合金鋼の一種であるステンレス鋼は「サビない金属」としてよく知られており、「サビない金属の代表格的存在」となっています。キッチンなどの水まわりに使用されているところをイメージされる方も多いと思いますが、その見た目はピカピカで輝きがあり、「鉄から出来ているとは思えない！」という方もいるのではないでしょうか。
サビない性質を持つステンレス鋼は工業材料としての魅力度も高く、建築物、自動車、機械、プラント、発電所など、幅広い分野に使用されています。
ものづくりに携わる人はステンレス鋼に触れる機会が多いため、工業材料としてのステンレス鋼の基礎知識を知っておきたいところです。
そこで本記事では、ステンレス鋼の基礎について解説しています。「ステンレス鋼がサビない理由」が分かりますので、一緒に学んでいきましょう！
- ステンレス鋼とは何か
- ステンレス鋼の特徴、弱点、用途、種類など
ステンレス鋼とは
ステンレス鋼とは、クロム含有率を10.5%以上、炭素含有率を1.2%以下とし、耐食性を有する合金鋼のことです。
合金鋼とは、鋼の性質を改善させるため、または所定の性質を持たせるために合金元素が１種類以上添加されている鋼のことです。合金元素が添加されていない鋼は「炭素鋼」と呼ばれます。鋼は成分によって大きく「炭素鋼」と「合金鋼」に分類されますが、ステンレス鋼は後者に分類される鋼ということになります。
日本産業規格（JIS）では、ステンレス鋼を次のように定義しています。
ステンレス鋼の定義：
『クロム含有率を10.5%以上、炭素含有率を1.2%以下とし、耐食性を向上させた合金鋼』
出展：鉄鋼用語（製品及び品質）｜JIS G 0203：2009
こここから分かるように、ステンレス鋼は成分的には「クロム含有率が高く、炭素含有率が低め」の合金鋼です。機械構造用の合金鋼としてよく知られている「SCM440」はクロム含有率が1%程度であるため、ステンレス鋼のクロム含有率はかなり高いことが分かります。そして、ステンレス鋼は「耐食性が他の鋼よりも高い」こともJISの定義から分かります。これがステンレス鋼の正体です。耐食性の意味や、クロムと耐食性の関係については、このあと詳しく解説していきます。
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ステンレス鋼の特徴
最大の特徴は「耐食性の高さ」
ステンレス鋼の最大の特徴は、「高い耐食性を有すること」です。
耐食性とは、「腐食のしにくさ」のことです。簡単に言うと、「サビにくさ」のことです。炭素鋼のような普通の鋼は、水がある環境に晒されると、簡単にサビてしまいます。水は大気中にも存在するため、大気中に長時間放置されるだけでも鋼はサビてしまいます。
そもそも「サビる」というのは、金属元素が電子を失ってイオン化し、酸素や水と反応して「酸化」している状態のことを指します。金属表面に酸素（O2）と水（H2O）が存在すると、これらと金属との間で電位差が生じ、金属元素が電子を放出します。電子を放出した金属元素はイオン化し、水に溶け出すことで酸素と結合し、酸化が起こります。これがサビの発生メカニズムです。
耐食性を有しているステンレス鋼は、水に晒されても上述のようなサビが発生しません。そのため、綺麗に研磨されたステンレス鋼は、表面が常にピカピカと輝いています。その見た目は、美しさすら感じてしまうほどです。
なお、ステンレスの英語表記である「Stainless」には「サビない」という意味があり、名前もサビない材料であることを示しています。
耐食性が高いのはクロムのおかげ
ステンレス鋼が腐食しづらい理由は、クロムが薄い酸化被膜を形成しているためです。
前述したように、ステンレス鋼にはクロムが10.5%以上添加されています。クロムは鋼に添加されると、鋼の表面に非常に薄い「クロム酸化膜」を形成します。この酸化被膜を「不動態被膜」と言います。
不動態被膜は厚さが1～3nm（ナノメートル）と非常に薄いため、ステンレス鋼は全体が薄いフィルムで覆われたような状態になっています。この薄いフィルムが、鋼がそれ以上酸化しないように保護しています。これが、ステンレス鋼がサビないとされる理由です。
