1: SUS304とSUS420J2の硬度比較
1-1: SUS304の基本特性と硬度
SUS304は代表的なオーステナイト系ステンレス鋼で、耐食性と加工性に優れる非磁性材料です。
- ビッカース硬度（HV）：約160〜200
- ロックウェル硬度（HRB）：約85〜95
→ 焼入れによる硬化は難しく、加工硬化を利用した硬度向上が主流です。
1-2: SUS420J2の基本特性と硬度
SUS420J2はマルテンサイト系ステンレス鋼で、焼入れによって高硬度化できることが特徴です。
- 焼入れ前：HRC 20〜25
- 焼入れ後：HRC 48〜55（最大60前後）
→ 刃物、バルブ部品、軸受け部など、高硬度と耐摩耗性が求められる用途に適します。
1-3: 硬度の測定方法と比較基準
硬度は以下の方法で測定され、用途により使い分けられます。
- ロックウェル硬度（HRB・HRC）：一般機械部品に広く適用
- ビッカース硬度（HV）：微細部・試験片に有効
- ブリネル硬度（HB）：軟質材料に適用
→ SUS304とSUS420J2の比較には、同一基準（HRCまたはHV）での評価が不可欠です。
1-4: 焼入れの影響とプロセス
焼入れは、急冷によって硬化相を形成する熱処理です。
- SUS304：オーステナイト構造のため、焼入れでは硬化しない（ただし冷間加工で加工硬化）
- SUS420J2：焼入れによりマルテンサイト組織となり、大きく硬度が上昇
→ 焼入れの適性は、結晶構造によって大きく異なる点に注意が必要です。
1-5: オーステナイト系とマルテンサイト系の違い
| 特性項目 | オーステナイト系（SUS304） | マルテンサイト系（SUS420J2） |
|---|---|---|
| 結晶構造 | FCC（面心立方格子） | BCT（体心正方格子） |
| 焼入れ性 | なし（加工硬化） | あり（焼入れ硬化可能） |
| 耐食性 | 高い | 中〜やや低い |
| 硬度特性 | 柔軟性・延性重視 | 高硬度・耐摩耗性重視 |
→ 材料選定では、用途に応じて「耐食性」か「硬度」かを重視することが重要です。
2: SUS304の焼入れによる硬度向上
2-1: 焼入れ方法の詳細
SUS304は基本的に焼入れによる硬度上昇が困難ですが、冷間加工や特殊熱処理で疑似的に硬化させる手法があります。
- 冷間加工（圧延・引抜き）：加工硬化により硬度向上
- 窒化処理・イオン窒化：表面に硬化層を形成
- ショットピーニング：表面残留応力で疲労強度と硬度を改善
2-2: 焼入れ後の硬度変化
冷間加工後のSUS304は以下のような硬度向上が見込めます：
- 軟質材（アニール材）：約180 HV
- 冷間圧延材：250〜400 HV（加工率に依存）
→ 高硬度が必要な場合、全面ではなく表面処理や局所硬化が実用的です。
2-3: 処理温度の重要性
SUS304の結晶構造は高温でも変態しないため、通常の焼入れ（オーステナイト→マルテンサイト）は不可能です。
- アニール温度：1000〜1100°C
- 急冷により再結晶を防ぐ（ただし硬度向上はしない）
→ 温度管理は耐食性保持には有効だが、硬度向上にはつながらないのが特徴です。
2-4: 冷却速度と硬度の関係
SUS304は急冷しても結晶変態を起こさず、常にオーステナイト組織を保持します。
- 空冷でも水冷でも硬度変化はなし
- 一方、加工硬化は冷却速度に依存せず発生可能
→ 焼入れによる硬度調整が難しいため、硬度が必要な部位には異材との複合化も検討されます。
3: SUS420J2の焼入れによる硬度向上
3-1: 特性と冷却方法
SUS420J2は、焼入れによってマルテンサイト組織に変態し、硬度が大幅に上昇します。
