ステンレス鋼と聞くと、
「さびない鋼」
というイメージを持つ方も多いと思います。
しかし、ステンレス鋼も鉄を主成分とする材料です。
鉄である以上、条件によっては腐食します。
それでも普通の炭素鋼と比べて、はるかにさびにくい。
その大きな理由が、
クロム（Cr）がつくる「不動態皮膜」
です。
今回は、ステンレス鋼がなぜさびにくいのかを、Crと不動態皮膜の働きから見ていきます。
ステンレス鋼の主成分は「鉄」
ステンレス鋼の主成分も鉄（Fe）です。
普通の炭素鋼では、鉄が水分や酸素と反応すると腐食が進み、いわゆる赤さびが発生します。
では、同じ鉄を主成分とするステンレス鋼では、なぜ腐食が進みにくいのでしょうか。
違いを生み出している代表的な元素が、
Cr（クロム）
です。
ステンレス鋼には一般に10.5％以上のCrが含まれています。
このCrが鋼の表面で酸素と反応し、非常に薄い保護皮膜をつくります。
これが、
不動態皮膜
です。
不動態皮膜とは
ステンレス鋼の表面には、Crを多く含む非常に薄い酸化皮膜が形成されます。
この皮膜は極めて薄い（数ナノメートル）ため、肉眼で見ることはできません。
しかし、この薄い皮膜がステンレス鋼の耐食性を支えています。
不動態皮膜が表面を覆うことで、
鉄が周囲の水分や酸素などと直接反応しにくくなります。
つまり、
材料そのものが腐食しにくいのではなく、表面にできた保護皮膜によって腐食の進行を抑えている
と考えると分かりやすいでしょう。
耐食性を向上させるクロム
ステンレス鋼中のCrは、表面付近で酸素と反応し、Crを多く含む安定した酸化皮膜を形成します。
模式的には、
ステンレス鋼
↓
表面のCrが酸素と反応
↓
Crを多く含む非常に薄い酸化皮膜を形成
↓
鉄と外部環境との反応を抑える
↓
腐食が進みにくくなる
という流れです。
したがって、
Crは単に鋼の中に入っている（固溶している）だけではありません。
表面で保護皮膜をつくることで、ステンレス鋼特有の耐食性を生み出しているのです。
不動態皮膜は傷ついても再び修復される
不動態皮膜の大きな特徴の一つが、
傷ついても、条件が整えば再び形成される
ことです。
例えば、ステンレス鋼の表面に小さな傷がついたとします。
傷の部分では、一時的に金属表面が露出します。
しかし、周囲に十分な酸素が存在すれば、露出した部分のCrが酸素と反応し、再び不動態皮膜が形成されます。
つまり不動態皮膜には、
自己修復するような性質
があります。
これもステンレス鋼が高い耐食性を示す重要な理由です。
ただし、いつでも完全に修復できるわけではありません。
周囲の環境によっては、不動態皮膜が壊れたままになり、そこから局部的な腐食が進むことがあります。
ステンレス鋼でもさびる
「ステンレス」という名前から、
絶対にさびない材料
と思われることがあります。
しかし、それは正しくありません。
ステンレス鋼も使用環境によっては腐食します。
特に注意したいものの一つが、
塩化物イオン（Cl⁻）
です。
海水や海塩粒子など、塩化物を含む環境では、不動態皮膜が局部的に破壊されることがあります。
すると、その部分から腐食が集中して進行します。
代表的なのが、
孔食
です。
表面から見ると小さな点状の腐食でも、内部方向へ深く進んでいる場合があります。
そのため、
「ステンレスだから腐食しない」
と決めつけることはできません。
局部腐食とは
ステンレス鋼は、不動態皮膜によって高い耐食性を持っています。
しかし、使用環境によっては、この不動態皮膜が局部的に破壊されることがあります。
すると、材料全体が均一に腐食するのではなく、
特定の場所だけに腐食が集中する
ことがあります。
これを局部腐食といいます。
ステンレス鋼で注意したい代表的な現象が、孔食、すきま腐食、応力腐食割れです。
孔食
孔食は、ステンレス鋼の表面にある不動態皮膜が局部的に破壊され、その部分から穴状に腐食が進む現象です。
特に、塩化物イオン（Cl⁻）を含む環境で発生しやすくなります。
海水や海塩粒子などが代表的です。
孔食の特徴は、表面から見ると小さな点状の腐食でも、内部では深く進んでいることがある点です。
