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の最も基本的な合金元素はクロムとニッケルです。代表的なグレードはクロムニッケルオーステナイト系ステンレス鋼で、クロム含有量は約18％、ニッケル含有量は約8％です。クロムとニッケルの元素比は、基本的に鋼の構造が安定したオーステナイトであることを保証します。オーステナイト系ステンレス鋼は急速に発展しました。さまざまな条件のニーズを満たすために、18-8鋼に基づいて他の合金元素が追加され、このタイプのステンレス鋼の性能が向上しています。オーステナイト系ステンレス鋼の組織構造により、その機械的特性は強度が低く、可塑性と靭性が高いことが決定されます。わが国のステンレス鋼規格では、オーステナイト系ステンレス鋼の引張強度は一般に480〜520N / mm2で、400N / mm2のものもあります。規格によると、オーステナイト系ステンレス鋼の鍛造品と圧延製品には衝撃試験値が示されていません。実際、溶体化熱処理後のオーステナイト系ステンレス鋼の衝撃エネルギーは120J以上に達することがあります。オーステナイト系ステンレス鋼の機械的性質は、熱処理によって調整することはできません。 18-8 型オーステナイト系ステンレス鋼は、空気、希硝酸または中濃度硝酸、濃硫酸などの酸化媒体に対して耐食性があります。かなり広い濃度と温度範囲内で、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウム溶液に対して優れた耐食性を示します。ただし、塩酸、亜硫酸などの還元媒体、濃硝酸に対しては耐食性がありません。また、オーステナイト系ステンレス鋼を加熱後、850～400度の範囲でゆっくり冷却すると、粒界から炭化クロムが析出し、粒界に局所的にクロムが不足する領域が発生し、粒界腐食が発生します。オーステナイト系ステンレス鋼の粒界腐食耐性は炭素含有量に関係しています。炭素含有量が低いほど、粒界腐食耐性が強くなります。オーステナイト系ステンレス鋼は応力腐食割れに敏感です。鋼中のニッケル含有量は、応力腐食割れ耐性の向上に重要な役割を果たします。化学組成と熱処理の目的に応じて、オーステナイト系ステンレス鋼に一般的に使用される熱処理方法には、溶体化処理、安定化焼鈍処理、応力緩和処理、鋭敏化処理などがあります。

（１）溶体化処理

オーステナイト系ステンレス鋼の溶体化処理は、鋼を一定の温度に加熱して過剰相を完全に固溶体に溶解し、一定時間保持した後、急速に冷却する処理方法です。オーステナイト系ステンレス鋼の溶体化処理の目的は、前の処理ステップで生成または沈殿した（FeCr）23C6などの合金炭化物やo相をオーステナイトに溶解し、単一のオーステナイト組織（少量の8フェライトを含む場合もあります）を得て、材料が優れた機械的性質と耐食性を持つことを保証し、応力と冷間加工硬化を完全に排除することです。溶体化処理は、あらゆる組成とグレードのオーステナイト系ステンレス鋼に適しています。溶体化処理はステンレス鋼の耐食性を大幅に向上させ、加工硬化を除去し、硬度を低下させるなどします。主な処理技術は鋼を1050〜1150℃に加熱し、材料の厚さまたは直径に応じて保持時間を計算し（25mmごとに約1時間）、冷却には主に水焼入れを使用します。

（２）安定化熱処理

安定化熱処理は、一般的に溶体化処理後に配置され、タンタルやタンタルを含む18-8鋼によく使用されます。タンタルやタンタルを含むオーステナイト系ステンレス鋼の安定化熱処理の目的は、粒界腐食防止の効果を最大限に高めることです。炭化クロムは完全に溶解しますが、タンタル炭化物は完全に溶解せず、冷却プロセス中に完全に沈殿するため、炭素が炭化クロムを形成することは不可能であり、粒界腐食の発生を効果的に排除します。主な処理プロセスは、一般的に溶体化処理後に配置されます。鋼は850〜950度に加熱され、完全に絶縁されます。絶縁時間は、厚さまたは直径に基づきます（絶縁25mmごとに約2時間）。絶縁後、空冷または炉冷が使用されます。タンタルまたはタンタルを含まない鋼種は安定化できません。そうしないと、効果が逆効果になります。

