ステンレス鋼の特性と欠陥

技術仕様

ステンレス鋼に課される主な要件は、合金の組成、構造状態、腐食環境の攻撃性、および荷重の影響に依存する耐食性です。耐食性は、製品表面に強固な受動皮膜が形成されることにより、攻撃的な物質が材料のより深い層に浸透するのを防ぐことで達成されます。

クロム

クロムは、酸化環境における最も強力な受動化要素の1つです。合金の表面に、数原子層の厚さで極めて薄く目に見えない酸化皮膜を形成します。皮膜の密度と耐食性はクロムの割合が増加するにつれて向上します。12〜13%のクロム含有により、鋼は大気および土壌の湿気に強いステンレス鋼となります。クロム含有量を28〜30%まで増やすと、合金は攻撃的な環境にも耐性を持ちます。クロムはフェライト形成元素であるため、クロム含有量が高い（16〜30%）合金はフェライト系に分類されます。フェライトの耐性により、これらの合金は焼き入れに対して不活性であり、したがって強度特性が低く、その使用範囲が制限されます。25〜28%のクロムをベースにした純フェライト鋼（X25, X28など）は、チタンや窒素の少量添加により高温に耐える非構造材料として使用されます。

強度と延性

金属のこれらの特性は、結晶構造、結晶格子内の原子の結合エネルギー、金属の純度、化学組成、境界の純度など、多くの要因に依存します。現代の見解では、塑性変形抵抗は主に結晶格子の構造欠陥の量、特に転位によって決定されます。高強度は、転位の量を減少または大幅に増加させることにより得られます。

強化

現実の条件で欠陥のない材料を生成する問題は未解決ですが、転位やその他の構造欠陥の増加による強化は非常に広く利用されています。ステンレス鋼の強化は、主成分の結晶格子を形成しない不純物原子と転位の相互作用によって起こります。しかし、より効果的な強化手段は、元素添加と適切な熱処理によって生じる別の相の高分散粒子によるシフトの封鎖です。最大強化は、粒界全体に均等に分布した第二相の粒子のサイズが20〜50 nm（200〜500A）の微細構造に対応します。粒子が100 nm（1000A）以上に成長すると、合金の強度が低下します。

マルテンサイト系グレード

耐食性と高強度が同時に要求される場合には、クロム含有量が低め（12〜18%）で焼き入れ可能なマルテンサイト系クロム鋼を使用します。このタイプの合金の炭素含有量は通常0.1〜0.4%（1X13〜4X13グレード）で、高硬度を得るために焼き入れ後に炭素含有量を1%まで増やすこともあります（9X18グレード）。このタイプの合金は、ナイフ、はさみ、外科手術器具、プラスチック用モールドの製造に使用され、高炭素含有鋼は、腐食環境で動作するベアリングの製造に使用されます。しかし、これらはすべて高温での使用には適していません。

合金添加

温度が上昇すると、結晶格子内の原子結合が弱まり、原子の拡散移動が増加し、強化相（主にクロム炭化物）が成長し、再分布が起こります。これによりステンレス鋼の強度が低下します。最適な合金添加により到達した拡散プロセスの抑制が、高温での強度を長期にわたり維持します。

鋳造技術

鋳塊の表面品質を改善し、チタンの多孔性を減少させるためには、高速でステンレス鋼を注入する必要があり、金型内の金属表面を還元性の雰囲気やスラグで保護し、注入中に金属流を不活性ガスで覆います。

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