ステンレス鋼の主な特性：知っておくべきこと

ステンレス鋼は、その強度、耐久性、耐食性で珍重されています。このブログでは、組成、抵抗、性能に影響を与える要因など、その主要な物理的および化学的特性について説明します。これらの特性を理解することで、ステンレス鋼がなぜ万能で信頼性が高いのかがわかります。

ステンレス・スチールとは？

ステンレス鋼、またはイノックス、CRES、錆びない鋼は、70～80% の鉄、少なくとも 10.5% のクロム、および炭素などの他の元素で作られた合金です。クロムは錆や腐食から保護し、アルミニウムや銅よりも掃除が簡単です。ステンレス鋼は強度が高く、リサイクル性が高く、耐久性と光沢に優れているため、建築、自動車、医療機器、台所用品に使用されています。一般的なタイプには、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、および二相系があります。

ステンレス鋼の物理的特性とは？ 

ステンレス鋼の優れた物理的特性は、様々な用途に最適です。これらの特性には、強度、熱伝導性、磁性、密度、電気伝導性、融点、弾性、耐衝撃性、疲労強度などが含まれます。

熱伝導率

ステンレス鋼は、銅やアルミニウムなどの他の金属に比べて熱伝導率が低い。そのため、熱伝導効率は劣りますが、熱伝導をコントロールすることができます。この特性は、均等な加熱が望まれるキッチン用品や調理器具、また断熱が重要な用途に役立ちます。

磁気特性

について ステンレス鋼の磁性 種類によって異なります。オーステナイト系ステンレス鋼 (300 シリーズ) は結晶構造上、一般に非磁性ですが、フェライト系およびマルテンサイト系ステンレス鋼 (400 シリーズ) は磁性があります。この特性は、磁気分離、電気機器、磁気応答が求められる工業プロセスなどの用途で重要です。

密度

ステンレス鋼の密度は1立方センチメートルあたり約7.8グラムで、比較的重いです。 SS鋼の密度 強度と耐久性が向上し、建設、自動車、航空宇宙用途に最適です。密度は、高ストレス環境での材料の性能にも影響します。

電気伝導率

ステンレス鋼は電気伝導率が低く、電気をあまり通しません。この特性は、発熱体、抵抗器、最小限の電気干渉を必要とする部品など、電気抵抗を必要とする用途に有益です。電気・電子機器の安全性と効率の維持に役立ちます。

融点

ステンレス鋼の融点 1,400 ～ 1,530 ℃ (2,552 ～ 2,786 ℉) で融解します。融点が高いため、炉、熱交換器、ジェット エンジンなどの環境で使用できます。変形したり強度を失ったりすることなく極端な温度に耐える能力があるため、重要な用途に最適です。

弾性と可塑性

ステンレス鋼は、弾性と塑性の両方を示します。つまり、伸縮しても元の形状に戻り（弾性）、破断することなく永久的に変形する（塑性）ことができます。これらの特性は、曲げ、圧延、鍛造などの製造工程に不可欠であり、複雑な形状や構造の製造を可能にします。

耐衝撃性

ステンレス鋼は衝撃やショックに強く、破壊することなくエネルギーを吸収します。この特性は、急激な衝撃や振動に耐えなければならない自動車、航空宇宙、建設産業など、安全性が重要視される用途において重要です。その靭性により、過酷な条件下でも長期にわたる性能と信頼性が保証されます。

疲労強度

ステンレス鋼は優れた疲労強度を有し、故障することなく繰り返し応力サイクルに耐える。そのため、バネ、ファスナー、建物や橋の構造要素など、繰り返し荷重を受ける部品に適しています。疲労亀裂に対する抵抗力は、構造物や機械システムの安全性と耐久性を高めます。

これらの特性により、ステンレス鋼は台所用品から航空宇宙部品に至るまで、多くの産業用および一般消費者向けの用途に適している。 

ステンレス鋼の化学的性質とは？ 

ステンレス鋼の化学的特性は、様々な用途に最適です。これらの特性には、化学成分、耐食性、耐酸性、耐アルカリ性、耐孔食性、耐隙間腐食性、耐粒界腐食性、耐応力腐食割れ性、表面不動態化などが含まれます。

化学組成

ステンレス鋼は、主に鉄、少なくとも10.5%のクロム、およびニッケル、モリブデン、炭素などの元素から構成されています。クロムは、表面に薄い酸化層を形成することにより、ステンレス鋼に耐食性を与える重要な元素である。組成は鋼種によって異なり、耐食性と靭性を高めるためにニッケル、強度と耐孔食性を高めるためにモリブデンなどの元素が添加されています。

耐食性

ステンレス鋼の優れた耐食性は、錆を防ぐ保護酸化層を形成するクロムによるものです。この特性により、ステンレス鋼は海洋用途、化学工場、医療機器など、錆や腐食が問題となる過酷な環境に最適です。 耐食性 は重要です。その衛生的な特性により、湿気や腐食性の高い環境でも清潔さを保ち、細菌の増殖を防ぐことができるため、衛生的な用途に最適です。

