ステンレス鍛造ガイド：トップ3タイプの説明

ステンレス鋼は高合金鋼の一種で、炭素含有量が少なく（一般に質量比で0.4%以下）、様々な合金元素を含む（合金元素の質量分率が13%以上）。

ステンレス鋼は、そのマトリックス構造により、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、マルテンサイト系ステンレス鋼に分けられる。ステンレス鋼は、高い変形抵抗性、低い熱伝導率、強い過熱感度、および貧しい鍛造性を持っています。

フェライト系ステンレス鋼の鍛造

フェライト系ステンレス鋼は少量の炭素を含み、クロムの質量分率は16%～30%（20Cr13、10Cr17など）。この種の鋼は加熱・冷却中に組織変態を起こさず、熱処理による強度向上や結晶粒の微細化はできず、鍛造法でのみ結晶粒を微細化できる。再結晶温度が低く、再結晶速度が速く、加熱中に結晶粒が成長しやすく、鍛造性が悪い。フェライト系ステンレス鋼の鍛造工程のポイントは以下の通りである：

1) フェライト系ステンレス鋼の結晶粒は600℃で成長し始める。加熱中に結晶粒が粗大化するのを避けるため、加熱温度は高すぎず、保持時間は長すぎないことが望ましい。一般的に使用される初期 鍛造温度 は1100～1150℃であり、最後の火入れの加熱温度は1000℃を超えてはならない。高温でのビレットの滞留時間を短くするため、760℃までゆっくり加熱した後、鍛造初期温度まで急速に加熱する。

2)フェライト系ステンレス鋼は、熱処理による結晶粒の微細化ができないため、鍛造時に完全鍛造して結晶粒を微細化し、十分な変形と均一な変形を確保する必要がある。最後の火入れの変形は12%以上20%以下とする。最終鍛造温度は、微細化された結晶粒の再凝集を防ぐために800℃以下とする。ただし、最終鍛造温度が低すぎることによる加工硬化を避けるため、最終鍛造温度は750℃以下とする。

3) 鍛造後、475℃の脆化ゾーンを素早く分散させるた め、空冷すべきである。550℃以上の短時間焼鈍(一般に700～800℃)により、脆化したステンレス鋼を元の非脆性状態に戻すことができる。

オーステナイト系ステンレス鋼の鍛造

オーステナイト系ステンレス鋼の炭素質量分率は0.25%以下、クロム質量分率は17%～19%、ニッケル質量分率は8%～18%で、12Cr18Ni9、17Cr18Ni9などがある。オーステナイト系ステンレス鋼は、冷却時に構造変態を起こさず、強度を高めたり結晶粒を微細化したりする熱処理法は使用できず、熱間鍛造変形と再結晶のみが可能である。オーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒は高温で成長する傾向があるが、その傾向はフェライト系ステンレス鋼ほど強くない。

オーステナイト系ステンレス鋼の加熱仕様はフェライト鋼と同様であり、一般に鍛造初期温度は1150～1180℃であり、鍛造最終温度は850℃以下でなければならない。さもないと、組織中の炭化物の析出が変形抵抗を増大させ、鍛造に割れが生じやすくなる。

 オーステナイト系ステンレス鋼の鍛造工程のポイントは以下の通りである：

1) 加熱中の浸炭は厳禁である。炭素とクロムは粒界で容易に炭化クロム化合物を形成し、粒界近傍のマトリックス中のクロム含有量を減少させ、粒界腐食に対する鋼の感受性を高める。加熱は弱酸化性雰囲気で行う。

2）鋼塊を鍛造する場合、軽いプレスから始める。鋼塊の変形が30%に達して初めて重圧を加えることができる。鍛造中、鋼塊は一方向に送り、一箇所を繰り返し打たないようにし、中心十字割れの発生を防止する。

3) 鍛造比は、原料の粒度により、鋼塊は4～6、ビレットは2～4に設定される。オーステナイト系ステンレス鋼の結晶粒径は、鋼の耐食性に大きく影響する。微細な結晶粒組織を得るためには、最後の加熱で十分な鍛錬比を確保し、変形量を再結晶の臨界変形度以上にする。

4) より均一な結晶粒組織を得るためには、変形過程で均一な変形が必要である。丸ディスク鍛造品では、以下の対策が考えられる：

• 滑らかな台とアンビルの表面を使用し、必要に応じて注油する；
• プラットフォームとアンビルの表面を150～450℃に予熱する；
• ディスクブランクの両端に低炭素鋼パッドを追加する；
• スタッキング鍛造を使う；
• 変形中に断続的に圧縮を加える；
• アップセットにはケーシングを使う。

5) オーステナイト系ステンレス鋼は特に収縮率が大きい。鍛造品が最終形状の場合、冷却後の寸法不足によるスクラップを避けるため、大きめの収縮率(1.5%～1.7%)を考慮する必要がある。

6) 鍛造後の空冷。オーステナイト系ステンレス鋼は、鍛造後に空冷、ピット冷却、砂冷のいずれかを行うことができる。

7) 鍛造および空冷工程で析出した炭化物をオーステナイト中 に再溶解させ、室温で均一な単一オーステナイト組織を得るた めには、ステンレス鋼に溶体化処理、すなわち1020～1050℃ で加熱・保持した後、水冷する必要がある。粒成長を防ぐため、温度は高すぎず、保持時間は長すぎないことが望ましい。

3.マルテンサイト系ステンレス鋼の鍛造

マルテンサイト系ステンレス鋼は、炭素の質量分率が0.1%～4%、クロムの質量分率が約12%～14%で、20Cr13、30Cr13、40Cr13などがある。高温ではオーステナイト組織で、室温まで冷却するとマルテンサイト組織に変化する。フェライト系やオーステナイト系ステンレス鋼よりも硬度が高く、熱処理によって結晶粒を微細化し、機械的性質を向上させることができる。

マルテンサイト系ステンレ ス鋼の加熱温度は、高すぎるとδ-フェライト相 が形成され、鋼の塑性が低下するため、高すぎない ことが望ましい。鍛造初期温度は一般的に1100～1150℃である。この種の鋼は熱伝導率が悪く、急激な加熱は割れの原因になりやすい。そのため、850℃に達するまではゆっくりと加熱し、塑性が改善されてから鍛造初期温度まで急速に加熱する必要がある。

この種の鋼は高温ではオーステナイト単相組織となり、鍛造に特別な困難はないが、飛散防止のため900～950℃の範囲では激しい打撃を避ける必要がある。最後の火入れの変形量も特別な要件はなく、最終鍛造温度は一般に900℃前後である。

この種の鋼は、鍛造後に空気中で冷却すると、直ちにマルテンサイト組織に変態する。鍛造品内部には大きな熱応力、鍛造残留応力、構造応力があり、表面割れが発生しやすい。したがって、鍛造後は熱砂中または炉中で徐冷し、適時焼鈍を施して内部応力を除去し、硬度を低下させ、機械加工を容易にする必要がある。