マルテンサイト系ステンレス鋼：特性と主な用途
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マルテンサイト系ステンレス鋼は、その高強度と硬度を特定の熱処理プロセスによって実現した独自のステンレス鋼のカテゴリです。主に高炭素鋼として分類され、マルテンサイト系ステンレス鋼は通常、12-18%のクロムと0.1%から1.0%以上のさまざまな炭素を含みます。主要な合金元素であるクロムと炭素は、鋼の微細構造と特性に大きな影響を与え、特徴的な特性をもたらします。
包括的な概要
マルテンサイト系ステンレス鋼は、卓越した機械的特性、特に高い引張強度と硬度で知られ、耐久性と耐摩耗性を必要とする用途に適しています。マルテンサイト構造は、オーステナイト相からの急冷（焼入れ）によって形成され、顕著に硬化できる鋼を生み出します。この鋼種は、切削工具、手術器具、航空宇宙および自動車産業のさまざまな部品の製造など、強度と耐腐食性が重要な用途でよく使用されます。
利点：
- 高強度と硬度：マルテンサイト系ステンレス鋼は高い硬度レベルを達成することができ、切削および耐摩耗性のある用途に理想的です。
- 良好な耐腐食性：オーステナイト系よりは耐腐食性が劣りますが、マルテンサイト系ステンレス鋼は特定の環境において酸化と腐食に対して合理的な抵抗を提供します。
- 熱処理可能：熱処理が可能なため、特定の用途に合わせた機械的特性を調整できます。
制限事項：
- 低い靭性：オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、マルテンサイト系は硬化された状態で特に脆くなることがあります。
- 溶接性の問題：マルテンサイト系ステンレス鋼は、溶接プロセス中のひび割れや変形に対する感受性から、溶接が難しい場合があります。
- 耐腐食性：ある程度の耐腐食性を持っていますが、特に塩化物を含む腐食環境には適していません。
歴史的に、マルテンサイト系ステンレス鋼は高性能材料の開発に重要な役割を果たしており、20世紀初頭にカトラリーや手術器具の製造にまで遡る用途があります。
代替名、基準、および同等品
| 基準機関 | 指定/グレード | 発祥国/地域 | 備考 |
|---|---|---|---|
| UNS | S41000 | 米国 | AISI 410に最も近い同等品 |
| AISI/SAE | 410 | 米国 | カトラリーや手術器具に一般的に使用 |
| ASTM | A240 | 米国 | クロムおよびクロム-ニッケルステンレス鋼の板、シート、およびストリップの標準仕様 |
| EN | 1.4006 | ヨーロッパ | AISI 410に相当、成分の違いがある |
| JIS | SUS 410 | 日本 | AISI 410と類似の特性 |
| ISO | 410S | 国際的 | 低炭素含有量のマルテンサイト系ステンレス鋼の指定 |
同等品の間の微妙な違い、たとえば炭素含有量や追加の合金元素の変動は、硬度、耐腐食性、および溶接性において鋼の性能特性に大きな影響を与える可能性があります。
主要特性
化学組成
| 元素（記号と名称） | 割合範囲 (%) |
|---|---|
| C（炭素） | 0.08 - 1.00 |
| Cr（クロム） | 12.0 - 18.0 |
| Ni（ニッケル） | 0.0 - 2.0 |
| Mo（モリブデン） | 0.0 - 1.0 |
| Mn（マンガン） | 0.0 - 1.0 |
| Si（ケイ素） | 0.0 - 1.0 |
| P（リン） | ≤ 0.04 |
| S（硫黄） | ≤ 0.03 |
マルテンサイト系ステンレス鋼における主要な合金元素の役割は次のとおりです：
- 炭素（C）：熱処理中のマルテンサイト形成を通じて硬度と強度を増加させます。
- クロム（Cr）：耐腐食性を高め、パッシブ酸化膜の形成に寄与します。
- ニッケル（Ni）：靭性と延性を改善しますが、オーステナイト系に比べて少ない量で存在します。
- モリブデン（Mo）：特に塩素環境において、ピッティングおよびクレバス腐食に対する抵抗を高めます。
機械的特性
| 特性 | 状態/テンパー | 試験温度 | 典型的な値/範囲（メトリック） | 典型的な値/範囲（インペリアル） | 試験方法の基準 |
|---|---|---|---|---|---|
