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(マルテンサイトけいステンレスこう)とは、常温でマルテンサイトを主要な組織とする組成を持つ、ステンレス鋼の一種である。耐食性と合わせて高い強度耐摩耗性を持ち、刃物タービンのブレード、軸受などで使われる。

マルテンサイト系ステンレス鋼とはステンレス鋼の金属組織別分類の一つで、他には「フェライト系ステンレス鋼」「オーステナイト系ステンレス鋼」「オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼」「析出硬化系ステンレス鋼」がある[1][2]。工業材料としてのマルテンサイト系ステンレス鋼は、1913年にイギリスのハリー・ブレアリーによって発明された。

組成と組織

鉄・クロム系2元状態図。γオーステナイト相の存在領域、αフェライト相の存在領域。

マルテンサイト系ステンレス鋼は、高温では、オーステナイト単一組織、またはオーステナイトを主とするフェライトとオーステナイトの2相組織となる組成を持っている[3]。その状態から急冷して焼入れを行うことによってオーステナイトがマルテンサイト変態を起こし、マルテンサイトが生成される[4]。その後、焼戻しを施して使用される[5]

ステンレス鋼は定義的には、炭素を 1.2 %(質量パーセント濃度)以下、クロムを 10.5 % 以上含む鋼である[6][7]。含有されるクロムによってステンレス鋼の耐食性が実現される[8]。マルテンサイト系ステンレス鋼のクロム含有量は、11 %(質量パーセント濃度)から 18 % 程度にわたる[9]。マルテンサイト系の炭素含有量は、典型的には 0.1 % から 1 % 程度である[10]。クロム 13 %、炭素 0.2 % がマルテンサイト系ステンレス鋼の基本的な組成とされる[11]。日本工業規格(JIS)の鋼種では、 クロム 11.50–13.00 %、炭素 0.15 % 以下のSUS410が代表的鋼種に相当する[12][13]

ステンレス鋼の中でマルテンサイト系は、クロム含有量が比較的少なく炭素含有量が比較的多いという特徴を持つ組成となっている[11]。鉄・クロム系2元状態図を見ると、クロムの含有量が増えるに連れてオーステナイト組織領域は狭まり、最終的には消失する[3]。一方、炭素の含有を増やすことで高温域でのオーステナイト組織領域が広がる[14]。マルテンサイトを得るために、マルテンサイト系ではクロム含有量を増やすのに応じて炭素含有量を増やす必要がある[15]。マルテンサイト系の分類として、低炭素系、中炭素系、高炭素系というおおまかな括りで分類することもある[5]。以下の表に工業規格に規定されているマルテンサイト系鋼種の組成の例を示す。

低C-Cr系マルテンサイト系ステンレス鋼種の組成例[16][17][13](数値はmass%
規格 材料記号 C Mn P S Si Cr Ni
ISO X12Cr13 0.08–0.15 1.50以下 0.040以下 0.015以下 1.00以下 11.5–13.5 0.75以下
AISI 410 0.08–0.15 1.00以下 0.040以下 0.030以下 1.00以下 11.5–13.5 -
JIS SUS410 0.15以下 1.00以下 0.040以下 0.030以下 1.00以下 11.5–13.5 -
中C-Cr系マルテンサイト系ステンレス鋼種の組成例[16][17][13](数値はmass%
規格 材料記号 C Mn P S Si Cr Ni
ISO X30Cr13 0.26–0.35 1.50以下 0.040以下 0.015以下 1.00以下 11.5–13.5 -
AISI 420 0.15以上 1.00以下 0.040以下 0.030以下 1.00以下 12.0–14.0 -
JIS SUS420J2 0.26–0.40 1.00以下 0.040以下 0.030以下 1.00以下 12.0–14.0 0.60以下
高C-Cr系マルテンサイト系ステンレス鋼種の組成例[16][17][13][18](数値はmass%
規格 材料記号 C Mn P S Si Cr Ni Mo
ISO X110Cr17 0.95–1.20 1.00以下 0.040以下 0.030以下 1.00以下 16.0–18.0 0.60以下 0.75以下
AISI 440C 0.95–1.20 1.00以下 0.040以下 0.030以下 1.00以下 16.0–18.0 - 0.75以下
JIS SUS440C 0.95–1.20 1.00以下 0.040以下 0.030以下 1.00以下 16.0–18.0 0.60以下 0.75以下

