エンジニアに聞く：オーステナイト系ステンレス鋼

極低温または高温でも、用途が広く丈夫なオーステナイト系ステンレス鋼

ステンレス鋼は、錆びにくいことから「ステンレス」と呼ばれています。鋼には鉄と炭素が一定の割合で含まれています。クロム元素を加えると、鋼からステンレス鋼に変わります。これらの3つの基本的な要素から始めて、冶金学者は膨大な範囲のステンレス鋼を作成しました。各グレードの説明には、合金に含まれる金属の種類、合金化の説明、熱処理、および製造後の作業が含まれます。これらの仕様は、オーステナイト系、第二鉄系、マルテンサイト系、および二重系の4つの主要なサブタイプに分類されます。すべてが便利ですが、オーステナイト鋼はその優れた有用性で際立っています。ステンレス鋼製品の70％はオーステナイト系ステンレス鋼から作られています。

クロムは、急速に酸化することにより、ステンレス鋼を耐食性にします。これにより、鉄ベースの金属を錆から保護するシールまたは「パッシブ層」が形成されます。オーステナイト系ステンレス鋼には、強度と延性の特性を与える追加の合金元素であるニッケルがあります。

オーステナイト系ステンレス鋼の特性

オーステナイト系ステンレス鋼には多くの有用な特性があります：

• 耐食性が高い
• 耐久性
• 形成可能
• 溶接可能
• 極低温でも脆くなりません
• 他のステンレスタイプよりも広い熱間強度範囲
• マルテンサイト系およびフェライト系ステンレス鋼よりも大きな熱膨張
• マルテンサイト系ステンレス鋼よりも熱伝導率が低い
• 通常は非磁性。冷間加工した場合は弱磁性

これらの特性により、オーステナイト系ステンレス鋼は用途が広く、キッチンや食品加工機器、ラボや病院、外部の家具やクラッディング、オーブンや炉、熱交換器など、多くの用途に最適です。一般的な304および316グレードを含む、商業的に一般的な300シリーズは、オーステナイト鋼です。

オーステナイト鋼は、その分子構造のためにこれらの有用な特性を持っています。ただし、鋼内にオーステナイト分子を作成して維持するにはコストがかかります。したがって、これらの鋼は、強化された特性が必要な場合にのみ使用されます。

オーステナイト系微細構造

金属が溶融状態から凍結すると、金属は結晶化して粒子を形成し、格子状に互いに付着します。この結晶構造は、金属の機械的特性の多くを決定します。

この微細構造に影響を与える多くの要因があります：格子内の材料、金属がどれだけ熱くなり、どれだけ速く冷えるか、そして金属が後で熱処理されるかどうか。オーステナイト系合金には、「面心立方微細構造」と呼ばれるものがあります。この格子は密集した細胞でできています。面心オーステナイト分子は、鉄が溶融状態にある場合にのみ軟鋼に現れます。冶金学者が合金にニッケルを加えると、この構造は金属が冷たくても維持できます。

面心立方構造には、セルの各コーナーに原子があり、さらに立方体の各面の中央に原子があります。オーステナイト鋼にその特性を与えるのは、各立方体の表面にある原子です。セルあたりの原子の密度はそれに強さを与えます。他の多くの形態の鋼およびステンレス鋼は、各面の中心に原子がない、より緩く詰まった構造を持っています。

オーステナイト系ステンレス鋼は、セル内の各原子が反対の電荷を持つペアを見つけることができるため、非磁性です。

オーステナイト系ステンレス鋼：極低温に適しています

面心立方構造は、セルごとに追加の原子の強度が増すため、極端な温度ではより硬くなります。

オーステナイト系ステンレス鋼は、極低温用途で脆くならず、容易に破壊されない唯一のステンレス鋼です。 -292°F未満でも、この材料はその靭性と伸びを維持します。叩かれると、分子は粉々になることなく互いにすり抜けることができます。

比較すると、体心立方構造は通常、機械的応力がかかると材料が粉砕する「転移」温度を示します。これは低温脆化と呼ばれます。

耐熱性または高温強度

金属が加熱されると、融点に達するまで軟化します。軟化が遅いものほど、熱強度が高くなります。オーステナイト系ステンレス鋼は、900〜1000°Fの間で強度を失い始めますが、他のステンレス鋼ほど速くはありません。マルテンサイト系ステンレス鋼とフェライト系ステンレス鋼の2種類の連続使用温度は、1300〜1500°Fです。オーステナイト系310ステンレス鋼の最大連続使用温度は2100°Fです。

金属の複雑さ

金属は、原子結晶格子の形成から独自の材料特性を取得します。これらの穀物は、金属の生産のさまざまな側面の影響を受けます。

鉄が炭素に合金化されると鋼が作られ、強く、延性がありますが、錆びやすい合金が生成されます。不動態酸化物層を作り、錆を防ぐためにクロムが添加されています。 1,674〜2,541°Fで熱処理すると、炭素が格子を透過し、ステンレス鋼の延性と強度が向上します。この構造を室温で維持する唯一の方法は、合金にニッケルおよび/またはマンガンを含めることです。これらの追加により、面心立方セルに化学的足場が提供されます。これらすべての要素を使用して、オーステナイト系ステンレス鋼が作成されます。非磁性、耐熱性、耐寒性、延性、溶接性があります。

弾力性のあるオーステナイト系ステンレス鋼は、多くの産業環境で機能し続けます。それらの機械的特性により、ステンレスグレードで最も人気のある選択肢となっています。ただし、ニッケルとマンガンを追加すると、オーステナイト鋼はより高価になります。オーステナイトとフェライトをインターリーブする新しい二相鋼は、両方の特性の一部を備えている傾向があります。これらは、非極限環境でオーステナイト鋼の利点を得る安価な方法です。ただし、極低温用途、およびボイラー、熱交換器、蒸気ラインなどの熱を大量に消費する用途では、オーステナイト系ステンレス鋼が引き続き最も人気のある選択肢です。