UGI® 4545 AIR焼鈍材 — プレミアム航空宇宙グレード析出硬化型ステンレス鋼

概要

UGI® 15-5PH AIR（別名UGI® 4545 AIR）は、主に航空宇宙用途向けに設計されたプレミアム品質のPH（析出硬化型）マルテンサイト系ステンレス鋼です。高強度と高靭性の組み合わせが要求される部品に使用され、疲労破壊耐性にも優れています。本材料は、この分野で最も先進的な技術を用いた電渣溶解材（AMS 5659 タイプ2準拠）です。この製造法により、構造の良好な均質性と異方性のない特性、縦方向だけでなく横方向でも高い機械的特性が得られます（強磁性）。

光学顕微鏡で観察される組織は、均質なマルテンサイトとニオブ炭窒化物析出物（SEMで白色粒子として観察）、および残留オーステナイトで構成され、残留オーステナイト量は冶金状態に依存します。ナノメートルオーダーのCuリッチ相はTEMで観察可能です。UGI® 15-5PH AIRのδ-フェライト分率は1%未満（UGI® 17-4PH AIRより低い、AMS 2315準拠）、前オーステナイト粒度は6以下です。

UGI® 15-5PH AIRは消費電極式ESRで製造されます。残存介在物は非常に小さく、断面内に均一に分布しています。ASTM E45法Aによる以下の微小介在物評価を保証します：A、B、C、D（薄板）< 1.5、A、B、C、D（重板）< 1。

特性

一般特性

特性	値
密度	7.8 g/cm³

機械的特性

特性	温度	値	備考
弾性率	20℃	200 GPa	—
	100℃	195 GPa	—
	200℃	185 GPa	—
	300℃	170 GPa	—
弾性率（別データ）	300℃	175 GPa	—
ブリネル硬さ	—	363	最大
ロックウェルC硬さ	—	38.0	最大

熱的特性

特性	値	備考
熱膨張係数	0.0000105 1/K	20〜100℃
熱膨張係数	0.0000111 1/K	20〜200℃
熱膨張係数	0.0000115 1/K	20〜300℃
熱膨張係数	0.0000119 1/K	20〜400℃
比熱容量	500 J/(kg·K)	—
熱伝導率	16 W/(m·K)	—

電気的特性

特性	値
電気抵抗率	7.1×10⁻⁷ Ω·m

化学組成（質量%）

元素	値	備考
炭素 (C)	0.07	最大
クロム (Cr)	14.5〜15.3%	—
銅 (Cu)	2.5〜4.0%	—
マンガン (Mn)	1.0	最大
モリブデン (Mo)	0.5	最大
ニッケル (Ni)	4.5〜5.5%	—
ニオブ (Nb)	0.45	最大、最小: 5×C
リン (P)	0.025	最大
ケイ素 (Si)	0.6	最大
硫黄 (S)	0.005	最大

技術的特性

用途分野

UGI® 15-5PH AIRは以下の用途に適しています：

• 航空宇宙用途（プレミアム航空機品質）
• センサー製造（圧力センサーなど）
• 医療関連
• シャフト、ギア
• 継手
• 構造部品 など

耐食性

UGI® 15-5PH AIRは優れた耐食性を示し、場合によっては18Cr-8Ni系オーステナイト鋼と同等です。

環境	挙動
硝酸	良
リン酸	制限付き使用
硫酸	制限付き使用
酢酸	平均
炭酸ナトリウム	平均
NaCl（噴霧試験）	良
湿気	優秀
海水	制限付き使用
油・ガス	制限付き使用

孔食：UGI® 15-5PH AIRは、古典的な12%Crマルテンサイト系ステンレス鋼より孔食耐性が大幅に優れています。孔食電位レベルは、スーパーマルテンサイト系1.4418およびオーステナイト系1.4301（AISI 304）と同等です。

粒界腐食：本鋼の低炭素含有量（その一部はNbと結合）により、推奨熱処理を適切に実施すれば粒界腐食に対して不感になります。

その他の腐食機構：UGI® 15-5PH AIRは、特定の環境および条件下で疲労腐食および応力腐食に耐性があります。また、高い機械的特性と耐食性の組み合わせにより、侵食腐食に対する優れた耐性も注目されます。

一般的な機械加工性

低硫黄含有量と優れた微小介在物レベルのため、UGI® 15-5PH AIRは切りくず処理が悪く、特にドリル加工や仕上げ旋削で困難を伴うことがあります。可能であれば、最終部品形状への機械加工の大部分をA材（固溶焼鈍）状態で行うことを推奨します。これは、析出硬化熱処理後の材料を加工すると、母材の機械的特性が高いほど工具摩耗が大きくなり（加工生産性が低下する）ためです。A材状態での荒旋削試験（ap=1.5mm、f=0.25mm/rev、引抜きバー、STELLRAM SP4019 CCGT 09T308E-62工具、有効切削時間15分で逃げ面摩耗0.15mm）では、切削速度は約145m/minでしたが、UGIMA® 4542（機械加工性向上17-4PH）では約160m/minでした。加工内容によりますが、UGI® 15-5PH AIRの加工生産性はUGIMA® 4542より10〜30%低くなります。

