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(AISI 304)製の椅子

オーステナイト系ステンレス鋼(オーステナイトけいステンレスこう)とは、常温でオーステナイトを主要な組織とするステンレス鋼である[1]。ステンレス鋼の耐食性を生み出す主元素のクロム、オーステナイトを安定させるニッケルを主成分として含み、クロム・ニッケル系ステンレス鋼に分類される[2]。クロムを 18 %(質量パーセント)、ニッケルを 8 % 含む18Cr-8Niステンレス鋼がオーステナイト系ステンレス鋼の代表的な鋼種である[3]日本工業規格で制定されているものとしては、SUS304が代表例である[1]

ステンレス鋼の金属組織別分類の一つで、他には「マルテンサイト系ステンレス鋼」「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」「析出硬化系ステンレス鋼」がある[4][5]。これらステンレス鋼種の中でもオーステナイト系ステンレス鋼は最も一般的で、各種用途に幅広く使われている[5][6]

特性

オーステナイト系ステンレス鋼 AISI 304 の金属組織写真

通常は常温ではオーステナイトは残存しないが、ニッケル等の合金元素を添加することでオーステナイトが安定化して常温で存在するようになる[7]。およそ 920 ℃から 1150 ℃程度まで材料温度を上げ、材料全体をオーステナイト化させ、合金元素を十分に固溶させた後に急冷して、オーステナイト系ステンレス鋼を得ることができる。

ステンレス鋼の組織別種類の中では、最も耐食性に優れている[3]。常温で焼なまし状態での機械的性質は、降伏点に対する引張り強さが大きく、伸びが50%から60%、絞りは50%から70%と高く、靭性に優れている[8]ヤング率軟鋼とほぼ同じである[9]。オーステナイトは面心立方格子構造をとるため、高温および低温環境下でも機械的強度を使用可能な範囲で保つことができ、耐熱性・耐寒性に優れた合金でもある[10]

オーステナイト系ステンレス鋼は磁石に付かない非磁性の材料となっている[11]熱伝導率は炭素鋼と比較して小さく、代表値で炭素鋼が 58 W/(m・K) 程度に対して、18Cr-8Niステンレス鋼が 16 W/(m・K) 程度である[12]熱膨張係数(線膨張係数)は炭素鋼と比較して大きく、炭素鋼の1.5倍程度となっている[13]

ステンレス鋼の耐食性は高いが、使用環境によってはステンレス鋼でも腐食は発生する[14]。特にオーステナイト系ステンレス鋼においては、湿食事故の原因として応力腐食割れの割合が高い[15]。オーステナイト系ステンレス鋼を使用した熱交換器などで、高温高圧の塩化物水溶液によって応力腐食割れが発生する事例がある[16]。オーステナイト系ステンレス鋼の熱伝導率が小さいことと線膨張係数が大きいことが起因となって、溶接時には残留応力が発生しやすい[17]。この溶接残留応力が原因となって、使用中に応力腐食割れを起こす事例もある[17]

安定度

添加される合金元素の量によってオーステナイトの安定度が異なる。オーステナイト安定度が低い場合は、塑性加工が施されたり、低温下に置かれたりすると、一部のオーステナイトがマルテンサイトに変態する。このようなオーステナイト系ステンレス鋼は、準安定オーステナイト系ステンレス鋼と呼ばれる[18]。このときに発生するマルテンサイトは加工誘起マルテンサイトと呼ばれる。オーステナイト安定度が高い場合は加工などを施してもオーステナイトが内定して残留し、安定オーステナイト系ステンレス鋼と呼ばれる[19]。安定度を予測する式として、30 % のひずみを与えたときに 50 % のマルテンサイトが発生する温度(Md30)を算出する次の実験式がある[20]

Md30 = 551 − 462(C + N) − 9.2Si − 8.1Mn − 13.7Cr − 29(Ni + Cu) − 18.5Mo − 68Nb − 1.42(ν − 8.0)

ここで、νASTM規格の結晶粒度番号を、各元素記号はその元素の質量パーセントを示す。Md30 が小さいほどオーステナイトは安定といえる[21]。18Cr-8Niステンレス鋼が準安定オーステナイト系ステンレス鋼、18Cr-12Niステンレス鋼が安定オーステナイト系ステンレス鋼の例に挙げられる[22]

用途例

オーステナイト系ステンレス鋼は、ステンレス鋼の中でも最も広く使われている鋼種で、家庭用品、建築用、自動車部品、化学工業、食品工業、発電などで広く用いられてる[23]。年間生産量においても、ステンレス鋼中で最大の鋼種である[24]

