マルエージング鋼ガイド：グレード、特性、用途、CNC加工

マルエージング鋼は、ニッケル含有量17～19%の優れた強度と靭性を備えた合金です。炭素含有量によって強度を得る他の鋼合金とは異なり、マルエージング鋼はマルテンサイト状態と時効処理によって強度を得ます。CNC加工部品用の高強度鋼を探しているエンジニアにとって、マルエージング鋼はCNC加工に最適な材料であるため、その知識は不可欠です。このガイドは、材料選定の際に賢明な判断を下すのに役立ちます。このガイドでは、マルエージング鋼のグレード、特性、用途、およびCNC加工に関する考慮事項について説明し、材料選定の際に賢明な判断を下せるよう支援します。

マルエージング鋼とは何ですか？

前述の通り、マルエージング鋼は低炭素ニッケル基鋼合金です。優れた強度、靭性、そして高い強度重量比で知られています。「マルエージング」という名称は、マルテンサイト組織を形成した後、析出硬化によって合金の強度が増すマルテンサイト時効に由来します。では、MS鋼の強度を高める要因は、ニッケルでしょうか、低炭素含有量でしょうか、それとも他の合金元素でしょうか？

マルエージング鋼がこれほど強い理由は？

従来の鋼は、硬度を炭素含有量に依存している。しかし、マルエージング鋼はそうではない。MS鋼は炭素含有量が少なく、ニッケル、コバルト、モリブデン、チタンの独自の組み合わせを持つ。この合金の真の強度は、独自の処理によって得られる。まず、マルエージング合金は急速に冷却され、その過程でマルテンサイトが形成される。

次に、低温熱処理を施します。モリブデン、チタン、ニッケルなどの元素がマルテンサイト組織内に微細な析出物を形成します。これにより、組織はより緻密で硬く、強靭になります。これらの微細な析出物が組織を強化し、合金の高い強度の主要因となっています。

マルエージング鋼が広く使用されている理由とは？

上述のマルエージング合金の高い引張強度（2400 MPa）と低い脆性、そして溶接の容易さにより、高性能なエンジニアリング用途での使用が可能となる。

マルエージング鋼の化学組成

マルエージング鋼は、その独自の引張強度に基づいて、C250、C300、C350などのグレードに分類されます。ここでは、マルエージング鋼C300の化学組成について説明します。以下の表は、マルエージング鋼の化学組成を示しています。

低炭素が重要な理由

鋼の炭素含有量を減らすことは、その全体的な性能に大きな影響を与えます。マルエージング鋼のように、脆性の原因となる炭化物ネットワークが形成されません。その代わりにマルテンサイト組織が形成され、これが高強度をもたらします。また、炭素含有量が少ないと、熱処理前の鋼が柔らかく延性を保つため、溶接性や時効処理が容易になります。

マルエージング鋼の機械的特性および物理的特性

マルエージング鋼は、高い引張強度と靭性といった独自の物理的・化学的特性を有しています。これらの特性により、適切な時効処理を施すことで高性能用途に適した鋼材となります。さらに、マトリックス間に析出物が形成されることで、その特性は一層向上します。本稿では、マルエージング鋼の物理的・機械的特性について解説します。

物理的特性

マルエージング鋼の物理的特性は、CNC加工に大きな影響を与えます。ここでは、マルエージング200と300の物理的特性を以下の表にまとめました。

密度

マルエージング鋼は、時効処理によって硬度と強度が著しく増加するため、時効状態では機械加工がより困難になります。この状態では、剛性の高いセットアップ、適切な切削工具、制御された送り速度、低速切削、そして効果的なクーラントが必要となります。しかし、焼きなまし状態では硬度が低い（最大35HRC）ため、焼きなまし状態でCNC加工を行うのが最適と考えられています。

焼きなまし状態の被削性は、時効処理後の状態に比べて高い。加工後の時効処理では、0.05%の収縮が生じる。そのため、Tuofaでは、焼きなまし処理後の部品をニアネットシェイプに加工してから時効処理を行うことを専門家が推奨している。

熱伝導率

熱伝導率が45～50 W/m・Kの範囲にある低炭素鋼などの他の鋼材と比較すると、マルエージング鋼は熱伝導率が低い。焼鈍状態および時効処理状態では、熱伝導率はさらに低くなる。

