2026-04-14
ステンレス鋼の定義
ステンレス鋼とは、ステンレス鋼と耐酸鋼の総称です。
ステンレス鋼: 大気や淡水などの軽度の腐食環境では腐食しない鋼です。
耐酸鋼: 酸、アルカリ、塩、海水などの激しい腐食環境においても腐食に強い鋼です。
ステンレス鋼の分類
ステンレス鋼のグレード、化学組成、特性はさまざまです。最も一般的な分類方法は、主に基本的な化学組成、鋼の微細構造、およびその両方の組み合わせに基づいています。
1.主な化学成分による分類
最も一般的なのは、化学元素に従ってステンレス鋼をクロムステンレス鋼とクロムニッケルステンレス鋼の 2 つの主要なグループに分類することです。
(1).クロム
鉄以外の鋼の主な合金元素がクロムである場合、そのステンレス鋼はクロムステンレス鋼と呼ばれます。
(2).クロムニッケル
鋼の主な合金元素が鉄に加えてクロムとニッケルである場合、そのようなステンレス鋼はクロムニッケルステンレス鋼と呼ばれます。
2.鋼組織による分類
鋼の微細組織とは、鋼の結晶構造および微細構造の特性を指します。ステンレス鋼は、その微細構造に基づいて、主にフェライト系、オーステナイト系、マルテンサイト系、二相（二相）および析出硬化型ステンレス鋼の 5 つのカテゴリーに分類されます。
(1).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、体心立方晶格子を持ち、炭素含有量 ≤ 0.20%、クロム含有量 10.5% ～ 32% の範囲の鋼で、高温および室温の両方でフェライト構造を維持します。このタイプのステンレス鋼は熱処理によって硬化しません。
フェライト系ステンレス鋼はクロム含有量に応じて、低クロム（クロム含有量10.5%～15.0%）、中クロム（クロム含有量16%～22%）、高クロム（クロム含有量23%～32%）に分けられます。フェライト系ステンレス鋼は、20 世紀初頭にマルテンサイト鋼およびオーステナイト鋼とほぼ同時に登場した 3 つの主要なステンレス鋼の 1 つです。生産量の点では、フェライト系ステンレス鋼はクロム・ニッケル・オーステナイト鋼に次いで第 2 位であり、世界のステンレス鋼生産におけるフェライト系ステンレス鋼のシェアは通常約 30% です。フェライト系ステンレス鋼は、生産量が多く、幅広い用途があり、薄肉部分での優れた万能特性が特徴です。このような鋼にはニッケルが含まれていないか、特定のグレードのみに少量のニッケルが含まれているため、コストと価格が比較的低く、ニッケルを控えめに合金化したステンレス鋼の中で最も重要なクラスとなっています。
1950 年代および 1960 年代までは、二次精錬を行わずに電気炉で製錬された伝統的なフェライト系ステンレス鋼には、通常レベルの炭素と窒素が含まれており、これをさらに低減することは非常に困難でした。 1960年代以降、ステンレス鋼の製造における技術の進歩と、AODやVODなどの二次精錬プロセスの使用により、現代の低炭素および超低炭素および窒素含有量のフェライト系ステンレス鋼が開発され、従来のフェライト鋼の多くの欠点を大幅に克服し、対処することに成功しました。その生産量は増加し、その範囲は常に拡大しています。
(2).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、高温および室温の両方で構造変化を起こすことなくオーステナイト構造を保持します。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼とは、熱処理によって強化することができない鋼も指します。ただし、ひずみ硬化（硬化）する傾向があるため、冷間塑性変形によって強度を高めることができます。焼き入れ状態でのこのような鋼の強度が低いことは、かつてはオーステナイト系ステンレス鋼の主な欠点の 1 つと考えられていました。
