鋼種

シリコロイXVI
Silicolloy XVI

シリコロイXVIは化学成分のひとつにSi(ケイ素)を多量に含有する析出硬化系ステンレスで、高強度、高硬度、耐食性、耐熱性、耐摩耗性、耐焼付き性をバランスよく兼ね備え、オールラウンド性を有します。

シリコロイA2の改良鋼種で析出硬化系ステンレスとしては最高硬度HRC54以上(55~58程度)を実現します。、耐食性はオーステナイト系よりは劣りますが、マルテンサイト系、フェライト系より良好です。腐食環境にもよりますがシリコロイA2より良好な場合が多いです。

析出硬化系ステンレスは、焼入型と異なった熱処理プロセスで、比較的低温の熱処理で高硬度化するため、焼入鋼のような問題(熱処理歪み、寸法変化、焼き割れ、酸化スケールの付着など)が少なく、加工プロセス改善に有効です。

1.化学成分の一例

(wt%)

table.1
成分 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Fe 特殊
元素
規格 Max
0.020
3.40
3.80
0.8
1.0
Max
0.030
Max
0.030
0.9
1.1
6.4
6.6
10.2
10.6
1.4
1.6
Bal.
Bal.
Co,Ti,他
成績例 0.010 3.60 1.0 0.005 0.002 1.0 6.6 10.5 1.5 Bal.  
  • 上記は化学成分の一例ですので、ご参考程度にお考え下さい。

2.物理的性質の一例

table.2
鋼種名 密度
g/cm3
熱伝導率
W/mK
平均熱膨張係数
×10-6(1/℃)
縦弾性係数
GPa
ポアソン比 比透磁率
μ
シリコロイXVI 7.66 11.9
(AG)
20~100℃
10.6
20~300℃
11.1
20~500℃
12.9
188
(ST)
202
(AG)
0.29
(AG)

磁性あり
  • ST:固溶化熱処理、AG:時効硬化熱処理

3.機械的性質の一例

table.3
材質 記号 熱処理 引張強さ
N/mm2
耐力
N/mm2
伸び
絞り
硬度
HRC
シャルピー衝撃値
J/cm2
シリコロイXVI ST 1050℃/WQ 1220 910 12.6 55.0 38~40 83.1
AG 450℃/AC 1660   0.5 0.5 ≥54**(48~58) 5.0
AG 480℃/AC 1510 1460 0.5 0.5 ≥54**(48~58) 5.0
SUS420J2 焼入
焼もどし
1050℃/急冷
150℃/AC
1630 1310 0.6 5.7 57 5.0
SUS440C 焼入
焼もどし
1050℃/急冷
150℃/AC
1630 1160 0.0 0.0 59 5.0
  • 上記は丸棒材の機械的性質の一例ですので、ご参考程度にお考え下さい(形状、熱処理、鍛錬比、清浄度等によって変動する可能性があります)
  • シリコロイA2は基本的にST、H900、OAGの何れかでの使用が主になります。

4.シリコロイXVIの規格の一例

table.4
記号 記号 熱処理 引張強さ N/mm2 耐力 N/mm2 伸び % 硬度 HB
時効硬化熱処理≧54 ST
AG
1025~1075℃/強制空冷
470~490℃×4hr/AC
≥54
  • 上記は丸棒材の機械的性質の一例ですので、ご参考程度にお考え下さい(形状、熱処理、鍛錬比、清浄度等によって変動する可能性があります)。
  • 実際の熱処理状態とは若干異なりますので、参考値として下さい。

5.顕微鏡組織と金属間化合物

固溶化熱処理
固溶化熱処理
(1050℃/WQ)
時効硬化熱処理
時効硬化熱処理
(480℃/AC)

Photo 1顕微鏡組織(200倍)

低炭素マルテンサイトのマトリックス

固溶化熱処理
固溶化熱処理
(1050℃/WQ)
時効硬化熱処理
時効硬化熱処理
(480℃/AC)

Photo 2顕微鏡組織(5000倍)