| 引張強度 | 焼入れおよびテンパー | 室温 | 600 - 900 MPa | 87 - 130 ksi | ASTM E8 |
| 降伏強度（0.2%オフセット） | 焼入れおよびテンパー | 室温 | 400 - 700 MPa | 58 - 102 ksi | ASTM E8 |
| 伸び | 焼入れおよびテンパー | 室温 | 10 - 20% | 10 - 20% | ASTM E8 |
| 硬度（HRC） | 焼入れおよびテンパー | 室温 | 40 - 55 HRC | 40 - 55 HRC | ASTM E18 |
| 衝撃強度（シャルピー） | 焼入れおよびテンパー | -20°C (-4°F) | 30 - 50 J | 22 - 37 ft-lbf | ASTM E23 |
高い引張強度と硬度の組み合わせにより、マルテンサイト系ステンレス鋼は機械的負荷や構造的完全性に耐える必要がある用途に適しています。また、高温でも強度を維持できるため、さまざまなエンジニアリング用途での多様性に寄与しています。
物理的特性
| 特性 | 状態/温度 | 値（メトリック） | 値（インペリアル） |
|---|---|---|---|
| 密度 | - | 7.7 g/cm³ | 0.278 lb/in³ |
| melting point | - | 1400 - 1450 °C | 2552 - 2642 °F |
| 熱伝導率 | 20°C | 25 W/m·K | 17.3 BTU·in/h·ft²·°F |
| 比熱容量 | 20°C | 500 J/kg·K | 0.12 BTU/lb·°F |
| 電気抵抗率 | 20°C | 0.7 µΩ·m | 0.0000007 Ω·ft |
| 熱膨張係数 | 20-100°C | 16.5 µm/m·K | 9.2 µin/in·°F |
密度や融点などの主要な物理特性は、特定の重量や熱管理が必要な用途に不可欠です。熱伝導率は、材料が熱をどれだけ効率的に放散できるかを示し、高温下での用途において重要です。
耐腐食性
| 腐食性物質 | 濃度 (%) | 温度 (°C/°F) | 耐性評価 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 塩化物 | 3-10 | 20-60 (68-140) | 良好 | ピッティングの感受性あり |
| 硫酸 | 10-30 | 20-60 (68-140) | 不良 | 推奨されません |
| 酢酸 | 5-20 | 20-60 (68-140) | 良好 | 中程度の耐性あり |
| 海水 | - | 20-60 (68-140) | 良好 | クレバス腐食のリスクあり |
マルテンサイト系ステンレス鋼は、特に塩化物を含む環境において、中程度の耐腐食性を示し、ピッティングおよび応力腐食割れ（SCC）に対する感受性があります。304や316のステンレス鋼などのオーステナイト系と比較して、マルテンサイト系は腐食環境に対して耐性が低いことから、海洋用途や化学処理環境には適していません。
耐熱性
| 特性/限度 | 温度 (°C) | 温度 (°F) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 最大連続使用温度 | 300 | 572 | この温度を超えると酸化が増加します |
| 最大間欠使用温度 | 400 | 752 | 短期間の曝露のみ |
| スケーリング温度 | 600 | 1112 | この温度を超えるとスケーリングのリスクがあります |
| クリープ強度の考慮開始 | 500 | 932 | クリープの問題が生じる可能性があります |
高温では、マルテンサイト系ステンレス鋼は酸化や機械的特性の喪失を経験する可能性があります。最大連続使用温度は、熱を含む用途にとって重要であり、長時間の曝露は材料の健全性の劣化を招く可能性があります。
加工特性
溶接性
| 溶接プロセス | 推奨フィラー金属（AWS分類） | 典型的なシールドガス/フラックス | 備考 |
|---|---|---|---|
| TIG | ER410 | アルゴン | 予熱を推奨 |
| MIG | ER410 | アルゴン + CO2混合 | 溶接後の熱処理を推奨 |
| スティック（SMAW） | E410 | - | 細心の管理が必要 |