鋭敏化状態での粒界腐食の問題に対処し、耐食性を向上させるために、通常炭素含有量が 0.03% 以下の超低炭素オーステナイト系ステンレス鋼が開発されました。耐食性が増加すると、そのような鋼の強度はわずかに低下します。 1970 年代以来、オーステナイト系ステンレス鋼は、窒素含有量が制御されたもの (鋼中の残留窒素含有量が標準制限内、たとえば [N] ≤ 0.10% または [N] ≤ 0.12%)、または窒素合金化されたもの (大気圧で鋼に導入できる窒素の最大量、たとえば ≤ 0.40% または ≤) で入手可能になりました。 0.40％）0.50％）と窒素による固溶強化により十分な強度が得られます。また、高圧窒素注入（圧力下で導入される窒素量、つまり[N] > 0.4%または≧0.5%）によって製造された高窒素オーステナイト系ステンレス鋼は、非常に高い強度と優れた破壊靱性を備えています。窒素固溶強化とひずみ硬化の組み合わせにより、一部のオーステナイト系ステンレス鋼が高強度ステンレス鋼のカテゴリーに入ることが可能になりました。
クロム・ニッケル・オーステナイト系ステンレス鋼は、既存の 5 つの主要クラスのステンレス鋼の中で、最も優れた複雑な特性を持ち、最も多くのグレードを持ち、最も完全な範囲と仕様を持ち、最も広い範囲を持ち、最も速いペースで開発され、最も大量に生産され、最も広い消費範囲をカバーしています。世界的にも主要なステンレス鋼生産国でも、クロム・ニッケル・オーステナイト系ステンレス鋼のシェアは通常、ステンレス鋼総生産量の 50% ～ 60% 以上を占めています。
ニッケルは希少で高価な元素であるため、戦時にはその不足が特に深刻になります。 1940 年代に導入された、ニッケルをマンガンと窒素に置き換えた標準的なクロムマンガンオーステナイト系ステンレス鋼 (米国 AISI 200 シリーズ) は、長い開発期間にもかかわらず、範囲が狭く、生産量が少ないです。米国におけるステンレス鋼の年間生産量は、ステンレス鋼の総生産量のわずか数パーセントに過ぎません。近年、高窒素高強度・超高強度クロムマンガン・オーステナイト系ステンレス鋼の登場や、高窒素フリーマンガンの研究が進んでいます。
(3) 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、熱処理 (焼き入れ、焼き戻し) によって特性を制御できるステンレス鋼の一種です。化学組成に基づいて、マルテンサイト系クロムとマルテンサイト系クロムニッケルステンレス鋼に分類されます。
マルテンサイト系クロムステンレス鋼には、主に低炭素 ([C] ≤ 0.15%)、中炭素 ([C] 0.16% ～ 0.40%)、高炭素 ([C] > 0.40%) の 3 種類があります。炭素は、マルテンサイト系クロムステンレス鋼において必須かつ重要な合金元素です。
マルテンサイト系クロムステンレス鋼には、主に 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 などの従来の鋼が含まれます。これらのクロム含有量は少なくとも 11.5%、最大 18% に達し、これらの鋼にステンレス特性と弱い環境での耐食性を与えます。炭素含有量はクロム含有量に応じて変化し、通常は 0.10% ～ 1.0% の間で変化し、焼入れ後に高温ではオーステナイト構造、室温ではマルテンサイト構造を形成します。層状の高炭素マルテンサイトの形成と炭化物の析出により、これらの鋼は高強度と高硬度が得られます。焼入れ後の焼き戻しにより焼入れ応力が緩和され、均質で安定した組織が形成され、鋼に一定の延性、靭性、良好な耐食性という一連の特性が与えられます。マルテンサイト系クロムステンレス鋼は、他のステンレス鋼に比べて耐食性が劣り、延性や靱性が低く、溶接性が劣ったり、溶接が不可能なため、その普及は限られています。
マルテンサイト系クロムニッケルステンレス鋼は、従来のマルテンサイト鋼の欠点のいくつかを克服するために開発されました。初期の段階では、炭素をニッケルに置き換えることによって有名な鋼 1Cr17Ni2 が作成されました。マルテンサイト系クロム鋼に比べて靱性が増し、耐食性も向上しましたが、溶接にはまだ適していません。
