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析出硬化系ステンレス鋼の基礎知識まとめ

析出硬化系ステンレス | 2021年04月22日

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析出硬化系ステンレス鋼とは、金属間化合物の析出を利用して、高い強度を得ることを目的としたステンレス鋼です。代表的な鋼種にSUS630(17Cr- 4Ni-4Cu-Nb)と SUS631(17Cr-7Ni-1Al)があり、両鋼種ともJISによって規定されています。また、これらの鋼種は、クロム(Cr)の含有量とニッケル(Ni)の含有量から、SUS630は17-4PH、SUS631は17-7PHと呼ばれることもあります。なお、PHとは、precipitation hardening(析出硬化)の頭文字を示しています。

析出硬化系ステンレスの組織と熱処理

析出硬化系ステンレス鋼では、固溶化熱処理後に析出硬化(時効硬化)処理を行うことで、金属間化合物を析出させ、強度を高めています。固溶化熱処理で過飽和に固溶した析出硬化元素を、時効硬化によって第2相を微細分散析出させるという仕組みです。材質によって成分組成が異なるため、析出する金属間化合物や析出のメカニズムが異なります。

また、析出硬化系ステンレス鋼では、焼入れ鋼と比べて、より低温で熱処理を行うため、焼入れによって生じやすい変形、歪み、寸法変化、焼き割れ、残留オーステナイトに起因する経年変化などが起こりにくいという特徴を持ちます。

参考:ステンレスの焼き入れについて専門家が紹介!

SUS630の熱処理

SUS630(17Cr- 4Ni-4Cu-Nb)では、銅(Cu)の添加により析出硬化性を付与することで、Cu-過剰相を析出させます。

熱処理としては、固溶化熱処理(S:Solution treatment)後に、規定された次の4段階(H900、H1025、H1075、H1150)の析出硬化処理(H:Hardening)を施します。

JISにおいて、SUS630の熱処理条件は次のように定められています。

<SUS630の熱処理条件>

種類の記号

熱処理

SUS630

種類

記号

条件

固溶化熱処理

S

1020~1060℃ 急冷

析出硬化処理

H900

470~490℃空冷

H1025

540~560℃空冷

H1075

570~590℃空冷

H1150

610~630℃空冷

*注:SUS630については、固溶化熱処理及び析出硬化処理以外の熱処理を受渡当事者間で協定されることがある。

引用元:JIS G4305:冷間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯

固溶化熱処理では、1020~1060℃から急冷させ、マルテンサイトの金属組織が得られます。この後、目的とする硬度に応じて、析出硬化処理を行います。析出硬化処理は、華氏による処理温度によって定められています。例えば、H900では析出硬化処理温度が華氏900度(482℃)で、JIS上では470~490℃で析出硬化処理を行うよう定義されています。下図に示した通り、析出硬化処理温度が高くなるほど、硬度が下がり軟化します。

<時効硬化熱処理温度と硬度の関係>


引用元:株式会社シリコロイラボ

SUS630において、固溶化熱処理後、析出硬化処理(H900)後、それぞれの顕微鏡組織(200倍)を下図に示します。

<SUS630顕微鏡組織>

引用元:株式会社シリコロイラボ

参考:SUS630(ステンレス鋼)磁性、成分、切削性、機械的性質

参考:15-5PH(ステンレス鋼)化学成分、磁性、機械的性質

SUS631の熱処理

SUS631(17Cr-7Ni-1Al)では、Alの添加により析出硬化性を付与することで、Ni-Al 金属間化合物相を析出させます。

熱処理では、まず固溶化処理(S処理)において1000~1100℃から急冷し、準安定オーステナイト組織が得られます。不安定なオーステナイトから安定なマルテンサイトに変態させるための熱処理(マルテン化処理)である、T処理(中間熱処理)あるいはR処理(サブゼロ処理)を行った後、析出硬化処理(H処理)を行います。

JISにおいて、SUS631の熱処理条件は次のように定められています。

<SUS631の熱処理条件>

種類の記号

熱処理

SUS631

種類

記号

条件

固溶化熱処理

S

1000~1100℃ 急冷

析出硬化処理

RH950

955±10°Cに10分保持、室温まで空冷、24時間以内に-73±6°Cに8時間保持、510±10°Cに60分保持後、空冷

TH1050

760±15°Cに90分保持、1時間以内に15°C以 下に冷却、30分保持、565±10°Cに90分保持後、空冷

引用元:JIS G4305:冷間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯

SUS631においても、析出硬化処理温度に応じて熱処理記号が定められており、RH950とTH1050の2種類が存在します。RH950では、S処理→R処理(955±10°Cに10分保持、室温まで空冷、24時間以内に-73±6°Cに8時間保持)→H処理(510±10°Cに60分保持後、空冷)を行います。TH1050では、S処理→T処理(760±15°Cに90分保持、1時間以内に15°C以 下に冷却、30分保持)→H処理(565±10°Cに90分保持後、空冷)を行います。

