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機械部品の熱処理・表面処理基礎講座
機械部品にはいろいろありますが、その多くは熱処理によって機械的性質を制御されています。さらに表面処理を適用すれば、表面には新たな特性が追加されて高性能・長寿命化は当然であり、付加価値も飛躍的に高まります。
本講座(全8章50講座)では、機械部品に用いられている金属材料(主に鉄鋼材料)の種類と、それらに適用されている熱処理(焼なまし、焼入れなど)および表面処理(浸炭・窒化処理、めっき、PVD・CVDなど)について、概略と特徴を紹介します。
第4章 ステンレス鋼とその熱処理

4-2 オーステナイト系ステンレス鋼の熱処理

オーステナイト系ステンレス鋼は、焼入れによって硬くして、引張強さを高めることはできません。しかし、塑性加工することによって加工硬化しますから、高い硬さや高い強度を必要とする場合には、圧延加工や伸線加工が行われています。この高強度化の因子は、塑性加工によってオーステナイトから加工誘起マルテンサイトを生じるためです。オーステナイトは常磁性体ですから磁石には付きませんが、加工誘起マルテンサイトは強磁性体ですから、磁石に付くようになります。

この冷間加工によって生じる残留応力は耐食性を劣化させ、応力腐食割れの原因にもなります。応力腐食割れは、中性の塩素イオンを含む環境下(海水など)で使用する場合には、とくに注意が必要です。応力腐食割れを防止するためには、応力除去焼なましや固溶化熱処理が有効です。単なる応力除去のみが目的であれば、850℃程度の焼なましによって好結果が得られますが、耐食性を加味するのであれば固溶化熱処理が必須になります。

固溶化熱処理とは、1000~1100℃で加熱して急冷する操作のことで、加工応力の除去と同時にCr炭化物の固溶を目的として行われるものです。一例として、図1に冷間加工および固溶化熱処理したときの金属組織を示します。冷間加工後の組織は、結晶粒が長く伸ばされて変形しており、多数の歪線が観察されますが、固溶化熱処理品では健全なオーステナイト組織を呈しています。ただし、この固溶化熱処理を施したものは、その鋼種としては耐食性が最も優れていますが、最も軟らかくなりますから引張強さは低くなります。

前項にも既述したように、オーステナイト系ステンレス鋼は、Crの炭化物が析出すると、極端に耐食性が劣化しますから、使用する際には最も留意すべきことです。Cr炭化物の析出は、500~800℃に加熱されたときに生じる現象で、熱間加工後に徐冷した場合や溶接時の熱影響部によく発生します。Cr炭化物は結晶粒界に沿って析出し、腐食を発症した場合には、この結晶粒界に沿って進行しますから、この現象を粒界腐食と呼んでいます。

図1 冷間曲げ加工および固溶化熱処理したSUS304の顕微鏡組織

図1 冷間曲げ加工および固溶化熱処理したSUS304の顕微鏡組織

一例として、図2に600℃,650℃および700℃で2時間加熱したSUS304の顕微鏡組織を示します。加熱温度が高いものほど結晶粒界が濃く腐食されており、Cr炭化物の析出状況がよく分かります。なお、図中でも示したように、この炭化物の析出は固溶化熱処理することによって解消することができます。

図2 SUS304の加熱にともなう組織変化

図2 SUS304の加熱にともなう組織変化

この粒界腐食の防止策としては、次のような項目が挙げられます。

  • 500~800℃に加熱しないようにする〔Cr炭化物を析出させない〕
  • 加工工程で500~800℃に加熱した場合、固溶化熱処理を施す〔炭化物を固溶させる〕
  • 炭素量の少ない鋼種(L材など)に変更する〔炭化物の析出量を減らす〕
  • TiやNbを含有する鋼種(SUS321など)を選定する。〔Crよりも強力な炭化物形成元素であるTiやNbで炭素を固定して、Cr炭化物を析出させない〕

また、オーステナイト系ステンレス鋼をばねとして利用する場合、固溶化熱処理後に冷間圧延や伸線加工を施し、加工硬化させます。しかし、加工硬化したままではばね特性が不十分なため、短期間でへたってしまいます。そのため、一般にはばね特性を改善する目的で、400℃位の焼なましが適用されています。

執筆:仁平技術士事務所 所長 仁平宣弘

『機械部品の熱処理・表面処理基礎講座』の目次

第1章 機械部品に用いられる材料

第2章 鉄鋼製品に実施されている熱処理の種類とその役割

第3章 機械構造用鋼の焼入れ・焼戻し

第4章 ステンレス鋼とその熱処理

第5章 非鉄金属材料とその熱処理

第6章 機械部品に対する表面処理の役割

第7章 機械部品を対象とした主な表面処理

第8章 機械部品の損傷と調査法

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