オーステナイト マルテン サイト。 【ステンレス鋼の分類】

鋼の熱処理 焼入れ3 炭素量・マルテンサイト・残留オーステナイト

オーステナイト マルテン サイト

焼入れして硬化するための鋼の成分には「炭素量」が重要です。 (鋼と炭素の関係は も合わせて参照ください。 また、本文中の緑字の部分は、筆者の見方考え方を書いています)) 下図のように、鋼中の炭素量の増加に伴って、焼入れした時の硬さが上昇していきます。 このために、鋼に含まれる 「炭素量」は非常に重要で鋼の性質を決める最も重要な元素です。 このように、いろいろな図や内容がありますが、これらから読み取る内容は、ここでは、「炭素量が増すほど焼入れで高い硬さが得られるが、0. 6%以上では変わらない」ということが重要で、それ以外の細部は考えなくていいでしょう。 (以下の【注意】を参照) この図の縦軸は「焼入れ硬さHRC」はロックウェル硬さ計を使って焼入れ後に測定した硬さです。 ロックウェル硬さ計は、硬い鋼の硬さ測定に多く用いられるもので、ダイヤモンドを鋼に押し付けて、入り込む量によって硬さを決めるものですが、標準的な硬さ計として覚えておいてください。 工具に必要な「硬さ」を平たくいえば、58HRC程度以上の硬さであれば包丁などの「刃物」として使用できる硬さですし、カミソリの刃先が63HRC程度の「鋼の最高硬さ」の部類のものです。 それに対して、鉄グギなど0. 1%以下の炭素量の鋼の硬さは5HRC程度で最も柔らかい鋼の状態・・・というロックウェル硬さのイメージの数値です。 この「鉄グギ」は低炭素鋼ですので、焼入れしても硬くすることはできません。 このように、熱処理しない鋼種というのもたくさんあり、建築用の材料などの熱処理しない鋼の需要は、熱処理して用いるものに比べてはるかに多いのです。 この炭素量と硬さの図は、「 素地の炭素量がわかれば、最高硬さが推定できる」ので、炭素鋼だけではなく工具鋼などでも、非常に役に立つ便利なものです。 例えば、熱間鍛造用の金型などでは、硬すぎれば使用するとすぐに破損してしまいますので、極端に高い硬さは必要ありません。 そこで、45HRC程度の硬さが適当な硬さとすれば、図から、0. 6%以上の炭素量は必要がない (C量が高くないほうがいい)・・・ということがイメージできます。 (これらの工具鋼の特性については別に説明しています) 焼入れについては、ここでは、次のことをイメージしておいてください。 1)焼入れすると、マルテンサイトという状態になり、 硬くなる。 2)炭素量とともに、焼入れ硬さが上昇する。 3)0. 6%C以上で最高硬さは高止まりして、それ以上高くならない。 【注意】これらの焼入れ硬さのグラフは、非常に有用で、いろんな所で紹介されており、他にもよく似た図もあって、熱処理硬さを判断する説明に使うことも多いのですが、残念ながら、試験条件などの詳細な内容が調べてもよくわからないので、この図の見方として、C量とともに硬さが上昇すること、マルテンサイト量が減れば硬さが低下し、合金鋼になればその硬さ低下度合いが小さくなる・・・という、上にあげた3項目をイメージしておく程度でいいと思います。 鋼は、 鉄と炭素の合金で、おおむね、0. 1%以上の炭素を含有する鋼は焼入れすることにより硬化します。 (それ以下の炭素量では、焼入れしてもほとんど硬くなりません) これは、急冷することによって、非常に硬い マルテンサイトという組織が生成して硬くなるためです。 焼入れ冷却中は、このマルテンサイトが生成する温度まで急速に冷却することによって、他の、柔らかい組織を出さないように早く冷やすことが求められます。 速い冷却が必要な鋼種には、焼入れ時の冷却方法は 「水冷」と指定されていますが、焼入れ性がいい鋼種では、 「油冷」「空冷」というような、比較的遅い冷却の場合でもマルテンサイトが生成して硬化します。 焼入れした時に冷却速度が遅くてマルテンサイトが生成しない場合は、パーライト、ソルバイトなどの、 マルテンサイトと違った組織に変化しているということになります。 この図はSNCM435のCCT曲線です。 (CCT曲線については、別に説明します) 丸がこみの数字はロックウェル硬さで、冷却速度が遅くなると、硬さが低下しています。 