ステンレス鋼

Steel alloy resistant to corrosion

ステンレス製の蛇口とシンク

ステンレス鋼は、耐久性と清掃のしやすさが重要な産業機器に使用されます。

ステンレス鋼は鉄をベースとした合金で、クロムを含有しているため、さびや腐食に強い。別名、イノックス（フランス語の「 inoxydable 」の略で「非酸化性」を意味する）、耐腐食鋼（CRES）、 ニロスタ（ドイツ語の「nichtrostender Stahl 」の略）^{[1] 、}錆びない鋼とも呼ばれる。ステンレス鋼の耐腐食性は、 10.5％以上のクロム含有量によるもので、このクロムは材料を保護する不動態膜を形成し、酸素にさらされると自己修復する。 ^{[2] : 3}さらに、モリブデン、炭素、ニッケル、窒素などの元素と合金化することで、さまざまな用途に合わせて特定の特性を高めることができる。

光沢や耐食性といった合金の特性は、多くの用途に役立ちます。ステンレス鋼は、シート、板、棒、線、チューブなどに圧延することができます。これらは、調理器具、カトラリー、外科用器具、大型家電、車両、大規模建築物の建設資材、産業機器（製紙工場、化学プラント、水処理場など）、化学薬品や食品の貯蔵タンクやタンカーなどに使用できます。一部の鋼種は、鍛造や鋳造にも適しています。

ステンレス鋼の生物学的洗浄性は銅やアルミニウムよりも優れており、ガラスにも匹敵します。^[3]その洗浄性、強度、耐腐食性により、医薬品工場や食品加工工場ではステンレス鋼が使用されています。^[4]

ステンレス鋼の種類には、AISIの3桁の番号が付けられています。^[5] ISO 15510規格では、既存のISO、ASTM、EN、JIS、GB規格の仕様におけるステンレス鋼の化学組成を、便利な交換表に記載しています。^[6]

プロパティ

耐食性

ステンレス鋼は錆びますが、これは外側の数層の原子にのみ影響し、含まれるクロムがより深い層を酸化から保護します。

窒素を添加すると、孔食に対する耐性が向上し、機械的強度も増加します。^[7]そのため、合金が耐えなければならない環境に合わせて、クロムとモリブデンの含有量が異なるステンレス鋼のグレードが数多く存在します。^[8]耐食性は、以下の方法でさらに高めることができます。

• クロム含有量を11％以上に増加させる^[7]
• ニッケルを少なくとも8％添加する^[7]
• モリブデンの添加（これも孔食に対する耐性を向上させる）^[7]

強さ

最も一般的なステンレス鋼である304 ^[9]は、焼鈍状態で約210MPa（30,000psi）の引張降伏強度を有します。冷間加工により、完全硬化状態で1,050MPa（153,000psi）まで強度を高めることができます。

最も強度の高い一般的なステンレス鋼は、17-4PHやCustom 465などの析出硬化合金です。これらは熱処理により、最大1,730MPa（251,000psi）の引張降伏強度を得ることができます。^[10]

融点

ステンレス鋼の融点は合金によって異なり、1,325～1,530℃（2,417～2,786℉）の範囲で、普通の鋼の融点に近く、アルミニウムや銅よりもはるかに高い。^{[11] [12]}

導電率

鋼と同様に、ステンレス鋼は電気伝導性が比較的低く、銅よりも大幅に低い。特に、ステンレス鋼の電気接触抵抗（ECR）は、緻密な保護酸化層によって生じ、電気コネクタとしての用途における機能性を制限している。^[13]銅合金やニッケルメッキコネクタはECR値が低い傾向があり、このような用途に適した材料である。しかしながら、ステンレス鋼コネクタは、ECRの設計基準が低く、耐腐食性が求められる場合、例えば高温や酸化環境において使用される。^[14]

磁気

マルテンサイト系、二相系、フェライト系のステンレス鋼は磁性があるが、オーステナイト系ステンレス鋼は通常非磁性である。^[15]フェライト鋼の磁性は体心立方 結晶構造によるもので、鉄原子が立方体に配置され（各角に1つの鉄原子）、中心に追加の鉄原子がある。この中心の鉄原子がフェライト鋼の磁性を担っている。^[16]この配置により、鋼が吸収できる炭素の量も約0.025％に制限される。^{[17]低保磁力の鋼種は、家電製品に使用される電気バルブや内燃機関の噴射システム用に開発されている。}磁気共鳴イメージングなどの一部の用途では、非磁性材料が必要となる。^[18] オーステナイト系ステンレス鋼は通常非磁性であるが、加工硬化によってわずかに磁性を持たせることができる。オーステナイト鋼を曲げたり切断したりすると、結晶構造が再配置され、ステンレス鋼の端に沿って磁性が発生することがあります。^[19]

 1050 ℃で2時間焼鈍した後のいくつかのオーステナイト系ステンレス鋼の透磁率^[20]

ENグレード	1.4307	1.4301	1.4404	1.4435
透磁率、μ	1.056	1.011	1.100	1.000

着る

かじりは、冷間圧接とも呼ばれ、2つの金属表面が互いに相対的に動き、強い圧力がかかったときに発生する可能性のある、深刻な凝着摩耗の一種です。オーステナイト系ステンレス鋼のファスナーは特にねじかじりの影響を受けやすいですが、アルミニウムやチタンなど、表面保護用の酸化物膜を自ら生成する他の合金も影響を受けやすいです。接触力の高い滑り下では、この酸化物は変形、破壊、および部品の一部から除去され、反応性の高い金属が露出することがあります。2つの表面が同じ材料である場合、これらの露出した表面は簡単に融合する可能性があります。2つの表面が分離すると、表面が裂け、金属部品またはファスナーが完全に固着する可能性があります。^{[21] [22]}かじりは、異なる材料（青銅とステンレス鋼）を使用するか、異なるステンレス鋼（マルテンサイト系とオーステナイト系）を使用することで軽減できます。さらに、ねじ接合部に潤滑剤を塗布して、 2つの部品の間に膜を形成し、かじりを防ぐことができます。マンガン、シリコン、窒素を選択的に合金化して作られたニトロニック60は、焼き付き傾向が低いことが実証されています。 ^[22]

