フェライト系ステンレス鋼

フェライト系ステンレス鋼：特性、用途、歴史

フェライト系ステンレス鋼は、常温で体心立方格子構造のフェライト組織を持つステンレス鋼の一種です。ステンレス鋼は金属組織によっていくつかの種類に分類され、フェライト系はそのうちの1つです。他の種類としては、マルテンサイト系、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系などがあります。

フェライト系ステンレス鋼は、耐食性を生み出すクロムを主成分とするため、「クロム系ステンレス鋼」とも呼ばれます。クロムの含有量は、代表的な鋼種で約18％です。JIS規格ではSUS430が代表的なフェライト系ステンレス鋼として挙げられます。

基本組織と組成

フェライト系ステンレス鋼の主な組織はフェライト相です。高温(900℃～1200℃)では、フェライト単一相、またはフェライトと少量のオーステナイト相の2相組織となります。適切な焼鈍処理によって、高温でオーステナイト相が現れる鋼種でもフェライト単相にすることが可能です。組成や熱処理によっては、常温でオーステナイト相やマルテンサイト相を少量含むものもあります。

クロム含有量は11％～32％の範囲に及び、代表的な鋼種では約18％です。JIS規格のSUS430や、それに相当するAISI・ASTM規格の430は、「18クロムステンレス鋼」や「18Cr鋼」などとも呼ばれます。

鉄-クロム2元状態図によると、クロム濃度が約13％以上になると、融点までフェライト単相となります。しかし、炭素や窒素の含有量が増えると、オーステナイト相が存在する温度範囲が広がります。

炭素と窒素の含有量を0.03％以下に低減し、チタンやニオブなどの炭化物安定化元素を添加した鋼種を高純度フェライト系ステンレス鋼と呼びます。SUS444などが代表例です。高純度フェライト系ステンレス鋼は、融点までフェライト単相となります。

特性

耐食性

ステンレス鋼の耐食性はクロムの含有量に依存します。クロムにより、鋼表面に緻密で安定なクロム酸化物被膜（不働態被膜）が形成され、腐食から保護します。クロム含有量が多いほど、耐食性と耐酸化性は向上します。

フェライト系ステンレス鋼の耐食性は、オーステナイト系ステンレス鋼とほぼ同等ですが、SUS430とSUS304を比較すると、孔食に対する耐食性はSUS430の方が劣ります。耐食性は組織よりも、クロムとモリブデンの含有量の影響が大きいです。モリブデン添加は、特に孔食と隙間腐食に有効です。

フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼に見られる塩化物応力腐食割れを起こしにくいという利点があります。これは、ニッケルを含まないことが主な理由です。

物理的性質

フェライト系ステンレス鋼は、一般的な鋼と同様に強磁性を示します。これは、オーステナイト系ステンレス鋼が非磁性である点と大きく異なります。電気抵抗は純鉄より大きく、SUS430では純鉄の約6倍です。密度は軟鋼よりやや小さく、クロム含有量が増えると低下します。熱伝導率は炭素鋼より低く、オーステナイト系よりは高いです。熱膨張率はオーステナイト系より低いです。

機械的性質

フェライト系ステンレス鋼は通常、焼鈍処理されて使用されます。焼鈍温度は800℃～1050℃、空冷します。500℃付近の徐冷は、脆化のリスクがあります。炭素含有量が低いため、焼入れしても硬化しません。

焼鈍後のSUS430の機械的性質は、0.2%耐力333MPa、引張り強さ490MPa、伸び30%、ビッカース硬さ149HV程度です。他のステンレス鋼と比較すると、フェライト系は強度が低い方です。耐力は275MPa～350MPa程度です。クロム含有量が増えると硬化しますが、延性と靭性は低下します。

脆化

フェライト系ステンレス鋼は低温で脆性破壊の危険性が高く、延性-脆性遷移温度が存在します。高純度化により、低温脆性を改善できます。

高温(300℃～550℃)では、475℃脆化と呼ばれる脆化が起こります。特に475℃付近で急速に脆化し、硬さは上昇しますが、延性と靭性が低下し、耐食性も低下します。これは、フェライト相がクロム濃度の異なる2相に分離するためです。

600℃～800℃では、σ相脆化が起こります。これは、硬いが脆いσ相の析出によるものです。σ相脆化は、数百時間以上の加熱で起こります。

加工性

フェライト系ステンレス鋼の加工性は、普通鋼と似ています。張出し加工性はオーステナイト系より劣りますが、絞り加工性は優れています。曲げ加工では、曲げ半径が小さいと割れやすいです。溶接では、475℃脆化や結晶粒粗大化に注意が必要です。切削加工性はオーステナイト系より優れています。

特有の加工欠陥として、絞り加工におけるリジング（しわ）や縦割れがあります。リジングは、組織中に変形挙動の異なる領域が存在することが原因です。縦割れは、縮み変形が大きい箇所で起こる脆性割れです。

使用例

フェライト系ステンレス鋼は、耐食性が求められる用途に広く使用されます。オーステナイト系ほど耐食性が高くないため、腐食環境が厳しくない用途が中心です。厨房器具などではコスト面から広く使われています。高純度フェライト系ステンレス鋼は、塩化物応力腐食割れを起こしにくいことから、温水機器や化学プラントなどにも使用されます。熱膨張係数が低い点を活かして、大型建物の屋根材などにも使われています。

自動車の排気系部品、家庭用温水器の貯湯タンク、洗濯機ドラム、IH調理器の鍋などにも使用されています。

歴史

フェライト系ステンレス鋼の発明者は特定できませんが、レオン・ギレ、アルベルト・ポルトバン、クリスチャン・ダンチゼン、エルウッド・ヘインズなどが重要な貢献者として挙げられます。1920年代に概念が普及し始め、第二次世界大戦後はニッケル不足により利用が促進されました。

1960年代後半以降、電子ビーム溶解法などの技術により高純度フェライト系ステンレス鋼の製造が可能となり、耐食性や加工性が向上しました。現在では、オーステナイト系と同等以上の耐食性を持つフェライト系ステンレス鋼も開発されています。

参考文献

ステンレス協会（編）：ステンレス鋼便覧（第3版）
野原清彦：ステンレス鋼大全
田中良平（編）：ステンレス鋼の選び方・使い方（改訂版）
その他多数の文献、特許資料

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