この熱処理について教えて下さい 熱処理の疑問を解消

ステンレスSUS304の脱磁について

SUS304の品物を仕上げ加工していて、磁気を帯びてしまう場合があります。
この磁気を除去するのは、簡単でないし、ほとんどうまくいかないことが多いのですが、ここでは、ステンレスの磁気を除去についての原因や対策について紹介します。

準安定オーステナイト系のSUS304

ステンレス鋼には大きく分けて「安価なフェライト系」「焼入れ硬化するマルテンサイト系」「耐食性に優れたオーステナイト系」などがあり(その他に分類されるものもありますが、ここでは除きます)、この SUS304 はオーステナイト系でも「準安定系」と言われる、合金成分節約タイプの鋼種です。

オーステナイト系ステンレス鋼は、Cr・Niなどを多く加えることで、常温で酸化や腐食をされにくくしている鋼ですが、その代表格の鋼種が SUS304で、オーステナイト系のステンレスの中でも、比較的鋼材価格が安いために、広く使用される鋼種です。


この「オーステナイト」とは、鋼の組織の状態を示す呼び名で、非磁性で、面心立方格子からなる組織で、耐食性に優れる特徴があります。

しかし、非常にうまく成分設計されている反面、オーステナイトの安定性が若干低く、冷間鍛造や強機械加工をすると、組織が変化して磁気を帯びる・・・という問題がおきます。

もちろん、上にあげたフェライト系やマルテンサイト系ステンレスでも着磁することはありますが、これらは鉄鋼の磁気を除去するための脱磁機を用いることで、ほとんど実用上問題ないレベルまで磁気が除去できるのですが、オーステナイト系のものは、着磁してしまうと、脱磁機では脱磁しにくく、製品に支障が出てしまう場合があります。

このSUS304の磁気は、曲げ加工や引抜き加工などで強加工したときにも生じることがあり、その原因は、オーステナイト状態のSUS304の組織の一部がマルテンサイト化するため・・・と言われています。

変形などで生じた マルテンサイト という組織は、炭素鋼の焼入れで生じる非常に硬い組織と同じ結晶構造ですが、SUS304は0.1%以下の炭素量ですので、硬いマルテンサイトが生じませんが、マルテンサイトはオーステナイトの面心立方晶とは異なり、体心正方晶で、これは常磁性ではなく、強磁性です。

そのために、加工によって組織の一部が変化したことで磁気の影響を受けやすくなります。



この加工や変形などによって生じたマルテンサイトを加工誘起マルテンサイトと言いますが、組織のほとんどはオーステナイト状態で非磁性ですので、これに、どういう仕組みで磁気が入り込むのかはよくわかっていません。

通説では、「地球の磁気を拾う」という考え方があります。

私の勤務した会社では、棒鋼の熱処理を行っていましたが、熱処理後にロール矯正機を通す作業中に、しばしば棒鋼が着磁するということがありました。

これを避けるために、矯正機に品物を通す方角を東西方向(地磁気と直角方向)にするのが基本となっていて、保管するのも南北方向に品物を置くのはタブーとされていたぐらいで、着磁は敬遠されていました。

ただ、熱処理したSUS304のステンレス棒鋼が着磁していなくても、後工程の引き抜き工程などで着磁する場合があります。 この場合は、再熱処理をしていました。

完全な脱磁処理は溶体化処理

再溶体化処理は、もう一度、オーステナイト状態を取り戻す熱処理です。 SUS304の溶体化処理は、1000℃程度に加熱して水冷する熱処理をします。

この場合は、再熱処理工程になりますが、この溶体化処理で磁気が取れるのですが、多くのステンレス製品では、再熱処理すると、変形してしまって、品物にならなくなる可能性が出てきます。

そこで、溶体化処理以外の脱磁方法について、その方法などをみてみましょう。


脱磁機による脱磁

「脱字」の最も簡単なやり方は、交流(60ヘルツ)の交番磁界をかけた「脱磁機」に通す方法が一般的です。

これによって、ほとんどの場合は、およそ30ガウス以下になって、ほとんど磁気を感じない程度になるのですが、オーステナイト系ステンレスは磁気が消えにくいことは確かです。

