高性能オーステナイト系ステンレス鋼のガイド -- 冶金の概要

1. ステンレス鋼の種類

ステンレス鋼は、クロム含有量が 10.5% 以上の鉄ベースの合金です。 優れた耐食性と高温性能により、広く使用されています。 クロム含有量が 10.5% に達すると、鋼の表面にクロムが豊富な酸化物の層が形成されます。これは不動態層または不動態皮膜と呼ばれます。 このフィルムは、ステンレス鋼を普通の鋼のように錆びないように保護します。 ステンレス鋼には多くの種類がありますが、すべてのステンレス鋼はクロム含有量の最小要件を満たす必要があります。

ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、二相ステンレス鋼（フェライトとオーステナイトの混合組織）、マルテンサイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼の5つに分類されます。 これらのカテゴリーの分類は、ステンレス鋼の結晶構造（原子配列）と熱処理に関連しています。 金属の中で同じ結晶構造を持つ結晶の集まりを相と呼びます。 ステンレス鋼には、オーステナイト、フェライト、マルテンサイトの 3 つの主な相があります。 ステンレス鋼の金属組織のタイプと量は、標準的な金属組織検査プロセスと光学金属組織顕微鏡によって決定できます。

オーステナイト系ステンレス鋼の特徴は、金属組織が主にオーステナイト系であることです。 オーステナイト相の結晶構造は、面心立方 (fcc) 構造です。つまり、立方体の各面の各コーナーと中心に原子があります。 対照的に、フェライト相の結晶構造は体心立方 (bcc) 構造であり、立方体の各コーナーと中心に 1 つの原子があります。 マルテンサイト相の結晶構造は、高歪体心正方晶構造です。

オーステナイト相の結晶構造は面心立方 (fcc) 格子、フェライト相は体心立方 (bcc) 格子、マルテンサイト相は体心正方 (bct) 格子です。

 

1.1 オーステナイト系ステンレス鋼:

オーステナイト系ステンレス鋼は、磁性がなく、中程度の降伏強度、高い加工硬化率、高い引張強度、優れた可塑性、および優れた低温靭性を備えています。 他のステンレス鋼とは異なり、オーステナイト系ステンレス鋼の靭性は、温度の低下とともにゆっくりと低下します。 オーステナイト系ステンレス鋼には明確な延性脆性遷移温度 (DBTT) がないため、低温用途に理想的な材料です。

オーステナイト系、フェライト系、および二相 (オーステナイト系フェライト系) ステンレス鋼の延性脆性遷移温度 (DBTT) の図。 実際の DBTT は、切片の厚さ、化学組成、粒子サイズによって異なります。 フェライト系ステンレス鋼の DBTT は、一般に 20 ～ - 30 度 C (70 ～ - 22 度 F) です。

 

オーステナイト系ステンレス鋼は溶接性が良く、複雑な形状の加工が可能です。 このシリーズのステンレス鋼は、熱処理によって硬化または強化することはできませんが、冷間成形または加工硬化によって強化することができます (ASTM A666 を参照)。 オーステナイト系ステンレス鋼、特に標準オーステナイト系ステンレス鋼には潜在的な欠点があります。つまり、フェライト系ステンレス鋼や二相ステンレス鋼と比較して、塩化物応力腐食割れが発生しやすいということです。

300 シリーズまたは標準のオーステナイト系ステンレス鋼には、一般に 8% ～ 11% のニッケルと 16% ～ 20% のクロムが含まれています。 標準的なオーステナイト系ステンレス鋼の金属組織は、主にオーステナイト粒で構成され、少量 (通常 1 ～ 5%) の δ フェライト相が含まれています (図 3)。 フェライト相が存在するため、これらのオーステナイト系ステンレス鋼にはわずかな磁性があります。

鍛造ステンレス鋼 304L の典型的な金属組織は、オーステナイト粒子と個々のストリップ フェライトで構成されています © TMR ステンレス.

 

300系ステンレス鋼と比較すると、200系オーステナイト系ステンレス鋼はNi含有量が少ないが、MnとN含有量が多い。 200系ステンレス鋼の強度とひずみ硬化係数は、300系ステンレス鋼よりも高いです。 ニッケル含有量が少ないため、300 シリーズ ステンレス鋼の安価な代替品として 200 シリーズ ステンレス鋼が使用されることがあります。

高性能オーステナイト系ステンレス鋼の微細構造は、強磁性を持たないオールオーステナイト相です（図4）。 標準オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、高性能オーステナイト系ステンレス鋼は、ニッケル、クロム、モリブデン元素を多く含み、一般的に窒素を含んでいます。 これらのステンレス鋼は、汽水、海水、塩水などの強酸、強アルカリ、高塩化物媒体などの腐食環境に対して強い耐食性を示します。 高性能オーステナイト系ステンレス鋼は、標準的なオーステナイト系ステンレス鋼と比較して、強度グレードが高く、応力腐食割れに対する耐性が優れています。

すべてがオーステナイト結晶粒で構成された 6% Mo 高性能オーステナイト ステンレス鋼の金属組織 © TMR ステンレス。

 

1.2 フェライト系ステンレス鋼:

フェライト系ステンレス鋼の微細構造はフェライト相です。 フェライト系ステンレス鋼は、ニッケル含有量が少ないか、まったくなく、強磁性です。 熱処理しても硬化しません。 このタイプのステンレス鋼の強磁性特性は、炭素鋼の特性に似ています。 フェライト系ステンレス鋼は強度が高く、塩化物応力腐食割れに対する耐性は、標準の 300 シリーズ オーステナイト系ステンレス鋼よりもはるかに優れています。 しかしながら、それらの成形性および溶接性は劣っている。 靭性はオーステナイト系ステンレス鋼ほど良くなく、切片の厚さが増すと減少します。 温度が下がると、フェライト系ステンレス鋼は明らかな延性-脆性遷移を示します。 これらの要因によって制限されるため、フェライト系ステンレス鋼の使用は、通常、薄板、ストリップ、薄肉チューブなど、肉厚の薄い製品に限定されます。

 

1.3 二相ステンレス鋼:

二相ステンレス鋼は、フェライト相とオーステナイト相で構成され、それぞれ約半分を占めます。 二相ステンレス鋼は、オーステナイト系およびフェライト系ステンレス鋼の多くの特徴を備えています。 このような鋼を熱処理で硬化させることはできませんが、降伏強さは通常、標準的なオーステナイト系ステンレス鋼の 2 倍であり、磁力はフェライト相の体積分率に比例します。 二相ステンレス鋼の金属組織の二重特性により、応力腐食割れに対する耐性が標準オーステナイト系ステンレス鋼よりも優れています。

 

1.4 マルテンサイト系ステンレス鋼:

マルテンサイト系ステンレス鋼の微細構造は主にマルテンサイトであり、フェライト、オーステナイト、炭化物などの少量の二次相を含む場合があります。 マルテンサイト系ステンレス鋼は強磁性で、炭素鋼に似ています。 最終的な硬度は、特定の熱処理によって異なります。 マルテンサイト系ステンレス鋼は、強度が高く、耐摩耗性に優れ、靭性が低く、延性脆性遷移温度が高い. それらは溶接が難しく、一般に溶接後の熱処理が必要です。 したがって、マルテンサイト系ステンレス鋼は一般に非溶接用途に限定されます。 マルテンサイト系ステンレス鋼のクロム含有量は高すぎません。 一部のクロム元素は炭化物の形で析出し、耐食性が低くなり、一般に標準の 304/304L オーステナイト系ステンレス鋼よりも低くなります。 靭性と耐食性が低いため、マルテンサイト系ステンレス鋼は一般に、ツール、ファスナー、シャフトなど、高い強度と硬度が必要な用途に使用されます。

 

1.5 析出硬化ステンレス鋼:

析出硬化（PH）ステンレス鋼も熱処理によって強化することができます。 このタイプのステンレス鋼の基本的な特徴は、その部分的な強化が析出メカニズムによって達成されることです。 時効硬化熱処理により微細な金属間化合物が生成し、強度が向上します。 クロム含有量が高いため、析出硬化型ステンレス鋼はマルテンサイト系ステンレス鋼よりも優れた耐食性を持ち、優れた耐食性を必要とする高強度用途に適しています。 析出硬化系ステンレス鋼は、主にバネ、ファスナー、航空機部品、シャフト、ギア、ベローズ、ジェットエンジン部品などに使用されています。

 

2.相組成：

合金元素は相平衡関係に影響を与え、オーステナイト、フェライト、マルテンサイト相の安定性に強い影響を与えます。 ステンレス鋼に添加される元素は、フェライト相形成元素とオーステナイト相形成元素に分けられます。 相平衡は、鋼の化学組成、焼鈍温度、および冷却速度に依存します。 耐食性、強度、靭性、溶接性、成形性はすべて相平衡の影響を受けます。

フェライト形成元素はフェライト相の形成に寄与し、オーステナイト形成元素はオーステナイト相の形成を促進する。 表 3 に、一般的なフェライトおよびオーステナイト相形成元素を示します。 ステンレス鋼の等級とその用途によって、必要な位相バランスが決まります。 ほとんどの標準的なオーステナイト系ステンレス鋼は、溶体化処理で少量のフェライト相を持っています。 溶体化処理により、高温での溶接性と靭性を向上させることができます。 ただし、フェライト相の含有量が多すぎると、耐食性や靭性などの他の特性が低下します。 高性能オーステナイト系ステンレス鋼は、溶体化焼鈍条件下ですべてのオーステナイト相に合わせて設計されています。

 

鋼の相組成を制御して鋼の特性を制御するには、合金元素を平衡状態に保つ必要があります。 シェフラーの構造図 (図 5) は、ステンレス鋼の化学組成と凝固状態での予想される相構造との関係を反映しており、溶接の微細構造によって明らかになります。 このようにして、ユーザーは与えられた化学組成に基づいて相平衡を予測できます。 化学組成から「ニッケル当量」と「クロム当量」を計算し、図に描きます。 シェフラー組織図の共通パラメータの式は次のとおりです。

ニッケル当量{{0}% Ni + 30% C + 0.5% Mn + 30% N

クロム当量{{0}}パーセントCrプラスパーセントMoプラス1.5パーセントSiプラス0.5パーセントNb

典型的な高性能オーステナイト系ステンレス鋼には、約 20 パーセントの Cr、6 パーセントの Mo、20 パーセントの Ni、および 0.2 パーセントの N が含まれています。 「ニッケル当量約24、クロム当量約26のライン。対照的に、標準的なステンレス鋼（304など）の化学組成は、少量のフェライトを含むオーステナイトとフェライト（AとF）の二重ゾーンに対応します。段階。 フェライト系ステンレス鋼は図のフェライト相ゾーンにあり、二相ステンレス鋼はオーステナイトとフェライト (A と F) の二相ゾーンにあります。