ステンレス鋼

ステンレス鋼は、イノックス、耐食鋼（CRES）、錆びない鋼とも呼ばれ、錆びや腐食に強い鉄の合金です。用途やコストに応じて、鉄にクロム、モリブデン、炭素、ニッケル、窒素などの元素が含まれています。ステンレス鋼の耐腐食性は、10.5％以上のクロム含有量によるもので、このクロムは不動態膜を形成し、酸素の存在下で材料を保護し、自己修復します。^{[1] ：3}

光沢や耐腐食性などの合金の特性は、多くの用途で役立ちます。ステンレス鋼は、シート、プレート、棒、ワイヤー、チューブに圧延できます。これらは、調理器具、カトラリー、外科用器具、大型家電、車両、大規模建物の建設資材、産業機器（製紙工場、化学工場、水処理など）、化学物質や食品の貯蔵タンクやタンカーに使用できます。グレードによっては、鍛造や鋳造にも適しています。

ステンレス鋼の生物学的洗浄性はアルミニウムや銅よりも優れており、ガラスにも匹敵します。^[2]ステンレス鋼の洗浄性、強度、耐腐食性により、製薬工場や食品加工工場でステンレス鋼が使用されるようになりました。^[3]

ステンレス鋼の種類には、AISIの3桁の番号が付けられています。^[4] ISO 15510規格には、既存のISO、ASTM、EN、JIS、GB規格の仕様のステンレス鋼の化学組成が便利な交換表に記載されています。^[5]

ステンレス鋼は錆びますが、これは外側の数層の原子にのみ影響し、含まれるクロムがより深い層を酸化から保護します。

窒素を添加すると孔食に対する耐性も向上し、機械的強度も増します。^[6]そのため、合金が耐えなければならない環境に合わせて、クロムとモリブデンの含有量が異なるステンレス鋼のグレードが数多くあります。^[7]耐食性は、以下の方法でさらに高めることができます。

• クロム含有量を11%以上に増加^[6]
• ニッケルを少なくとも8％添加する^[6]
• モリブデンの添加（これも孔食に対する耐性を向上させる）^[6]

最も一般的なステンレス鋼 304 の引張降伏強度は、焼鈍状態で約 210 MPa (30,000 psi) です。冷間加工により、完全に硬化した状態で 1,050 MPa (153,000 psi) の強度まで強化できます。

最も強度の高い一般的なステンレス鋼は、 17-4PHやCustom 465などの析出硬化合金です。これらは熱処理により最大1,730MPa（251,000psi）の引張降伏強度を得ることができます。^[8]

ステンレス鋼の融点は普通の鋼の融点に近く、アルミニウムや銅の融点よりもはるかに高い。ほとんどの合金と同様に、ステンレス鋼の融点は単一の温度ではなく、温度範囲で表されます。^[9]この温度範囲は、合金の特定の粘稠度に応じて、 1,400〜1,530℃（2,550〜2,790°F、1,670〜1,800K、3,010〜3,250°R）^{[10]になります。}

鋼鉄と同様に、ステンレス鋼は比較的電気伝導性が低く、銅よりも電気伝導性が大幅に低い。特に、ステンレス鋼の非電気接触抵抗（ECR）は、緻密な保護酸化層の結果として発生し、電気コネクタとしての用途における機能性を制限している。^[11]銅合金およびニッケルコーティングされたコネクタは、ECR値が低い傾向があり、このような用途に適した材料である。しかし、ステンレス鋼コネクタは、ECRの設計基準が低く、耐腐食性が求められる状況、たとえば高温および酸化環境で使用される。^[12]

マルテンサイト系、二相系、フェライト系のステンレス鋼は磁性があるが、オーステナイト系ステンレス鋼は通常は非磁性である。^[13]フェライト鋼の磁性は体心立方 結晶構造によるもので、鉄原子が立方体（各角に1つの鉄原子）に配置され、中央に追加の鉄原子がある。この中心の鉄原子がフェライト鋼の磁性を担っている。^[要出典]この配置により、鋼が吸収できる炭素の量も約0.025%に制限される。^{[14]低保磁力のグレードは、家電製品に使用される電気バルブや内燃機関の噴射システム用に開発されている。}磁気共鳴画像法など、一部の用途では非磁性材料が必要となる。^{[要出典]通常は} 非磁性であるオーステナイト系ステンレス鋼は、加工硬化によってわずかに磁性を持たせることができる。オーステナイト鋼を曲げたり切ったりすると、結晶構造が再配置され、ステンレス鋼の端に沿って磁性が発生することがあります。^[15]

かじりは、冷間圧接とも呼ばれ、2 つの金属表面が互いに相対的に動いていて、強い圧力がかかっている場合に発生する可能性がある、重度の凝着摩耗の一種です。オーステナイト系ステンレス鋼の留め具は、特にねじかじりの影響を受けやすいですが、アルミニウムやチタンなど、表面保護用の酸化被膜を自ら生成する他の合金も影響を受けやすいです。接触力の高い滑りでは、この酸化物は変形、破損し、部品の一部から除去され、反応性の高い金属が露出します。2 つの表面が同じ材料の場合、これらの露出した表面は簡単に融合します。2 つの表面が離れると、表面が裂け、金属部品または留め具が完全に固着することがあります。^{[17] [18]}かじりは、異なる材料（青銅とステンレス鋼）を使用するか、異なるステンレス鋼（マルテンサイト系とオーステナイト系）を使用することで軽減できます。さらに、ねじ接合部に潤滑剤を塗布して、2 つの部品の間に膜を作り、かじりを防ぐことができます。マンガン、シリコン、窒素を選択的に合金化して作られたニトロニック60は、焼き付き傾向が低いことが実証されています。 ^[18]

