ステンレス鋼板の表面状態と耐食性
Surface Condition and Corrosion Resistance Rating of the Stainless Steels
福 元 誠 一 Seiichi FUKUMOTO
鈴 木 一 宏 Kazuhiro SUZUKI

現在の通勤車両で幅広く使用されている SUS301L 鋼板は，無塗装でも高耐食で錆びにくい鋼板である．しかし，ステンレス鋼板の一般的な特徴として，塩分が付着するような厳しい環境に長時間さらされると，実用上の問題はないが発錆する場合がある．そこで，SUS301L 鋼板の試験片で腐食促進試験を実施したところ，ステンレス鋼板の表面状態によっては，耐食性がさらに向上することが確認された．また，この結果により，次世代ステンレス鋼製車両「sustina」の付加価値向上に寄与できる可能性を得たので報告する．

１ はじめに

表1

当社が製造する通勤車両の構体は，一部を除いて，ス試験片詳細･ 実働年数･ 表面 仕上げ･テンレス鋼板で構成されている．現在構体で幅広く使用されているステンレス鋼板は，オーステナイト系ステンレス鋼であるSUS301Lであり，高耐食，高剛性，高強度であることが特徴である．これによって，ステンレス鋼製車両は無塗装においても錆びにくく，メンテナンスコストの削減などに寄与している．
ステンレス鋼板の耐食性評価に関する研究報告につい

材質
（寸法）
･

①･未使用･#80BG･

②･

未使用･

DF･

③･

A･

#80BG･

SUS301L-DLT･

④･

A･

DF･

（70×150mm）
･

⑤･

B･

#80BG･⑥･

B･

DF･ては，一般的に幅広く使用されているSUS304やSUS･316，SUS430などを対象とした報告はあるものの，SUS･301Lに特化した報告は非常に少ないのが実状である．
そこで，本報告では現在の車両に使用しているステンレ
ス鋼板であるSUS301Lについて，実使用履歴や表面仕上げの異なる試験片を準備して，腐食促進試験により耐食性の差異を評価した．

#80BG・研磨方向･[#80BG仕上げ]

２ 試験片

図1

試験片は，表1に示す未使用で表面仕上げの異なるス

表2テンレス鋼板（以下，「未使用鋼板」）2種類（試験片①・･試験片②）と，実働後に解体されたステンレス車両（以下，「実働後車両」）「A」，「B」の側外板から採取した，

C･Si･[DF仕上げ]試験片の表面仕上げ様相
試験片の主な化学成分（％）

Mn･

P･

S･

Ni･

Cr･

Mo･

①･ 0.022･ 0.46･ 1.08･ 0.030･ 0.001･ 7.07･ 17.2･ 0.14･それぞれ表面仕上げが異なる4種類（試験片③～試験片②･ 0.023･ 0.40･ 1.02･ 0.027･ 0.001･ 7.14･ 17.5･ 0.15･⑥）である．なお，実働年数は「A」より「B」の方が③･ 0.014･ 0.51･ 1.44･ 0.034･ 0.001･ 6.68･ 17.5･ 0.23･長い車両である．また，2種類の表面仕上げについて，④･ 0.016･ 0.51･ 1.45･ 0.031･ 0.001･ 6.79･ 17.4･ 0.16･

様相を図1に，各試験片の化学成分を表2に示す．

⑤･ 0.022･ 0.49･ 1.05･ 0.023･ 0.001･ 7.19･ 17.4･ 0.12･⑥･ 0.019･ 0.55･ 1.46･ 0.026･ 0.004･ 6.77･ 17.3･ 0.01･

総合車両製作所技報第５号

52

ステンレス鋼板の表面状態と耐食性･･
表3

３ 試験方法および結果

複合サイクル試験結果＊

3cyc
6cyc
9cyc
12cyc
21cyc
拡散具合
･ ･ 6cyc･ ･ 9cyc･ ･ 12cyc･ ･ 21cyc･ ･ 拡散具合
3cyc(24h)･(48h)･(72h)･(96h)･(168h)･(21cyc)･(24h)･ (48h)･ (72h)･ (96h)･ (168h)･ (21cyc)･① 発
発→ →→→→ 全体拡散
全体拡散①→→→･･

３．１ 腐食促進試験
３．１．１ 試験方法
腐食促進試験はJIS･H･8502（1999）－8.1［めっきの耐食② 発
発②性試験方法］に基づいた複合サイクル試験で行い，耐食→→→→→→→→軽微軽微性の差異を評価した．複合サイクル試験は，複合腐食試③③発錆なし発錆なし験機を使用して，図2に示す条件で，塩水噴霧2時間，乾④④