（３）応力緩和熱処理

オーステナイト系ステンレス鋼の応力緩和熱処理の目的は次のとおりです。Ⅰ. 材料の可塑性を変えずに、材料の層強度と疲労強度を向上させる。Ⅱ. 内部応力によって引き起こされる可能性のある応力腐食傾向を排除する。主な処理プロセスは次のとおりです。目的Ⅰの場合、低温（300〜350℃）で1〜2時間加熱してから空冷します。目的Ⅱの場合、加熱温度は800℃以上で、絶縁後に急速に冷却する必要があります。タンタルを含む鋼またはタンタルの場合は、絶縁後に徐冷を使用します。
（４）感作療法

鋭敏化処理は、実際にはオーステナイト系ステンレス鋼またはその製品の製造プロセスで使用すべき熱処理方法ではなく、オーステナイト系ステンレス鋼の粒界腐食耐性をテストするときに使用する手順です。鋭敏化処理は、本質的にオーステナイト系ステンレス鋼を粒界腐食に対してより敏感にする処理です。一部の特殊な使用場面では、材料の粒界腐食耐性をより厳密に評価するために、一部の規格では、オーステナイト系ステンレス鋼の鋭敏化システムはより厳格であり、ワークピースの将来の使用温度と材料の炭素含有量、およびタンタル元素の含有の有無に応じて異なる鋭敏化システムが使用されます。鋭敏化処理の加熱および冷却速度を制御するものもあります。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼の粒界腐食傾向を判断するときは、使用する鋭敏化システムに注意を払う必要があります。

（５）オーステナイト系ステンレス鋼の冷間加工強化および応力緩和処理

オーステナイト系ステンレス鋼は熱処理法では強化できませんが、冷間加工変形（冷間硬化、変形強化）によって強化することができ、強度が増加し、可塑性が低下します。 冷間加工変形強化後、オーステナイト系ステンレス鋼または製品（スプリング、ボルトなど）には大きな加工応力が発生します。 この応力の存在は、応力腐食環境で使用する場合、応力腐食の感受性を高め、寸法の安定性に影響を与えます。 応力を軽減するために、応力緩和処理を使用できます。 一般的には、280〜400度に加熱し、2時間〜3時間維持した後、空冷または徐冷します。 応力緩和処理は、製品の応力を軽減するだけでなく、伸びに大きな変化がなく、硬度、強度、弾性限界を向上させることができます。

（６）オーステナイト系ステンレス鋼の熱処理において注意すべきいくつかの問題点

まず、オーステナイト系ステンレス鋼の溶体化処理における加熱温度の合理的な選択に注意する必要があります。オーステナイト系ステンレス鋼の材料規格では、規定の溶体化加熱温度範囲が比較的広いです。実際の熱処理生産では、鋼の具体的な組成、含有量、使用環境、起こり得る破損形態などの要因を考慮して、最適な加熱温度を合理的に選択できます。ただし、溶体化処理加熱温度が高すぎると、鍛造や圧延によって微細化された材料の結晶粒が成長する可能性があるため、溶融加熱温度が高くなりすぎないように注意する必要があります。結晶粒の粗大化は、いくつかの悪影響を引き起こします。第二に、安定化処理が固溶状態の性能に与える影響に注意する必要があります。安定化元素を含むオーステナイト系ステンレス鋼の場合、固溶化熱処理の後に安定化処理を行うと、機械的性質が低下する傾向があります。この現象は、強度、塑性、靭性で発生します。強度が低下する原因としては、安定化処理中に、強力な炭化物形成元素であるホウ素がより多くの炭素と結合して TiC を形成し、オーステナイト固溶体中の炭素の強化度が低下することが考えられます。また、加熱および絶縁プロセスでも TiC が成長し、強度にも影響を及ぼします。
第三に、安定化処理の加熱温度は高すぎてはならず、一般的には850～930度の間で選択される。オーステナイト系ステンレス鋼は、複数回の固溶体加熱により粒成長が起こり、材料の性能に悪影響を与えるため、複数回の固溶体処理を行わない。同時​​に、処理中の汚染に注意する必要があり、汚染された場合は、汚染を除去するための措置を講じる必要があります。