17-4 ステンレス鋼は、SAE タイプ 630 とも呼ばれ、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼です。強度が高く、耐腐食性に優れ、熱処理が簡単なことで知られています。このエッセイでは、17-4 ステンレス鋼の包括的な分析を行い、その特性、用途、利点、および制限について探ります。
17-4 ステンレス鋼はどのような形で提供されますか?
17-4 ステンレス鋼は、さまざまな製造ニーズに合わせて、次のようなさまざまな形で提供されています。
- バーとロッド: 丸棒、四角棒、六角棒、平棒。
- プレートとシート: 構造および製造用途で使用するためのさまざまな厚さ。
- チューブとパイプ: 流体輸送システム用のシームレスおよび溶接フォーム。
- ワイヤー: スプリング、ファスナー、その他の小型部品に使用されるさまざまな直径のワイヤー。
- 鍛造品: 特殊な用途向けのカスタム形状とサイズ。
製造プロセス
17-4 ステンレス鋼は、高強度、優れた耐腐食性、容易な熱処理で知られる析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼です。製造プロセスは、主に次のステップで構成されます。
溶解と精製
- 融解17-4 ステンレス鋼は、通常、電気アーク炉 (EAF) または真空誘導炉 (VIM) で溶解されます。このプロセスにより、高い純度と化学組成の制御が保証されます。
- 精錬アルゴン酸素脱炭（AOD）や真空アーク再溶解（VAR）などの二次精錬プロセスは、鋼をさらに精製し、不純物を除去するために使用されます。
形成
- 鋳造: 溶融鋼はインゴットに鋳造されるか、またはスラブ、ビレット、ブルームに連続鋳造されます。
- 熱間加工: 鋳造された形状は、圧延、鍛造、押し出しなどの工程を経て熱間加工され、希望の形状とサイズに仕上げられます。これにより、粒子構造が洗練され、機械的特性も向上します。
熱処理
- 溶体化処理材料を約 1040°C (1900°F) に加熱して合金元素を固溶体に溶解し、その後急速に冷却 (急冷) して溶解構造を保持します。
- 高齢化: 溶体化処理された材料は、その後 480°C ～ 620°C (900°F ～ 1150°F) の温度で熟成されます。この熟成プロセスにより、マトリックス内に微粒子が沈殿し、析出硬化によって強度と硬度が向上します。
機械加工と仕上げ
- 機械加工: 17-4 ステンレス鋼は標準的な技術を使用して機械加工できます。焼鈍状態でも機械加工性に優れており、時効処理後に最終寸法まで機械加工できます。
- フィニッシング: 研削、研磨、表面処理などのさまざまな仕上げプロセスを適用して、必要な表面品質と外観を実現できます。不動態化処理を使用して、耐腐食性をさらに高めることもできます。
17-4ステンレス鋼の特性
物理的特性
| プロパティ | 値 |
|---|---|
| 密度 | 7.75 g /cm³ |
| 溶融範囲 | 1400-1440°C（2550-2620°F） |
| 熱伝導率 | 18 W / mK |
| 熱膨張係数 | 10.8μm/m℃(20～100℃) |
| 電気抵抗率 | 600nΩ.m |
機械的性質
17-4 ステンレス鋼の機械的特性は優れており、さまざまな要求の厳しい用途に適しています。
| プロパティ | 値 |
|---|---|
| 抗張力 | 930 MPa（135,000 psi） |
| 降伏強さ | 725 MPa（105,000 psi） |
| 硬度 | HRC 38-42 |
| 破断伸び | 12-15％ |
| 弾性率 | 196 GPa (28.4 x 10⁶ psi) |
| 衝撃靱性 | 20 J (14.8 フィートポンド) |
化学組成
17-4 ステンレス鋼は主に以下の元素で構成されています。
| 素子 | パーセンテージ（％） |
|---|---|
| クロム（Cr） | 15.0-17.5 |
