ステンレス鋼とは何か、なぜ錆びないのか

スティールという名前を知らない人はいないだろう。誰もが知っているのではないだろうか。鉄は錆びないから、私たちはよく鉄を市場に求める。錆びないからこそ、様々な用途に使うことができる。その結果、ステンレス鋼はほとんどの生産分野でよく知られた商品となっている。

その結果、この記事ではその疑問に対する解決策を提供することにしよう。なぜステンレスは錆びないのか？一方、その製造工程は？その条件は？本日のトピックでは、こうした疑問のすべてにお答えします。まず大まかな定義から始め、次に用途と特性について説明します。その後、材料組成と製造工程に進みます。

ステンレス鋼とは？

ステンレス鋼は、少なくとも11%のクロムを含有する鉄系合金のカテゴリーであり、耐食性と耐熱性を備えた組成である。炭素（0.03%から1.00%以上）、窒素、アルミニウム、ケイ素、硫黄、チタン、ニッケル、銅、セレン、ニオブ、モリブデンはすべて、さまざまな形でステンレス鋼に含まれる成分です。

ステンレス・スチールは、見た目が美しく、衛生的で、メンテナンスが簡単で、耐久性に優れ、こうした環境面での利点に加え、さまざまな機能を備えている。その結果、人々はステンレス・スチールをありふれた様々なアイテムで見かけるようになった。エネルギー、輸送、建設、研究、医療、食品、物流など、重要な役割を果たしている分野はほんの一例です。

ステンレスの欠点

製造、仕上げ、研磨にかかる費用は高い。
ステンレス鋼を製造する場合、ハイテク設備や適切な方法を用いなければ、管理が複雑な金属かもしれない。
放熱が早く、部品が破損し、スクラップ価格が高いため、複雑な問題に直面するかもしれない。

ステンレス鋼の用途

このメーカーは、鋼のユニークな特性と耐食性を必要とする用途にステンレス鋼を使用することが多い。コイル、シート、プレート、バー、ワイヤー、チューブはすべてこの合金から加工されます。ステンレス鋼は通常、次のような用途に使用される。

自動車と輸送： メーカーは、排気装置、グリル、トリミングにステンレス鋼を使用している。技術の進歩に伴い、構造部品にステンレス鋼を使用するメーカーも増えている。
医療施設： ステンレス鋼は洗浄が容易で腐食しやすいため、清潔な無菌環境ではステンレス鋼が好まれる。各社は、手術器具や歯科用器具を含む様々な医療機器の製造にステンレスを利用している。
建物の建設： ステンレス鋼は、その強度、弾力性、柔軟性により、建築に不可欠な材料となっています。内部では調理台、バックスプラッシュ、手すり、外部では衝撃性の高い構造物の被覆材として頻繁に利用されています。
航空機の構造： 技術者たちは航空分野でステンレス鋼を使用している。その強度と高温耐性から、航空機のフレームなどさまざまな用途に使われている。さらに、錆びないようにするためにジェットエンジンにも使われている。
飲食業： 食品・ケータリング業界では、ステンレス・スチールを使ってキッチン・アクセサリー、調理器具、カトラリーを製造している。

ステンレス鋼の特性

ステンレス鋼には多くの魅力的な特性があり、様々な産業で部品やコンポーネントの製造に幅広く使用されている。とりわけ重要なのは、クロム濃度の高さによる耐食性の高さである。最低クロム濃度10.5パーセントの鋼は、そうでない鋼よりも200倍耐食性が高い。

ステンレス鋼の耐食性の主な原因はクロム含有量にある。鋼の表面には、酸化クロムの安定した皮膜が形成され、材料のバルクとの化学的相互作用を防いでいる。この酸化皮膜の厚さは2nmから3nmと非常に薄く、受動的（耐食性）、粘着性（バルクとの密着性）、自己修復性（ひび割れや損傷時に修復）を備えている。
フェライト系、マルテンサイト系、二相鋼のステンレス鋼は磁性を持つが、オーステナイト系は磁性を持たない。
ステンレス鋼は100％リサイクル可能です。ステンレス鋼にはクロムやニッケルなどの貴重な成分が多く含まれているため、スクラップのリサイクルは費用対効果に優れています。

ステンレス鋼のカテゴリー

ステンレス鋼は、その結晶構造によって4つの主要なカテゴリーに分類される。

フェライト系

フェライト系ステンレス鋼は、他のステンレス鋼よりも柔軟性に欠け、成形性が低下する。また、磁性があり、硬度が低く、耐食性も低い。一方、ニッケルが含まれていないため、価格が低い。

オーステナイト系

最も一般的なステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼である。その立方晶構造は面心である。これらの鋼は、通常の合金成分である鉄とクロムの他に、ニッケル、マンガン、窒素を含んでいる。

マルテンサイト

高い延性と靭性を持つ磁性ステンレス鋼は、マルテンサイト系ステンレス鋼として知られている。冷間加工で多少硬化させることができる。この場合、焼鈍後の降伏強度は通常約275MPaである。

デュプレックス

二相鋼の強度は、オーステナイト系ステンレス鋼の約2倍である。塩化物応力腐食割れに対しては、オーステナイト系ステンレス鋼より強い。靭性はフェライト系とオーステナイト系の中間である。

ステンレス鋼は錆びますか？

クロム濃度が10.5％以上の鋼合金はステンレス鋼として知られている。クロムは空気中の酸素と相互作用して保護膜を作り、ステンレス鋼を非常に耐食性、耐錆性に優れたものにする。現在、約150種類のステンレス鋼が市場に出回っている。

