ステンレス鋼は何でできているか：主成分と性能への影響

ステンレス鋼は、その優れた耐食性と強度で汎用性が高く、一般的に使用されています。その組成は、主に鉄を含み、クロム、ニッケル、モリブデン、炭素、マンガン、ケイ素、窒素などの主要元素が含まれています。これらの要素はそれぞれ、ステンレ ス鋼の性能に大きく寄与している。建築、自動車、医療機器、台所用品に適したステンレス鋼を選ぶには、これらの成分を理解することが不可欠である。 

ステンレス鋼の主成分と性能への影響とは？

ステンレス鋼は、鉄を主成分とし、その特性を高めるために他の様々な元素が添加された合金である。ステンレス鋼に含まれる主な元素は、鉄、クロム、ニッケル、モリブデン、炭素、マンガン、ケイ素、窒素などである。各元素は、耐食性、強度、延性など、鋼の特性に影響を与える。

鉄（Fe）

• 内容: 構成の大部分。
• インパクト: 基本的な強度と構造的サポートを提供します。ただし、鉄は錆びや腐食が発生しやすいため、他の元素を加えることで軽減されます。
• 一般的な: すべてステンレス製。

クロム（Cr）

• 内容: 最小 10.5%、通常は 16% ～ 26% の間です。
• インパクト: 鋼鉄表面に保護酸化クロム層を形成することで耐食性を高めます。クロム含有量が多いほど、全体的な耐食性が向上します。
• 一般的な: すべてのステンレス鋼、特にオーステナイト系 (304、316) およびフェライト系 (430) グレード。

ニッケル（Ni）

• 内容: 8%～20%の範囲です。
• インパクト: 特に酸性環境において、延性、成形性、耐腐食性を高めます。また、ニッケルはオーステナイト構造を安定化させ、鋼を非磁性にします。
• 一般的な: オーステナイト系ステンレス鋼（304、316）。

モリブデン (Mo)

• 内容: 2%-3%.
• インパクト: 特に塩化物環境での孔食および隙間腐食に対する耐性が向上します。また、高温での強度も向上します。
• 一般的な: 316 や二相ステンレス鋼などのグレード。

カーボン（C）

• 内容ほとんどのグレードでは 0.1% 未満ですが、マルテンサイト鋼ではこれより高くなる場合があります (最大 1.2%)。
• インパクト: 硬度と強度が向上しますが、炭素が多すぎるとクロム炭化物が形成され、耐食性が低下する可能性があります。
• 一般的な: マルテンサイト系（410、420）および一部のオーステナイト系グレード。

マンガン (Mn)

• 内容: 通常は1%-2%。
• インパクト: 脱酸剤として作用し、靭性、耐摩耗性、硬化性を向上させます。マンガンは快削性ステンレス鋼にも不可欠です。
• 一般的な: オーステナイト系および二相系グレード。

ケイ素 (Si)

• 内容: 1%あたり。
• インパクト特に高温下での耐酸化性を向上させ、熱応力下での構造的完全性を維持することで強度を高めます。
• 一般的な: 高温ステンレス鋼（炉部品など）。

窒素（N）

• 一般的な: 二相およびオーステナイトグレード。
• 内容: 最大0.2%。
• インパクト: 特に二相鋼およびオーステナイト鋼において、強度と応力腐食割れに対する耐性が向上します。また、溶接性も向上します。

ステンレス鋼のその他の化学成分

リン (P)、硫黄 (S)、チタン (Ti)、ニオブ (Nb) は、ステンレス鋼の強度、耐腐食性、機械加工性などの特性を最適化するために不可欠です。少量でも、性能と耐久性に大きな影響を与えます。

リン (P)

• 内容: 0.03% – 0.045%
• インパクト: 強度と加工硬化を高めますが、耐食性は低下します。特に溶接部では応力腐食割れのリスクが高まります。リン濃度が高いと低温で脆くなり、溶接中に割れが生じやすくなります。
• 一般的な: ステンレス鋼の低グレードおよび快削タイプ（例：430F）。

硫黄（S）

• 内容: 0.03%-0.04%以下
• インパクト: 工具の摩耗と摩擦を減らす硫化物を形成することで機械加工性が向上しますが、孔食や応力腐食に対する感受性も高まります。硫黄含有量が多いと高温で脆くなり、溶接強度が弱くなります。
• 一般的な: 303ステンレス鋼（快削グレード）。

チタン（Ti）

• 内容: 0.5% – 1.0%
• インパクト: チタン炭化物を形成し、クロム炭化物の形成を防ぎ、粒界腐食耐性を高めます。結晶構造を微細化し、強度と靭性を向上させます。また、溶接品質も向上しますが、介在物により材料の純度が低下する可能性があります。
• 一般的な: 321 や 347 などのグレードは、耐腐食性と溶接性が向上しています。

