析出硬化ステンレス鋼: 定義、組成、特性、用途、グレードなど

析出硬化型ステンレス鋼は、独自の熱処理技術により機械的強度と耐久性が大幅に向上し、航空宇宙、自動車製造、石油・ガスなどの多くの分野で選ばれる材料となっています。では、析出硬化型ステンレス鋼とは一体何なのでしょうか? 

この記事では、この高性能材料の定義、構成、特性、用途、一般的なグレード、加工、溶接技術など、析出硬化型ステンレス鋼に関するすべてを詳しく紹介します。

析出硬化ステンレス鋼とは？

析出硬化型ステンレス鋼（PHステンレス鋼）は、熱処理技術により高強度と優れた耐食性を実現したステンレス鋼の一種です。マルテンサイト系、セミオーステナイト系、オーステナイト系に分けられます。Fe-Cr-Ni合金シリーズに属し、銅、モリブデン、ニオブ、チタン、アルミニウムが添加されています。

析出硬化型ステンレス鋼の種類

PH ステンレス鋼は、熱処理後のマトリックス構造に基づいて、マルテンサイト系、半オーステナイト系、オーステナイト系の 3 種類に分類されます。

マルテンサイト系PHステンレス鋼

17-4 PH と同様に、焼きなまし温度 (1040～1065°C) ではオーステナイト構造から始まり、冷却するとマルテンサイトに変化します。482～593°C で時効処理すると、強度が 1170～1376 MPa に増加します。これらの鋼は、航空宇宙やバルブなどの高強度用途で使用されますが、延性が低いため、冷間成形が困難です。

セミオーステナイト系PHステンレス鋼

溶体化熱処理後もオーステナイト構造が保持され、より延性があるため、成形に最適です。硬化するには、まずオーステナイトをマルテンサイトに変化させ、次に 455 ～ 593°C で時効処理します。成形性と強度が求められるスプリングやファスナーには、17-7 PH などのシート形状でよく使用されます。

オーステナイト系PHステンレス鋼

A286 と同様に、熱処理後も非磁性オーステナイト構造が保持されます。650 ～ 760°C で時効処理すると、硬度と強度が向上します。他の 2 つのタイプよりも機械的特性は低いですが、靭性は良好で、ジェット エンジンやタービン ブレードなどの高温用途に最適です。

析出硬化型ステンレス鋼の化学組成

PH ステンレス鋼の化学組成には、通常、鉄、クロム、ニッケルが含まれ、析出硬化効果を得るために、銅、チタン、アルミニウム、モリブデン、ニオブなどの元素が少量添加されています。これらの合金元素は、特定の比率と熱処理プロセスと組み合わされ、さまざまな温度で硬化相を形成し、材料の強度と耐腐食性を高めます。

参考までに、3 種類の PH ステンレス鋼の代表的な化学組成を下表に示します。

析出硬化型ステンレス鋼の特性

以下の特性は、析出硬化型ステンレス鋼の性能を理解する上で重要です。

• 高い強度： 析出硬化型ステンレス鋼は、高い引張強度と降伏強度を示すため、高負荷用途に適しています。

• 耐食性： これらの鋼は、特にクロムやニッケルなどの元素と組み合わせると、さまざまな環境で優れた耐腐食性を発揮します。

• 硬度： 老化処理により硬度が大幅に向上し、耐摩耗性が求められる用途に最適な鋼材となります。

物理的性質

機械的特性

化学的性質

析出硬化ステンレス鋼グレード

PH ステンレス鋼にはさまざまなグレードがあり、それぞれに独自の特性と用途分野があります。以下は、一般的な PH ステンレス鋼のグレードとその特徴および用途です。

15-5析出硬化ステンレス鋼とは何ですか?

15-5 PH はマルテンサイト析出硬化ステンレス鋼で、強靭で高強度、耐腐食性のステンレス鋼合金です。「15-5」という名前は、その組成を示しています。約 15% のクロムと 5% のニッケルです。航空宇宙部品、化学処理装置、シャフト、ギアなどに使用されます。

17-4 析出硬化ステンレス鋼とは何ですか?

17-4 PH is a martensitic precipitation-hardening stainless steel with high strength and excellent corrosion resistance. The name “17-4” refers to its composition: approximately 17% chromium and 4% nickel, with copper and niobium/aluminum added for increased strength and hardness. 17-4 PH is widely used in aerospace components, chemical and petrochemical equipment, medical equipment, etc.