1960年代以降に開発された現代の（スーパー）マルテンサイト系ステンレス鋼は、さらに炭素をニッケルに置き換え、極低炭素含有量を達成し、2%～6%のNiを導入することにより、高温でもオーステナイト組織を保持し、室温での焼入れおよび焼き戻し後に、低炭素または超低炭素のラスマルテンサイト、復帰オーステナイト、および少量のフェライトからなる複合組織を獲得します。モリブデン、銅、その他の強化元素との追加合金により、これらの鋼は良好な靭性と溶接性を維持しながら、マルテンサイトクロム鋼の高い強度を維持することができます。同じクロム含有量でも、最新のマルテンサイト鋼の耐食性は、従来のマルテンサイトクロム鋼の耐食性を大幅に上回ります。しかし、現代のマルテンサイト鋼は炭素含有量が低いため、マルテンサイトクロム鋼に固有の高硬度、耐摩耗性、高い刃先の鋭さという特性を失っています。
(4).二相ステンレス鋼
オーステナイト系クロムニッケルステンレス鋼に少量のフェライトが存在すると粒界腐食に対する耐性が向上するという発見からほぼ100年が経過し、これがオーステナイト系フェライト（α+γ）クロムニッケル二相鋼の出現につながり、最終的には上記の主要なステンレス鋼の3種類とともに正式に認められる二相鋼の種類の形成につながりました。
広く使用されているα+γニッケル-クロム二相鋼のニッケル含有量は一般に5%〜7%で、これは広く使用されているニッケル-クロム・オーステナイト鋼のニッケル含有量の約半分にすぎず、新しく開発された経済的な二相鋼にはNiが1%〜4%しか含まれていないため、α+γ二相鋼はニッケル低合金ステンレス鋼の重要なクラスでもあります。
二相α+γクロムニッケルステンレス鋼の開発は、約3つの重要な段階を経てきました。特徴的な合金元素、PRE（耐孔食性等価）の値、α相とγ相の比率の変化、出現時期と特性の特徴に応じて、二相ステンレス鋼は通常、第1世代、第2世代、および第3世代の鋼に分類されます。組成中の特徴的な元素に基づいて、それらは低合金、中合金、高合金の二相鋼に分類できます。
2 相の比率を制御することの難しさ、限られた熱間加工性、溶接性、および経済的要因により、第一世代の二相鋼の生産量は低かった。しかし、最新の二相ステンレス鋼の出現により、第一世代鋼の欠点や限界が大幅に克服され、その用途範囲が拡大し、現在ではエンジニアリング分野で大きな発展の可能性を秘めた鋼種となっています。
1971 年より前に開発されたグレードは、1930 年代に登場した最初の二相鋼 1Cr25Ni5Mo1.5 を含む、第一世代の二相ステンレス鋼に属します。第一世代鋼の窒素含有量は、電気アーク炉での製錬に特徴的な通常のレベルでした。第 1 世代の二相鋼はすでにその特性を十分に発揮していましたが、PRE 値が比較的低いことと、鋼種ごとの焼入れ状態の相比の大きな違いと、正確な制御が困難であったことにより、溶接継手部における二相鋼の優れた特性が大幅に低下するか、完全に失われ、溶接構造への二相鋼の適用と開発が大きく妨げられていました。
1971 年から 1989 年の間に登場したグレードは二相ステンレス鋼の第 2 世代に属し、窒素含有量が必須であることが特徴です。窒素は、オーステナイトの生成と安定化を促進する元素であるため、鋼中の含有量が増加すると、母材中のオーステナイト相の割合が増加し、高温でのオーステナイトの安定性が高まり、同じ温度でフェライトになる量が減少します。一方、高温から冷却する際の窒素の高い拡散速度は、フェライトの二次オーステナイトへの急速な変態を促進し、溶融線および溶接後の熱影響部での単相フェライト組織の形成を妨げます。窒素の導入により、第 2 世代以降の二相鋼が出現し、発展する条件が整いました。ステンレス鋼中の窒素は主にオーステナイトに溶解しているため、二相ステンレス鋼に対する窒素の有益な効果は、実際には二相鋼のオーステナイト相の構造および特性に対する窒素の効果を反映しています。