熱処理

UGI® 15-5PH AIRの熱処理は2段階で構成されます：

• オーステナイト化：合金元素（特にCu）を過飽和マルテンサイト中に取り込む目的
• エージング：Cuリッチ相を析出させ（析出硬化）、場合によっては逆変態オーステナイトを形成して靭性を向上させる目的。機械的特性（強度と靭性のトレードオフ）はエージング温度で調整

オーステナイト化（固溶焼鈍）：1030〜1050℃付近で実施し、油焼入れまたは小断面部品では空冷で中断します。この状態（A材）ではCu析出硬化が効いていないため硬度は中間的です。そのため、機械加工や冷間成形を行う際によくA材が選択されます。この場合、オーステナイト化後に300℃で1時間の応力除去処理を行い、材料を安定化させ、クエンチクラックを防止することを推奨します。

エージング：固溶処理後に実施し、Cuリッチ相を析出させて機械的特性を調整します。エージング後は固溶・エージング状態（H材）となります。エージング処理は480℃（H900材）〜620℃（H1150材）の間で実施可能です。H900は硬化のピークに対応し、Cu析出物が最大硬度をもたらします。より高温では析出物の成長により硬度・強度は低下します。580℃以上ではエージング中に逆変態オーステナイトが生成され、靭性が向上する一方強度は低下します。H1025は強度と靭性の最適なバランスをもたらすため、多くのお客様に選択されています。

軟化処理：最も低い強度・硬度は、固溶焼鈍→760℃で2時間テンパー→620℃で4時間エージングというH1150M熱処理サイクルで得られます。この処理後の機械的特性はUTS=780MPa、YS=710MPa、HRC<32で、A材より大幅に低くなります。

状態	熱処理条件
Cond A	1030/1050℃ 焼鈍
H900	1030/1050℃ 焼鈍 空冷または油冷 + 480℃で1時間硬化/空冷
H925	1030/1050℃ 焼鈍 空冷または油冷 + 495℃で4時間硬化/空冷
H1025	1030/1050℃ 焼鈍 空冷または油冷 + 550℃で4時間テンパー/空冷
H1075	1030/1050℃ 焼鈍 空冷または油冷 + 580℃で4時間テンパー/空冷
H1100	1030/1050℃ 焼鈍 空冷または油冷 + 590℃で4時間テンパー/空冷
H1150	1030/1050℃ 焼鈍 空冷または油冷 + 620℃で4時間テンパー/空冷

熱間成形

UGI® 15-5PH AIRは鍛造に適しています。再加熱は1150〜1200℃、鍛造は1200℃〜950℃で実施します。鍛造後は空冷または油冷します。こうして得られた部品は、熱処理（固溶焼鈍および必要に応じてエージング、前項参照）を実施する必要があります。

その他

磁粒探傷とマクロ組織：

UGI® 15-5PH AIRはAMS 2300に準拠：頻度/重大度評価 0/0。

UGI® 15-5PH AIRのマクロ組織はAMS 5659に準拠：クラス1〜4は一般的にASTM A604による重大度Aと評価されます。

供給形状・寸法：

製品	形状	表面仕上げ	許容差	寸法 (mm)
バー	丸	スムース旋削	k12〜k13	22〜115
		ピーリング・研磨	h11〜h10〜h9	22〜115
		センタレス研削	h9〜h8〜h7	5〜115
		冷間引抜き	h9	5〜21

その他の製品についてはサプライヤーまでお問い合わせください。

表面処理

酸洗い手順：UGI® 15-5PH AIRは630鋼種と同じ方法で酸洗いします。

必要に応じて、以下の脱汚染処理プロセスを推奨します（鉄粉除去など）：

• 52%硝酸（36°ベーメ）1/4体積
• 水 3/4体積
• 常温
• 時間は状況に応じて調整
• 処理完了後、十分に洗浄

注：ステンレス鋼の耐食性は、腐食環境の組成（塩化物濃度、酸化剤の有無、温度、pH、攪拌の有無など）および材料の調製状態（金属微粒子のない表面、表面仕上げ、加工硬化、研磨など）に依存します。食塩水噴霧試験（ISO 9227）などの特定試験では、試験片にマーキングラベルを貼らないなどの予防措置を講じる必要があります。

溶接

UGI® 15-5PH AIRは予熱なしで、GMAWまたはGTAW（フィラーワイヤあり/なし）、レーザー、抵抗溶接、電子ビーム溶接などほとんどの溶接工法で溶接可能です。溶接部の機械的特性を母材と同レベルにする必要がある場合は、フィラーメタルを使用しないか、同質フィラーメタル（AWS E/ER 630など）を使用し、溶接後に析出硬化熱処理（前掲の各PH熱処理を参照）を実施してください。溶接部の機械的特性が母材と同レベルである必要がない場合は、ER308LSi（19 9 L Si）などのフィラーメタルを使用できます。

溶接後に析出硬化熱処理を行わない場合、250〜300℃の応力除去熱処理を行うと、HAZの靭性向上と、溶接時マルテンサイト組織によるコールドクラッキングリスク回避に有効です。また、高耐力鋼全般に共通する設計上の配慮（切り欠きや断面急変の回避）が必要です。GMAWではAr+1%CO₂または1〜2%O₂のシールドガスを推奨し、GMAWおよびGTAWではH₂およびN₂含有ガスは避けてください。