ステンレス鋼とは何ですか?
「ステンレス」は、刃物用途向けのこれらの鋼の開発の初期に作られた用語です。これらの鋼の総称として採用され、現在では耐食性または耐酸化性用途の幅広い鋼種とグレードをカバーしています。
ステンレス鋼は、少なくとも 10.5% のクロムを含む鉄合金です。他の合金元素は、成形性、強度、極低温靱性などの構造と特性を強化するために追加されます。
この結晶構造により、このような鋼は非磁性になり、低温でも脆くなりにくくなります。より高い硬度と強度を得るためにカーボンが添加されます。適切な熱処理を施した場合、これらの鋼はカミソリの刃、刃物、工具などとして使用されます。
多くのステンレス鋼組成物には大量のマンガンが使用されています。マンガンはニッケルと同様に鋼のオーステナイト構造を維持しますが、コストは低くなります。
ステンレス鋼の主な元素
ステンレス鋼または耐食鋼は、さまざまな形で存在する金属合金の一種です。これは私たちの実際のニーズに非常によく応えているため、私たちの生活のどの領域でもこのタイプの鋼を使用していない場所を見つけるのは困難です。ステンレス鋼の主成分は、鉄、クロム、炭素、ニッケル、モリブデン、および少量のその他の金属です。
これらには、次のような金属が含まれます。
- ニッケル
- モリブデン
- チタン
- 銅
非金属の添加も行われますが、主なものは次のとおりです。
- 炭素
- 窒素
クロムとニッケル:
クロムはステンレスをステンレスにする元素です。不動態皮膜の形成に必須です。他の元素は、皮膜の形成または維持におけるクロムの有効性に影響を与える可能性がありますが、他の元素自体がステンレス鋼の特性を作り出すことはできません。
約 10.5% のクロムでは弱い皮膜が形成され、穏やかな大気保護を提供します。オーステナイト系ステンレス鋼のタイプ 300 シリーズでは一般的であるクロムを 17 ～ 20% に増やすことにより、不動態皮膜の安定性が向上します。クロム含有量をさらに増やすと、保護がさらに強化されます。
| シンボル | 要素 |
| アル | アルミニウム |
| C | 炭素 |
| Cr | クロム |
| 銅 | 銅 |
| 鉄 | 鉄 |
| モー | モリブデン |
| ん | マンガン |
| N | 窒素 |
| ニ | ニッケル |
| P | リン |
| S | 硫黄 |
| セ | セレン |
| タ | タンタル |
| ティ | チタン |
ニッケルはステンレス鋼のオーステナイト構造 (結晶粒または結晶構造) を安定化し、機械的特性と製造特性を向上させます。ニッケル含有量が 8 ～ 10% 以上であると、応力腐食による金属の亀裂の傾向が減少します。ニッケルは、膜が損傷した場合の再不動態化も促進します。
マンガン：
マンガンは、ニッケルと連携して、ニッケルに起因すると考えられる機能の多くを果たします。また、ステンレス鋼中の硫黄と相互作用して亜硫酸マンガンを形成し、孔食に対する耐性を高めます。ニッケルの代わりにマンガンを使用し、窒素と結合させることで強度も向上します。
モリブデン：
モリブデンはクロムと組み合わせると、塩化物の存在下で不動態皮膜を安定化させるのに非常に効果的です。すきま腐食や孔食の防止に効果があります。モリブデンはクロムに次いで、ステンレス鋼の耐食性を最大に高めます。 Edstrom Industries は 316 ステンレスを使用しています。これは、水に塩素が添加されたときに保護するモリブデンが 2 ～ 3% 含まれているためです。
炭素：
強度を高めるためにカーボンが使用されています。マルテンサイトグレードでは、炭素の添加により熱処理による硬化が促進されます。
窒素：
窒素はステンレス鋼のオーステナイト構造を安定させるために使用され、孔食に対する耐性を高め、鋼を強化します。窒素を使用するとモリブデン含有量を最大 6% まで増やすことができ、塩化物環境での耐食性が向上します。
チタンとミオビウム:
チタンとミオブムは、ステンレス鋼の鋭敏化を軽減するために使用されます。ステンレス鋼が鋭敏化すると、粒界腐食が発生する可能性があります。これは、部品が溶接されるときの冷却段階でのクロム炭化物の析出によって引き起こされます。これにより、溶接領域のクロムが消耗します。クロムがなければ不動態皮膜は形成できません。チタンとニオブは炭素と相互作用して炭化物を形成し、クロムが溶液中に残るため、不動態皮膜が形成されます。
銅とアルミニウム:
銅とアルミニウムをチタンとともにステンレス鋼に添加すると、硬化が促進されます。硬化は、900°F ～ 1150°F の温度で浸漬することで達成されます。これらの元素は、高温での浸漬プロセス中に硬い金属間微細構造を形成します。
硫黄とセレン:
304ステンレスに硫黄とセレンを添加し、自由に加工できるようにしました。これは 303 または 303SE ステンレス鋼となり、エドストローム インダストリーズではホッグ バルブ、ナット、飲料水にさらされない部品の製造に使用されています。
ステンレス鋼の種類
AISI は、特に次のグレードを定義します。
タイプ 304 と比較して塩水腐食に対する耐性が向上しているため、「海洋グレード」ステンレス鋼としても知られています。SS316 は、核再処理プラントの建設によく使用されます。
304/304L ステンレス鋼
タイプ 304 は、カーボン含有量が少ないため、302 よりも強度がわずかに低くなります。
316/316L ステンレス鋼
タイプ 316/316L ステンレス鋼は、塩化物やその他のハロゲン化物を含む溶液による耐孔食性が向上したモリブデン鋼です。
310S ステンレススチール
310S ステンレス鋼は、2000°F までの一定温度下で優れた耐酸化性を備えています。
317L ステンレス鋼
