ステンレス鋼はその汎用性から、幅広い用途に使用されています。引張応力、腐食、錆に対する耐性が非常に高いため、ラピッドプロトタイピングにおいて重要な役割を果たします。ステンレス鋼を扱うには、その特性をすべて理解することが重要です。そのため、ステンレス鋼の種類、グレード、品質、用途を網羅したステンレス鋼材料選定ガイドが必要です。
作業を容易にするために、この記事では適切なステンレス鋼材の選び方をご紹介します。ステンレス鋼のグレード、ステンレス鋼の仕組み、そしてプロジェクトに使用できる様々なステンレス鋼の種類について詳しく説明します。また、迅速なプロトタイピングに適したグレードのステンレス鋼の選び方についても解説します。
目次
ステンレス鋼とは何ですか?
ステンレス鋼材料の特性
ステンレス鋼を構成する金属元素は、その化学的および機械的特性に重要な役割を果たします。そのため、ステンレス鋼はCNC加工や板金加工といったラピッドプロトタイピング製造方法において重要な材料です。ステンレス鋼の特性は、使用するステンレス鋼のグレードによって異なります。ただし、以下は、使用する可能性のあるすべてのグレードのステンレス鋼に共通する一般的な特性です。
耐食性
ステンレス鋼にはクロムが含まれており、耐食性に優れています。これは鋼の最も重要な特性の一つであり、CNC加工などのラピッドプロトタイピング工程でステンレス鋼が役立つ理由となっています。また、元素の混合方法により、ステンレス鋼は過酷な化学条件や大気条件にも耐えることができます。
高い引張強度
ステンレス鋼のもう一つの重要な特徴は、高い引張強度です。そのため、ステンレス鋼は圧力や重量に耐えられる製品の製造に最適な素材です。
強さと強靭さ
ステンレス鋼は、過酷な環境下でも摩擦や衝撃に耐えることができます。また、エネルギーにも耐え、圧力がかかっても割れたり壊れたりしません。
延性
ステンレス鋼は延性が高いため、製造工程における応力にも変形することなく耐えることができます。また、ステンレス鋼は硬く、熱を逃がしやすいという性質があります。そのため、適切な工具がなければ切断や成形が困難です。手直しが必要な場合は、部品の損傷や廃棄につながる可能性があります。
ステンレス鋼の利点
ステンレス鋼は、その多くの有用な特性から、多くの用途で使用されています。ステンレス鋼が様々な業界で使用されている理由のいくつかを以下に示します。
- 耐食性ステンレス鋼は合金であるため、クロムが含まれているため錆びにくくなっています。そのため、塩素、アルカリ、酸性の環境にも耐え、錆びない製品を作ることができます。416、316、440、2205など、様々なグレードのステンレス鋼は優れた耐食性を備えています。
- 抗張力。 グレード416やグレード431などのステンレス鋼は、他の金属よりも高い引張強度を備えています。これは、非常に高温または低温であっても、より大きな重量と応力に耐えることができるためです。
- メンテナンスの容易さ。 ステンレスは製造後のメンテナンスが容易なため、長期的な価値は初期コストよりも高くなります。
- 耐熱性。 2205や416などのステンレス鋼種は、高温によるスケール発生に耐性があります。そのため、極端な温度にさらされる製品の製造に適しています。
ステンレス鋼の欠点
しかし、ステンレス鋼は多くの用途で役立つ特性を備えているにもかかわらず、いくつかの問題点があります。次の作業でステンレス鋼を使用することのデメリットをいくつかご紹介します。
- 高い。 ステンレス鋼にはニッケルやクロムなどの合金元素が含まれています。そのため、他の種類の鋼よりも高価です。これらの元素はステンレス鋼の耐錆性の鍵となります。ステンレス鋼の加工方法上、表面処理と研磨にもコストがかかります。
- 汚れやすい。 ステンレス製品は汚れやすいので、見た目も悪くなります。
- 製作が難しい。 使用するステンレス鋼の種類によっては、加工が非常に困難になる場合があります。そのため、適切なステンレス鋼を選ぶ前に、ステンレス鋼の様々なグレードについて知っておく必要があります。
ステンレス鋼の種類
プロジェクトに適したステンレス鋼のグレードを選択する前に、ステンレス鋼の種類について理解する必要があります。ステンレス鋼の種類によって特性が異なるため、場合によっては適切な選択肢となることがあります。以下に、主なステンレス鋼の種類と、それらが属するグレードを示します。
フェライト系ステンレス鋼
フェライト系ステンレス鋼は、他の種類の鋼よりも強度が高いため、建設プロジェクトでよく使用されます。純鉄や炭素鋼と同じ体心立方結晶構造（BCC）を持ち、鉄とクロムの含有量が多く、その他の金属も少量含まれています。
フェライト系ステンレス鋼は、その構造上、加熱による硬化が起こりません。また、価格も比較的安価です。外観を重視されない場合は、フェライト系ステンレス鋼が適しています。