耐酸化性

ステンレス鋼は、高温下でも高い耐酸化性を示します。クロムは安定した酸化層を形成し、それ以上の酸化を防ぎます。この特性は、排気システム、熱交換器、酸化環境にさらされる工業炉などの高温用途で特に有用です。

耐酸性と耐アルカリ性

ステンレス鋼は多くの酸やアルカリに耐性があるため、化学処理や食品産業での使用に最適です。耐性のレベルはステンレス鋼のグレードと酸またはアルカリの濃度によって異なります。

例えば、 316ステンレス鋼モリブデンを含む は、304 ステンレス鋼に比べて塩化物や酸性環境に対する耐性が向上しています。

耐孔食性および耐隙間腐食性

ステンレス鋼、特に316のようなモリブデンを含む鋼種は、孔食や隙間腐食に強い。これらの局部的な腐食は限られた空間で発生し、塩化物によって引き起こされることが多い。これらのタイプの腐食に対する耐性は、海洋環境、化学処理、および塩化物を多く含む環境にさらされることが一般的である他の産業でのアプリケーションに不可欠です。

耐粒界腐食性

粒界腐食は、高温に曝されたステンレス鋼の粒 界で発生する。チタンやニオブを含む321や347のよう な安定化鋼種は、粒界腐食に耐えるよう設計さ れている。この特性は、溶接や高温用途でステンレ ス鋼の構造的完全性を維持するために極めて重 要である。

耐応力腐食割れ性

ステンレス鋼は、引張応力と腐食環境によって発生する応力腐食割れ（SCC）に強い。のようなオーステナイト系ステンレス鋼 304 および316は、一般にSCCに対して耐性があ るため、化学プラントや石油・ガス産業など、 塩化物によるSCCが懸念される環境での使用に 適している。

表面不動態化

表面不動態化 ステンレス鋼の保護酸化層を強化するプロセスです。これは通常、汚染物質を除去して不動態層を促進する硝酸またはクエン酸浴で行われます。不動態化によりステンレス鋼の耐腐食性が向上し、医療機器や半導体装置の部品の製造に不可欠です。

このような化学的特性により、ステンレス鋼は、さまざまな過酷な化学環境に耐え、長期にわたって完全性を維持できる、汎用性と耐久性に優れた材料であり続けている。

ステンレス鋼の機械的特性とは

ステンレス鋼の引張強度

引張強度とは、材料が破損するまでに耐えられる最大応力のことです。ステンレス鋼の種類によって、熱処理や冷間加工などの工程の影響を受ける引張強度が異なります。材料が厚いほど強度が高くなることもあります。たとえば、一般的なグレード 304 の引張強度は、焼鈍状態で約 210 MPa (30,000 psi) です。冷間加工により、完全に硬くなった状態で強度を 1,050 MPa (153,000 psi) まで高めることができます。

ステンレス鋼の降伏強度

降伏強度は、引張または圧縮荷重の下で材料が塑性変形し始める点であり、通常は引張強度よりも低くなります。冷間加工、結晶粒微細化、固溶強化、ひずみ硬化、析出強化などの方法により、降伏強度を向上させることができます。ただし、過度な加工は避けてください。焼きなまし処理した 304 ステンレス鋼の降伏強度は 200 ～ 250 MPa 程度と低くなりますが、冷間加工した 304 は 250 ～ 300 MPa に達することもあります。

ステンレス鋼の延性

延性とは、材料が応力を受けても破損せずに変形する能力です。オーステナイト系ステンレス鋼は、通常 40% ～ 60% 程度の優れた延性と靭性を示し、ワイヤやシートに引き伸ばすことができます。マルテンサイト系ステンレス鋼の延性は低く、通常 20% ～ 40% です。炭素鋼はステンレス鋼よりも延性がありますが、焼きなましやニッケルの増加によりオーステナイト構造が強化され、延性が向上します。この特性により、ステンレス鋼は自動車、建設、航空宇宙産業で広く使用されています。

ステンレス鋼の疲労強度

疲労強度とは、繰り返し周期荷重を受けた後、材料が耐えられる最大応力のことです。これは荷重の種類によって異なります。たとえば、単軸引張と曲げは疲労性能に異なる影響を与えます。二相ステンレス鋼は 400 ～ 600 MPa の範囲で最高の疲労強度を示しますが、析出硬化ステンレス鋼は 600 MPa を超えます。さらに、焼き入れや焼き戻しなどの熱処理プロセスにより、他のステンレス鋼の疲労性能を大幅に向上させることができます。

ステンレス鋼の硬度

硬度は、材料が変形や摩耗に耐える能力であり、通常はブリネル（HB）、ロックウェル（HRC）、またはビッカース（HV）スケールで測定されます。マルテンサイト系ステンレス鋼は最も硬度が高く（HRC 40-60）、オーステナイト系ステンレス鋼は最も硬度が低く（HRC 15-30）、焼き入れ、焼き戻し、焼きなましなどの処理や、クロム、ニッケル、炭素、モリブデンなどの合金元素によって硬度が上がります。 ステンレス鋼の硬度.