特性

物理的特性

電気抵抗は、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系の標準的鋼種[注 1]で比べるとマルテンサイト系が一番電気抵抗が低い[19]。これは含有される合金元素の量が多いほど抵抗が増えることによる[19]。SUS410の場合で、常温の比電気抵抗は 57 × 10−8 Ω·m 程度である[20]

機械的性質

マルテンサイト系ステンレス鋼の機械的性質は、鋼種と熱処理によって広く変動する[21]硬さは、ステンレス鋼の中でも最高レベルの硬さを得ることができる[22]。焼戻し前・焼入れ直後の状態で最大の硬さとなるが、靭性を与えるために通常は焼戻しを行う[5]焼戻しの加減によって、マルテンサイト系の機械的性質は幅広く変動する[23]。低温焼戻しと高温焼戻しがあり、耐摩耗性を重視する場合に低温焼戻しを行い、靭性を重視する場合に高温焼戻しを行う[24]。マルテンサイト系には、フェライト系ステンレス鋼と同様に「475℃脆化」の可能性があり、この温度に近い領域で焼戻しすると脆化が起こる[25]。特に低炭素のマルテンサイト系で475℃脆化による脆化が顕著に表れる[26]。下記に鋼種と焼戻し温度と機械的性質の例を示す。

マルテンサイト系の機械的性質の例
AISI鋼種 焼戻し温度 引張り強さ 0.2%耐力 伸び ロックウェル硬さ 出典・注釈
410 204 ℃ 1399 MPa 1076 MPa 11 % 43 HRC [27][注 2]
410 649 ℃ 767 MPa 589 MPa 29.5 % 21 HRC [27][注 3]
420 204 ℃ 1600 MPa 1360 MPa 12 % 47 HRC [30][注 4]
420 650 ℃ 895 MPa 680 MPa 20 % 27 HRC [30][注 4]
440C 204 ℃ 2030 MPa 1900 MPa 4 % 59 HRC [32]
440C 371 ℃ 1790 MPa 1660 MPa 4 % 56 HRC [32]

フェライト系ステンレス鋼と同様に、低温で脆化する低温脆性の傾向を持つ[33]。高温域では、フェライト系と同様におよそ 500 ℃ から急劇に引張り強さが低下する[34]。マルテンサイト系は高温材料としても使われるが、オーステナイト系ほどの優れた高温強度を持たない[34][35]。モリブデン、バナジウム、ニオブ、タングステンなどの添加によって高温強度を向上させることもでき、引張り強さの低下温度をおよそ 650 ℃ まで高めたマルテンサイト系の鋼種も存在する[35]

耐食性

マルテンサイト系ステンレス鋼の耐食性の大小は熱処理に依存する[5]。上記のとおり焼入れ後に焼戻しを行って用いられるのが一般的であるが、焼戻しによりクロム炭化物が析出し、母相中の有効なクロムの含有量が低下する[36]。これにより、同程度のクロムを含むフェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼と比較した場合、マルテンサイト系の耐食性は劣る[36]。焼入れ状態が耐食性が最もよく、焼なまし状態が最も劣る[5]。焼戻しをする場合も、高温焼戻し状態よりも低温焼戻し状態の方が耐食性がよい[37]

加工

熱処理

マルテンサイト系ステンレス鋼には熱処理の焼入れ焼戻しが施され、用いられるのが一般的である[38]。焼入れ時にはおよそ 980 ℃ 以上まで加熱し、組織全体を完全にオーステナイトにする[38]。オーステナイト領域まで加熱後、高温状態で保持して炭化物を固溶させる[39]。保持後に急冷してマルテンサイト変態を発生させてマルテンサイト組織にする[40]。焼入れ温度は 980 ℃ 以上が基本だが、実際の適当な温度は含まれる化学成分による[38]。高炭素のマルテンサイト系であれば、995 ℃ 以上 1050 ℃ 以下が焼入れ温度の目安である[41]。焼入れ温度が高いほどオーステナイト中に炭素が多く固溶するようになり、焼入れ後のマルテンサイト組織が硬くなる[40]。ただし、結晶粒の粗大化を避けるために、高過ぎる温度も望ましくない[42]。焼入れ温度での保持時間は、大抵の場合で30分程度あれば十分とされる[42]