ステンレス鋼の密​​度は、合金に応じて 7.5 ～ 8.0 g/cm ^{3 (0.27 ～ 0.29 lb/cu in) の範囲になります。}

ステンレス鋼の発明は、1798年にルイ・ヴォークランがフランス科学アカデミーに初めてクロムを示したことに始まる一連の科学的発展の後に起こった。1800年代初頭、イギリスの科学者ジェームズ・ストッダート、マイケル・ファラデー、ロバート・マレットは、クロム鉄合金（「クロム鋼」）の酸化剤に対する耐性を観察した。ロバート・ブンゼンは、クロムの強酸に対する耐性を発見した。鉄クロム合金の耐腐食性は、1821年にピエール・ベルティエによって初めて認識されたと考えられている。ベルティエは、いくつかの酸による攻撃に対する耐性に注目し、カトラリーへの使用を提案した。^[20]

1840年代には、イギリスのシェフィールドの鉄鋼メーカーとドイツのクルップ社がクロム鋼を生産しており、後者は1850年代に大砲にそれを採用した。^[21] 1861年、ロバート・フォレスター・マシェットはイギリスでクロム鋼の特許を取得した。^[22]

これらの出来事により、ブルックリンのクロム鋼工場の J. バウアーが橋の建設用にクロム含有鋼を米国で初めて生産するに至った。この製品の米国特許は 1869 年に発行された。^{[23] : 2261  [a]}これに続いて、イギリス人のジョン T. ウッズとジョン クラークがクロム合金の耐腐食性を認識し、5～30% のクロムにタングステンと「中炭素」を加えた合金に注目した。彼らは「耐候性合金」の英国特許を通じてこの革新の商業的価値を追求した。^{[23] : 261, 11  [24] [全文引用が必要]}

19世紀後半に鋼鉄の腐食を研究していた科学者たちは、試験していた合金鋼に含まれる炭素の量に注意を払っていなかったが、1898年にアドルフ・カルノーとE・グータルが、クロム鋼は炭素含有量が少ないほど酸による酸化に強いことに気づいた。^{[25] [26]}

また、1890年代後半には、ドイツの化学者ハンス・ゴールドシュミットが炭素を含まないクロムを製造するためのアルミノテルミット法（テルミット法）を開発した。^{[27] 1904年から1911年にかけて、フランスの}レオン・ギュイエをはじめとする数人の研究者が、今日ではステンレス鋼とみなされる合金を調製した。^{[27] [28]}

1908年、エッセンのフリードリヒ・クルップ・ゲルマニアヴェルフト社は、クロムニッケル鋼の船体を備えた366トンの帆船ゲルマニア号をドイツで建造した。1911^{年、フィリップ・モナルツはクロム含有量と耐食性の関係について報告した。 [29]} 1912年10月17日、クルップ社の技術者ベンノ・シュトラウスとエドゥアルト・マウラーは、今日18/8またはAISIタイプ304として知られるオーステナイト系ステンレス鋼の特許をニロスタとして取得した。 ^{[30] [31] [32] [29] [33]}

同様の開発が米国でも行われており、ゼネラル・エレクトリック社のクリスチャン・ダンツィゼン氏^[33]とユニオン・カーバイド社のフレデリック・ベケット氏（1875-1942）がフェライト系ステンレス鋼を工業化していました。^[34] 1912年、エルウッド・ヘインズ氏はマルテンサイト系ステンレス鋼合金に関する米国特許を申請しましたが、1919年まで認可されませんでした。^[35]

1913年、イギリスのシェフィールドにあるブラウン・ファース研究所のハリー・ブレアリーは、銃身用の耐腐食合金を探していたところ、マルテンサイト系ステンレス鋼合金（現在はAISIタイプ420として知られている）を発見し、工業化した。 ^{[33]この発見は2年後の1915年1月の}ニューヨークタイムズ紙の記事で発表された。^[19]

この金属は後にイギリスのファース・ヴィッカーズ社によって「ステイブライト」というブランド名で販売され、1929年にロンドンのサヴォイ・ホテルの新しいエントランスの天蓋に使用された^。[36]ブレアリーは1915年に米国特許を申請したが、ヘインズがすでに特許を取得していた。ブレアリーとヘインズは資金を出し合い、投資家グループとともに、ペンシルベニア州ピッツバーグに本社を置くアメリカン・ステンレス・スチール・コーポレーションを設立した。^{[23] : 360}

ブレアリーは当初、この新しい合金を「錆びない鋼」と呼んだ。この合金は米国で「アレゲニー メタル」や「ニロスタ スチール」などの異なるブランド名で販売された。冶金業界内でも、この名称は定着せず、1921年、ある業界誌はこれを「錆びない鋼」と呼んだ。^[37]ブレアリーは地元の刃物製造業者と協力し、この業者は合金に「ステンレス鋼」という名前を付けた。^[38]フォード モーター カンパニーは1932年になっても、自動車の宣伝資料でこの合金を「錆びない鋼」と呼び続けた。^[39]

1929年、大恐慌以前には、米国では年間25,000トン以上のステンレス鋼が製造・販売されていました。^[40]

1950 年代と 1960 年代の大きな技術進歩により、手頃なコストで大量の生産が可能になりました。

• AODプロセス（アルゴン酸素脱炭）は、炭素と硫黄を除去します。
• 連続鋳造と熱間圧延^[41]
• Zミル、またはゼンジミア冷間圧延機^{[42] [43]}
• クルーゾ・ロワール・ウッデホルム（CLU）法および関連プロセスでは、アルゴンの一部または全部の代わりに蒸気を使用する^[44]

ステンレス鋼は、主に結晶構造 によって区別される 5 つの主要なファミリーに分類されます。

• オーステナイト
• フェライト
• マルテンサイト
• デュプレックス
• 析出硬化

オーステナイト系ステンレス鋼^{[45] [46]は}ステンレス鋼の中で最大のグループであり、全ステンレス鋼生産量の約3分の2を占めています。^{[47]これらは}面心立方結晶構造であるオーステナイト微細構造を持っています。 ^{[48]この微細構造は、}極低温領域から融点までのすべての温度でオーステナイト微細構造を維持するのに十分なニッケル、マンガン、または窒素を鋼に合金化することで実現されます。 ^[48]したがって、オーステナイト系ステンレス鋼はすべての温度で同じ微細構造を持っているため、熱処理によって硬化することはできません。^[48]