密度

ステンレス鋼の密​​度は、合金に応じて 7.5 ～ 8.0 g/cm ^{3 (0.27 ～ 0.29 lb/cu in) の範囲になります。}

歴史

1915年のニューヨークタイムズに掲載された、イギリスのシェフィールドにおけるステンレス鋼の開発に関する発表^[23]

ステンレス鋼の発明は、1798年にルイ・ヴォークランがフランス科学アカデミーに初めてクロムを示したことに始まる、一連の科学的発展を経て実現しました。1800年代初頭には、イギリスの科学者ジェームズ・ストッダート、マイケル・ファラデー、ロバート・マレットが、クロム鉄合金（「クロム鋼」）の酸化剤に対する耐性を観察しました。ロバート・ブンゼンは、クロムの強酸に対する耐性を発見しました。鉄クロム合金の耐食性は、1821年にピエール・ベルティエによって初めて認識されたと考えられています。彼は、鉄クロム合金が特定の酸に対して耐性があることに気づき、カトラリーへの使用を提案しました。^[24]

1840年代には、イギリスのシェフィールドの製鉄会社とドイツのクルップ社がクロム鋼を生産しており、後者は1850年代に大砲にそれを採用しました。^[25] 1861年、ロバート・フォレスター・マシェットはイギリスでクロム鋼の特許を取得しました。^[26]

これらの出来事がきっかけとなり、ブルックリンのクロム鋼工場のJ・バウアーは、橋梁建設用のクロム含有鋼をアメリカで初めて生産しました。この製品の米国特許は1869年に取得されました。^{[27] : 2261  [a]}これに続き、イギリス人のジョン・T・ウッズとジョン・クラークがクロム合金の耐食性を認識し、5～30%のクロム含有量にタングステンと「中炭素」を添加した合金に注目しました。彼らはこの革新の商業的価値を追求し、「耐候性合金」に関する英国特許を取得しました。^{[27] : 261, 11  [28] [要出典]}

19世紀後半に鋼鉄の腐食を研究していた科学者たちは、試験していた合金鋼の炭素量に注意を払っていませんでしたが、1898年にアドルフ・カルノーとE・グータルが、クロム鋼は炭素含有量が少ないほど酸による酸化に耐性が高いことに気付きました。^{[29] [30]}

1890年代後半には、ドイツの化学者ハンス・ゴールドシュミットが炭素を含まないクロムを製造するためのアルミノテルミット法（テルミット法）を開発しました。 ^{[31] 1904年から1911年の間に、フランスの}レオン・ギエをはじめとする複数の研究者が、後にステンレス鋼となる合金を開発しました。^{[31] [32]}

1908年、エッセンにあるフリードリヒ・クルップ・ゲルマニアヴェルフト社は、クロムニッケル鋼の船体を持つ366トンの帆走ヨット「ゲルマニア」をドイツで建造しました。 ^{1911年、フィリップ・モナルツはクロム含有量と耐食性の関係について報告しました。 [33]} 1912年10月17日、クルップ社の技術者ベンノ・シュトラウスとエドゥアルト・マウラーは、後に18/8またはAISIタイプ304として知られるオーステナイト系ステンレス鋼の特許をニロスタ社として取得しました。 ^{[34] [35] [36] [33]}このステンレス鋼は後に18/8またはAISIタイプ304として知られるようになりました。^[37]

同様の開発がアメリカ合衆国でも行われており、ゼネラル・エレクトリック社のクリスチャン・ダンツィゼン^[37]とユニオン・カーバイド社のフレデリック・ベケット（1875-1942）がフェライト系ステンレス鋼の工業化を進めていた^[38] 。 1912年、エルウッド・ヘインズはマルテンサイト系ステンレス鋼合金に関する米国特許を申請したが、1919年まで認められなかった^[39]。

ハリー・ブリアリー

イギリス、シェフィールドの旧ブラウンファース研究所にあるハリー・ブリアリーの記念碑

1913年、イギリスのシェフィールドにあるブラウン・ファース研究所のハリー・ブリアリーは、砲身用の耐腐食合金を探していたところ、後にAISIタイプ420として知られるマルテンサイト系ステンレス鋼合金を発見し、工業化しました。 ^{[37]この発見は2年後の1915年1月の}ニューヨークタイムズ紙の記事で発表されました。^[23]

この金属は後にイギリスのファース・ヴィッカース社によって「ステイブライト」というブランド名で販売され、 1929年にはロンドンのサヴォイ・ホテルの新しいエントランスキャノピーに使用されました^{。[40]ブレアリーは1915年に米国特許を申請しましたが、ヘインズが既に特許を取得していたことが判明しました。ブレアリーとヘインズは資金を出し合い、投資家グループと共にペンシルベニア州}ピッツバーグに本社を置くアメリカン・ステンレス・スチール・コーポレーションを設立しました。^{[27] : 360}

錆びない鋼

ブリアリーは当初、この新しい合金を「錆びない鋼」と名付けました。この合金は米国で「アレゲニー・メタル」や「ニロスタ・スチール」といった様々なブランド名で販売されました。冶金業界内でも、この名称は定着せず、1921年にはある業界誌が「錆びない鋼」と呼んでいました。^[41]

ブリアリーは地元の刃物メーカーと協力し、この合金に「ステンレス鋼」という名前を付けました。^{[42] [43]}フォード・モーター社は1932年になっても、自動車の販促資料でこの合金を「錆びない鋼」と呼び続けました。^[44]しかし、ステンレスは世界的に普及する傾向があり、現代の日本でも西洋の刃物は単に「ステンレス（「鋼」なし）スプーン/フォーク」などと呼ばれています。[ステンレス: sutenresu]

