機械材料の基礎：ステンレス鋼

2025.04.272025.12.30

SUS SUS304 オーステナイトクロムステンレスステンレス鋼不動態皮膜耐食性金属材料難削材

機械材料の基礎：ステンレス鋼

ステンレス鋼は、鉄を主成分とし、クロムを10.5パーセント以上含有させた合金鋼の総称です。その名称が示す通り、ステイン（汚れや錆）がレス（無い、少ない）な鋼であり、一般的には錆びにくい合金として知られています。

現代社会において、キッチン用品やカトラリーといった身近な製品から、化学プラントの巨大な反応容器、鉄道車両の構体、さらには原子力の炉内構造物に至るまで、ステンレス鋼はあらゆる産業分野で基盤的な役割を果たしています。単に錆びにくいというだけでなく、耐熱性、強度、加工性、意匠性といった多様な機能を持つこの材料について、その防食原理、金属組織による分類、物理的特性、そして加工と使用上の技術的留意点について詳細に解説します。

不動態皮膜による耐食メカニズム

鉄が錆びるというのは、鉄が、酸素や水と結びついて安定な酸化鉄になろうとする化学反応です。ステンレス鋼がこの反応に抗うことができるのは、表面に形成される不動態皮膜と呼ばれる極めて薄い保護膜の存在によります。

クロムの役割と皮膜の特性

ステンレス鋼に含まれるクロムは、鉄よりも酸素との親和力が非常に強い元素です。大気中や水溶液中にステンレス鋼が置かれると、鉄が酸化するよりも先に、表面のクロムが酸素と結合します。これにより、厚さわずか1ナノメートルから3ナノメートル程度の、極めて緻密で安定したクロム水和酸化物の膜が瞬時に形成されます。この皮膜は、肉眼では見えないほど薄く透明ですが、酸素や水分を通さない強力なバリアとして機能し、内部の地金が腐食環境と接触するのを遮断します。

塗装やメッキが外部から物理的に乗せた膜であるのに対し、不動態皮膜は母材自身の化学反応によって生成される自己修復機能を持った膜です。もし表面に傷がついて地金が露出しても、周囲に酸素があれば瞬時にクロムが反応して皮膜が再生されます。これが、ステンレス鋼が長期間にわたり錆びにくい根本的な理由です。

モリブデンの添加効果

海水や塩水など、塩素イオンが存在する環境では、不動態皮膜が局所的に破壊されることがあります。これに対抗するため、クロムに加えてモリブデンを添加することがあります。モリブデンは不動態皮膜の修復能力を高め、破壊された部分を即座に補修する作用を強化します。SUS316などのグレードが海水環境に強いのは、このモリブデンの働きによるものです。

金属組織による5つの分類

ステンレス鋼は、その化学成分と熱処理によって変化する結晶構造、すなわち金属組織の違いにより、大きく5つの系統に分類されます。それぞれが全く異なる機械的性質や磁気的性質を持っています。

1. オーステナイト系ステンレス鋼

市場に流通するステンレス鋼の約6割以上を占める最も代表的なグループです。代表鋼種は18パーセントのクロムと8パーセントのニッケルを含むSUS304です。結晶構造は面心立方格子をとります。この構造は延性や靭性に優れており、プレス成形や溶接が容易です。また、一般的には非磁性であり、磁石につきません。ただし、冷間加工を加えると組織の一部がマルテンサイト化し、磁性を帯びることがあります。耐食性は非常に良好ですが、塩化物環境下での応力腐食割れに対する感受性が高いという弱点があります。

2. フェライト系ステンレス鋼

クロムを主成分とし、ニッケルを含まないか、含んでもごく微量のグループです。代表鋼種は18クロムステンレスと呼ばれるSUS430です。結晶構造は体心立方格子であり、鉄と同様に強力な磁性を持ちます。オーステナイト系に比べて安価であり、熱膨張係数が低いため熱疲労に強いという特性があります。しかし、溶接部の靭性が低くなる傾向があり、厚板の構造物には不向きです。主に厨房機器や自動車の排気系部品に使用されます。