ここでやっかいな存在なのが、鋼中に含まれている炭素です。炭素はクロムと結合しやすく、鋼中でクロム炭化物を形成します。鋼中にクロム炭化物が形成されると、不動体被膜を作れない領域が出来ます。その領域は「クロム欠乏層」と呼ばれます。クロム欠乏層が生成されると耐食性が落ちるため、ステンレス鋼の炭素含有率は低めに設定されています。また、クロム含有率が10.5%以上でないと十分な耐食性を発揮しないことから、クロム含有率が10.5%以上のものでないとステンレス鋼と呼ぶことはできません。
それ以外の特徴
ステンレス鋼は優れた耐食性を有するだけでなく、優れた「耐熱性」も有しています。
耐熱性とは、熱に対する強さのことです。普通の鋼は熱に弱く、500℃などの高温環境に晒されると著しく強度が低下し、高温酸化や高温腐食なども起こります。そのため、高温になるような場所で使用することができません。
一方のステンレス鋼は耐熱性を有しており、特に、のちほど紹介する「オーステナイト系ステンレス鋼」は500℃を超える高温環境下でも強度が低下しづらい性質があります。高温酸化や高温腐食も起こりにくいため、ステンレス鋼は高温になる場所でも使用することができます。
ステンレス鋼の用途
ステンレス鋼は優れた耐食性を有し、その見た目の美しさから工業材料としての魅力度も高く、産業分野では材料の腐食が心配なシーンで大いに活躍しています。
ステンレス鋼の用途について見てみると、私たちの身近なもので言えば、スプーンや包丁などがステンレス鋼で出来ています。また、キッチンの流し台はステンレス鋼の定番的商品となっており、水まわりにステンレス鋼は欠かせません。
産業分野では、薬品やガスなどによる腐食が心配されるプラントの配管などにステンレス鋼が使用されています。
ステンレス鋼には耐熱性もあることから、高温になる場所、例えば発電所のボイラーや熱交換器などにステンレス鋼が使用されています。
ここ最近の動向として、従来は炭素鋼などを使用していたものを、ステンレス鋼に置き換える動きがあります。サビないように人が手入れして維持していたものを、ステンレス鋼に変えれば手入れが不要になり、維持費を抑えられるからです。
このようにステンレス鋼は多くのものに使用されており、おそらく気づかないだけで見ない日はないと言えるほど、私たちの身の回りにはステンレス鋼が存在しています。
- 建材（手すり、案内板、エスカレーター、屋根材、桟橋など）
- 自動車（エキゾーストマニホールド、マフラーなど）
- 調理用機器（ナイフ、スプーン、フォーク、包丁、フライパン、流し台など）
- 家庭用機器（蛇口、電子レンジ、炊飯器、冷蔵庫、石油ストーブなど）
- 産業用機器（水門、液体貯蔵用タンクなど）
- 医療用機器（ピンセット、ハサミ、トレイ、ワゴン）
- 発電用機器（ボイラー、蒸気管、原子炉圧力容器など）
- 化学・石油・ガスプラント（配管、熱交換器など）
ステンレス鋼の弱点
サビることがなく、最強とも思えるステンレス鋼にも、弱点はあります。ステンレス鋼の弱点について見ていきましょう。
ステンレス鋼は高い耐食性を有するとは言え、その特性は万能ではありません。一定の条件が揃うと腐食を起こすことがあるため、注意する必要があります。
ステンレス鋼にはいくつかの腐食形態がありますが、代表的な腐食形態を次に示します。
「全面腐食」は、金属の表面が全面的に腐食される形態の腐食現象です。塩酸や希硫酸などの化学薬品に晒されたときに起こります。
「孔食」と「すき間腐食」は、塩化物イオンなどのハロゲンイオンを含む環境下で起こる腐食現象です。ハロゲンイオンによって不動体被膜が局部的に破壊され、その部分が優先的に腐食されることで進行します。局部的に腐食が起こることから、前述の全面腐食に対して「局部腐食」と呼ばれます。海水には塩化物イオンが多く含まれているため、海水は局部腐食を起こしやすくさせます。
「応力腐食割れ」は、のちほど詳しく解説する「オーステナイト系ステンレス鋼」で起こりやすい腐食現象です。環境中に塩化物イオンなどが存在する条件と、材料に引張応力が作用する条件が複合したときに起こります。
