マルエージング鋼：組成、熱処理、特性および用途

組成と組織

マルエージング鋼は炭素含有量が非常に低く、ニッケル含有量が比較的高い。意図的に加えられるコバルト（Co）、モリブデン（Mo）、チタン（Ti）、アルミニウム（Al）は、時効中のナノスケールの金属間化合物析出物の形成を促進する。焼入れ後の組織は、炭化物が少ない軟らかく延性のあるマルテンサイトである。制御された時効処理により、この母相は析出強化されたマルテンサイトへと変化し、微細に分散した金属間化合物粒子が靭性および破壊抵抗を保ちながら強度を高める。

熱処理と機械的性質

一般的な処理には、均質なオーステナイトを得るための溶体化焼なまし、低炭素マルテンサイトを形成するための室温までの急冷、ならびに強化相を析出させるため、所定時間にわたり中程度の温度で行う時効処理が含まれる。このようにして得られる状態は、非常に高い引張強さおよび降伏強さに加え、良好な靭性、予測可能な寸法安定性、そして多くの従来型高強度鋼と比べて優れた疲労特性を備えることが多い。低炭素であるため焼入れ割れの傾向が抑えられ、溶接性も向上する。

製造、溶接および積層造形

マルエージング鋼は、軟らかい溶体化焼なまし状態であれば、従来の成形加工や機械加工に適している。最終の機械加工または製作後に時効処理を施すことで強化される。低炭素であることから高炭素マルテンサイト鋼より一般に溶接しやすいが、溶接部および熱影響部では局所的な析出状態が変化し得るため、溶接後熱処理または再時効を必要とする場合がある。近年では、レーザーを用いる積層造形でもマルエージング合金が使用されており、造形後に最終特性を得るため時効処理される部品が多い。

耐食性、表面処理および接合

ほとんどのマルエージング鋼はステンレス鋼ではなく、特別な合金設計または表面処理を行わない限り、耐食性は中程度にとどまる。耐食性が必要な場合には、保護被膜、めっき、または不動態化処理が一般に施される。高強度と良好な靭性を兼ね備えるため、溶接、ろう付け、機械的締結による接合が可能である。ただし、設計どおりの特性を維持するには、熱サイクルと後熱処理を慎重に管理することが重要となる。

鋼種、歴史および名称

一般的な市販鋼種は、しばしば公称ニッケル含有量と従来の強度番号によって識別される。たとえば、文献や製品データには18Ni-300のような名称が見られる。マルエージング鋼は、炭素硬化に大きく依存せずに非常に高い強度を得る代替手段として、20世紀半ばに開発された。その開発により、精密で高性能な部品に新たな可能性が開かれた。

用途

マルエージング鋼は、強度、靭性、寸法安定性という特異な組合せにより、航空宇宙・ロケット分野、高性能工具および金型、軸や継手、精密機械部品、ならびに要求の厳しいスポーツおよびレース用途の一部で使用される。また、積層造形後に後処理を施す部品を含め、予測可能な時効挙動と厳しい公差が必要な場面でも選ばれる。

利点と限界

• 利点：靭性を保ちながら達成できる非常に高い強度、良好な寸法安定性、高炭素マルテンサイト鋼と比較した溶接性の向上、組成および熱処理による特性調整の可能性。
• 限界：ニッケルおよびコバルト含有量による材料コストの高さ、処理を施さない場合の中程度の耐食性、ならびに意図した性能を得るために精密な熱処理が必要であること。