- 焼入れ温度：980〜1050°C
- 冷却：油冷または空冷（冷却速度が重要）
→ 適切な冷却速度を確保することで、最大硬度（HRC 58〜60）に到達可能です。
3-2: 焼入れの影響と耐久性
焼入れによって得られる硬度は、耐摩耗性や耐久性に直結します。
- 高硬度＝刃物・摺動部・耐摩耗部品に最適
- 焼戻しにより応力除去・靭性付与が可能（200〜400°C程度）
→ 焼入れと焼戻しの2ステップ処理が、最適な材料特性の発現につながります。
3-3: 硬度と耐摩耗性の関係
SUS420J2は高硬度≒高耐摩耗性を示します。
- HRC 55以上で摩耗耐性が飛躍的に向上
- 工具や刃物の寿命を延ばす
- 表面処理（窒化・TiNコート等）でさらに強化も可能
→ 長寿命と高精度を求める用途では、SUS420J2＋焼入れ処理の組み合わせが最適です。
4: 両素材の比較と選択基準
4-1: 用途ごとの最適選択
SUS304とSUS420J2は、特性の方向性が異なるため、用途に応じて明確な使い分けが必要です。
- 耐食性を優先する場合：SUS304（厨房機器、化学設備、配管など）
- 高硬度・耐摩耗性を重視する場合：SUS420J2（刃物、軸受、機械部品）
→ 「腐食環境に強いが硬くない材料」か、「硬いが腐食に弱い材料」かというトレードオフを理解することが重要です。
4-2: 表面処理技術と効果
両素材ともに、用途拡大や性能強化のために表面処理が活用されます。
SUS304の表面処理例
- 電解研磨・パッシベーション処理：耐食性向上
- ショットピーニング・窒化処理：表面硬化・疲労強度向上
- PVDコーティング（TiNなど）：意匠性・耐摩耗性
SUS420J2の表面処理例
- 焼戻し後の窒化処理：さらに摩耗寿命向上
- DLC・TiCNコーティング：工具・摺動用途に対応
- 表面鏡面仕上げ：摩擦低減・汚れ付着防止
→ 表面処理の選定は、素材の特性補完と耐用年数の最適化に直結します。
4-3: 加工性と製造コストの比較
製品設計時には、加工性とコストのバランスも重要な判断材料です。
| 項目 | SUS304 | SUS420J2 |
|---|---|---|
| 切削加工性 | 良好（ただし刃先摩耗注意） | 中程度（焼入れ前が加工しやすい） |
| 溶接性 | 非常に良好 | 溶接性はやや難（焼割れ注意） |
| 熱処理コスト | 不要（基本常温使用） | 焼入れ・焼戻しに追加工程必要 |
| 材料コスト | 比較的安価 | 若干高め |
→ 大量生産やコスト重視の部品にはSUS304、機能性重視にはSUS420J2が適する傾向があります。
5: まとめ：SUS304とSUS420J2の硬度比較の重要性
5-1: 実用的な選択に向けて
SUS304とSUS420J2は、ステンレス鋼の中でも明確な機能差がある材料です。
- 耐食性・成形性 → SUS304
- 高硬度・耐摩耗性 → SUS420J2
→ 現場では、製品の用途・環境・耐久要件に基づき、明確に選定基準を設けることが重要です。
5-2: 今後の技術進展と可能性
近年では以下のような技術も進展しており、今後の素材活用の幅はさらに広がります。
- SUS304へのレーザー焼入れや窒化処理の進化
- SUS420J2の高靭性型（改良材）の開発
- 異材複合技術（クラッド材やレーザー接合）によるハイブリッド化
→ 今後の材料開発や加工技術の進歩により、従来のトレードオフを打破する新しい選択肢が現れる可能性があります。
以上より、硬度を軸とした材料比較は、単なる数値の比較ではなく、「目的」「加工方法」「コスト」「耐久性」など総合的な視点から判断すべきであることが明らかです。