| ニッケル（Ni） | 3.0-5.0 |
| 銅（Cu） | 3.0-5.0 |
| マンガン（Mn） | ≤1.0 |
| シリコン（Si） | ≤1.0 |
| ニオブ(Nb) | 0.15-0.45 |
| 炭素（C） | ≤0.07 |
| リン（P） | ≤0.04 |
| 硫黄（S） | ≤0.03 |
| 鉄（Fe） |
17-4ステンレス鋼の利点
17-4 ステンレス鋼の利点は数多くあります。17-4 ステンレス鋼の特徴の XNUMX つは、析出硬化能力です。このプロセスでは、合金を高温に加熱して溶質元素を溶解し、冷却して過飽和固溶体を形成し、その後低温で熟成させて溶質元素を析出させ、合金を強化します。その結果、高い引張強度と優れた耐腐食性 (特に応力腐食割れに対する耐性) が組み合わされます。
17-4 ステンレス鋼の具体的な利点は次のとおりです。
カスタマイズ可能
17-4 ステンレス鋼は、熱処理と合金元素の多様性により、優れたカスタマイズ性を備えています。製造業者は、制御された老化プロセスを通じて、強度レベルや硬度など、特定の用途の要件に合わせて機械的特性を調整できます。
高強度
17-4 ステンレス鋼は、熱処理後、最大 930 MPa (135,000 psi) の引張強度と最大 725 MPa (105,000 psi) の降伏強度という高いレベルの強度を実現します。このため、高い耐荷重能力と機械的ストレス耐性が求められる用途に非常に適しています。
成形性と溶接性
17-4 ステンレス鋼は強度が高いにもかかわらず、優れた成形性を維持しており、さまざまな複雑な形状に成形および操作できます。この特性により、製造が容易になり、要求の厳しい用途での設計の柔軟性が向上します。
この合金は溶接性に優れており、TIG (タングステン不活性ガス) 溶接や MIG (金属不活性ガス) 溶接などの従来の溶接方法で簡単に接合できます。この特性により、製造プロセスが簡素化され、大型構造物やアセンブリの構築が可能になります。
優れた耐食性
15-17.5 ステンレス鋼は、通常 3 ～ 5% のクロム、17 ～ 4% のニッケル、および追加の銅を特徴とする組成で、304 や 316 などの標準的なオーステナイト系ステンレス鋼に匹敵する優れた耐食性を発揮します。腐食環境に対する耐性があるため、航空宇宙、化学処理、海洋用途など、強度と耐食性の両方が重要となる業界で好まれています。
優れた耐性
17-4 ステンレス鋼は、応力腐食割れや酸化に対する優れた耐性を備えており、過酷な動作条件でもその完全性と性能を維持します。この特性により、航空宇宙、石油・ガス、医療業界の重要な部品に特に適しています。
製作
この合金は強度、成形性、溶接性に優れているため、製造工程が簡素化されます。製造業者は、17-4 ステンレス鋼の機械的特性を損なうことなく、複雑な形状や構造に効率的に切断、曲げ、組み立てることができます。
密度と硬度
17-4 ステンレス鋼は、強度と重量のバランスが取れた約 7.75 g/cm³ の適度な密度を備えています。この特性は、強度と軽量設計の両方が優先される用途に有利です。
17-4 ステンレス鋼は、析出硬化後に高硬度レベル (HRC 38-42) を達成し、耐摩耗性と耐久性が向上します。そのため、摩耗条件や高い機械的負荷を受ける部品に適しています。
耐熱性
この合金は優れた耐熱性を示し、高温でも機械的特性を維持します。この特性により、熱サイクルや高温にさらされる環境でも信頼性の高い性能が保証されます。
良好な機械加工性
17-4 ステンレス鋼は溶体化処理された状態では機械加工性に優れており、標準的な機械加工方法を使用して成形および加工できます。この柔軟性により、製造業者は生産中に複雑な設計仕様を満たすことができます。
熱処理の容易さ
