋼と軸受鋼において、バナジウムは強度と降伏比を向上させ、特に比例限界と弾性限界を高め、熱処理中の脱炭感受性を低下させ、表面品質を向上させることができる。5クロム中にバナジウムを含む軸受鋼は、高い炭化分散性と良好な性能を有する。
工具鋼に含まれるバナジウムは、結晶粒を微細化し、過熱感受性を低下させ、焼戻し安定性と耐摩耗性を高め、工具の寿命を延ばす。
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ティ
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チタンは窒素、酸素、炭素との親和性が強く、硫黄との親和性は鉄よりも強い。そのため、脱酸脱ガス剤として優れており、窒素や炭素の固定に有効な元素である。チタンは強い炭化物を形成する元素であるが、他の元素と結合して複雑な化合物を形成することはない。炭化チタンの結合力は強く、安定しており、分解することは容易ではなく、鋼の場合のみ1000℃以上に加熱してゆっくりと固溶体に溶解する。溶融前に、炭化チタン粒子は、結晶粒の成長を防ぐ効果があります。チタンと炭素の間の親和力は、クロムと炭素の間の親和力よりもはるかに大きいので、チタンは、粒界におけるクロムの枯渇を排除し、それによって鋼の粒界腐食を排除または低減するために、その中の炭素を固定するためにステンレス鋼に一般的に使用されます。
チタンはまた、強力なフェライト形成元素の一つであり、鋼のA1およびA3温度を強力に上昇させる。チタンは通常の低合金鋼の塑性と靭性を向上させることができる。チタンは窒素と硫黄を固定し、炭化チタンを形成するため、鋼の強度が向上する。チタンは窒素と硫黄を固定し、炭化チタンを形成するため、鋼の強度が向上します。結晶粒の微細化を正常化することにより、炭化物を析出させ、鋼の塑性と衝撃靭性を大幅に向上させることができ、チタン合金構造用鋼は、良好な機械的特性と加工特性を持っていますが、主な欠点は、焼入れ性が若干悪いことです。
これは鋼の耐食性（主に粒界腐食に対する耐性）と靭性を向上させるだけでなく、高温での鋼の粒成長傾向を整理し、鋼の溶接性能を向上させることができます。
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Nb/Cb
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ニオブとコロンビウムはタンタルと共存することが多く、鉄鋼における役割も似ている。ニオブとタンタルは固溶体に部分的に溶解して固溶体を強化する。オーステナイトに溶解すると、鋼の焼入れ性が著しく向上する。しかし、炭化物や酸化物粒子の形態では、結晶粒が微細化し、鋼の焼入れ性が低下する。ニオブは鋼の焼戻し安定性を高め、二次硬化の効果がある。少量のニオブは、塑性や靭性に影響を与えることなく、鋼の強度を向上させることができる。結晶粒を微細化する効果があるため、鋼の衝撃靭性を向上させ、脆性遷移温度を低下させることができる。含有量が炭素の8倍以上になると、鋼中の炭素をほとんど固定できるため、耐水素性が良好になる。オーステナイト鋼では、酸化性媒体による粒界腐食を防ぐことができる。炭素の固定と析出硬化により、高温強度鋼のクリープ強度などの高温特性を向上させることができる。
ニオブは、建築に使われる一般的な低合金鋼の降伏強さと衝撃靭性を向上させ、脆性遷移温度を下げることができる。浸炭焼戻し合金構造用鋼では、同時に焼入れ性が向上する。鋼の靭性と低温性能を向上させる。低炭素マルテンサイト系耐熱ステンレス鋼の空気硬化を低減し、焼入れ焼戻し脆性を回避し、クリープ強度を向上させることができる。
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Zr
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ジルコニウムは強力な炭化物形成元素であり、鋼中での役割はニオブ、タンタル、バナジウムと同様である。少量のジルコニウムを添加することで、脱ガス、結晶粒の純化、精錬の効果があり、鋼の低温性能を助長し、スタンピング性能を向上させ、ガスエンジンや弾道ミサイル構造に使用される超高強度鋼やニッケル基超合金の製造によく使用される。
