ステンレス鋼
フェライト系とオーステナイト・フェライト系は、オーステナイト系と比較すると応力腐食割れが生じづらい。ステンレス鋼の中で材料を選ぶならば、対応策としてはフェライト系やオーステナイト・フェライト系が選択肢となる。オーステナイト系の場合は、ニッケル含有量を 40 % 近くまで増やすと実用的なレベルまで耐応力腐食割れ性が高まるが、コストの面からこのような鋼種の選択は難しい。引張応力が大きいほど応力腐食割れは起きやすくなるので、引張応力ができるだけ加わらない設計や施工が望まれる。
水素脆性型応力腐食割れは、単に「水素脆化」や「水素脆性」とも呼ばれる。通常の腐食に起因した水素の侵入を原因とする水素脆性の場合は、その耐食性によって炭素鋼などよりもステンレス鋼の水素脆性は起きづらい。水素燃料機器の材料として、オーステナイト系ステンレス鋼が用いられることが多い。しかし、ステンレス鋼であって、腐食に起因した水素侵入ではないため高圧水素ガス環境下では水素脆性の可能性がある。高圧水素中の水素脆性評価によると、オーステナイト系 SUS316L やオーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼 A-286 などのオーステナイト安定度の高い鋼種が脆化しづらく、オーステナイト系 SUS304L やマルテンサイト系ステンレス鋼は脆化を示す。ただし、ステンレス鋼の水素脆性の機構自体がまだ未解明で、結論は得られていない。
異種金属接触腐食とは、異なる種類の金属が接触するときに電池が形成され、電極電位が低くなる方(卑な方)の金属で腐食が進む現象である。不働態化したステンレス鋼は、海水中の腐食電位列に代表されるように、鋼、鋳鉄、銅合金といった他の実用構造材料に対して電極電位の高い側(貴な側)となりやすい。そのため、異種金属接触腐食が起こる場合も、ステンレス鋼側の腐食よりも相手材料側の腐食が問題となることが実用上は多い。
異種金属接触腐食への影響要素としては、両金属の腐食電位列上の関係や面積の比率、電解質溶液の電気伝導率や流速が関係する。特に重要なのが面積比率で、接触する両金属の内の卑な金属の面積が、貴な金属の面積よりも小さければ小さいほど腐食が進展しやすくなる。よくある例はステンレス鋼板を普通鋼のボルトで締結したような事例で、ステンレス鋼板側が貴かつ面積大の状態で、普通鋼ボルト側が卑かつ面積小の状態であるため、ボルトの著しい腐食が起こり得る。
高温の気体の作用で起こる腐食現象の乾食、あるいは高温で起こる腐食現象全般の高温腐食についても、汎用金属材料の中ではステンレス鋼は優秀な耐性を持つ材料だといえる。乾食は、発電所、石油化学プラント、自動車排ガス装置などの高温装置で関係し、主に「高温酸化」と「高温ガス腐食」に分類される。
鉄鋼材料を高温大気中に長時間さらすと、ぼろぼろの表面となることがある。このような現象を高温酸化という。高温大気環境中で生じる酸化現象で、空気中や酸素中の他に水蒸気中や二酸化炭素中でも生じる。ステンレス鋼は高温酸化にも優れた耐性を示す。ステンレス鋼の耐酸化性の源は主にクロムによるもので、クロム含有量が多いほど高温酸化への耐性も向上する。高温酸化が激しくなって使用が困難になる温度が炭素鋼では 500 °C 程度といわれるのに対して、ステンレス鋼では鋼種にもよるが 1000 °C 程度となる。
高温での耐酸化性や耐食性の源は、表面に形成される保護皮膜による。この皮膜は保護性を持つ点では不働態皮膜と同じだが、組成も異なり厚みも大きく、不働態皮膜とは別物である。ステンレス鋼のクロムが 20 % 以上の高含有量になると、酸化クロム(III)(Cr2O3)で出来た保護性のある酸化物皮膜が表面を緻密に覆う。この酸化物皮膜中では金属イオンや酸素イオンの拡散が非常に遅く、ステンレス鋼の高い耐酸化性が得られる。ただし、18 % 未満程度のクロム含有量が低い場合は、緻密で連続した Cr2O3 皮膜は形成されず、FeCr2O4 や Fe(Fe,Cr)2O4 の皮膜が形成されるに留まる。しかし実用的には、SUS410 のような11%クロムステンレス鋼や SUS430 のような17%クロムステンレス鋼も 800 °C ないし 850 °C を使用限度温度として高温酸化環境で使われている。
