316Lステンレス鋼の化学成分
316Lステンレス鋼が重要な用途に最適な理由は？クロム、ニッケル、モリブデンを含むユニークな化学組成により、優れた耐食性と機械的特性が得られます。これは...
なぜ鋼材が予期せぬ不良を起こすのか、不思議に思ったことはありませんか？この興味深いブログ記事では、鋼材の欠陥という魅力的な世界を深く掘り下げていきます。経験豊富な機械エンジニアとして、鋼鉄の強度と性能を損なう様々な種類の欠陥について解明します。これらの欠陥の背後にある隠れた原因を発見し、その特定と防止方法を学びます。スチールに対する見方を一変させる、貴重な洞察にご期待ください！
鋼材の欠陥とは、鋼材の生産や使用中に鋼材の表面や内部に発生する様々な異常現象のことで、鋼材の性能や品質に影響を与える可能性がある。
鋼の一般的な表面欠陥には、亀裂、傷、ひだ、耳、かさぶた（重い皮）、溶接痕、端バリなどがある。さらに、圧延酸化物、パッチ、スプリット、ピット面、介在物などの典型的な表面欠陥もある。
鋼材の疵の原因は、前孔型ロール溝の激しい損傷や摩耗、被圧延材に落下した異物が鋼材表面に圧入される、前パスの被圧延材表面の疵など多岐にわたる。また、加熱時の酸化雰囲気も鋼材の酸化を招き、被圧延材表面にFeO、Fe2O3、Fe3O4などの酸化物を形成する。
鋼材の欠陥検出技術は、主に従来の手作業による目視検出と、コンピュータビジョンに基づく自動検出に分かれる。近年では、YOLOv5やYOLOv7のようなディープラーニングに基づく手法が、鋼材表面欠陥の自動検出に広く適用されている。
バンディングのような特定の欠陥については、高温拡散アニールという方法で除去することができる。このプロセスでは、1050℃以上に加熱して炭素原子を均一に拡散させ、バンディングを除去する。
鋼材の欠陥は鋼材の物理的特性に影響を与えるだけでなく、使用中に安全上の危険をもたらす可能性があります。したがって、鋼材の欠陥の検出と処理は、鋼材の品質と安全な使用を確保するために非常に重要です。
鋼材に欠陥が発生する具体的な理由やメカニズムとしては、主に以下のような点が挙げられる：
表面の欠陥： これらの欠陥には、割れ、傷、ひだ、耳などが含まれる。クラックの発生原因としては、鋼塊内部の気泡、未洗浄のクラック、圧延中に破裂・進展する非金属介在物、圧延中に膨張して表面に露出する鋼塊内部のクラックなどが考えられる。また、鋼板両面の冷却条件の不一致、圧延材の温度ムラ、圧延中の変形ムラ、鋼帯ローラーパス上のスプレー水冷却ムラなども表面疵の原因となる。
内部欠陥： これには、引け巣、剥離、白点、偏析、非金属介在物、ゆるみなどが含まれる。これらの欠陥は主に製鋼工程中の設備、工程、操業上の理由によって発生する。
形状とサイズの欠陥： これらの欠陥には、鋼材製造時の寸法管理の問題が関与している可能性がある。具体的な発生メカニズムについては、私が検索した情報には詳しく書かれていなかったが、製造工程における温度管理、圧力分布などが関係していると推測できる。
その他の要因 例えば、炭素鋼の製錬、圧延（鍛造）加工時の設備、工程、操業上の理由による欠陥で、スカブ、非金属介在物等がある。また、鉄鋼生産における材料特性や加工技術などの不可抗力的な要因の影響により、圧延スケール、斑点など、表面に様々な種類の欠陥が発生することもあります。
耐久性のある工具を製造するためには、材料が基礎となる。実際の生産では、さまざまな種類の材料欠陥が頻繁に発生します。
本日は、原材料を選択する際に慎重を期すために、16種類の鋼材の欠陥について説明する。
鋼鉄の酸エッチング試験を行った結果、サンプル表面の一部の領域が緻密でなく、目に見えるボイドがあることが判明した。
このような空洞は、他の部分に比べて色の濃淡が不均一な暗い斑点として現れ、空隙率として知られている。