ステンレス鋼のクリープ抵抗

耐クリープ性は、高温と一定荷重、つまりゆっくりとした変形プロセスの下での変形に抵抗する材料の能力です。温度と荷重が高いほど、クリープ速度が速くなります。オーステナイト系ステンレス鋼は最高の高温クリープ耐性を持ち、次にマルテンサイト系、そしてフェライト系が最も弱いです。溶解方法、脱酸、凝固技術、熱処理、加工などの要因も耐クリープ性に影響します。

ステンレス鋼の伸び

伸びは、材料の伸びた長さと破断前の元の長さの比率で、延性を示します。オーステナイト系ステンレス鋼の伸びは最も高く (40%-60%)、マルテンサイト系およびフェライト系ステンレス鋼の伸びは低くなります (20%-30%)。炭素含有量が多く、冷間加工すると可塑性が低下しますが、焼きなましなどの適切な熱処理により伸びが増加します。伸び率の高いステンレス鋼は、自動車産業や航空宇宙産業などの複雑な形状や精密製造に最適です。

ステンレス鋼の弾性係数

弾性係数、またはヤング率は、材料の弾性変形に対する抵抗力の尺度です。これは温度と応力条件によって異なります。フェライト系ステンレス鋼の弾性係数は最も高く (約 200 GPa)、オーステナイト系ステンレス鋼の弾性係数は最も低くなります (約 193 GPa)。高温では、オーステナイト系ステンレス鋼の弾性係数はより速く低下しますが、フェライト系およびマルテンサイト系ステンレス鋼の弾性係数はよりゆっくりと低下します。合金元素は弾性係数にほとんど影響を与えません。

ステンレス鋼の特性を左右する要因とは？ 

ステンレス鋼の特性は、合金組成、熱処理、加工硬化プロセスによって影響を受ける。

合金組成

について ステンレス鋼の組成 合金の組成は、合金の特性に大きく影響します。主な元素には鉄、クロム、ニッケル、モリブデンがあり、それぞれが異なる特性に寄与しています。

• クロム:不動態酸化被膜を形成することにより耐食性を付与する。

• ニッケル:靭性と延性を与え、特に酸性環境での耐食性を向上させる。

• モリブデン:強度を高め、孔食や隙間腐食に耐える。

• カーボン:硬度と強度に影響するが、多量に存在すると耐食性を低下させる。

ステンレス鋼のさまざまなグレードは、特定の用途に合わせた多様な組成を特徴としており、強度、延性、耐食性などの所望の特性を達成するために元素のバランスをとっている。

熱処理

焼きなまし、焼き入れ、焼き戻しなどの熱処理は、ステンレ ス鋼の微細構造を変化させ、機械的・物理的特性を向 上させるために行われる：

• アニーリング:鋼を特定の温度まで加熱した後、ゆっくりと冷却して内部応力を除去し、延性と靭性を高める。

• 焼き入れ:加熱後の鋼材を急冷して硬化させ、耐摩耗性と強度を向上させる。

• 焼き戻し:焼入れした鋼を低い温度まで加熱し、ゆっくりと冷却することで、靭性を高め、脆さを減らす。

これらの熱処理技術は、様々な工業用途に必要な硬度、強度、延性のバランスを達成するために、様々なステンレス鋼種に適用することができる。

仕事のハード化

加工硬化、またはひずみ硬化は、常温でステンレ ス鋼を変形させ、強度と硬度を高める。このプロセスは通常、圧延、延伸、曲げなどの方法で達成される：

• ローリング:鋼材をローラーで挟んで圧縮し、厚みを減らして引張強度を高める。

• ドローイング:鋼材をダイスに通して引っ張り、断面積を小さくして強度を高めること。

• 曲げ:力を加えて変形させることで、鋼の硬度と降伏強度が向上する。

加工硬化は、熱処理によって鋼の成分を変化させることなく機械的特性を向上させる必要がある用途で特に有用です。スプリング、ファスナー、その他の高応力、耐摩耗性部品の製造に使用されます。

ステンレス鋼は最終的に錆びますか?

ステンレス鋼は、そのクロム含有量により錆に対する耐性が高いが、過酷な環境に長時間さらされたり、保護酸化膜が損傷したりするような極端な条件下では、最終的に錆びる可能性がある。

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ステンレス鋼は鋼鉄よりも強いですか?

ステンレス・スチールは通常、強度と耐久性において通常のスチールを上回り、腐食や摩耗に対する優れた耐性を提供します。しかし、正確な強度は特定の合金と処理によって異なります。

ステンレス鋼はどれくらい長持ちしますか?

ステンレス・スチールは、環境やメンテナンス次第で何十年も、長ければ100年も使用できます。その寿命の長さから、工業用と家庭用の両方で人気のある選択肢となっています。

結論

ステンレス鋼のユニークな特性の組み合わせは、多くの用途に適しています。その性能は、合金組成、熱処理、加工硬化の影響を受けます。これらの要素を理解することで、ステンレス鋼の工業用と日常用の両方における汎用性と信頼性が強調されます。

スチールプログループ 優れた特性を持つステンレス鋼を幅広く取り揃えており、特定の特性を高めるためにカスタマイズすることも可能です。ステンレス鋼の詳細については、 ブログページ.

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