機械設計で使用されるステンレス鋼の詳細分類

機械設計で使用されるステンレス鋼の詳細分類

1. ステンレス鋼の基本概念

ステンレス鋼は、鉄を主成分とし、クロム、ニッケル、モリブデン、炭素、窒素などの合金元素を添加することで、耐食性および機械的性質を調整した合金鋼である。

ステンレス鋼の最も基本的な特徴は、クロムによって形成される薄く安定した酸化皮膜である。この皮膜は一般に不動態皮膜と呼ばれ、表面が損傷しても酸素が存在すれば再形成される。

ステンレス鋼は、一般炭素鋼と比較して、次の特性に優れている。

  • 耐食性

  • 耐酸化性

  • 衛生性

  • 表面の洗浄性

  • 外観品質

  • 低温または高温環境への適応性

  • 長期的な保守性

ただし、すべてのステンレス鋼が同じ性質を持つわけではない。

ステンレス鋼の特性は、次の要因によって変化する。

  • クロム含有量

  • ニッケル含有量

  • 炭素含有量

  • モリブデン含有量

  • 窒素、チタン、ニオブなどの添加有無

  • 金属組織

  • 熱処理状態

  • 冷間加工の程度

  • 溶接状態

  • 表面処理状態

機械設計で一般的に使用されるステンレス鋼は、次の三つに分類できる。

  1. オーステナイト系ステンレス鋼

  2. マルテンサイト系ステンレス鋼

  3. フェライト系ステンレス鋼

これら三つの系統は、化学成分だけでなく、常温で維持される結晶組織が異なる。そのため、機械的性質、磁性、熱処理への反応、溶接性、加工性にも大きな違いが生じる。

2. 組織名称と材料名称の違い

ステンレス鋼を正しく理解するためには、組織名称と材料分類を区別する必要がある。

例えば、フェライトとは本来、鉄鋼内部に存在する結晶組織の一つを意味する。しかし、フェライト系ステンレス鋼は、純鉄や低炭素鋼に存在するフェライトと同一の材料ではない。

2.1 フェライトの意味

常温の純鉄は体心立方構造、すなわちBCC構造を持ち、一般にαフェライトと呼ばれる。

フェライトは、一般に次の特徴を持つ。

  • 磁性を持つ。

  • 比較的軟らかい。

  • 炭素の固溶限が非常に低い。

  • 延性と加工性が比較的良い。

  • 熱処理によって高い硬度を得ることが難しい。

  • 低温で延性脆性遷移を示す場合がある。

一般的な低炭素鋼においても、フェライトは主要な金属組織の一つである。

2.2 フェライト系ステンレス鋼の意味

フェライト系ステンレス鋼は、純鉄のフェライトと同じBCC結晶構造を基本とするが、約10.5~30%のクロムを含み、必要に応じてモリブデン、チタン、ニオブなどを添加した材料である。

したがって、フェライト系ステンレス鋼は次のように理解するのが適切である。

多量のクロムが固溶したBCC構造の鉄合金

つまり、組織はフェライトであるが、材料そのものは純鉄ではない。

クロム原子が鉄の結晶格子内に固溶すると、結晶格子がひずむ。このひずみによって転位の移動が妨げられ、純鉄よりも強度と硬度が高くなる。同時に、クロムは表面に不動態皮膜を形成し、耐食性を向上させる。

2.3 純鉄のフェライトとフェライト系ステンレス鋼の違い

項目

純鉄または低炭素鋼中のフェライト

フェライト系ステンレス鋼

基本構造

BCC αフェライト

クロムが固溶したBCCフェライト

主な成分

ほぼFe

Fe + Cr + 必要に応じてMo、Ti、Nb

クロム含有量

非常に低い

約10.5~30%

耐食性

低い

不動態皮膜により向上

強度

低い

固溶強化により高い

硬度

低い

低~中程度

磁性

あり

あり

熱処理硬化

不可

一般に不可

熱膨張

小さい

小さい

主な用途

軟鉄、低炭素鋼中の組織

カバー、排気系、熱交換器、外装材

したがって、フェライト系ステンレス鋼を単に「純鉄に近い弱いステンレス」と表現するのは正確ではない。

3. 主な合金元素と材料特性

3.1 クロム

クロムは、ステンレス鋼を形成する最も重要な元素である。

主な役割:

  • 不動態皮膜の形成

  • 一般耐食性の向上

  • 耐酸化性の向上

  • 高温酸化抵抗性の向上

  • フェライト組織の安定化

  • 固溶強化

  • 炭化物の形成

クロム含有量が増加すると、一般に耐食性と耐酸化性が向上する。

一方、クロムは強力なフェライト安定化元素でもある。そのため、ニッケルが不足するとフェライト組織が形成されやすくなる。

3.2 ニッケル

ニッケルは代表的なオーステナイト安定化元素である。

主な役割:

  • 常温でのオーステナイト組織の安定化

  • 延性の向上

  • 靭性の向上

  • 低温特性の改善

  • 溶接性の向上

  • 成形性の向上

  • 非磁性特性の形成

304や316が優れた延性と溶接性を示す主な理由の一つがニッケルである。

3.3 モリブデン

モリブデンは、特に塩化物を含む環境で重要な元素である。

主な役割:

  • 孔食抵抗性の向上

  • すきま腐食抵抗性の向上

  • 一部の酸性環境に対する耐食性の改善

  • 高温強度の補完

  • 焼入れ性の向上

316および316Lが304より塩分環境に適している理由は、モリブデンを含んでいるためである。

3.4 炭素

炭素は、硬度と強度に大きな影響を与える。

主な役割:

  • マルテンサイト硬度の向上

  • 耐摩耗性の向上

  • 切断性能の向上

  • 炭化物の形成

  • 引張強さの向上

注意すべき影響:

  • 延性の低下

  • 衝撃靭性の低下

  • 溶接性の低下

  • 粒界腐食リスクの増加

  • 割れ感受性の増加

炭素はマルテンサイト系ステンレス鋼では有効な元素であるが、オーステナイト系では溶接部の耐食性を低下させる原因となる場合がある。

3.5 窒素

窒素は、オーステナイトの安定化と固溶強化に寄与する。

主な役割:

  • オーステナイト組織の安定化

  • 降伏強さの増加

  • 孔食抵抗性の向上

  • ニッケルの一部代替

3.6 チタンおよびニオブ

チタンとニオブは、炭素および窒素を固定する安定化元素である。

主な役割:

  • クロム炭化物形成の抑制

  • 粒界腐食抵抗性の向上

  • 溶接部の組織安定性改善

  • 高温組織の安定化

  • 結晶粒成長の抑制

これらの元素は、409や444などのフェライト系鋼種で重要な役割を持つ。

4. オーステナイト系ステンレス鋼

4.1 定義

オーステナイト系ステンレス鋼は、クロムとニッケルを主要な合金元素として含み、常温でオーステナイト組織を維持するステンレス鋼である。

代表鋼種:

  • STS304

  • STS304L

  • STS316

  • STS316L

  • STS321

  • STS310S

4.2 組織的特徴

オーステナイトは、面心立方構造、すなわちFCC構造を持つ。

FCC構造では、常温で多数のすべり系が活動できるため、次の特性を示す。

  • 高い延性

  • 高い靭性

  • 優れた成形性

  • 優れた溶接性

  • 低い低温脆性

  • 大きな加工硬化

  • 一般に非磁性

4.3 STS304

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

0.08以下

Cr

18.0~20.0

Ni

8.0~10.5

Mn

2.0以下

Si

1.0以下

P

0.045以下

S

0.030以下

N

0.10以下

Fe

残部

成分と特性の関係

クロム

18~20%のクロムが安定した不動態皮膜を形成し、一般的な水、食品、湿気、大気環境において優れた耐食性を与える。

ニッケル

8~10.5%のニッケルが、常温でオーステナイト組織を安定化させる。

その結果、次の特性が得られる。

  • 延性が高い。

  • 靭性が良い。

  • 曲げ加工がしやすい。

  • プレス成形が可能である。

  • 溶接性が良い。

  • 一般に磁性が非常に弱い。

低炭素量

炭素量が低いため、延性と溶接性が良い。ただし、溶接熱影響部が特定の温度域に長時間さらされると、クロム炭化物が析出する場合がある。

機械的特性

  • 強度:中程度

  • 延性:非常に高い

  • 靭性:非常に高い

  • 硬度:低~中程度

  • 耐摩耗性:低~中程度

  • 溶接性:優秀

  • 成形性:優秀

  • 加工硬化:大きい

  • 磁性:一般に非常に弱い

主な用途

  • 食品接触用ホッパー

  • タンク

  • 配管

  • カバー

  • フレーム

  • ブラケット

  • 作業台

  • シャフト

  • 洗浄水にさらされる部品

4.4 STS304L

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

0.030以下

Cr

18.0~20.0

Ni

8.0~12.0

Mn

2.0以下

Si

1.0以下

P

0.045以下

S

0.030以下

N

0.10以下

Fe

残部

特徴

304Lは炭素量を低減し、溶接時のクロム炭化物析出を抑えた材料である。

その結果:

  • 溶接部の粒界腐食抵抗性が向上する。

  • 大型溶接構造物に適している。

  • 溶接後熱処理が困難な構造に有利である。

  • 304と同等の成形性および溶接性を持つ。

限界

  • 304より強度がわずかに低い場合がある。

  • 高い硬度や耐摩耗性を必要とする部品には適さない。

4.5 STS316

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

0.08以下

Cr

16.0~18.0

Ni

10.0~14.0

Mo

2.0~3.0

Mn

2.0以下

Si

1.0以下

P

0.045以下

S

0.030以下

N

0.10以下

Fe

残部

成分と特性の関係

モリブデン

2~3%のモリブデンが、孔食およびすきま腐食に対する抵抗性を高める。

そのため316は、次の環境で有利である。

  • 塩分環境

  • 水産物加工

  • 海岸地域

  • 塩化物を含む洗浄剤

  • 一部の酸性環境

  • 水分が長時間残留する構造

ニッケル

304より高いニッケル含有量により、モリブデンを含む状態でも安定したオーステナイト組織を維持する。

機械的特性

  • 強度:中程度

  • 延性:高い

  • 靭性:高い

  • 耐食性:非常に良好

  • 耐塩化物性:304より優れる

  • 加工硬化:大きい

  • 溶接性:優秀

  • 磁性:一般に弱い

4.6 STS316L

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

0.030以下

Cr

16.0~18.0

Ni

10.0~14.0

Mo

2.0~3.0

Mn

2.0以下

Si

1.0以下

P

0.045以下

S

0.030以下

N

0.10以下

Fe

残部

特徴

316Lは、316のモリブデンによる耐食性を維持しながら、炭素量を低減した材料である。

主な長所:

  • 溶接後の粒界腐食抵抗性が優れている。

  • 塩化物環境での耐食性が良い。

  • サニタリー配管に適している。

  • CIP設備に適している。

  • 医薬品・化学設備に適している。

5. マルテンサイト系ステンレス鋼

5.1 定義

マルテンサイト系ステンレス鋼は、クロムと炭素を主要な合金元素とし、焼入れおよび焼戻しによって高い硬度と強度を得ることができる材料である。

代表鋼種:

  • STS410

  • STS420

  • STS420J2

  • STS440C

5.2 組織的特徴

マルテンサイトは、高温のオーステナイト状態から急冷した際に形成される。

炭素が過飽和に固溶した体心正方構造を持ち、大きな格子ひずみによって高い硬度と強度を示す。

主な特徴:

  • 高い硬度

  • 高い強度

  • 高い耐摩耗性

  • 磁性あり

  • 熱処理による硬化が可能

  • 延性が低い

  • 溶接性が限定的

  • 衝撃荷重に注意が必要

5.3 STS410

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

0.15以下

Cr

11.5~13.5

Ni

0.75以下

Mn

1.0以下

Si

1.0以下

P

0.040以下

S

0.030以下

Fe

残部

成分と特性

炭素

炭素量が比較的低いため、420や440Cより最高硬度は低いが、靭性は相対的に良好である。

クロム

基本的な耐食性と耐酸化性を与える。

低いニッケル含有量

常温でオーステナイトが安定しないため、焼入れ後にマルテンサイトが形成されやすい。

機械的特性

  • 強度:高い

  • 硬度:中~高

  • 靭性:マルテンサイト系の中では比較的良好

  • 耐食性:限定的

  • 溶接性:限定的

  • 磁性:あり

主な用途

  • シャフト

  • ピン

  • バルブ

  • ポンプ部品

  • ボルト

  • ノズル

5.4 STS420 / STS420J2

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

約0.15~0.40以上

Cr

約12.0~14.0

Mn

1.0以下

Si

1.0以下

P

0.040以下

S

0.030以下

Fe

残部

成分と特性

410より高い炭素含有量によって、焼入れ後の硬度と耐摩耗性が向上する。

長所:

  • 高い切断性能

  • 高い表面硬度

  • 良好な刃先保持性

  • 良好な耐摩耗性

限界:

  • 延性の低下

  • 靭性の低下

  • 溶接性の低下

  • 割れリスクの増加

  • 304より低い耐食性

主な用途

  • 食品切断刃

  • カッター

  • スクレーパー

  • バルブシート

  • 高硬度シャフト

  • 手術器具

5.5 STS440C

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

0.95~1.20

Cr

16.0~18.0

Mo

規格により少量

Mn

1.0以下

Si

1.0以下

P

0.040以下

S

0.030以下

Fe

残部

成分と特性

高い炭素量とクロム量によって、多量の硬質炭化物と高硬度マルテンサイト組織が形成される。

主な特徴:

  • 非常に高い硬度

  • 非常に高い耐摩耗性

  • 高い圧縮強度

  • 良好な刃先保持性

  • マルテンサイト系の中では比較的良好な耐食性

限界:

  • 低い衝撃靭性

  • 高い割れ感受性

  • 熱処理変形

  • 切削および研削が困難

  • 溶接性が非常に低い

主な用途

  • ステンレスベアリング

  • 精密刃物

  • ベアリングボール

  • 高硬度バルブ部品

  • 摩耗ピン

  • 測定工具

6. フェライト系ステンレス鋼

6.1 定義

フェライト系ステンレス鋼は、クロムを主要な合金元素とし、ニッケル含有量が非常に少ない、またはほとんど含まれないステンレス鋼である。

常温でBCCフェライト組織を維持し、磁性を持つ。

代表鋼種:

  • STS409

  • STS430

  • STS434

  • STS444

6.2 フェライト系ステンレス鋼の機械的な位置づけ

フェライト系ステンレス鋼は、純鉄のように非常に軟らかい材料でもなく、マルテンサイト系のような高硬度材料でもない。

その機械的特徴は、次のように整理できる。

  • 中程度の強度

  • 低~中程度の硬度

  • オーステナイト系より低い延性

  • 一般炭素鋼と同程度の剛性

  • 小さい熱膨張

  • オーステナイト系より高い熱伝導性

  • 磁性あり

  • 一般的な熱処理による硬化は不可

  • 溶接性は限定的

  • 低温衝撃靭性に注意が必要

したがって、フェライト系ステンレス鋼は次のように表現できる。

炭素鋼の構造的特性とステンレス鋼の耐食性を両立しながら、経済性と熱的安定性を確保した磁性ステンレス鋼

6.3 フェライト系ステンレス鋼が純鉄より強い理由

フェライト系ステンレス鋼には、多量のクロムが鉄の結晶格子内に固溶している。

クロム原子は鉄原子と大きさが異なるため、結晶格子をひずませる。この格子ひずみが転位の移動を妨げ、強度と硬度を増加させる。

この強化機構を固溶強化という。

そのため、フェライト系ステンレス鋼は純鉄よりも次の性質が高い。

  • 降伏強さ

  • 引張強さ

  • 硬度

  • 高温酸化抵抗性

  • 耐食性

6.4 強度

フェライト系ステンレス鋼は、純鉄や極低炭素鋼より強度が高い。

一般的な傾向:

材料

強度の傾向

純鉄

非常に低い

低炭素鋼

低~中程度

フェライト系ステンレス鋼

中程度

オーステナイト系ステンレス鋼

中~高

マルテンサイト系ステンレス鋼

高い

フェライト系は、高荷重シャフトやギアに用いる高強度材料というより、板金、外装、熱的安定性を必要とする構造材料に適している。

6.5 硬度と耐摩耗性

フェライト系は純鉄より硬いが、焼入れによって高硬度を得ることはできない。

そのため、一般に次の部品には適さない。

  • 刃物

  • ギア歯面

  • ベアリング接触部

  • パンチ

  • ダイ

  • 高摩耗摺動部品

  • 高硬度シャフト

フェライト系は、硬度よりも耐食性、磁性、小さな熱膨張、経済性を活用する材料である。

6.6 延性と成形性

フェライト系は板金曲げや一般的なプレス成形が可能であるが、オーステナイト系より成形性は低い。

これは、BCC構造がFCCオーステナイト構造よりも常温でのすべり活動が限定されるためである。

実務上の傾向:

  • 単純曲げ:良好

  • 浅いプレス成形:可能

  • 深絞り:不利

  • 複雑形状:割れリスク増加

  • 小さい曲げ半径:注意が必要

  • 繰返し曲げ:注意が必要

6.7 靭性と衝撃特性

フェライト系は、低温および厚肉断面で靭性が低下する場合がある。

BCC組織は、温度が低下すると延性破壊から脆性破壊へ移行する延性脆性遷移を示す場合がある。

注意が必要な条件:

  • 低温環境

  • 衝撃荷重

  • 厚板

  • 鋭いノッチ

  • 強く拘束された構造

  • 溶接熱影響部

  • 繰返し熱衝撃

したがって、極低温タンクや大きな衝撃を受ける構造には、一般にオーステナイト系の方が適している。

6.8 弾性係数と剛性

フェライト系ステンレス鋼の弾性係数は、一般炭素鋼とほぼ同程度である。

同じ形状と板厚で比較すると:

  • アルミニウムよりたわみが小さい。

  • 炭素鋼と同程度の曲げ剛性を持つ。

  • オーステナイト系との差は小さいが、わずかに高い場合がある。

ただし、板金カバーの実際の剛性は、次の構造要素の影響を大きく受ける。

  • 板厚

  • 曲げ形状

  • リブ

  • ビード

  • 支持間隔

  • 締結位置

6.9 疲労特性

フェライト系は、一般的な繰返し荷重条件で使用できるが、特別に高い疲労強度を持つ材料ではない。

疲労寿命に影響する要因:

  • 溶接部

  • ノッチ

  • 表面傷

  • 腐食

  • プレス加工痕

  • 繰返し熱膨張

  • 応力集中

STS409が自動車排気系に使用される理由は、静的強度が非常に高いためではなく、次の特性を総合的に持つためである。

  • 小さい熱膨張

  • 高温酸化抵抗性

  • 繰返し熱サイクルに対する安定性

  • 成形性

  • 経済性

6.10 熱膨張

フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系より熱膨張係数が小さい。

一般的な傾向:

  • 炭素鋼:小さい

  • フェライト系ステンレス鋼:小さい

  • マルテンサイト系ステンレス鋼:比較的小さい

  • オーステナイト系ステンレス鋼:大きい

そのため、フェライト系は次の用途に適している。

  • 排気パイプ

  • 遮熱板

  • 熱交換器

  • 高温カバー

  • 繰返し加熱を受ける構造

  • 大きな温度変化を受ける組立構造

6.11 熱伝導性

フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系より熱伝導性が高い。

長所:

  • 局部的な熱集中の低減

  • 熱交換性能の改善可能性

  • 温度差の低減

  • 熱応力の緩和

ただし、炭素鋼やアルミニウムより常に熱伝導性が高いわけではない。

正確には次のように表現する。

フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼より熱伝導性に優れている。

6.12 熱処理への反応

フェライト系ステンレス鋼は、一般的な焼入れおよび焼戻しによって硬化させることができない。

理由:

  • 炭素含有量が低い。

  • 加熱しても完全なオーステナイト組織に変態しない。

  • 急冷しても十分なマルテンサイトが形成されない。

熱処理によって得られる可能性のある効果:

  • 応力除去

  • 再結晶

  • 軟化

  • 結晶粒成長

  • 析出物の調整

得ることが難しい性質:

  • 刃物用の高硬度

  • ベアリング用の高硬度

  • ギア歯面用の高硬度

  • マルテンサイト系レベルの耐摩耗性

6.13 溶接部の特性

フェライト系ステンレス鋼は、溶接時に結晶粒が粗大化しやすい。

結晶粒が粗大化すると、次の問題が発生する。

  • 靭性の低下

  • 衝撃抵抗性の低下

  • 脆性の増加

  • 疲労性能の低下

  • 割れ感受性の増加

炭素および窒素が多い場合、炭化物や窒化物が形成され、次の問題が発生することがある。

  • 粒界腐食

  • 溶接部の脆化

  • 延性の低下

  • 耐食性の低下

性能改善のために使用される方法:

  • 低炭素化

  • 低窒素化

  • チタン添加

  • ニオブ添加

  • モリブデン添加

  • 溶接入熱の最小化

7. 代表的なフェライト系鋼種

7.1 STS409

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

約0.08以下

Cr

約10.5~11.75

Ni

約0.5以下

Mn

1.0以下

Si

1.0以下

Ti

安定化添加

Fe

残部

成分と特性

クロム

基本的な高温酸化抵抗性と耐食性を与える。

チタン

炭素と窒素を固定し、溶接部の安定性と高温性能を改善する。

機械的特性

  • 比較的低い強度

  • 良好な成形性

  • 小さい熱膨張

  • 磁性あり

  • 熱疲労に対して有利

  • 外観上の耐食性は限定的

主な用途

  • 自動車排気系

  • マフラー

  • 遮熱板

  • 高温ダクト

  • 燃焼装置カバー

7.2 STS430

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

0.12以下

Cr

16.0~18.0

Ni

非常に少ない

Mn

1.0以下

Si

1.0以下

Fe

残部

成分と特性

クロム

16~18%のクロムが、屋内および弱い腐食環境において適切な耐食性を与える。

低いニッケル含有量

材料費を抑え、フェライト組織を維持する。

その結果:

  • 磁性あり

  • 304より低い延性

  • 小さい熱膨張

  • 比較的経済的

  • 熱処理硬化不可

機械的特性

  • 強度:中程度

  • 硬度:低~中程度

  • 成形性:中程度

  • 靭性:304より低い

  • 熱膨張:小さい

  • 磁性:あり

  • 耐食性:弱い腐食環境では良好

主な用途

  • 外装カバー

  • 厨房機器

  • 家電製品

  • 装飾パネル

  • 保護板

  • 乾燥環境用ブラケット

  • 磁石を取り付けるカバー

7.3 STS444

代表的な化学成分

元素

代表範囲、wt.%

C

約0.025以下

Cr

約17.5~19.5

Mo

約1.75~2.50

Ni

約1.0以下

N

約0.035以下

Ti + Nb

安定化添加

Fe

残部

成分と特性

高いクロム含有量

高い一般耐食性と耐酸化性を与える。

モリブデン

孔食およびすきま腐食に対する抵抗性を高める。

低い炭素および窒素含有量

溶接部の脆化と粒界腐食リスクを低減する。

チタンおよびニオブ

炭素と窒素を安定化し、次の特性を改善する。

  • 溶接部の耐食性

  • 組織安定性

  • 高温性能

  • 結晶粒成長の抑制

機械的特性

  • 強度:中程度

  • 耐食性:フェライト系の中で優秀

  • 熱膨張:小さい

  • 応力腐食割れ抵抗性:良好

  • 磁性:あり

  • 溶接性:430より改善

  • 熱処理硬化:不可

主な用途

  • 熱交換器

  • 温水タンク

  • 給湯設備

  • 洗浄設備

  • 耐熱配管

  • 耐食構造物

8. 三系統の総合比較

項目

オーステナイト系

マルテンサイト系

フェライト系

代表鋼種

304、316L

410、420J2、440C

409、430、444

基本組織

FCCオーステナイト

マルテンサイト

BCCフェライト

主な成分

Cr-Ni、必要に応じてMo

Cr-C

Cr、必要に応じてMo、Ti、Nb

磁性

ほとんどなし

あり

あり

熱処理硬化

不可

可能

不可

強度

中程度

高い

中程度

硬度

低~中程度

高~非常に高い

低~中程度

延性

非常に高い

低い

中程度

靭性

非常に高い

低~中程度

中~低程度

溶接性

優秀

低い

限定的

成形性

優秀

限定的

中程度

熱膨張

大きい

比較的小さい

小さい

熱伝導性

低い

中程度

オーステナイト系より高い

耐食性

高い

中~低

中程度

主な用途

タンク、ホッパー、配管

刃物、シャフト、ベアリング

カバー、排気系、熱交換器

9. 部品別材料選定

9.1 タンクおよびホッパー

推奨材料:

  • STS304

  • STS304L

  • STS316

  • STS316L

選定基準:

  • 一般食品:304

  • 溶接構造:304L

  • 塩分環境:316

  • 塩分環境かつ溶接構造:316L

9.2 シャフト

推奨材料:

  • STS304

  • STS316

  • STS410

  • STS420

選定基準:

  • 一般的な耐食性:304

  • 塩分環境:316

  • 強度と硬度:410

  • より高い耐摩耗性と硬度:420

9.3 切断刃

推奨材料:

