技術資料＞析出硬化型ステンレス鋼 Ferrium® PH48S ™の材料特性

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技術資料
Technical Data

析出硬化型ステンレス鋼Ferrium® PH48S™の材料特性
髙橋伸幸＊1，古庄千紘＊1，小柳禎彦＊2 ，Kerem TASKIN＊3

Material Properties of Precipitation Hardening Stainless Steel“Ferrium® PH48S™”
Nobuyuki TAKAHASHI, Chihiro FURUSHO, Yoshihiko KOYANAGI
and Kerem TASKIN
Synopsis
Ferrium® PH48S™ steel was computationally designed using Integrated Computational Materials Engineering (ICME)
technologies and the Materials by Design methodology, which implements a systems engineering design framework thatconsiders the various interactions between chemistry, processing, microstructure and properties to achieve desired materialperformance with lower development costs and faster transition to industry. Precipitation hardening stainless steels have highstrength, high toughness and good corrosion resistance. Since high mechanical properties can be obtained by heat treatment,
they have fewer restrictions on shape and dimensions than materials whose strength is obtained by cold working. Tailored toachieve a fully martensitic microstructure with precipitation hardening and corrosion resistance, Ferrium® PH48S™ steel was
initially designed by QuesTek Innovations LLC to replace cast Ti-6Al-4V components through lower cost, comparable specificstrength and improved corrosion resistance. Ferrium® PH48S™ steel possess excellent mechanical properties and good stresscorrosion cracking (SCC) resistance. In this study, in order to determine the potential of Ferrium® PH48S™ steel for various
applications, the material properties were evaluated in a lab-scale trial. The results show that Ferrium® PH48S™ steel has
higher strength and toughness than conventional precipitation hardening stainless steels, and also has good corrosion resistance.
It is expected that Ferrium® PH48S™ steel will contribute to weight reduction and miniaturization due to its good balance ofstrength and toughness, and elimination of coating for corrosion protection due to its high corrosion resistance compared withmaraging steel and martensitic stainless steel.

1．緒

言や DSR®40N などのマルテンサイト系ステンレス鋼が挙げられるものの，靱性面では一般に析出硬化型ステンレ

析出硬化型ステンレス鋼は，高強度と高靱性，およびス鋼の方が優れる．このように析出硬化型ステンレス鋼耐食性を併せ持つ材料であり，時効処理により微細な析は高強度と高靱性を両立した衝撃や振動に強い材料であ出相を分散させることを組織的な特徴とする．中でも特り，その優れた機械的特性から，タービンブレードや航筆すべき特性は靱性であり，析出硬化型ステンレス鋼と空機用部品などに用いられる 1）．また析出硬化型ステン

同等以上の強度を有するステンレス鋼として SUS440C

レス鋼は，熱処理のみで機械的特性を発現できる材料で2021年 5月 6日 受付＊ 1 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 2 大同特殊鋼㈱技術開発研究所，工博 (Dr. Eng., Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.)＊ 3 QuesTek Innovations LLC

電気製鋼 第 92 巻第 1 号 2021 年34あるため，冷間加工を加えて高強度を得る材料と比べ，各条件での時効処理後に硬さ試験，引張試験，シャル製品形状などの制約が比較的小さい．析出硬化型ステン

ピー衝撃試験，塩水噴霧試験および種々の酸浸漬試験をレス鋼の歴史は，古くは 1940 年代に析出硬化元素とし行った．硬さ試験については，固溶化処理ままにおいてて Cu を利用する 17-4PH（SUS630）が実用化され，現も実施した．いずれの熱処理条件においても，組織観在においても代表的な析出硬化型ステンレス鋼として察により δ フェライト相が存在しないことを確認してお広く用いられている．17-4PH の発展鋼種として，機械り，一例として，Fig. 2 に 520 ℃での時効処理後の組織的性質に異方性をもたらす δ フェライト相を低減した
15-5PH や，Al を利用して高強度化した PH13-8Mo が，いずれも Armco Steel Corp. によって開発された．その他，Cu に 加 え て Ti を利用し PH13-8Mo 以上の 高 強 度を示す Custom 455 や，δ フェライト相をなくし機械的®