Nb-Si系の金属間化合物

6.熱処理特性

時効硬化熱処理温度と硬度の関係
Fig.1時効硬化熱処理温度と硬度の関係
時効硬化熱処理時間と硬度の関係
Fig.2時効硬化熱処理時間と硬度の関係
高温硬度
Fig.3高温硬度
高周波熱処理+時効硬化熱処理の硬化深度
Fig.4高周波熱処理+時効硬化熱処理の硬化深度

7.固溶化熱処理温度と機械的性質の関係

固溶化熱処理温度と引張強度の関係
Fig.5固溶化熱処理温度と引張強度の関係
固溶化熱処理温度と耐力の関係
Fig.6固溶化熱処理温度と耐力の関係
固溶化熱処理温度と伸びの関係
Fig.7固溶化熱処理温度と伸びの関係
固溶化熱処理温度と絞りの関係
Fig.8固溶化熱処理温度と絞りの関係

8.固溶化熱処理温度と硬度の関係

固溶化熱処理温度と硬度の関係
Fig.9固溶化熱処理温度と硬度の関係
固溶化熱処理温度と時効硬化熱処理の関係
Fig.10固溶化熱処理温度と時効硬化熱処理の関係

9.固溶化熱処理の冷却速度と硬度の関係

table.5
材質 固溶化熱処理 常温までの
冷却時間
時効硬化熱処理 硬度
HV
シリコロイXVI 1050℃×1hr/水冷
1050℃×1hr/空冷
1050℃×1hr/炉冷
約30秒
約5分
約5時間
①200℃×2hr/AC ②常温に冷却 ③450℃×8hr/AC
①200℃×2hr/AC ②常温に冷却 ③450℃×8hr/AC
①200℃×2hr/AC ②常温に冷却 ③450℃×8hr/AC
656
640
620
シリコロイA2 1050℃×1hr/水冷
1050℃×1hr/空冷
1050℃×1hr/炉冷
約30秒
約5分
約5時間
480℃×6hr/AC
480℃×6hr/AC
480℃×6hr/AC
568
551
554
  • 試験片形状:φ28mm×10mm
  • マイクロビッカース、試験力:500g
  • 上記は試験の一例ですので、ご参考程度にお考え下さい(形状によって変動する可能性があります)。
  • シリコロイXVIは冷却速度が遅い場合、硬度が上がりにくくなる傾向があります。

10.二段時効処理の一例

table.6
分類 記号 熱処理1 熱処理2 熱処理3 硬度
HV
固溶化熱処理 ST 1050℃/WQ     426
時効硬化熱処理 AG 1050℃/WQ 100℃×1hr/AC   413
AG 1050℃/WQ 200℃×1hr/AC   429
AG 1050℃/WQ 300℃×4hr/AC   444
AG 1050℃/WQ 380℃×2hr/AC   546
AG 1050℃/WQ 400℃×2hr/AC   564
AG 1050℃/WQ 450℃×8hr/AC   665
AG 1050℃/WQ 460℃×8hr/AC   670
AG 1050℃/WQ 460℃×12hr/AC   695
AG 1050℃/WQ 480℃×6hr/AC   661
AG 1050℃/WQ 650℃×6hr/AC   402
二段時効処理 DAG 1050℃/WQ 200℃×2hr/AC 460℃×8hr/AC 667
DAG 1050℃/WQ 200℃×2hr/AC 460℃×12hr/AC 674
DAG 1050℃/WQ 300℃×2hr/AC 460℃×12hr/AC 691
DAG 1050℃/WQ 300℃×6hr/AC 460℃×12hr/AC 700
DAG 1050℃/WQ 380℃×2hr/AC 460℃×8hr/AC 674
DAG 1050℃/WQ 400℃×1hr/AC 460℃×8hr/AC 670
  • 試験片形状:φ28mm×10mm
  • マイクロビッカース、試験力:500g
  • 上記は試験の一例ですので、ご参考程度にお考え下さい(形状、熱処理、鍛錬比等によって変動する可能性があります)。
  • シリコロイXVIの時効硬化熱処理は「200℃×2hr/AC、常温に冷却、460℃±10℃×8~12hr/AC」の二段時効処理を標準条件にしています。
  • ビッカース硬度(HV)はロックウェル硬度(HRC)よりも高めに出る傾向がありますので、硬度換算表で換算する場合はご注意下さい。
  • 二段時効処理の場合、200℃/AC処理後に常温に冷却することをお薦めします。中途半端な温度のまま、460℃/ACの時効硬化熱処理を実施した場合、硬度が上がりにくくなる場合があります。

