1. フェライト系ステンレス鋼の熱処理：フェライト系ステンレス鋼は一般的に安定した単一フェライト組織を有し、加熱・冷却による相変化は起こらないため、熱処理によって機械的性質を調整することはできません。主な目的は、脆性を低減し、粒界腐食に対する耐性を向上させることです。
①σ相の脆性：フェライト系ステンレス鋼は、Crを多く含む金属化合物であるσ相が非常に生成しやすい。硬くて脆く、特に結晶粒間に生成しやすく、鋼を脆くし、粒界腐食に対する感受性を高めます。σ相の生成は組成と関連しています。また、Cr、Si、Mn、Moなどはσ相の生成を促進します。また、加工プロセス、特に加熱と540～815℃の範囲での保持にも関連しており、σ相の生成をさらに促進します。ただし、σ相の生成は可逆的であり、σ相生成温度よりも高い温度に再加熱すると、固溶体に再溶解します。
②475℃脆性：フェライト系ステンレス鋼を400～500℃の範囲で長時間加熱すると、強度が上昇し靭性が低下する、つまり脆性が増加するという特性が現れます。この特性は475℃で最も顕著になり、475℃脆性と呼ばれます。これは、この温度でフェライト中のCr原子が再配列して小さなCrリッチ領域を形成し、それが母相と整合することで格子歪みを引き起こし、内部応力が発生し、鋼の硬度が上昇し、脆性が増加するためです。Crリッチ領域が形成されると同時に、Crプア領域も存在し、耐食性に悪影響を及ぼします。鋼を700℃以上の温度に再加熱すると、歪みと内部応力が解消され、475℃脆性は消失します。
③高温脆性：925℃以上に加熱した後、急冷すると、Cr、C、Nなどが化合物を形成し、結晶粒内および粒界に析出するため、脆性が増大し、粒界腐食が発生します。この化合物は、750～850℃に加熱した後、急冷することで除去できます。
熱処理プロセス：
① 焼鈍：σ相、475℃脆性、高温脆性を除去するために、780～830℃に加熱し、保温後、空冷または炉冷する焼鈍処理を施すことができます。超高純度フェライト系ステンレス鋼（C含有量≤0.01%、Si、Mn、S、P含有量を厳密に管理）の場合は、焼鈍加熱温度を高く設定することができます。
② 応力除去処理：溶接や冷間加工後、部品に応力が生じることがあります。焼鈍処理が困難な場合は、230～370℃の範囲で加熱、保温、空冷を行うことで、内部応力を除去し、塑性を向上させることができます。
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では、CrやNiなどの合金元素の影響により、Ms点が室温（-30～-70℃）以下になります。オーステナイト組織の安定性を確保するため、加熱・冷却中に室温以上では相変化は起こりません。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼の熱処理の主な目的は、機械的特性を変えることではなく、耐食性を向上させることです。
A. オーステナイト系ステンレス鋼の溶体化処理
関数：
① 鋼中の合金炭化物の析出と溶解：鋼中のCは合金元素の一つであり、一定の強化作用を有するほか、耐食性にも悪影響を及ぼし、特にCrと炭化物を形成すると、その影響はさらに大きくなるため、その含有量を低減するよう努めるべきである。このため、オーステナイト中のCは温度によって溶解度が異なり、高温では溶解度が大きく、低温では溶解度が小さいという特性がある。データによると、オーステナイト中のCの溶解度は1200℃で0.34％、1000℃で0.18％、600℃で0.02％であり、室温ではさらに低くなる。そのため、鋼を高温に加熱してC-Cr化合物を完全に溶解させた後、析出する時間を与えないように急速冷却することで、鋼の耐食性、特に粒界腐食に対する耐性を確保している。
②σ相：オーステナイト鋼を500～900℃の範囲で長時間加熱したり、Ti、Nb、Moなどの元素を添加すると、σ相の析出が促進され、鋼の脆化や耐食性の低下を引き起こします。σ相を除去するには、σ相が析出する温度よりも高い温度で溶解させ、その後、再析出を防ぐために急冷する必要があります。
プロセス：
GB1200規格では、推奨加熱温度範囲は1000～1150℃と比較的広く、通常は1020～1080℃です。具体的な鋼種組成、鋳物か鍛造品かなどを考慮して、許容範囲内で加熱温度を適切に調整する必要があります。加熱温度が低いと、C-Cr炭化物が完全に溶解しません。また、加熱温度が高すぎると、粒成長や耐食性の低下などの問題が生じる可能性があります。
冷却方法：炭化物の再析出を防ぐため、より速い速度で冷却する必要があります。我が国および他のいくつかの国の規格では、溶体化処理後の「急速冷却」が推奨されています。様々な文献と実務経験を組み合わせると、「急速」の基準は以下のように定義できます。