そのため、
「表面の腐食が小さいから問題ない」
とは限りません。
すきま腐食
すきま腐食は、ボルト締結部、ガスケット部、重ね合わせ部などの狭いすきまで発生する腐食です。
すきまの内部では液体が滞留しやすく、外部との物質交換も制限されます。
その結果、すきま内部の環境が変化し、不動態皮膜を維持しにくくなります。
すると、すきま内部に腐食が集中して進行します。
つまり、ステンレス鋼では、
材料だけでなく、構造そのものが腐食の起こりやすさに影響する
ということです。
応力腐食割れ
応力腐食割れは、
引張応力と腐食環境が組み合わさることで発生する割れ
です。
英語ではStress Corrosion Cracking、略してSCCと呼ばれます。
ステンレス鋼では、塩化物を含む環境などで問題になることがあります。
外から加わる荷重だけでなく、溶接や加工によって材料内部に残った残留応力も影響します。
そのため、
材料×環境×応力
の3つの因子がそろうことで発生しやすくなると考えると分かりやすいでしょう。
応力腐食割れは、表面の腐食がそれほど大きく見えなくても、割れが進展していることがあるため注意が必要です。
孔食、すきま腐食、応力腐食割れは、それぞれ発生のしくみは異なります。
しかし共通しているのは、
「ステンレス鋼だから安全」と、材料名だけで判断できない
ということです。
クロムとともに添加される元素
一般に、Cr量を増やすと不動態皮膜の安定性が高まり、耐食性は向上する方向になります。
しかし、実際のステンレス鋼ではCrだけで性能を決めているわけではありません。
例えば、
Ni（ニッケル）
を加えることでオーステナイト組織を安定化させたり、
Mo（モリブデン）
を加えることで塩化物環境などに対する耐食性を改善したりします。
つまりステンレス鋼も、
必要な性能に合わせて複数の合金元素を組み合わせて設計された鋼
なのです。
これは前回取り上げた、
「合金元素は必要な性能をつくり込むために加える」
という考え方そのものです。
ステンレス鋼にはいろいろな種類がある
ステンレス鋼は一種類ではありません。
代表的には、
- オーステナイト系
- フェライト系
- マルテンサイト系
- 二相系
- 析出硬化系
などに分類されます。
身近なものでは、SUS304やSUS316などがあります。
SUS304は代表的なオーステナイト系ステンレス鋼です。
SUS316ではMoが添加されており、SUS304よりも塩化物を含む環境などで高い耐食性が求められる場合に使用されます。
このように、
「ステンレス鋼なら何でも同じ」ではありません。
使用温度、腐食環境、強度、溶接性、加工性、コストなどを考えて、適切な材料を選ぶ必要があります。
まとめ ステンレス鋼を守っているのは「薄い皮膜」
今回は、ステンレス鋼がなぜさびにくいのかを見てきました。
ステンレス鋼も鉄を主成分とする材料です。
それでも炭素鋼よりはるかに高い耐食性を示す大きな理由が、
Crによって形成される不動態皮膜
です。
Crを含む非常に薄い皮膜が表面を覆うことで、鉄と外部環境との反応を抑えます。
さらに、皮膜が傷ついても、条件が整えば再び形成されます。
ただし、不動態皮膜も万能ではありません。
塩化物、すき間、温度、表面状態などによって皮膜が破壊されれば、孔食やすき間腐食などが発生することがあります。
だからステンレス鋼を理解するときに大切なのは、
「ステンレスはさびない」と覚えることではありません。
「Crが不動態皮膜をつくり、その皮膜が維持されているからさびにくい」
と理解することです。
くろがねくんの一言
「ステンレスは“さびない”んじゃない。薄い不動態皮膜が、ずっと表面を守っているんだ！」
次回の重工系材料学（第9回）は超合金について解説します。
前回（第7回）のおさらいはこちら！
＜執筆者情報＞
難波一夫
IHI／石川島播磨重工業 出身 の重工系技術士（金属部門）
中小企業診断士・労働安全コンサルタント・エネルギー管理士資格を保有
材料から設備を診る！ 技術経営コンサルタント
