マルテンサイト系ステンレス鋼
マルテンサイト系ステンレス鋼（マルテンサイトけいステンレスこう）とは、常温でマルテンサイトを主要な組織とする組成を持つ、ステンレス鋼の一種である。耐食性と合わせて高い強度と耐摩耗性を持ち、刃物、タービンのブレード、軸受などで使われる。工業材料としてのマルテンサイト系ステンレス鋼は、1913年にイギリスのハリー・ブレアリーによって発明された。
マルテンサイト系ステンレス鋼とはステンレス鋼の金属組織別分類の一つで、他には「フェライト系ステンレス鋼」「オーステナイト系ステンレス鋼」「オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼」「析出硬化系ステンレス鋼」がある。主要成分としてクロムのみを含むステンレス鋼であるため、主要成分別分類では「クロム系ステンレス鋼」に分類される。マルテンサイト系のクロム含有量は質量パーセント濃度でおよそ 11 % から 18 % 程度の範囲で、ステンレス鋼の中ではクロム量が比較的少なく、炭素の含有量が比較的多いという組成となっている。クロム量 13 % 程度含む鋼種がマルテンサイト系の基本的鋼種で、13クロムステンレス鋼や13Cr鋼などとして知られる。JISでは SUS410 や SUS420J2 が代表的鋼種である。
マルテンサイト組織にするには焼入れが必要であり、焼入れされて使用される。一般的には炭素が多いほど硬くなり強度が上がるが、炭素量を増やすにつれてクロム量も増やす必要がある。焼入れしたままだと脆いので、ほとんどの場合で焼入れ後に焼戻しがされて使用に供される。熱処理と組成によるが、マルテンサイト系はステンレス鋼の中でも最高の硬さを発現できる。同じく熱処理と組成によるが、マルテンサイト系の耐食性はステンレス鋼の中では劣る部類に入る。
物理的特性
ステンレス鋼の密度は鋼種間での差はあまりないが、最も一般的なオーステナイト系ステンレス鋼よりもマルテンサイト系の密度はやや小さい。マルテンサイト系の代表鋼種 SUS410 の場合で常温の密度は 7700 kg/m³ 程度である。これに対して、軟鋼の常温密度は 7860 kg/m³ 程度となっている。常温の縦弾性係数は SUS410 で 200–205 GPa 程度である。高炭素系の SUS440A などでも常温縦弾性係数はほとんど同じである。
マルテンサイト系の磁性は、一般の鉄鋼と同じく強磁性である。最も一般的なステンレス鋼のオーステナイト系は非磁性であり、マルテンサイト系とオーステナイト系の相違点の一つである。電気抵抗は、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系の標準的鋼種で比べるとマルテンサイト系の電気抵抗がもっとも低い。これは含有される合金元素の量が多いほど抵抗が増えることによる。SUS410 の場合で、常温の比抵抗は 57 × 10⁻⁸ Ω·m 程度である。
熱伝導率も、電気抵抗と同様に合金元素の含有量に関係し、合金元素の含有量が多いほど熱伝導率が低くなる。マルテンサイト系の熱伝導率は軟鋼の1/3程度で、SUS410 で 25 W/(m·K) 程度である。熱膨張率は結晶構造に依存し、マルテンサイト系の熱膨張率はオーステナイト系より小さい。SUS410 の 0–100 ℃ での線膨張係数が 10.99 × 10⁻⁶ K⁻¹ 程度である。マルテンサイト系の比熱はフェライト系とほぼ同じで、オーステナイト系よりは小さい。SUS410 の比熱の値が 0–100 ℃ で 0.46 J/(kg·K) 程度である。
密度、縦弾性係数、磁性、比抵抗、熱伝導率、線膨張係数、比熱など、マルテンサイト系の物理的性質は総じてフェライト系ステンレス鋼と近い。
耐食性
マルテンサイト系ステンレス鋼の耐食性は、比較的弱い腐食環境であれば良好な耐食性を示す。一般的な清浄大気中や清浄水環境下であれば耐食性は十分良い。しかし、一般的にいえば、マルテンサイト系ステンレス鋼の耐食性は他のステンレス鋼よりも低い。ステンレス鋼の耐食性は、一般的にはクロム量が多いほど不働態化しやすくなり耐食性は向上する。一方、炭素はクロム炭化物を作る要因となり、耐食性を良くするためには炭素量を少なくすることが望ましい。マルテンサイト系はマルテンサイト組織を得るために、クロム量を多くしてなおかつ炭素量を少なくすることが難しい。そのため、マルテンサイト系の耐食性は他のステンレス鋼よりもやや劣る。モリブデンを添加して耐食性を向上させたマルテンサイト系の鋼種もある。