をビレラ液（10% HCl + 1% ピクリン酸 + メタノール希釈）にてエッチング後に光学顕微鏡で観察した結果を示
すが，全面マルテンサイト組織を呈しており δ フェライト相は認められない．また光学顕微鏡では観察困難であるが，ナノスケールの析出相が析出していることが推測

性質の異方性を低減した Custom 450 などが，Carpenterされる．

靭性はトレードオフの関係がある中で，高い靭性を有し465（Fe-11Ni-12Cr-1Mo-1.6Ti， 単 位 は mass %） に つ い

たまま高強度化していく傾向が析出硬化型ステンレス鋼ても少量試作を実施した．

®

Technolgy Corp. により開発されている 1）．一般に強度とまた比較のため，Custom 465® 相当材料である Alloyの開発の歴史から読み取れる．このことから，今後もさTable 1. Chemical composition (mass%).

らなる高強度・高靭性のニーズが予想される．さらに，直角方向の靱性に悪影響であるなど，機械的特性に異方性をもたらす δ フェライト相は抑制ないしは低減するこMaterial®

Ferrium PH48STMCr11.5

Ni9とが望ましい．QuesTek Innovations LLC では IntegratedSolution treatmentてマルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼 Ferrium®

825 °C x 1 hr/ Oil quench

Computational Materials Engineering（ICME） を 活 用 しテンレス鋼である 17-4PH や PH13-8Mo よりも優れた強度を有し，また耐 SCC 特性 4）や，低温での靱性 5）につ7Mo

1.4

Ti0.6AlFe0.4 Bal.

Aging treatment
480 ~ 595 °C x 2 hrs/ Air cooling

Temp.

PH48S ™を開発 2），3） しており，代表的な析出硬化型スCo

いても優れた材料であることが報告されている．しかし，実用上は必要に応じて時効処理条件を選定するた
め，材料の時効挙動を把握することは重要である．さらに析出硬化型ステンレス鋼は耐食性を要求されることが多いため，材料の耐食性も同様に重要である．そこで，TimeFig. 1. Schematic diagram of heat treatment condition.

Ferrium® PH48S ™をラボスケールで少量試作し材料特性を評価した．

2．実験方法2.

1供試材

Table 1 に Ferrium® PH48S ™の代表的な成分を示す．

供試材は真空誘導炉で溶製し，直径 130 mm の 50 kg 鋼塊を作製した．製造した鋼塊は均質化処理を施した後，熱間鍛造にて直径 25 mm の棒形状に加工し，焼準処理

50 μmFig. 2. Microstructure after aging treatment at 520 °C for2 hrs.

を行った．機械的特性および耐食性を評価するため実施
した，供試材の熱処理条件を Fig. 1 に示す．固溶化処理として 825 ℃にて 1 時間保持後，油冷し，その後 480 ℃~ 595 ℃にて 2 時間保持後に空冷の時効処理を行った．

2.

2試験方法

硬さ試験はロックウェル C 法を用い，JIS Z 2245 に準技術資料＞析出硬化型ステンレス鋼 Ferrium® PH48S ™の材料特性拠して実施した．引張試験は ASTM A370 に準拠し，試験部直径を 6.25 mm，標点間距離 G. L. = 32 mm の試験片を用い，室温にて評価した．シャルピー衝撃試験は
JIS Z 2242 に準拠し，切り欠き部が 2 mm V ノッチの標準試験片を用いて室温にて評価した．塩水噴霧試験は
JIS Z 2371 に準拠し，直径 15 mm，長さ 25 mm の円柱

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3. 1 機械的特性
Fig. 3 に時効温度と硬さの関係を示す．時効処理後は，30 HRC であった固溶化処理ままと比較して硬さに顕著な上昇が認められ，480 ℃の時効において 49 HRC と最高の硬さを示す．時効処理後の硬さの上昇は，η 相（Ni3型の試験片を用い，35 ℃，5% NaCl で最長で 192 時間（Ti，Al））の析出の影響によるものと考えられる 5）．引