3. マルテンサイト系ステンレス鋼

クロムを含有しつつ、炭素量を高めに設定したグループです。代表鋼種はSUS410や刃物用のSUS420J2です。最大の特徴は、炭素鋼と同様に焼入れ焼き戻しという熱処理によって硬化させることができる点です。非常に高い硬度と強度を得ることができますが、耐食性は他の系統に比べて劣ります。刃物、ノズル、シャフト、タービンブレードなど、耐摩耗性と強度が求められる用途に用いられます。磁性を持ちます。

4. オーステナイト・フェライト二相系ステンレス鋼

オーステナイト相とフェライト相が約半々の割合で混在した微細組織を持つグループです。通称デュプレックスステンレスと呼ばれます。オーステナイト系の欠点である応力腐食割れへの弱さと、フェライト系の欠点である靭性の低さを相互に補完した材料です。SUS304の約2倍という高い強度を持ち、海水に対する耐食性も極めて高いため、化学プラントや海水淡水化設備、橋梁などで採用が進んでいます。

5. 析出硬化系ステンレス鋼

熱処理によって金属間化合物を析出させ、強度を飛躍的に高めたグループです。代表鋼種はSUS630です。オーステナイト系に近い耐食性を持ちながら、マルテンサイト系以上の高強度を実現しています。シャフトや航空機部品など、高強度と耐食性が同時に求められる過酷な環境で使用されます。

物理的特性と熱的挙動

ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼を扱う上で、炭素鋼との物理的特性の違いを理解することは極めて重要です。

熱伝導率の低さ

ステンレス鋼は熱を伝えにくい材料です。その熱伝導率は炭素鋼の約3分の1から4分の1程度しかありません。この特性は、保温性が求められる魔法瓶やポットには有利に働きますが、切削加工においては工具先端に熱が蓄積しやすく、工具寿命を縮める要因となります。また、溶接時には熱が拡散しにくいため、溶接部周辺が高温になりやすく、変形や鋭敏化を引き起こす原因となります。

熱膨張係数の大きさ

オーステナイト系ステンレス鋼の熱膨張係数は、炭素鋼の約1.5倍です。つまり、熱を加えると非常によく伸び、冷めると大きく縮みます。熱伝導率が低く熱がこもりやすい性質と、熱膨張が大きい性質が組み合わさることで、溶接時には激しい熱歪みが発生します。薄板の溶接などでは、この歪みをいかに制御するかが施工管理上の最大の課題となります。一方で、フェライト系ステンレス鋼の熱膨張係数は炭素鋼とほぼ同等です。

腐食トラブルと対策

錆びにくいステンレス鋼であっても、使用環境や条件を誤れば腐食します。代表的な腐食形態とその対策を解説します。

孔食ピッティング

塩素イオンなどのハロゲン化物は、不動態皮膜を局所的に破壊します。破壊された点において、内部の金属が急速に溶解し、深く掘り下げるような腐食が進行します。これを孔食と呼びます。対策としては、モリブデンを含有したSUS316を選定することや、表面に付着した塩分を定期的に洗浄することが有効です。

隙間腐食

ボルトの座面やパッキンの裏側、溶接の不完全な継ぎ目など、液が滞留する狭い隙間で発生します。隙間内部では酸素の供給が不足するため、不動態皮膜の再生ができなくなり、腐食が進行します。設計段階で隙間を作らない構造にする、あるいは隙間をシーリング材で埋めるといった対策が必要です。

応力腐食割れ SCC

引張応力がかかっている状態で、特定の腐食環境、特に塩素イオンを含む高温水中などに晒されると、突然亀裂が入って割れる現象です。外見上は腐食していなくても、内部で亀裂が進行するため非常に危険です。オーステナイト系はこの感受性が高いため、応力がかかる環境ではフェライト系や二相系ステンレス鋼への変更が検討されます。

