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マルテンサイト系ステンレス鋼の基礎知識まとめ

マルテンサイト系ステンレス鋼とは、13%のクロムを含むSUS403・SUS410を代表とした、常温でマルテンサイトの組織を持つステンレス鋼です。

マルテンサイト系ステンレス鋼は、フェライト系とオーステナイト系には劣りますが、耐食性を持ちます。炭素を多く含んでいるため、焼入れにより硬化させることも可能です。また、大気中で加熱した場合の耐酸化性にも優れ、500℃程度までの温度下でも強度があまり低下しないため、耐熱性も良好です。なお、マルテンサイト系ステンレス鋼は全ての材料で磁性を持ちます。

材料の形状は、棒鋼・平鋼で使われることがほとんどです。

マルテンサイト系ステンレスの組成・成分

<各マルテンサイト系ステンレス鋼(品種)における組成と特性>

SUS410
SUS403
SUS410S 耐食性・加工性 SUS410F2 被削性
SUS416 被削性
SUS420J1 焼入硬化 SUS420J2 焼入硬化
SUS420F 被削性 SUS420F2 被削性
SUS431 耐食性・靭性
SUS440A 焼入硬化 SUS440B 焼入硬化
SUS440C 焼入硬化 SUS440F 被削性

マルテンサイト系ステンレス鋼は炭素の含有量が多く、焼入れによって高い強度を得られ、焼戻しにより耐摩耗性や靭性を得ることができます。

ただし不働態皮膜を形成するのに必要なクロムの含有量は少ないため、他のステンレス鋼よりも耐食性には劣ります。

また、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて、高価な材料であるニッケルの含有量が少なく、値段も比較的安価です。

参考記事:オーステナイト系ステンレス鋼の基礎知識まとめ

マルテンサイト系ステンレスの物理的性質と磁性

<マルテンサイト系ステンレスの物理的性質>

種類の記号 ヤング率
kN/mm2
密度
g/cm3
比熱
J/g・℃
熱伝導率
W/m・℃
比電気抵抗
Ωm(10-8)
平均熱膨張係数
10-6/℃
室温 室温 0-100℃ 100℃ 500℃ 室温 650℃ 0-100
0-316
0-538
0-649
0-816
SUS403
SUS410
200 7.75 0.46 24.9 25.7 57 109 9.9 10.1 11.5 11.7 -

引用元:ステンレス協会(元データはステンレス鋼データブック「家電編」他)

上表は、ステンレス協会の公式サイトに記述されているデータの一部を抜粋したものです。

マルテンサイト系ステンレス鋼の物理的性質は、概ねフェライト系ステンレス鋼と近い数値で、オーステナイト系と比べると密度・比熱・比電気抵抗・熱膨張係数は小さい数値を表しています。

また、オーステナイト系ステンレス鋼と違い、磁性を持つのも特徴です。

参考記事:フェライト系ステンレス鋼の基礎知識まとめ

マルテンサイト系ステンレスの機械的性質

<マルテンサイト系ステンレスの焼入焼戻し状態の機械的性質>

種類の記号 耐力
Mpa
(N/mm2)
引張強さ
Mpa
(N/mm2)
伸び 絞り 硬さ
HBW HRBS
又は
HRBW
HRC HV
SUS403 390以上 590以上 25以上 55以上 170以上 87以上 - 178以上
SUS410 345以上 540以上 25以上 55以上 159以上 84以上 - 166以上
SUS410J1 490以上 690以上 20以上 60以上 192以上 92以上 - 200以上
SUS410F2 345以上 540以上 18以上 50以上 159以上 84以上 - 166以上
SUS416 345以上 540以上 17以上 45以上 159以上 84以上 - 166以上
SUS420J1 440以上 640以上 20以上 50以上 192以上 92以上 - 200以上
SUS420J2 540以上 740以上 12以上 40以上 217以上 95以上 - 220以上
SUS420F 540以上 740以上 8以上 35以上 217以上 95以上 - 220以上
SUS420F2 540以上 740以上 5以上 35以上 217以上 95以上 - 220以上
SUS431 590以上 780以上 15以上 40以上 229以上 98以上 - 241以上
SUS440A - - - - - - 54以上 577以上
SUS440B - - - - - - 56以上 613以上
SUS440C - - - - - - 58以上 653以上
SUS440F - - - - - - 58以上 653以上