保護性の Cr2O3 皮膜が欠損・剥離を起こした場合でも、クロム含有量が高ければ直ちに Cr2O3 皮膜を再生できる。他の合金元素としては、ケイ素が耐酸化性を著しく改善する。添加されたケイ素は皮膜層と母材の界面に二酸化ケイ素として塊状または連続層として存在し、Cr2O3 皮膜の形成を助力する。アルミニウムにも大きな改善の効果があるが、クロムとアルミニウムの含有量によって効果が異なり、その挙動は複雑である。例えば クロム 14 % を含むものに対して 0.8 % から 2.0 % のアルミニウムを添加すると、酸化アルミニウム(Al2O3)の皮膜が Cr2O3 皮膜の下に形成される。Al2O3 皮膜自体は緻密で保護性が高いが、この場合は皮膜の剥離を誘発して酸化速度がむしろ大きくなる。さらにアルミニウム濃度が高くなれば、最外層に Al2O3 皮膜が形成されるようになり、酸化速度が著しく小さくなる。逆にアルミニウム含有量が 0.3 % 程度の場合も、Al2O3 粒子が Cr2O3 皮膜の下に分散、内部酸化層となって、酸化速度を減少させる。
上述のように、高温酸化は水蒸気雰囲気中でも生じる。水蒸気中で起こる高温腐食を特に「水蒸気酸化」と呼ぶ。火力発電のボイラーで 500 °C から 650 °C の高温蒸気に晒される管内面などで問題となる。水蒸気酸化の進行は、水蒸気の解離によって発生した酸素分子によって、または水蒸気と鉄の直接反応によって進行するといわれる。水蒸気酸化では、同時発生する水素が皮膜に欠陥を作り、さらに、そこまで温度が高くないため保護皮膜が一様に生成されにくいことや酸素の供給が不十分なことによって、水蒸気酸化中での酸化皮膜は不完全で保護性が低くなりやすい。水蒸気酸化性に大きな影響を持つ合金元素はクロムで、多量添加によって水蒸気酸化への耐性を向上できる。
大気環境以外で生じる乾食は高温ガス腐食と呼ばれる。ステンレス鋼に関わる代表的な高温ガス腐食が、高温硫化、浸炭、窒化、ハロゲンガス腐食などである。
高温硫化は、硫化水素ガスや亜硫酸ガスなどの雰囲気中で起こる。高温硫化の挙動は、高温酸化と同じように、表面にできる皮膜の生成と成長に支配される。高温硫化における皮膜は硫化物によって形成されるが、格子欠陥が多くてイオンが拡散しやすいため、この硫化物皮膜には高温酸化における酸化物皮膜のような保護力はない。実用合金全般を見渡しても、硫化水素ガス雰囲気中での最大の耐用温度は 600 °C が限界といわれる。クロムの添加は硫化を抑制する効果があるため、ステンレス鋼の耐高温硫化性は炭素鋼よりは優れている。クロムの他にはアルミニウムやケイ素の添加が有効で、硫化速度減少の効果を示す。
浸炭は、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素などの高温ガス雰囲気中で起こる現象で、炭素原子が内部に拡散して炭化物を形成する。窒化は、アンモニア雰囲気などの窒素を含む高温雰囲気中で起こる現象で、窒素原子が内部に拡散して固溶体や窒化物を形成する。浸炭も窒化も材質を脆化させたり、クロム欠乏帯をつくり異常酸化の原因となったりする。浸炭に有効な合金元素には、保護性のある酸化物を形成するクロムとケイ素、炭化物を形成しないニッケルが挙げられる。窒化の場合は、特に有効な合金元素はニッケルで、ニッケル含有量が多いほど耐窒化性が増す。
ハロゲンガス腐食は塩素ガスや塩化水素ガス中で起こる腐食で、激しい腐食性を示す。塩素ガスや塩化水素ガスとの反応で生成される塩化物は低融点で容易に昇華するため、ハロゲンガス腐食の腐食速度は大きい。SUS304の例で、塩素ガス中での耐用温度が約 310 °C、塩化水素ガス中での耐用温度が約 400 °C である。