燥4時間，湿潤2時間を1サイクル（cyc）として，21cycを⑤⑤発
発

発錆なし発錆なし軽微軽微⑥⑥発
発

軽微軽微行った．耐食性の評価は試験片全体を目視により観察し，発錆の有無を確認した．なお，観察は3cyc，6cyc，9cyc，12cyc，21cycにおいて行った．

JIS･H･8502（1999）
1999）［めっきの耐食性試験方法］
めっきの耐食性試験方法］
JIS･H･8502（［･･
複合サイクル試験（8時間／1サイクル）
複合サイクル試験（8時間／1サイクル）[1]･5%中性塩水噴霧試験[1]･5%中性塩水噴霧試験
･･
35
1･2時間
･
35 1 ･ 2 時間･移行時間30分以内
移行時間30分以内･･[2]･乾燥試験
乾燥試験
移行時間
[2]･
･･
移行時間
･･
60 11 ･20～30%rh･4時間･20～30%rh･4時間30分以内
60
30分以内･ ･

表4

複合サイクル試験後の試験片外観

･･

試験前
試験前
･･

3cyc後･3cyc後･

21cyc後･
21cyc後･①･①･

移行時間15分以内
移行時間15分以内･･[3]･湿潤試験
湿潤試験
[3]･
･･
50
1･
･95%rh以上･2時間
50 1 ･･95%rh以上･2時間････
図2＊：結果判定・[ [ ：発：発 なし，→：なし，→： 進行・拡散進行・拡散] ]＊：結果判定・････････････････････････････････････②･②･

複合サイクル試験条件

３．１．２ 試験結果
表3および表4に複合サイクル試験の結果を示す．
未使用鋼板から採取した試験片①，試験片②は「3cyc」で発錆が認められた．特に[#80BG仕上げ]の試験片①は，③･③･発錆後も時間経過ごとに錆の範囲が拡散し，「21cyc」では試験片全体にまで拡散していた．[DF仕上げ]の試験片②は，「3cyc」で発錆が認められたものの，その後の進展や拡散は軽微であり，「21cyc」においても，発錆は試④･④･験片全体に対してわずかであった．これに対して，試験片③，試験片④は，「21cyc」では発錆しなかった．また，試験片⑤，試験片⑥は，「21cyc」でわずかに発錆が認められた．
未使用鋼板より採取した試験片①と試験片②は，実働⑤･⑤･後車両より採取した試験片（③～⑥）よりも早期に発錆しただけでなく，表面仕上げの違いによる耐食性の差も認められた．これに対して，実働後車両より採取した試
験片はいずれも耐食性が優れており，表面仕上げの違いによる差も認められなかった．このことから，耐食性の⑥･⑥･優劣は，実働の有無が大きく影響しており，未使用鋼板と実働後車両とでは，この不動態皮膜の状態に差があった可能性が考えられる．

53

2016年12月

３．２ 表面粗さ測定
３．２．１ 試験方法
表面状態と耐食性については，一般に表面粗さが粗い（表面）ほど発錆しやすいとされている．そこで，粗さと発錆時 （表面）期の相関の検証として，ステンレス鋼板の表面粗さ測定による加工目の山の最大高さを測定した．測定は走査電#80BG・研磨方向･#80BG・研磨方向･子顕微鏡で行った．

（断面）

３．２．２ 試験結果
表5および図3 ～ 4に表面粗さ測定による加工目山の最（断面）大高さ測定結果を示す．

①[#80BG仕上げ]による加工目の山の最大高さは，試験

図3

片①，試験片③，試験片⑤ともに約10.0µmであり，耐食③⑤･表面粗さ測定結果[#80BG
仕上げ ] ⑤･①
③性の差に影響するような違いは特に認められなかった．
[DF仕上げ]による加工目の山の最大高さは，試験片②では27.0µm，試験片④では17.5µm，試験片⑥では13.5µm （表面）であり，未使用品の方が高い傾向であった．しかし，試験片④および試験片⑥の山形状は崩れていたことから，（表面）洗浄等の繰返しにより，低くなった可能性も考えられ，耐食性の差に影響するような違いは特定できなかった．
#80BG仕上げ･･･DF仕上げ･②･①･④(A)･ ⑥(B)･③ (A) ⑤ (B)表(未使用
5 表面粗さ測定結果（µm）(未使用))
加工目･#80BG仕上げ･
DF仕上げ
11.0･ 10.0･ 10.0･ 27.0･
17.5･･ 13.5･
山高さ･ ･

加工目･
山高さ･

②･
①
④(A)･ ⑥(B)･③ (A) ⑤ (B)(未使用 )
(未使用)

11.0･

総合車両製作所技報第５号

10.0･ 10.0･

27.0･

（断面）

（断面）

②

図4

17.5･ 13.5･④

表面粗さ測定結果 [DF 仕上げ ]