1929年、大恐慌前には、米国では年間25,000トン以上のステンレス鋼が製造・販売されていました。^[45]

1950 年代と 1960 年代の大きな技術進歩により、手頃な価格で大量の生産が可能になりました。

• AODプロセス（アルゴン酸素脱炭）は、炭素と硫黄を除去します。
• 連続鋳造と熱間圧延^[46]
• Zミル、またはゼンジミア冷間圧延機^{[47] [48]}
• クルーゾ・ロワール・ウッデホルム（CLU）法および関連プロセスでは、アルゴンの一部または全部の代わりに蒸気を使用する^[49]

家族

ステンレス鋼は5つの異なる「合金族」に分類され、それぞれが異なる特性を持っています。4つの族は、その主要な結晶構造によって定義され、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、二相系合金です。5つ目の族である析出硬化は、その特性を発揮するために用いられる熱処理の種類によって定義されます。

オーステナイト

オーステナイト系ステンレス鋼^{[50] [51]}はステンレス鋼の中で最大のグループであり、全ステンレス鋼生産量の約3分の2を占めています。^[52]面心立方結晶構造を有しています。^{[53]この微細構造は、}極低温領域から融点までのすべての温度でオーステナイト微細構造を維持するのに十分な量のニッケル、マンガン、または窒素を鋼に合金化することで実現されます。 ^[53]したがって、オーステナイト系ステンレス鋼はすべての温度で同じ微細構造を有するため、熱処理によって硬化することはできません。^[53]

オーステナイト系ステンレス鋼は、次の 2 つのサブファミリーで構成されます。

• 200シリーズ^[54]は、マンガンと窒素の使用を最大限にすることでニッケルの使用を最小限に抑えたクロム・マンガン・ニッケル合金です。窒素添加により、300シリーズのステンレス鋼板に比べて約50%高い降伏強度を有します。代表的な合金には、タイプ201とタイプ202があります。
• 300シリーズは、ほぼニッケル合金化のみによってオーステナイト組織を実現するクロムニッケル合金です。一部の高度に合金化されたグレードでは、ニッケルの必要量を減らすために窒素が添加されています。300シリーズは最大のグループであり、最も広く使用されています。代表的な合金には、タイプ304とタイプ316があります。

フェライト系

フェライト系ステンレス鋼は体心立方結晶構造を持ち、磁性を有し、冷間加工によって硬化しますが、熱処理では硬化しません。クロム含有量は10.5～27%で、ニッケル含有量はごくわずか、あるいは全くありません。ニッケル含有量が極めて少ないため、オーステナイト系ステンレス鋼よりも安価です。代表的な合金としては、タイプ409、タイプ429、タイプ430、タイプ446などがあります。フェライト系ステンレス鋼は、以下を含む多くの製品に使用されています。

• 自動車の排気管^[55]
• 建築および構造用途^[56]
• スレートフック、屋根、煙突ダクトなどの建築部品^[要出典]
• 約700℃（1,300℉）の温度で作動する固体酸化物燃料電池のパワープレート^[57]

マルテンサイト

マルテンサイト系ステンレス鋼は、体心正方晶構造を有し、磁性を有し、熱処理および冷間加工によって硬化可能です。幅広い特性を有し、ステンレスエンジニアリング鋼、ステンレス工具鋼、耐クリープ鋼として使用されます。クロム含有量が少ないため、フェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼ほど耐食性はありません。マルテンサイト系ステンレス鋼は、以下の4つのカテゴリーに分類されます（一部重複あり）。^[58]

• Fe-Cr-C系鋼種。これらは最初に使用された鋼種であり、現在でもエンジニアリングおよび耐摩耗用途で広く使用されています。代表的な鋼種には、タイプ410、タイプ420、タイプ440Cなどがあります。
• Fe-Cr-Ni-C系鋼種。炭素の一部をニッケルで置換した鋼種です。靭性と耐食性が向上しています。代表的な鋼種にはType 431などがあります。
• マルテンサイト析出硬化グレード。最もよく知られているグレードである 17-4 PH (UNS S17400) は、マルテンサイト硬化と析出硬化を組み合わせて、強度と靭性を高めます。
• 耐クリープ性グレード。ニオブ、バナジウム、ホウ素、コバルトを少量添加することで、約650℃（1,200°F）まで強度と耐クリープ性が向上します。

マルテンサイト系ステンレス鋼は熱処理によって機械的特性を向上させることができる。熱処理は通常、以下の3つのステップで構成される。^[59]

1. オーステナイト化処理では、鋼材を鋼種に応じて980～1,050℃（1,800～1,920℉）の温度に加熱します。得られたオーステナイトは面心立方結晶構造を有します。
2. 焼入れ。オーステナイトは、硬い体心正方晶構造のマルテンサイトに変態します。焼入れされたマルテンサイトは非常に硬く、ほとんどの用途には脆すぎます。残留オーステナイトが残る場合があります。
3. 焼戻し。マルテンサイトは約500℃（930℉）に加熱され、その温度に保持された後、空冷されます。焼戻し温度が高いほど、降伏強度と引張強度は低下しますが、伸びと耐衝撃性は向上します。