ステンレス鋼の機械的性質も、その組織の状態と組成によって様々に変わる。多くの種類のステンレス鋼が存在するように、ステンレス鋼の機械的性質も幅広い。一般に、鉄鋼材料の強度・硬度を高める原理には、次の5つがある。
添加された元素の原子が材料中に固溶されることにより、母材格子にゆがみが起こり、転位の運動が妨害されて強度が高まる機構。
転位強化ともいい、塑性加工によって組織中の転位を意図的に増大させ、転位同士がその運動を妨害することで強度が高まる機構
分散強化ともいい、合金炭化物や金属間化合物の第2相が微細に分散して母相中に析出することで、転位の運動の障害となって強度が高まる機構。
細粒化強化ともいい、多結晶体中の結晶粒サイズを小さくすることで強度が高まる機構。降伏応力を上昇させ、延性-脆性遷移温度を低くする。
基礎的な強化機構というより、上の4つが重ね合わさった強化機構である。マルテンサイト変態が起きることで、上記4つの強化機構を同時に実現し、高強度化される。特に炭素を過飽和に含有することによる固溶強化が大きい。
いずれの強化機構も、塑性変形の基となる転位の運動を妨げることで材質を高強度化させる。ステンレス鋼の強度も、これらの強化機構を基礎とする。一方、材質を高強度化すると、一般的に延性・靭性が低下する。延性・靭性が低下すると、材料が破壊されるときに脆性破壊となる。機械・構造物の安全使用の観点からは、強度が高いことだけでなく、靭性が大きいことも望ましい。
ステンレス鋼の機械的性質を評価するのに用いられる指標は、0.2%耐力、引張強さ、伸び、絞り、硬さ、衝撃強さなどである。これらの内の0.2%耐力、引張強さ、伸びは引張試験で測定できる代表的な材料特性で、0.2%耐力は材料の降伏点を代表する 0.2 % の塑性ひずみを起こす応力を、引張強さは材料の強さを代表する最終的な破断を起こす応力を、伸びは材料の延性を代表する破断までに材料が伸びる変形の程度を表す。常温におけるステンレス鋼の各代表的鋼種の0.2%耐力、引張強さ、伸びの例を下記に示す。
ステンレス鋼の中で引張強さ 1000 MPa を超える高強度の鋼種には、マルテンサイト系、析出硬化系、加工硬化させたオーステナイト系の3つがある。マルテンサイト系では、焼入れでマルテンサイト組織となり、強く硬い組織となっている。通常は焼入れ後に焼戻しも行い、マルテンサイト系の最終的な機械的性質は焼戻し温度によって変わる。高炭素鋼種 AISI 440C の例では、2000 MPa 近い引張強さを得ることもできる。析出硬化系は、時効処理によって微細第2相を分散析出させる析出硬化機構によって高い強度・硬度を得ている。マルテンサイト系と比較すると、含有炭素量を減らせるので、耐食性や靭性をそれほど落とさずに済む。オーステナイト系は加工硬化度が大きく、さらに準安定オーステナイト系では塑性変形が加わると加工誘起マルテンサイト変態が起こるため、圧延加工を加えることで高強度・高硬度の特性が得られる。加工硬化で高強度化させた後でも十分な延性・靭性を保っているのも、加工硬化させたオーステナイト系の特徴である。
フェライト系、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系の3つには、熱処理による硬化性がない。フェイライト系は焼なまし状態で使用され、オーステナイト・フェライト系と加工硬化させない場合のオーステナイト系は固溶化熱処理状態で使用される。低炭素鋼と比較すると、フェライト系の降伏応力と引張り強さは少し高めである。フェライト系と比較すると、オーステナイト系は降伏応力が低めで、引張り強さが高めである。オーステナイト・フェライト系の引張強さと降伏応力は、フェイライト系とオーステナイト系よりも高めである。これは、含有元素の影響と、オーステナイト・フェライト系の結晶粒サイズが微細なため起きる粒界強化によるものである。ステンレス鋼の中では、焼きなまし状態のフェライト系のみが応力-ひずみ曲線上で明確な降伏点を示し、他の鋼種は明確な降伏点を示さない。
