機械材料の基礎：クラッド鋼

クラッド鋼は、二種類以上の異なる金属材料を、その表面で強固に冶金的に接合させ、一体化した複合鋼板です。その名称は「覆われた」という意味の”clad”に由来します。

この材料の工学的な本質は、単一の金属では両立が難しい複数の特性を、適材適所の原理で組み合わせることによって実現する点にあります。最も一般的な構成は、安価で高い構造強度を持つ母材（ベースメタル）としての炭素鋼や低合金鋼の片面または両面に、耐食性、耐熱性、耐摩高性といった特殊な機能を持つ、高価な合わせ材（クラッドメタル）としてのステンレス鋼、ニッケル合金、チタン、銅合金などを、薄い層として張り合わせたものです。

これにより、高価な合金を全体として使用する（ソリッド）場合に比べて、材料コストを劇的に削減しつつ、必要な表面機能と構造強度を両立させるという、極めて合理的かつ経済的なエンジニアリングソリューションを提供します。

クラッド鋼の工学的意義
主な製造方法
クラッド鋼の工学的な課題：加工と溶接
主な応用分野
まとめ

クラッド鋼の工学的意義

クラッド鋼の必要性は、材料設計における根本的なトレードオフを解決するために生まれました。例えば、化学プラントの巨大な反応容器を設計する際、以下の二つの要求が衝突します。

内部: 高温・高圧の腐食性流体に耐える、優れた耐食性が必要。
全体: 巨大な構造と内圧を支える、高い強度と靭性、そして経済性が必要。

この要求を、耐食性に優れるステンレス鋼やニッケル合金だけで満たそうとすると、材料費が天文学的な数値になります。一方で、安価な炭素鋼だけでは、腐食によって瞬時に破壊されてしまいます。

クラッド鋼は、この問題を、「内面はステンレス鋼、構造体は炭素鋼」という形で解決します。必要な耐食性は、わずか数ミリメートルの厚さの「合わせ材」が担い、全体の強度と剛性は、その何倍も厚い安価な「母材」が担うのです。これは、合金のように原子レベルで混合するのではなく、マクロなレベルで各材料の長所を活かす、複合材料ならではの設計思想です。

主な製造方法

クラッド鋼の製造における最大の技術的課題は、「いかにして特性の異なる二つの金属を、剥がれることなく、強固に一体化させるか」という点にあります。この接合には、主に以下の三つの製造方法が用いられます。

1. 爆発圧接法

火薬の爆発エネルギーという、極めて強大な力を利用して、金属同士を常温で瞬時に圧着させる固相圧接技術です。

原理: 母材プレートの上に、精密に管理されたわずかな隙間（スタンドオフ）をあけて、合わせ材となるフライヤプレートを配置します。その上に爆薬を均一に敷き詰め、一端から起爆させます。
接合メカニズム: 起爆によって発生した爆轟波は、フライヤプレートを秒速数千メートルという超高速で、母材プレートに向かって傾斜させながら衝突させます。この超高速・超高圧の衝突点では、両方の金属の最表面層（酸化皮膜や汚染層）が、行き場を失い、メタルジェットと呼ばれる流体状になって衝突点の前方へと噴出されます。
特徴: このメタルジェットが、接合を妨げる不純物を物理的に除去する究極のクリーニング作用を果たし、その直後に露出した原子レベルで清浄な「新生面」同士が、超高圧によって強烈に押し付けられ、瞬時に金属結合を形成します。接合界面は、特有の波状模様を描くことが多く、これは強固な結合が得られた証となります。母材への熱影響がほとんどないため、溶融溶接では不可能な、チタンと鋼、アルミニウムとステンレス鋼といった、冶金的に相性の悪い異種金属同士の接合にも威力を発揮します。