空隙率が試料の中心部に集中している場合は中心空隙率、表面に均一に分布している場合は一般空隙率と呼ばれる。
高速度工具鋼のGB/T9943-2008と工具鋼のGB/T1299-2014には、鋼の気孔率に関する具体的な規定があるが、供給はしばしば規格を超えている。
ポロシティは鋼の強度に大きな影響を及ぼし、その主な危険性は以下の通りである：
気孔率は鋼の性能に影響するため、工具鋼には気孔率の許容値に関する厳しい要件がある。
図1と2は、φ90mmのW18Cr4V（W18と略す。） 鉄鋼原料1:1塩酸によるヒートエッチング処理後のポロシティとポロシティクラックパターンを示す。
図3は、W18Cr4V鋼のスロット付きフライスカッターの写真で、1:1HClによるヒートエッチングにより、熱処理中のスペアリングが原因で深刻なクラックが発生したことを示している。
図1 中心空隙率
図2 ビレット鍛造時の中心空隙鋼の割れ
図3 熱処理中の気孔によるスロットカッタ材料のクラック
インゴットを鋳造する際、液状の鋼は凝縮し、中央部で収縮して、引け巣と呼ばれる筒状の穴が形成される。
一般的に、引け巣はインゴット頭部のフィーダー近傍に見られ、ビレットを成形する際に除去する必要がある。
しかし、完全に除去しきれない部分を収縮残留物と呼ぶ。
収縮を完全に除去するのが理想的だが、製鉄所では生産効率を優先して残留物を残すことが多く、後工程に取り返しのつかない結果をもたらす。
図4は、1:1 HClによるヒートエッチングで描かれた、収縮残留物と深刻なポロシティを持つφ70mm W18鋼である。
図5は、1:1塩酸によるヒートエッチングで描かれた、圧延後にクラックを形成した引け巣のあるφ70mm W18鋼である。
数年前、ある企業がφ75mmのM2鋼の製材中に引け巣が発生した。
図4
図5：W18鋼の収縮によるクラック
高速度鋼原材料の表面に縦割れが発生することはよくあることである。
その原因はさまざまだ：
(1)熱間圧延では、冷却過程で応力集中が発生し、表面の割れやダイス穴による傷が不完全に除去され、スクラッチラインに沿って割れが発生することがある。
(2)熱間圧延時のダイス穴が悪かったり、送り速度が大きかったりすると、ひだが発生し、その後の加工でひだ線に沿って割れが発生する。
(3) 圧延停止温度が低すぎたり、冷却速度が速すぎたりすると、熱間圧延中にクラックが発生することがある。
(4)冬の寒冷地で圧延された13mm×4.5mmW18鋼の平鋼に表面割れが多発しており、気候条件の影響も考えられる。
しかし、同じ鋼種、同じ仕様の鋼板を他の機会に圧延した場合には、割れは観察されなかった。
図6は、φ30mmW18鋼の表面クラックを1:1塩酸でヒートエッチングした深さ6mmの写真である。
図6 表面クラック
高速度鋼の熱間圧延工程では、過度の変形によって中心温度が低下するどころか上昇することがある。これは、熱応力による材料中心部の亀裂の形成につながる可能性がある。
図7はφ35mmW18鋼のセンタークラック（1:1塩酸でエッチング）。
高速度鋼原材料の中心クラックは工具工場ではよく見られるが、目に見えず、触っても発見できないため有害である。これらのクラックを観察する唯一の方法は、欠陥検出です。
図7 中央クラック
凝固過程における合金内の化学元素の不均一な分布は偏析として知られている。特に炭素のような不純物が不均一に分布している場合、これは鋼の性能に大きな影響を与えます。
偏析はさらに、ミクロ偏析、密度偏析、地域偏析に分けられる。
密度偏析は、合金中の構成相の密度差によって起こり、凝固中に重い元素は沈み、軽い元素は浮く。地域偏析は、鋳塊または鋳物中の不純物の局所的な蓄積によって起こる。
図8は、W18鋼の急冷金属組織試料（4% HNO3アルコール溶液を使用してエッチング）を示しており、十字型のパターンが見られる。