11.再固溶化熱処理の効果

table.7
分類 記号 熱処理1 熱処理2 熱処理3 硬度
HV
メーカーの
固溶化熱処理
1050℃/強制空冷
ST   200℃×2hr/AC 460℃×8hr/AC 671
ST   200℃×2hr/AC 460℃×12hr/AC 677
ST   380℃×2hr/AC 460℃×8hr/AC 678
ST   380℃×2hr/AC 460℃×12hr/AC 701
再固溶化熱処理 RST 1050℃/WQ 200℃×2hr/AC 460℃×8hr/AC 667
RST 1050℃/WQ 200℃×2hr/AC 460℃×12hr/AC 674
RST 1050℃/WQ 380℃×2hr/AC 460℃×8hr/AC 651
RST 1050℃/WQ 380℃×2hr/AC 460℃×12hr/AC 681
  • 試験片形状:φ28mm×10mm
  • マイクロビッカース、試験力:500g
  • 素材形状によりますが再固溶化熱処理を実施することで、より安定した硬度および靭性向上につながります。
  • シリコロイの場合、基本的には固溶化熱処理の冷却速度が早い方が機械的性質が安定する傾向があります。

12.靭性の改善方法(Bend Test :簡易曲げ試験)

  1. 目的

    一般的に金属材料は硬度が高いと反比例して靭性が低下します。

    シリコロイXVIは析出硬化処理で硬度がHRC54~58程度まで上がりますが、硬度が高い反面、靭性の低下という課題がありました。

    このような課題を解決するために、簡易曲げ試験で熱処理と靭性の関係を調査しました。

  2. 試験片
    1. 素材:シリコロイXV(I 鍛造材)
    2. 板状試験片の製作:10mm×50mm×3.8mm
    3. 溶体化熱処理:1050℃/WQ
    4. 予備時効:200℃×2hr/AC,300℃×2hr/AC,380℃×2hr/AC
    5. 時効硬化熱処理:450℃/AC
    6. 研磨仕上:耐水ペーパー#1200番で研磨(酸化スケールは除去)
  3. 試験方法
     
    1. 試験片をバイスに挟み込み、端部をハンマーで殴打する。
    2. 破断するまでの回数、角度、破断面の状態を調査する。
  4. まとめ
    1. 溶体化熱処理の状態では十分な靭性がある。
    2. 時効硬化熱処理時間(450℃/AC)が1~2hr以下と短く、硬度が低い(HRC53~55以下)場合は、少し靭性が残っている。
    3. 二段時効処理をした場合(予備時効処理温度:200℃×2hr、300℃×2hr、380℃×2hr)、硬度が高くても靭性が多少向上している。
    4. 今後のシリコロイXVIのプロセス設計としては、二段時効を採用しできるだけ200℃の予備時効を入れることをお薦めします。

      200℃の予備時効は耐食性も多少改善しますので、靭性、耐食性改善の相乗効果を考えた場合、温度としては200℃が良いかと思われます(用途によっては300~380℃でも可)。