フェライト鋼には様々な種類があり、ニッケル、マンガン、シリコン、リン、硫黄、チタンなどの金属元素が含まれています。以下は、フェライト鋼から作られる一般的なステンレス鋼のグレードの一覧です。
- グレード409。 このステンレス鋼は、極端な温度でも錆びず、優れた機械的特性を備えています。主に自動車の排気管や高温にさらされる建物などに使用されます。
- グレード416。 このタイプのフェライト鋼は機械加工に最適です。そのため、ねじ加工部品、ナット、ポンプやモーターのシャフト、バルブ、ギアなどの製造に使用されます。
- グレード430。 グレード430フェライト系ステンレス鋼は錆びにくく、耐熱性と耐酸化性にも優れています。そのため、食品業界や家庭用品の製造に広く使用されています。
オーステナイト系ステンレス鋼
市場で最もよく知られている鋼種の一つは、316ステンレス鋼などのオーステナイト系ステンレス鋼です。これらのステンレス鋼は面心立方（FCC）結晶構造を持ち、ニッケルとクロムを多く含んでいます。そのため、優れた耐食性を備え、特に焼鈍処理後は非磁性となります。
オーステナイト系ステンレス鋼はニッケル含有量が高く、冷間加工によって強度が向上するため、低温での加工性に優れています。さらに、食品産業や製造業でも使用されています。以下は、一般的に使用される3種類のオーステナイト系ステンレス鋼とその用途です。
- グレード316。 グレード316には、316と316Lの2種類があります。どちらも加工性に優れているため、食品業界や発電業界では、ラピッドプロトタイピング技術を用いた製品製造に使用できます。
- グレード304。 このタイプのステンレス鋼は、よく目にすることが多いでしょう。非鉄金属であるニッケルとクロムを主成分としています。そのため、海水環境でも使用できる製品の製造に使用されます。食品業界では、ファスナー、パイプ、冷凍庫などの部品に使用されています。
- グレード310このステンレス鋼は高温に非常に強い耐性があります。耐熱性と耐スケール性に優れているため、燃焼タンクの極低温材料として使用されています。この特性を活かして、他の用途にも使用されています。
4140と4130鋼の比較表をご用意しましたので、ぜひご覧ください。!
マルテンサイト系ステンレス鋼
マルテンサイト系ステンレス鋼は、炭素含有量（0.1%～0.12%）とクロム含有量（10.5%～18%）が高く、磁性を有しています。炭素含有量が高いため、硬化には加熱と冷却が必要です。
そのため、ステンレス鋼の強度、耐性、切削性が求められる用途に使用できます。マルテンサイト系ステンレス鋼には多くの種類があり、以下はラピッドプロトタイピングで最も一般的に使用されるものの一部です。
- グレード431。 ここで取り上げるマルテンサイト系ステンレス鋼の中で、グレード431は最も錆びにくいステンレス鋼です。焼戻しなどの熱処理を施すと硬くなり、耐食性も非常に高くなります。そのため、淡水で使用される部品の製造によく使用されます。
- グレード440。 グレード440鋼には、440a、440b、440cの3種類があります。これらは、高硬度の高炭素鋼を熱処理することで強度と耐摩耗性を高めた鋼材です。さらに、酸、アルカリ、水にも耐性があります。そのため、これらの条件下でも使用できます。
- グレード416。 ステンレス鋼を機械加工する場合、グレード416は最も優れた鋼種の一つです（被削性は約85%）。そのため、モーターシャフト、ネジ、ナット、ボルト、ギア、バルブなどの製造に重要な材料です。
二相ステンレス鋼
二相ステンレス鋼は、主にフェライト元素とオーステナイト元素を同量ずつ含む新しいタイプのステンレス鋼です。この混合物は、非常に高い強度と耐食性、特に塩化物腐食に対する耐食性を備えています。
クロムとモリブデンの含有量が高く、ニッケルの含有量が低いため、応力にも強いです。そのため、他の種類の鋼の2倍の強度があります。二相鋼はコスト効率に優れ、海洋、建築、建設用途で広く使用されています。二相鋼には、以下の2つのグレードがあります。
- グレード2304。 2304グレードのステンレス鋼は、錆びにくく非常に強度が高いため、好まれています。モリブデンを含まないため、316グレードのステンレス鋼よりも優れています。食品・飲料業界向けの製品の製造に人気の素材です。
- グレード2205。 グレード2205ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の両方の特性を備えています。モリブデンとクロムの含有量が多いため、耐錆性に優れています。
析出硬化ステンレス鋼
析出硬化型ステンレス鋼は、オーステナイト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼です。熱処理を施すことで、加工性、磁性、強度を高めることができます。ステンレス鋼の等級は、ニッケルとクロムの含有量によって区別されます。以下は、析出硬化型ステンレス鋼の一般的な等級です。
