マルエージング鋼

マルエージング鋼（「マルテンサイト」と「時効」の合成語）は、延性を損なうことなく優れた強度と靭性を備えた鋼です。時効とは、長時間の熱処理プロセスである時効硬化を指します。これらの鋼は、炭素ではなく金属間化合物の析出によって強度を得る、超低炭素超高強度鋼の特殊なクラスです。主な合金金属は15～25重量％のニッケルです。^{[ 1 ]}コバルト、モリブデン、チタンなどの二次合金金属が添加され、金属間化合物の析出物を生成します。^{[ 1 ]}

最初のマルエージング鋼は、1950年代後半にIncoのClarence Gieger Bieberによって開発されました。これは、アルミニウム、チタン、ニオブを少量添加した20重量％および25重量％のNi鋼を製造しました。^{[ 2 ]}目的は、鉄ニッケルマルテンサイトマトリックス中に前述の金属間化合物で時効硬化を誘発することであり、CoとMoが互いに非常によく補完し合うことが発見されました。商業生産は1960年12月に開始されました。^{[ 3 ]} 1970年代後半のCo価格の上昇により、コバルトを含まないマルエージング鋼が開発されました。^{[ 4 ]}

一般的な非ステンレス鋼グレードには、17～19重量％のNi、8～12重量％のCo、3～5重量％のMo、および0.2～1.6重量％のTiが含まれています。^{[ 5 ]}クロムを添加すると、耐食性のあるステンレス鋼グレードが生成されます。また、Niの必要量が少なくなるため、間接的に焼入れ性も向上します。高Cr、高Ni鋼は一般的にオーステナイトであり、熱処理してもマルテンサイトにはなりませんが、低Ni鋼はマルテンサイトにすることができます。

Ni 低減マルエージング鋼の代替バリアントは Fe と Mn の合金に Al、Ni、Ti を少量添加したもので、組成が Fe-9wt% Mn から Fe-15wt% Mn の範囲で使用されている。^{[ 6 ]}マンガンはニッケルと同様の効果を持ち、オーステナイト相を安定化させる。したがって、マンガン含有量に応じて、Fe-Mn マルエージング鋼は高温オーステナイト相から焼入れすると完全にマルテンサイトになるか、残留オーステナイトを含むかのいずれかになる。^{[ 7 ]}後者の効果により、マルエージング変態誘起塑性 (TRIP) 鋼の設計が可能になる。^{[ 8 ]}

炭素含有量が低い（0.03%未満）ため^{[ 9 ]、}マルエージング鋼は被削性に優れています。時効処理前は、割れを起こさずに最大90%まで冷間圧延することも可能です。マルエージング鋼は溶接性に優れていますが、熱影響部の元の特性を回復するために、その後時効処理を行う必要があります。^{[ 1 ]}

熱処理後、この合金は寸法変化が非常に小さいため、最終寸法に機械加工されることが多い。合金含有量が高いため、マルエージング鋼は高い焼入れ性を有する。冷却時に延性のあるFe-Niマルテンサイトが形成されるため、亀裂は発生しないか、ごくわずかである。表面硬度を高めるために窒化処理を施し、表面を研磨して美しい仕上がりにすることができる。

非ステンレス鋼製のマルエージング鋼は、中程度の耐食性を持ち、応力腐食割れや水素脆化にも耐性があります。耐食性は、カドミウムめっきやリン酸塩処理によって向上させることができます。

マルエージング鋼は通常、番号 (例: SAE 鋼種200、250、300、350) で表され、これはおおよその公称引張強度を平方インチあたりのポンド (ksi) 単位で示します。組成と必要な特性は、米国軍事規格MIL-S-46850D で定義されていました。^{[ 10 ]}上位グレードほど合金中のコバルトとチタンが多くなります。以下の組成は、MIL-S-46850D の表 1 から引用したものです。2024 年 7 月 1 日現在、この規格は米国軍によって廃止され、多数の SAE AMS 仕様に置き換えられました。現在、各グレードは、以下に列挙する個別の仕様で規定されています。^{[ 11 ]}

このファミリーは、ニッケル含有率から18Niマルエージング鋼として知られています。コバルトを含まないマルエージング鋼のファミリーもあり、こちらは安価ですが強度はやや劣ります。例えば、Fe-18.9Ni-4.1Mo-1.9Tiなどがあります。ロシアと日本では、Fe-Ni-Mnマルエージング合金の研究が行われています。^{[ 4 ]}