析出硬化系ステンレスの特徴

機械的性質

<析出硬化系ステンレス鋼の機械的性質>

種類の記号

熱処理記号

耐力

N/mm2

引張強さN/mm2

伸び

硬さ

HBW

HRC

HRBS又はHRBW

HV

SUS630

S

-

-

-

363以下

38以下

-

-

H900

1175以上

1310以上

厚さ5.0mm以下

5以上

375以上

-

-

-

厚さ5.0mmを超え15.0mm以下

8以上

厚さ15.0mmを超えるもの

10以上

H1025

1000以上

1070以上

厚さ5.0mm以下

5以上

331以上

-

-

-

厚さ5.0mmを超え15.0mm以下

8以上

厚さ15.0mmを超えるもの

12以上

H1075

860以上

1000以上

厚さ5.0mm以下

5以上

302以上

31以上

-

-

厚さ5.0mmを超え15.0mm以下

9以上

厚さ15.0mmを超えるもの

13以上

H1150

725以上

930以上

厚さ5.0mm以下

8以上

277以上

28以上

-

-

厚さ5.0mmを超え15.0mm以下

10以上

厚さ15.0mmを超えるもの

16以上

SUS631

S

380以下

1030以下

20以上

192以下

-

92以下

200以下

RH950

1030以上

1230以上

厚さ3.0mm以下

-

-

40以上

-

392以上

厚さ3.0mmを超えるもの

4以上

TH1050

960以上

1140以上

厚さ3.0mm以下

3以上

-

35以上

-

345以上

厚さ3.0mmを超えるもの

5以上

引用元:JIS G4305:冷間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯

SUS630及びSUS631の機械的性質を上表に示しました。析出硬化系ステンレス鋼の硬度については、熱処理(焼入・焼もどし)によって高硬度を得ているマルテンサイト系ステンレス鋼とほぼ同等の値を示します。

SUS630の強度については、オーステナイト系ステンレス鋼の代表的な鋼種であるSUS304と比べると、2倍以上の値を示します。

SUS631については、SUS301をベースにAlを添加し、析出硬化によって弾性限を高めた鋼であるため、優れたバネ特性を有しています。


物理的性質と磁性

<析出硬化系ステンレス鋼の物理的性質>

種類の記号 

密度

kg/m3

縦弾性係数

GPa

比電気抵抗

(常温)

μΩ・cm

比熱

(0〜100℃)

KJ/kg・K

熱伝導度

(100℃)

W/m・K

熱膨張係数

(0〜100℃)

X10-6

磁性

SUS630

7750

196

80

0.46

18.3

10.8

強磁性

SUS631

7750

204

83

0.46

16.4

15.0

強磁性

引用元:愛知製鋼株式会社

SUS630及びSUS631の物理的性質を上表に示しました。析出硬化系ステンレス鋼の磁性について、固溶化熱処理状態では非磁性ですが、析出硬化処理後は強い磁性を示します。そのため、磁性を嫌う機器などで使用する場合には注意が必要です。


耐食性

各種ステンレス鋼の耐食性は、次のようになっています。

オーステナイト系>析出硬化系>フェライト系、マルテンサイト系

析出硬化系ステンレス鋼は、焼入れによって硬化ができないオーステナイト系ステンレス鋼をベースに、熱処理によって高強度化できるよう改良された鋼種です。そのため、オーステナイト系ステンレス鋼同様、Cr-Ni(クロムニッケル)系の組成を持っており、耐食性はオーステナイト系ステンレス鋼には及ばないものの、クロム系のフェライト系ステンレス鋼よりは優れています。

また、下図に示したように、一般的に材質の硬度と耐食性は反比例の関係を示します。前述した通り、析出硬化系ステンレス鋼(SUS630)の耐食性は、オーステナイト系ステンレス鋼(SUS304L、SUS316L)よりは劣るものの、マルテンサイト系ステンレス鋼(SUS420J2)やフェライト系ステンレス鋼と比べると優れており、硬度と耐食性のバランスが良好な鋼種です。

<硬度と耐食性(孔食電位)の関係>

引用元:株式会社シリコロイラボ

析出硬化系ステンレスの主な用途

析出硬化系ステンレス鋼は、その優れた強度・耐食性を活かして、自動車や航空機、電子機器などの分野で広く利用されています。

用途としては、シャフト、タービン部品、スチールベルトなどが挙げられます。また、弾性にも優れることから、バネ材、スプリングワッシャーなどにも利用されています。

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