ステンレス鋼の種類：オーステナイト vs マルテンサイト vs フェライト

ステンレス鋼は、広く使用されている一般的な金属材料である。 CNCプロトタイピング.オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系などの種類がある。それぞれ、耐食性や高強度といった独自の特性を備えています。これらの種類と違いを理解することは、様々な用途に適した種類を選択する上で非常に重要です。

鋼の微細構造

鉄は鋼鉄の基本元素である。鉄は固体状態で2つの結晶構造を示す。ひとつは体心立方（BCC）構造で、2つの温度範囲に存在する。912℃以下ではα-鉄、1394℃以上ではδ-Feと呼ばれる。もうひとつは面心立方(FCC)構造で、912℃から1394℃の間に存在し、γ-Feと呼ばれる。

炭素は鋼のもう一つの主要元素であり、その微細構造と特性において重要な役割を果たしている。一般的に炭素含有量が増加すると、鋼の強度は増加し、塑性は低下する。ひとつは鉄に溶けて固溶体を形成するもので、もうひとつはセメンタイト（FE3C）として知られる炭化鉄で、硬くて脆い。

炭素がδ-Feに溶解したものはフェライトと呼ばれ、体心立方構造を保持する。炭素がγ-Feに溶解したものはオーステナイトと呼ばれ、面心立方構造を保持する。

オーステナイト系ステンレス鋼とは？

常温ではオーステナイトは独立して存在せず、オーステナイト相領域は小さい。しかし、鋼に特定の金属元素を添加することで、オーステナイト相領域を拡大することができ、オーステナイトが室温で安定し、オーステナイト系合金鋼が形成される。

オーステナイト系ステンレス鋼は、炭素鋼に17%～25%のクロムと8%～25%のニッケルを添加した合金である。では、ステンレス鋼とは何なのかを見てみよう。ステンレス鋼とは、元素の添加によって耐食性を高めた鋼の一種で、クロムを10.5%以上含有するのが代表的な特徴です。オーステナイト系合金鋼はステンレス鋼の一種である。

なぜオーステナイト系ステンレス鋼は耐食性が高いのか？ニッケルの添加により、鋼は室温でオーステナイト組織を示し、微細構造の違いにより形成される腐食セルの数が減少し、耐食性が向上する。クロムの添加により、鋼の表面に緻密なクロム酸化物層が形成され、錆びにくくなります。オーステナイト系SUSの代表例は以下の通りである。 ステンレス鋼 18-8これは、少なくとも18%のクロムと少なくとも8%のニッケルを含む合金である。

下のマインドマップは、オーステナイト系ステンレ ス鋼の等級を示している。

オーステナイト系ステンレス鋼の特性

非磁性。オーステナイト系ステンレス鋼は室温で非磁性であるため、強い磁気干渉がある用途に適している。

優れた耐食性。オーステナイト系ステンレス鋼は総合的な特性を持っており、特に酸化性酸に対する耐性に優れている。硫酸、リン酸、ギ酸、酢酸、尿素などの腐食に耐えることができる。

良好な溶接性。オーステナイト系ステンレス鋼の高ニッケル含有 量は、溶接時の安定性と延性に寄与する。ニッケルは脆性相の形成防止に役立ち、 割れずに熱膨張応力を吸収する能力を高め る。

マルテンサイト系ステンレス鋼とは？

マルテンサイトは、α-Fe中の炭素の過飽和固溶体である。鋼をある温度まで加熱してオーステナイトを形成し、その後急速に急冷すると、マルテンサイトとして知られる非常に硬い結晶組織になる。オーステナイトがマルテンサイト変態開始温度（Ms）に達すると変態が始まり、変態温度（Mt）を下回るまで続きます。一般に、マルテンサイトへの変態率が高いほど、得られるマルテンサイト鋼の強度は高くなる。

マルテンサイト系ステンレス鋼は、体心正方晶 (BCT) の結晶構造を持つ。主成分はクロム(10.5%-18%)であるが、炭素を多く含み、焼入れ、焼戻し等の熱処理により機械的性質を調整することができる。マルテンサイト系ステンレス鋼は、低炭素マルテンサイト鋼 (炭素量0.05-0.25%)と高炭素マルテンサイト鋼 (炭素量0.61-1.20%)に分けられる。低炭素マルテンサイト鋼は耐食性に優れ、高炭素マルテンサイト鋼は強度が高いが脆い。

以下のマインドマップは、マルテンサイト系ステンレ ス鋼の主な合金等級を示している。

マルテンサイト系ステンレス鋼の特性

磁気。マルテンサイト鋼の多くは磁性を持つ。これは鉄の含有量によるもので、結晶性分子構造に磁性を与えている。磁性は金属の分類を容易にする一方で、溶接やその他の製造工程を複雑にする。マルテンサイト鋼は、焼鈍状態でも硬化状態でも磁性を保つ。

高強度。硬度は主にマルテンサイト中の炭素含有量に依存する。炭素含有量が増加するにつれ、硬度も増加し、炭素含有量が0.6%付近になると、焼入れ後にほぼ最大レベルに達します。

耐食性が低い。マルテンサイト系ステンレス鋼は、クロムとニッケルの含有量が少ないためである。耐食性はあるが、マルテンサイト系ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼に比べ、過酷な環境下での耐食性に劣る。

熱処理によって調整可能。焼入れは硬度を高め、焼戻しは脆さを減らして靭性を高める。熱処理の温度と時間をコントロールすることで、メーカーは鋼の強度、硬度、靭性を調整することができる。

フェライト系ステンレス鋼とは

炭素がδ-Feに溶解したものはフェライトと呼ばれる。体心立方構造を持つ。その炭素溶解度は非常に低く、室温でわずか0.0008%、最大炭素溶解度は727℃で0.02%である。

フェライト系ステンレス鋼は、体心立方 (BCC)結晶構造を持つ。クロム含有量は11%から27%と高いが、ニッケルはほとんど含まれず、炭素含有量も低い (約0.03%)。

以下のマインドマップは、フェライト系ステンレ ス鋼の主な合金等級を示している。

フェライト系ステンレス鋼の特性

磁性。合金複合材料のうち、ステンレス鋼を磁性にする成分はクロム（Cr）である。一方、ニッケル（Ni）はこの磁性の発生を抑制する。フェライト系ステンレス鋼は、クロムを主合金成分とし、ニッケルを含まないため磁性を持つ。

優れた耐食性。フェライト系ステンレス鋼はクロムを多く含み、表面に保護酸化膜を形成して腐食を防ぐことができる。しかし、耐食性はオーステナイト系ステンレス鋼ほど良くない。フェライト鋼は体心立方(BCC)構造であるため、耐食性はオーステナイト鋼のFCC構造より若干高い。

溶接性が悪い。フェライト系ステンレス鋼は熱伝導率が高い。これは、より効率的に熱を放散するこ とを意味し、溶接に必要な熱を維持することは 困難である。これに加えて、フェライト系ステンレ ス鋼は、低温では延性が低下し、溶接工程で は局部的な加熱と冷却を伴う。このような温度変動は、溶接継手の脆化を 引き起こし、靭性を低下させる。

比較オーステナイトとマルテンサイトとフェライトの比較

最後に、フェライト系、マルテンサイト系、オーステナイト系ステンレス鋼の違いを表で示そう。