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二相ステンレス鋼 (DSS) は、その高強度と優れた耐食性により、石油・ガス、化学、海洋エンジニアリング分野で広く使用されています。ただし、DSS の高い性能は、オーステナイト (γ) とフェライト (δ) の正確にバランスのとれた微細構造に依存しています。 DSS が特定の温度範囲内で長期間暴露または動作すると、フェライト相が分解し、さまざまな「有害相」が析出します。これらの析出物は材料の機械的靱性と耐食性を著しく損ない、工学用途の信頼性に重大な脅威をもたらします。
1. 脆性キラー: σ 相と χ 相の析出
すべての有害なフェーズの中で、σ フェーズは間違いなく最もよく知られており、破壊的です。
析出温度範囲: σ 相は主に 600°C ～ 950°C で析出し、その析出速度は約 800°C ～ 880°C でピークに達します。
化学組成: σ 相は、クロム (Cr) とモリブデン (Mo) が豊富な金属間化合物です。 δフェライトの分解、またはδフェライトとγオーステナイトの界面での共析分解反応によって生成します。
性能への影響: σ 相の析出は、DSS の工学特性に 2 つの側面から影響を与えます。まず、σ相自体は硬くて脆い相である。その存在により材料の衝撃靱性が大幅に低下し、低温または応力集中条件下で脆性破壊を起こしやすくなります。第 2 に、析出中、σ 相は周囲のδ フェライト マトリックスから大量の Cr と Mo を消費し、その結果、σ 相の周囲に Cr と Mo が欠乏した領域が生じます。これらの劣化領域は耐食性を大幅に低下させ、孔食や粒界腐食に対して脆弱になります。
カイ相は、Cr および Mo が豊富な金属間化合物でもあり、通常、σ 相と同様の温度範囲 (700°C ～ 900°C) で形成されます。ただし、χ 相は通常、時効の開始時に準安定相として優先的に析出し、後でより安定な σ 相に変化します。特性に対する悪影響はσ相と同様であり、脆化や耐食性の低下につながります。
2. 475°C脆化: 低温における隠れた脅威
高温領域での σ 相に加えて、二相ステンレス鋼は低温でも 475°C 脆化として知られる危険領域を経験します。
降水温度範囲: この現象は 350°C ～ 550°C で発生し、最大強度は約 475°C です。
マイクロメカニズム: この温度範囲内では、デルタ フェライト相はスピノーダル分解を受け、クロムが豊富な α' 相 (Cr リッチ α') とクロムが少ない α 相 (Cr プア α) の 2 つのナノスケール フェライト構造に分解されます。
性能への影響: このナノスケールの相分離により、材料の硬度と強度が大幅に向上しますが、衝撃靱性は急激に低下します。この低温脆化は、耐食性に関してはσ相析出よりも深刻で広範囲に及ばないものの、クロムに富んだα'相も特定の媒体では腐食感受性の増加につながる可能性があります。スピノーダル分解には通常、長い時効期間が必要ですが、冷間加工された材料では析出速度が加速される可能性があることに注意してください。
3. 炭窒化物と二次オーステナイト
上記の主な沈殿物に加えて、特定の条件下では他の有害な相が形成される場合があります。
炭化物と窒化物: 550°C ～ 750°C の間で、クロム炭化物 (Cr23 C6) または窒化物が析出することがあります。最新の DSS の炭素 (C) 含有量は通常、非常に低いレベル (≤0.03%) に保たれていますが、これらの析出物は依然として粒界に形成され、Cr を消費して粒界腐食のリスクを引き起こす可能性があります。
二次オーステナイト (γ2 ): σ 相の析出中に、δ フェライトの分解により、同時にニッケルが豊富な二次オーステナイト (γ2 ) が形成されます。 γ2 自体は直接有害な相ではありませんが、その形成メカニズムは σ 相の析出と密接に関連しています。その存在はδフェライトの分解を示し、間接的に材料特性の劣化を示します。