また、マルテンサイト系の耐食性の大小は熱処理に依存する。上記のとおり焼入れ後に焼戻しを行って用いられるのが一般的であるが、焼戻しによりクロム炭化物が析出し、母相中の有効なクロムの含有量が低下する。これにより、同程度のクロムを含むフェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼と比較した場合でも、マルテンサイト系の耐食性は劣る。焼入れ状態でマルテンサイト系の耐食性は最もよく、焼なまし状態で最も劣る。焼戻しをする場合も、高温焼戻し状態よりも低温焼戻し状態の方が耐食性がよい。
機械加工での被削性を向上させるために、硫黄やセレンを添加することがある。ただし、添加された硫黄は硫化マンガン(II)として析出し、孔食が起こりやすくなり耐食性を低下させる。硫黄ほどではないが、セレンの添加も耐食性を低下させる。マルテンサイト系快削鋼を使用する場合は、とくに一般大気中や清浄水中に限るのが望ましいとされる。
機械加工・塑性加工
製品製作のために切削加工や塑性加工を行う場合は、マルテンサイト組織は硬くて加工しづらいため、まず焼なましを行った状態で加工を行うことがマルテンサイト系ステンレス鋼では一般的である。焼なまし状態のマルテンサイト系は、フェライト系ステンレス鋼や普通鋼と同じ程度の被削性となる。加工後、焼入れ・焼戻しが行われる。焼入れ・焼戻し前の加工では、最終形状あるいはほぼ最終の形状へと仕上げる。ただし焼入れ後にも加工する必要がある場合もあり、その場合は高い硬度に対処して削る必要がある。冷間成形加工を行う場合も焼なまし状態で行う。炭素量が増えるほど成形性が悪くなる。
被削性を向上させるために、硫黄やセレンを添加したマルテンサイト系の快削鋼もある。例として、JIS SUS420J2 の被削性指数が45程度であるのに対して、硫黄を 0.15 % 以上含む SUS420F の被削性指数は55程度となる。また、同じ工具寿命で比較すると、SUS420F は SUS420J2 の3倍から5倍まで加工速度を上げることができる。ただし、上記のとおり、硫黄やセレンの添加は耐食性の低下を引き起こす。
溶接
マルテンサイト系ステンレス鋼を溶接するときは、溶接割れの発生を防ぐために予熱することが重要である。マルテンサイト系で特に問題となる溶接割れは、溶接後に溶接部の温度がおよそ 300 ℃ 以下になったときに起こる低温割れと呼ばれるものである。
前述のとおりマルテンサイト系は高温からの急冷でマルテンサイト化して硬化するため、硬いが靭性に欠けるマルテンサイト相が溶接熱影響部に生成される。溶接熱影響部には高炭素マルテンサイトが局部的に形成し、これが溶接部の靭性を低下させる一因である。溶接材料には被溶接物と同じ材料を用いることが一般的だが、この場合、溶接金属も同様にマルテンサイト化して硬化することになる。これを防ぐために、マルテンサイト系を溶接するときは予熱することが重要である。予熱することによって溶接部の冷却速度が遅くなり、急冷による硬化を抑えることができる。低炭素系マルテンサイト系のマルテンサイト変態開始温度を目安として、被溶接物の温度を 200–400 ℃ 程度に上げて予熱する。
また、溶接過程で含まれる拡散性水素も低温割れの原因となる。拡散性水素による割れは、溶接後ある程度時間が経過して水素が拡散した後に発生するため遅れ割れと呼ばれる。マルテンサイト系はフェライト系ステンレス鋼と比較しても遅れ割れが起きやすい。拡散性水素の侵入を防ぐために、溶接棒の乾燥、乾燥した環境での溶接実施、溶接対象部の清浄などの対策が取られる。
溶接によって低下した靭性を回復するためには後熱処理が行われる。適正な温度は成分によって異なるが、溶接後に 700–800 ℃ まで加熱・温度保持して後熱処理を行う。後熱処理は拡散性水素による遅れ割れの防止にも有効である。
