ステンレス鋼の歴史
20世紀になると、学術的知見がさらに確立し、ステンレス鋼の発明の基盤が出来上がった。19世紀末には、有用な特性を持たせることに成功した合金鋼が、欧米各国で相次いで誕生していた。この動きは、合金鋼の基礎研究に対する科学者たちの関心を高めた。低炭素クロムを利用して、フランスとドイツの科学者たちが高クロム鋼の基礎研究を始めた。
現在の「ステンレス鋼 (stainless steel)」という名称は、スチュアートがブレアリーの鋼を「変色しにくい (stain less)」と評し、"stainless steel" と呼んだことに由来する。ブラウン・ファース研究所を運営していたトーマス・ファース・アンド・サンズ(以下、ファース社)とブレアリーの間でステンレス鋼を巡って軋轢が起こったが、ブレアリーは協力者を得て、1915年にカナダで1916年に米国でブレアリーの高クロム鋼が特許登録された。
一方で、前述のドイツのシュトラウスとマウラーが作製した試料にも、マルテンサイト系の鋼種が含まれていた。1912年にクルップ社が特許出願したもう1つの耐食鋼は、"V1M" と名付けられたクロム 14 %・ニッケル 2 %・炭素 0.15 % のマルテンサイト系であった。また、後述の米国のエルウッド・ヘインズ(英語版)も、マルテンサイト系の開発において言及されるに値すると評される。
オーステナイト系ステンレス鋼の発明者には、ドイツのベンノ・シュトラウス(ドイツ語版)とエドゥアルト・マウラー(ドイツ語版)の名が第一に挙げられる。1909年ごろより、フリート・クルップ(以下、クルップ社)のベンノ・シュトラウスとマウラーは、クロム・ニッケル・鉄合金の研究を進めていた。シュトラウスが熱電対用の耐熱合金を研究しており、1910年に3種類の高クロム鋼、2種類の高クロム・ニッケル鋼を作製した。マウラーが、それら鋼種の1つの耐食性に気づいた。オーステナイト組織の高クロム・ニッケル鋼が硝酸に対して耐性を持つことが追試によって確認され、その成果をもとに1912年にクルップ社から2つの特許が出願された。その内の1つが、"V2A" と名付けられた、クロム 20 %・ニッケル 7 %・炭素 0.25 % のオーステナイト系ステンレス鋼であった。クルップ社は、この鋼種について1913年にイギリスで特許登録し、後に米国でも特許登録した。
このようにしてオーステナイト系ステンレス鋼を発明したシュトラウスとマウラーであったが、後の1920年代から30年代にかけて、シュトラウスとマウラーの間でどちらが発明者にふさわしいかについて論争が起きている。そのような経緯もあり、オーステナイト系ステンレス鋼の発明はクルップ社という会社の功績と考える見解もある。金属工学者の遅沢浩一郎は、二人の名ではなく、クルップ社の名をオーステナイト系の発明者として挙げる。
現代のステンレス鋼でも、硫酸に対する耐食性は限られている。高名なハドフィールドの報告の影響は大きく、クロムは耐食性を低下させるという説が広まってしまい、他の研究者たちの高クロム鋼研究への関心を損なうこととなった。
その後1895年、ドイツのハンス・ゴルドシュミット(英語版)がテルミット法を発明し、これにより、炭素をほとんど含まない純度の高いクロムが工業的に生産可能となった。テルミット法以前のファラデー、ベルチェ、ハドフィールドなどの研究での試料はいずれも炭素濃度が高く、これが現代的なステンレス鋼作製を阻害していた。ヴォークランが単離して発見したクロムも、木炭還元法により多量の炭素を含んでおり、一部は炭化クロムであった可能性がある。ウッズとクラークが特許を取った高クロム合金を実用化できなかったのも、当時の技術ではクロム濃度を上げるほど炭素濃度が上がってしまうことが原因だったと推定される。1898年には、フランスのA.カルノーとE.グータルが、炭素含有量が多いほどクロム鉄合金の耐食性が落ちることを報告した。ゴルドシュミットのテルミット法によって低炭素クロムの生産が容易になり、ステンレス鋼の実現が現実的なものとなった。
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。