2. 圧延圧接法

熱間圧延のプロセスを利用して、高温と高圧下で二つの金属を同時に圧着させる方法で、ステンレスクラッド鋼などの大量生産に最も広く用いられます。

原理: 母材と合わせ材となる金属のスラブ（厚い板）を、清浄化した表面同士で重ね合わせ、その周囲を溶接などで密閉し、一体の「サンドイッチ」状の素材を作ります。
接合メカニZム: この素材を、高温の加熱炉で、金属が柔らかくなる温度（摂氏1100～1200度程度）まで均一に加熱します。その後、強力な圧延機（ローラー）の間を繰り返し通すことで、所定の薄さまで圧延します。
特徴: この高温・高圧の圧延プロセスにおいて、清浄な金属面同士が押し付けられ、原子の拡散が起こることで、強固な冶金的結合が形成されます。一度に広大な面積を、高い寸法精度で製造できるため、生産性に最も優れています。

3. 肉盛り溶接法

母材となる鋼板の表面に、合わせ材となる金属を、溶接によって連続的に溶かし込み、分厚い皮膜を形成する方法です。

原理: サブマージドアーク溶接やTIG溶接といった、高能率な溶接法を用います。合わせ材は、ワイヤまたは帯状の電極として供給され、アーク熱によって母材の表面をわずかに溶かしながら、その上に溶着していきます。
特徴: この方法は、希釈の管理が重要です。母材である鉄が、一層目の溶接金属中に溶け込むため、その耐食性を損なう可能性があります。そのため、意図的に希釈を制御したり、多層盛りを行ったりする高度な技術が要求されます。圧延法などでは製造が困難な、曲面部や複雑な形状の部品（例えば、圧力容器の管台の内面）への施工に適しています。

クラッド鋼の工学的な課題：加工と溶接

クラッド鋼は、その複合的な性質ゆえに、使用する際の加工や溶接にも、特別な工学的配慮が必要です。

曲げ・成形加工: クラッド鋼を曲げたり、プレスしたりする場合、二つの金属の降伏点や加工硬化特性、伸び率が異なるため、単一の金属とは異なる挙動を示します。例えば、ステンレス鋼は炭素鋼よりも加工硬化が著しいため、曲げ加工の際に必要な力や、スプリングバック（元の形状に戻ろうとする力）が大きくなる傾向があり、これらを見越した金型設計や加工条件の設定が求められます。
溶接:クラッド鋼の溶接は、その性能を維持するための、最もクリティカルなプロセスです。母材の強度と、合わせ材の耐食性の両方を、接合部で同時に確保しなければなりません。一般的な手順として、まず母材である炭素鋼側から、炭素鋼用の溶接棒を用いて、合わせ材の層の手前まで溶接を行います。次に、合わせ材側から、ステンレス鋼用やニッケル合金用の溶接棒を用いて、耐食性を確保する溶接を行います。この際、最大の注意点は、母材の鉄分が、合わせ材側の溶接金属に過度に混入するのを防ぐことです。もし、鉄分が耐食層に多く混入すると、その部分の耐食性が著しく低下し、そこが腐食の起点となってしまいます。これを防ぐため、両者の間に「バッファ層」と呼ばれる中間的な溶接金属を一層設けるなど、高度な溶接施工技術が必要とされます。

主な応用分野

クラッド鋼の用途は、その経済性と高機能性の両立が求められる、基幹産業に集中しています。

化学・石油化学プラント: 反応塔、蒸留塔、圧力容器、熱交換器など。母材（炭素鋼）＋合わせ材（ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン）が多用されます。
電力・エネルギー分野: 火力発電所のボイラー、地熱発電の配管、海水淡水化プラント（母材：炭素鋼、合わせ材：チタン、銅合金）。
造船・海洋分野: ケミカルタンカーの貨物タンク（母材：鋼、合わせ材：ステンレス鋼）、海洋構造物。
民生品: 高級な調理器具（IH対応鍋など）。熱伝導性に優れたアルミニウムや銅を、耐久性と衛生性に優れたステンレス鋼で挟み込んだ「多層クラッド鋼」が用いられます。