鋭敏化と粒界腐食

溶接などの熱履歴により、摂氏500度から800度の温度域に一定時間晒されると、結晶粒界にクロム炭化物が析出します。すると、その周辺のクロム濃度が極端に低下し、不動態皮膜を形成できなくなります。このクロム欠乏層が粒界に沿って腐食される現象を粒界腐食と呼びます。これを防ぐためには、炭素含有量を極限まで低減したLグレード、例えばSUS304LやSUS316Lを使用するか、チタンやニオブを添加して炭素を固定した安定化ステンレス鋼を使用します。

製造と表面仕上げの技術

ステンレス鋼は、溶解、精錬、圧延という工程を経て製造されますが、特に表面仕上げの状態は、意匠性だけでなく耐食性にも影響を与える重要な要素です。

表面仕上げの種類と記号

No.1（ナンバーワン）: 熱間圧延後に熱処理と酸洗を行ったもの。表面は銀白色で光沢がなく、梨地状です。厚板やタンク材など、表面光沢を必要としない用途に用いられます。
2B（ツービー）: 冷間圧延後に熱処理と酸洗を行い、最後にスキンパス圧延という軽い調質圧延を行って光沢を与えたもの。最も一般的で汎用性の高い仕上げです。
BA（ブライトアニール）: 冷間圧延後、酸化を防ぐために無酸化雰囲気中で光輝熱処理を行ったもの。鏡面に近い光沢があり、装飾用途や家電製品に用いられます。
HL（ヘアライン）: 2B材などの表面に、研磨ベルトで髪の毛のような細く長い筋目を一方向に付けたもの。建材や厨房機器に多用されます。落ち着いた高級感がありますが、研磨によって不動態皮膜を一度削り取っているため、初期の耐食性は2B材より若干劣る場合があります。

バフ研磨と電解研磨

さらに高度な表面処理として、物理的に磨き上げるバフ研磨や、電気化学的に表面を溶解させて平滑化する電解研磨があります。特に電解研磨は、表面の微細な凹凸を除去し、不動態皮膜をより緻密で強固なものに改質する効果があります。汚れが付着しにくく、洗浄性も高まるため、半導体製造装置や医薬品製造ラインの配管など、極めて高い清浄度が求められる分野で必須の処理となっています。

加工特性と難削性

ステンレス鋼は、加工現場においては難削材として扱われることが多い材料です。

加工硬化によるトラブル

オーステナイト系ステンレス鋼は、塑性変形を加えると硬くなる加工硬化という性質が非常に顕著です。ドリルや旋盤での加工中に、工具の切れ味が悪かったり送りが遅かったりして表面を擦ってしまうと、その部分が瞬時に硬化し、以後の加工が不可能になることがあります。これを防ぐためには、鋭利な工具を使用し、十分な切削油を供給しながら、迷いなく一定の送りを与えて加工する必要があります。

溶着と構成刃先

ステンレス鋼は粘り強い性質を持つため、切削時に切り屑が工具の刃先に溶着しやすく、構成刃先を形成します。これが成長して脱落する際に、加工面をむしり取ったり、工具を欠けさせたりします。熱伝導率が低いことによる刃先温度の上昇もこれを助長します。コーティング工具の選定や、冷却能力の高い切削液の使用が不可欠です。

サステナビリティとリサイクル

ステンレス鋼は、環境適合性に優れた材料でもあります。

高いリサイクル率

ステンレス鋼は磁選別や成分分析によって容易に分別可能であり、スクラップとしての価値が高いため、回収・リサイクルシステムが確立されています。現在のステンレス鋼生産に使用される原料の半分以上は、市場から回収されたスクラップで賄われています。何度リサイクルしても品質が劣化しないため、持続可能な社会を実現するための循環型素材としての地位を確立しています。