18-8オーステナイト系ステンレス鋼のフォーク

身近なステンレス鋼製品としては食卓用のカトラリーが挙げられる[25]ナイフの刃は硬度が必要なためマルテンサイト系ステンレス鋼で造られることが多いが、一部の製品はオーステナイト系でも造られている[26][27]フォークスプーンは、マルテンサイト系もあるが、オーステナイト系の製品が一般的である[27][25]。これらのカトラリー製品には何の種類のステンレス鋼種が使われているか記されていることが一般的で、"18-8"あるいは"18/8"、"18-10"あるいは"18/10"といった記号がオーステナイト系製であることを示している[28][26]。家庭用・業務用ともに、厨房器具でもステンレス鋼が多用されている。流し台には防食のためにステンレス鋼使用が一般的で、廉価な製品にはフェライト系が使われることもあるが、オーステナイト系製も多い[29]IH用の調理器具にオーステナイト系を使用する場合は、IH用には磁性体材料が有利なため、普通鋼とオーステナイト系を接合させてクラッド鋼として使われる[30]

オーステナイト系ステンレス鋼 SUS301L を車体(構体)材料に使用した鉄道車両の例(JR東日本209系[31]

車体(構体)の主材料にステンレス鋼を使ったステンレス車両が、鉄道車両の現在の主流の一つである[32]。ステンレス車両は、普通鋼製の車両と比べると塗装を省略することができ、保守の手間が少ない[32]。さらに、塗装と腐食代が省略できるため軽量化が可能となっている[32]

鉄道車両の構体用ステンレス鋼種には、オーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼が使われている[33]。オーステナイト系の場合は、加工硬化しやすく低炭素化で耐食性を高めた鋼種が主に使われている[34]。組み立て前に冷間加工で高強度化させて使用することで、構体を薄板化させて軽量化を行っている[33]。日本の鉄道車両では、準安定オーステナイト系ステンレス鋼の SUS301 に低炭素化と窒素添加などを行って特性を調整した SUS301L を主材料として使用している[35][36]。一方、高強度が要求されない内装用などではオーステナイト系標準鋼種の SUS304 が使われている[37]

歴史

発明

オーステナイト系ステンレス鋼の工業的な発明は、会社としてはドイツのクルップ社によって、個人としてはクルップ社の研究所に所属していたベンノ・シュトラウスドイツ語版エドゥアルト・マウラードイツ語版によって成された[38][39][40]。1900年から1910年にかけて、鉄・クロム・ニッケル系合金の耐食性について基礎学術レベルでは理解が深まりつつあった[41]。1906年にフランスのレオン・ギレフランス語版は、耐食性については言及しなかったものの、ステンレス鋼の3大グループである「フェライト系」「マルテンサイト系」「オーステナイト系」に属する組成を体系的に初めて研究した[42][43]。1909年には、ヴァルター・ギーセンによるクロム・ニッケル系のオーステナイト鋼の研究が続いた[41]。このように、ステンレス鋼の工業材料としての実用化の素地は当時整いつつあった[41]。その後、1912年にクルップ社が2つの耐食鋼に関する特許を出願した。一つは「V1M」と名付けられた鉄合金で、代表成分をクロム14%・ニッケル2%・炭素0.15%とするマルテンサイト系ステンレス鋼であった。もう一つは「V2A」と名付けられ、これがクロム20%・ニッケル7%・炭素0.25%のオーステナイト系ステンレス鋼であった[39]

エッセンにあるシュトラウスの銘板
フライベルクにあるマウラーの銘板

出願から遡る1909年頃から、クルップ社のベンノ・シュトラウスとマウラーによって鉄・クロム・ニッケル系合金の研究が進められていた[44]。シュトラウスは熱電対用の耐熱合金を研究しており、1910年に3種類の高クロム鋼、2種類の高クロム・ニッケル鋼を製作した[45]。これらの鋼は硬くて脆かったので、マウラーが適切な熱処理を研究した[46]。そうした研究中、それらの鋼種の一つの試験片が実験室の腐食雰囲気中で数か月放置されていたにも関わらず表面の光沢が失われていないことにマウラーが気づいた[47]。追試が行われ、オーステナイト組織を持つ高クロム・ニッケル鋼は硝酸溶液に対しても耐食性を持つことが確認された[48]。これらの研究成果をもとに、1912年にクルップ社は前述の2種の耐食鋼を特許出願した。

後の1920年代から30年代にかけて、誰がこれらの「錆びない鋼」の発明者と呼ぶにふさわしいについては、シュトラウスとマウラーの間で論戦が起こっている[49]。双方が自身が発明者にふさわしいと譲らず、学術誌・機関誌上で書簡による主張の応酬が続いた[49]。鈴木隆志は『ステンレス鋼発明史』にて、「ステンレス鋼はいずれにせよクルップ会社によって発明されたのは疑いないとして、個人よりも企業の功績に帰すべきである」という見解を紹介して、彼らの論戦についての説明を締め括っている[38]

普及と発展

クルップ社によって発明されたオーステナイト系ステンレス鋼V2Aは、当時フリッツ・ハーバーカール・ボッシュが開発したハーバー・ボッシュ法によるアンモニア製造に採用された[50]。V2Aがアンモニア合成のための硝酸タンクの材料に使われた[51]。ハーバーとボッシュの居たBASF社は1914年にクルップ社にV2Aを約20トン発注し、オーステナイト系ステンレス鋼の工業材料としての活用が始まった[52]