  • STS420J2

  • STS440C

  • 特殊ステンレス刃物鋼

選定基準:

  • 一般切断:420J2

  • 高硬度と長寿命:440C

  • 衝撃抵抗性と耐食性のバランス:特殊刃物鋼

9.4 外装カバー

推奨材料:

  • STS304

  • STS430

304が適する条件:

  • 水洗浄を行う。

  • 湿度が高い。

  • 衛生的な外観が必要である。

  • 洗浄条件が厳しい。

430が適する条件:

  • 乾燥環境

  • コスト低減が重要

  • 単純な板金構造

  • 磁石の取付けが必要

  • 洗浄水に直接さらされない

9.5 高温構造物

推奨材料:

  • STS409

  • STS430

  • STS310S

409が適する条件:

  • 排気構造

  • 繰返し加熱

  • 遮熱用途

  • 経済性を重視

10. 食品機械への適用

10.1 食品接触部

主に使用される材料:

  • STS304

  • STS304L

  • STS316

  • STS316L

選定時の検討項目:

  • 塩分

  • 酸性食品

  • 洗浄薬品

  • 水分残留

  • 溶接部

  • 表面粗さ

  • 排水性

10.2 切断部

主に使用される材料:

  • STS420J2

  • STS440C

  • 特殊ステンレス刃物鋼

検討項目:

  • 目標硬度

  • 切断対象

  • 衝撃荷重

  • 刃厚

  • 再研磨

  • 錆の発生リスク

  • 洗浄後の乾燥

10.3 非接触外装部

430を使用できる条件:

  • 乾燥環境

  • 洗浄水に直接さらされない

  • コスト低減

  • 磁性が必要

  • 単純な外装構造

304を優先する条件:

  • 湿潤環境

  • 水洗浄

  • 塩分

  • 洗浄薬品

  • 長期的な耐食性

11. 図面への指定事項

11.1 材料名称

例:

  • STS304

  • STS316L

  • STS420J2

  • STS430

  • STS444

11.2 適用規格

例:

  • KS D 3698 STS304

  • JIS G 4303 SUS420J2

  • ASTM A240 Type 316L

  • ASTM A276 Type 440C

11.3 熱処理

マルテンサイト系の例:

  • STS420J2、焼入れ・焼戻し、HRC 52~56

  • STS440C、焼入れ・焼戻し、HRC 58~60

11.4 表面処理

例:

  • 2B

  • BA

  • No.4

  • HL

  • Ra 0.8 μm以下

  • 溶接部研磨

  • 酸洗い

  • 不動態化処理

12. 最終まとめ

オーステナイト系ステンレス鋼は、ニッケルによってFCCオーステナイト組織が安定化されている。

その結果、次の特性を示す。

  • 高い延性

  • 高い靭性

  • 優れた溶接性

  • 優れた成形性

  • 一般に弱い磁性

  • 熱処理硬化不可

  • 大きな加工硬化

マルテンサイト系ステンレス鋼は、クロムと炭素を含み、焼入れによってマルテンサイト組織を形成する。

その結果、次の特性を示す。

  • 高い硬度

  • 高い強度

  • 高い耐摩耗性

  • 磁性あり

  • 熱処理硬化可能

  • 低い延性

  • 限定的な溶接性

フェライト系ステンレス鋼は、純鉄のフェライトと同じBCC構造を持つが、純鉄と同じ材料ではない。

多量のクロムが鉄の結晶格子に固溶することで、次の特性を示す。

  • 純鉄より高い強度と硬度

  • 一般炭素鋼より優れた耐食性

  • 磁性

  • 小さい熱膨張

  • オーステナイト系より高い熱伝導性

  • 中程度の構造強度

  • 熱処理硬化不可

  • 限定的な溶接性

  • 低温または衝撃条件で靭性が低下する可能性

したがって、三つの系統は次のように区別するのが適切である。

  • 耐食性、衛生性、溶接性を重視:オーステナイト系

  • 硬度、切断性能、耐摩耗性を重視:マルテンサイト系

  • 経済性、磁性、小さい熱膨張、高温安定性を重視:フェライト系

フェライト系ステンレス鋼は、純鉄に近い弱い材料として理解すべきではない。

より正確には、クロムによる固溶強化と不動態化を利用し、構造性能、耐食性、熱的安定性、経済性をバランスよく確保した磁性ステンレス鋼である。

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