さらに化学組成を分析したところ、マトリックス部分の化学組成が低かった。 炭素含有量一方、十字型の部分は炭素含有量が高かった。
このクロス形状は、圧延工程で炭素成分と合金成分が偏析することによって生じる四角形偏析の結果である。
深刻な地域偏析は鋼の強度を弱め、熱間加工中に割れやすくする。
図8 クロス型偏析（3×）
高速度鋼(HSS)の共晶炭化物が加工中にどの程度分解するか。 ホットプレス このプロセスを炭化物の不均一性と呼ぶ。変形が大きいほど、炭化物の破壊の程度は高くなり、炭化物の不均一性のレベルは低くなる。
鋼中の炭化物が、粗いリボン状、網目状、あるいは大きな炭化物の蓄積といった形で著しく破壊されると、鋼の品質に大きな影響を与える。したがって、ハイス工具の品質を確保するためには、炭化物の不均一性を注意深く管理することが極めて重要である。
図9は、W18鋼の曲げ強さに及ぼす炭化物の不均一性の影響を示している。
図からわかるように、非均一性を有する7～8等級の曲げ強さは、1～2等級の40～50%に過ぎず、強度は1200～1500MPaに低下し、超硬合金の高靭性等級と同程度にしかならない。水平性能は垂直性能の85%程度である。
また、炭化物の集中や帯状分布は、焼入れ粒の不均一や炭化物の溶解の不均一を招き、それぞれ過熱傾向の増大や二次硬化能の低下をもたらす。
図9は、W18Cr4V高速度鋼の曲げ強さに及ぼす炭化物不均一性の影響を示している。
深刻な炭化物の不均一性は、熱間加工中の割れや過熱を引き起こし、完成した工具を使用中に破損させる可能性があることがわかる。
図10は、W18鋼（4% HNO3アルコール溶液でエッチング）の粗大な帯状炭化物に起因する焼入れ割れを示している。
図 10 粗い帯状の炭化物
熱間圧延または圧延を経た鋼 アニール は、高い加熱温度、結晶粒成長を引き起こす長時間の保持時間、結晶粒界に沿って炭化物が析出する徐冷プロセスにより、ネットワーク炭化物を形成する可能性がある。
網目状炭化物が存在すると、工具の脆性が大幅に増し、チッピングが発生しやすくなる。一般的に、完全な網目状炭化物は鋼では許容されない。
ネットワークカーバイドの検査は、以下の後に行う。 焼き入れと焼き戻し.
図11はT12A鋼のネットワーク炭化物（4% HNO3アルコール溶液でエッチング）を示し、図12は9SiCr鋼のネットワーク炭化物（4% HNO3アルコール溶液でエッチング）の形態を示し、その間の激しい過熱が明らかになった。 アニール プロセスだ。
図11 T12A超硬スチールメッシュ（500倍）
図12 9SiCrスチールメッシュ超硬合金(500×)
ハイスの旋削加工やフライス加工を行う工具ミルでは、硬い物質に遭遇して損傷を受けることがあります。この欠陥は、切削速度と騒音が高いため、一般的に高速旋削では見つけにくい。
しかし、フライス加工中に、ダマや奇妙なカオスが観察されることがある。 ツイストドリル.
検査すると、光沢のあるブロックは肉眼で確認でき、1225HVに達する極めて高い硬度を持つことが判明しているが、硬度のない部分は通常のアニール状態である。これは「固まり」と呼ばれる。
固着した塊があると工具が損傷し、切削が困難になる。
このような硬い塊の形成は、製錬過程における化学成分の偏析に起因すると考えられ、一種の高硬度複合炭化物であるか、あるいは製錬中に耐火合金ブロックが添加された結果である可能性がある。
図13は、W18鋼（4% HNO3アルコール溶液でエッチングしたもの）の固着塊のマクロ構造を示しており、白い物質が固着塊、灰色と黒色の部分がビット溝を表している。
図13 W18鋼塊のマクロ構造(20×)
介在物は鋼材の一般的な欠陥であり、金属介在物と鋼材に含まれる介在物の2つに分類される。 非金属 を含む。
金属介在物は、製錬過程における合金鉄の不完全な溶融や、製錬中に残留する金属異物の存在によって形成される。 鋼塊.