引用元:JIS G 4303:2012

上表は【JIS G 4303:2012 ステンレス鋼棒】に記述されている、マルテンサイト系ステンレス鋼(焼入焼戻し状態)の機械的性質を抜粋したものです。

マルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れを施すことで高い強度が得られます。焼入れした後は最も高い強度が得られますが、そのままでは脆い状態です。そのため、基本的に焼入れもセットで行い、靭性を与えて使用されています。

マルテンサイト系ステンレスと応力腐食割れ・耐食性・錆

応力腐食割れは、ステンレス鋼の内、オーステナイト系において起こりやすいものとされていますが、マルテンサイト系でも起こるトラブルです。応力腐食割れを避けたい場合、高温焼戻しをすることで鋭敏化を避け、応力腐食割れを防止できます。

マルテンサイト系ステンレス鋼は、フェライト系とオーステナイト系よりも耐食性は劣るものの、室内等の腐食が強くない環境であれば充分な耐食性を持ちます。しかし、酸環境や塩水環境のような場所では錆びが発生しやすいため、使用場所には注意が必要です。

参考記事:応力腐食割れをわかりやすく!3要素と対策方法

マルテンサイト系ステンレスと加工

熱処理

マルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れ処理だけでは脆いため、焼戻しを行うことで耐摩耗性や靭性を付与します。

マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入れは、全体的にマルテンサイト組織には変態せず、ある程度のオーステナイトが残留(残留オーステナイト)する点に注意が必要です。残留オーステナイトは室温でもマルテンサイト変態し、体積が膨張することで歪みや割れを発生させることがあります。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分、残留オーステナイトが多いと求める硬さが出せません。

これを防ぐためには、焼戻しやサブゼロ処理を行います。サブゼロ処理は、焼入れ直後に0℃以下に冷却することで、刃物のような耐摩耗性を必要とするものに対して行われることが多い処理方法です。

マルテンサイト系ステンレス鋼の焼戻しは、150~200℃程度で保持して空冷する低温焼戻しと、600~750℃程度で保持して急冷する高温焼戻しがあります。低温焼戻しは耐摩耗性を付与する場合に、高温焼戻しは靭性を付与する場合に行われます。

また、焼戻しには「475℃脆化」と呼ばれる、475℃付近で急速に延性や靭性が低下する現象が起きる場合があるので、475℃付近での焼戻しは避ける必要があります。

参考記事:ステンレスの焼き入れについて専門家が紹介!

溶接

マルテンサイト系ステンレス鋼は、拡散性水素による低温割れや遅れ割れが発生する場合があります。低温割れとは、200~300℃以下で発生する割れのことです。遅れ割れは、低温割れのなかでも溶接後に多くの時間経過後に起こるもののことを指します。

低温割れを防止するには、予熱により母材の温度を200~400℃程度に上げることで、材料の冷却速度を遅くするのが有効です。

遅れ割れは、電極・溶加材・母材に大気中の水分が取り込まれないよう、乾燥した環境下で溶接したり、溶接機材や材料を乾燥・清浄化したりするのが有効です。

塑性加工

マルテンサイト系ステンレス鋼の塑性加工・切削加工を行う場合は、800~900℃からの徐冷による焼なましを行います。これは、焼なましを行わないと材料が硬く、加工がしにくいためです。

より成形性を求める場合はSUS410Sを、被削性を求める場合は、SUS416・SUS410F2・SUS440F・SUS420F・SUS420F2を採用することで、それぞれの特性を向上できます。

マルテンサイト系ステンレスの主な用途

マルテンサイト系ステンレス鋼は、他の種類に比べて安価かつ、強度・耐食性・耐熱性に優れているのが特徴です。

主な用途としては、これらの特徴を必要とする機械構造用部品(シャフト・ボルト・バルブシートなど)やプラスチック射出成用の金型などに採用されています。

また、SUS440系はクロムと炭素の含有量が多く、ステンレス鋼のなかでも最も硬い材料であることから、刃物・外科用器具・ベアリングなどに用いられます。

参考記事:SUS440Cとは?性質、規格、成分、用途

最後までお読みいただきありがとうございます。
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