17-4 ステンレス鋼の微細構造は、さまざまな熱処理プロセスによって調整できます。溶体化処理された状態では、合金は主にマルテンサイト構造を持ちますが、時効処理によってマルテンサイトと残留オーステナイトの組み合わせに変化します。析出硬化プロセスでは、合金を 480 ～ 620°C の温度範囲に加熱し、転位の動きを妨げる微細な析出物を形成して、材料の強度と硬度を高めます。
放射性物質の貯蔵用に設計可能
17-4 ステンレス鋼は、その堅牢な機械的特性と耐腐食性により、放射性物質を安全かつ確実に保管するために設計および使用できます。その耐久性により、このような特殊な用途において長期的な完全性と封じ込め能力が保証されます。
製品制限
17-4 ステンレス鋼には多くの利点がありますが、いくつかの制限もあります。他のステンレス鋼に比べ、酸性度の高い環境や塩化物の多い環境では性能が劣る場合があります。また、耐腐食性は優れていますが、超合金や特定の高合金オーステナイト系ステンレス鋼ほどの耐性はありません。また、特定の条件下では水素脆化の影響を受けやすい材料でもあります。
17-4ステンレス鋼の冷間加工と熱間加工
冷間加工
冷間加工では、材料を室温またはそれよりわずかに高い温度で変形させます。17-4 ステンレス鋼の場合、冷間加工により特定の機械的特性が付与され、耐腐食性に大きな影響を与えることなく寸法精度が向上します。一般的な冷間加工プロセスには、冷間圧延、冷間引抜、冷間鍛造などがあります。
17-4 ステンレス鋼を冷間加工すると、ひずみ硬化により硬度と強度が向上します。焼鈍状態に比べて強度が高まり、高度な機械的特性が求められる用途に適しています。ただし、冷間加工を過度に行うと、延性と靭性が低下する可能性があります。
熱間加工
熱間加工とは、通常、再結晶温度以上の高温で材料を変形させることを指します。17-4 ステンレス鋼の場合、熱間加工は 950°C ～ 1150°C (1740°F ～ 2100°F) の範囲で行われます。このプロセスにより、材料を希望の形状やサイズに簡単に成形および形成できます。
熱間加工された 17-4 ステンレス鋼は、ピーク時に比べて強度と硬度が低下しますが、延性と成形性が向上します。複雑な形状や大きな寸法の部品を製造するために、熱間圧延、熱間鍛造、押し出しなどのプロセスでよく使用されます。
比較と応用
- 冷間加工: 高い強度と寸法精度を実現するのに適しており、厳しい公差と高い硬度が求められる部品に最適です。
- 熱間加工: 延性が向上し、残留応力が低減された大型部品の成形に役立ち、航空宇宙、自動車、製造業での用途に適しています。
冷間加工と熱間加工の両方の技術は、特定の機械的および寸法的要件を満たすように 17-4 ステンレス鋼を成形する上で重要な役割を果たし、強度、耐腐食性、成形性が重要な考慮事項となる幅広い産業用途に対応します。
17-4ステンレス鋼の加工方法
17-4 ステンレス鋼は、さまざまな産業用途に必要な特定の形状、寸法、表面品質を実現するために、さまざまな加工技術で加工されます。主な加工方法は次のとおりです。
積層造形
積層造形法は、 3D印刷 金属粉末を使用したこの方法は、17-4 ステンレス鋼部品の製造に革新的なアプローチをもたらします。この方法により、従来の機械加工技術では困難または不可能であった複雑な形状やカスタマイズされた部品の製造が可能になります。
CNC加工
CNC加工 コンピュータ制御の機械を使用して 17-4 ステンレス鋼のワークピースから材料を除去します。この方法は、高い精度と再現性を備えているため、厳しい公差と複雑な形状の部品の製造に最適です。CNC 加工プロセスには、フライス加工、旋削加工、穴あけ加工、ねじ切り加工が含まれ、小さな留め具から大きな構造部品まで、さまざまなコンポーネントの製造が可能です。
スイスターニング
スイス式旋盤、または スイスの機械加工は、小型で複雑な部品を高精度に加工するのに特に適しています。ライブ ツーリングを備えたスライディング ヘッドストック旋盤を使用して、旋削、フライス加工、穴あけ、ねじ切りの各操作を 17 回のセットアップで実行します。スイス式旋削により、生産性が向上し、4-XNUMX ステンレス鋼棒材から作られた部品の寸法精度が維持されます。