C 含有量 ≥ 0.08%、Cr 含有量 > 22%、Ni 含有量が比較的高い、C 含有量 < 0.08% だが有効サイズ > 3mm の場合は水冷する必要がある。
C含有量<0.08%、サイズ<3mm、空冷可能。
有効サイズ≤0.5mmは空冷可能です。
B. オーステナイト系ステンレス鋼の安定化熱処理
安定化熱処理は、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni11Nb などの安定化元素 Ti または Nb を含むオーステナイト系ステンレス鋼に限定されます。
関数：
前述のように、CrはCと結合してCr23C6型化合物を形成し、粒界に析出することがオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性低下の原因です。Crは強力な炭化物形成元素であり、機会があればCと結合して析出します。そのため、CrやCよりも親和力の強い元素であるTiやNbを鋼中に添加し、CがTiやNbと優先的に結合するような条件を作り、CがCrと結合する機会を減らすことで、Crがオーステナイト中に安定して保持され、鋼の耐食性を確保します。安定化熱処理は、Ti、NbをCと結合させ、オーステナイト中のCrを安定化させる役割を果たします。
プロセス：
加熱温度：この温度は、Cr23C6 の溶解温度（400〜825℃）より高く、TiC または NbC の開始溶解温度（例えば、TiC の溶解温度範囲は 750〜1120℃）より低いかわずかに高い必要があり、安定化加熱温度は通常 850〜930℃ に選択され、これにより Cr23C6 が完全に溶解して Ti または Nb が C と結合し、Cr はオーステナイトに残り続けます。
冷却方法：一般的には空冷が用いられますが、水冷や炉冷も適用できます。部品の具体的な状況に応じて決定する必要があります。冷却速度は安定化効果に大きな影響を与えません。当社の実験研究結果によると、安定化温度900℃から200℃まで冷却する場合、冷却速度は0.9℃/分と15.6℃/分です。比較すると、金属組織、硬度、粒界腐食耐性は基本的に同等です。
C. オーステナイト系ステンレス鋼の応力除去処理
目的：オーステナイト系ステンレス鋼製部品は、冷間加工時の加工応力や溶接応力など、必然的に応力を生じます。これらの応力の存在は、寸法安定性への影響など、悪影響をもたらします。また、応力が加わった部品を塩素含有媒体、H2S、NaOHなどの媒体で使用すると、応力腐食割れが発生します。これは、前兆なく局所的に発生する突発的な損傷であり、非常に有害です。したがって、特定の作業条件で使用されるオーステナイト系ステンレス鋼部品は、応力を最小限に抑える必要があり、これは応力緩和策によって実現できます。
プロセス：条件が許せば、溶体化処理と安定化処理によって応力をより効果的に除去できます（固溶体水冷でも一定の応力は発生します）。しかし、回路内の配管、マージンのない完全なワークピース、特に形状が複雑で変形しやすい部品など、この方法を使用できない場合もあります。このような場合は、450℃以下の温度で加熱する応力除去法を用いて、ある程度の応力を除去することができます。ワークピースが強い応力腐食環境で使用され、応力を完全に除去する必要がある場合は、安定化元素を含む鋼や極低炭素オーステナイト系ステンレス鋼などの材料を選択する際に考慮する必要があります。
D. マルテンサイト系ステンレス鋼の熱処理
マルテンサイト系ステンレス鋼は、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、二相ステンレス鋼と比較して、熱処理方法によって機械的特性を広範囲に調整できるため、様々な使用条件のニーズに対応できるという大きな特徴があります。また、熱処理方法の違いによって耐食性にも違いが見られます。
① マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入れ後の組織状態
化学組成に応じて
0Cr13、1Cr13、1Cr17Ni2 はマルテンサイト + 少量のフェライトです。
2Cr13、3Cr13、2Cr17Ni2 は基本的にマルテンサイト組織です。
4Cr13 および 9Cr18 はマルテンサイトマトリックス上の合金炭化物です。
0Cr13Ni4Mo および 0Cr13Ni6Mo は、マルテンサイト マトリックス上の残留オーステナイトです。
② マルテンサイト系ステンレス鋼の耐食性と熱処理