ステンレス鋼の延性・靭性については、オーステナイト系が特に優れている。炭素鋼やフェライト系の伸びが 20–30 % 程度であるのに対し、固溶化熱処理状態のオーステナイト系の伸びは 45–55 % という値を示す。靭性の指標である衝撃強さにおいても、オーステナイト系が優れた値を示す。
金属が高温環境下に置かれると、一般的に変形抵抗が低下する。しかし、ステンレス鋼は高温でも比較的高い強度を保つことができ、上述のように高温環境下での耐酸化性や耐食性に優れることから、耐熱用途に幅広く利用される。JISでもいくつかのステンレス鋼の鋼種をそのまま耐熱鋼の鋼種として規定しており、ステンレス鋼は耐熱鋼の一種でもある。
オーステナイト系とフェライト系の2つが、耐熱用に供されるステンレス鋼の主流となっている。代表的な耐熱ステンレス鋼でいえば、常温での降伏応力はオーステナイト系よりもフェライト系の方が高いが、およそ 600 °C 以上の降伏応力はフェライト系よりもオーステナイト系の方が高くなる。そのため、より高温で使用する場合はオーステナイト系が、それ以外ではフェイライト系が重宝される。
オーステナイト・フェライト系は、600 °C 以上では、オーステナイト系とフェイライト系の中間的強度を示す。高温強度を向上させる場合、ニオブ、窒素、ケイ素、モリブデン、銅、タングステンなどの固溶強化元素の添加が行われる。マルテンサイト系にもモリブデン、バナジウム、タングステンなどの添加で高温強度を高めた鋼種があり、限定的ながらも強度が必要な個所で使用される。
一般の炭素鋼と同様に、フェライト系、マルテンサイト系が低温環境に置かれると靭性が低下し、脆性破壊を起こすようになる。靭性が著しく低下する温度を延性-脆性遷移温度といい、フェライト系 430 の例では、室温から約 −70 °C までの間で衝撃強さが急激に低下する。しかし、オーステナイト系はこのような低温時にも高い靭性を保つ。鋼種にもよるが、オーステナイト系は −200 °C 以下の極低温でも使用できる。オーステナイト・フェライト系は、低温時に脆性破壊を起こすが、フェライト系よりは延性-脆性遷移が緩やかに起きる傾向にある。
ステンレス鋼の物理的性質は金属組織の種類によってほぼ決まり、さらに合金元素添加量が影響する。フェライト系とマルテンサイト系が類似した物理的性質を持っており、オーステナイト系の物理的性質はそれらとは異なる傾向を持つ。析出硬化系も、最終的に母相がマルテンサイト組織となる鋼種であれば物理的性質はフェライト系とマルテンサイト系に類似する。オーステナイト・フェライト系の物理的性質は、オーステナイト系とフェライト系のおおむね中間に位置する。ステンレス鋼の物理的性質の例を、下記の表に示す。
質量と体積の比である密度は、ステンレス鋼の種類の中で違いは小さく、各々の組成でほとんど決まる。軟鋼と比較すると、ニッケルを多く含むオーステナイト系の密度がやや大きい。ニッケルを主合金元素としないフェライト系とマルテンサイト系は、軟鋼よりもやや小さい。モリブデンのような重い元素を合金元素として含めば含むほど、密度は大きくなっていく。
熱が伝わったときの温度変化の程度を示す比熱も、ステンレス鋼の種類間の違いは小さい。クロム系ステンレス鋼の比熱が軟鋼とほぼ同等で、クロム・ニッケル系が軟鋼よりもやや大きい。
熱の伝わりやすさを示す熱伝導率については、金属材料全般の中でもステンレス鋼の熱伝導率は小さいといえる。フェライト系とマルテンサイト系の熱伝導率も炭素鋼より小さく、オーステナイト系の熱伝導率はさらに小さい。一般に金属の熱伝達は自由電子を通じて行われるため、金属中に不純物が存在すると、電子の運動を阻害して熱伝導率を低下させる。したがって、添加元素が多いほど熱伝導率が低下する。ステンレス鋼の場合、含有するクロムやニッケルによって熱伝導率が小さくなっている。
