ステンレススプリング鋼:特性と主要な用途
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ステンレススプリング鋼は、高い強度と弾性を提供するように設計されたステンレス鋼の特別なカテゴリであり、耐久性と耐衝撃性が求められる用途に理想的です。この鋼のグレードは、主に高炭素含有量とクロムやニッケルなどの合金元素によって特徴付けられるマルテンサイト系ステンレス鋼として分類されます。これらの元素の組み合わせは、特に引張強度と耐食性などの機械的特性を向上させます。
包括的な概要
ステンレススプリング鋼は、形状と機能を維持しながら、重大な機械的応力に耐えるように設計されています。主な合金元素には、耐食性を提供するクロム(通常12-18%)と、硬度と強度に寄与する炭素(0.3-1.0%)が含まれています。ニッケルも小さな量で存在することがあり、延性や靭性を向上させます。
ステンレススプリング鋼の最も重要な特性は以下の通りです:
- 高強度:永久変形なしに重い荷重に耐えることができる。
- 耐食性:さびや酸化に対する保護を提供し、厳しい環境に適しています。
- 弾性:応力下で形状を維持し、スプリング用途において重要です。
利点:
- 優れた疲労耐性があり、動的用途に適しています。
- 腐食性環境での性能が良好で、部品の寿命を延ばします。
- 自動車から航空宇宙まで、さまざまな用途において用途が広いです。
制限事項:
- 標準の炭素鋼に比べてコストが高いです。
- 硬度のために加工が難しいです。
- 特定の環境において応力腐食割れに敏感です。
歴史的に、ステンレススプリング鋼はさまざまな産業で信頼性が高く耐久性のある部品の開発において重要な役割を果たし、技術と工学の進歩に貢献してきました。
代替名、基準、および同等物
標準機関 | 指定/グレード | 原産国/地域 | 備考/注釈 |
---|---|---|---|
UNS | S30200 | アメリカ | AISI 302に最も近い同等物 |
AISI/SAE | 302 | アメリカ | スプリングやファスナーに一般的に使用される |
ASTM | A313 | アメリカ | ステンレス鋼スプリングワイヤの仕様 |
EN | 1.4310 | ヨーロッパ | AISI 302とほぼ同等だが、成分にわずかな違いがある |
JIS | SUS302 | 日本 | AISI 302と類似の特性を持つ |
GB | 0Cr18Ni9 | 中国 | AISI 302に相当し、中国で広く使用される |
これらのグレードの違いはしばしば特有の成分と機械的特性にあり、特定の用途での性能に影響を与えることがあります。たとえば、S30200とSUS302は似ていますが、製造プロセスや品質管理基準が異なることがあり、重要な用途への適合性に影響を与える場合があります。
主要特性
化学組成
元素(記号と名前) | 割合範囲(%) |
---|---|
C(炭素) | 0.3 - 0.5 |
Cr(クロム) | 17.0 - 19.0 |
Ni(ニッケル) | 8.0 - 10.0 |
Mn(マンガン) | 2.0 最大 |
Si(シリコン) | 1.0 最大 |
P(リン) | 0.045 最大 |
S(硫黄) | 0.03 最大 |
ステンレススプリング鋼における主要な合金元素の役割には以下が含まれます:
- クロム:耐食性を高め、保護的な酸化物層の形成に寄与します。
- 炭素:固体溶液強化を通じて硬度と強度を増加させます。
- ニッケル:延性と靭性を改善し、応力下での性能を向上させます。
機械的特性
特性 | 状態/テンパー | 典型値/範囲(メトリック - SIユニット) | 典型値/範囲(インペリアルユニット) | 試験方法の基準 |
---|---|---|---|---|
引張強度 | 焼鈍 | 600 - 800 MPa | 87 - 116 ksi | ASTM E8 |
降伏強度(0.2%オフセット) | 焼鈍 | 300 - 500 MPa | 43 - 73 ksi | ASTM E8 |
延び | 焼鈍 | 40 - 50% | 40 - 50% | ASTM E8 |
硬度(ロックウェルC) | 焼鈍 | 30 - 40 HRC | 30 - 40 HRC | ASTM E18 |
衝撃強度(シャルピー) | -40°C | 30 J | 22 ft-lbf | ASTM E23 |
これらの機械的特性の組み合わせにより、ステンレススプリング鋼はスプリング、ファスナー、および繰り返し荷重にさらされる部品などの高い強度と弾性が必要な用途に適しています。応力下での構造的完全性を維持する能力は、機械システムの信頼性を確保するために重要です。
物理的特性
特性 | 状態/温度 | 値(メトリック - SIユニット) | 値(インペリアルユニット) |
---|---|---|---|
密度 | 室温 | 7.9 g/cm³ | 0.284 lb/in³ |
融点 | - | 1400 - 1450 °C | 2552 - 2642 °F |
熱伝導率 | 室温 | 16 W/m·K | 92 BTU·in/h·ft²·°F |
比熱容量 | 室温 | 500 J/kg·K | 0.12 BTU/lb·°F |
電気抵抗率 | 室温 | 0.72 µΩ·m | 0.0000013 Ω·in |
熱膨張係数 | 20 - 100 °C | 16.5 x 10⁻⁶ /K | 9.2 x 10⁻⁶ /°F |
密度や熱伝導率などの重要な物理特性は、重量と熱放散が重要な用途で重要です。相対的に高い密度は部品の全体的な強度に寄与し、熱伝導率は自動車や航空宇宙部品のような用途で効率的な熱伝達を確保します。
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 | 25-60 / 77-140 | 普通 | ピッティング腐食のリスク |
硫酸 | 10-30 | 25-50 / 77-122 | 不良 | 応力腐食割れに敏感 |