析出硬化型ステンレス鋼フォーム

析出硬化ステンレス鋼 幅広い産業用途に合わせてさまざまな形式で提供されています。一般的な形式は次のとおりです。

1. 析出硬化ステンレス鋼板: 高い強度と耐腐食性を備えているため、航空宇宙、自動車、産業機器に使用されます。
2. 析出硬化ステンレス鋼棒およびバー: 耐久性と硬度が求められるシャフト、ギア、ファスナーなどの精密部品の製造に用いられます。
3. 析出硬化ステンレス鋼管およびパイプ: 流体輸送システムの強度と耐腐食性が重要となる化学、石油化学、石油・ガス業界でよく使用されます。
4. 析出硬化ステンレス鋼線: 高い強度と柔軟性が求められる医療機器、バネ、ファスナーなどによく使用されます。
5. 析出硬化ステンレス鋼鍛造品: 高い応力と温度に耐える能力があるため、タービンブレードや構造部品などの高負荷用途に使用されます。

これらの形態により、析出硬化型ステンレス鋼は、高強度と耐腐食性の両方が必須となる厳しい環境で使用できるようになります。

析出硬化ステンレス鋼の長所と短所

メリット

• 高強度: 析出硬化後、材料の強度が大幅に向上し、引張強度は 850 ～ 1700 MPa に達します。
• 優れた耐腐食性: PH ステンレス鋼は、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼に比べて優れた耐腐食性を示し、過酷な環境に適しています。
• 優れた加工性: 溶体化処理された状態では材料は比較的柔らかく、加工や成形が容易です。
• 溶接性: 適切な溶接と熱処理により、PH ステンレス鋼は優れた溶接品質を実現できます。

デメリット

• 複雑な熱処理: 析出硬化プロセスには複数の熱処理ステップが含まれるため、プロセスがより複雑になり、コストも高くなります。

• 限られた高温耐性: PH ステンレス鋼は中程度の温度では優れていますが、高温に長時間さらされると性能が低下する可能性があります。

• 磁気的制限: 特定の PH ステンレス鋼は、特定の条件下ではわずかに磁性を帯びる可能性があり、一部の用途には適さない場合があります。

析出硬化型ステンレス鋼は何に使用されますか?

析出硬化ステンレス鋼 高い強度、靭性、耐腐食性の組み合わせが求められる用途に使用されます。一般的な用途は次のとおりです。

1. 航空宇宙部品高温でも強度を保持できるため、タービンブレード、ギア、構造部品などの高強度部品に使用されます。
2. 医療機器生体適合性と耐久性に優れているため、外科用器具、整形外科用インプラント、歯科用器具などに使用されています。
3. 石油・ガス産業: 過酷な環境下で耐腐食性と機械的強度の両方が重要となるバルブ、ポンプシャフト、継手に使用されます。
4. 化学処理装置: 耐食性と靭性に優れているため、容器、反応器、配管システムに適しています。
5. 原子力: 耐放射線性と長期耐久性に優れているため、原子炉内部部品やファスナーなどの高応力部品に使用されます。
6. マリンアプリケーション: 腐食や海水に対する耐性が不可欠なプロペラシャフト、ポンプ、ハードウェアに使用されます。

析出硬化型ステンレス鋼の溶接

PH stainless steel has good weldability, especially in the solution-treated condition. Common welding methods, such as TIG and MIG, can be used, but care must be taken to avoid softening in the heat-affected zone. For thicker materials, post-weld aging treatment is often recommended to restore the strength of the weld area.

PH ステンレス鋼を溶接する場合、母材と一致するフィラー材料を使用するのが最適です。たとえば、17-4 PH を溶接する場合は ER630 ワイヤを使用できます。さらに、低い入熱を維持し、熱影響部のサイズを最小限に抑えることが、溶接品質を確保する上で重要です。

マルテンサイト系ステンレス鋼と析出硬化系ステンレス鋼の違い

The primary distinction between マルテンサイト系ステンレス鋼 and PH stainless steel resides in their distinct strengthening methodologies and consequential performance attributes.

強化メカニズム: 強化メカニズムの点では、マルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れと焼戻しのプロセスを組み合わせることで強度を高めます。一方、PH ステンレス鋼は、その微細構造内での金属析出物の形成、つまり析出硬化と呼ばれるプロセスによって強度を高めます。

パフォーマンス： PH ステンレス鋼は一般に、マルテンサイト系ステンレス鋼に比べて強度が高く、耐食性に優れていますが、高温性能は低くなります。

他の種類のステンレス鋼について学ぶ: オーステナイト系, フェライトそして デュプレックス.

