図１　焼入れ焼戻ししたSUS410の顕微鏡組織

マルテンサイト系ステンレス鋼は、図１に示すように焼入れによってマルテンサイト組織が得られ、低温焼戻しによって優れた耐摩耗性とじん性が付与されますから、耐食性も重視した機械構造用部品、医科用機械部品、刃物および金型などに多用されています。

図２　炭素量の異なる13Cr鋼の焼入硬さとサブゼロ処理の効果

マルテンサイト系ステンレス鋼には13Cr鋼と18Cr鋼があり、使用目的に応じて低炭素のものから高炭素のものまで広く用いられています。例えば、図２は炭素量の異なる13Cr鋼について、900～1200℃から焼入れしたときの、焼入硬さとサブゼロ処理(液体窒素に浸漬)後の硬さを示したものです。焼入硬さは焼入温度1050℃までは焼入温度の上昇にともなって高くなりますが、炭素量の多いものは、それよりも高温になると逆に低下します。この低下原因は、残留オーステナイト(γR)量の増加によるものですから、本図からも明らかなように、サブゼロ処理によって回復することができます。

図３　炭素量の異なる13Crステンレス鋼の残留オーステナイト量と焼入温度の関係

図３に、炭素量の異なる13Crステンレス鋼のγR量と焼入温度の関係を示します。ただし、この場合のγR量はＸ線回折(XRD)によって測定したもので、γFe(220)とγFe(311)のＸ線強度から算出しています。図中の縦軸であるＸ線強度の表示は、0.66%C鋼の1200℃から焼入れしたときに得られたγFeの強度を100としたときの相対強度です。なお、このときの試料からはαFeのピークは観察されませんから、γFe≒100%とみなすことができます。

0.35%C鋼においては、焼入温度が1100℃以上ではγFeのピークは見られますが、その強度は非常に小さいので、問題になることはありません。しかし、0.66%C鋼と1.15%C鋼においては、焼入温度の上昇にともなって炭化物の固溶量が増加しますから、同時にγR量も増加します。そのため、金型など耐摩耗性を重視する場合や、ゲージなど経年変化を嫌う場合には、サブゼロ処理の適用が有効です。

図４　炭素量の異なる13Cr鋼の焼戻温度と硬さの関係

図４に、950℃および1150℃から焼入れした各種13Crステンレス鋼の焼戻硬さの推移を示します。950℃から焼入れしたものは、すべての鋼種において、焼戻温度が500℃までは大きな硬さの変化は見られず、500℃を超えると焼戻温度の上昇にともなって急激に軟化していることが分かります。しかし、1150℃から焼入れしたものは、500～600℃の焼戻しによって二次硬化しています

炭素含有量の少ない鋼種の二次硬化温度は500℃であり、この硬化要因は二次炭化物の析出によるものです。炭素含有量が多い場合には、γR量が多いので、マルテンサイト化する際にも急激な硬さ上昇を生じます。0.66%C鋼は600℃、1.15%C鋼は550℃焼戻しのときに最高硬さが得られており、この最高硬さが得られる焼戻温度は、γRのマルテンサイト化温度に該当します。

また、サブゼロ処理後に焼戻した場合には、すべての鋼種において最高硬さの得られる焼戻温度は500℃ですから、このときの二次硬化の要因は、すべての鋼種において二次炭化物の析出によることを明らかにしています。

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