デュプレックス

二相ステンレス鋼はオーステナイトとフェライトの混合ミクロ組織を有し、理想的な比率は 50:50 ですが、市販の合金では 40:60 の比率のものもあります。二相ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼よりもクロム (19～32%) とモリブデン (最大 5%) の含有量が多く、ニッケルの含有量が少ないことが特徴です。二相ステンレス鋼の降伏強度はオーステナイト系ステンレス鋼の約 2 倍です。^[60]その混合ミクロ組織により、オーステナイト系ステンレス鋼のタイプ 304 および 316 と比較して、塩化物応力腐食割れに対する耐性が向上しています。 ^[61]二相鋼種は通常、耐食性に基づいて、リーン二相鋼、標準二相鋼、およびスーパー二相鋼の 3 つのサブグループに分けられます。二相鋼の特性は、同様の性能を持つスーパーオーステナイト系鋼種よりも全体的に低い合金含有量で実現されるため、多くの用途でコスト効率に優れています。パルプ・製紙業界は、二相ステンレス鋼をいち早く広く使用した業界の一つです。石油・ガス業界は最大のユーザーとなり、より耐食性の高いグレードのステンレス鋼を求め、スーパー二相鋼やハイパー二相鋼の開発につながりました。近年では、より安価（かつ耐食性はやや劣る）なリーン二相鋼が開発され、主に建築・建設（コンクリート鉄筋、橋梁用鋼板、沿岸工事）や水道事業で使用されています。^[要出典]

析出硬化

析出硬化型ステンレス鋼は、析出硬化によって強度を高めることができるという特徴があります。析出硬化型ステンレス鋼には、結晶構造によって3つの種類に分類されます。^[62]

• マルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼は、溶体化処理および析出硬化処理のいずれの条件においても、室温でマルテンサイト相を示します。代表的な合金としては、17-4 PH（UNS S17400）、15-5 PH（UNS S15500）、Custom 450（UNS S45000）、Custom 465（UNS S46500）などがあります。
• セミオーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼は、加工性向上のため、溶体化処理後の初期段階ではオーステナイト相となりますが、その後、マルテンサイト相に変態することで強度が向上し、析出硬化されます。代表的な合金としては、17-7 PH（UNS S17700）、15-7 PH（UNS S15700）、AM-350（UNS S35000）、AM-355（UNS S35500）などがあります。
• オーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼は、溶体化処理および析出硬化処理のいずれの条件においても、室温でオーステナイト相を示す。代表的な合金としては、A-286（UNS S66286）およびディスカロイ（UNS S66220）が挙げられる。^[63]

分類システム

ステンレス鋼の分類には、いくつかの異なるシステムが開発されています。米国で主に使用されているのは、SAE鋼種番号システムです。SA​​E番号システムでは、ステンレス鋼は「タイプ」に続いて3桁の数字、場合によっては文字の接尾辞で分類されます。1974年にASTMとSAEが共同で開発した新しいシステムは、金属および合金の統一番号システム（UNS）です。^[64]統一番号システムでは、「S」に続いて5桁の数字で構成される英数字識別子を使用してステンレス鋼を分類しますが、ニッケル含有量の高いオーステナイト系ステンレス鋼の中には、「N」を英数字識別子として使用するニッケル基分類に分類されるものもあります。UNSの分類には、SAE番号システムや独自の合金分類など、以前に使用されていた分類が組み込まれています。欧州では、ステンレス鋼の分類にEN 10088が採用されています。^[37]

耐食性

ステンレス鋼 (下段) は、アルミニウム青銅(上段) や銅ニッケル合金 (中段)よりも塩水 腐食に対する耐性が優れています。

炭素鋼とは異なり、ステンレス鋼は湿潤環境にさらされても均一腐食を起こしません。保護されていない炭素鋼は、空気と水分の組み合わせにさらされると容易に錆びます。その結果生じる酸化鉄の表面層は多孔質で脆くなります。さらに、酸化鉄は元の鋼よりも大きな体積を占めるため、この層は膨張し、剥がれ落ちやすく、下層の鋼がさらなる腐食にさらされることになります。一方、ステンレス鋼は不動態化を起こすのに十分なクロムを含んでおり、空気中の酸素、さらには水中の微量の溶存酸素との反応により、微視的に薄い不活性な酸化クロムの表面膜を自発的に形成します。この不動態膜は、鋼表面への酸素の拡散を遮断することでさらなる腐食を防ぎ、金属全体への腐食の拡大を防ぎます。^[65]この膜は、傷がついたり、その鋼種固有の耐食性を超える条件によって一時的に乱されたりしても、自己修復します。^{[65] [66]}

この皮膜の耐食性は、ステンレス鋼の化学組成、特にクロム含有量に依存します。一般的に、腐食は均一腐食、局部腐食（孔食）、ガルバニック腐食、SCC（応力腐食割れ）の4つの形態に分類されます。これらの腐食形態はいずれも、ステンレス鋼のグレードが使用環境に適していない場合、発生する可能性があります。

制服

均一腐食は、パルプ・製紙産業など、化学物質が製造または大量に使用される非常に腐食性の高い環境で発生します。鋼材の表面全体が腐食され、腐食速度はmm/年（通常、このような場合0.1mm/年未満が許容されます）で表されます。腐食表がガイドラインとなります。^[67]

これはステンレス鋼が酸性または塩基性溶液に曝露された場合に典型的に発生します。ステンレス鋼の腐食の有無は、酸または塩基の種類と濃度、および溶液の温度に依存します。均一腐食は、公開されている腐食データが豊富であるか、実験室で容易に実施できる腐食試験があるため、通常は容易に回避できます。