温度上昇時の体積膨張の割合である線膨張係数は、主に結晶構造によって決まる。フェライト系とマルテンサイト系は軟鋼に近い値を示すが、面心立方構造であるオーステナイト系はそれらの約1.5倍の線膨張係数を示す。オーステナイト・フェライト系の線膨張係数は、フェライト系とオーステナイト系の中間程度となる。
物質の電気抵抗の大きさを示す比電気抵抗についても、その原理は熱伝導率と同じで、含有元素が多くなると抵抗が大きなる。金属材料全般の中でもステンレス鋼の比電気抵抗は大きいといえる。このため、ステンレス鋼は導電用材料には向かない。比電気抵抗はおおよそ熱伝導率と反比例の関係にあるが、析出硬化系は析出硬化熱処理によって組織が複雑化した影響で比電気抵抗がやや大きくなる。
弾性変形に対する抵抗の大きさを示すヤング率は、ステンレス鋼は全般的に軟鋼とおおむね同じである。組成や組織の違いよるヤング率への影響は小さく、ステンレス鋼の中での鋼種間の違いは小さい。非鉄金属材料と比較すると、ステンレス鋼のヤング率は高い部類に入る。
一般的な鉄鋼材料は強磁性材料で、いわゆる磁石にひっつく材料であるが、面心立方格子構造であるオーステナイトは常磁性材料で、強磁場中でもごくわずかにしか磁化しない。このため、オーステナイト系は非磁性材料である。一方、フェライト系やマルテンサイト系は、一般的な鉄鋼材料と同様の強磁性材料である。ただし、オーステナイト系も、加工誘起マルテンサイト変態が起こると磁性を帯びるようになる。オーステナイト・フェライト系は、磁性の強さはフェライト量比率によって変わるものの、基本的に強磁性材料である。
また、機械的性質と同様に、温度によって物理的性質は変化する。低温になるほど、電気抵抗、熱膨張係数、熱伝導率、比熱は小さくなる。密度とヤング率は、低温になるほど大きくなる。
ステンレス鋼の原料には、鉄の他に、合金元素として大量のクロムを必要とし、さらにニッケル、モリブデン、マンガン、チタンなども使う。主な合金元素であるクロムとニッケルは、主にフェロクロムとフェロニッケルとして、またはスクラップとして供給される。フェロクロムとフェロニッケルは合金鉄の一種で、採掘されたクロム鉱石またはニッケル鉱石から製造される。合金鉄は、不純物である炭素が取り除かれている低炭素なものほど価格が高くなる。しかし、後述する精錬技術の発達により、廉価な高炭素フェロクロムと高炭素フェロニッケルも、現在ではステンレス鋼の原料として多量に利用可能になっている。クロムもニッケルも資源が世界に偏在しており、需要供給バランス、産出国の経済情勢、国際紛争、為替レート変動などによって原料価格が大きく変動するため、これら原料の安定確保とコストダウンがステンレス鋼メーカーにとっての課題である。
ステンレス鋼はリサイクルしやすい材料であり、ステンレス鋼スクラップの回収率は高い。2006年の調査によると、生産された約2800万トンのステンレス鋼の内、その原料の約 60 % がステンレス鋼スクラップを利用できている。市場から回収されたスクラップの他に、ステンレス鋼製造過程で生じたスクラップも回収・利用されている。特にオーステナイト系は、高価な合金元素を多く含み、磁性を持つため分別しやすいため、スクラップ活用が進んでいる。
原料としての鉄には、ステンレス鋼スクラップの他に、普通鋼のスクラップも活用されている。集められたスクラップは使用前に成分検査や放射能探知検査が行われる。スクラップは割安だが、価格変動も大きく、供給が不安定といった面もある。
高炉を持つ銑鋼一貫製鉄所がステンレス鋼を製造する場合は、高炉で銑鉄を製造し、予備処理した上で銑鉄をステンレス鋼の原料として用いる場合もある。また、フェロクロムではなく、安価なクロム鉱石を直接の原料にして製鋼する方法も開発・実用化されている。