BASF社のV2A使用の中で腐食問題が起き、これを解決するためにV2Aの改良が行われた[53]。1922年から1930年にかけて、またはモリブデン添加による非酸化性酸への対策、含有炭素低減化による粒界腐食への対策などがクルップ社から特許が出された[53]。オーステナイト系ステンレス鋼は、その後、クルップ社以外の様々な研究者によっても改良が行われて様々な鋼種が生まれていった[54][53]。1923年頃には、イギリスのトーマス・ファース・アンド・サンズ社が組成の最適化を模索した結果、クロム18%・ニッケル8%・炭素0.2%未満の基本組成とした「Staybrite(ステイブライト)」という商品を開発した[53][54]。ステイブライトはICI社のアンモニア合成プラントで最初に採用された[53]。ステイブライト販売以降、オーステナイト系ステンレス鋼の基本組成としてクロム18%・ニッケル8%(18-8)が定着することとなった[47]

クライスラー・ビルディングの段型尖塔の外装には、大量のオーステナイト系ステンレス鋼板が使用された。

クルップ社も、1922年に自社のステンレス鋼を「NIROSTA(ニロスタ)」として商標登録した[55]。18-8のニロスタ鋼は海を渡り、アメリカ合衆国(米国)のクライスラー・ビルディング建設に使われる[56]。1924年、クルップ社のシュトラウスは米国材料試験協会のシンポジウムでクルップ社のオーステナイト系ステンレス鋼を紹介した[56]。建設主であったウォルター・クライスラーは、ビルの外観を金属で装飾することを望んでいた[57]。この目的に適うようなニロスタ鋼を含むいくつかの耐食性金属材料が検討された結果、比較的高価であったものの、錆びづらく、汚れづらく、研磨による艶出ししやすいニロスタ鋼が採用されることとなった[56]

米国では、ニロスタ鋼に相当するステンレス鋼の生産実績は1927年までなかった[56]。結局、クルップ社からライセンスを受けた3社が、ニロスタ鋼の板材・棒材を提供することとなった[58]。1930年、クライスラー・ビルディングは完成する[59]。4500枚のニロスタ鋼の薄板材がビル最頂部の段型尖塔の外装に使われた[60]。クライスラー・ビルディングは、大量の18-8オーステナイト系ステンレス鋼が外装に初めて使われた世界初の建築物となった[61]。1995年にクライスラー・ビルディングの検査が行われ、外装の状態も確認された[62]。検査報告書では、風雨による洗浄も手伝い、沿海地域に建てられたにも関わらず、ニロスタ鋼は期待通りの性能を発揮し、良好な状態が保たれていたと報告された[63]

脚注

  1. ^ a b 谷野・鈴木 2013, p. 242.
  2. ^ 橋本 2007, pp. 154–157.
  3. ^ a b 金属用語辞典編集委員会 2004, p. 53.
  4. ^ 野原 2016, p. 16.
  5. ^ a b How many types of stainless steel are there?”. British Stainless Steel Association. 2017年10月15日閲覧。
  6. ^ 田中 2010, p. 26.
  7. ^ 徳田ほか 2005, p. 160.
  8. ^ 向井 1999, pp. 25–26.
  9. ^ 田中 2010, p. 167.
  10. ^ 野原 2016, pp. 117–124.
  11. ^ 田中 2010, p. 171.
  12. ^ 大山ら 1990, pp. 71–72.
  13. ^ 大山ら 1990, p. 72.
  14. ^ 橋本 2007, p. 284.
  15. ^ 向井 1999, p. 43.
  16. ^ 徳田ほか 2005, p. 118.
  17. ^ a b 向井 1999, p. 82.
  18. ^ 田中 2010, pp. 106–107.
  19. ^ 谷野・鈴木 2013, p. 243.
  20. ^ 野原 清彦・小野 寛・大橋 延夫、1977、「準安定オーステナイトステンレス鋼における加工誘起マルテンサイト変態の組成および結晶粒度依存性」、『鉄と鋼』63巻5号、日本鉄鋼協会、doi:10.2355/tetsutohagane1955.63.5_772 pp. 772–782
  21. ^ 橋本 2007, pp. 166–167.
  22. ^ 橋本 2007, p. 168.
  23. ^ 種類”. ステンレス協会. 2018年3月3日閲覧。
  24. ^ Lai Leuk et al. 2012, p. 23.
  25. ^ a b ISSF 2012, pp. 4–5.
  26. ^ a b Cutlery stainless steel grades '18/8', '18/10' and '18/0'”. www.bssa.org.uk. British Stainless Steel Association. 2018年3月3日閲覧。
  27. ^ a b ステンレス協会 1995, p. 1384.
  28. ^ 橋本 2007, p. 120.
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  47. ^ a b 田中 2010, p. 17.
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  49. ^ a b 鈴木 2000, pp. 69–72.
  50. ^ 鈴木 2000, pp. 66–67.
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  60. ^ Cobb 2010, p. 111.
  61. ^ 鈴木 2000, pp. 116–117.
  62. ^ Cobb 2010, pp. 119, 121.
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参考文献

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