しかし、「成形温度は、準安定オーステナイト系ステンレス鋼（M-ASS）製品が微細構造と極低温の機械的性能に対応するために不可欠な要素です。...準安定オーステナイト系ステンレス鋼（M-ASS）は、その高い極低温靭性、延性、強度、耐腐食性、および経済性により、極低温圧力容器（CPV）の製造に広く使用されています。」^[49]

オーステナイト系ステンレス鋼の極低温冷間成形は、加熱・焼入れ・焼戻しサイクルの延長であり、全負荷使用前の材料の最終温度を極低温範囲まで下げる。これにより残留応力を除去し、耐摩耗性を向上させることができる。^[50]

オーステナイト系ステンレス鋼のサブグループ、200 シリーズおよび 300 シリーズ:

• 200シリーズ^[51]はマンガンと窒素の使用を最大限にしてニッケルの使用を最小限に抑えたクロムマンガンニッケル合金です。窒素添加により、300シリーズのステンレス鋼板よりも約50％高い降伏強度を持っています。
  • タイプ201は冷間加工により硬化可能である。^[52]
  • タイプ202は汎用ステンレス鋼です。ニッケル含有量を減らし、マンガンを増やすと耐食性が低下します。
• 300 シリーズは、ほぼニッケル合金化によってのみオーステナイト微細構造を実現するクロムニッケル合金です。一部の非常に合金化されたグレードには、ニッケル要件を減らすために窒素が含まれています。300 シリーズは最大のグループであり、最も広く使用されています。
  • タイプ304 : 最も一般的なのはタイプ 304 で、18% のクロムと 8% または 10% のニッケルの組成から、それぞれ 18/8 および 18/10 とも呼ばれます。
  • タイプ316：2番目に一般的なオーステナイト系ステンレス鋼はタイプ316です。2％のモリブデンを添加することで、酸や塩化物イオンによる局部腐食に対する耐性が向上します。316Lや304Lなどの低炭素バージョンは、炭素含有量が0.03％未満であり、溶接中に発生する腐食の問題を回避するために使用されます。^[53]

フェライト系ステンレス鋼は、炭素鋼のようなフェライト微細構造を持ち、体心立方結晶構造をしており、10.5% ～ 27% のクロムを含み、ニッケルはほとんどまたはまったく含まれていません。この微細構造は、クロム添加によりあらゆる温度で存在するため、熱処理で硬化させることはできません。冷間加工では、オーステナイト系ステンレス鋼と同程度に強化することはできません。フェライト系ステンレス鋼は磁性があります。タイプ 430 にニオブ (Nb)、チタン (Ti)、ジルコニウム(Zr) を添加すると、良好な溶接性が得られます。ニッケルがほとんど含まれていないため、オーステナイト系鋼よりも安価で、次のような多くの製品に使用されています。

• 自動車用排気管（北米ではタイプ409と409 Cb ^{[b]が使用され、ヨーロッパでは安定化グレードのタイプ439と441が使用されている） [54]}
• 建築・構造用途（タイプ430、17％Cr含有）^[55]
• スレートフック、屋根、煙突ダクトなどの建築部品
• ナイフの刃
• 約700℃（1,300℉）の温度で作動する固体酸化物燃料電池のパワープレート（22％Crを含む高クロムフェライト） ^[56]

マルテンサイト系ステンレス鋼は体心正方晶構造を持ち、幅広い特性を有し、ステンレスエンジニアリング鋼、ステンレス工具鋼、耐クリープ鋼として使用されている。磁性があり、クロム含有量が少ないため、フェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼ほど耐食性はない。これらは4つのカテゴリーに分類される（一部重複あり）：^[57]

• Fe-Cr-C グレード。これらは最初に使用されたグレードであり、エンジニアリングおよび耐摩耗アプリケーションで現在でも広く使用されています。
• Fe-Cr-Ni-Cグレード。一部の炭素がニッケルに置き換えられています。これらのグレードは、より高い靭性と耐腐食性を備えています。13％Crと4％Niを含むグレードEN 1.4303（鋳造グレードCA6NM）は、鋳造特性、溶接性、キャビテーション浸食に対する耐性が優れているため、水力発電所のほとんどのペルトン水車、カプラン水車、フランシス水車に使用されています^[58]。
• 析出硬化グレード。最もよく知られているグレード EN 1.4542 (別名 17-4 PH) は、マルテンサイト硬化と析出硬化を組み合わせたものです。高い強度と優れた靭性を実現し、航空宇宙などの用途で使用されています。
• 耐クリープ性グレード。ニオブ、バナジウム、ホウ素、コバルトを少量添加することで、強度と耐クリープ性が約 650 °C (1,200 °F) まで向上します。

マルテンサイト系ステンレス鋼は熱処理を施すことで機械的特性を向上させることができる。熱処理には通常3つのステップが含まれる。^[59]

1. オーステナイト化処理では、鋼はグレードに応じて 980～1,050 °C (1,800～1,920 °F) の範囲の温度に加熱されます。結果として得られるオーステナイトは面心立方結晶構造を持ちます。
2. 焼入れ。オーステナイトは、硬い体心正方晶構造のマルテンサイトに変換されます。焼入れされたマルテンサイトは非常に硬く、ほとんどの用途には脆すぎます。残留オーステナイトが残る場合があります。
3. 焼き戻し。マルテンサイトは約 500 °C (930 °F) に加熱され、その温度に保持された後、空冷されます。焼き戻し温度が高くなると、降伏強度と極限引張強度は低下しますが、伸びと耐衝撃性は向上します。