②

54⑥･

④⑥･

ステンレス鋼板の表面状態と耐食性

３．３ 孔食電位測定

表6３．３．１ 試験方法･

孔食電位測定によって得られる電位は，値が高いほど耐食性に優れる材料であるとされている．ステンレス鋼
板は鉄に11%以上のクロム（Cr）を含有した合金であり，表面には不動態皮膜と呼ばれるクロム（Cr）と酸素（O）からなる，厚さ約2 ～ 3nmの薄膜状の水和オキシ水酸化クロム層が形成されている．ステンレス鋼板の表面は，このc，100 の測定結果
孔食電位 V’①（未使用）･ ③（A）･⑤（B）･･①（未使用）･ ③（A）･⑤（B）･孔食電位測定･
孔食電位測定･0.232[V]･ 0.417[V]･ 0.225[V]･（平 値） 0.232[V]･ 0.417[V]･ 0.225[V]･
（平 値）
電流密度･
0.01～100･ 0.01～1.0 0.01～1.0･
電流密度･＊ 0.01～100･-2 0.01～1.0-2 0.01～1.0･-2[µAcm]･[µAcm ]･ [µAcm ]･の推移 ･[µAcm-2 ]･ [µAcm-2 ]･ [µAcm-2 ]･の推移＊･＊：アノード分極曲線において，孔食電位値に到達する＊：アノード分極曲線において，孔食電位値に到達するまでの電流密度の推移範囲･までの電流密度の推移範囲･

不動態皮膜によって腐食環境から保護されている（図5）．
そこで，未使用鋼板と実働後車両の不動態皮膜の状態の比較として，JIS･G･0577（2005）[ステンレス鋼の孔食電位測定方法]に基づいて各試験片の孔食電位測定を行い，電位値およびアノード分極曲線挙動と発錆の相関について評価した．
酸素（O） 腐食環境・腐食性物質･
酸素（O） 腐食環境・腐食性物質･

厚さ･厚さ･
約 2～3nm･
約 2～3nm･･
不動態皮膜 CrOx (OH) 2-x・nH2 O･
不動態皮膜 CrOx (OH) 2-x・nH2 O
クロム
（Cr）
クロム
（Cr）
ステンレスFe＋Cr･ステンレスFe＋Cr･

図5

図6

孔食電位測定で得られたアノード分極曲線[ 試験片①（未使用）]

図7

孔食電位測定で得られたアノード分極曲線[ 試験片③（A）]

図8

孔食電位測定で得られたアノード分極曲線[ 試験片⑤（B）]ステンレス鋼板表層の模式図

３．３．２ 試験結果
表6に孔食電位の測定結果を示す．なお，試験は腐食促進試験で腐食度合いの差が顕著であった，［#80BG仕上げ］の試験片3種類（試験片①，試験片③，試験片⑤）を代表して行った．
試験片①と試験片⑤の電位値はほぼ同値であったが，試験片③の電位値は試験片①や試験片⑤よりも特出して高い値である．次に，図6 ～ 8に孔食電位測定時に得られたアノード分極曲線の挙動を示す．各試験片の曲線挙動を比較すると，試験片①の挙動は，図6に黄囲みで示したように，孔食電位よりも低い電位においても，電流密度10µAcm-2を超える電位域が認められる．この挙動は，孔食電位よりも低い電位ではあるが，試験片表面では不動態皮膜の破壊が起こり始めていることを示している．これに対して，試験片③および試験体⑤は孔食電位に達するまで，電流密度10µAcm-2を超える様相は見られなかった．
このことから，試験片③と試験片⑤は試験片①に比べて安定した不動態皮膜が形成された状態であり，孔食,つまり腐食が起こりにくい表面状態であったということを示している．したがって，実働後車両より採取した試
験片③および試験片⑤は耐孔食性を高め，不動態を安定にするための処理が施されていた可能性が考えられる．

55

2016年12月

３．４ 表面皮膜の構造解析
３．４．１ 試験方法
不動態皮膜は一般にクロム（Cr）量が高いほど安定し，耐食性が優れるということが知られている．したがって，表面部のCr量の差について着目し，エックス線光電子分光法（XPS）で素材最表層部から板厚（深さ）方向の成分分析を行い，Cr量と発錆の相関について評価した．試験は［#80BG仕上げ］の試験片3種類（試験片①，試験片③，試験片⑤）を代表して行った．なお，ステンレス鋼板そのもののCr量については，試験片①，試験片③，試験片⑤ともに約17%であり，大きな差がないことは確認済みである．･
３．４．２ 試験結果
表7にXPSによる最表層部のCr量測定結果を示す．また，図9 ～ 11にXPSによる深さ方向分析結果を示す．