焼入れ時の冷却は水冷、油冷、空冷で行われるが、マルテンサイト系の場合は油冷または空冷が一般的である[38][39]。冷却が速いほど炭化物の生成を抑制できるが、冷却のような速過ぎる冷却はマルテンサイト中に応力を発生させて変形やき裂を発生させる可能性がある[43][42]焼入れ性がとても良好なのがマルテンサイト系ステンレス鋼の特徴であり、断面積の大きな部品であっても空冷で焼きを入れることができる[44]。クロム 13 % 以上を含有するマルテンサイト系であれば、「水や油に入れず、空冷つまり適当な焼入れ温度に加熱しただけで、その辺に放り出しておいても焼きが入ってしまう」と言われるほどに焼入れ性が良い[45]

焼入れによって材料全体をマルテンサイト組織へ変態させるのが理想的だが、実際にはオーステナイトがある程度残留する。このオーステナイトは残留オーステナイトと呼ばれ、材質に悪影響を及ぼすことが多い[40]。残留オーステナイトは室温でも追加でマルテンサイト変態を起こすことがあり、変形やき裂を引き起こす[41]。また、残留オーステナイトはマルテンサイトよりも柔らかいため、残留オーステナイトが多量に残ると要求の硬さを出せないことがある[46]。残留オーステナイトが存在するため、焼戻しまたはサブゼロ処理を焼入れ後すぐに行うのが望ましい[24]。サブゼロ処理は −80 ℃ 近くの低温まで冷却する処理で、刃物用の高炭素マルテンサイト系などで活用される[46][47]

焼入れ後には焼戻しを行う。マルテンサイト系に施される焼戻し処理には、 150 ℃ から 200 ℃ 程度で保持して空冷する低温焼戻しと 600 ℃ から 750 ℃ で保持して急冷する高温焼戻しがある[48]。前者は耐摩耗性を重視する場合に行われ、後者は靭性付与を重視する場合に行われる[24]。刃物用では低温焼戻しが施され、構造部材用では高温焼戻しが施されることが一般的である[5]。高クロムのマルテンサイト系ステンレス鋼は高耐食性を指向しているため、クロム炭化物析出を避けて低温焼戻しが施されることが多い[43]。マルテンサイト系には上記のとおり475℃脆化の可能性がある。このため、475 ℃ から550 ℃ での焼戻しには注意を要し、原則的にはこの温度域での焼戻しを避ける[49][5]

機械加工

製品製作のために塑性加工切削加工を行う場合は、マルテンサイト組織は硬くて加工しづらいため、まず焼なましを行った状態で加工を行うことがマルテンサイト系ステンレス鋼では一般的である[50]。焼なまし状態のマルテンサイト系ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼や普通鋼と同じ程度の被削性となる[51]。加工後、焼入れ・焼戻しが行われる[50]。焼入れ・焼戻し前の加工では、最終形状あるいはほぼ最終の形状へと仕上げる[42]。ただし、焼入れ後にも加工する必要がある場合もあり、その場合は高い硬度に対処して削る必要がある[51]

溶接

マルテンサイト系ステンレス鋼を溶接するときは、溶接割れの発生を防ぐために予熱することが重要である[52]。マルテンサイト系で特に問題となる溶接割れは、溶接後に溶接部の温度がおよそ 300 ℃ 以下になったときに起こる低温割れと呼ばれるものである[53][54]

前述のとおりマルテンサイト系は高温からの急冷でマルテンサイト化して硬化するため、溶接熱影響部に靭性の低いマルテンサイト相が生成される[55][56]。溶接熱影響部に局部的な高炭素マルテンサイトが形成し、これが靭性を低下させる一因である[57]。被溶接物と同じ材料の溶接材料を用いる場合、溶接金属も同様にマルテンサイト化して硬化することになる[55][56]。これを防ぐために、マルテンサイト系ステンレス鋼を溶接するときは予熱することが重要である[52]。予熱することによって溶接部の冷却速度が遅くなり、急冷による硬化を抑えることができる[58]。低炭素・低クロムマルテンサイト系のマルテンサイト変態開始温度を目安にして、被溶接物の温度を 200–400 ℃ に上げて予熱し、溶接を行う[55]

