ステンレス鋼
No.2Dよりも滑らかな表面で、銀白色のやや光沢がある見た目の仕上げ。No.2D材を鏡面ロールで軽く圧延することで得られる。一般用途向けの仕上げで、ステンレス鋼材の大部分はこの仕上げで市販されている。
一般的に、オーステナイト系が大きな加工硬化を起こすためスプリングバックが大きく、オーステナイト・フェライト系も降伏応力が高めのためスプリングバックが大きい。
ステンレス鋼で特に問題となる成形時の欠陥が、オーステナイト系の時期割れ、フェライト系の縦割れやリジングである。成形性を向上させる場合、オーステナイト系の場合に重要なのが加工硬化特性である。オーステナイト安定度を調整して適切な度合いの加工硬化が起こるようにすると、成形性が向上する。フェライト系の場合は、炭素量・窒素量を減らす高純度化とチタンなどの合金元素添加が成形性向上に有効である。
また、ステンレス鋼の場合、その表面の美麗さを商品価値とすることが多い。そのため、成形加工中に表面が損傷しないように特に注意を要する。ステンレス鋼の成形加工では、潤滑油の塗布のほか、表面保護のために樹脂系のフィルムを表面に付けてプレス成形することもある。
牧 正志、2015、『鉄鋼の組織制御 : その原理と方法』第1版、内田老鶴圃 ISBN 978-4-7536-5136-8
徳田 昌則・山田 勝利・片桐 望、2005、『金属の科学』初版、ナツメ社〈図解雑学シリーズ〉 ISBN 4-8163-4040-8
金子 純一・須藤 正俊・菅又 信、2004、『新版 基礎機械材料学』初版、朝倉書店 ISBN 4-254-23103-2
梶村 治彦、2011、「講座:ステンレス鋼活用の基礎知識 ―歴史、特性、耐食性― 3.ステンレス鋼の耐食性」、『材料』60巻9号、日本材料学会、doi:10.2472/jsms.60.862 pp. 862–867
鈴木 聡、2011、「講座:ステンレス鋼活用の基礎知識 ―歴史、特性、耐食性― 5. ステンレス鋼材料の選択の指針」、『材料』60巻10号、日本材料学会、doi:10.2472/jsms.60.957 pp. 957–963
佐藤 昌男、2015、「特殊鋼の製造プロセス 3.ステンレス鋼」、『特殊鋼』64巻3号、特殊鋼倶楽部、2015年5月 pp. 22–25
菊池 正夫、2015、「ステンレス鋼の最近の動向」、『大同特殊鋼技報』86巻1号、大同特殊鋼 pp. 37–44
菊池 正夫、2014、「ステンレス鋼の高温特性」、『山陽特殊製鋼技報』21巻、山陽特殊製鋼、2014年6月 pp. 11–27
原 信義、2016、「ステンレス鋼の不働態と局部腐食研究の進歩」、『まてりあ』55巻5号、日本金属学会、doi:10.2320/materia.
ステンレス鋼が関わる腐食には、大きく分けて「湿食」と「乾食」という2つの形態がある。湿食は水溶液腐食とも呼ばれ、水溶液の作用で起こる腐食である。乾食は気体腐食とも呼ばれ、高温の気体の作用で起こる腐食である。湿食は典型的な腐食現象で、地球上の金属の腐食のほとんどが湿食で起きている。
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。
1950年頃のステンレス鋼の粗鋼生産量は、世界でおよそ 1,000,000 トンであった。それから年平均成長率 5.8 % で生産量は伸び続け、2019年の世界のステンレス鋼粗鋼生産量は 52,218,000 トンとなっている。鉄鋼材料全般における2019年の世界の粗鋼生産量は、1,869,000,000 トンで、ステンレス鋼生産の割合は 2.8 % である。
国別・地域別のステンレス鋼生産量については、2019年の実績では、1位が中国で生産量の 56.3% を占めている。次いで、2位がインド、3位が日本という順になっている。以下に、2001年から2019年まで世界のステンレス鋼生産量のグラフと、2018年時の国・地域別の生産量順位のグラフを示す。
硝酸工業では、共沸濃度の以下の硝酸であれば304系のステンレス鋼で十分に耐用でき、304L が硝酸を扱う器具・装置の材料として広く利用されている。歴史的にも、ステンレス鋼実用化後の最初の大量使用の一つが硝酸を取り扱う用途であった。
