ステンレス鋼の歴史
VOD法とは、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ることによって効果的に脱炭する方法である。クロム・鉄合金に対して真空を利用して脱炭する方法は、1939年のドイツのアレクサンダー・ヴァッカーの特許まで遡る。この特許の中でヴァッカーは、酸素脱炭法では高炭素フェロクロムを 0.45 % 以下に脱炭することは困難だが、減圧下では外部加熱無しで 0.06 % まで脱炭できることなどを述べており、VOD法の基礎アイデアに到達している。ただし、このアイデアを実際に工業的に活用するには、第二次世界大戦を経た真空処理の工業技術の発展を待つ必要があった。大戦後も真空利用の脱炭法の開発はドイツで進み、ボーフマ・フェアアインが鉄鋼材料に対して真空処理による脱炭精錬法を1952年に初めて実用化させた。これによって、原料から溶鋼を作る炉とは別に器を用意し、そこに溶鋼を移して精錬を専ら行わせる炉外精錬という手法も初めて実用化された。その後、西ドイツのエデルシュタールヴェルケ・ヴィッテン社が1957年ごろからステンレス鋼製造を進めてきた。エデルシュタールヴェルケ・ヴィッテン社は、転炉での酸化還元、真空処理による脱炭、真空処理中の鉱石法といった試行錯誤を経て、VOD法の手法へ至った。1967年、エデルシュタールヴェルケ・ヴィッテン社は真空機器メーカーのシュタンダード・デュイスブルク・メソ社と共同開発したVOD法を発表した。
AOD法とは、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、効果的に脱炭する方法である。AOD法を発明したのは、米国のユニオンカーバイド社の研究員だったウィリアム・クリフスキーである。クリフスキーは、クロム・炭素・鉄系の熱力学的平衡値が先行研究同士で異なっていることに気づいた。この差異を検証する過程で、酸素の発熱反応を抑えるつもりでアルゴンガスで酸素を希釈して吹き込んだところ、とても低い濃度まで脱炭が達成された。これがAOD法の原理の発見となった。研究所内での追試を経て、AOD法の基本となる特許が1956年に出願された。1960年、ユニオンカーバイド社はより大きな炉を使って実験するためにステンレス鋼メーカーのジョスリン・ステンレス・スチールと提携関係を結び、実用化に向けて歩を進めた。実用化にあたってはアルゴン・酸素混合ガスの吹き込み口の構造に苦心したが、二重管構造を採用することで最終的に解決した。1968年、ジョスリン・ステンレス・スチールにてAOD法による商用生産が開始され、AOD法が実用化された。
実用化されたVOD法とAOD法は、炉外精錬という新たな工程の追加への抵抗や効果への疑問などを最初は持たれたが、数年内に他メーカーから採用され、世界的に広まっていく。VOD法とAOD法の登場により、ステンレス鋼の生産能力・品質は大きく向上し、ステンレス鋼の製造コストは一般の人々の身近でも利用可能な水準となった。
溶解・精錬が終わった溶鋼は、最終製品に応じた形の半製品と呼ばれる塊へと冷やし固められる。現在の製造工程では、ほとんどのステンレス鋼は、溶鋼から直接・連続的に凝固させる連続鋳造で造られている。連続鋳造法実用化以前、ステンレス鋼の製造が小規模だったころは、割り型の器に溶鋼を注入してインゴットという塊をつくる方法が一般的であった。1960年代以前までは、インゴットを再加熱し、圧延機やプレスで成形して半製品にしていた。しかし、当時のステンレス鋼の溶鋼工程が進化を遂げたこともあって、造塊工程にも合理化・省力化が望まれていた。
連続鋳造法のアイデアは既に19世紀に発案され、非鉄金属での実用化は進んでいたが、鉄鋼材料に対する適用は進んでいなかった
。近代的な連続鋳造法の基礎を確立したドイツのジークフリート・ユンハンスが、1947年ごろから鉄鋼材料に対しても実用化が試みている。その後鉄鋼材料でも連続鋳造が実用化され始めるが、鉄鋼材料の中でもステンレス鋼への連続鋳造法適用は早かった。ステンレス鋼分野での連続鋳造は普通鋼分野よりも先に普及し、「連続鋳造の工業化はむしろステンレス鋼に始まる」ともいわれる。ステンレス鋼用の初の大掛かりな連続鋳造機は、カナダのアトラス・スチールによって導入された。1954年、アトラス・スチールがスラブ用の垂直型連続鋳造機を初めてステンレス鋼用に工業化した。その後1955年、日本の住友金属工業がビレット・ブルーム用の連続鋳造機を運転開始し、ステンレス鋼を製造した。これは、日本初の連続鋳造機運転開始であり、日本初の連続鋳造によるステンレス鋼製造でもあった。その後もステンレス鋼の連続鋳造の普及は日本が先行し、続いて北米、ヨーロッパ、発展途上国の順で普及していった。