マルテンサイト系ステンレス鋼の炭素の一部を窒素に置き換えることは、最近の開発である。^{[いつ? ]}窒素の限られた溶解度は、高圧窒素下で溶解が行われる圧力エレクトロスラグ精錬（PESR）プロセスによって増加します。最大0.4％の窒素を含む鋼が達成され、硬度と強度が向上し、耐食性が向上しました。PESRは高価なため、標準的なAODプロセスを使用して、より低いが有意な窒素含有量が達成されました。^{[60] [61] [62] [63] [64]}

二相ステンレス鋼は、オーステナイトとフェライトの混合ミクロ構造を持ち、理想的な比率は 50:50 ですが、市販の合金では 40:60 の比率になることがあります。二相ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼よりもクロム (19～32%) とモリブデン (最大 5%) の含有量が多く、ニッケル含有量が少ないのが特徴です。二相ステンレス鋼の降伏強度は、オーステナイト系ステンレス鋼の約 2 倍です。混合ミクロ構造により、オーステナイト系ステンレス鋼タイプ 304 および 316 と比較して、塩化物応力腐食割れに対する耐性が向上しています。二相鋼グレードは通常、耐食性に基づいて、リーン二相鋼、標準二相鋼、スーパー二相鋼の 3 つのサブグループに分けられます。二相ステンレス鋼の特性は、同様の性能を持つスーパーオーステナイト系グレードよりも全体的に合金含有量が少ないことで実現されるため、多くの用途でコスト効率に優れています。パルプおよび製紙業界は、二相ステンレス鋼を広範囲に使用した最初の業界の 1 つです。現在、石油・ガス産業が最大のユーザーであり、より耐食性の高いグレードを求めており、スーパー二相鋼やハイパー二相鋼の開発につながっています。最近では、より安価で（耐食性がやや劣る）リーン二相鋼が開発されており、主に建築・建設（コンクリート鉄筋、橋梁用プレート、沿岸工事）や水道産業の構造用途に使用されています。

析出硬化型ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼に匹敵する耐食性を持ちますが、他のマルテンサイト系ステンレス鋼よりもさらに高い強度まで析出硬化させることができます。析出硬化型ステンレス鋼には3つのタイプがあります。^[65]

• マルテンサイト17-4 PH (AISI 630 EN 1.4542) には、約 17% の Cr、4% の Ni、4% の Cu、および 0.3% の Nb が含まれています。

約 1,040 °C (1,900 °F) で溶体化処理し、その後に焼入れすると、比較的延性のあるマルテンサイト構造になります。その後の 475 °C (887 °F) での時効処理により、Nb と Cu を多く含む相が析出し、降伏強度が 1,000 MPa (150,000 psi) 以上にまで強度が高まります。この優れた強度レベルは、航空宇宙などのハイテク用途で使用されています (通常は再溶解して非金属介在物を除去し、疲労寿命を延ばした後)。この鋼のもう 1 つの大きな利点は、時効処理が焼き戻し処理とは異なり、歪みや変色を生じずに (ほぼ) 完成した部品に適用できる温度で実行されることです。

• 半オーステナイト系 17-7 PH (AISI 631 EN 1.4568) には、約 17% の Cr、7.2% の Ni、および 1.2% の Al が含まれています。

一般的な熱処理には、溶体化処理と焼入れが含まれます。この時点では、組織はオーステナイトのままです。次に、-75 °C (-103 °F) での極低温処理または厳しい冷間加工 (通常は冷間圧延または伸線による 70% を超える変形) によって、マルテンサイト変態が実現されます。ほぼ完成した部品に対して、510 °C (950 °F) での時効処理 (Ni ₃ Al 金属間化合物相が析出) が上記のように実行されます。 その後、1400 MPa を超える降伏応力レベルに達します。

• オーステナイト A286 ^[66] (ASTM 660 EN 1.4980) には、約 Cr 15%、Ni 25%、Ti 2.1%、Mo 1.2%、V 1.3%、および B 0.005% が含まれています。

構造はあらゆる温度でオーステナイトのままです。

一般的な熱処理には、溶体化処理と焼入れ、続いて 715 °C (1,319 °F) での時効処理が含まれます。時効処理により Ni ₃ Ti 析出物が形成され、室温での降伏強度が約 650 MPa (94,000 psi) まで増加します。上記のグレードとは異なり、この鋼の機械的特性とクリープ耐性は、700 °C (1,300 °F) までの温度で非常に良好なままです。その結果、A286 は Fe ベースの超合金に分類され、ジェット エンジン、ガス タービン、ターボ部品に使用されます。

ステンレス鋼には150種類以上の等級が認められており、そのうち15種類が最も広く使用されています。米国SAE鋼種を含む多くの等級システムが使用されています。金属および合金の統一番号システム（UNS）は1970年にASTMによって開発されました。ヨーロッパではEN 10088が採用されています。^[33]

炭素鋼とは異なり、ステンレス鋼は湿った環境にさらされても均一腐食を起こしません。保護されていない炭素鋼は、空気と湿気の組み合わせにさらされるとすぐに錆びます。その結果生じる酸化鉄の表面層は多孔質で脆いです。さらに、酸化鉄は元の鋼よりも大きな体積を占めるため、この層は膨張して剥がれ落ちやすく、その下の鋼がさらに攻撃にさらされることになります。対照的に、ステンレス鋼には不動態化を起こすのに十分なクロムが含まれており、空気中の酸素や水中の少量の溶存酸素との反応により、微細な不活性表面膜である酸化クロムが自然に形成されます。この不動態膜は、鋼表面への酸素の拡散をブロックすることでさらなる腐食を防ぎ、金属全体に腐食が広がるのを防ぎます。^[67]この膜は、傷がついたり、そのグレードの固有の耐腐食性を超える条件によって一時的に乱されたりしても、自己修復します。^{[67] [68]}

このフィルムの耐腐食性は、ステンレス鋼の化学組成、主にクロム含有量によって決まります。腐食は、均一腐食、局所腐食 (孔食)、ガルバニック腐食、SCC (応力腐食割れ) の 4 つの形態に区別するのが一般的です。ステンレス鋼のグレードが作業環境に適していない場合は、これらの腐食形態のいずれも発生する可能性があります。

