ステンレス鋼 ステンレス鋼とは何か？クロムやニッケルの働きは何か？

この記事で分かること

ステンレス鋼

　合金は、2種類以上の金属、または金属と非金属を混ぜ合わせて作られた物質です。

　この混合物は、元の成分とは異なる新しい特性を持ち元の金属にはない、より優れた強度、硬度、耐食性といった特性を持つことがあります。身近な例として、鉄に炭素を混ぜた鋼や鉄にクロムなどを混ぜたステンレス鋼があり、様々な用途で利用されています。

ステンレス鋼とは何か

　ステンレス鋼は、鉄を主成分にクロムを10.5%以上含んだ合金です。錆びにくく、耐久性に優れているのが最大の特徴です。

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錆びにくい理由

　ステンレス鋼が錆びにくいのは、含まれているクロムの働きによるものです。

1. 不動態皮膜の形成: クロムは鉄よりも酸素と結びつきやすい性質を持っています。そのため、空気中の酸素と素早く反応し、鉄の表面に不動態皮膜と呼ばれる非常に薄く、強固な酸化膜を形成します。
2. 自己修復機能: この皮膜は透明で肉眼では見えませんが、外部からの傷などで一部が剥がれても、すぐに空気中の酸素と反応して再生する自己修復機能を持っています。

　この皮膜が内部の鉄を酸素や水分から保護するため、錆の発生を防ぐことができるのです。クロムの含有量が多いほど、この皮膜はより強固になります。

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主な種類と用途

　ステンレス鋼は、その成分や結晶構造によっていくつかの種類に分類され、それぞれ異なる特性を持っています。

• オーステナイト系: クロムに加えてニッケルを含み、最も広く使われています。加工しやすく、耐食性や耐熱性に優れており、キッチン用品や建築材料、医療器具などに利用されます。
• フェライト系: 主にクロムを成分とし、ニッケルを含まないため比較的安価です。磁性があり、自動車部品や厨房用品などに使われます。
• マルテンサイト系: 炭素の含有量が多く、熱処理によって非常に硬くなります。耐食性は他の種類より劣りますが、硬度を活かして刃物や工具、タービンブレードなどに使われます。

クロムの添加で不動態皮膜を形成する理由は

　不動態皮膜が形成される理由は、鉄に添加されたクロムが、鉄よりも優先的に空気中の酸素と反応するからです。この反応によって、金属の表面に非常に薄く緻密な酸化クロムの膜が瞬時に形成されます。この膜が、金属の内部を外部の水分や酸素から守るバリアとなり、錆びの発生を防ぎます。

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不動態皮膜の重要な特性

　この皮膜は、ただ存在するだけでなく、以下のような重要な特性を持っています。

• 自己修復機能: 不動態皮膜は非常に薄いため、物理的な衝撃や化学的な攻撃によって傷つくことがあります。しかし、皮膜が破れても、空気中の酸素が存在する限り、ステンレス鋼中のクロムがすぐに反応し、皮膜を再生・修復します。この機能によって、ステンレス鋼は長期にわたって優れた耐食性を保つことができます。
• 非晶質で緻密な構造: 不動態皮膜は、結晶構造を持たないガラスのような非晶質で、非常に緻密な構造をしています。この緻密さが、腐食の原因となるイオンの侵入を防ぎ、強力な保護作用を発揮します。
• 透明性: 皮膜の厚さはわずか数ナノメートルと非常に薄いため、肉眼では見えず、金属本来の光沢を損なうことはありません。

　このように、クロムと酸素の化学的な親和性が、不動態皮膜を形成する根本的な理由であり、ステンレス鋼の耐食性を決定づける最も重要なメカニズムです。

オーステナイト系でニッケルが添加される意味は何か

　ニッケルをステンレス鋼に添加する主な理由は、耐食性、加工性、靭性を大幅に向上させるためです。特に、クロムだけでは得られない優れた特性を付与し、より多様な用途に対応できる合金にします。

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オーステナイト系ステンレス鋼への影響

　ニッケルは、鉄の結晶構造をオーステナイト（面心立方格子）という安定した構造に固定する役割を果たします。これにより、以下のような特性が得られます。

• 優れた耐食性: クロムが形成する不動態皮膜をより安定させ、特に酸や塩化物環境下での耐食性を高めます。
• 高い加工性（延性と成形性）: オーステナイト構造は、柔軟性があり粘り強いため、深絞り加工や複雑な形状への成形が容易になります。そのため、台所のシンクや鍋など、プレス成形が必要な製品に広く使われています。
• 非磁性: ニッケルを添加することで磁性を持たなくなるため、医療機器や精密機器など、磁気の影響を避けたい分野で重宝されます。
• 優れた靭性: 脆くなりにくく、特に極低温環境でも高い靭性（ねばり強さ）を保つことができます。これにより、LNGタンカーのような極低温環境で使われる装置にも利用されます。

　クロムのみを含むステンレス鋼（フェライト系）は磁性があり、低温で脆くなる性質がありますが、ニッケルを添加することでこれらの欠点が克服され、汎用性の高いオーステナイト系ステンレス鋼が誕生します。現在、市場に出回っているステンレス鋼の約70%がこのオーステナイト系です。

なぜ、鉄の結晶構造をオーステナイトに固定できるのか

　ニッケルは、鉄の結晶構造そのものを変化させることで、オーステナイトに固定する働きをします。

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鉄の相転移とニッケルの役割

　純粋な鉄は、温度によって結晶構造が変化する相転移という現象を起こします。

• 常温から約912℃まで: 体心立方格子（BCC）のフェライト構造
• 約912℃から1394℃まで: 面心立方格子（FCC）のオーステナイト構造
• 約1394℃以上: 再び体心立方格子（BCC）に戻る

　ニッケルは、この温度による構造変化を抑制し、常温でもオーステナイト構造を維持させる「オーステナイト安定化元素」です。

　ニッケルが持つ独自の原子構造（常温で面心立方格子）が、鉄の結晶格子に組み込まれることで、鉄原子が常温でもオーステナイト構造を保ちやすくなります。

オーステナイト構造がもたらすメリット

　オーステナイト構造に固定することで、ステンレス鋼は以下の優れた特性を獲得します。

• 高い靭性（ねばり強さ）: オーステナイト構造は、原子がより密に詰まっているため、外部からの衝撃や変形に強く、もろくなりにくいです。
• 優れた加工性: 柔軟性があり、深絞りや曲げ加工がしやすくなります。
• 非磁性: オーステナイト系のステンレス鋼は、磁石にくっつきません。これは、電子の磁気的な振る舞いが結晶構造によって異なるためです。

　このように、ニッケルは単に腐食を防ぐだけでなく、鉄の原子構造に直接作用することで、ステンレス鋼全体の特性を劇的に向上させる重要な役割を担っています。