切削工具を材料表面に擦りつけることで熱が発生します。熱伝導率が低いため、この熱は一箇所に閉じ込められ、工具の摩耗や切りくず処理の困難化につながります。そのため、切削加工時には高品質のクーラントが必要となります。

機械的性質

マルエージング鋼が高度な用途で使用できるのは、その優れた機械的特性によるものです。ここでは、時効処理されたマルエージング鋼の機械的特性をまとめました。

超高強度

表に示されているように、マルエージング鋼は高い強度を持つため、高応力にさらされる部品の製造に使用されます。例えば、航空宇宙産業では、航空機の着陸装置にマルエージング鋼が使用されています。このような高い強度は、マルテンサイトの形成と析出硬化によって実現されます。

優れた破壊靭性

従来の炭素系合金鋼は炭化物の形成により脆性を示す。マルエージング鋼は炭素含有量が非常に低いため、炭化物の形成リスクが排除される。マルエージング鋼では、Ni-Feマトリックスは時効処理前は軟らかく延性に富む。そのため、優れた破壊靭性を有する。

高い耐疲労性

高い疲労耐性に貢献しているのは、その高い引張強度と炭化物を含まない性質です。これにより、この材料は繰り返し応力に耐えることができます。そのため、例えば高性能シャフトなど、連続応力がかかる部品の製造に使用されます。

良好な延性

低炭素マルテンサイト組織による優れた延性。この組織は、脆い炭化物ではなく微細な析出物によって強化されている。このような組織構造により、早期破壊を起こすことなく塑性変形が可能となる。

一般的なマルエージング鋼のグレード

前述のとおり、マルエージング鋼は、優れた降伏強度、硬度、延性を備えた鋼合金の一種です。降伏強度と化学組成に基づいて、マルエージング鋼はさらに18Ni(250)、18Ni(300)、18Ni(350)に分類されます。これらのグレードと、その降伏強度が用途に及ぼす影響について、もう少し詳しく説明します。その前に、これらのマルエージング合金鋼の化学組成を以下の表にまとめました。

マルエージング鋼250

マルエージング鋼250は、18Ni(300)や18Ni(350)に比べて引張強度が比較的低い。これは、CoやMoの含有量が少ないためである。一方で、明瞭で軟らかいマルテンサイト組織により、優れた延性を示す。そのため、航空宇宙用着陸装置など、高い靭性と延性が求められる用途に用いられている。

マルエージング鋼300

マルエージング鋼300は、250系と350系のMS合金鋼の中間に位置する鋼種です。MS 18Ni(250)よりも優れた硬度を示します。強度と靭性のバランスを重視するなら、次の工具製作プロジェクトにはマルエージング鋼300をお選びください。

マルエージング鋼350

コバルトとチタンの含有量が高いマルエージング350は、これらの一般的なグレードの中で最高の強度を発揮しますが、延性と靭性はマルエージング250および300よりも劣ります。しかし、他の低グレードと比較すると、延性は低くなります。マルテンサイトマトリックスの柔軟性が低下し、ノッチ感受性が高まります。その結果、低強度グレードと比較して伸びと延性が低下します。

250、300、350の中からどれを選ぶか

MS合金鋼のグレードを選択する際には、部品の具体的な用途を考慮する必要があります。強度、硬度、延性など、用途に応じて適切なグレードを選びましょう。また、部品が使用される環境も考慮する必要があります。例えば、高強度と優れた疲労耐性を求める場合は、C300が適しています。

ここでは、これらのグレードの中からどれを選ぶべきかを理解するのに役立つ表を作成しました。

マルエージング鋼は何に使われるのですか？

合金マルエージング鋼は、その優れた物理的・機械的特性に基づき、様々な産業分野で活用されています。高い引張強度と靭性を持つため、航空宇宙部品の製造にも使用されています。以下に、その用途に関する詳細を説明します。

航空宇宙コンポーネント

航空宇宙分野では、高い引張強度、高い強度重量比、靭性、そして耐疲労性が重要視されるため、マルエージング鋼のような材料が際立っています。マルエージング鋼は、着陸装置や構造部品の製造に使用されます。これらの部品は常に応力にさらされるため、他の炭素鋼では性能が不十分で、時間とともに亀裂が生じる可能性があります。