「CRES」という名称は、耐腐食性（ステンレス）鋼を意味します。

均一腐食は、パルプや製紙産業など、化学物質が製造または大量に使用される非常に過酷な環境で発生します。鋼の表面全体が攻撃され、腐食はmm/年単位の腐食速度で表されます（通常、このようなケースでは0.1mm/年未満が許容されます）。腐食表がガイドラインを提供します。^[69]

これは通常、ステンレス鋼が酸性または塩基性の溶液にさらされた場合に起こります。ステンレス鋼が腐食するかどうかは、酸または塩基の種類と濃度、および溶液の温度によって異なります。公開されている腐食データが広範囲に渡っているか、実験室での腐食テストが簡単に実行できるため、均一腐食は通常簡単に回避できます。

酸性溶液は、塩酸や希硫酸などの還元酸と、硝酸や濃硫酸などの酸化酸の 2 つの一般的なカテゴリに分類できます。クロムとモリブデンの含有量を増やすと還元酸に対する耐性が向上し、クロムとシリコンの含有量を増やすと酸化酸に対する耐性が向上します。硫酸は最も多く生産されている工業用化学物質の 1 つです。室温では、タイプ 304ステンレス鋼は 3% の酸にしか耐性がありませんが、タイプ 316は 50 °C (120 °F) までの 3% の酸と室温で 20% の酸に耐性があります。したがって、タイプ 304 SS が硫酸と接触して使用されることはほとんどありません。タイプ904Lと合金 20 は、室温を超えるさらに高い濃度の硫酸に対して耐性があります。^{[70] [71]}濃硫酸は硝酸のような酸化特性を持っているため、シリコン含有ステンレス鋼も有用である。^[要出典]塩酸はあらゆる種類のステンレス鋼を損傷するため、使用を避けるべきである。^{[1] : 118  [72]}すべての種類のステンレス鋼は、室温ではリン酸と硝酸の攻撃に耐える。高濃度および高温では攻撃が発生するため、より高合金のステンレス鋼が必要となる。^{[73] [74] [75]}一般に、有機酸は塩酸や硫酸などの鉱酸よりも腐食性が低い。

タイプ304およびタイプ316ステンレス鋼は、高濃度および高温であっても、水酸化アンモニウムなどの弱塩基の影響を受けません。同じグレードでも、高濃度および高温の水酸化ナトリウムなどのより強い塩基にさらされると、エッチングやひび割れが発生する可能性があります。^[76]クロムとニッケルの含有量を増やすと耐性が向上します。

すべてのグレードはアルデヒドやアミンによる損傷に耐性がありますが、後者の場合、タイプ 316 はタイプ 304 よりも適しています。セルロースアセテートは、温度を低く保たない限り、タイプ 304 を損傷します。脂肪と脂肪酸は、タイプ 304 では 150 °C (300 °F) を超える温度でのみ、タイプ 316 SS では 260 °C (500 °F) を超える温度でのみ影響を及ぼしますが、タイプ 317 SS はすべての温度で影響を受けません。タイプ 316L は尿素の処理に必要です。^{[1] [ページが必要]}

局部腐食は、孔食や隙間腐食など、いくつかの方法で発生する可能性があります。これらの局部腐食は、塩化物イオンが存在する場合に最もよく発生します。塩化物レベルが高いほど、より高合金のステンレス鋼が必要になります。

局部腐食は、次のような多くの要因に依存するため、予測が困難な場合があります。

• 塩化物イオン濃度。塩化物溶液の濃度が分かっている場合でも、予期せず局部腐食が発生する可能性があります。塩化物イオンは、蒸発や凝縮により、隙間（ガスケットの下など）や蒸気空間の表面など、特定の領域に不均一に集中することがあります。
• 温度: 温度が上昇すると感受性が高まります。
• 酸性度: 酸性度が増加すると感受性が高まります。
• 停滞: 停滞した状態は感受性を高めます。
• 酸化種: 鉄(III)イオンや銅(II)イオンなどの酸化種が存在すると、感受性が高まります。

孔食は局部腐食の最も一般的な形態と考えられています。ステンレス鋼の孔食に対する耐食性は、次の式で得られる PRENで表されます。

${\displaystyle {\text{PREN}}=\%{\text{Cr}}+3.3\cdot \%{\text{Mo}}+16\cdot \%{\text{N}}}$、

ここで、各項は鋼鉄中のクロム、モリブデン、窒素の質量含有量の割合に対応します。たとえば、鋼鉄が 15% のクロムで構成されている場合、%Cr は 15 になります。

PREN が高いほど、孔食に対する耐性が高くなります。したがって、クロム、モリブデン、窒素の含有量を増やすと、孔食に対する耐性が向上します。

特定の鋼のPRENは理論的には孔食腐食に十分耐えるかもしれませんが、不適切な設計により限られた領域（重なり合うプレート、ワッシャープレートの境界面など）が作られている場合や、材料に堆積物が形成される場合は、隙間腐食が発生する可能性があります。これらの特定の領域では、PRENが使用条件に対して十分に高くない場合があります。優れた設計、製造技術、合金の選択、腐食を引き起こす溶液中に存在する活性化合物の濃度、pHなどに基づいた適切な動作条件により、このような腐食を防ぐことができます。^[77]

応力腐食割れ(SCC) は、変形を伴わない部品の突然の亀裂と破損です。次の 3 つの条件が満たされた場合に発生する可能性があります。

• 部品に応力がかかっています（適用された荷重または残留応力によって）。
• 環境は攻撃的です（塩化物濃度が高い、温度が 50 °C（120 °F）を超える、H ₂ S が存在する）。
• ステンレス鋼は SCC 耐性が十分ではありません。

SCC メカニズムは、次の一連のイベントから生じます。

1. ピットが発生します。
2. 亀裂はピットの開始点から始まります。
3. その後、亀裂は粒内または粒界モードで金属全体に伝播します。
4. 障害が発生します。