この淡水化装置が示すように、ステンレス鋼は腐食に対して完全に耐性があるわけではありません。

酸性溶液は、塩酸や希硫酸などの還元酸と、硝酸や濃硫酸などの酸化酸の 2 つの一般的なカテゴリに分類できます。クロムとモリブデンの含有量を増やすと還元酸に対する耐性が向上し、クロムとシリコンの含有量を増やすと酸化酸に対する耐性が向上します。硫酸は最も多く生産されている工業用化学物質の 1 つです。室温では、タイプ 304ステンレス鋼は 3% の酸にしか耐性がありませんが、タイプ 316は 50 °C (120 °F) までの 3% の酸と室温で 20% の酸に耐性があります。したがって、タイプ 304 SS が硫酸と接触して使用されることはほとんどありません。タイプ 904Lと合金 20 は、室温を超えるさらに高濃度の硫酸に対して耐性があります。^{[68] [69]}濃硫酸は硝酸と同様に酸化特性を持つため、シリコン含有ステンレス鋼も有用である。^[70]塩酸はあらゆる種類のステンレス鋼を損傷するため、使用を避けるべきである。^{[2] : 118  [71]あらゆる種類のステンレス鋼は、室温では}リン酸と硝酸による腐食に耐性がある。高濃度および高温では腐食が発生するため、より高合金のステンレス鋼が必要となる。^{[72] [73] [74]}一般に、有機酸は塩酸や硫酸などの鉱酸よりも腐食性が低い。

304型および316型ステンレス鋼は、高濃度・高温下でも水酸化アンモニウムなどの弱塩基の影響を受けません。同じグレードでも、高濃度・高温下において水酸化ナトリウムなどの強塩基に曝露されると、エッチングや割れが発生する可能性があります。^[75]クロムとニッケルの含有量を増やすと、耐性が向上します。

すべてのグレードはアルデヒドおよびアミンに対する耐性を備えていますが、後者に関してはタイプ316がタイプ304よりも優れています。酢酸セルロースは、温度を低く保たない限り、タイプ304にダメージを与えます。脂肪および脂肪酸は、タイプ304では150℃（300°F）以上、タイプ316ステンレス鋼では260℃（500°F）以上の温度でのみ影響を受けますが、タイプ317ステンレス鋼はいかなる温度でも影響を受けません。タイプ316Lは尿素の処理に必要です。^{[2] [76]}

ローカライズ

局部腐食は、孔食や隙間腐食など、いくつかの形態で発生する可能性があります。これらの局部腐食は、塩化物イオンが存在する場合で最も多く発生します。塩化物イオン濃度が高いほど、より高合金のステンレス鋼が必要となります。

局所腐食は、次のような多くの要因に依存するため、予測が困難な場合があります。

• 塩化物イオン濃度。塩化物溶液の濃度が既知であっても、予期せぬ局部腐食が発生する可能性があります。塩化物イオンは、隙間（例：ガスケット下）や蒸気空間の表面など、特定の領域で蒸発や結露により不均一に濃縮されることがあります。
• 温度: 温度が上昇すると感受性が高まります。
• 酸性度: 酸性度が増加すると感受性が高まります。
• 停滞: 停滞した状態は感受性を高めます。
• 酸化種: 鉄(III)イオンや銅(II)イオンなどの酸化種が存在すると、感受性が高まります。

孔食は局部腐食の最も一般的な形態と考えられています。ステンレス鋼の孔食に対する耐食性は、通常、次式で表されるPRENで表されます。

${\displaystyle {\text{PREN}}=\%{\text{Cr}}+3.3\cdot \%{\text{Mo}}+16\cdot \%{\text{N}}}$、

ここで、各項は鋼中のクロム、モリブデン、窒素の質量含有量の割合を表します。例えば、鋼のクロム含有量が15%の場合、%Crは15となります。

PRENが高いほど、耐孔食性は高くなります。したがって、クロム、モリブデン、窒素の含有量を増やすと、耐孔食性が向上します。

特定の鋼のPRENは理論的には孔食腐食に十分耐え得るものの、不適切な設計によって限られた領域（プレートの重なり、ワッシャープレートの境界面など）が生じた場合や、材料上に堆積物が発生した場合には、隙間腐食が発生する可能性があります。これらの特定の領域では、PRENが使用条件に対して十分に高くない場合があります。適切な設計、製造技術、合金の選択、腐食を引き起こす溶液中に存在する活性化合物の濃度、pHなどに基づいた適切な運転条件によって、このような腐食を防ぐことができます。^[77]

ストレス

応力腐食割れ（SCC）は、引張応力と腐食環境の組み合わせによって引き起こされ、ステンレス鋼部品の予期せぬ突然の破損につながる可能性があります。SCCは、以下の3つの条件が満たされた場合に発生する可能性があります。

• 部品には適用された引張応力または残留引張応力のいずれかが含まれます。
• 部品は腐食性環境にあります。
• ステンレス鋼は SCC の影響を受けやすいです。

SCC は、これら 3 つの条件のうち 1 つを排除することで防止できます。

SCC メカニズムは、次の一連のイベントから生じます。

1. ピットが発生する
2. 亀裂はピットの開始点から始まる
3. 亀裂はその後、粒内または粒界モードで金属中を伝播する。
4. 失敗が発生する

ガルバニック

左側のナットは右側のナットとは異なり、ステンレス製ではなく錆びています。

ガルバニック腐食^[78]（「異種金属腐食」とも呼ばれる）とは、2種類の異なる材料が腐食性電解質中で結合した際に生じる腐食損傷を指します。最も一般的な電解質は水であり、淡水から海水までの範囲にわたります。ガルバニック腐食が形成されると、一方の金属が陽極となり、単独の場合よりも速く腐食し、もう一方の金属は陰極となり、単独の場合よりも遅く腐食します。ステンレス鋼は、例えば炭素鋼やアルミニウムよりも正の電極電位が高いため、陰極となり、陽極金属の腐食を加速します。一例として、ステンレス鋼板を固定するアルミニウムリベットが水と接触すると腐食が起こります。^[79]陽極と陰極の相対的な表面積は、腐食速度を決定する上で重要です。上記の例では、リベットの表面積はステンレス鋼板の表面積に比べて小さいため、腐食が急速に進行します。^[79]しかし、アルミニウム板の組み立てにステンレス鋼製のファスナーを使用すると、アルミニウム表面のガルバニック電流密度が桁違いに小さくなるため、ガルバニック腐食の進行ははるかに遅くなります。^[79]よくある間違いとして、ステンレス鋼板を炭素鋼製のファスナーで組み立てるというものがあります。炭素鋼板をステンレス鋼で固定することは通常は許容されますが、その逆は許容されません。可能であれば、異種金属間に電気絶縁を施すことが、この種の腐食を防ぐのに効果的です。^[79]