また、英字は組織を表しており、Mがマルテンサイトで、冷却が遅くなってその他の組織(A:オーステナイト、B:ベイナイト、F:フェライトなど)が焼入れ中に析出すると、硬さが低下してくるということが示されています。 (を参照) その焼入れ温度での組織は、オーステナイトと呼ばれる状態になっています。 オーステナイトになる状態に加熱することを「オーステナイト化する」といいます。 これは、純鉄(炭素量が0. 鋼の炭素量が0. 1%を超えてくると、急冷によって、組織の一部が体心正方格子の結晶構造のマルテンサイトに変わって硬くなります。 この操作を 焼入れと言います。 冷却速度が遅いと、体心正方構造ではなく、体心立方構造になって、マルテンサイトのような硬い硬さにはなりません。 炭素量が約0. 8%程度の共析鋼では、全組織がマルテンサイトに変わります。 それ以下の炭素量のは亜共析鋼(例えば0. 4%炭素鋼など)といいますが、炭素量が0. 8%以下では、組織の全部がマルテンサイトにはなりません。 1%以下のオーステナイト系ステンレス鋼は、オーステナイト化した状態から急冷することで、常温でも安定なオーステナイト状態になっています。 これは「焼入れ」と同じ操作ですが、「焼入れ」とはよばずに、固溶化処理やとよび、常温で安定なオーステナイト状態にする処理ですが、もちろん急冷しても固くなりませんし、むしろ柔らかくなリます。 このマルテンサイトは、焼入れることによって硬くなっている組織を見つけたドイツ人のマルテンスさんにちなんで「マルテンサイト」と名付けられたものです。 焼戻しをすると、組織観察時に腐食されやすくなるので、何かの変化はあると思いますが、通常は、焼戻しをして使用するのが普通ですので、熱処理説明としては、あまり重要ではないのでしょう。 マルテンサイトの状態を焼戻しによって少し変化させるのですが、このことは覚えておきましょう。 このように、焼入れ後に再加熱することによって、鋼を強靭なものに変える操作をと言います。 これは、炭素工具鋼の焼戻し温度と硬さ、焼戻し温度と強さとじん性を示す例です。 見にくい図ですが、左は、焼戻し温度を上げると硬さが低下していくということが示されており、右は、焼戻しをすると、特性に極大値が出ることが示されています。 しかし、すべての炭素工具鋼がこのようになるか・・・ということは言えません。 少しの試験条件が変われば、結果が変わります。 ここでは、焼戻しをすると硬さは少し低下し、温度によって強さやじん性が変化する・・・ということを知っておいてください。 試験方法によって特性が変わるのは仕方がないことですし、鋼種によっても品物の大きさによっても変わリます。 また例えば、カミソリの刃の例をあげると、ある人は、焼戻しをするよりも、高い硬さにしておくほうがいいますし、ある人は、硬さが下がっても焼戻しするほうがいいといいます。 私は後者ですが、何を言おうと、結論は『使ってみて良いほうが良い』ということです。 これが製品のノウハウになっていく場合もありますが、こういう考え方の違いが生じる例はたくさんあります。 ここでは、基本の考え方で説明しますが、熱処理に及ぼす要素が沢山あるので、こういう考え方の違いは当然出てくる・・・ということは知っておいてください。 【残留オーステナイト】 Mn(マンガン)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)等の合金元素を含む鋼では、焼入れしても、すべてが変態しないで、一部にオーステナイト組織が残るものもあります。 それを「 残留オーステナイト」と言います。 「オーステナイト」の状態は、常温で体心立方構造になっているよりも、やわらかく展延性に富んでいるために、残留オーステナイトの組織部分がショックアブソーバーとなって、じん性(耐衝撃性)が向上するなどの良い面がある反面、焼入れで十分硬くならないことや変形の原因になるなどの欠点があります。 焼入れにおける残留オーステナイトについては非常に重要で、これに対する内容の説明がこの他のところでしばしば出てきますので、記憶しておいてください。 【焼入れ冷却速度が遅いと】 焼入れ時の冷却速度が遅いと、体心立方晶の組織(パーライトなどのマルテンサイト以外の組織)が晶出しますが、「焼入れ」の経過によって、結晶構造や組織、機械的性質などが変化します。 (この説明は、いろいろなことを付け加えて説明しないと理解し難いのですが、ここではこの程度のイメージでとらえておいてください) 焼入れした鋼の中に残っているオーステナイトが「残留オーステナイト」です。 さらに、(筆者の経験的なことですが)換算表にあるようなショアー硬さとロックウェル硬さの相関が崩れて、ショアー硬さが低めになる・・・という現象も出てくることを経験しています。 適度な残留オーステナイトはじん性を向上させ、ショックアブソーバーとなって、焼き割れや使用中の割れを防ぐという「良い影響」もあると言われます。 しかし、当社では、金属せん断刃物のように、高負荷が加わる品物については、 残留オーステナイトはできるだけ少ないほうがいいと考えており、 刃先のような微小部分に大きな力を受けるものや、変形生じるような力をうける製品は、焼入れ温度の管理や高温焼戻しによってそれを少なくするのことを基本として考えています。 残留オーステナイトが残っている品物の最表面や刃先の先端が変形を受けて硬化する現象は、「加工誘起マルテンサイト」の生成によって説明される場合があります。 加工時に組織の一部がマルテンサイト化したり、組織変化する場合があるのですが、CrやNi量の多いステンレス鋼の削り加工時に、急に削りにくくなることや極端に工具が摩耗するなどのことを経験した方もおられるでしょう。 これには、加工部分の組織の微細化や熱変化によることもあるようですが、強加工によってマルテンサイトへの変態が起こって、オーステナイトの組織が変化して、ステンレス鋼が着磁したり耐食性が低下したり、極端な場合には破損などにつながることがあります。 これらのことから、残留オーステナイトが他の組織に変化するのは一般的には「好ましくない」とされるようになってきている感じがします。 通常の「焼入れ鋼」では、焼入れ温度を上げすぎないようにして、残留オーステナイトを少なくしたり、安定な状態にして変化する「焼戻しなどによるオーステナイトの安定化処理」とよばれる熱処理操作があります。 しかし、液体窒素温度までのサブゼロ処理でも、完全に消失しない鋼種も多いので、 サブゼロ処理での消失を過信してはいけません。 当社での特殊な例として、航空機部品などで残留オーステナイトを嫌う熱処理品では、サブゼロと高温焼戻しを繰り返して、 それをほとんどゼロにしているなどの例がありますが、厳密にいうと、完全になくすのは難しく、熱処理費用は非常に高価になります。 打ち抜き用の刃物などでは、硬さが最重要なので、残留オーステナイトが問題になるほど高負荷の状態で使用されることはないことから、低温焼戻しが一般的な焼戻し処理です。 しかし、ゲージや超精密部品には残留オーステナイトが多くなるような熱処理をすると経年変化の可能性が高いので、残留オーステナイトが少なくなる熱処理を考えておかないといけません。 ナイフや工具に使われる合金量の多い高合金工具鋼では、 Mf点(焼入れによってマルテンサイト変態が完了する温度)が常温付近やそれ以下のものがあるということも残留オーステナイトが多くなる原因の一つです。 さらに、実際の熱処理作業では、割れ(焼割れ)の危険を避けるために、完全に品物が冷えないうちに焼戻しに移行する場合も多いという操業上の理由も加わって、焼入れした後には、熱処理データに示された以上に、かなりの量の変態しないオーステナイト組織が残ってしまいます。 焼入れした後の残留オーステナイト量は、鋼種(成分)によって異なります。 また、焼入れ時の冷却速度が遅い場合は、残留オーステナイトが増加するというデータもあります。 興味ある方は日立金属のSLDの関連資料などを入手して、焼入れ温度や冷却による変化などを確認いただいたらいいのですが、熱処理操作における焼割れ防止対策などの冷却速度調節などをすると、それらのデータとはまた違った状態になり、残留オーステナイト量が大きく変動します。 筆者は、基本的には『多いのは良くない』という立場でHPでは説明しているのですが、この残留オーステナイト問題は、いろいろな内容や問題を含んでいます。 当社で、熱処理の仕方(特にサブゼロ処理の方法)による残留オーステナイトの量を調べた実験をしたことがあります。 