原料はまず炉で溶解される。ステンレス鋼製造で用いる溶解炉は、電気アーク炉が一般的である。ステンレス鋼スクラップ、フェロクロム、フェロニッケルなどの主原料が電気炉に装入されて溶解される。電気炉内に強力なアークが発生し、原料を溶解する。アーク熱は 3000 °C から最大 3500 °C に達し、原料はおよそ 1550 から最大 1800 °C まで昇温されて溶解される。電気炉の大きさは、一回のチャージ当たり 30 トンのものから最大で 160 トンのものまである。
高炉を持つ銑鋼一貫製鉄所がステンレス鋼を製造する場合は、電気炉ではなく、高炉で溶銑を造り、ステンレス鋼を製造する。高炉による製造は大量生産に向いている。しかし、電気炉によるステンレス鋼製造がクロム系にもクロム・ニッケル系にも利用されているのに対して、高炉によるステンレス鋼製造はクロム系に限られている。高炉法ではニッケルの溶解が難しく、クロム・ニッケル系では電気炉法よりも効率が悪い。高炉の溶銑は数%のレベルで炭素を含有しているような状態であるため、「溶銑予備処理」と呼ばれる工程を本格的な精錬前に行う。溶銑予備処理では、炭素に加えてリンや硫黄の除去も行う。ステンレス鋼では、リンがクロムの活量を低下させるため、溶銑の段階で脱リンしておくことが溶銑予備処理の重要な意義の一つといえる。
溶解の後には、化学組成を調整する精錬と呼ばれる工程が行われる。精錬工程では不純物を除去するが、ステンレス鋼にとっての最大の不純物が炭素である。効率的に脱炭することがステンレス鋼製造における重要なポイントで、このための技術開発が過去から行われてきた。ステンレス鋼の基本的な脱炭は、おおまかに以下のような過程から成る。
酸素ガスを溶鋼に吹き込み、鋼中のクロムが酸化反応を起こす
生成されたクロム酸化物が鋼中の炭素と反応を起こし、一酸化炭素ガスの生成とクロムの再生成が起きる
一酸化炭素ガスを除去し、溶鋼中からの炭素除去を達成する
しかし、ステンレス鋼特有の高濃度のクロムによって、溶鋼中の炭素の活量は下がっており、一般的な炭素鋼と比べて脱炭が進まない。特に低炭素域ではクロムは炭素と優先して結合し、脱炭反応が阻害される。普通に脱炭を進めると、クロムが多量に酸化してスラグ中に入ってしまう。クロムをスラグから回収するために、高価なフェロシリコンを要することになる。このような事態を避け、効率良く脱炭を進める方法として、脱炭反応時に生じる一酸化炭素ガスの圧力(分圧)を下げることで、クロムの酸化を抑制しながら脱炭反応を進める手法が現在では採用されている。この原理にもとづく精錬法が、AOD法、VOD法、またはこれらを組み合わせた方法である。
AOD法は、Argon Oxygen Decarburization の略で、大気中の溶鋼にアルゴンと酸素の混合ガスを下部から吹き込み、アルゴンガスによる希釈によって脱炭時の一酸化炭素ガス分圧を下げて脱炭する方法である。AOD法の長所は、溶鋼の炭素含有量が高くても脱炭が可能な点である。これによって安価な原料が使用可能で、生産性が高い。VOD法は、Vacuum Oxygen Decarburization の略で、溶鋼を真空減圧下に移して酸素ガスを吹き込み、脱炭時の一酸化炭素ガス分圧を下げて脱炭する方法である。VOD法の場合は、ある程度低いレベルの炭素含有量にしてから適用する必要があるが、一方で最終的な炭素含有量をより低いレベルにすることができる。各精錬過程では、脱炭のほかに、窒素、水素、硫黄、酸素、リンなどの不純物除去や介在物制御も行われる。ステンレス鋼にAOD法またはVOD法を適用したときの、おおよそ精錬レベルの目安を以下の表に示す。
具体的な工程としては、溶解された原料は転炉で精錬され、その後AOD炉やVOD炉などで炉外精錬が実施される。ただし、電気炉法で溶解された場合は、ある程度の精錬がすでに完了しているので転炉での精錬を省略することが多い。VOD法を採用するときには、VOD法適用前に溶鋼の炭素含有量をある程度のレベルまで下げる必要があるため、電気炉法でも転炉での精錬を工程に加えることがある。高炉法で溶解した場合は、ほぼ必ず転炉での精錬を行う。炉外精錬での脱炭完了後には、「仕上げ精錬」と呼ばれる同じ炉のまま所望の組成へ調整する作業が行われる。