マルテンサイト系ステンレス鋼は、ひび割れの感受性から溶接が難しい場合があります。溶接前の予熱や溶接後の熱処理が、応力を緩和し、欠陥を防ぐためにしばしば必要です。フィラー金属の選択は、互換性を確保し、所望の特性を維持するために重要です。
切削性
| 加工パラメータ | マルテンサイト系ステンレス鋼 | ベンチマーク鋼（AISI 1212） | 備考/ヒント |
|---|---|---|---|
| 相対的な加工性インデックス | 60 | 100 | 鋭い工具が必要 |
| 典型的な切削速度 | 20-30 m/min | 40-50 m/min | 冷却材の使用が不可欠 |
マルテンサイト系ステンレス鋼の加工性は中程度で、過度の摩耗を避けるために切削工具やパラメータの慎重な選択が必要です。最適な性能のために、高速度鋼またはカーバイド工具の使用が推奨されます。
成形性
マルテンサイト系ステンレス鋼は、高強度と硬度のため、オーステナイト系ほど成形性が良くありません。冷間成形が可能ですが、ひび割れを避けるために注意が必要です。熱間成形は可能ですが、所望の特性を維持するためには精密な温度管理が必要です。
熱処理
| 処理プロセス | 温度範囲 (°C/°F) | 典型的な浸漬時間 | 冷却方法 | 主な目的/期待される結果 |
|---|---|---|---|---|
| アニーリング | 800-1000 / 1472-1832 | 1-2時間 | 空気または水 | 硬度を下げ、延性を改善します |
| 焼入れ | 1000-1100 / 1832-2012 | - | 水または油 | 硬化 |
| テンパー | 300-700 / 572-1292 | 1時間 | 空気 | 脆性を減少させ、靭性を向上させます |
熱処理プロセスは、マルテンサイト系ステンレス鋼の微細構造を大きく変化させ、硬度と強度を高めつつ、靭性を調整できるようにします。焼入れ中のオーステナイトからマルテンサイトへの変換は、所望の機械的特性を達成するために重要です。
典型的な用途と最終用途
| 産業/セクター | 特定の用途の例 | この用途で利用される鋼の主要特性 | 選択理由 |
|---|---|---|---|
| 航空宇宙 | 航空機コンポーネント | 高強度、疲労抵抗 | 安全性と性能に重要 |
| 医療 | 手術器具 | 耐腐食性、硬度 | 滅菌と耐久性が必要 |
| 自動車 | エンジンコンポーネント | 耐摩耗性、高温性能 | ストレス下での信頼性 |
| 石油およびガス | バルブコンポーネント | 耐腐食性、強度 | 厳しい環境では耐久性のある材料が必要 |
その他の用途には、
- カトラリー：刃持ちのための高い硬度。
- ファスナー：さまざまな環境での強度と耐腐食性。
- ポンプとバルブ：腐食性流体の耐久性。
マルテンサイト系ステンレス鋼は、その強度、硬度、および中程度の耐腐食性のユニークな組み合わせによって、要求の厳しい環境に適した選択となっています。
重要な考慮事項、選択基準、およびさらなる洞察
| 特性/特性 | マルテンサイト系ステンレス鋼 | AISI 304ステンレス鋼 | AISI 316ステンレス鋼 | 簡単な利点/欠点またはトレードオフの注意点 |
|---|---|---|---|---|
| 主要機械的特性 | 高強度 | 良好な延性 | 優れた耐腐食性 | マルテンサイト系は強いが、延性が劣る |
| 主要な腐食側面 | 中程度の耐性 | 優れた耐性 | 優れた耐性 | マルテンサイト系は腐食環境には不向き |
| 溶接性 | 難しい | 良好 | 良好 | マルテンサイト系は溶接時に注意が必要 |
| 切削性 | 中程度 | 良好 | 中程度 | マルテンサイト系は鋭い工具が必要 |
| 成形性 | 限られている | 優れた | 良好 | マルテンサイト系は成形性が劣る |
| おおよその相対コスト | 中程度 | 中程度 | 高い | コストは合金元素によって変わる |
| 典型的な可用性 | 一般的 | 非常に一般的 | 一般的 | 可用性がプロジェクトのタイムラインに影響を与える可能性がある |
マルテンサイト系ステンレス鋼を選択する場合、特定の機械的および耐腐食性の要件、溶接または加工の必要性、コスト効果を含む考慮事項が含まれます。その独自の特性は専門的な用途に適していますが、特に腐食環境や加工プロセス中の制限に注意を払う必要があります。