レーザー切断
レーザー切断は、焦点を絞ったレーザー ビームを使用して、17-4 ステンレス鋼のシートまたはプレートを正確に切断します。この非接触プロセスでは、熱影響部が最小限に抑えられたきれいなエッジが生成されるため、複雑なデザインや薄い材料に適しています。レーザー切断は、航空宇宙、電子機器、建築用途の部品を製造するための板金加工で広く使用されています。
ワイヤーEDM（放電加工）
ワイヤー EDM は、細い帯電ワイヤーを使用して 17-4 ステンレス鋼を切断する精密加工プロセスです。ワイヤーとワークピースの間の電気火花を利用して、材料を正確に放電します。ワイヤー EDM は、機械的なストレスを生じさせることなく、複雑な形状、細かいディテール、鋭い角を作り出すのに適しており、工具や金型の製造、金型製造、航空宇宙部品に適しています。
研削
研削では、研磨ホイールを使用して材料を除去し、17-4 ステンレス鋼部品の正確な寸法と表面仕上げを実現します。これは、厳しい公差を達成し、機械加工部品の表面品質を向上させるのに効果的です。研削操作には、表面研削、円筒研削、センターレス研削があり、さまざまな産業用途の部品を製造する際に汎用性を提供します。
スタンピングと成形
スタンピングおよび成形プロセスでは、プレス機と金型を使用して 17-4 ステンレス鋼のシートまたはブランクを目的の形状に変形します。スタンピングでは、金型の間で材料を押して切断または成形し、成形では曲げと成形操作を利用して複雑な形状を実現します。これらのプロセスは、自動車、家電、航空宇宙産業で、一貫した品質と寸法精度を備えた大量のコンポーネントを生産するために広く使用されています。
17-4ステンレス鋼の用途
17-4 ステンレス鋼は、高強度、優れた耐腐食性、製造の容易さという独自の組み合わせにより、幅広い用途に最適です。最も一般的な用途には次のようなものがあります。
- 航空宇宙産業: 高い強度と応力腐食割れ耐性が求められる構造部品、タービンブレードなどの重要な部品に使用されます。
- 医療機器生体適合性と耐腐食性があるため、外科用器具、歯科用器具、整形外科用インプラントなどに使用されています。
- 石油・ガス産業: 過酷な環境や高圧にさらされるバルブ、ポンプ、その他の機器に使用されます。
- ケミカルプロセス腐食性薬品を扱う処理装置、タンク、配管システムに適しています。
- 船舶: 海水腐食に対する耐性があるため、海洋ハードウェア、シャフト、プロペラに最適です。
17-4 ステンレス鋼の例にはどのようなものがありますか?
17-4 ステンレス鋼は、さまざまな業界のさまざまな部品に使用されています。具体的な例をいくつか挙げます。
- タービンブレード
- 航空機フレーム
- ファスナー（ボルト、ナット、ネジ）
- 手術器具
- 整形外科インプラント
- 歯科用ツール
- 真空管
- パンプス
- 付属品
- プロペラシャフト
- 船舶用ファスナー
- ダウンホールツール
- ポンプシャフト
- バルブコンポーネント
- ミキサー
- コンベヤー
- 切削工具
- 銃身
- 銃器受信機
- 銃器ボルト
17-4ステンレス鋼と他の金属の比較
| 特性/合金 | 17-4ステンレス鋼 | 15-5ステンレス鋼 | 304ステンレススチール | 416ステンレススチール | 316ステンレススチール |
|---|---|---|---|---|---|
| 構成 | クロム15～17.5%、ニッケル3～5%、銅3～5% | クロム14～16%、ニッケル3.5～5.5%、銅2.5～4.5% | Cr 18～20%、Ni 8～10.5% | Cr 12-14%、Ni ≤ 0.75%、S 0.15-0.35% | Cr 16～18%、Ni 10～14%、Mo 2～3% |
| 引張強さ（MPa） | 930 | 965 | 505 | 585 | 515 |
| 降伏強さ（MPa） | 725 | 790 | 215 | 275 | 205 |