いずれの腐食現象も一定の条件や環境下で発生する腐食現象であり、ステンレス鋼を使用するときは、腐食が発生し得る要因を調査した上で使用することが大切です。
ステンレス鋼の種類
ステンレス鋼にも、いくつかの種類があります。ステンレス鋼は大きく、次の５種類に分類されます。
- フェライト系ステンレス鋼
- オーステナイト系ステンレス鋼
- マルテンサイト系ステンレス鋼
- オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼
- 析出硬化系ステンレス鋼
「フェライト」、「オーステナイト」、「マルテンサイト」は、「金属組織」を表しています。ステンレス鋼に限らず、鋼は成分や熱処理によって相（そう）が変化する金属です。その相を顕微鏡で観察したときに現れるものが「金属組織」です。
つまり、ステンレス鋼における「種類の違い」は「金属組織の違い」ということになりますが、各種ステンレス鋼の特徴は次の通りです。
安価な「フェライト系ステンレス鋼」
フェライト系ステンレス鋼は、常温でフェライト組織を示すステンレス鋼です。鋼中にクロムを11～18%程度含有しています。代表的な鋼種は「SUS430」です。
フェライト系ステンレス鋼の耐食性は高めですが、オーステナイト系ステンレス鋼には劣ります。また、強度もステンレス鋼の中では低めとなっています。その分、安価であり、用途としてはあまり強度を必要としない部位に使用されています。
オールマイティーな「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は、常温でオーステナイト組織を示すステンレス鋼です。クロムを18%程度含有する他に、ニッケルを5～15%程度含有しています。代表的な鋼種は「SUS304」と「SUS316」です。
オーステナイト系ステンレス鋼は常温のみならず、高温でも優れた靭性と耐食性を発揮します。延性に富むことから、加工性も優れています。低温環境下にも強く、オールマイティーなステンレス鋼として親しまれています。家庭用品、建築用品、医療用品、工業用品など、幅広い用途に使用されています。
刃物によく使われる「マルテンサイト系ステンレス鋼」
マルテンサイト系ステンレス鋼は、常温でマルテンサイト組織を示すステンレス鋼です。クロムを11～18%程度含有しています。代表的な鋼種は「SUS403」です。
マルテンサイト組織は焼入れによって得られる金属組織であるため、非常に硬い特徴があります。そのためマルテンサイト系ステンレス鋼は強度と摩耗性に優れています。ただし、ステンレス鋼の中で最も耐食性が低いです。本鋼種の代表的な用途としては、包丁やナイフなどの刃物が挙げられます。
海水環境に強い「オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼」
オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼は、常温でオーステナイト組織とフェライト組織とが混在するステンレス鋼です。顕微鏡で金属組織を観察したときに、相がはっきりと２つに分かれている様子を観察できるため、「二相系ステンレス鋼」とも言われます。クロム含有率が25%以上と、かなり高濃度な鋼種です。代表的な鋼種は「SUS329J4L」です。
オーステナイト・フェライト系ステンレス鋼は耐食性、強度ともに高く、オーステナイト系ステンレス鋼で発生しやすい応力腐食割れが発生しづらいため、応力腐食割れの懸念がある海水環境で使用されています。具体例としては、海水が当たる油井や橋梁などです。
高い強度を誇る「析出硬化系ステンレス鋼」
析出硬化系ステンレス鋼は、析出硬化処理と呼ばれる特殊な熱処理が施されたステンレス鋼です。成分の特徴として、アルミニウム（Al）や銅（Cu）などが添加されています。代表的な鋼種は「SUS630」です。
析出硬化系ステンレス鋼は、アルミニウムや銅などの金属間化合物が母材中に微細析出しているため、非常に硬い金属組織となっています。同じように高硬度材であるマルテンサイト系ステンレス鋼は耐食性が低い欠点がありましたが、析出硬化系ステンレス鋼はこれを克服しています。用途としては、シャフト類やタービン部品に使用されます。