高温

高温では、すべての金属は高温ガスと反応します。最も一般的な高温ガス混合物は空気であり、その中で最も反応性の高い成分は酸素です。空気中での腐食を避けるため、炭素鋼は約 480 °C (900 °F) に制限されています。ステンレス鋼の耐酸化性は、クロム、シリコン、アルミニウムの添加によって向上します。セリウムとイットリウムを少量添加すると、表面の酸化物層の密着性が向上します。^[80]クロムの添加は、ステンレス鋼の高温耐食性を向上させる最も一般的な方法です。クロムは酸素と反応して酸化クロムスケールを形成し、これが材料への酸素の拡散を低下させます。ステンレス鋼中の最低 10.5% のクロムは約 700 °C (1,300 °F) までの耐性を提供し、16% のクロムでは約 1,200 °C (2,200 °F) までの耐性を提供します。最も一般的なステンレス鋼グレードであるタイプ304は、18%のクロムを含み、約870℃（1,600°F）まで耐性があります。二酸化硫黄、硫化水素、一酸化炭素、塩素などの他のガスもステンレス鋼を侵します。他のガスに対する耐性は、ガスの種類、温度、およびステンレス鋼の合金含有量に依存します。^{[81] [82]}最大5%のアルミニウムを添加したフェライト系グレードのFe-Cr-Alは、高温での電気抵抗と耐酸化性を高めるように設計されています。このような合金には、ワイヤまたはリボンの形で製造されるカンタルが含まれます。 ^[83]

標準仕上げ

316Lステンレス鋼、研磨なし、ミル仕上げ

標準的なミル仕上げは、ローラーや機械研磨によってステンレス鋼板に直接施すことができます。鋼板はまず所定のサイズと厚さに圧延され、その後、最終材料の特性を変化させるために焼鈍処理されます。表面に形成された酸化物（ミルスケール）は酸洗によって除去され、表面に不動態化層が形成されます。その後、最終仕上げを施すことで、所望の美観が得られます。^{[84] [85]}

米国ではASTM A480/A480M-18（DIN）によるステンレス鋼仕上げを表すために以下の呼称が使用されている：^[86]

• No.0: 熱間圧延、焼鈍、厚板
• No. 1 (1D): 熱間圧延、焼鈍、不動態化処理
• No. 2D (2D): 冷間圧延、焼鈍、酸洗、不動態化処理
• No. 2B (2B): 上記と同じだが、高度に研磨されたローラーを通過するパスを追加
• No. 2BA（2R）：上記と同様に光輝焼鈍（BAまたは2R）した後、無酸素雰囲気下で光輝焼鈍
• No.3（G-2G:）機械的に施された粗研磨仕上げ
• No.4（1J-2J）：ブラッシュ仕上げ
• No.5：サテン仕上げ
• No. 6 (1K-2K): マット仕上げ (ブラシ仕上げですが、#4 よりも滑らかです)
• No.7（1P-2P）：反射仕上げ
• No.8：鏡面仕上げ
• No.9：ビーズブラスト仕上げ
• No. 10: 熱着色仕上げ -電解研磨と熱着色の表面を幅広く取り揃えています

接合

ステンレス鋼には幅広い接合方法がありますが、最も一般的なのは溶接です。 ^{[87] [88]}

溶接のしやすさは、使用するステンレス鋼の種類によって大きく異なります。オーステナイト系ステンレス鋼は電気アーク溶接が最も容易で、溶接特性は母材（冷間加工していない）と似ています。マルテンサイト系ステンレス鋼も電気アーク溶接できますが、熱影響部（HAZ）と溶融部（FZ）は冷却時にマルテンサイトを形成するため、溶接部の割れを防ぐための予防措置が必要です。不適切な溶接方法は、さらに溶接部の裏側にシュガーリング（酸化物スケール）や熱変色を引き起こす可能性があります。これは、バックパージガス、バッキングプレート、フラックスを使用することで防止できます。^[89]溶接後の熱処理はほぼ常に必要ですが、溶接前の予熱が必要な場合もあります。^[88]タイプ430フェライト系ステンレス鋼の電気アーク溶接は、HAZで結晶粒成長を引き起こし、脆化につながります。この問題は、安定化フェライト鋼種によってほぼ克服されており、ニオブ、チタン、ジルコニウムが析出物を形成して粒成長を阻害します。^{[90] [91]}二相ステンレス鋼の電気アーク溶接は一般的な方法ですが、プロセスパラメータを慎重に制御する必要があります。そうしないと、不要な金属間相が析出し、溶接部の靭性が低下します。^[92]

電気アーク溶接プロセスには以下のものがある: ^[87]

• ガスメタルアーク溶接（MIG/MAG溶接とも呼ばれる）
• ガスタングステンアーク溶接、別名タングステン不活性ガス（TIG）溶接
• プラズマアーク溶接
• フラックス入りアーク溶接
• 被覆アーク溶接（被覆電極）
• サブマージアーク溶接

MIG、MAG、TIG溶接が最も一般的な方法です。

その他の溶接プロセスには次のものがあります。

• スタッド溶接
• 抵抗スポット溶接
• 抵抗シーム溶接
• フラッシュ溶接
• レーザービーム溶接
• 酸素アセチレン溶接

ステンレス鋼は、シリコーン、シラン変性ポリマー、エポキシなどの接着剤で接着することができます。場合によっては、アクリル系接着剤やポリウレタン系接着剤も使用されます。 ^[93]