自動車産業

自動車産業では、シャフトやサスペンションリンクなどの高精度部品は、合金MSを使用して製造されています。他の炭素鋼は焼入れや後処理を経るため、寸法に大きな影響が出る可能性があります。マルエージング鋼の場合は、焼きなましされた状態で機械加工され、その後再び機械加工されるため、寸法誤差は発生しません。また、マルエージング鋼は強度対重量比が高いため、F1の部品にも使用されています。

防衛および軍事産業

合金MSは、極めて高い強度、破壊靭性、耐疲労性、寸法安定性という、他に類を見ない特性を兼ね備えています。これは、従来の炭素鋼では同時に達成するのが難しいものです。そのため、ミサイルモーターケーシングや精密誘導ハウジングなどの部品製造に用いられています。

金型と工具

金型・工具業界の部品には、高い精度と繰り返し荷重に耐える能力が求められます。従来の炭素鋼では、これらの両方を満たすことができません。そのため、金型・受託加工業界では、射出成形金型コア、ダイカストインサート、精密プレスパンチの製造に、マルエージング鋼合金が利用されています。

マルエージング鋼は機械加工しやすいですか？

この質問の答えは、マルエージング鋼の状態、つまり焼きなまし状態か時効処理状態かによって決まります。焼きなまし状態では、Ni-Feマトリックスは軟らかく延性があり、機械加工や溶接が容易です。時効処理後は、微細な析出物がマルテンサイトマトリックスを強化し、材料ははるかに硬くなり、機械加工が困難になります。このような構造は機械加工が難しく、特殊な工具が必要となります。

マルエージング鋼は、時効処理前の方が機械加工が容易なのはなぜか？

時効処理前は、合金はまだ最終的な硬度に達していないため、切削加工が容易です。この材料は、比較的延性のあるニッケル鉄マルテンサイトマトリックスを有しています。このマトリックスは延性があり柔らかいため、加工が容易です。時効処理後の硬いマルテンサイト組織と比較すると、その違いは顕著です。

マルエージング鋼のCNC加工における一般的な課題

マルエージング鋼を扱う際、エンジニアは多くの課題に直面し、それらを克服するには戦略的な計画が必要となる。以下に、よくある課題をいくつか挙げる。

• 工具摩耗の加速は、特に超硬工具で発生する。
• 送り速度が最適化されていない場合、加工硬化傾向が現れる。
• 適度な熱伝導率のため、切断ゾーンで熱が集中する。
• 刃先への堆積物によってチップの切断不良が発生し、その結果、長く糸状のチップが生じる。
• 薄肉または複雑な形状における振動（チャタリング）の問題

マルエージング鋼の機械加工方法

前述の通り、初期のマルエージング加工には特殊な技術と戦略が必要です。以下に、当社の専門家が推奨する手順をご紹介します。

機械の経年劣化前

部品の機械加工は、時効処理を行う前に済ませておくのが望ましい。この段階では材料は柔らかく、炭素含有量も少ない。脆性は見られず、機械加工された部品を時効処理した後でも寸法歪みはほとんど、あるいは全く生じない。

高性能切削工具を使用する

焼きなまし処理を施した状態では加工が容易ですが、強度が高いため、高性能な切削工具が必要です。そのため、立方晶窒化ホウ素（CBN）製の工具、またはTiAlNコーティングを施した工具が用いられます。

CNC加工時の熱制御

切削工具が部品を加工する際、摩擦によって熱が発生します。この熱は工具の摩耗や部品の熱膨張を引き起こし、寸法精度に影響を与えます。そのため、CNC加工中に発生する熱を制御するためにクーラントが使用されます。

マルエージング鋼の表面処理

高い強度、靭性、延性を備えているにもかかわらず、多くのCNC加工部品は、その特性をさらに向上させるために表面処理が施されます。以下に、マルエージング合金鋼に最も一般的に使用される表面処理方法を示します。