図 9 XPS による深さ方向分析結果 [ 試験片①（未使用）]

なお，横軸の「Sputter･time」は板厚深さ方向へのエッチング時間を示しており，その速度は1nm/minである．
したがって，本報告では「Sputter･time（min）」≒「板厚方向深さ（nm）」と換算できる．試験は［#80BG仕上げ］の試験片3種類（試験片①，試験片③，試験片⑤）を代表して行った．なお，ステンレス鋼板そのもののCr量については，試験片①，試験片③，試験片⑤ともに約17%であり，大きな差がないことは確認済みである．
最表層部のCr量は，試験片①が22%であるのに対して，試験片③が42%，試験片⑤が45%であり，約20%の差が認められる．ステンレス鋼板の表面にはCrを主体とした不動態皮膜が形成されており，表面のCr量が高くなることが知られている．この皮膜は表面加工等で除去されてもすぐに再生されるが，試験片③と試験片⑤は，試験片①と同じ表面仕上げが施されているにも関わらず，最表

図 10

XPS による深さ方向分析結果 [ 試験片③（A）]

図 11

XPS による深さ方向分析結果 [ 試験片⑤（B）]

層部のCr量が試験片①よりも高く，特異な状態であった．
したがって，試験片③と試験片⑤は不動態皮膜を強化する処理が施されていた可能性が考えられる．
なお，試験片①，試験片③，試験片⑤ともに，深さ約3nmの位置で，最もCrの濃化が認められ，値は42 ～ 50%であった．ステンレス鋼板表面の不動態皮膜の厚さは約2 ～ 3nmであるため，このような傾向となることは妥当であると考えられる．
表 7 XPS による最表層部の Cr 量および最大濃化位置･①（未使用）･ ③（A）･

最表層部･Cr量･最大･濃化位置･総合車両製作所技報

22%･深さ3nm･（42%）
･第５号

42%･⑤（B）･45%･深さ3nm･ 深さ3nm･（47%） （50%）
･56ステンレス鋼板の表面状態と耐食性

参考文献

４ まとめ（1）･ 根本力男：「ステンレス鋼の基礎と上手な使い方」，･

未使用ステンレス鋼板から採取した試験片と実働後ス

6-10・54-55，（2011），日本工業出版（株）

テンレス車両から採取した試験片について，腐食促進試（2）･･JIS･H･8502:1999･ めっきの耐食性試験方法：「JISハ験および表面状態の評価を行ったところ，以下の結果をンドブック 41金属表面処理」，493-495，（2010），（財）得た．

日本規格協会①･未使用鋼板試験片と実働後車両試験片とでは，未使用（3）･･JIS･G･0577:2005･ステンレス鋼の孔食電位測定方法：鋼板の方が早期に発錆した．

「JISハンドブック 1鉄鋼Ⅰ」，1080-1085，（2014），（一②･未使用鋼板の表面状態において，［#80BG仕上げ］試財）日本規格協会

験片と［DF仕上げ］試験片とでは，［DF仕上げ］試験片の方が，錆の拡散具合は軽微であった．このことから，［DF仕上げ］の方が［#80BG仕上げ］よりも耐食性に優れることが明らかとなった．
③･実働後車両においては，［#80BG仕上げ］試験片と［DF著者紹介

仕上げ］試験片とでは，発錆時期や発錆具合に明確な差は認められなかった．

福元誠一④･孔食電位測定およびアノード電極曲線の挙動におい

生産本部
技術部（材料センター） 主任て，実働後車両試験片は未使用鋼板試験片よりも腐食が起こりにくい，安定した不動態皮膜が形成されていたことが明らかとなった．

鈴木一宏⑤･XPSによる成分分析により，未使用鋼板試験片および実働後車両試験片ともに，最表層部にはクロム（Cr）の濃化が認められたが，割合は実働後車両試験片が約

生産本部
技術部（材料センター） 課長20%高かった．
以上のことから，未使用鋼板試験片と実働後車両試験片との耐食性の差は，不動態皮膜の状態，つまり最表層部のCr量の差であることが明らかとなった．実働後車両については，新造時から経年で繰返し洗浄されてきたため，最表層部のCrが濃化され，不動態皮膜が強化されたことで，耐食性がより高くなっていた可能性が考えられる．
したがって，最表層部のCr量を人為的に高めることができれば，より高耐食で高品質な車両が製造でき，次世代ステンレス鋼製車両「sustina」の優位性をさらに高めることができると考えられる．このためには，最表層部のCr量を高める方法を確立し，耐食性向上効果について検証した後，車両構体へ実用するための最適条件を構築していくことが課題である．

57

2016年12月