通常の熱処理をしても20%程度以上残留するとされるSKD11などの冷間工具鋼について、 焼入れ温度や冷却速度を変えた冷却条件で焼入したあと、 Mf点以下の温度で、保持温度などの条件を変えてサブゼロ処理やクライオ処理をしたのですが、 教科書や文献になどにあるような結果にはならずに、いずれも、数%のオーステナイトが安定化して残っていました。 多くの書籍には、「サブゼロ処理によって残留オーステナイトをなくす」という表現がありますが、一連の実験では、SKD11やその相当鋼では、いろいろな処理をしても、 それを1%以下にすることはできませんでしたので、サブゼロ処理によって「残留オーステナイトが無くなる」のではなくて、特に高合金鋼では、「少なくなる」という表現が無難なところでしょう。

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用 語 【ASTM】 (えい・えす・てぃー・えむ) 米国材料試験協会(American Society for Testing and Materials) または「ASTM International」は、世界最大・民間・非営利の国際標準化・規格設定機関。 工業規格のASTM規格を設定、発行している。 【オーステナイト】 (おーすてないと) 鉄鋼の組織名称。 Austenが 発見したことから命名。 オーステナイト系ステンレスは、ニッケルとクロムを加えて、面心立方晶から体心立方晶に変化する 温度を低くし、常温でも面心立方晶として、耐食性を向上させた鋼である。 また、高マンガン・オーステナイト鋼は、マンガンと炭素の添加により、常温でも面心立方晶を呈し、 摩耗しにくく、鉄道レールのポイントなどに使用されている。 【応力腐食割れ】 (おうりょく ふしょく われ) 加工など、機械的な応力(かかる力)で、亀裂が時間と共に成長し破壊に至る現象。 ボルトなどの部品は常に応力腐食割れを起こす可能性がある。 環境によって脆化(ぜいか)するとの考えから、環境脆化のひとつに位置付けられる。 【加工硬化性】 (かこう こうか せい) 金属に応力を与えると塑性変形によって硬さが増す現象。 意図的に加工を加え、金属自身を硬化させたり、バレル研磨のように表面に物をぶつけ加工硬化を 狙うなど、特性を利用した加工技術も確立している。 金属では通常、高温時にのみ生じる。 【孔食性】 (こうしょく せい) ステンレスの不動態化表面の一部に穴(孔)が開き、時間と共に腐食深度を深めていく腐食をいう。 原因は、溶接などの熱または加工によって組織内に部分的なCr欠乏が生じ、十分な不動態形成が なされないことが挙げられる。 【個溶体】 (こよう たい) 2種類以上の非金属も含む元素が溶け合い、全体が均一の固相となっているものを固溶体といい、 合金や鉱物に多く見られる。 固溶体は高温では不規則状態であるが、ある温度以下では規則状態になる。 ちなみに固溶体を作ることで材料を強化することを固溶強化という。 また非金属元素同士が互いに溶け合った場合は、混晶(こんしょう)ともいう。 【自硬性】 (じこう せい) 焼入温度から空気中で冷却する程度でも、容易にマルテンサイトを生じて硬化する性質をいう。 【磁性】 (じ せい) 物質が他の物質に引力や斥力を及ぼす現象のひとつ。 容易に分かるほど強い磁性を示す物質として、鉄やある種の鋼、磁鉄鉱(天然磁石)や磁硫鉄鉱と いった鉱物などがよく知られている。 【靭性】 (じん せい) 物質の粘り強さを表す技術用語。 (=「ねばさ」) 衝撃試験(シャルピー衝撃試験、アイゾット衝撃試験など)の数値で評価し靭性が弱いことを 「脆(ぜい)性」、強いことを「延(えん)性」と表現する。 欠陥(クラック)の進展に対する抵抗性をいい、強度とは意味合いが異なる。 【ストレッチ加工】 (すとれっち かこう) 塑性加工でも、特に材料状態から延ばしたり縮めたりすることで目的の形状に加工することをいう。 例を上げると、絞り加工によるシームレスパイプの製造や、スピニング加工による円筒の製造などが あげられる。 【析出硬化】 (せきしゅつ こうか ステンレス鋼にチタン・ニオブ・バナジウムなどの炭窒化物を細かく析出させ転移を阻止することに より材料を強化する精製法。 