ニオブ

• 内容: 0.1% – 0.5%
• インパクト: ニオブ炭化物を形成し、クロム炭化物の形成を防ぎ、粒界腐食に対する耐性を高めます。析出硬化によりステンレス鋼を強化し、高温性能を向上させますが、介在物が発生する場合があります。
• 一般的な: 析出硬化グレード（例：17-4 PH）および耐食性を強化したグレード 347。

ステンレス鋼の化学元素比率を制御することは、強度や耐腐食性などの特性を最適化するために不可欠です。わずかな変化でも性能に大きな影響を与える可能性があるため、正確な配合が不可欠です。

さまざまな種類のステンレス鋼の組成と、これらの組成が性能に与える影響とは？

ステンレス鋼には様々な種類があり、それぞれ特 定の用途に適した特性や適合性を定義する特 定の組成を持つ。ステンレス鋼の主な種類には、オーステナイ ト系、フェライト系、マルテンサイト系、二相 鋼、析出硬化系などがある。各ステンレス鋼は、その組成に特徴的な要素 を持ち、強度、耐食性、成形性などの性能に 影響を与える。

オーステナイト系ステンレス鋼の組成

オーステナイト系ステンレス鋼 最も広く使用されているステンレス鋼の種類で、優れた耐腐食性、成形性、溶接性で知られています。通常、クロム (16-26%) とニッケル (6-22%) の含有量が多いです。ニッケルを加えるとオーステナイト構造が安定し、鋼が非磁性になり、延性と靭性が向上します。孔食や隙間腐食に対する保護を強化するために、モリブデンが追加されることがよくあります (2-3%)。一般的な用途には、キッチン家電、化学処理装置、建築構造などがあります。

フェライト系ステンレス鋼の成分

フェライト系ステンレス鋼 オーステナイト鋼よりもクロム含有量が高く (10.5-30%)、ニッケル含有量が低い。磁性があり、特に中程度の環境では効果的な耐腐食性を発揮します。ニッケル含有量が少ないため、価格が安くなります。フェライト鋼は中程度の成形性があり、自動車の排気システム、産業機器、台所用品などの用途に使用されます。これらの鋼は一般にオーステナイト鋼よりも延性が低いですが、応力腐食割れに対する耐性は良好です。

マルテンサイト系ステンレス鋼の組成

マルテンサイト系ステンレス鋼 炭素含有量が多く（0.1～1.2%）、非常に高い硬度と強度を備えています。クロム含有量は中程度（12～18%）で、磁性があります。これらの鋼は熱処理によってさまざまな硬度と強度を実現できるため、刃物、手術器具、タービンブレードなど、耐摩耗性と高強度が求められる用途に適しています。ただし、マルテンサイト鋼はオーステナイト鋼やフェライト鋼に比べて耐食性が低くなります。

二相ステンレス鋼の成分

二相ステンレス鋼 オーステナイトとフェライトの混合ミクロ組織を持ち、通常は同量です。クロム (19-32%) の含有量が高く、ニッケル (1-8%) の含有量が中程度で、モリブデン (最大 5%) と窒素も含まれています。この組み合わせにより、二相鋼はオーステナイト鋼やフェライト鋼単独よりも強度が高く、応力腐食割れや孔食に対する耐性が高くなります。一般的な用途には、化学処理、石油・ガス産業、海洋環境などがあります。

析出硬化型ステンレス鋼の組成

析出硬化ステンレス鋼は、熱処理によって高 強度を得るように設計されている。クロム (15-17%)、ニッケル (4-7%)、その他アルミニウム、銅、ニオブなどの元素を含む。これらの鋼は、金属マトリックス内に微粒子を析出させる熱処理工程を経ることで、強度と硬度が大幅に向上する。析出硬化鋼は、高強度と優れた耐食性が要求される航空宇宙、防衛、高性能エンジニアリング用途で使用されている。

ステンレス鋼と非ステンレス鋼の組成の違い

ステンレス以外 一般的には炭素鋼または 合金鋼どちらも耐食性に必須のクロム含有量が不足しています。主な組成上の違いは次のとおりです。

ステンレス鋼以外（例：炭素鋼）

• カーボン（C）: 炭素含有量が高く、通常は 0.1% から 2% の範囲で、硬度と強度が向上します。ただし、バランスが適切でないと、鋼が脆くなる可能性があります。
• マンガン (Mn): 強度と硬度を高めるために使用され、通常は 0.3% から 1% の範囲です。
• ケイ素 (Si): 強度を向上させます。通常、0.1% ～ 0.5% の量で見つかります。
• リン（P）と硫黄（S）: 不純物として存在し、靭性と溶接性を低下させる可能性があるため、そのレベルは低く抑えられています（0.05% 未満）。