ステンレス鋼タイプ

何百種類ものステンレス合金が利用可能ですが、ほとんどは以下の3つのグループのいずれかに分類されます。

オーステナイト系ステンレス鋼： この種のステンレス鋼には2つの大きな特徴がある。オーステナイト系ステンレス鋼は、まずかなりの量のクロムを含んでいる。生産者がこの材料を使用すると、耐食性が向上する。第二に、通常、この素材は非磁性であるが、冷間成形を行うことで磁性を帯びることがある。以下は、最も一般的なステンレス合金である。
フェライト系ステンレス鋼： ステンレス鋼の中で2番目に多く使われている合金で、磁性もある。ニッケル濃度が低いため、この合金で作られた製品は冷間成形で強靭にすることができ、他の種類よりも安価である。
ステンレス鋼マルテンサイト系： これはステンレス鋼合金の中で最も使用頻度の低い種類である。マルテンサイト系ステンレス鋼は、耐衝撃性や高い引張強度が必要な用途に使用される。生産者は、保護ポリマーの被覆で耐食性を高めるために、この材料をカップルにすることが多い。

ステンレス鋼はどのようにして作られるのか？

ステンレス鋼を生産する場合、生産者はまず、生産したいステンレス鋼の種類を決めなければならない。製造するステンレス鋼の等級によって、鉄、炭素、ニッケルなどのステンレス鋼成分の比率が変わるため、この決定は重要である。

ステンレス鋼製造工程の残りは、原材料を集めた後に開始することができる。以下では、業界のステンレス鋼製造工程を説明する。

メーカーはまず、さまざまなステンレス鋼を炉で融点まで加熱する。その溶鋼を真空酸素脱炭 (VOD)またはアルゴン-酸素脱炭 (AOD)に入れ、余分な炭素を除去する。第3に、混合物から特定のステンレス鋼成分を分散・除去し、最終製品の品質を微調整するために、溶鋼を旋回させることがある。

第4に、ステンレス鋼が冷却されると、結晶化温度以上の状態で熱間圧延を始めとする一連の形状加工が施される。第5に、内部緊張を緩和し、ステンレス鋼の機械的特性を変化させるために焼鈍されることがある。

焼鈍工程の後、生産ラインは、用途に適した最終製品を提供するため、ステンレス鋼に様々な切断・成形工程を施す。最後に、ステンレス鋼のビレット、ブルーム、ワイヤーを他のメーカーに輸出する前に、ステンレス鋼メーカーはそれらに様々な表面処理を加えることがある。

鋼鉄組成の添加剤と成分

ステンレス鋼の部品は、現在、製品を製造し、消費者のニーズに応えるために使用される選択材料である。では、鋼鉄には何種類あるのでしょうか？それは添加物によって異なる。では、それらをチェックしてみよう。

カーボンだ： 各社は炭素と鉄を合金化した鋼を製造している。鉄はこの過程で強度と硬度を増す。
マンガンだ： 鋼にマンガンを添加すると、硬度、強度、焼入れ性が向上し、熱間加工特性も改善される。
クロム： クロムは鋼の耐酸化性を高めるために使用される。
ニッケルだ： 生産者は高クロムステンレス鋼に大量のニッケルを添加し、耐熱性と耐食性に最も優れた鋼を製造している。
モリブデン モリブデンは、クロム・ニッケル系オーステナイト鋼と組み合わせることで、特に硫黄や塩化物を含む環境下での孔食やすきま腐食に対する耐性を向上させる。
窒素だ： 窒素は、ニッケル同様、オーステナイト形成元素であり、ステンレス鋼のオーステナイト安定性を向上させる。
銅だ： 銅はステンレス鋼の一般的な残留元素である。析出硬化特性を付与したり、硫酸や塩水での耐食性を向上させるために、製造現場では様々な合金にこの元素を添加している。
チタン： 特に溶接が必要な場合は、炭化物を安定させるためにチタンを使用することが多い。チタンは炭素と結合してチタンカーバイドを生成し、非常に安定していて鋼中に溶解しにくく、粒界腐食のリスクを低減する。
リンだ： オーステナイト系ステンレス鋼は、加工性を向上させるため、リンと硫黄を併用することが多い。リンはオーステナイト系ステンレス鋼の強度を向上させるが、耐食性を低下させ、溶接時に粉砕しやすくなる。
硫黄だ： 硫黄は微量に添加すると加工性を向上させるが、リン同様、耐食性、ひいては溶接性に悪影響を及ぼす。

その他の添加物

セレンだ： セレンは以前、機械加工性を向上させるためのサプリメントとして使用されていた。
ニオビウム／コロンビウム メーカーはニオブ／コロンビウムを鋼の炭素を安定させるために使用し、チタンと同様の機能を果たす。また、ニオブは合金や鋼を強化し、より高温に耐えられるようにする。
シリコンだ： 鋼鉄の溶解プロセスで脱酸（殺酸化）剤としてケイ素を利用し、ほとんどの鋼鉄には微量のケイ素が含まれている。
コバルト 原子炉の固体放射線にさらされると、コバルトは高放射能になる。そのため、原子力発電所で使用されるステンレス鋼はすべて、通常最大でも0.2%のコバルト制限値を設けている。
カルシウム： 生産者たちは、セレン、リン、その他の元素に起因する他の特性を損なうことなく加工性を向上させるために、微量のカルシウムを添加している。

結論

ステンレス鋼は、少なくとも10.5％のクロム、1.2％未満の炭素、およびその他の合金成分を含む。ステンレス鋼が使用される場所は様々である。

ステンレス鋼は、他の添加物の組み合わせによって様々な形状になる。製造業者は、使用目的に応じて、これらの添加物をステンレス鋼組成物に配合する。

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