鋼はまず、 薄肉の場合は約820 °C (1,510 °F)で 15 ～ 30 分、厚肉の場合は厚さ25 mm (1インチ)あたり 1 時間、焼きなまし処理され、完全にオーステナイト化した組織が形成されるようにします。次に、空冷または室温まで急冷して、柔らかく転位の多い鉄ニッケルラス (双晶なし) マルテンサイトを形成します。より一般的な合金の場合、その後、約 3 時間480 ～ 500 °C (900 ～ 930 °F)の温度で時効処理 (析出硬化) を行うと、マルテンサイト変態によって残された転位に沿って Ni ₃ (X,Y) 金属間化合物の微細な分散が生成されます。ここで、X と Y は析出のために添加された溶質元素です。過度の時効処理は、一次的な準安定なコヒーレント析出物の安定性を低下させ、それらの溶解と、Fe₂Ni/Fe₂Moなどの半コヒーレントなラーベス相への置換を引き起こします。_さらに過度_の熱処理を行うと、マルテンサイトが分解し、オーステナイトに逆戻りします。      

_{マルエージング鋼の新しい組成では、菱面体構造や塊状複合体 Ni 50} (X,Y,Z) ₅₀ (簡略表記では Ni ₅₀ M ₅₀ )を含む、母体マルテンサイトとのその他の金属間化合物の化学量論と結晶学的関係が明らかになっています。

マルエージング鋼は、様々な鋼種の中でも優れた機械的特性を持つため、構造材料として広く利用されています。その機械的特性は、様々な加工技術を用いることで用途に合わせて調整可能です。マルエージング鋼の製造および機械的特性の調整に広く用いられている加工技術を以下に挙げます。

• 固溶化処理：熱処理サイクルの項で説明したように、マルエージング鋼を特定の温度範囲まで加熱した後、急速に冷却します。この工程で合金元素が溶解し、均質な微細構造が得られます。このようにして得られる均質な微細構造は、破壊靭性や疲労抵抗など、マルエージング鋼の全体的な機械的特性を向上させます。
• マルエージング鋼の時効処理：これは、 Ni ₃ Al、Ni ₃ Mo、Ni _{3 Ti などの}金属間化合物の析出につながる重要な処理工程です。通常の時効処理中に得られる半整合析出物と過時効処理後に得られる非整合析出物は、析出物による転位運動の阻害に関連するさまざまな強化機構を活性化することにより、機械的特性の向上に寄与します。析出物がオロワン機構または転位の湾曲を介して転位運動を阻害する析出物硬化などの強化機構は、マルエージング鋼の引張強度の増加につながります。時効処理は、アーク積層造形サンプルの造形方向に沿った不均一な熱分布によって発生する可能性のある微細構造の不均一性を低減するのにも役立ちます。^{[ 12 ]}
• レーザー粉末床溶融法（LPBF）：レーザー粉末床溶融法は、レーザーなどの局所的な高出力密度熱源を用いて粉末金属を層ごとに溶融させて複雑な形状の部品を作成する積層造形技術です。LPBFに関連するプロセスパラメータを最適化することで、材料に特定の機械的特性を持たせることができます。レーザー走査速度、出力、走査空間などの加工パラメータは、300マルエージング鋼の引張強度、微小硬度、衝撃靭性などの機械的特性に大きな影響を与えることが観察されています。加工パラメータに加えて、LPBF鋼に施される熱処理の種類も重要な役割を果たします。加工パラメータの値が大きいほど、急速な蒸発や空隙・気孔の生成により、サンプルの相対密度が低下することが観察されています。また、固溶化処理後には、オーステナイトの逆変態とセル状微細構造の消失により、鋼の微小硬度と強度が低下することも観察されています。一方、固溶化処理後の時効処理は、Ni ₃ Mo、Ni ₃ Ti、Fe ₂ Moなどの析出物の形成により、鋼の微小硬度と引張強度を増加させます。衝撃靭性は固溶化処理後に増加しますが、時効処理後に減少します。これは、亀裂形成の応力集中領域として機能する微細析出物からなる下層の微細構造に起因すると考えられます。^{[ 13 ]}時効処理後の金属間化合物のナノスケール析出物の形成は、降伏強度と引張強度の著しい増加をもたらしますが、材料の延性は大幅に低下します。この材料の巨視的挙動の変化は、ディンプルから準劈開破壊形態への微細構造の進化と関連付けることができます。^{[ 14 ]}選択的レーザー溶融鋼の固溶化処理後の時効処理は、マルテンサイトマトリックス中の残留オーステナイトの量も減少させ、結晶粒の配向の変化をもたらします。^{[ 15 ]}経年変化は塑性異方性をある程度低減させるが、特性の方向性は製造履歴に大きく影響される。^{[ 16 ]}
• 重度の塑性変形：材料中の転位密度の増加につながり、転位核を通る拡散経路が速くなるため、金属間化合物析出物の形成が容易になります。時効前の塑性変形は、ピーク時効時間の短縮とピーク硬度の増加につながることが観察されています。 ^{[ 17 ]} 重度に塑性変形した鋼の析出物の形態は、過時効時に変化して板状になりますが、これは転位密度の増加に起因します。これにより、延性が大幅に低下し、材料の強度が増加します。形態に加えて、析出物の配向も変形の微視的メカニズムにおいて重要な役割を果たし、機械的特性に異方性を誘発します。 ^{[ 18 ]}