ステンレス鋼で連続鋳造の普及が普通鋼分野よりも先行した理由としては、
ステンレス鋼の主な生産鋼種であった18-8ステンレス鋼は凝固過程で変態を起こさないため、冷却時に割れが起こりにくく扱いやすかった
ステンレス鋼は高価な材料だったため、連続鋳造による歩留まり向上の効果が相対的に大きかった
当時は連続鋳造は少量生産用設備という位置付けで、これが当時のステンレス鋼の生産規模と合致していた
といったことが挙げられる。連続鋳造の登場によってステンレス鋼の生産性は向上し、さらに材料中の成分の偏りが少ない品質の良いステンレス鋼を造ることができるようになった。
固められて半製品となったステンレス鋼は、通常の板材であれば、その後に熱間圧延、冷間圧延が行われ、最終的な厚みの形状となる。ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼は加工硬化が大きく、このような材料をいかにして効率よく冷間圧延するかがステンレス鋼製造上の要点の一つである。硬い材料を冷間圧延にするには圧延機のバックアップロールを大きくすることが有効だが、一方でそうすると圧延機が巨大化するデメリットがある。普通鋼、銅、アルミといった金属材料の冷間圧延については、1920年以降に4段圧延機が普及して役割を果たしていた。ステンレス鋼の冷間圧延については、4段圧延機のまま応用するとバックアップロールを大きくせざるをえないので、バックアップロールを4本にして省スペースにした6段圧延機を使用していた。しかし、ワークロールの径の縮小に限界があったため、圧延圧力を充分に上げることができなかった。
6段圧延機の問題を解決するために、ドイツのヘレウス社のW・ローンが12段または20段の圧延機を発明し、1930年に特許を取得した。この圧延機の考え方をさらに発展させて、ポーランドのタデウシュ・ゼンジミアが一体構造のハウジングを採用した軽量高剛性の20段圧延機を発明した。この圧延機は今日ではゼンジミアミルと呼ばれ、冷間圧延鋼板を中心にステンレス鋼製造をめざましく発展させることになる。1948年に、米国のワシントン・スティールがゼンジミアミル ZR 23-37 を導入し、ゼンジミアミルの生産性の高さが実証された。その後、ゼンジミアミルは1953年にイギリスと日本へも導入され、1950年代後半から1960年代にかけてカナダと他のヨーロッパ諸国へ導入された。
ゼンジミアミルの導入はステンレス鋼冷間圧延薄板の生産を一変させ、生産効率を革新的に向上させた。ゼンジミアミルの性能は、中間焼なましされていない厚さ 3.2 mm の18-8ステンレス鋼を一回の圧延で厚さ 0.4-0.3 mm まで落とせるほどだった。それまでのステンレス鋼薄板では、板材を何度も圧延機に通して薄板にしていたこともあったが、ゼンジミアミル導入後は、連続した帯のまま薄板を作り、後から所望の長さに切り分けることができるようになった。ゼンジミアミルの実用化は高価で貴重な材料だったステンレス鋼薄板を手ごろなものにし、耐久消費財の分野でもステンレス鋼薄板の本格的な利用が始まった。
1950年から1990年までの西側世界での統計によると、1950年時点の西側世界ステンレス鋼生産量合計は粗鋼ベースで約100万トンに達していた。その後も生産量は堅調に伸び続け、1988年に西側世界のみで1000万トンを超えた。昔の東側世界の統計は明らかではないが、ソ連が市場経済への転換を始めた1988年までは、西側世界と同じように東側世界のステンレス鋼生産量も増加傾向にあったとみられる。1982年から1990年までの東側世界生産量の報告値によると、東側世界総計はピークの1986年で約200万トン、1990年は約160万トンであった。ステンレス鋼生産量は1990年以降も増産傾向が続き、2018年には全世界で約5000万トンに達している。
1950年から1990年までの西側世界ステンレス鋼生産量(粗鋼ベース)の推移
2001年から2018年までの全世界ステンレス鋼生産量(粗鋼ベース)の推移
各国別では、1950年のステンレス鋼生産量一位は米国で、全生産量の 42 % を占めていた。その後、日本が急激に生産量を伸ばし、1970年にはシェア 33 % を占め、米国を抜いて生産量一位となった。1974年に米国の生産量が日本を抜いて生産量一位に一旦戻ったが、翌年から日本の生産量がまた一位になり、それから長い間その状態が続いた。
1990年代になると、韓国や台湾などの成長率が伸び始める。2000年代に入ると、ベルギーやフィンランドなどでも生産が増加している。特に、21世紀に入ってからは中国(中華人民共和国)の生産量が急激に増加し、2006年に日本を抜いて生産量一位となった。インドも生産量を伸ばし、2016年に日本を抜いて生産量二位となった。2018年現在も中国が生産量一位で、世界の生産量の半分に達している。