マルテンサイト系ステンレス鋼の熱処理は、機械的特性を変化させるだけでなく、耐食性にも様々な影響を与えます。例えば、焼入れ後の焼戻しを例に挙げると、マルテンサイト相に焼入れした後、低温焼戻しを行うと耐食性が向上します。一方、400～550℃の中温焼戻しを行うと耐食性が低下します。一方、600～750℃の高温焼戻しを行うと耐食性が向上します。
③ マルテンサイト系ステンレス鋼の熱処理プロセスと機能
焼鈍：目的や達成すべき機能に応じて、様々な焼鈍方法を使用できます。硬度を下げ、加工を容易にし、応力を除去することのみが必要な場合は、低温焼鈍（不完全焼鈍とも呼ばれる）を使用できます。加熱温度は740～780℃から選択でき、空冷または炉冷により180～230HBの硬度を保証できます。
鍛造または鋳造組織の改善、硬度の低減、直接適用時の低性能確保などの要件を満たすには、完全焼鈍処理を採用できます。一般的には870～900℃に加熱し、保温後に炉冷するか、または40℃/h以下の速度で600℃以下に冷却します。硬度は150～180HBに達します。
等温焼鈍は、完全焼鈍の目的を達成するために、完全焼鈍の代替として使用することができます。加熱温度は870～900℃で、加熱・保温後、炉を700～740℃まで冷却し（変態曲線参照）、その温度を長時間保持した後（変態曲線参照）、炉を550℃以下に冷却して炉から取り出します。硬度は150～180HBに達します。この等温焼鈍は、鍛造後の組織不良を改善し、焼入れ・焼戻し後の機械的性質、特に衝撃靭性を向上させる効果的な方法でもあります。
焼入れ：マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入れの主な目的は強度向上です。鋼を臨界点温度以上に加熱し、保温することで炭化物をオーステナイトに完全に溶解させ、その後適切な冷却速度で冷却することで焼入れマルテンサイト組織を得ます。
加熱温度の選択：基本原則は、オーステナイトの生成を確保し、合金炭化物をオーステナイトに完全に溶解させて均質化することです。また、オーステナイト粒を粗大化したり、焼入れ後の組織中にフェライトや残留オーステナイトが存在したりすることもできません。そのため、焼入れ加熱温度は低すぎても高すぎてもいけません。マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入れ加熱温度は、材料によって若干異なり、推奨範囲は広いです。当社の経験上、一般的には980～1020℃の範囲で加熱すれば十分です。もちろん、特殊な鋼種、特殊な成分制御、または特別な要求がある場合は、加熱温度を適切に下げたり上げたりする必要がありますが、加熱原則に違反してはなりません。
冷却方法：マルテンサイト系ステンレス鋼の組成特性により、オーステナイトは比較的安定しており、C曲線は右方向にシフトし、臨界冷却速度は比較的低いため、油冷や空冷でマルテンサイト焼入れ効果を得ることができます。ただし、焼入れ深さが大きく、機械的特性、特に高い衝撃靭性を必要とする部品の場合は、油冷を使用する必要があります。
焼戻し：焼入れ後、マルテンサイト系ステンレス鋼は高硬度、高脆性、高内部応力を有するマルテンサイト組織となるため、焼戻しが必要です。マルテンサイト系ステンレス鋼は、基本的に以下の2つの焼戻し温度で使用されます。
180～320℃で焼戻しを行う。焼戻しマルテンサイト組織が得られ、高い硬度と強度を維持しながら、塑性および靭性が低く、耐食性に優れる。例えば、低温焼戻しは工具、軸受、耐摩耗部品などに利用できる。
600～750℃で焼戻しを行うことで、焼戻しマルテンサイト組織が得られます。一定の強度、硬度、塑性、靭性といった優れた総合的な機械的特性を有します。強度、塑性、靭性に対する様々な要求に応じて、下限温度または上限温度で焼戻しが可能です。この組織は優れた耐食性も備えています。
400～600℃での焼戻しは、マルテンサイトから高分散炭化物が析出し、焼戻し脆性が生じ、耐食性が低下するため、一般的には行われません。しかし、3Cr13鋼や4Cr13鋼などのばねはこの温度で焼戻しが可能であり、HRCは40～45に達し、良好な弾性特性が得られます。
焼戻し後の冷却方法は、一般的に空冷でよいが、1Cr17Ni2、2Cr13、0Cr13Ni4Moなど、焼戻し脆化傾向のある鋼種の場合は、焼戻し後に油冷するのが最適です。また、焼入れ後、夏季は24時間以内、冬季は8時間以内に、適時に焼戻しを行う必要があることに注意する必要があります。工程温度によっては、適時に焼戻しができない場合は、静的亀裂の発生を防止するための対策も講じる必要があります。
E. フェライト-オーステナイト二相ステンレス鋼の熱処理