1990 年以降に導入された材種は、二相ステンレス鋼の第 3 世代に属し、モリブデンと窒素の含有量がさらに増加したことを特徴とし、これにより、このような鋼の PRE 値は 40% 以上となり、耐食性、特に耐孔食性と隙間腐食性がさらに向上しました。最近では超二相ステンレス鋼とも呼ばれています。
2000 年代初頭以来、二相ステンレス鋼の開発は 2 つの方向に進んでいます。一方で、スウェーデンのサンドビック社が開発した SAF 2707 および SAF 3207 鋼のように、合金元素の含有量は増加し続けており、PRE 値が 45% 以上であり、ハイパー二相ステンレス鋼と呼ばれています。一方、二相鋼のコストと価格を削減し、熱間加工性と溶接性を大幅に向上させ、それによって他のタイプのステンレス鋼と比較して競争力を高めるために、ニッケル含有量が低く、モリブデンを含まないか、またはほとんど含まない経済的な二相鋼を開発する傾向があります。
(5).分散硬化型ステンレス鋼
分散硬化ステンレス鋼は、室温でのマトリックス構造がマルテンサイト、オーステナイト、またはフェライトであり、適切な熱処理の結果としてマトリックス上の金属間化合物や炭化物、窒化物、その他の相の析出（時効）によって強化されるステンレス鋼の一種です。
現在広く使用されている析出硬化型ステンレス鋼は、マルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼、セミオーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼、オーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼の3種類に大別されます。さらに、超低炭素マレージングステンレス鋼が含まれることもよくあります。
ステンレス鋼の析出硬化の原理は 1930 年代に知られていましたが、析出硬化型ステンレス鋼の第 1 グレードであるステンレス W が導入された後、実用化されたのは 1946 年でした。その後、耐食性と高い強度重量比を兼ね備えた鋼に対する航空、航空宇宙、原子力および化学産業のニーズにより、新しい析出硬化型ステンレス鋼が登場し始めました。米国では、このような鋼は 600 シリーズとして分類されていました。超低炭素マレージングステンレス鋼は 1960 年代に登場しました。これらは、ステンレスの特性を付与するためにクロムを添加することにより、マルエージング鋼から開発されました。通常、これらはマルテンサイト系析出硬化型ステンレス鋼としても分類されます。
マルテンサイト系分散硬化型ステンレス鋼は不安定なオーステナイト構造を有しており、固溶体処理後にマルテンサイト変態を起こします。その後の時効により、マルテンサイト マトリックス上に第 2 相が析出し、鋼が強化されます。
超低炭素マレージングステンレス鋼はステンレスの特性を備えています。固溶体処理とその中での時効の後、超低炭素、高ニッケルのマルテンサイトのマトリックス上に第 2 相が析出し、鋼を強化します。
セミオーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼もオーステナイトが不安定な鋼ですが、マルテンサイト系析出硬化型鋼に比べてオーステナイトが安定しています。半オーステナイト系分散硬化鋼は、室温で硬化した状態ではオーステナイト組織をとります。冷間塑性変形、低温処理、または調整処理のための約750℃までの加熱の後、オーステナイトはマルテンサイトに変態し、その後の時効によりマルテンサイト基地上に第2相が形成され、鋼が強化されます。
オーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼は、安定したオーステナイト組織を持っています。固溶体処理とその後の時効の後、オーステナイト マトリックスから第 2 相が放出され、鋼が強化されます。
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