孔食は通常、表面の見苦しさや、最悪の場合、ステンレス板の穴あきにつながりますが、SCC による破損は深刻な結果を招く可能性があります。そのため、SCC は特殊な腐食形態であると考えられています。

SCC にはいくつかの条件を満たす必要があるため、次のような比較的簡単な対策で対抗できます。

• ストレス レベルを低減します (石油およびガスの仕様では、H ₂ S を含む環境での最大ストレス レベルの要件が規定されています)。
• 環境の攻撃性（塩化物含有量が高い、温度が 50 °C (120 °F) を超えるなど）を評価します。
• 適切なタイプのステンレス鋼を選択します。グレード 904L などのスーパーオーステナイト系ステンレス鋼、またはスーパーデュプレックス系ステンレス鋼 (フェライト系ステンレス鋼とデュプレックスステンレス鋼はSCC に対する耐性が非常に高い)。

ガルバニック腐食^[78]（「異種金属腐食」とも呼ばれる）は、2 つの異なる材料が腐食性電解質内で結合したときに誘発される腐食損傷を指します。最も一般的な電解質は水であり、淡水から海水までの範囲です。ガルバニックカップルが形成されると、カップルの金属の 1 つが陽極となり、単独の場合よりも速く腐食し、もう 1 つの金属は陰極となり、単独の場合よりも遅く腐食します。ステンレス鋼は、たとえば炭素鋼やアルミニウムよりも正の電極電位が高いため、陰極となり、陽極金属の腐食を加速します。一例として、ステンレス鋼板を固定するアルミニウムリベットが水と接触すると腐食します。^[79]陽極と陰極の相対的な表面積は、腐食速度を決定する上で重要です。上記の例では、リベットの表面積はステンレス鋼板の表面積に比べて小さいため、腐食が急速に進行します。^[79]しかし、アルミニウム板の組み立てにステンレス鋼の留め具を使用すると、アルミニウム表面のガルバニック電流密度が桁違いに小さくなるため、ガルバニック腐食ははるかに遅くなります。^[79]よくある間違いは、ステンレス鋼板を炭素鋼の留め具で組み立てることです。ステンレス鋼を使用して炭素鋼板を固定することは通常許容されますが、その逆は許容されません。可能であれば、異種金属間に電気絶縁を施すことは、この種の腐食を防ぐのに効果的です。^[79]

高温では、すべての金属は高温ガスと反応します。最も一般的な高温ガス混合物は空気で、その中で最も反応性の高い成分は酸素です。空気中での腐食を避けるため、炭素鋼は約 480 °C (900 °F) に制限されています。ステンレス鋼の耐酸化性は、クロム、シリコン、アルミニウムの添加によって向上します。セリウムとイットリウムを少量添加すると、表面の酸化物層の密着性が向上します。^[80]クロムの添加は、ステンレス鋼の耐高温腐食性を向上させる最も一般的な方法です。クロムは酸素と反応してクロム酸化物スケールを形成し、材料への酸素の拡散を減らします。ステンレス鋼のクロム含有量が最低 10.5% の場合、約 700 °C (1,300 °F) までの耐性が得られ、16% のクロムでは最大約 1,200 °C (2,200 °F) までの耐性が得られます。最も一般的なステンレス鋼のグレードであるタイプ304は、18％のクロムを含み、約870℃（1,600℉）まで耐性があります。二酸化硫黄、硫化水素、一酸化炭素、塩素などの他のガスもステンレス鋼を侵します。他のガスに対する耐性は、ガスの種類、温度、ステンレス鋼の合金含有量によって異なります。^{[81] [82]}最大5％のアルミニウムを添加したフェライトグレードのFe-Cr-Alは、高温での電気抵抗と耐酸化性を高めるように設計されています。このような合金には、ワイヤまたはリボンの形で製造されるカンタルが含まれます。 ^[83]

標準的なミル仕上げは、ローラーと機械研磨剤によって平らな圧延ステンレス鋼に直接適用できます。鋼は最初にサイズと厚さに圧延され、次に最終材料の特性を変えるために焼きなましされます。表面に形成された酸化物（ミルスケール）は酸洗によって除去され、表面に不動態層が作成されます。その後、最終仕上げを施して、希望する美観を実現します。^{[84] [85]}

米国ではASTM A480/A480M-18（DIN）によるステンレス鋼の仕上げを表すために以下の呼称が使用されている：^[86]

• No.0: 熱間圧延、焼鈍、厚板
• No. 1（1D）：熱間圧延、焼鈍、不動態化処理
• No. 2D (2D): 冷間圧延、焼鈍、酸洗、不動態化処理
• No. 2B (2B): 上記と同様ですが、高度に研磨されたローラーを通過します。
• No. 2BA (2R): 上記と同じ光輝焼鈍(BAまたは2R)後、無酸素雰囲気下で光輝焼鈍
• No.3（G-2G:）機械的に施された粗研磨仕上げ
• No.4（1J-2J）：ブラッシュ仕上げ
• No.5: サテン仕上げ
• No.6 (1K-2K): マット仕上げ (ブラシ仕上げですが、#4 よりも滑らかです)
• No.7（1P-2P）：反射仕上げ
• No.8：鏡面仕上げ
• No.9：ビーズブラスト仕上げ
• No. 10: 熱着色仕上げ -電解研磨および熱着色表面の幅広い選択肢を提供