電磁気学の始祖として知られるイギリスの科学者マイケル・ファラデーは、若かったころには合金鋼の研究を行っており、合金鋼開発黎明期の研究者の一人でもあった。刃物師ジェームス・ストダートからのウーツ鋼の調査依頼をきっかけにして、ファラデーは優れた性質を持つ合金鋼を作る実験を繰り返した。ファラデーは貴金属を含有させることで鋼の性質を改善させるアイデアを思い付き、ニッケル、銀、白金、ロジウム等との鉄合金を作成して1820年に研究成果を発表した。その後、ファラデーとストダートは精力的に試験を繰り返した。彼らの研究成果は先駆的で、今日では合金鋼研究の始まりとも位置付けられる。1820年の研究論文 "Experiments on the alloys of steel, made with a view to its improvement"(参考訳:改良の観点から実施された鋼の合金の研究)は「世界初の合金鋼の研究論文」とも評される。この論文では、ニッケルが鋼の耐酸化性を高めることなどを見出している。
ファラデーとストダートの研究成果は、フランスの鉱山技師ピエール・ベルチェの関心を引き付けることとなった。1820年のファラデーとストダートの論文はフランス語にも翻訳され、ベルチェに研究のヒントを与えた。ベルチェは、鋼に金属クロムを添加した合金を作ることを考え付いた。
マルテンサイト系の発明者はハリー・ブレアリーとすることが一般的で、オーステナイト系の発明者はベンノ・シュトラウス(ドイツ語版)とエドゥアルト・マウラー(ドイツ語版)とすることが一般的である。フェライト系の発明者は特定の人物や組織に定め難い。残る2つのオーステナイト・フェライト系と析出硬化系は、1930年代・1940年代に実用化された。
基本鋼種が発明されたステンレス鋼は、利用拡大と技術的発展を遂げる。イギリス、ドイツ、米国、その他諸国で生産され、第二次世界大戦前はカトラリー、建築物の外装や装飾、鉄道車両、ナイフ、タービン翼(英語版)、航空用エンジンの排気弁、化学プラント(英語版)などで使われる。1950年時点、西側世界のステンレス鋼生産量は約100万トンに達していた。量産初期のステンレス鋼は充分な精錬ができなかったため材質のよいものではなかったが、1940年代に酸素脱炭法、1960年代にAOD法(英語版)・VOD法(ドイツ語版)が実用化され、品質が飛躍的に向上した。さらに、1950年代に連続鋳造法やゼンジミアミル(英語版)も導入された。これらの生産技術の進歩によって低価格化が進み、ステンレス鋼薄板の使用が耐久消費財でも一般的になっていった。1970年代には高純度フェライト系や耐海水用オーステナイト系などの高性能な鋼種が開発され、現在の日本産業規格には100種類以上のステンレス鋼が登録されている。2018年現在、全世界のステンレス鋼生産量は約5000万トンに達している。
その後も析出硬化系に相当する鋼種の研究や特許取得はあったが、析出硬化系を最初に実用化したのは米国のカーネギー・イリノイ・スチール(英語版)である。カーネギー・イリノイ・スチールが製造したのは、クロム 17 %、ニッケル 7 % のオーステナイト系ステンレス鋼にチタンとアルミを添加した鋼種で、常温でマルテンサイト組織を持つ種類の析出硬化系鋼種であった。約480°Cの時効処理で高強度を得ることができ、引張強さは約 1400 MPa が得られた。この鋼種の特許が取得されたのは1945年および1946年だったが、第二次世界大戦中にも米国で非公表に使用されていたという。カーネギー・イリノイ・スチールが開発した鋼種は、カーネギー・イリノイ・スチールの親会社であったUSスチールから "Stainless W" という名で1946年より販売され、最初に実用された析出硬化系の鋼種となった。
欧州で発明されたステンレス鋼は世界各国へ伝わった。日本へは、文献を通じて、1915年ごろにステンレス鋼の情報が伝わったとされる。ステンレス鋼に日本で最初に注目したのは海軍であった。横須賀の工廠でステンレス鋼製の排出弁の試作が行われた。1916年の学術論文誌『鐵と鋼』11号の「雑録」にて、次のような速報が掲載された。
不錆鋼鐵發明 英國にては装甲自動車創造以來の新發明として永久不錆性の鋼鐵發明せられ旣に火砲閉鎖機の一部に應用せられつゝあり製造額の增すと共に遠からす市場に現はるへく現在の時價一封度五十圓なり。 (不錆鋼鉄発明 英国にては、装甲自動車創造以来の新発明として永久不錆性の鋼鉄発明され、既に火砲閉鎖機の一部に応用されつつあり。製造額の増すと共に遠からず市場に現るべく、現在の時価1ポンド50円なり。)
1916年、呉の海軍工廠の製鋼部で、潜水艦の部品用としてクロム 13 % のステンレス鋼が試作された。1918年からは、エルー式アーク炉を用いて本格的な生産が始まり、艦載砲の回転盤やタービン翼などに用いられた。官営だった八幡製鉄所および海軍指定工場であった日本特殊鋼でも13%クロムステンレス鋼が試作され、1926年末ごろには13%クロムステンレス鋼の生産は日本国内で賄うことができるようになった。18-8ステンレス鋼については、1928年ごろからクルップ社よりV2Aの輸入を開始した。