5% H2SO4 溶液にそれぞれ 6 時間浸漬し，その腐食度をれぞれ Fig. 4，Fig. 5 に示す．520 ℃での時効処理にて，実施した．酸浸漬試験は，室温にて 1% HCl 溶液および張試験の結果およびシャルピー衝撃試験の結果を，そ測定することで評価した．

引張強度および 0.2% 耐力はいずれも最も高い値を示した．520 ℃以上の時効温度では，時効温度の上昇に伴い引張強度および 0.2% 耐力は減少する．一方で，伸び，3．結果および考察絞り，および衝撃値は，時効温度の上昇に伴い増加する．以上のように，必要に応じて時効温度を選択するこHardness [HRC]50とにより機械的特性を調整可能である．Fig. 6 に，今回得られた 0.2% 耐力および衝撃値を既存の析出硬化型ス

テンレス鋼と比較した結果を示す．Ferrium® PH48S ™は48

既存の析出硬化型ステンレス鋼 1）と比べると，0.2% 耐力は最高クラスであり，また，同等の 0.2% 耐力で比較46したときの衝撃値が高く，強度 - 靭性バランスに優れた44材料である．

4240400450500

550600650

Aging temperature [°C]Fig. 3. Rockwell hardness of Ferrium® PH48STM after

80

1600

7060

1500

50

1400

401300301200201100

1000

10400450500

550600650

0Aging temperature [°C]
0.2% proof stressTensile strength

Elongation

Reduction of areaFig. 4. Results of tensile test after aging treatment from
480 to 595 °C for 2 hrs.

Charpy impact value (CVN) [J/cm2]

1700

Elongation, reduction of area [%]0.2% proof stress, tensile strength [MPa]aging treatment from 480 to 595 °C for 2 hrs.

300
250
200

150
100500400

450500550600650

Aging temperature [°C]Fig. 5. Charpy impact value (CVN: Charpy V-notchspecimens) after aging treatment from 480 to595 °C for 2 hrs.

電気製鋼 第 92 巻第 1 号 2021 年

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Charpy impact value (CVN) [J/cm2]

300Ferrium® PH48S™
Alloy 465
17-4PH 1)
15-5PH 1)
PH13-8Mo1)
Custom 450 ® 1)
Custom 455 ® 1)
Almer 3621)

250
200
150
100500500

1000

1500

2000

0.2% proof stress [MPa]Fig. 6. Relationship between 0.2% proof stress and Charpy impact value (CVN: Charpy V-notch specimens) of various
alloys after aging treatment1).

3.

2Test time

耐食性96 hrs

Fig. 7 に Ferrium® PH48S ™の塩水噴霧試験後の外観を480 °C

示す．Fig. 8 に，比較のため，熱処理として H900 処理

192 hrsを実施した 17-4PH，PH13-8Mo およびマルエージング
鋼である MAS1C，H1000 処理を実施した Alloy 465，また 730 ℃での焼戻し処理後のマルテンサイト系ステンレ
ス鋼 SUS403 の塩水噴霧試験後の外観を示す．Ferrium®

SUS403 と比較すると明らかに良好である．

Fig. 9 および Fig. 10 に，それぞれ 1% HCl 溶液および 5% H2SO4 溶液による酸浸漬試験の結果を示す．比較のため，熱処理として H900 処理を実施した 17-4PH および PH13-8Mo，また，H1000 処理を実施した Alloy 465についても同様の試験を実施した．Ferrium® PH48S ™の520 °C

若干劣るものの，著しい発銹が認められた MAS1C や565 °C

発 銹 が 認 め ら れ，17-4PH や PH13-8Mo と 比 較 す る とAging temperature

PH48S ™ は， い ず れ の 時 効 温 度 に お い て も わ ず か に

耐酸性はいずれの酸浸漬試験においても，時効温度が高いずれの時効温度においても PH13-8Mo や Alloy 465 より良好である．Ferrium® PH48S ™の耐酸性は，いずれの酸に対しても 17-4PH と比較すると劣るものの，従来の595 °Cいほど若干悪化する傾向にあるものの，塩酸に対しては析出硬化型ステンレス鋼とおおむね同等程度で，一般的なマルテンサイト系ステンレス鋼やマルエージング鋼などと比較すると優れているといえる．

Fig. 7. Appearance photographs of Ferrium® PH48S™
after salt spray test (35 °C, 5% NaCl, 96 and 192hrs).