精錬を終えた溶鋼は、鉄鋼メーカーから出荷される最終製品形状に適した形へ冷やし固められる。この段階で冷やし固められたものを半製品と呼び、厚板や圧延材生産用のスラブ、形鋼生産用のブルーム、棒材・線材やパイプ生産用のビレットがある。この工程を鋳造といい、大きく分けて造塊法と連続鋳造法の2つがある。造塊法は、インゴットと呼ばれる型に溶鋼を注入して固め、再加熱・圧延して半製品を作る方法である。過去のステンレス鋼は主に造塊法で造られていたが、生産効率の高い連続鋳造法が実現されてからは、一部の特殊な鋼種を除いてほとんどのステンレス鋼が連続鋳造法で製造されている。
連続鋳造の過程に他と異なるステンレス鋼特有の要素はないが、表面品質が特に要求されるステンレス鋼では品質重視の操業が特徴といえる。連続鋳造では、取鍋に入れられて精錬炉から供給される溶鋼が、タンディッシュと呼ばれる容器へ一旦移される。タンディッシュでは、溶鋼中の有害な非金属介在物を浮かび上がらせて除去する。タンディッシュから出た溶鋼は、冷却された鋳型に通され、さらに冷却スプレーを浴びせられ凝固する。凝固したステンレス鋼を、その下に配置されているローラーが連続的に引き抜き、切断機まで送り出す。切断機で所定の長さに切断して、長方体や角材の形の半製品となる。
ステンレス鋼の板や帯を生産する場合、スラブを圧延することによって造られる。ステンレス鋼生産の中でも、鋼板および鋼帯の生産量が圧倒的に多い。圧延とは、回転する2つの円柱(ロール)に材料が挟み込みながら薄く引き伸ばす工程で、材料を再結晶温度以上に加熱する圧延する熱間圧延と、再結晶温度以下(通常は常温)で圧延する冷間圧延がある。
スラブは通常 100 mm 以上の厚みがある。冷間圧延は被加工品が厚いと圧延できないため、スラブはまず熱間圧延される。ステンレス鋼の場合、スラブ表面の欠陥が熱間圧延後も残ってしまうので、熱間圧延前にはグラインダー等でスラブ表面を研削して表面欠陥を前もって除去する。傷取りされたスラブは加熱され、圧延機に通される。熱間圧延機には、タンデムミルやステッケルミルが用いられている。タンデムミルは生産性が高く、普通鋼と兼用する場合などに使われる。ステッケルミルは初期コストが小さい長所があり、ステンレス鋼専用で生産する場合などに使われる。
熱間圧延を終えると、鋼種に応じた適当な熱処理が施され、さらにスケールを除去するために酸洗が行われる。このときの熱処理は、組織の再結晶化と炭化物の固溶化などを目的とする。この状態で製造完了として出荷する場合もある(#圧延仕上げも参照)。熱間圧延で可能な最小板厚は 3 mm 程度が限度で、さらに薄くする場合や、表面を美麗に仕上げる場合は冷間圧延が行われる。冷間圧延で問題となるがステンレス鋼の変形抵抗の高さで、特にオーステナイト系が著しい加工硬化を起こす。このため、20段式ゼンジミアミルがステンレス鋼の冷間圧延に用いられる。ゼンジミアミルは、ワークロールを小径にして大きな圧力によって圧延を可能とし、中間ロールがワークロールのたわみを抑え、強固なハウジングで多段ロールを支える構造を持つ。フェライト系などに対しては普通鋼用の冷間圧延設備を使用する場合もある。
冷間圧延後は、熱処理と酸洗をまた行い、必要に応じて表面仕上げ用の冷間圧延を再度行う。冷間圧延後の熱処理の主な目的は圧延組織の再結晶化である。表面光沢の良い製品にするために、光輝焼なましと呼ばれる無酸活性雰囲気中での熱処理を行う場合もある。この場合はスケールの発生を防げるので、酸洗を省略して圧延ままの光沢を維持できる(#圧延仕上げも参照)。これらの工程の後、研磨、形状修正、脱脂、検査、裁断、梱包などを経て製品が出荷される。ステンレス鋼の場合は外観に対する要求水準が高いため、メーカーと購入者の間で外観の限度見本を取り交わすこともある。