オーステナイト系ステンレス鋼
オーステナイト系ステンレス鋼とは、常温での金属組織がオーステナイトとなるステンレス鋼である。ステンレス鋼とはクロムを 10.5%(質量パーセント濃度)含む合金鋼で、含有されるクロムによってステンレス鋼の耐食性が実現される。純鉄では、金属組織がオーステナイト(γ鉄)となるのは高温状態のみで、常温ではフェライト組織(α鉄)である。純鉄にクロムを加えることにより、オーステナイトが安定的に存在する最低温度は約 830 °C まで広がる。しかし、クロム含有量が約 7% を超えると、オーステナイトが存在する温度領域は逆に小さくなり、クロム含有増加に伴って最終的にはオーステナイトの存在領域は消滅する。一方、ニッケルを純鉄に加えると、オーステナイトが存在する温度領域は大きく広がり、オーステナイトが安定的に存在する最低温度はニッケル 30% では約 500 °C まで広がる。
ニッケルのようなオーステナイトの存在範囲を広げる元素をオーステナイト生成元素と呼び、クロムのようなフェライトの存在領域を広げる元素をフェライト生成元素と呼ぶ。オーステナイト系は、クロムの他にオーステナイト生成元素のニッケルを主成分として含むため、クロム・ニッケル系ステンレス鋼(Cr-Ni系ステンレス鋼)に分類される。
これは含有される合金元素の量が多いほど抵抗が増えることによる。SUS304 の場合で、常温の比抵抗は 72 × 10 Ω·m 程度である。
ステンレス鋼の密度は鋼種間での差はあまりないが、炭素鋼、フェライト系、マルテンサイト系よりもオーステナイト系の密度はやや大きい。SUS304 の場合で常温の密度は 7930 kg/m 程度である。これに対して、軟鋼の常温密度は 7860 kg/m 程度となっている。常温の縦弾性係数は SUS304 で 193 GPa 程度である。軟鋼の場合は 206 GPa 程度である。
熱伝導率も、電気抵抗と同様に合金元素の含有量に関係し、合金元素の含有量が多いほど熱伝導率が低くなる。オーステナイト系の熱伝導率は軟鋼の1/5から1/6程度で、SUS304 で 16 (W/m·K) 程度である。熱膨張率は結晶構造に依存し、ステンレス鋼の中でオーステナイト系の熱膨張率が最も大きい。SUS304 の 0–100 °C での線膨張係数が 17.3 × 10 K 程度である。ステンレス鋼の比熱は鋼種間で大差はない。オーステナイト系の比熱は、軟鋼のおおよそ1.1倍程度である。SUS304 の場合で、0–100 °C 間の比熱が 0.50 (J/kg·K) 程度である。
ビール製造では、発酵・貯蔵タンクが304系を利用し、ビール樽もほとんどが304系である。乳製品産業でも304系または316系の利用が主流である。ただし、醤油などでは塩分濃度が濃いためステンレス鋼の使用は見送られていた。近年では、高耐食性のスーパーオーステナイトステンレス鋼を醤油製造タンクに用いる動きもある。
建築分野では、ドアノブ、丁番、錠前といった建具部品で304系が使われている。建具の金物で304系が主流なのは、車両や船舶でも同様である。また、建物の外装にも見栄えの良さからカーテンウォールや外壁パネルでステンレス鋼を使用するビルは多い。304系が中心的に使われ、環境によっては316系も使われる。光輝を保ち現代的な材質感が得られることから、モニュメントやパブリックアートなどの野外彫刻の素材としてもステンレス鋼は利用されている。彫刻の材質には304系がよく使われ、環境によっては316系も使われる。
原子力発電所では、耐食性と高温強度のためにオーステナイト系は主要構造材料である。ただし、過去に304系を使用していたが、鋭敏化による応力腐食割れの事故が続いたことがあった。そのため現在では極低炭素化させた304L系や316L系、さらには原子力発電用に特別に開発された316L系などが使われている。核融合実験炉やリニアモーターカーなどで使われる超伝導電磁石を約 −270 °C の極低温で収容する容器などにもオーステナイト系が使われる。
次の実験式が、それぞれの材料の組成から加工誘起マルテンサイト変態に対するオーステナイト安定度の目安を与える。
Md30 = 551 − 462 × (C + N) − 9.2 × Si − 8.1 × Mn − 13.7 × Cr − 29 × (Ni + Cu) − 18.5 × Mo − 68 × Nb − 1.42 × (ν − 8.0)
ここで、Md30 は 30% のひずみを与えた時に 50% の加工誘起マルテンサイトが発生する温度(°C)である。C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo, Nb は各元素量(mass%)で、ν はASTM規格の結晶粒度番号である。材料の Md30 の値が小さいほどオーステナイトは安定といえる。
あるいは、組織中の準安定オーステナイトは、極低温まで冷やされた場合も、準安定オーステナイトの一部または全部がマルテンサイト変態を起こす。この場合は、マルテンサイト変態が自動的に開始する温度(Ms点)がオーステナイト安定度の目安である。オーステナイト系に関して各合金元素量からMs点を予測する実験式として、
Ms = 502 − (810 × C + 1230 × N + 13 × Mn + 30 × Ni + 12 × Cr + 54 × Cu + 46 × Mo)
モリブデンを 2–3% 添加してニッケル含有量を高めた鋼種で、304系では厳しい環境で利用される。316系の組成の例を、以下の表に示す。
ステンレス鋼の腐食において特に問題になるのは、孔食や粒界腐食といった局部腐食である。孔食とは、材料の一部が小さな穴状に腐食が進む腐食形態である。孔食に対する耐性を材料ごとに比較する指標として耐孔食性指数(PREN)がある。耐孔食性指数の計算式の1つは
PREN = Cr + 3.3 × Mo + n × N
という形で与えられる。ここで、Cr, Mo, N は各元素の質量パーセント濃度で、n は鋼種や研究者によって異なる係数である。n の値が大きいほど窒素 (N) の含有量に比して耐孔食性が向上する。フェライト系が n = 0、二相系が n = 16 が適当とされるのに対して、オーステナイト系では n = 30 が適当とされ、オーステナイト系では窒素添加によって大きな耐孔食性向上が期待できる。また、オーステナイト組織はモリブデン (Mo) と窒素 (N) の固溶限が大きいため、耐孔食性指数を高くすることできる。
粒界腐食とは、組織中の結晶粒界が優先的に腐食する現象で、オーステナイト系では鋭敏化によって引き起こされる。
オーステナイト系ステンレス鋼の工業的な発明は、会社としてはドイツのクルップ社によって、個人としてはクルップ社の研究所に所属していたベンノ・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)によって成された。1900年から1910年にかけて、鉄・クロム・ニッケル系合金の耐食性について基礎学術レベルでは理解が深まりつつあった。1906年にフランスのレオン・ギレは、耐食性については言及しなかったものの、ステンレス鋼の3大グループである「フェライト系」「マルテンサイト系」「オーステナイト系」に属する組成を体系的に初めて研究した。1909年には、ヴァルター・ギーセンによるクロム・ニッケル系のオーステナイト鋼の研究が続いた。このように、ステンレス鋼の工業材料としての実用化の素地は当時整いつつあった。その後、1912年にクルップ社が2つの耐食鋼に関する特許を出願した。1つは「V1M」と名付けられた鉄合金で、代表成分をクロム 14%・ニッケル 2%・炭素 0.15% とするマルテンサイト系ステンレス鋼であった。もう1つは「V2A」と名付けられ、これがクロム 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。