技術資料＞析出硬化型ステンレス鋼 Ferrium® PH48S ™の材料特性

4．結37

言

マルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼 Ferrium®

PH48S ™を少量試作により評価し，得られた結果を元17-4PH (H900)

MAS1C (H900)

SUS403(After tempering)に，Fig. 11 に降伏応力と靭性の位置付けイメージを，Fig. 12 に降伏応力と耐食性の位置付けイメージを作成した．Ferrium® PH48S ™は，既存の析出硬化型ステンレ

ス鋼に比べ非常に優れた強度 - 靭性バランスを有し，耐食性については，17-4PH には劣るものの，一般的なマPH13-8Mo (H900)

ルテンサイト系ステンレス鋼やマルエージング鋼などとAlloy 465 (H1000)

Fig. 8. Appearance photographs of 17-4PH, PH13-8Mo,
MAS1C, Alloy 465 and SUS403 after salt spray

以上より，Ferrium® PH48S ™の優れた強度靭性バラン

test (35 °C, 5% NaCl, 96 hrs).

スは部材の軽量化や小型化に貢献できる．さらに，マル25

性が優れるため，耐食性向上のための表面処理が不要に

テンサイト系ステンレス鋼やマルエージング鋼より耐食なる可能性があり，さまざまな分野での貢献が期待され20る．

15High105480 C 520 C 565 C 595 C H900 H900 H1000
Aging temperature
OFerrium®
PH48S™

SUS403

Alloy 465OFerrium® PH48S™

ToughnessOAlloy 465OPH13-8Mo

017-4PHCorrosion rate [g/(m2・h)]Fig. 9比較すると良好である．

Maragingsteels

PH13-8Mo
SUS431

17-4PH(SUS630)

SUS420J2

Fig. 9. Corrosion rate of hydrochloric acid immersion test
(RT, 1%, 6 hrs) of Ferrium® PH48S™, 17-4PH,
SUS440C

HighYield stressFig. 11. Schematic image of positioning of yield stress25

and toughness.

2017-4PH(SUS630)

High

15
10

PH13-8Mo

5OOOFerrium® PH48S™

Alloy 465

OFig. 10. Corrosion rate of sulfuric acid immersion test
(RT, 5%, 6 hrs) of Ferrium® PH48S™, 17-4PH,
PH13-8Mo, and Alloy 465.

Corrosion resistance

480 C 520 C 565 C 595 C H900 H900 H1000
Aging temperature

PH13-8Mo

0Alloy 465

17-4PH

Corrosion rate [g/(m2・h)]PH13-8Mo, and Alloy 465.

SUS431
SUS403Ferrium®
PH48S™

SUS420J2
SUS440C
Maragingsteels

Yield stress

HighFig. 12. Schematic image of positioning of yield stressand corrosion resistance.

電気製鋼 第 92 巻第 1 号 2021 年38※ Ferriumは QuesTek Innovations LLCの登録商標です．
※ DSRは大同特殊鋼㈱の登録商標です．

※ Custom 450，Custom 455，Custom 465は Carpenter

Technology Corporationの子会社である CRS HoldingsInc.の登録商標です．

（文献）1）ステンレス協会 編：ステンレス鋼便覧 第 3 版，日刊工業新聞社，1995，640．
2）G. B. Olson and C. J. Kuehmann：Scr. Mater.，70（2014），25．

3）C. J. Kuehmann and G. B. Olson：Mater. Sci. Technol.，25（2009），4，472．

4）G. Pioszak：CHARACTERIZATION OF STRESSCORROSION CRACKING（SCC）IN ULTRA-HIGH
STRENGTH STAINLESS STEEL，（2013）．

5）QuesTek Innovations LLCデータシート「Ferrium ®
PH48STM」，（2012）
，1.

髙橋伸幸

Kerem Taskin

古庄千紘

小柳禎彦