2017年の国・地域別ステンレス鋼年間生産量(100万トン以上)
第二次世界大戦中の戦闘機でも、第一次世界大戦と同じくエンジンバルブや排気系にステンレス鋼が利用された。第二次世界初期、航空機用アルミニウムの不足が心配されており、米国政府はアルミニウム以外の材料を使った航空機の可能性を探していた。この需要を見据えて、ステンレス鋼製鉄道車両で知られる米国のバッド社は、米国海軍向けにステンレス鋼製ボディの貨物機RB-1を開発した。1943年に完成して試験飛行が成功した後、25機が製造されたものの、米国海軍に注文を打ち切られ、RB-1が日の目を見ることはなかった。
自動車分野でも、1965年ごろから排気系部品をステンレス鋼に置き換える動きが始まり、排ガス規制が厳しくなる1980年代になると軽量化の達成と合わせて多くの排気系部品がステンレス鋼製となって現在に至っている。自動車の装飾用モール材でもステンレス鋼が使われ始め、1950年代ごろから使用が増加した。一般化することはなかったが、ステンレス鋼をボディとして採用した自動車のデロリアンDMC-12が1981年に発表され、製造会社が倒産する1982年までに約9000台が造られた。
1954年には、ステンレス鋼製の水中ビデオカメラが初めて作られ、1956年には、ステンレス鋼製カミソリ刃が初めて販売された。1960年は、ステンレス鋼製タンクを初めて使用したケミカルタンカーが納入。1966年は、ステンレス鋼製タービンブレードを使った世界発の潮力発電所が完成。1978年には、割れやすいガラスをステンレス鋼に置き換えた家庭用高真空魔法瓶が初めて販売された。1970年代になると、家電製品、キッチン用品、流し台、洗濯機ドラムといった形で家庭内でもステンレス鋼を使った製品が一般化していった。耐久消費財としての利用が広がるに連れ、鏡面仕上げやヘアライン仕上げ、カラーステンレス鋼といった表面処理されたステンレス鋼材も広まっていった。
1950年代には、建築分野で金属材料とガラスから成るカーテンウォールが高層建築物に適用され始め、ステンレス鋼製カーテンウォールを使った高層ビルも現れ始めた。1930年に建設されたクライスラー・ビルディングは、1995年に検査が行われ、ステンレス鋼外装の状態が確認された。検査報告書によると、風雨による洗浄も手伝い、沿海地域に建てられたにも拘らず外装のステンレス鋼は良好な状態が保たれていた。1886年に建造された米国の自由の女神像では、1980年から大掛かりな検査が行われ、塗装方法の不味さなどもあって鉄製骨格構造の多くの箇所でさびが進行していることが判明した。1984年ごろから始まった修復工事で、自由の女神像の骨格はステンレス鋼に差し替えられた。
1950年代に実用化されたゼンジミアミル、1960年代に実用化されたVOD法・AOD法は、今日でもステンレス鋼製造の基本的方法として利用が続いている。1987年時点で、VOD炉は62基、AOD炉は90基、世界で稼働していた。現在に至るまでに、VOD法・AOD法を基にして種々の精錬法が各製鋼メーカーによって開発された。LD転炉を組み合わせた手法も確立している。現在のステンレス鋼の溶解・精錬方法は多種多様で、各メーカーがそれぞれの事情に適した手法を取っている。ゼンジミアミル実用化後は、特に日本の製鋼会社が意欲的に多数導入し、1960年代の日本のステンレス鋼生産急成長の源の一つとなった。1950年代から60年代にかけてゼンジミアミルの対応幅は 4 ft、5 ft と広がり、さらに圧延速度も上昇して、ステンレス鋼薄板の生産能力が向上した。広幅ゼンジミアミルの実用後は、冷間圧延後の焼鈍や酸洗といった工程も連続処理可能に進化していった。1990年ごろには、日本で板形状制御や高速化のために分割ハウジング型の12段圧延機なども登場した。
1930年代に実用化されたが溶接上の問題があったオーステナイト・フェライト系は、VOD法・AOD法実用化後の1970年代ごろに、低炭素化と窒素の精密添加によって溶接性の問題を克服した。この鋼種は汎用二相ステンレス鋼と呼ばれ、UNS規格 S32205 が1990年代初頭に二相系の標準として定着した。1990年代には高モリブデン・高窒素でさらに高耐食性のスーパー二相ステンレス鋼が開発された。2000年代には、さらに耐食性を高めたハイパー二相ステンレス鋼や低価格化を目指したリーン二相ステンレス鋼が実用されている。