ステンレス鋼には幅広い接合方法がありますが、最も一般的なのは溶接です。 ^{[87] [53]}

溶接のしやすさは、使用するステンレス鋼の種類に大きく依存します。オーステナイト系ステンレス鋼は、電気アーク溶接が最も容易で、溶接特性は母材（冷間加工されていない）と似ています。マルテンサイト系ステンレス鋼も電気アーク溶接できますが、熱影響部（HAZ）と溶融部（FZ）は冷却時にマルテンサイトを形成するため、溶接部の割れを防ぐための予防措置を講じる必要があります。不適切な溶接方法は、さらに溶接部の裏側にシュガーリング（酸化物スケール）や熱による変色を引き起こす可能性があります。これは、バックパージガス、バッキングプレート、フラックスを使用することで防止できます。^[88]溶接後の熱処理はほぼ常に必要ですが、溶接前の予熱も必要な場合があります。^[53]タイプ430フェライト系ステンレス鋼の電気アーク溶接は、HAZで結晶粒成長を引き起こし、脆性につながります。この問題は安定化フェライト鋼種でほぼ克服されており、ニオブ、チタン、ジルコニウムが析出物を形成して粒成長を妨げている。^{[89] [90]}電気アークによる二相ステンレス鋼の溶接は一般的な方法であるが、プロセスパラメータを慎重に制御する必要がある。そうしないと、不要な金属間相の析出が起こり、溶接部の靭性が低下する。^[91]

電気アーク溶接プロセスには以下のものがある: ^[87]

• ガスメタルアーク溶接、MIG/MAG溶接とも呼ばれる
• ガスタングステンアーク溶接、別名タングステン不活性ガス（TIG）溶接
• プラズマアーク溶接
• フラックス入りアーク溶接
• シールドアーク溶接（被覆電極）
• サブマージアーク溶接

MIG、MAG、TIG溶接が最も一般的な方法です。

その他の溶接プロセスには次のものがあります。

• スタッド溶接
• 抵抗スポット溶接
• 抵抗シーム溶接
• フラッシュ溶接
• レーザービーム溶接
• 酸素アセチレン溶接

ステンレス鋼は、シリコーン、シリル変性ポリマー、エポキシなどの接着剤で接着されることがあります。アクリルやポリウレタン接着剤も状況によっては使用されます。^[92]

世界のステンレス鋼生産の大部分は、以下のプロセスによって生産されています。

• 電気アーク炉(EAF): ステンレス鋼スクラップ、その他の鉄スクラップ、鉄合金 (Fe Cr、Fe Ni、Fe Mo、Fe Si) を一緒に溶かします。その後、溶けた金属を取鍋に注ぎ、AOD プロセスに移します (以下を参照)。
• アルゴン酸素脱炭（AOD）：溶融鋼中の炭素を除去し（一酸化炭素ガスに変換）、その他の組成調整を行って、目的の化学組成を実現します。
• 連続鋳造(CC): 溶融金属を凝固させて平らな製品用のスラブ (典型的な断面は厚さ 20 センチメートル (7.9 インチ)、幅 2 メートル (6.6 フィート)) またはブルーム(断面は大きく異なりますが、平均サイズは 25 x 25 センチメートル (9.8 インチ × 9.8 インチ)) にします。
• 熱間圧延(HR): スラブとブルームは炉で再加熱され、熱間圧延されます。熱間圧延によりスラブの厚さが薄くなり、厚さ約 3 mm (0.12 インチ) のコイルが製造されます。一方、ブルームは熱間圧延されて棒材となり、圧延機の出口で長さに切断されるか、または線材となり、コイル状に巻かれます。
• 冷間仕上げ (CF) は、仕上げる製品の種類によって異なります。
  • 熱間圧延コイルは、表面の酸化スケールを除去するために酸性溶液で酸洗いされ、その後ゼンジミア圧延機で冷間圧延され、保護雰囲気で焼きなましされて、希望の厚さと表面仕上げが得られます。スリット加工やチューブ成形などのさらなる作業は、下流の施設で行うことができます。
  • 熱間圧延された棒鋼は真っ直ぐに伸ばされ、その後、必要な許容差と仕上げに合わせて機械加工されます。
  • その後、線材コイルは加工され、引抜ベンチで冷間仕上げの棒材、ボルト製造機で留め具、シングルパスまたはマルチパス引抜機でワイヤが製造されます。

世界のステンレス鋼生産量は国際ステンレス鋼フォーラムによって毎年発表されている。EUの生産量ではイタリア、ベルギー、スペインが目立ったが、カナダとメキシコは生産していない。中国、日本、韓国、台湾、インド、米国、インドネシアは大規模な生産国であるが、ロシアの生産量は少ないと報告されている。^[47]

2017 年のステンレス鋼ファミリー別生産の内訳:

• オーステナイト系ステンレス鋼 Cr-Ni（300シリーズとも呼ばれる、上記の「グレード」セクションを参照）：54%
• オーステナイト系ステンレス鋼 Cr-Mn（200シリーズとも呼ばれる）: 21%
• フェライト系およびマルテンサイト系ステンレス鋼（400シリーズとも呼ばれる）：23%

ステンレス鋼は、建築、芸術、化学工学、食品・飲料製造、車両、医療、エネルギー、銃器など、さまざまな分野で使用されています。

ライフサイクルコスト（LCC）計算は、建物や橋などのプロジェクトの全寿命にわたって最も低いコストにつながる設計と材料を選択するために使用されます。^{[93] [94]}

式を簡単に表すと次のようになる。^{[95] [96] [検証が必要]}

${\displaystyle {\text{LCC}}={\text{AC}}+{\text{IC}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{OC}}{(1+i)^{n}}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{LP}}{(1+i)^{n}}}+\sum _{n=1}^{N}{\frac {\text{RC}}{(1+i)^{n}}}}$

ここで、LCC はライフサイクル全体のコスト、AC は取得コスト、IC は設置コスト、OC は運用および保守コスト、LP はダウンタイムによる生産損失コスト、RC は交換材料コストです。

さらに、N はプロジェクトの計画寿命、i は金利、n は特定の OC または LP または RC が行われる年です。金利(i)は、異なる年の費用を現在の価値に変換するために使用されます (銀行や保険会社で広く使用されている方法)。これにより、費用を加算して公平に比較​​できます。合計式 ( ) の使用は、プロジェクトの存続期間中の費用は金利で修正された後に累積する必要があるという事実を捉えています^{[明確化が必要] 。 [引用が必要]}${\textstyle \sum }$