マルエージング鋼は、時効前の段階で強度と展延性があるため、他の鋼よりも薄いロケットやミサイルの外皮に成形でき、一定の強度で重量を軽減できます。^{[ 19 ]}マルエージング鋼は非常に安定した特性を持ち、過度の高温による過時効後でもわずかに軟化するだけです。これらの合金は、やや高い動作温度で特性を維持し、最大使用温度は400 °C (750 °F)を超えます。クランクシャフトやギアなどのエンジン部品、および大きな負荷の下で繰り返し高温と低温を繰り返す自動火器の撃針に適しています。時効前の均一な膨張と容易な機械加工性により、マルエージング鋼は組立ラインや金型の高摩耗部品に有用です。AerMet 合金などの他の超高強度鋼は、炭化物含有量のため、それほど機械加工性がありません。  

フェンシング競技では、国際フェンシング連盟の主催する競技で使用されるブレードは通常、マルエージング鋼で作られています。マルエージング鋼のブレードは、フルーレとエペに優れています。マルエージング鋼の亀裂伝播速度は炭素鋼の10分の1であるため、ブレードの破損頻度が少なくなり、怪我も少なくなります。^{[ i ] [ 20 ]}ステンレスマルエージング鋼は、自転車のフレーム（例：2013年に導入されたReynolds 953）^{[ 21 ]}やゴルフクラブのヘッド^{[ 22 ]}に使用されています。また、外科用部品や皮下注射器にも使用されていますが、炭素がないため切れ味が持続しないため、メスの刃には適していません。

マルエージング鋼は、その高い機械的強度のため、石油・ガス分野で坑内工具や部品として使用されています。^{[ 23 ]}この鋼の水素脆化に対する耐性は、硫化水素（H₂S）への曝露によって材料の劣化や破損につながる可能性がある坑内環境で非常に重要です。 ^{[ 24 ]}

アメリカの楽器弦メーカーであるアーニーボールは、マルエージング鋼を使用した特殊なタイプのエレキギター弦を製造しており、この合金は出力が高く、音色応答性が向上すると主張している。^{[ 25 ]}

米国^{[ 26 ]}などの特定の団体によるマルエージング鋼の生産、輸入、輸出は、ウラン濃縮用のガス遠心分離機での使用に特に適しているため、国際機関によって厳しく監視されています。^{[ 27 ]}マルエージング鋼の不足は、ウラン濃縮プロセスを著しく阻害します。古い遠心分離機はアルミニウム管を使用していましたが、現代の遠心分離機は炭素繊維複合材を使用しています。

• 密度：8.1  g/cm³ ⁽ 0.29  lb/ ^in³ )
• 比熱（  0～100 ℃（32～212  °F）の平均値） ：452  J/kg・K（0.108  Btu/lb・°F）
• 融点：1,413 ℃（2,575 °F）  
• 熱伝導率：25.5  W/m·K
• 平均^熱膨張係数：11.3×10⁻⁶ ^K⁻¹  ( 20.3× ^10⁻⁶ ° ^F⁻¹ ) 
• 降伏引張強度：通常1,400～2,400 MPa（200～350 ksi）^{[ 28 ]}  
• 引張強度：通常1.6～2.5 GPa（230～360 ksi） 。3.5 GPa（510 ksi）までのグレードも存在する。    
• 破断伸度：最大15％
• K _IC破壊靭性：最大175  MPa·m ^{1 ⁄ 2}
• ヤング率：210 GPa (30 × 10 ^ ⁶ psi) ^{[ 29 ]}  
• せん断弾性率：77 GPa ( 11.2 × 10⁶ ^psi )  
• 体積弾性率：140 GPa ( 20 × 10⁶ ^psi )  
• 硬度（時効処理後）：50 HRC（グレード250）；54 HRC（グレード300）；58 HRC（グレード350）^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

• エアメット
• USAF-96鋼およびエグリン鋼（ニッケルやその他の高価な材料の含有量が少ない、安価なマルエージング鋼）。

• マルエージング鋼のデータシート（ 2016年8月15日にWayback Machineにアーカイブ済み）