非金属介在物は2つのタイプに分けられる：
(1)内因性介在物。これは主に、汚れた注湯システム、装置からの耐火泥の剥離、または不純物の多い装入物の使用によって発生する；
(2) 製錬中の化学反応により生成・析出した介在物。図14は 金属介在物 一方、図15は、焼入れ中にクラックの原因となる非金属介在物（4% HNO3アルコール溶液でエッチング）を示している。
図 14 金属介在物
図 15 焼入れ時の非金属介在物によるクラック（400 x）
介在物は鋼の品質にとって有害である。鋼のマトリックスを細分化し、塑性と強度を低下させ、圧延、鍛造、熱処理中に介在物の周囲で割れが発生しやすくなる。
また、介在物は鋼の疲労の原因となり、切削や研削の際にも困難になります。従って、工具鋼は、介在物に対する指定された要件を備えていなければなりません。
鉄鋼の製錬過程では、成分偏析による炭化物の偏在や、鉄合金中の炭化物が十分に溶融されず、角張った大きな炭化物が生じ、鍛造後に破砕されずに残留することがある。
これらのバルク炭化物が存在すると、工具の脆性が増し、転倒の危険性が高まる。
熱処理工程では、これらの大きな炭化物や合金元素が濃縮され、過熱、焼戻し不足、さらには粒界に沿った割れなどの欠陥につながる可能性がある。
図16は、大きな炭化物（4% HNO3アルコール溶液でエッチング）の周辺成分の偏析によって引き起こされる焼入れ中の過熱を示している。
図 16 焼入れ時のバルク炭化物周辺の成分偏析による過熱（500倍）
液体金属の凝固過程では、炭素と合金元素の偏析により、冷却中に炭化物の大きな塊が析出することがある。
液化として知られるこの偏析は、その後の加工で容易に除去されることはなく、その結果、鋼の圧延方向にバルクのゾスターカーバイドが存在することになる。
図17は、4% HNO3アルコール溶液でエッチングされたCrMnの液化を示している。
図 17 カーバイドの液化 (500×)
液状化した鋼は、連続した金属マトリックスが破壊され、強度が低下するため、非常に脆くなる。以前は、液状化はCrWMn鋼やCrMn鋼によく見られ、ゲージの製造に使用すると、平滑な表面を得ることが困難になることが多かった。
焼鈍温度が高すぎたり、保持時間が長すぎたりすると、鋼の徐冷過程で炭化物が容易に分解し、グラファイトと呼ばれる遊離炭素になる。
図18は、T12A鋼（4%苦酸アルコール溶液でエッチング）中のグラファイトカーボンの微細構造を示す。
図18 T12A鋼の黒鉛状炭素組織（500倍）
グラファイト・カーボンの析出は鋼の強度と靭性を著しく低下させるため、ナイフや重要部品の製造には適さない。鋼は黒鉛炭素を多く含むと黒色破断を示す。
グラファイトカーボンの有無は、化学分析によって定性・定量分析が可能であり、金属組織学的手法によってその形状や分布を観察することができる。
さらに、グラファイトの周囲にフェライト組織が増加する。
工具および金型製造企業における材料の混合は一般的な問題であり、不十分な管理と低レベルの欠陥の結果である。混合材料は3つの側面を含むことができる：混合鋼、混合仕様、混合炉番号。
最後のものは特に多く、訴える術のない誤った熱処理で多くの問題を引き起こす可能性がある。時折、不適格な工具材料の部品も発生する。
一部の高速度鋼部品はGB/T9943-2008高速度工具鋼規格に適合しておらず、特に炭素含有量の高低が問題となる。例えば、W6Mo5Cr4V2Co5はHSS-Eタイプに属するが、炭素含有量は標準下限より低い。
高性能ハイスと表示されているにもかかわらず、熱処理後の硬度は67HRCに達しない。製鋼所は、HSS-Eタイプに属する場合、鋼材が少なくとも67HRCの硬度に達することを保証しなければならない。
工具にそのような高い硬度が必要かどうかは、工具工場内部の問題であり、製鋼所の責任ではない。
しかし、硬度が67HRCに達しない場合は、製鋼所の責任となる。また、不適格の場合も多い。 ダイス鋼 そのため、現在も紛争が続いている。
の基準を設けている。 鋼鉄の脱炭しかし、鋼材サプライヤーはこれらの基準を超える材料を供給することが多く、その結果、工具製造企業は多大な経済的損失を被ることになる。
脱炭層のある材料は、焼入れ後に工具の表面硬度が低下し、耐摩耗性が悪くなる。そのため、加工中に脱炭層を完全に除去し、潜在的な品質問題を回避する必要がある。
図19は、W18鋼素材（4% HNO3アルコール溶液でエッチング）の脱炭形態を示す。脱炭部は針状の焼戻しマルテンサイトであり、非脱炭部は焼入れマルテンサイト、炭化物、滞留マルテンサイトからなる。 オーステナイト.
