曲げ加工の基礎知識│曲げの種類と発生しやすい不具合、その対策について解説
非金属介在物とは？その種類や、金属の清浄度、清浄度の測定方法などについて解説します。
非金属介在物とは、鋼中に含まれるアルミナ（Al2O3）やスピネル（MgO・Al2O3）などの酸化物や、硫化マンガンといった硫化物、窒化チタンなどの窒化物のことをいいます。
これらが、鋼中に含まれていると鋼の延性や靭性、疲労特性、耐食性、加工特性といった機械的性質に悪影響を及ぼすことがあるため、高信頼性が要求される用途では時として問題になる場合があります。
非金属介在物は現在の製鋼技術では完全に失くすことは不可能なため、いかに低減させるかが課題となります。
非金属介在物は、発生起源により内生的介在物と外来的介在物に分けられます。
以下は介在物の組成の例となります。
MnO-SiO2, MnO-FeO-SiO2 など
Al2O3 など
MnO, FeO, Cr2O3, Cr2O3-FeO など
MnS, FeS など
AlN, TiN, ZrN, TiC, ZrC, Ti（C,N）
JIS G 0555：2020によると非金属介在物は、以下の通りＡ系、Ｂ系、Ｃ系に分類されています。
加工によって塑性変形したもの（硫化物、ケイ酸塩など）。
必要な場合には、更に硫化物とケイ酸塩にわけ、前者をA１系介在物、後者をＡ２系介在物という。
粒上の介在物が、加工方向に集団をなして不連続的に並んだもの（アルミナなど）。
Nb、Ti及びZr（単独又は2種類以上）を含む鋼において、必要な場合には、更にアルミナなどの酸化物系とNb、Ti及びZrの炭窒化物系とに分け、前者をB１系介在物、後者をＢ２介在物という。
粘性変形をしないで不規則に分散するもの（粒状酸化物など。）
Nb、Ti及びZr（単独又は2種類以上）を含む鋼において、必要な場合には、更に酸化物系とNb、Ti及びZrの炭窒化物系とに分け、前者をＣ１系介在物、後者をＣ２系介在物という。
上述のように、非金属介在物には発生起源と組成によっていくつかの種類に分けられ、以下のような不具合を引き起こす原因になります。
B系やC系に分類される酸化物系の介在物は硬くて脆いため、周囲の金属との境界で応力集中が発生し、き裂の起点になりやすく、疲労破壊や早期破損の原因となります。
B系やC系のような圧延で引き延ばされる介在物は、表層付近に存在すると、表層が線状に膨れたり、剥がれたりします。このような欠陥は、通称「ヘゲ」と呼ばれます。
ステンレス鋼などでは、表層付近の介在物が不働態被膜の弱点となり、そこから錆が進展する場合があります。
ちょこっとメモ
“介在物”というと有害なイメージがありますが、実は鋼材にとって悪影響を及ぼすものばかりではありません。その代表例が快削鋼です。快削鋼では、SやPbなどの添加によって生成された介在物が、切削時の抵抗を低減し、工具と切り屑間の潤滑作用を発揮することで快削性を実現しています。
非金属介在物は完全に除去することが難しく、その量や分布状態は鋼材の品質を評価する上で重要な指標の一つとなります。
特に高い信頼性や安定した性能が求められる用途では、非金属介在物を低減した鋼材が使用されます。
鋼材中の非金属介在物の量を評価する指標として“清浄度”があり、JISでも規定されています。特殊な精錬工程を経て非金属介在物の減少を図った鋼材は、高清浄度鋼とよばれ、高い信頼性や性能が求められる用途に採用されています。
関連リンク
当社では、高い信頼性が求められる繊維機械部品向けに独自鋼種の高清浄度鋼MB-1をはじめ、M1, M2といった鋼種を取り扱っています。清浄度の測定方法はいくつかありますが、一般的な評価方法にはJIS G0555:2020、ASTM-A法、ASTM-D法といった顕微鏡を使った方法や極値統計法、超音波探傷法などが挙げられます。
顕微鏡を使った方法としては、JIS G 0555:2020、ASTM-A法、ASTM-D法といったものが挙げられます。これらは、光学顕微鏡を用いて鋼材の非金属介在物の大きさ・分布を測定する方法です。JIS G 0555:2020には、顕微鏡での観察視野と標準図を比べる比較法と、顕微鏡での観察によって介在物が占める面積率やその種類を測定する点算法の２つの方法が規定されています。
また、これらの方法では、数～数十μmの介在物が対象となっています。
極値統計法は、いくつかの試験片中に含まれる最大介在物径から極値統計処理を行うことで、評価したい材料に含まれる最大介在物径を推定する方法です。
この方法は、100㎛ほどの介在物が対象となっています。
超音波探傷法とは、水浸超音波を用いて非破壊的に鋼中に存在する非金属介在物の評価を行う方法です。
顕微鏡法や値統計法といったこれまでの測定方法では困難であった100μm級以上の大型介在物を測定することが可能となっています。
特殊金属エクセルでは、当社独自鋼種の高清浄度鋼MB-1やM1,M2を取り扱っています。これらの鋼種は、SK4をベースに耐摩耗性や高耐久などを目指して開発された鋼種で、当社では繊維機械部品用にラインナップされています。化学成分や機械的性質などの詳細は、こちらのページに載っていますのでぜひご確認ください。
横にスクロールしてご覧いただけます。
| 鋼種名 | dA | dB | dC | dT |
|---|---|---|---|---|
| M1 | 0.013 | – | – | 0.021 |
| M2 | 0.013 | – | – | 0.013 |
| MB-1 | 0.004 | 0.004 | – | 0.008 |
※JIS G 0005鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法、点算法による。
以上、非金属介在物、清浄度について解説いたしました。
TOKKINの高清浄度鋼（M1, M2, MB-1）に関する詳しいデータは、当社テクニカルガイドに掲載しております。
以下のリンクよりダウンロードし、併せてご確認ください。
テクニカルガイドのダウンロードは ⇒ こちらから
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