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Co
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コバルトは主に特殊鋼や合金に使用され、コバルトを含む高速度鋼は高温硬度を持ち、同時にモリブデンをマルエージング鋼に添加することで、超高硬度と良好な総合機械特性を得ることができる。さらに、コバルトは熱に強い鋼や磁性材料の重要な合金元素でもある。
コバルトは鋼の焼入れ性を低下させるため、炭素鋼を単独で添加すると、焼戻し後の総合的な機械的特性が低下する。コバルトはフェライト相を強化することができ、炭素鋼に添加し、焼鈍または焼ならしした状態では、鋼の硬度、降伏点、引張強さを向上させることができるが、伸びと断面収縮は悪影響を及ぼし、衝撃靭性もコバルト含有量の増加とともに低下する。コバルトは耐酸化性があるため、耐熱鋼や耐熱合金に使用される。コバルト基合金ガスタービンもまた、その独特な役割を示している。
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Si
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ケイ素はフェライトやオーステナイトに溶解して鋼の硬度と強度を向上させることができ、その役割はリンに次いでマンガン、ニッケル、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウムなどの元素よりも強い。しかし、ケイ素含有量が3%を超えると、鋼の塑性と靭性が著しく低下する。ケイ素は鋼の弾性限界、降伏強さ、降伏比（σs/σb）、疲労強さ、疲労比（σ-1/σb）を向上させることができる。これが、ケイ素またはケイ素マンガン鋼をばね鋼として使用できる理由である。
シリコンは鋼の密度、熱伝導率、電気伝導率を低下させる。フェライト結晶粒の粗大化を促進し、保磁力を低下させる。結晶の異方性を減少させる性質があり、磁化しやすく、磁気抵抗を減少させ、電気鋼の製造に使用できるため、ケイ素鋼板の磁気遮断損失が低い。シリコンはフェライトの透磁率を向上させるので、鋼板は弱い磁場下で高い磁気誘導強度を持つ。しかし、シリコンは強磁場下での鋼板の磁気誘導強度を低下させる。シリコンは強い脱酸作用があり、鉄の磁気時効効果を低下させる。
ケイ素を含む鋼を酸化性雰囲気中で加熱すると、表面にSiO2膜が形成され、高温での耐酸化性が向上する。
シリコンは鋳鋼の柱状結晶の成長を促進し、塑性を低下させる。珪素鋼は熱伝導率が低いため、加熱時に早く冷却されると、鋼の内外温度差が大きくなり、破断に至る。
シリコンは鋼の溶接性を低下させる。珪素の酸素との結合力は鉄より強いため、溶接中に低融点珪酸塩を生成しやすく、溶融スラグや溶融金属の流動性を高め、飛散現象を引き起こし、溶接品質に影響を与える。シリコンは良い脱酸剤である。アルミニウムで脱酸する場合、一定量のケイ素を添加すると、脱酸率が大幅に向上します。鉄鋼を作る際に原料として持ち込まれる鉄鋼には、一定量のケイ素が含まれている。沸騰鋼では、ケイ素は＜0.07%に制限され、添加を意図する場合は、製鋼でフェロシリコン合金が添加される。
1
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ムン
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マンガンは優れた脱酸剤であり脱硫剤である。鋼鉄は一般に一定量のマンガンを含み、硫黄による鋼鉄の熱間脆性を除去するか弱めることができ、それによって鋼鉄の熱間加工性能を向上させる。
マンガンと鉄によって形成される固溶体は、鋼中のフェライトとオーステナイトの硬度と強度を向上させる。同時に、炭化物によって形成される元素であり、セメンタイトに入って鉄原子の一部を置き換える。マンガンは、鋼の臨界転移温度を下げることによってパーライトを精錬する役割を果たし、また間接的にパーライト鋼の強度を向上させる役割を果たす。マンガンはニッケルに次いでオーステナイト組織を安定させる能力があり、鋼の焼入れ性を強く向上させる。2%未満のマンガンを他の元素と組み合わせた様々な合金鋼が作られてきた。