また、溶接過程で含まれる拡散性水素も低温割れの原因となる[53]。拡散性水素による割れは、溶接後ある程度時間が経過して水素が拡散した後に発生するため遅れ割れと呼ばれる[59]。マルテンサイト系はフェイライト系ステンレス鋼と比較しても遅れ割れが起きやすい[59]。拡散性水素の侵入を防ぐために、溶接棒の乾燥、乾燥した環境での溶接実施、溶接対象部の清浄などの対策が取られる[55]

溶接によって低下した靭性を回復するためには後熱処理が行われる[60]。適正な温度は成分によって異なるが、溶接後に 700–800 ℃ まで加熱・温度保持して後熱処理を行う[61]。後熱処理は拡散性水素による遅れ割れの防止にも有効である[55]

ステンレス鋼の溶接では普通は母材と同じ成分の溶接材を用いる[62]。ただし、低温割れを避けるために焼入れ硬化性がないニオブを含ませた溶接棒を用いることや、靭性を高めるためにオーステナイト系ステンレス鋼の溶接材料を用いることもある[63]

用途例

マルテンサイト系ステンレス鋼は、耐食性に加えて高い強度耐摩耗性を持つ。これらの特性が要求される用途でマルテンサイト系ステンレス鋼は活用されている[64]。また、マルテンサイト系ステンレス鋼のニッケル含有量は 0 % か、最大でも 5 % 程度である[65]。このニッケル含有量の少なさのためマルテンサイト系の材料コストはオーステナイト系と比較して低く抑えられ、これもマルテンサイト系利用上の長所の一つでもある[65]

具体的には、タービンブレードノズルシャフトポンプ軸受などの機械構造用部品にマルテンサイト系ステンレス鋼は適している[24]オートバイでは、外見の良さも重要なことからディスクブレーキローターにはステンレス鋼を使うことが主流となっている[66][67]。ローターには強い摩擦力が働き、摩耗が問題となるため、ローターの硬度がある程度以上高いことが望ましい[68]。また、ブレーキ時の摩擦熱が発生するため耐熱性が求められる[67]。そのため、高硬度・耐熱性・耐食性のバランスがいいマルテンサイト系ステンレス鋼製のローターが広く実用されている[69]

マルテンサイト系ステンレス鋼440Aを使用したナイフ

マルテンサイト系ステンレス鋼利用の最もよく知られている製品は刃物類である[70]。刃物用の素材にはステンレス鋼が使われるのが現在では一般的となっており、刃物用ステンレス鋼素材としてはマルテンサイト系が使われるのが一般的である[71]包丁、テーブルナイフ、ハサミカミソリ医療用メスでマルテンサイト系が使われている[72][70]。高い硬度が刃物には必要なため、高炭素のマルテンサイト系が低温焼戻しされて供される[73]。マルテンサイト系の刃物の切れ味をよくするには硬度の向上に加えて、結晶粒を微細化し、微小な炭化物を均一に分布させるのが有効とされる[47][70]。工業規格に規定されている鋼種のほか、素材メーカーが独自に成分設計して売り出している刃物用マルテンサイト系ステンレス鋼も存在する[47][74]

また、高い耐摩耗性が必要とされるプラスチック射出成形用の金型としても使用される[37]。金型に耐食性を求める場合はマルテンサイト系ステンレス鋼がよく利用される[37]。具体的な種類としては、中炭素・中クロムの420系を中心にして使われており、高炭素・高クロムの440系なども使われる[37]

歴史

工業材料としてのマルテンサイト系ステンレス鋼は、1913年にイギリスのハリー・ブレアリーによって発明された[75][76]。マルテンサイト系自体の作製とその組成の研究は、フランスのレオン・ギレフランス語版によって為された[77]。マルテンサイト系の最初の発見者としては、ギレの名が挙げられることもある[78]

脚注

注釈

  1. ^ SUS410とSUS430とSUS304
  2. ^ 伸びの値は、[28]によった。
  3. ^ 硬さは、[27]のロックウェルBスケール硬さ値を、SAE J 417 の硬さ変換表[29]を基にロックウェルCスケール硬さに変換した値を示す。伸びの値は、[28]によった。
  4. ^ a b 硬さは、[30]ブリネル硬さ値を、SAE J 417 の硬さ変換表[31]を基にロックウェルCスケール硬さに変換した値を示す。

出典

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参考文献

※文献内の複数個所に亘って参照したものを特に示す。

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