- 17-4PH（17%クロム、4%ニッケル）このステンレス鋼は、17%クロムと4%ニッケルを含みます。耐食性に優れているため、食品関連の多くの用途に使用できます。また、 大型CNC加工 航空機エンジンブレードやその他の機械部品の製造などの用途。
- 15-5 PH（15%クロム、5%ニッケル）。 15%クロムと5%ニッケルからなるこのステンレス鋼は、これら2つの材料と同じステンレス鋼特性を備えています。航空機部品、バルブ、ギア、シャフト、油井部品、原子炉部品など、様々な用途に使用できます。
適切なグレードのステンレス鋼を選ぶ方法
ステンレス鋼には様々な種類があり、そのため、様々なスターターオプションが用意されています。しかしながら、プロジェクトに適したステンレス鋼のグレードを選ぶのは難しい場合があります。そこで、このセクションでは、ステンレス鋼の材質を選択するためのガイドとして、使用するステンレス鋼のグレードを決定するのに役立つ様々な要素を概説します。
溶接プロセスを考慮する
オーステナイト系ステンレス鋼は、炭素含有量が少ないため、良好な溶接性を持つステンレス鋼を必要とするあらゆるプロセスに適しています。
409 や 430 などのフェライト系ステンレス鋼も溶接できます。一方、マルテンサイト鋼は強度が弱く、破損しやすく、ひび割れが頻繁に発生するため、溶接には適していません。
成形性を考慮する
316や304などのオーステナイト鋼、および430や409などのフェライト鋼は、成形しやすいステンレス鋼を必要とするプロセスに適しています。マルテンサイト系ステンレス鋼は脆性が低く、成形が困難です。
耐食性
ステンレス鋼の種類の中でも、オーステナイト系ステンレス鋼は耐食性に優れています。これは、クロムとモリブデンを多く含むためです。ステンレス鋼は天候などの影響を受けないため、屋外でも使用できます。耐食性という点では、フェライト系とマルテンサイト系はオーステナイト系よりも安価です。
熱処理性
プロジェクトに適したステンレス鋼のグレードを選ぶ際には、熱処理が重要な考慮事項となります。17-4 PHでは、マルテンサイト鋼は熱処理が可能です。しかし、オーステナイト鋼とフェライト鋼は熱処理に伴う高温に耐えられません。
機械的特性
ステンレス鋼の機械的特性は、適切な鋼材を選択する上で非常に重要です。選択する前に、温度、強度、靭性、延性、伸び性といった要素を考慮する必要があります。
費用対効果と可用性
適切な鋼種を選ぶ際には、品質が非常に重要です。入手しやすく、腐食しにくく、価格が安く、品質の良い鋼種を選ぶことができます。オーステナイト鋼は品質の面では良い選択肢ですが、他の鋼種よりも高価なため、入手が困難です。
ステンレス鋼の一般的な用途と応用
ステンレス鋼は、様々な業界で様々な用途に使用されています。ここでは、ラピッドプロトタイピング製品におけるステンレス鋼の活用例をいくつかご紹介します。
食品業界
シンク、カトラリー、皿、大皿などのキッチン用品はステンレス製です。錆びたり腐食したりせず、微生物の繁殖も防ぐため、このエリアでの使用に適しています。
医療分野
医療分野はステンレス鋼が使用される重要な分野です。ステンレス鋼は外科用器具の製造に使用されます。例えば、骨折の固定やインプラント器具などの外科用インプラントに使用されます。
航空宇宙および自動車産業
航空機や自動車の部品は、ステンレス鋼という重要な材料で作られています。ステンレス鋼は、正しく精密に製造されていれば、これらの分野で使用することができます。
その他の産業
ステンレス鋼は、調理器具や照明器具など、他の用途にも使用できます。ご覧のとおり、ステンレス鋼は非常に汎用性が高く、CNC加工などのラピッドプロトタイピング製造において重要な役割を果たします。
結論
ステンレス鋼は製造業において非常に重要です。どのステンレス鋼を使用するかは、ステンレス鋼のグレードや特性など、多くの要因によって決まります。この記事では、適切なステンレス鋼の選び方を解説することで、この点を深く理解していただくお手伝いをいたします。ステンレス鋼の種類、グレード、そしてそれぞれの特徴について解説します。また、お客様に最適なステンレス鋼を選ぶためのガイダンスも提供します。
よくある質問
ステンレス鋼はなぜ錆びないのでしょうか?
ステンレス鋼の耐錆性は、構成金属の特性に由来します。クロムなどの元素が含まれているため、ステンレス鋼は優れた耐食性を備えています。
どのステンレス鋼が最適ですか?
ニーズと場所に応じて、グレード 316 ステンレス鋼は耐腐食性が非常に高く、塩素、化学物質、環境への暴露に最適です。
ステンレス鋼の寿命はどのくらいですか?
ステンレス鋼の耐用年数は、使用方法や場所、そして構成元素によって異なるため、相対的なものです。通常、ステンレス鋼の耐用年数は20年から1,000年以上にわたります。