マンガンは豊富な資源と多様な性能という特徴を持ち、高マンガン含有炭素構造用鋼やバネ鋼など広く使用されてきた。
高炭素高マンガン耐摩耗鋼では、マンガン含有量は10%から14%に達することができ、固溶化処理後、良好な靭性、衝撃や変形時に、表面層が変形により強化され、高い耐摩耗性を有する。
マンガンと硫黄は融点の高いMnSを形成し、FeSによる熱脆性を防ぐことができる。マンガンは鋼の結晶粒を粗大化させ、焼もろい感受性を高める傾向がある。製錬・鍛造後の冷却が適切でないと、鋼中に白い斑点が生じやすい。
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アル
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アルミニウムは主に脱酸と結晶粒の微細化に使用される。窒化鋼の硬い耐食窒化層の形成を促進する。アルミニウムは低炭素鋼の時効を抑制し、低温での鋼の靭性を向上させることができる。含有量が多い場合、酸化性酸やH2Sガス中での鋼の耐酸化性・耐食性を向上させ、鋼の電気的・磁気的特性を向上させることができる。アルミニウムは鋼の固溶体強化に大きな役割を果たし、浸炭鋼の耐摩耗性、疲労強度、核心機械特性を向上させます。
アルミニウムとニッケルは耐火合金中で化合物を形成し、冶金的強度を向上させる。アルミニウムを含むFe-Cr系アルミニウム合金は、抵抗特性がほぼ一定で、高温での耐酸化性に優れ、電気冶金用合金材料やクロムアル抵抗線に適している。
ある鋼が脱酸されるとき、アルミニウムの量が多すぎると、鋼に異常組織を生じさせ、鋼の黒鉛化傾向を促進する。フェライト鋼やパーライト鋼では、アルミニウムの含有量が多いと、高温強度と靭性が低下し、製錬、注湯などに困難をもたらす。
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銅
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鋼中の銅の主な役割は、通常の低合金鋼の耐大気腐食性を向上させることであり、特にリンと一緒に使用した場合、銅の添加は鋼の強度と降伏比を向上させることができ、溶接性能に悪影響を及ぼすことはありません。0.20%から0.50%の銅を含むレール鋼（U-Cu）は、耐摩耗性に加えて、その耐食性寿命は、一般的なカーボンレールの2〜5倍です。
銅の含有量が0.75%を超えると、溶体化処理と時効処理後に時効強化効果が得られる。低い場合、その効果はニッケルに似ているが弱い。含有量が高くなると、熱間変形加工に不利となり、熱間変形加工中に銅が脆くなる。オーステナイト系ステンレス鋼中の2%～3%の銅は、硫酸、リン酸、塩酸に対する耐食性と応力腐食に対する安定性を持つことができる。
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B
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鋼中のホウ素の主な役割は、鋼の焼入れ性を高め、ニッケル、クロム、モリブデンなどの他の希少で高価な金属を節約することである。この目的のため、その含有量は一般的に0.001%から0.005%の範囲で規定されている。1.6%のニッケル、0.3%のクロムまたは0.2%のモリブデンを置き換えることができ、モリブデンの代わりにホウ素で注意する必要があります、モリブデンは焼戻し脆性を防止または低減することができ、ホウ素はわずかに焼戻し脆性の傾向を促進するので、完全にホウ素モリブデンと置き換えることはできません。
ホウ素を含有する中炭素炭素鋼は、改善された焼入れ性のために、焼戻し性能が大幅に改善された後、20mm以上の鋼の厚さを作ることができる、したがって、40Bおよび40MnB鋼は、40Crの代わりに使用することができ、20Mn2TiB鋼は、20CrMnTi浸炭鋼の代わりに使用することができます。しかし、鋼中の炭素含有量が増加すると、ホウ素の役割が弱まる、あるいは消失するため、ホウ素含有炭素浸炭鋼の選択では、浸炭後の部品を考慮する必要があり、浸炭層の硬化性は、コアの硬化性よりも低くなります。
バネ鋼は一般的に完全焼き入れが必要で、通常バネ面積は大きくないので、ホウ素含有鋼の使用が有利である。高シリコンばね鋼は、ホウ素の作用が大きく変動するため、使用に不便である。