析出硬化ステンレス鋼は磁性がありますか?

PH ステンレス鋼の磁気特性は、合金組成と熱処理プロセスによって異なります。ほとんどのマルテンサイト系 PH ステンレス鋼は、溶体化処理後にある程度の磁性を示しますが、オーステナイト系および半オーステナイト系 PH ステンレス鋼は、ほとんどの条件下で非磁性のままです。材料の選択を決定する際には、アプリケーションの特定の要求と関連する処理条件を考慮することが不可欠です。

関連記事
ステンレス鋼は磁性を持つか？

析出硬化とは何ですか?

析出硬化、または時効硬化は、降伏強度を高めるために使用される熱処理プロセスです。PH ステンレス鋼では、このプロセスには、溶体化処理、焼入れ、時効処理という 3 つの主要なステップが含まれます。

• 溶液処理： 溶体化処理の初期段階では、材料は通常 1040°C ～ 1065°C の温度範囲で加熱されます。この高温により合金元素の溶解が促進され、均質な固溶体が形成されます。

• 焼き入れ： 溶体化処理後、材料は急速に冷却され、溶質元素を過飽和状態に保持して沈殿物の形成を防ぎます。一般的な冷却媒体には、空気と水があります。

• エージング： 材料をより低い温度（例えば 480 ～ 620°C）に再加熱し、数時間保持することで微細な沈殿物が形成され、材料の強度と硬度が向上します。

焼戻しと析出硬化の違いは何ですか?

焼き戻し そして 析出硬化 どちらも熱処理プロセスですが、目的、方法、および通常適用される材料が異なります。

目的： 焼き入れは、硬化（焼入れ）後に行われ、硬化した鋼の脆さを軽減しながら硬度をある程度保持し、材料をより強靭にして割れにくくします。析出硬化は、金属の構造内に小さな粒子（析出物と呼ばれる）を形成することで、強度と硬度を高めます。

材料： 焼戻しはステンレス鋼のマルテンサイト鋼に使用されます。析出硬化は析出硬化ステンレス鋼に使用されます。

プロセス 焼き戻しでは、材料は急冷され、その後低温 (150～650°C) に再加熱されます。焼き戻しの温度と時間によって、硬度の低下度合いと靭性の向上度合いが決まります。析出硬化には、溶体化処理 (加熱と焼き入れ) と時効処理 (通常 480～620°C の適度な温度に再加熱) の 2 つの段階があります。時効処理中に微細な析出物が形成され、硬度と強度が向上します。

応用： 焼き戻しは、高い硬度が求められるが脆さを最小限に抑える必要のある工具、ナイフ、その他のアイテムに使用されます。析出硬化は、強度と耐腐食性が重要となる航空宇宙、自動車、工業用部品でよく使用されます。

時効硬化と析出硬化

時効硬化 そして 析出硬化 合金の強度と硬度を高めるために使用される熱処理プロセスです。

時効硬化

• 意味: 沈殿物の形成を通じて強度を高める一般的なプロセス。
• ステップ: 溶体化処理、焼入れ、時効処理が含まれます。
• アプリケーション: アルミニウム、チタン、一部のステンレス鋼によく使用されます。
• 機構: 転位の動きを妨げる粒子を形成して強化します。

析出硬化

• 意味: 制御された析出物の形成に重点を置いた特定のタイプの時効硬化。
• ステップ: 時効硬化に似ていますが、析出物のサイズと分布の最適化に重点が置かれています。
• アプリケーション: 析出硬化型ステンレス鋼（17-4 PHなど）やニッケル合金に使用されます。
• 機構: 微細で均一に分散した析出物をターゲットとし、強度と靭性を高めます。

要約すると、時効硬化はより広範囲に及ぶのに対し、析出硬化は特に析出物の特性を最適化して性能を向上させます。

満足のいくステンレスを手に入れよう

当社は、さまざまな業界の多様なニーズを満たす高精度のステンレス鋼製品の製造を専門としています。ステンレス鋼やその他の鋼種について詳しく知りたい場合は、当社のブログ記事をご覧いただくか、金属専門家チームに直接お問い合わせいただき、個別のサポートを受けることができます。カスタムの精密鋼および金属製品が必要な場合は、個別のサービスと見積もりについてお問い合わせください。