生産

世界のステンレス鋼生産の大部分は、以下のプロセスによって生産されています。

• 電気アーク炉（EAF）：ステンレス鋼スクラップ、その他の鉄スクラップ、および鉄合金（Fe Cr、Fe Ni、Fe Mo、Fe Si）を一緒に溶解します。その後、溶解した金属は取鍋に注がれ、AODプロセス（下記参照）に移されます。
• アルゴン酸素脱炭（AOD）：溶融鋼中の炭素を除去し（一酸化炭素ガスに変換することにより）、その他の組成調整を行って、目的の化学組成を実現します。
• 連続鋳造(CC): 溶融金属を凝固させて平らな製品用のスラブ (標準的な断面は厚さ 20 センチメートル (7.9 インチ)、幅 2 メートル (6.6 フィート)) またはブルーム(断面は大きく異なりますが、平均サイズは 25 x 25 センチメートル (9.8 インチ x 9.8 インチ)) にします。
• 熱間圧延（HR）：スラブとブルームは炉で再加熱され、熱間圧延されます。熱間圧延によりスラブの厚さが薄くなり、約3mm（0.12インチ）の厚さのコイルが製造されます。一方、ブルームは熱間圧延されて棒鋼となり、圧延機の出口で所定の長さに切断されます。また、線材はコイル状に巻かれます。
• 冷間仕上げ（CF）は、仕上げる製品の種類によって異なります。
  • 熱間圧延コイルは、表面の酸化スケールを除去するために酸洗処理され、その後ゼンジミア圧延機で冷間圧延され、保護雰囲気中で焼鈍処理されて、所定の厚さと表面仕上げが得られます。その後のスリット加工や管成形などの加工は、下流の設備で行うことができます。
  • 熱間圧延棒は真っ直ぐに伸ばされ、その後、必要な許容差と仕上げに合わせて機械加工されます。
  • 線材コイルはその後加工され、引抜ベンチで冷間仕上げの棒材、ボルト製造機でファスナー、そしてシングルパスまたはマルチパス引抜機でワイヤが製造されます。

世界のステンレス鋼生産量は、国際ステンレス鋼フォーラム（ISUS）によって毎年発表されています。EUの生産量では、イタリア、ベルギー、スペインが目立っていましたが、カナダとメキシコは全く生産していませんでした。中国、日本、韓国、台湾、インド、米国、インドネシアは大規模な生産国でしたが、ロシアの生産量はわずかでした。^[52]

世界のステンレス鋼生産量（平鋼・条鋼）（単位：トン、千単位）

年	欧州連合	アメリカ大陸	中国	中国を除くアジア	その他の国	世界
2021	7181	2368	32 632	7792	8316	58 289
2020	6323	2144	30 139	6429	5857	50 892
2019	6805	2593	29,400​	7894	5525	52 218
2018	7386	2808	26 706	8195	5635	50 729
2017	7377	2754	25,774​	8030	4146	48 081
2016	7280	2931	24,938​	9956	672	45,778​
2015	7169	2747	21 562	9462	609	41 548
2014	7252	2813	21,692​	9333	595	41 686
2013	7147	2454	18,984​	9276	644	38 506

2017年のステンレス鋼ファミリー別生産の内訳：

• オーステナイト系ステンレス鋼 Cr-Ni（300シリーズとも呼ばれる、上記の「グレード」セクションを参照）：54%
• オーステナイト系ステンレス鋼Cr-Mn（200系とも呼ばれる）: 21%
• フェライト系およびマルテンサイト系ステンレス鋼（400シリーズとも呼ばれる）: 23%

アプリケーション

ステンレス鋼は、建築、芸術、化学工学、食品・飲料製造、車両、医療、エネルギー、銃器など、さまざまな分野で使用されています。

ライフサイクルコスト

ライフサイクルコスト（LCC）計算は、建物や橋梁などのプロジェクトの全寿命にわたって最も低いコストにつながる設計と材料を選択するために使用されます。^{[94] [95]}

簡単な式は次のようになります。^{[96] [97] [検証が必要]}

${\displaystyle {\text{LCC}}={\text{AC}}+{\text{IC}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{OC}}{(1+i)^{n}}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{LP}}{(1+i)^{n}}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{RC}}{(1+i)^{n}}}}$

ここで、LCC は全体的なライフサイクル コスト、AC は取得コスト、IC は設置コスト、OC は運用および保守コスト、LP はダウンタイムによる生産損失コスト、RC は交換材料コストです。

さらに、Nはプロジェクトの計画寿命、iは金利、nは特定のOC、LP、またはRCが行われる年です。金利（i）は、異なる年度の費用を現在価値に変換するために使用されます（銀行や保険会社で広く使用されている方法）。これにより、費用を合計して公平に比較​​することができます。合計式（）の使用は、プロジェクトの存続期間全体にわたる費用は、金利を考慮して修正された後に累計（合計）する必要があるという事実を反映しています。^[98] ${\textstyle \sum }$

材料選択におけるLCCの応用

プロジェクトで使用されるステンレス鋼は、他の材料と比較してLCC値が低くなることがよくあります。ステンレス鋼部品の取得コスト（AC）が高いことは、運用・保守コストの改善、生産ロス（LP）コストの削減、そしてステンレス鋼部品の再販価値の高さによって相殺されることが多いです。^[99]

LCC計算は通常、プロジェクト自体に限定されます。しかし、プロジェクトの関係者が考慮したいその他のコストが存在する場合もあります。^[要出典]

• 発電所、水道・下水処理場、病院などの公共施設は停止できません。メンテナンスには、サービス継続に伴う追加費用が発生します。
• 状況によっては、橋の通行止めや交通量の削減、渋滞や遅延の発生、人々の労働時間の損失、アイドリング車両による汚染の増加など、間接的な社会的コスト（政治的影響も含む）が発生する可能性があります。