硫酸は幅広く用いられている基礎化学原料の一つだが、限られた硫酸濃度範囲でしかステンレス鋼は不働態化しないため、硫酸を扱うのにステンレス鋼の使用範囲は限られている。窒素肥料となる硫安の製造では、硫安が腐食作用を緩和するため結晶缶に 316 などを用いている。
石油精製では、高温耐食性や高温強度といったニーズからステンレス鋼の適用が多い。300 °C から500 °C の高温下、3 MPa から 20 MPa の高圧下で硫黄分を除去する水素化脱硫装置では、耐粒界腐食性を高めた安定化オーステナイト系の 321 や 347 が使われている。常圧蒸留装置では、原油を 300 °C 前後まで加熱して原油を分留しており、装置は厳しい高温腐食環境に晒される。日本では、劣化の防止まではできていないものの、応力腐食割れの懸念が少ないフェライト系 SUS405 クラッド鋼が常圧蒸留装置の材料に用いられている。
製紙業も腐食が常に問題となってきた分野で、ステンレス鋼実用化後の初期からステンレス鋼が活用されてきた。よく使われている鋼種はオーステナイト系で、パルプ製造の連続蒸解釜では内側を 304L にしたクラッド鋼が使われ、二酸化塩素を使うパルプ漂白のより腐食が厳しい工程ではスーパーステンレス鋼が必要になる。パルプから紙をつくる抄紙工程では、圧搾脱水を行うサクションロールに耐食性や疲労強度を考慮してオーステナイト・フェライト系が主に使われている。
炭素鋼が中性の水に浸されると、すぐに錆びが発生し、腐食が進む。一般的に、電気化学的な見地から、腐食はアノード反応とカソード反応の組み合わせによる化学反応と理解される。酸素が溶存する中性の水に炭素鋼が触れると、局所的に以下のアノード反応とカソード反応が起きる。
アノード反応(鉄の酸化): Fe → Fe + 2 e
カソード反応(酸素の還元): 1/2 O2 + H2O + 2 e → 2 OH
このように、アノード反応域の鉄が Feイオンとして溶け出ることで、通常は腐食が進む。
一方、ステンレス鋼を同種の環境においても一般に腐食することはない。ステンレス鋼の表面には「不働態皮膜」と呼ばれる特殊な皮膜が形成されており、金属がイオンとなって溶け出て行く上記の反応をこの皮膜が防いでいる。不働態皮膜は化学的に安定かつ緻密に表面を覆っており、仮にステンレス鋼表面が傷つき皮膜が破壊されたとしても、通常は瞬時に新たな不働態皮膜が破壊面で生じる。このように、熱力学的には腐食した状態の方が安定な化学組成であるにもかかわらず、不動態皮膜の存在によって腐食が著しく遅くなり、実質的に腐食しなくなることを「不働態化」と呼ぶ。また、この状態や構造を「不働態」と呼ぶ。特殊な環境であれば、不働態化は普通の鉄でも起きる。例えば、普通の鉄は一定以上の濃度の硝酸水溶液において不働態化して、溶解反応が停止する。ステンレス鋼が普通の鉄と異なる点は、不働態化がより一般的な環境でも起きるということである。
粒界腐食とは、多結晶体中の個々の結晶の境目である結晶粒界で局部的に腐食が進む現象である。ステンレス鋼の粒界腐食は、粒界付近にクロムが欠乏した領域が存在することによって起きる。粒界では、結晶粒内と比較して析出が進行しやすい。また、炭素はクロムと結合しやすい性質を持っている。そのため、ステンレス鋼が高温に加熱されると、ステンレス鋼中の炭素とクロムが結合して粒界でクロム炭化物 (Cr23C6) ができる。生成したクロム炭化物の周辺ではステンレス鋼中のクロムは欠乏する。クロム欠乏帯では 10 % を下回るような低クロム濃度になっており、耐食性が乏しく、そのため粒界腐食が起きる。粒界腐食がひどく進行すると結晶粒の脱落が起き、強度にも悪影響を及ぼし得る。
クロム欠乏帯の発生のように、粒界腐食が起きやすい材質になることを「鋭敏化」という。オーステナイト系の場合、およそ 400 °C から 800 °C の温度域でクロム欠乏帯による鋭敏化が起きる可能性がある。この温度域で短時間でも保持されるとクロム炭化物が析出するため、この温度域を徐冷でゆっくり通過しても鋭敏化の可能性がある。一方で、フェライト系では約 900 °C 以上からの急冷で鋭敏化が起こる。
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。