合金元素
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焼入れ性を良くするためには、マルテンサイト生成比率を高めたり、生成されるマルテンサイトが硬いことなどがポイントである。合金元素の影響の大きさはそれぞれの成分の炭素当量を使って計算する。一般的に、少量の合金元素の添加によって焼入れ性は良くなる。
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ステンレス鋼に含まれる合金元素としてはクロムが欠かせない。さらに、ニッケルを主要合金元素として含むステンレス鋼も主流である。主要な合金元素がクロムのみであるステンレス鋼、主要な合金元素がクロムとニッケルのステンレス鋼、これら2つを という。
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電気抵抗は、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系の標準的鋼種で比べるとマルテンサイト系の電気抵抗がもっとも低い。これは含有される合金元素の量が多いほど抵抗が増えることによる。
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それぞれの見出しの中でも合金をアルファベット順にグループ分けしている。いくつかの主要合金元素は合金の名前の後に任意に列挙している。
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Ms点が室温以下となると、焼入れ後にもオーステナイトが残留するようになる。含まれる各合金元素量からMs点を予測する式は多数提案されているが、近年のものとしては以下の式がある。
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変態機構の変化に及ぼす合金元素の働きが必ずしも比例的でないため、ベイナイトの生成に及ぼす合金元素の影響は複雑である。さらに悪いことに、それらの合金元素の影響は相互作用により阻害される。鉄との間に置換型固溶体を形成する合金元素は、ベイナイト変態温度域では置換型合金元素の拡散が起こらないために、ベイナイト変態に対して専ら間接的な影響しか与えない。
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最終的には新たな原子力用ステンレス鋼や溶接方法の開発と採用によって対策されたが、この事象への対策には、腐食研究史上でも最大規模の研究者数、研究費用、研究期間が投じられた。また、ステンレス鋼に必要な合金元素が枯渇性資源であることも課題となっている。特にニッケルは、幅広く利用されるオーステナイト系の主要元素でありながら、長期的な安定供給に不安がある。
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電気抵抗と同様に、合金元素の含有量が多いほど熱伝導率が低くなる。オーステナイト系と比較すると、フェライト系の方が熱伝導率は高い。
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近年でも、製造法の改良や開発、耐食性・強度・加工性を改良あるいは兼備した鋼種の開発、省エネや省資源化を目指した鋼種の開発などが続けられている。ステンレス鋼に添加される合金元素は、定義のようにクロムを必須とする。さらに、各種特性向上のためにニッケル、モリブデン、銅、ケイ素、窒素、アルミニウムなどの他の元素も添加される。
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ニッケルを主合金元素としないフェライト系とマルテンサイト系は、軟鋼よりもやや小さい。モリブデンのような重い元素を合金元素として含めば含むほど、密度は大きくなっていく。熱が伝わったときの温度変化の程度を示す比熱も、ステンレス鋼の種類間の違いは小さい。
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この場合は、マルテンサイト変態が自動的に開始する温度がオーステナイト安定度の目安である。オーステナイト系に関して各合金元素量からMs点を予測する実験式として、 がある。
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さらに細かくは、規格で分類・指定されている。ステンレス鋼に含まれる合金元素としてはクロムが欠かせない。さらに、ニッケルを主要合金元素として含むステンレス鋼も主流である。
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保護性の Cr 2 O 3 皮膜が欠損・剥離を起こした場合でも、クロム含有量が高ければ直ちに Cr 2 O 3 皮膜を再生できる。他の合金元素としては、ケイ素が耐酸化性を著しく改善する。添加されたケイ素は皮膜層と母材の界面に二酸化ケイ素として塊状または連続層として存在し、Cr 2 O 3 皮膜の形成を助力する。
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よって、完全焼入れを狙った上で、所定の硬さに焼戻しで調整するのが理想とされる。焼入れ後の最高硬さは、ほぼ炭素含有量によって決定され、他の合金元素の影響は少ない。概算式として、マルテンサイトの含有率に応じた硬さの計算式を示す。
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なお、ヨーロッパではGFの特性を生かした利用分野が確立しており、現在でも一定の需要がある。日本の鉄鋼メーカーの中には、ガルタイトを元にして、合金元素を工夫することで耐食性などの性能を高めた独自製品を開発・生産している企業がある。日本国内においては、これら独自製品の流通量が大半を占め、本来のガルタイトはごく少量になっている。
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クロム系ステンレス鋼とクロム・ニッケル系ステンレス鋼の2種類が、主要成分による大別分類として定着している。ただし、主要合金元素の組み合わせとしては、クロム系とクロム・ニッケル系以外もあり得る。かつて日本産業規格にあった SUS200 番台のステンレス鋼などはニッケルを減らしてマンガンも主要成分としているので、Cr-Ni-Mn系のステンレス鋼といわれる。
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ただし、上記のとおりオーステナイト系であって冷間加工などによりマルテンサイトを有するようになるので、冷間加工したオーステナイト系では磁性を示すことがある。合金元素量を増やした安定オーステナイト系では冷間加工しても非磁性が保たれる。電気抵抗は、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系の標準的鋼種同士で比べるとオーステナイト系の電気抵抗がもっとも高い。
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