      200℃処理後は空冷で素材が常温に冷却された後に、本時効処理(460℃±10℃/AC)を実施して下さい。

      冷却が不十分の場合、本時効処理後の硬度が上がりにくくなることがあります。

    5. 靭性は固溶化熱処理の冷却速度が早い方が良好になる傾向があります。

      加工前の素材の熱処理状態をご確認されることをお薦めします。用途や形状によって再固溶化熱処理を実施することもあります。

    6. 更なる硬度と靭性の両立をご希望される場合は、「高周波熱処理を利用した局部高硬度化技術」をご参照下さい。
table.8
No 予備時 時効処理時間
450℃/AC
硬度
HV
硬度
HRC
破断した
曲げ角度
破断するま
での回数
破断の状態 破断面の状態 総合評価
01 なし 0hr 375 37.1 95° 破断せず 破断せず 破断せず
02 なし 0.5hr 581 53.7 7回 2分割 非直線的・凹凸あり ✕〜△
03 なし 1hr 612 55.1 7回 2分割 非直線的・凹凸あり ✕〜△
04 なし 2hr 625 56.1 5回 2分割 直線的・凹凸あり
05 なし 3hr 655 57.0 5回 2分割 直線的・凹凸あり
06 なし 4hr 672 57.1 4回 2分割 直線的・凹凸あり
07 なし 6hr 661 57.3 4回 3分割 直線的・凹凸あり
08 なし 8hr 667 57.6 3回 3分割 直線的・凹凸あり
09 なし 10hr 684 58.0 3回 3分割 直線的・凹凸あり
10 なし 11hr 678 57.8 3回 3分割 直線的・凹凸あり
11 なし 12hr 692 58.9 5回 3分割 直線的・凹凸あり
12 200℃×2hr/AC 1hr 560 52.1 20回 2分割 非直線的・凹凸あり
13 200℃×2hr/AC 2hr 620 55.2 26回 2分割 非直線的・凹凸あり
14 200℃×2hr/AC 3hr 636 56.2 26回 2分割 非直線的・凹凸あり
15 200℃×2hr/AC 4hr 662 56.7 12回 2分割 非直線的・凹凸あり
16 200℃×2hr/AC 6hr 680 57.5 20回 2分割 非直線的・凹凸あり
17 200℃×2hr/AC 8hr 688 57.8 40回 2分割 非直線的・凹凸あり
18 300℃×2hr/AC 3hr 672 57.4 10回 2分割 非直線的・凹凸あり
19 300℃×2hr/AC 4hr 675 57.3 25回 3分割 非直線的・凹凸あり
20 300℃×2hr/AC 8hr 705 58.3 20回 3分割 非直線的・凹凸あり
21 380℃×2hr/AC 3hr 652 57.4 21回 3分割 非直線的・凹凸あり
22 380℃×2hr/AC 4hr 650 56.3 21回 2分割 非直線的・凹凸あり
23 380℃×2hr/AC 8hr 674 57.4 36回 2分割 非直線的・凹凸あり
  • マイクロビッカース、試験力:500g
  • ロックウェル硬度は硬度換算値ではなく実測値です。

13.グリーブル試験結果(熱間加工性)

シリコロイXVIのグリーブル試験結果
Fig.11シリコロイXVIのグリーブル試験結果
(熱間加工性)
シリコロイA2のグリーブル試験結果
Fig.12シリコロイA2のグリーブル試験結果
(熱間加工性)

14.時効硬化熱処理材の700℃保持後の硬度低下試験

  1. 目的

    ロウ付け等を想定し、短時間の高温保持環境での硬度低下について調査しました。

  2. 試験片
    1. 素材:シリコロイXVI(丸棒)
    2. φ28mm×10mm、4分割に切断
    3. 溶体化熱処理:1050℃/WQ
    4. 予備時効:200℃×2hr/AC
    5. 時効硬化熱処理:460℃×12hr/AC
    6. 研磨仕上:耐水ペーパー#400番で研磨(酸化スケールは除去)
  3. 試験方法
     
    1. 700℃に保持した電気炉(大気炉)に時効処理済みの試験片を入れ、各設定時間で取り出し常温に戻ってから硬度測定を実施。
    2. 同じ試験片に追加時効処理(460℃×4hr/AC)を行い再測定した。
  4. まとめ
    1. 短時間の保持であれば硬度低下は少ないものと推察されます。ただロウ付けでの試験ではないため参考程度として下さい。
    2. シリコロイXVIの熱伝導率は11.9W/mKと比較的小さいため短時間であれば優位になる可能性があります。(SUS304:16.3W/mK、SUS420J2:21.6W/mK)
    3. ③熱処理方法によって初期硬度がHV640~680程度になりますので、若干高めになる可能性もあります。(今回の試験片の初期硬度は若干低めでした)。
    4. 追加時効処理(460℃×4hr/AC)を行うことで硬度が向上しています。ロウ付け後に追加時効処理を行うことで、効果があるかもしれません。
700℃保持後の硬度低下と追加時効の効果
Fig.13700℃保持後の硬度低下と追加時効の効果
material_silicolloyxvi_photo05
photo 3700℃保持後の酸化スケール