1940年代に実用化された析出硬化系は、1949年、米国のアームコ・スチールが、クロム 17 %・ニッケル 4 %・銅 4 % を主成分とし、銅に富む相による析出硬化を利用した鋼種を開発した。この鋼種は"17-4PH"と呼ばれ、現在でも析出硬化系の代表的鋼種として広く使用されている。析出硬化系は最初は軍事用に利用され、米軍規格で規格化されたが、その後1963年にアメリカ鉄鋼協会で1965年にASTM規格で規格化され、汎用的に利用されるようになっていった。
フェライト系は、炭素・窒素の量が極小化された高純度フェライト系ステンレス鋼が実用化された。1970年ごろに、電子ビーム溶解法を利用して最初期の高純度フェライト系ステンレス鋼が実用化された。その後VOD法・AOD法によって高純度化が容易になり、耐食性、加工性、溶接性を向上させた高純度フェライト系はそれまでフェライト系が使用されなかった分野への利用を広げている。
オーステナイト系は、現在でも最も広く使われている鋼種である。オーステナイト系の高性能化は、米国のアレゲニー・ラドラム・スチールがクロム 20 %・ニッケル 25 %・モリブデン 6 % の "AL-6X" を実用化し。1973年に発電所の復水器の管に採用された。これが実用化された耐海水ステンレス鋼の最初といえる。その後、スウェーデンのAvesta Jernverks ABが、耐孔食性に優れ、製造の容易なクロム 20 %・ニッケル 18 %・モリブデン 6 %・銅 0.7 %・窒素 0.2 % の "254SMO"を実用化した。254SMOは、1977年にパルプの漂白プラントで採用され、優れた耐海水性を評価されて1979年に北海油田でも採用された。
一方で、ステンレス鋼が関係した著名な過去の不具合事例が、原子力発電所における応力腐食割れである。1965年、米国のドレスデン原子力発電所で、再循環系バイパス配管においてステンレス鋼の応力腐食割れが初めて報告された。この事象はこの発電所特有の事象と当初は考えられたが、1974年に米国の多くの原子力発電所で同じ事象が確認され、ステンレス鋼304系を使用している沸騰水型原子炉に共通する問題であることが判明した。1970年代中ごろ、この設計の沸騰水型原子炉を技術導入していた日本でも同様の事象が起きていることが判明し、米国と日本で重大な問題となった。最終的には新たな原子力用ステンレス鋼や溶接方法の開発と採用によって対策されたが、この事象への対策には、腐食研究史上でも最大規模の研究者数、研究費用、研究期間が投じられた。
また、ステンレス鋼に必要な合金元素が枯渇性資源であることも課題となっている。特にニッケルは、幅広く利用されるオーステナイト系の主要元素でありながら、長期的な安定供給に不安がある。1971年と1989年には、ニッケル価格の上昇に起因し、ステンレス鋼の世界ステンレス鋼生産量が落ち込んだ。2007年には、空前の高値までニッケル価格が高騰した。2003年ごろまでは1トン当たり 10,000 USドル弱のニッケル価格で落ち着いていたが、中国とインドのステンレス鋼需要の高まりなどによってニッケル不足がはやされ、2007年には1トン当たり約 52,000 USドルにまで達した。このときのニッケル高騰により、ステンレス鋼生産量は世界的に落ち込み、オーステナイト系の価格上昇や鋼材不足が引き起こされた。一方で、この出来事をきっかけにして省ニッケルまたはニッケルフリーの種類のステンレス鋼活用が進んだ。ニッケルを節約した鋼種の開発は、ステンレス鋼の現代的な課題の一つとなっている。
ステンレス鋼に関する規格は、1932年にアメリカ鉄鋼協会がステンレス鋼の種類を組成別に定めた公的規格を世界で初めて発行して以降、各国および国際規格で規格が制定されていった。日本産業規格を例にとると、1951年に最初に制定されたときのステンレス鋼種は
オーステナイト系:12種
マルテンサイト系:3種
フェライト系:1種
だったが、2019年現在の制定済み鋼種は
オーステナイト系:45種
マルテンサイト系:15種
フェライト系:16種
オーステナイト・フェライト系:6種
析出硬化系:4種
までに至っている。ステンレス鋼の国際的な定義も、1988年に世界税関機構によって「炭素 1.2 % 以下、クロム10.5 % 以上を含む合金鋼」と定められた。以降、この定義に準じて貿易統計が取られている。1996年には、各国のメーカーや協会から成る、ステンレス鋼業界の国際協会である「国際ステンレス鋼フォーラム (International Stainless Steel Forum)」が組織された。
ステンレス鋼は、ベンノ・シュトラウスとエドゥアルト・マウラーの発明を起点にして2012年に、ハリー・ブレアリーの発明を起点にして2013年に、生誕100周年を迎えた。