| 硬度（HRC） | 38-42 | 31-38 | 70HRB | 95HRB | 79HRB |
| 耐食性 | 素晴らしい | 素晴らしい | グッド | 穏健派 | 素晴らしい |
| 被削性 | グッド | グッド | グッド | 素晴らしい | 穏健派 |
| 溶接性 | グッド | グッド | 素晴らしい | 穏健派 | 素晴らしい |
| アプリケーション | 航空宇宙、医療、化学処理 | 航空宇宙、化学処理、海洋 | キッチン用品、工業製品、建築 | ギア、ボルト、バルブ部品 | 海洋、化学処理、医療 |
| 熱処理 | 析出硬化 | 析出硬化 | なし | 焼鈍、焼き戻し | アニーリング、応力緩和 |
選択方法
- 17-4ステンレス鋼と15-5ステンレス鋼: 強度と靭性がわずかに高い 15-5 ステンレス鋼を特に航空宇宙用途で選択します。どちらも優れた耐腐食性と類似の特性を備えていますが、15-5 は横方向の靭性が向上しています。
- 17-4ステンレス鋼と304ステンレス鋼: 17-4 を選択すると、強度と硬度が高くなり、高応力の用途に適しています。304 を使用すると、それほど要求の厳しくない環境で優れた溶接性、成形性、一般的な耐腐食性が得られます。
- 17-4ステンレス鋼と416ステンレス鋼: 特にネジやギアの製造では、優れた加工性のために 416 を選択してください。全体的な強度、硬度、耐腐食性を向上させるには、17-4 を使用してください。
- 17-4ステンレス鋼と316ステンレス鋼: 海洋環境や化学環境、特に塩化物に対する耐性が必要な環境で優れた耐腐食性が必要な場合は、316 を選択してください。構造用途でより高い強度と硬度が必要な場合は、17-4 を使用してください。
まとめ：
17-4 ステンレス鋼は、高強度、高硬度、高耐食性のユニークな組み合わせと、析出硬化能力を併せ持つため、要求の厳しい用途に適した貴重な材料です。 17-4 ステンレス鋼は、その組成、微細構造、および処理方法を慎重に管理することで、現代のエンジニアリングと製造の進化するニーズに応え続けます。
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質疑応答
17-4ステンレス鋼は、機械加工、溶接、鍛造などの従来の方法で加工できますが、硬度と強度が高いため注意が必要です。機械加工時には硬質合金の切削工具を使用し、適切な切削速度を選択する必要があります。熱処理は、17-4ステンレス鋼の加工における重要なステップです。溶解焼鈍プロセスは通常、析出物を溶解して微細構造を均質化するために約1040°Cで実行され、その後、急速冷却（通常は水焼入れ）されてマルテンサイト構造が保存されます。その後、特定の温度で時効処理が行われ、強化相が析出し、特定の要件を満たすように機械的特性が調整されます。
はい、17-4 ステンレス鋼は磁性があります。この合金はマルテンサイト構造を持ち、非磁性の 304 や 316 などのオーステナイト系ステンレス鋼とは異なり、熱処理後に顕著な磁性を示します。
17-4 ステンレス鋼は耐食性に優れており、ほとんどの環境で効果的に錆を防ぐことができます。ただし、海洋や特定の化学処理環境など、塩化物濃度が高い環境では、孔食や隙間腐食が発生し、錆が発生する可能性があります。
17-4 ステンレス鋼の価格は、市場の需要と供給、生産バッチ、購入量によって異なります。一般的に、17-4 ステンレス鋼は、304 や 316 などの一般的なオーステナイト系ステンレス鋼よりも高価です。具体的な価格情報については、ステンレス鋼のサプライヤーまたはメーカーに問い合わせて最新の見積もりを入手することをお勧めします。
カタログ： マテリアルガイド
この記事は、BOYI チームのエンジニアによって執筆されました。Fuquan Chen は、ラピッドプロトタイピング、金型製造、プラスチック射出成形の分野で 20 年の経験を持つプロのエンジニア兼技術専門家です。