窒化

窒化処理は、高い表面荷重、摩擦、および繰り返し応力にさらされる部品に適しています。例えば、自動車産業や航空宇宙産業では、エンジンバルブやクランクシャフトに窒化処理が施されます。この処理により、窒化物は鉄と複合体を形成し、強度と耐疲労性が向上します。

研磨

シャフトやトランスミッション部品など、常に他の表面と接触する部品は研磨が必要です。研磨によって表面粗さが低減され、表面が滑らかになります。その結果、部品の疲労寿命が向上します。

コーティングとメッキ

MSは鉄とニッケルを主成分とする合金であるため、過酷な環境下では孔食や腐食が発生しやすい。そのため、表面が過酷な環境と接触するのを防ぐために、コーティングや研磨が施される。押出成形金型や鋳造金型などの部品には、コーティングやメッキが施される。

マルエージング鋼とその他の材料との比較

プロジェクトの成功には、適切な材料選びが不可欠です。ここでは、お客様のご要望に応じて、一般的な合金鋼やマルエージング鋼の中から最適な材料をお選びいただけるようサポートいたします。

マルエージング鋼と工具鋼の比較

耐摩耗性、切削性能、材料コストの低減が、最大強度重量比や時効後の寸法安定性よりも重要な場合は、工具鋼を選択してください。例えば、切削金型やプレスパンチなどがこれに該当します。一方、熱処理後に優れた靭性と低歪み、そして超高強度を求める場合は、精密プラスチック部品向けにマルエージング鋼を選択してください。

マラギング 合金鋼とステンレス鋼

マルエージング鋼とステンレス鋼はどちらも析出硬化型（PH）材料です。どちらを選ぶかは、環境への配慮と強度によって決まります。部品の強度が非常に高く、強度対重量比が優れており、環境への配慮がそれほど重要でない場合は、マルエージング鋼を選択してください。高い強度と耐食性が必要な場合は、17-4PH（ステンレス鋼）などのステンレス鋼を選択してください。

マレージング鋼対チタン

射出成形インサートやロケットモーターなどの高精度高強度部品には、寸法安定性と超高強度が不可欠であるため、マルエージング鋼を使用してください。航空機の機体パネルや船舶用ファスナーなど、軽量で腐食に敏感な構造物の製造が含まれる場合は、チタンを選択してください。

マレージング鋼対インコネル

インコネルとマルエージング鋼はどちらも優れた特性を持つ合金です。超高強度、精密加工性、そして工具加工後の歪みを最小限に抑える必要がある場合、航空宇宙構造物にはマルエージング鋼が使用されます。しかし、極めて高い耐熱性と耐食性を求めるなら、インコネルが好まれます。

結論

マルエージング鋼は、その卓越した物理的・機械的特性を持つ、注目すべき鋼合金の一つです。様々な産業分野で広く利用されています。マルエージング鋼について理解を深めることで、プロジェクトの材料選定においてより的確な判断を下すことができます。この材料に関するご質問や見積もりが必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。当社の専門家がいつでもお客様の問題解決をサポートいたします。Tuofaの鋼材加工技術は、高強度部品に対するお客様のご要望にお応えします。

FAQ

マルエージング鋼は磁性体ですか？

はい、マルエージング鋼は一般的に磁性体です。なぜなら、体心立方格子構造を持つ鉄系合金であり、強磁性体だからです。

マルエージング350に相当するものは何ですか？

これらの材料は、マルエージング350と同じ化学組成と降伏強度を有しています。主な違いは、製造元のみです。

• Vascomax 350（Allegheny Technologies/Allvacの登録商標）
• UNS S35000（統一番号システム識別子）
• DIN 1.6355 / 1.6356 (欧州規格)
• ATI C-350 (ATI 特殊合金)

マルエージング鋼はステンレス鋼ですか？

いいえ、ステンレス鋼はマルエージング鋼ではありません。どちらもニッケルを主成分としていますが、マルエージング鋼は強度と硬度を高めるためにコバルトを添加しています。一方、ステンレス鋼では、クロムが主に保護酸化皮膜を形成することで耐食性を担っています。

マルエージング鋼は錆びますか？

はい、湿気や特定の条件下にさらされると錆びます。そのため、高性能な用途で使用する際には保護コーティングが施されます。