一度着磁してしまうと、どうしても数ガウス(10ガウス程度)の磁気は残留してしまって、完全に除去できません。

当社の脱磁機 第一鋼業(株)の交流脱磁機の例:

一般的な鋼製品の脱磁は、①コイルによる交流交番磁界をかけることで除去するか、それで磁気が取れない場合は、②品物に直流電圧をかけて、陰陽極を 切り替えながら電流を減衰させる電気的な方法がとられます。

この②の方法は、磁気探傷検査後の脱磁で使われる方法です。

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しかし、これでもオーステナイト系ステンレスの脱磁できない場合は、高温に温度を上げる溶体化処理をする方法をしなければなりません。


再熱処理(溶体化処理)は完成品には不向き

オーステナイト系ステンレスの再熱処理は、約1000℃以上のオーステナイト化温度まで加熱したあとに、急冷する処理ですので、結論から言えば、再熱処理による方法は、すでに完成品の場合は、品物にならない可能性が大です。 そのため、、あまりお勧めできません

鋼の磁気に関係する温度に、 ①213℃付近のセメンタイトの磁気変化点  ②780℃付近の磁気変態温度(キューリー点)  ③オーステナイト化温度 などがあります。

これらの温度以上に加熱すると、特定の組織の状態に何らかの磁気状態の変化が生じます。

しかしこの、①② ではオーステナイト系ステンレス鋼の塑性時に生じた磁気を完全に取るのは無理で、結論的には溶体化処理をやり直すしか方法がないようです。

キューリー点(磁気変態点)は、鉄(Fe)が常磁性に変わる温度(キューリー温度)で、約800℃程度ですが、結構な高温なので、SUS304などのオーステナイト系ステンレスでは、その温度の加熱後に冷却すると、「鋭敏化」という現象が起こり、耐食性が低下します。 これは好ましいものではありません。

したがって、最後の方法の「再溶体化処理」をしなければならなくなるのですが、加熱による表面の変質や変形、さらには、結晶粒の粗大化を避けることができません。

だから、オーステナイト系のステンレスが磁気を帯びたものを完全に脱磁するのは、品物をダメにする危険もあって、難しいことなのです。

磁気についてのはなし

鋼についた磁気は、棒鋼のような長い品物では、両端面での磁気が強いのですが、それを小さい寸法に切断すると、弱くなることもありますし、逆に中の磁気がでてきて、強くなる場合もあって、鋼についた磁気は、事前に予測できないので困った問題です。

また、いったん脱磁機にかけて、いったん消磁されていたものを切断すると、また磁気が復活して出てくることもあります。

簡易な残留磁気測定

残留磁気の確認にはガウスメーターが用いて測定しますが、現場などで直流磁気量を正確に測定する場合は、地磁気や空中磁界の影響などで結構難しいものです。

そのために、品物を吊るマグネットチャックを多用していたので、簡易的に迅速に残留磁気を確認するために、「虫ピンとゼムピン」を使ってその大きさを判断していました。 これが結構実用的で、数値的な把握も確実です。

この方法は、No.5のゼムピンがつかなければ30ガウス以下、虫ピンがつかなければ10ガウス以下と仮定してして、実用的には30ガウス以下であれば、着磁によって問題が起きることは少ないと判断していました。 (残留磁気が10ガウス以下では、磁気があるとは感じないレベルです)

虫ピンとゼムピン

しかし、これは簡易的で、かなり実用的ですが、医療器具などの特殊な用途に使われる場合は、しっかりした測定をしなければならないのですが、簡易的には、これを覚えておくと色んな所で役立ちます。

特別な着磁対策は???

特殊な品物の事前の着磁対策を考える場合は、SUS304ではなく、SUS304LやSUS310 などの安定なオースタナイト状態になっている鋼種を使うことが基本です。

しかし、鋼材価格は高価になるのは避けられません。

実際に行ってきた脱磁のための熱処理としては、溶体化温度を下げて変形を避ける熱処理をしたり、低温焼なまし(磁気焼なましのような感じの処理)などをしたこともありますが、効果も不確かで、あまり良い方法ではなかったので、おすすめできるものではありません。

一度着磁するとどうにもならないことも出てきますので、ともかく、強加工をしないこと、地球磁気を考えた機械配置を行うことなども、馬鹿にしないで頭に入れておくと未然にトラブルが防げる・・・と思っています。


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