ステンレス鋼の溶接では普通は母材と同じ成分の溶接材を用いる。ただし、低温割れを避けるために焼入れ硬化性がないニオブを含ませた溶接棒を用いることや、靭性を高めるためにオーステナイト系ステンレス鋼の溶接材料を用いることもある。
用途例
マルテンサイト系ステンレス鋼は、耐食性に加えて高い強度や耐摩耗性を持つ。これらの特性が要求される用途でマルテンサイト系ステンレス鋼は活用されている。また、マルテンサイト系ステンレス鋼のニッケル量は 0 % か、最大でも 5 % 程度である。このニッケル含有量の少なさのためマルテンサイト系の材料コストはオーステナイト系と比較して低く抑えられ、これもマルテンサイト系利用上の長所の一つでもある。
具体的には、タービンブレード、ノズル、シャフト、ポンプ、軸受などの機械構造用部品にマルテンサイト系ステンレス鋼は適している。タービンブレードや高温環境下の部品には、モリブデンを添加して耐食性と高温強度を高めた低炭素系マルテンサイト系が使われることもある。ステンレス鋼製の軸受には440系や420系がよく使われる。オートバイでは、外見の良さも重要なことからディスクブレーキのローターにはステンレス鋼を使うことが主流となっている。ローターには強い摩擦力が働き、摩耗が問題となるため、ローターの硬度がある程度以上高いことが望ましい。また、ブレーキ時の摩擦熱が発生するため耐熱性が求められる。そのため、高硬度・耐熱性・耐食性のバランスがいいマルテンサイト系ステンレス鋼製のローターが広く実用されている。
マルテンサイト系ステンレス鋼利用の最もよく知られている製品は刃物類である。刃物用の素材にはステンレス鋼が使われるのが現在では一般的となっており、刃物用ステンレス鋼素材としてはマルテンサイト系が使われるのが一般的である。包丁、テーブルナイフ、ハサミ、カミソリ、医療用メスでマルテンサイト系が使われている。高い硬度が刃物には必要なため、炭素量の多いマルテンサイト系が低温焼戻しされて供される。具体的な鋼種としては、とくに420系の使用が多い。マルテンサイト系の刃物の切れ味をよくするには硬度の向上に加えて、結晶粒を微細化し、微小な炭化物を均一に分布させるのが有効とされる。工業規格に規定されている鋼種のほか、素材メーカーが独自に成分設計して売り出している刃物用マルテンサイト系ステンレス鋼も存在する。
また、高い耐摩耗性が必要とされるプラスチックの射出成形用の金型としても使用される。金型に耐食性を求める場合はマルテンサイト系ステンレス鋼がよく利用される。具体的な種類としては、中炭素・中クロムの420系を中心にして使われており、高炭素・高クロムの440系なども使われる。
歴史
マルテンサイト系ステンレス鋼の工業的発明は、1913年にイギリスの冶金学者ハリー・ブレアリーによって成し遂げられた。マルテンサイト系自体の作製とその組成と組織の研究は、ブレアリー以前にフランスの冶金学者レオン・ギレによっても為されていた。マルテンサイト系の最初の発見者としては、ギレの名が挙げられることもある。
エルウッド・ヘインズ
アメリカの実業家であり発明家のエルウッド・ヘインズも、低炭素高クロム鋼の発明を行った。1911年からヘインズは、コバルト合金よりも安価な工具材料を作るために低炭素高クロム鋼の実験を行っていた。その実験の中で、化学薬品への耐性あるいは雰囲気中での耐性へのクロムの影響を明らかにしようとしていた。The History of Stainless Steel の著者ハロルド・コブは、ヘインズもまたマルテンサイト系の開発において言及されるに値すると評している。
ブレアリーの特許よりも少し先に、ヘインズは米国で特許申請を行ったが、クロム鋼についてはすでに特許があるからという理由で却下された。1915年3月12日に再度の特許申請が行われ、これは最終的には審査を通り登録された。しかし登録されたのは1919年4月1日で、類似の組成の登録しているブレアリーの特許がすでに登録された後のことであった。ヘインズはブレアリーの特許に反対し、争いが生じた。この争いは、結局、ヘインズの特許もブレアリーの特許も所有する持株会社を設立して利益を共有するという形で消滅することとなった。