【塑性加工】 (そせい かこう) 材料に力を加え(応力)変形させることにより、目的とする形状に加工することをいう。 一般に加工時間が短く、材料のロスが少ないため、工業製品の生産等に広く用いられる。 【耐銹性】 (たいしゅう せい) サビへの耐性。 (=酸化耐性) 【耐熱鋼】 (たいねつ こう) 高温環境下において、耐酸化性・耐高温腐食性を有する。 又は高温強度を保持する合金鋼。 クロムのほか、ニッケル、コバルト、タングステンその他の合金元素を含むことが多い。 【塑性加工】 (そせい かこう) 材料に力を加え(応力)変形させることにより、目的とする形状に加工することをいう。 一般に加工時間が短く、材料のロスが少ないため、工業製品の生産等に広く用いられる。 【耐食性】 (たいしょく せい) 総じて金属が腐食に耐える性質をいう。 【耐熱鋼】 (たいねつ こう) 鉄鋼は高温条件下において、さまざまな特性が劣化する。 そこで炭素鋼に多くのCrやNiなどを添加し、高温下でも劣化しにくく機械的性質を改善した物が 耐熱鋼である。 耐熱鋼にはマルテンサイト系・ オーステナイト系などがある。 【熱間加工】 (ねつかん かこう) 加工硬化を生じないような温度範囲で行う金属又は合金の塑性(そせい)加工。 【被削性】 (ひさく せい) 切削加工するときの削りやすさをいう。 (=切削加工性) 快削ステンレス鋼の代表的な鋼種として、SUS303などが挙げられる。 ステンレス材料は鉄を基材として、これに炭素、クロム、ニッケルなどを添加させ、目的に応じた性能 を示すように調製されている。 この種の鋼をフェライト系ステンレスという。 これに対して、ニッケルやクロムを添加することで、面心立方晶を呈するステンレス、つまり オーステナイトが主体となるように調整した鋼をオーステナイト系ステンレスという。 【マルテンサイト】 (まるてんさいと) ドイツの金属学者アドルフ・マルテンスによって発見され命名された、本来は鋼に熱をかけたときに 生成するきわめて硬質な鋼の顕微鏡組織を意味していた。 しかし近年では、鋼だけでなく、チタンや銅などの合金、あるいはセラミックスの組織でも「マルテン サイト変態」が確認され、これらを総じてマルテンサイトと呼ぶようになった。 通常の変態は、結晶を形成する各原子同士が一旦結合を断ち切り、異なる結合形式の結晶を形成し 直すことによって変態が進行する。 この場合、各原子が個々に活動することから、変態には高温状態 を必要とする。 一方、マルテンサイト変態では、結晶を形成する各原子が、ドミノ倒しのように一斉に動いて新しい 結晶に生まれ変わるので、低温でも変態が進行する。 しかも、原子相互の配置関係が変態の前後で変わらないので、変態が可逆的に進行することが多い。 【粒界腐食】 (りゅうかい ふしょく) 腐食のひとつ。 金属材料の結晶粒界だけが選択的に腐食する現象をいう。 精製時の不適当な熱履歴などにより、金属中に不純な炭素化合物が増すことが原因。 重度の場合、応力腐食割れに進展することがある。 対策としては 1. 低炭素鋼(SUS〜L)や安定化ステンレス鋼(SUS321、SUS347)の採用 2. 溶体化処理実施、製作時の熱履歴や溶接入熱の管理 などが考えられる。

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マルテンサイト

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C:0. 01〜0. 1%、Si:0. 05〜1%、Mn:0. 05〜1. 01%、Cr:9〜15%、Ni:0. 1〜2. 1%を含むとともに、Cu:0. 05〜4%、Mo:0. 05〜3%、V:0. 005〜0. 5%、Nb:0. 005〜0. 5%、B:0. 0002〜0. 005%、Ca:0. 0003〜0. 005%、Mg:0. 0003〜0. 005%およびREM:0. 0003〜0. The 0. 01 0. 05 1. 03〜0. 1〜3. 1〜5. 01〜1. a , , 0. 03 0. 1 3. 1 5.

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