317L は、タイプ 316 に似たモリブデン含有オーステナイト系クロム ニッケル鋼ですが、317L の合金含有量が若干高い点が異なります。
321/321H ステンレス鋼
タイプ 321 は、基本タイプ 304 に、炭素と窒素の含有量の少なくとも 5 倍の量のチタンを添加することによって改良されたものです。
410ステンレス鋼
タイプ 410 はマルテンサイト系ステンレス鋼で、磁性があり、穏やかな環境での耐腐食性があり、かなり優れた延性を持っています。
デュプレックス 2205 (UNS S31803)
Duplex 2205 (UNS S31803)、または Avesta Sheffield 2205 はフェライト系オーステナイト系ステンレス鋼です。
ステンレス鋼は結晶構造によっても分類されます。
- オーステナイト系ステンレス鋼は、ステンレス鋼の総生産量の 70% 以上を占めます。これらには、最大 0.15% の炭素、最低 16% のクロム、および極低温領域から合金の融点までのすべての温度でオーステナイト構造を維持するのに十分なニッケルおよび/またはマンガンが含まれています。典型的な組成は 18% クロムと 10% ニッケルで、一般に 18/10 ステンレスとして知られており、食器類ではよく使用されます。同様に18/0と18/8も利用可能です。合金 AL-6XN や 254SMO などの「スーパーオーステナイト系」ステンレス鋼は、高いモリブデン含有量 (>6%) と窒素添加により、塩化物孔食や隙間腐食に対して優れた耐性を示し、ニッケル含有量が高いため、応力腐食割れに対する優れた耐性が保証されます。 300シリーズを超えています。 「スーパーオーステナイト」鋼の合金含有量が高いということは、それらが恐ろしく高価であることを意味しますが、通常は二相鋼を使用すればはるかに低コストで同様の性能を達成できます。
- フェライト系ステンレス鋼は耐食性に優れていますが、耐久性はオーステナイト系ステンレス鋼よりもはるかに低く、熱処理によって硬化することはできません。これらには 10.5% ～ 27% のクロムが含まれており、ニッケルは含まれていてもごくわずかです。ほとんどの組成にはモリブデンが含まれています。アルミニウムやチタンなどもあります。一般的なフェライトグレードには、18Cr-2Mo、26Cr-1Mo、29Cr-4Mo、および 29Cr-4Mo-2Ni があります。
- マルテンサイト系ステンレス鋼は、他の 2 つのクラスほど耐食性はありませんが、非常に強度と靭性が高く、機械加工性も高く、熱処理によって硬化することができます。マルテンサイト系ステンレス鋼には、クロム (12 ～ 14%)、モリブデン (0.2 ～ 1%) が含まれており、ニッケルは含まれておらず、約 0.1 ～ 1% の炭素が含まれています (硬度が高くなりますが、材料が少し脆くなります)。焼入れされていて磁性を持っています。 「シリーズ-00」鋼としても知られています。
- 二相ステンレス鋼はオーステナイトとフェライトの混合微細構造を持ち、市販の合金では混合が 60:40 の場合もありますが、目的は 50:50 の混合を生成することです。二相鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に比べて強度が向上しており、局部腐食、特に孔食、隙間腐食、応力腐食割れに対する耐性も向上しています。オーステナイト系ステンレス鋼よりもクロム含有量が高く、ニッケル含有量が低いことが特徴です。
ステンレスの歴史
古代から耐食性のある鉄の工芸品がいくつか残っています。有名な (そして非常に大きな) 例は、西暦 400 年頃にクマラ グプタ 1 世の命令によって建てられたデリーの鉄柱です。しかし、ステンレス鋼とは異なり、これらの工芸品の耐久性はクロムによるものではなく、リン含有量の多さによるものです。これは、局地的な良好な気象条件と相まって、ほとんどの鉄製品に生じる保護のないひび割れた錆層ではなく、酸化鉄とリン酸鉄の固体保護不動態層の形成を促進します。
鉄クロム合金の耐食性は、1821 年にフランスの冶金学者ピエール ベルティエによって初めて認識され、彼は一部の酸による攻撃に対する耐性に注目し、刃物への使用を提案しました。しかし、19 世紀の冶金学者は、現代のほとんどのステンレス鋼に見られる低炭素と高クロムの組み合わせを製造することができず、製造できた高クロム合金は脆すぎて実用的ではありませんでした。
この状況は 1890 年代後半に変わりました。ドイツのハンス ゴールドシュミットがカーボンフリー クロムを製造するためのアルミノテルミック (テルミット) プロセスを開発したときです。 1904 年から 1911 年にかけて、数人の研究者、特にフランスの Leon Guillet が、今日ステンレス鋼とみなされる合金を製造しました。 1911 年、ドイツのフィリップ モンナルツは、これらの合金のクロム含有量と耐食性の関係について報告しました。
ステンレスの「発明者」として最もよく知られているのは、英国シェフィールドにあるブラウン・ファース研究所のハリー・ブレアリー氏です。
鋼鉄。 1913 年、砲身用の耐浸食合金を探していたときに、マルテンサイト系ステンレス鋼合金を発見し、工業化しました。しかし、同様の産業発展は、エドゥアルド・マウラーとベンノ・シュトラウスがオーステナイト系合金（クロム21％、ニッケル7％）を開発していたドイツのクルップ製鉄所や、クリスチャン・ダンツィゼンとフレデリック・ベケットが開発していた米国でも同時期に行われていた。フェライト系ステンレスを工業化していました。
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投稿日時: 2022 年 6 月 16 日