オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼

オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼：特性、種類、加工、歴史

オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼、通称二相ステンレス鋼（Duplex Stainless Steel、DSS）は、常温でオーステナイト相とフェライト相の二相組織からなるステンレス鋼です。オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、析出硬化系ステンレス鋼と並ぶ主要なステンレス鋼の種類の一つで、1930年頃スウェーデンのアーヴェスタ社で初めて実用化されました。

基本組織と組成

二相ステンレス鋼は、フェライト形成元素（クロム、モリブデン、チタン、ニオブ、ケイ素など）とオーステナイト形成元素（ニッケル、マンガン、銅、炭素、窒素など）の含有量を調整することで、フェライトとオーステナイトがほぼ1:1の比率で共存する組織を実現しています。この比率は、具体的な鋼種や熱処理によって変化しますが、優れた耐応力腐食割れ性と耐孔食性を発揮するため、1:1比率が理想とされています。フェライト量の割合は、組成から以下の近似式で予測できます。

PCTf = −20.93 + 4.01 × Creq − 5.6 × Nieq + 0.016 × T

Creq = Cr + 1.73 × Si + 0.88 × Mo

Nieq = Ni + 24.55 × C + 21.75 × N + 0.4 × Cu

ここで、PCTfはフェライト量割合（%）、Cr、Si、Mo、Ni、C、N、Cuは各元素の重量パーセント濃度、Tは固溶化温度（℃）です。

組織観察では、フェライト相がやや暗く、オーステナイト相が明るく見えます。圧延加工された場合は、結晶粒が圧延方向に引き伸ばされます。また、σ相やクロム窒化物などの金属間化合物も析出することがあります。

主要合金元素はクロム、ニッケル、モリブデン、窒素です。クロムは耐食性の源となる不働態被膜を形成し、ニッケルはオーステナイト形成、モリブデンは耐食性向上、窒素は耐食性と強度向上に寄与します。クロム・ニッケル系ステンレス鋼に分類されます。

種類

二相ステンレス鋼は、組成と耐孔食指数（PREN）に基づいて、以下のように分類されます。PRENは、Cr + 3.3 × (Mo + W) + 16 × Nで計算されます。

汎用二相ステンレス鋼: PREN約35、クロム約22%、モリブデン約3%。
スーパー二相ステンレス鋼: PREN 40～45、クロム約25%、モリブデン約3%。
ハイパー二相ステンレス鋼: PREN 45超、クロムとモリブデン量はスーパー二相系より高い。
リーン二相ステンレス鋼: 低コスト志向、モリブデンはほとんど添加されず、304系や316系と同等の耐食性を目標とする。

特性

機械的性質

二相ステンレス鋼は、ステンレス鋼の中でも高い強度を特徴とします。特に降伏応力はオーステナイト系の約2倍で、450～600 MPaに達します。引張り強さは600～800 MPaです。これは、高濃度の合金元素と微細な結晶粒によるものです。ハイパー二相系では700 MPaを超える降伏応力を持つものもあります。延性・靭性はオーステナイト系より劣りますが、フェライト系より優れています。高温強度や耐475℃脆化には注意が必要です。低温強度については、-40℃程度まで良好な靭性を保ちます。超塑性現象を示す場合もあります。

耐食性

高濃度のクロムにより高い耐食性を有し、特に孔食や隙間腐食に対する耐性はオーステナイト系の316系よりも優れています。応力腐食割れに対する耐性も高く、塩化物イオン環境下でのオーステナイト系の弱点克服に貢献しています。耐孔食指数（PREN）は、汎用二相系で約35、スーパー二相系で40以上、ハイパー二相系で50近くになります。

物理的性質

密度、電気抵抗、熱抵抗、熱膨張率、弾性率は、オーステナイト系とフェライト系のほぼ中間です。強磁性体です。

加工

塑性加工

熱間加工性は良好ですが、冷間加工は変形抵抗が大きく、加工硬化の影響が大きいです。

熱処理

950～1100℃で加熱後急冷する固溶化熱処理が靭性・延性を最大限に発揮させます。σ相や金属間化合物の析出を防ぐために、急冷が推奨されます。475℃脆化にも注意が必要です。

溶接

予熱や後熱は不要ですが、溶接熱影響部での靭性・耐食性低下に注意が必要です。適切な溶接条件と溶接金属の選定が重要です。

切削加工

オーステナイト系より被削性は悪く、難削材に分類されます。低速・高トルクの条件が基本です。

用途例

二相ステンレス鋼は、高い耐食性と強度から、海水環境下での橋梁、石油・ガスプラント、化学プラント、海水淡水化プラント、製紙・パルプ製造設備などに広く用いられています。近年では、高深度油井に対応するため、ハイパー二相ステンレス鋼が開発されています。また、コスト低減を目的としたリーン二相ステンレス鋼も実用化されています。

歴史

二相ステンレス鋼は、1930年頃のアーヴェスタ社による実用化が始まりです。当初は鋳造材が中心でしたが、加工技術の進歩により板材や管材も利用されるようになりました。第一世代は溶接性の課題がありましたが、第二世代以降、超低炭素化と窒素添加技術の進歩により溶接性も改善されました。現在では、汎用、スーパー、ハイパー、リーンといった様々なグレードが開発され、用途に合わせて最適な鋼種が選択されています。

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