持続可能性 – リサイクルと再利用

ステンレス鋼（全鋼種、全国）の平均的なカーボンフットプリントは、生産されたステンレス鋼1kgあたり2.90kgのCO2と推定されており、_[ ^100]そのうち1.92kgは原材料（Cr、Ni、Mo）からの排出、0.54kgは電力と蒸気からの排出、そして0.44kgは直接排出（すなわちステンレス鋼工場による）である。よりクリーンな電源を使用する国（原子力エネルギーを使用するフランスなど）で生産されたステンレス鋼は、カーボンフットプリントが低いことに留意すべきである。ニッケルを含まないフェライト系ステンレス鋼は、ニッケルが8%以上含まれるオーステナイト系ステンレス鋼よりもCO2フットプリントが低い_。カーボンフットプリントは、材料の選択を決定する際の唯一の持続可能性関連要因であってはならない。

• 製品寿命全体を通して、メンテナンス、修理、あるいは早期の製品寿命終了（計画的陳腐化）により、当初の材料の違いをはるかに超えて、全体的なフットプリントが増加する可能性があります。さらに、（橋梁などで特に顕著な）サービス停止は、作業待ち行列、燃料の無駄、工数の損失など、大きな隠れたコストを引き起こす可能性があります。
• 特定のサービスを提供するためにどれだけの材料が使用されるかは、パフォーマンス、特に軽量の構造とコンポーネントを可能にする強度レベルによって異なります。

ステンレス鋼は 100%リサイクル可能です。^{[101] [102]}平均的なステンレス鋼製品は、約 60% のリサイクル材料で構成されており、そのうち約 40% は使用済み製品に由来し、残りの 60% は製造プロセスで発生します。^[103]リサイクル率が高いにもかかわらず、ステンレス鋼スクラップの可用性が高いことが、より高いリサイクル率を妨げています。国際資源パネルの「社会における金属在庫」レポートによると、社会で使用されているステンレス鋼の 1 人当たりの在庫は、先進国で 80～180 kg (180～400 lb)、発展途上国で 15 kg (33 lb) です。多くのステンレス鋼市場で使用可能なスクラップをリサイクルする二次市場があります。製品はほとんどがコイル、シート、ブランクです。この材料はプライム価格よりも低い価格で購入され、商業的な品質のスタンパーとシートメタルハウスに販売されます。素材には傷、穴、へこみがある場合がありますが、現在の仕様に従って製造されています。^{[引用が必要]}

ステンレス鋼のサイクルは、炭素鋼スクラップ、一次金属、スラグから始まります。次のステップは、製鉄所で熱間圧延鋼および冷間仕上げ鋼製品が製造されることです。この段階でスクラップが発生し、溶解工場で直接再利用されます。部品の製造は3番目のステップです。ここで発生したスクラップはリサイクルループに入ります。最終製品の組み立てと使用では、材料ロスは発生しません。4番目のステップは、製品（キッチン用品、パルプ・製紙工場、自動車部品など）の使用済み時に、リサイクルのためにステンレス鋼を回収することです。以下の表に示すように、この段階でステンレス鋼をリサイクルループに入れるのが最も困難です。

リサイクルのための収集量の推定値（セクター別^）[104]

最終用途部門	結果		使用、世界平均		推定値
	2000	2005	平均寿命 （年）	変動係数	埋め立て地へ	リサイクルのために収集
						合計	うちステンレス鋼	そのうち炭素鋼
建物とインフラ	17%	18%	50	30%	8%	92%	95%	5%
交通費（合計）	21%	18%			13%	87%	85%	15%
乗用車のうち	17%	14%	14	15%
その他	4%	4%	30	20%
産業機械	29%	26%	25	20%	8%	92%	95%	5%
家電製品と電子機器	10%	10%	15	20%	30%	70%	95%	5%
金属製品	23%	27%	15	25%	40%	60%	80%	20%

ナノスケールステンレス鋼

ステンレス鋼ナノ粒子は実験室で製造されている。^{[105] [106]}これらは高性能用途の添加剤として応用できる可能性がある。例えば、硫化、リン化、窒化処理を施したナノスケールのステンレス鋼系触媒は、水分解におけるステンレス鋼の電気触媒性能を向上させる可能性がある。^[107]

健康への影響

ステンレス鋼の溶接中に煙を吸い込むと、がん（特に肺がん）のリスクが高まる可能性があることを示す広範な研究があります。^{[108] [109] [110] [111] [112] [113]}ステンレス鋼の溶接は、酸化カドミウム、ニッケル、クロムから発がん性の煙を生成する疑いがあります。^[114]オーストラリアがん協会によると、「2017年には、すべての種類の溶接煙がグループ1の発がん性物質に分類されました。」^[114]

ステンレス鋼は一般的に生物学的に不活性であると考えられています。しかし、調理中に、新品のステンレス鋼製調理器具から少量のニッケルとクロムが溶出して、酸性度の高い食品に混入します。^{[115]ニッケルは、特に}肺がんや鼻腔がんなどのがんリスクを高める可能性があります。^{[116] [117]}しかし、ステンレス鋼製調理器具とがんとの関連性は確立されていません。^[118]

参照

• コバルトクロム
• 腐食工学
• ステンレス鋼波形管
• 刃の材質一覧
• 鉄鋼メーカー一覧
• 金属繊維
• ピリング・ベドワース比
• ルージュ
• 耐候性鋼

注記

1. バウアーの「クロム鋼」が橋梁に使用されたという証拠があるにもかかわらず、¹⁹世紀の冶金学者は「脆すぎて実用的ではない」高クロム合金しか製造できなかったと主張する者もいる（誰？）。^{[この引用には出典が必要] [誰の見解？ ] [出典が必要]}

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さらに読む

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外部リンク

• ウィキメディア・コモンズのステンレス鋼関連メディア
• ウィクショナリーにおけるステンレス鋼の辞書定義

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