水酸化ナトリウム | 1-10 | 25-60 / 77-140 | 良好 | 一般的に耐性があるが、高温の影響を受けることがある |
大気 | - | - | 優れた | ほとんどの環境で良好な耐性 |
ステンレススプリング鋼は、大気腐食に対して優れた耐性を示し、さまざまな環境に適しています。ただし、塩素を豊富に含む環境ではピッティング腐食に敏感であり、硫化物が存在する場合には応力腐食割れに影響を受ける可能性があります。AISI 316のような他のステンレス鋼に比べて、ステンレススプリング鋼は腐食耐性が劣るが、優れた機械的特性を提供します。
耐熱性
特性/制限 | 温度(°C) | 温度(°F) | 備考 |
---|---|---|---|
最大連続使用温度 | 300 | 572 | 長時間の曝露に適している |
最大間欠使用温度 | 400 | 752 | 劣化なしの短期間の曝露 |
スケーリング温度 | 600 | 1112 | この限界を超えると酸化のリスク |
クリープ強度に関する考慮が始まる | 500 | 932 | 高温でクリープが問題になることがある |
高温環境でも、ステンレススプリング鋼はその強度と弾性を維持し、適切な用途に適しています。ただし、600 °Cを超える温度で酸化が発生する可能性があるため、サービス条件を慎重に考慮する必要があります。
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溶接 | ER308L | アルゴン | 予熱が必要な場合があります |
MIG溶接 | ER308L | アルゴン + CO2混合 | 良好な融着特性 |
スティック溶接 | E308L | - | 厚い部分には推奨されません |
ステンレススプリング鋼はさまざまなプロセスで溶接できますが、亀裂や歪みなどの問題を回避するために注意が必要です。熱ショックのリスクを減らすために、予熱が必要な場合があります。溶接後の熱処理は、応力を緩和し、溶接の全体的な性能を向上させるのに役立ちます。
加工性
加工パラメーター | ステンレススプリング鋼 | AISI 1212 | 備考/ヒント |
---|---|---|---|
相対加工性指数 | 30 | 100 | 硬度のため加工が難しい |
典型的な切削速度(旋削) | 20-30 m/min | 50-80 m/min | 最高の結果を得るためにカーバイド工具を使用する |
ステンレススプリング鋼の加工は、その硬度のために挑戦的です。最適な条件には、鋭い工具と適切な切削速度を使用して工具の摩耗を最小限に抑え、望ましい表面仕上げを達成することが含まれます。
成形性
ステンレススプリング鋼は、中程度の成形性を示します。冷間成形は可能ですが、作業硬化を避けるために注意が必要です。熱間成形も可能ですが、変形を防ぐために材料を均一に加熱する必要があります。
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 |
---|---|---|---|---|
焼鈍 | 800 - 900 / 1472 - 1652 | 1-2時間 | 空気 | 硬度を減少させ、延性を改善する |
焼入れ | 1000 - 1100 / 1832 - 2012 | 30分 | 油または水 | 硬度を増加させる |
テンパリング | 400 - 600 / 752 - 1112 | 1時間 | 空気 | 脆さを減少させる |
熱処理プロセスは、ステンレススプリング鋼の微細構造や特性に大きな影響を与えます。焼鈍は硬度を減少させ、延性を向上させ、焼入れは硬度を増加させますが、脆さを引き起こす可能性があります。テンパリングは、これらの特性のバランスを取るためにしばしば使用されます。
典型的な用途と最終的な使用
産業/セクター | 特定の用途例 | この用途で利用される主要な鋼の特性 | 選択理由(簡潔に) |
---|---|---|---|
自動車 | サスペンションスプリング | 高強度、弾性 | 車両の安定性に必須 |
航空宇宙 | 着陸装置部品 | 耐食性、疲労強度 | 安全性と性能にとって重要 |
医療機器 | 外科用器具 | 生体適合性、耐食性 | 長寿命と安全性を確保 |
産業 | バルブスプリング | 高疲労耐性 | 応力下での信頼性のある作動 |
他の用途には以下が含まれます:
- 腐食性環境でのファスナー
- 電気接点とコネクタ
- 高い強度と耐久性を必要とする精密機器
ステンレススプリング鋼は、要求される条件での信頼性と性能を確保するために、その強度、弾性、耐食性のユニークな組み合わせが求められるこれらの用途に選ばれています。
重要な考慮事項、選択基準、およびさらなる洞察
特徴/特性 | ステンレススプリング鋼 | AISI 316 | AISI 304 | 簡潔な長所/短所またはトレードオフノート |
---|---|---|---|---|
主要機械的特性 | 高引張強度 | 中程度 | 中程度 | 動的用途における優れた強度 |
主要耐食性 | ほとんどの環境で良好 | 優れた | 良好 | 316はより優れた耐食性を提供 |
溶接性 | 中程度 | 良好 | 良好 | 316は溶接が容易 |
加工性 | 挑戦的 | 中程度 | 良好 | 304は加工が容易 |
成形性 | 中程度 | 良好 | 良好 | 304はより優れた成形性を提供 |
おおよその相対コスト | 高い | 高い | 低い | コストの考慮が選択に影響を与える可能性があります |
典型的な入手可能性 | 中程度 | 高い | 高い | 304と316はより一般的に入手可能 |
ステンレススプリング鋼を選択する際は、費用対効果、入手可能性、特定の用途要件を考慮する必要があります。そのユニークな特性は高性能用途に適していますが、高コストや加工の課題は、他のグレードとの慎重な評価を必要とする場合があります。
結論として、ステンレススプリング鋼は強度、弾性、耐食性を要求される用途で優れたパフォーマンスを発揮する多用途で高性能な材料です。そのユニークな特性と加工上の考慮事項は、さまざまな産業での重要な選択肢となり、厳しい環境での信頼性と安全性を確保します。