ホウ素は窒素や酸素と強い親和性があり、沸騰鋼に0.007%のホウ素を添加すると、鋼の時効現象を解消できる。
1
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レ
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一般に希土類元素とは、周期表の原子番号57から71までのランタノイド（15種）に、スカンジウム（21種）とイットリウム（39種）を加えた計17種を指す。これらは性質が近く、簡単には分離できない。混合希土類と呼ばれる未分離のものは安価で、希土類元素は鍛造圧延鋼、特に鋳鋼の塑性と衝撃靭性を向上させることができる。耐熱鋼の電熱合金や超合金の耐クリープ性を向上させることができる。
希土類元素は、鋼の耐酸化性と耐食性を向上させる効果もある。耐酸化性の効果は、ケイ素、アルミニウム、チタンなどの元素を上回る。鋼の流動性を向上させ、非金属介在物を減少させ、鋼組織を緻密で純粋なものにすることができる。
通常の低合金鋼に適切な希土類元素を添加すると、脱酸と硫黄除去が良好になり、衝撃靭性（特に低温靭性）が向上し、異方性が改善される。
希土類元素は、フェロクロムアルミ合金の耐酸素性を高め、高温でも鋼の細粒を維持し、高温強度を向上させ、電熱合金の寿命を大幅に向上させます。
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N
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窒素エネルギーは鉄に一部使用され、固溶強化と焼入性向上の効果があるが、大きなものではない。粒界に窒化物が析出するため、粒界の高温強度を高め、鋼のクリープ強度を高めることができる。鋼中の他の元素と結合して、析出硬化効果がある。鋼の耐食性は大きくないが、窒化後の鋼の表面は、硬度と耐摩耗性を高めるだけでなく、耐食性を大幅に向上させる。軟質炭素鋼中の残留窒素は、時効脆性につながる可能性があります。
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S
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硫黄とマンガンの含有量を増やすことで、鋼の切削性能を向上させることができ、硫黄は快削鋼に有益な元素として添加される。硫黄は鋼中に多く偏析する。高温で鋼の品質を劣化させ、鋼の塑性を低下させる有害元素で、融点の低いFeSの形で存在する。FeS単体の融点は1190℃しかないが、鋼中の鉄と共晶を形成する共晶温度はさらに低く、988℃しかなく、鋼が凝固すると硫化鉄は一次粒界に沈殿する。鋼を1100～1200℃で圧延すると、粒界にあるFeSが溶融し、結晶粒間の結合力が大幅に弱まり、鋼の熱間脆性が生じるため、硫黄を厳密に管理する必要がある。一般的な管理は0.020%～0.050%である。硫黄による脆性を防ぐためには、融点の高いMnSを形成するのに十分なマンガンを添加する必要がある。鋼中の流量が多い場合、SO2 の発生により溶接金属にポロシティや気孔が形成される。
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P
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リンは鋼の固溶強化と冷間硬化に強い影響を与える。合金元素として低合金構造用鋼に添加すると、鋼の強度と耐大 気腐食性を向上させることができるが、冷間スタンピング 性能は低下する。リンを硫黄やマンガンと併用することで、鋼の切断 性能を高め、加工物の表面品質を向上させることができ、快削 鋼に使用されるため、快削鋼のリン含有量も比較的高 い。リンはフェライトに使用され、鋼の強度と硬度を向上させることができますが、最大の害は、偏析が深刻であることであり、焼戻し脆性が増加し、鋼の塑性と靭性が著しく増加し、その結果、鋼は、冷間加工時に脆くなりやすい、すなわち、いわゆる "冷たい脆性 "現象。リンは溶接性にも悪影響を及ぼす。リンは有害な元素であり、厳密に制御されるべきであり、一般的な含有量は0.03%〜0.04%以下である。