二相ステンレス鋼はステンレス鋼ファミリーの中では比較的新しい鋼種であり、開発は比較的後発ですが、その特性は広く認識され、高く評価されています。二相ステンレス鋼は、その組成特性（高Cr、低Ni、Mo、N）と組織特性により、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼よりも高い強度と可塑性を有し、オーステナイト系ステンレス鋼と同等の耐食性を有しています。また、塩素系媒体および海水中における孔食、隙間腐食、応力腐食に対する耐性は、どのステンレス鋼よりも優れています。
関数：
① 二次オーステナイトの除去：高温条件（鋳造、鍛造など）ではフェライト量が増加します。1300℃を超えると単相フェライトを形成します。この高温フェライトは不安定で、将来、より低温で時効処理するとオーステナイトが析出します。このオーステナイトを二次オーステナイトと呼びます。このオーステナイト中のCrとNの量は、通常のオーステナイトに比べて少ないため、腐食源となる可能性があるため、熱処理によって除去する必要があります。
② Cr23C6型炭化物を除去する：二相鋼では950℃以下でCr23C6が析出し、脆さが増し耐食性が低下するため、除去する必要があります。
③ 窒化物Cr2NおよびCrNの除去：鋼中にはN元素が含まれているため、Crと窒化物が生成され、機械的強度や耐食性に影響を与えるため、除去する必要があります。
④ 金属間相の除去：二相鋼の組成特性により、σ相やγ相などの金属間相の形成が促進され、耐食性を低下させ、脆さを増大させるため、除去する必要があります。
プロセス：オーステナイト鋼と同様に、溶体化処理を採用し、加熱温度は980〜1100℃、その後急冷、通常は水冷です。
F. 析出硬化型ステンレス鋼の熱処理
析出硬化型ステンレス鋼は開発が比較的遅れており、人類の実践の中で試行錯誤を重ね、集約され、革新されてきたステンレス鋼の一種です。初期に登場したステンレス鋼の中で、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼は耐食性に優れていますが、熱処理によって機械的特性を調整することができないため、その役割は限定されています。マルテンサイト系ステンレス鋼は熱処理によって機械的特性をより広い範囲で調整できますが、耐食性は劣ります。
特徴：
C含有量が低く（通常≤0.09%）、Cr含有量が高く（通常≥14%）、Mo、Cuなどの元素が含まれているため、耐食性が高く、オーステナイト系ステンレス鋼に匹敵します。溶体化処理と時効処理により、マルテンサイトマトリックス上に析出硬化相が析出した組織が得られるため、より高い強度を有し、時効温度の調整に応じて強度、塑性、靭性を一定の範囲内で調整できます。また、先に固溶してから析出強化する熱処理方法は、固溶処理後に低硬度で基本形状に加工し、その後時効処理によって強化できるため、加工コストが削減され、マルテンサイト鋼よりも優れています。
分類：
①マルテンサイト析出硬化型ステンレス鋼とその熱処理：マルテンサイト析出硬化型ステンレス鋼の特徴は、オーステナイトからマルテンサイトへの変態開始温度Msが室温以上であることです。加熱オーステナイト化後、より速い速度で冷却すると、ラス状のマルテンサイトマトリックスが得られます。時効処理後、ラス状のマルテンサイトマトリックスからCu微粒子が析出し、強化されます。
②セミオーステナイト系ステンレス鋼の熱処理：この鋼のMs点は一般に室温よりわずかに低いため、固溶体化処理後に室温まで冷却すると、強度が非常に低いオーステナイト組織になります。マトリックスの強度と硬度を向上させるには、再び750～950℃に加熱し、保温する必要があります。この段階でオーステナイト中に炭化物が析出し、オーステナイトの安定性が低下し、Ms点は室温以上に上昇します。再び冷却するとマルテンサイト組織が得られます。また、冷間処理（サブゼロ処理）を追加し、その後鋼を時効処理することで、最終的にマルテンサイトマトリックス上に析出物を持つ強化鋼を得ることもできます。
析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は、適切な処理を施すことで、機械的特性がマルテンサイト系ステンレス鋼の性能に十分達し、耐食性はオーステナイト系ステンレス鋼と同等であることがわかります。ここで注目すべきは、マルテンサイト系ステンレス鋼と析出硬化型ステンレス鋼は熱処理方法によって強化できますが、その強化メカニズムは異なるということです。析出硬化型ステンレス鋼は、こうした特性から高く評価され、広く使用されています。
投稿日時: 2025年2月6日