材料選択におけるLCCの応用

プロジェクトで使用されるステンレス鋼は、他の材料と比較して LCC 値が低くなることがよくあります。ステンレス鋼部品の取得コスト (AC) が高いことは、運用および保守コストの改善、生産損失 (LP) コストの削減、ステンレス鋼部品の再販価値の高さによって相殺されることがよくあります。^{[引用が必要]}

LCC の計算は通常、プロジェクト自体に限定されます。ただし、プロジェクトの利害関係者が考慮したいその他のコストがある場合があります。^{[引用が必要]}

• 発電所、水道・廃水処理施設、病院などの公共施設は停止できません。メンテナンスには、継続的なサービスに関連する追加コストがかかります。
• 橋の通行止めや交通量の削減、渋滞や遅延、人々の労働時間の損失、アイドリング車両による汚染の増加など、状況によっては間接的な社会的コスト（政治的影響の可能性も含む）が発生する可能性があります。

ステンレス鋼（全グレード、全国）の平均的なカーボンフットプリントは、生産されるステンレス鋼1kgあたり2.90kgのCO2と推定されており、_[ ^97]そのうち1.92kgは原材料（Cr、Ni、Mo）からの排出、0.54kgは電気と蒸気からの排出、0.44kgは直接排出（ステンレス鋼工場による排出）である。よりクリーンな電源を使用する国（原子力エネルギーを使用するフランスなど）で生産されるステンレス鋼は、カーボンフットプリントが低いことに留意する。ニッケルを含まないフェライト系ステンレス鋼は、ニッケルが8%以上含まれるオーステナイト系ステンレス鋼よりもCO2フットプリントが低い_。カーボンフットプリントは、材料の選択を決定する際の唯一の持続可能性関連要因であってはならない。

• 製品の寿命全体にわたって、メンテナンス、修理、または早期の耐用年数終了 (計画的陳腐化) により、初期の材料の違いをはるかに超えて全体的なフットプリントが増加する可能性があります。さらに、サービス停止 (通常は橋梁の場合) により、待ち行列、燃料の無駄、工数の損失など、大きな隠れたコストが発生する可能性があります。
• 特定のサービスを提供するためにどれだけの材料が使用されるかは、パフォーマンス、特に強度レベルによって異なり、これにより構造やコンポーネントの軽量化が可能になります。

ステンレス鋼は100%リサイクル可能です。^{[98] [99]}平均的なステンレス鋼製品は、約60%のリサイクル材料で構成されており、そのうち約40%は使用済み製品に由来し、残りの60%は製造プロセスで発生します。^[100]リサイクル率は非常に高いものの、ステンレス鋼スクラップの入手可能性がより高いリサイクル率を妨げています。国際資源パネルの「社会における金属在庫」レポートによると、社会で使用されているステンレス鋼の一人当たりの在庫は、先進国では80〜180 kg（180〜400ポンド）、発展途上国では15 kg（33ポンド）です。多くのステンレス鋼市場で使用可能なスクラップをリサイクルする二次市場があります。製品はほとんどがコイル、シート、ブランクです。この材料はプライム価格よりも安い価格で購入され、商業品質のスタンパーとシートメタルハウスに販売されます。素材には傷、穴、へこみがある場合がありますが、現在の仕様に従って製造されています。^{[引用が必要]}

ステンレス鋼のサイクルは、炭素鋼スクラップ、一次金属、スラグから始まります。次のステップは、製鉄所で熱間圧延および冷間仕上げされた鋼製品を製造することです。一部のスクラップが生成され、溶解工場で直接再利用されます。部品の製造は3番目のステップです。一部のスクラップが生成され、リサイクルループに入ります。最終製品の組み立てと使用では、材料の損失は発生しません。4番目のステップは、製品（キッチン用品、パルプおよび製紙工場、自動車部品など）の寿命が尽きたときにリサイクルのためにステンレス鋼を収集することです。次の表に示すように、これがステンレス鋼をリサイクルループに入れるのが最も難しい部分です。

ステンレス鋼ナノ粒子は実験室で製造されている。^{[102] [103]}これらは高性能用途の添加剤として応用できる可能性がある。例えば、硫化、リン化、窒化処理を施してナノスケールのステンレス鋼ベースの触媒を製造すると、水分解用ステンレス鋼の電気触媒性能が向上する可能性がある。^[104]

ステンレス鋼の溶接中に煙を吸い込むと、がん（特に肺がん）のリスクが増加する可能性があることを示す広範な研究があります。^{[105] [106] [107] [108] [109] [110]}ステンレス鋼の溶接は、酸化カドミウム、ニッケル、クロムから発がん性の煙を生成する疑いがあります。^[111]オーストラリアがん協会によると、「2017年には、すべてのタイプの溶接煙がグループ1発がん物質に分類されました。」^[111]

ステンレス鋼は一般的に生物学的に不活性であると考えられています。しかし、調理中に、少量のニッケルとクロムが新しいステンレス鋼の調理器具から酸性度の高い食品に浸出します。^{[112]ニッケルは、特に}肺癌と鼻癌などの癌のリスクに寄与する可能性があります。^{[113] [114]}しかし、ステンレス鋼の調理器具と癌との関連は確立されていません。^[115]

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• Honeycombe, RWK (1981).鋼：微細構造と特性. ロンドン：E. Arnold. ISBN 0-7131-2793-7. OCLC  7576277.
• 国際規格 ISO15510:2014 (購読が必要)
• ラコム、P.バロー、B.ベランジェ、G. (1990)。 Les aciers inoxydables [ステンレス鋼] (フランス語)。パリス：エド。ド体格。第 14 章と第 15 章。ISBN 978-0868831428. 2020年3月8日閲覧。
• Peckner, D.; Bernstein, IM (1977)。ステンレス鋼ハンドブック。McGraw-Hill ハンドブック。ニューヨーク: McGraw- Hill。ISBN 978-0070491472. 2020年3月8日閲覧。

• ウィキメディア・コモンズのステンレス鋼に関連するメディア
• ウィクショナリーのステンレス鋼の辞書定義