図20と図21は、それぞれM2鋼とT12鋼の脱炭を示す（4% HNO3アルコール溶液でエッチング）。
T12鋼の場合、完全な脱炭層はフェライトで、遷移層はカーボン・リーン・テンパーで構成される。 マルテンサイト非脱炭帯は焼戻しマルテンサイトと炭化物からなる。
図 19 オーステンパ処理された脱炭層 (250×)
図20 M2鋼の脱炭
図 21 T12A 鋼の脱炭層（焼入れ→焼戻し後） (200×)
特定の会社から寸法13mm×4.5mmのW18鋼フラットバーを選び、1210℃、1230℃、1270℃の塩浴で焼入れした。
図 22 に示すように、加熱時間は 200 秒、粒径は 10.5 であった。焼入れ後の硬さは65～65.5HRCであったが、驚くべきことに550℃で3回焼戻しすると硬さが低下した。
この異常は「逸話」と呼ばれる。
図 22 急冷 W18 グレード 10.5 (500×)
つまり、カーバイドを加熱しても、カーバイドに溶け込まないのだ。 オーステナイト また、焼戻し中に析出することもない。
これは簡単に言えば、出入りできないことを指す。
つまり、炭化物が加熱中にオーステナイトに溶け込まず、焼戻し中に析出しないのだ。
単に出入りできないだけで、二次的な硬化はどこから来るのか？
表面の欠陥は肉眼で容易に確認できる：
鋼材の欠陥が鋼材の物理的特性に与える具体的な影響には、主に以下のような側面がある：
硬度と可塑性の変化： ある要因に影響され、鋼の強度は増加することがあるが、同時に塑性と靭性が低下し、脆性が増加する。この現象は、一般的に繰り返し荷重を受けると発生し、弾性限界が上昇して塑性段階に入る。
耐摩耗性と耐疲労性に及ぼす影響： 表面品質の欠陥は、熱延帯鋼の美観に影響を与えるだけでなく、耐摩耗性や耐疲労性などの機械的特性や耐食性にも悪影響を及ぼします。
工具の摩耗と滑らかでない表面： 材料にゆるみがあると、過度の磨耗を招き、その材料で作られた工具の表面は滑らかでなくなる。そのため、工具鋼には許容可能なゆるみレベルの厳しい要件があります。
微細構造と欠陥の分散： 鋼の靭性は、化学成分よりもむしろ、微細組織と 欠陥の分散性（欠陥の集中を避ける）に主に依存する。靭性は熱処理後に大きく変化します。
アニール処理と焼ならし処理の効果： 焼きなましは、鋼の硬度を下げ、塑性を改善し、結晶粒を微細化し、鋳造、鍛造、溶接による構造欠陥を除去し、鋼の組織と組成を均質化し、鋼の内部応力と加工硬化を緩和することができる。焼ならしは大型の鋳物、鍛造品、溶接品にも同様の効果がある。
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