ステンレス鋼

• クロム（Cr）: 最小10.5%、錆を防ぐ不動態酸化層を形成することで優れた耐腐食性を発揮します。
• ニッケル（Ni）: 延性、靭性、耐酸性を向上させるために、多くのステンレス鋼 (8%-20%) に添加されます。
• モリブデン (Mo): 通常は 2% ～ 3% で、特に塩化物環境での孔食および隙間腐食に対する耐性を強化します。
• 炭素含有量が少ない: 耐食性を低下させる炭化物の形成を防ぐため、通常は 0.1% 未満です。

構成の違いによるメリット

• 耐食性: ステンレス鋼はクロムとニッケルの含有量が多いため、錆や腐食に対する耐性が優れており、海洋や化学薬品の現場などの過酷な環境に最適です。対照的に、ステンレス鋼以外の鋼は湿気にさらされると錆びやすくなります。
• 強度と硬度炭素鋼は炭素含有量が多いため、多くの用途においてステンレス鋼よりも硬く強度がありますが、脆く延性が低い傾向もあり、柔軟性が求められる用途には適していません。
• 加工性ステンレス鋼、特に快削グレードのステンレス鋼は、摩耗や裂傷に対する耐性が優れていますが、炭素鋼は、クロムやニッケルの含有量が多くないため、グレードが低いほど加工が容易です。

これらの違いは、耐腐食性と耐久性に優れた用途におけるステンレス鋼の汎用性を強調する一方、非ステンレス鋼は低コストでより高い強度と硬度を提供します。

ステンレス鋼100%は鋼ですか?

いいえ、ステンレス鋼は 100% 鋼ではありません。ステンレス鋼は主に鉄で構成された合金ですが (従来の鋼と同様)、クロム、ニッケル、場合によってはモリブデンなどの主要元素も含まれています。これらの追加元素により、ステンレス鋼は耐腐食性などの特性が向上します。

ステンレス鋼は錆びるか？

ステンレス鋼は錆びる可能性がある、しかし、通常の鋼鉄に比べて錆びに非常に強いです。クロム含有量（少なくとも 10.5%）は表面に保護酸化層を形成し、ほとんどの環境で錆を防ぎます。ただし、高塩分や高酸性などの極端な条件では、ステンレス鋼は腐食したり、表面に錆が発生したりする可能性があります。

ステンレス鋼には BPA が含まれていますか?

いいえ、ステンレスには BPA (ビスフェノール A) は含まれていません。BPA は一部のプラスチックや樹脂に使用されている化学物質ですが、ステンレスには BPA が含まれておらず、食品や飲料の保管に安全であると考えられているため、調理器具や水筒によく使用されています。

ステンレス鋼の成分は何ですか?

ステンレス鋼は主に鉄から成り、その特性を高めるためにクロム、ニッケル、モリブデン、炭素、マンガン、ケイ素、窒素などの主要元素が添加されている。これらの元素は、耐食性、強度、延性などの優れた特性を提供します。

ステンレス鋼の最適な組成は何ですか?

ステンレス鋼の最適な組成は、用途によっ て異なる。オーステナイト系ステンレス鋼 (クロムとニッケルの含有量が高い) は、耐食性と成形性のために一般的に使用される。高強度および高硬度には、マルテンサイト系 ステンレス鋼 (炭素含有量が高い) が適してい る。二相鋼は、強度と耐食性のバランスがとれている。

ステンレス鋼には鉛が含まれていますか?

ステンレス鋼に鉛は含まれていません。ステンレスの主成分は鉄、クロム、ニッケル、その他特性を高める元素で構成されていますが、鉛はその中には含まれていません。ステンレス鋼は安全であると考えられており、調理器具や医療器具など、衛生面や清潔さが求められる用途によく使用されています。

結論

ステンレス鋼の組成とその主要元素を理解すれ ば、特定の用途に適したステンレス鋼を選択す る際に役立つ。クロムから窒素までの各元素は、ステンレス鋼を多用途で耐久性のあるものにする独自の特性を付加します。組成を知ることで、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性、マルテンサイト系ステンレス鋼の強度、または二相ステンレス鋼のバランスの取れた特性のいずれかを選択することができます。ステンレス鋼の適応性により、様々な産業において重要な材料であり続け、長寿命で信頼性の高い結果を提供します。