ステンレス鋼 用途

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ステンレス鋼

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/04/20 11:56 UTC 版)

用途

ステンレス鋼は、その耐食性を活かして、日用品、業務用機器、建設、自動車、鉄道、電気機器、産業機械など、様々な分野で幅広く使われている。使用分野に特に偏りはなく、用途は多種多様といえる。2019年の統計によると、金属製品全般が 37.5 %、機械類が 29.1 %、建設関連が 12.2 %、自動車関連が 8.5 %、電気機器が 7.7 %、その他輸送機器が 4.9 % という使用割合となっている。

耐食性に加えて、高温環境や低温環境への耐性があり、鋼種によって物理的性質や機械的性質が異なるため、ステンレス鋼は多様な形で利用される。ステンレス鋼と競合する他材料には、塗装・めっき・ホーローなどの表面処理を施した鋼、ポリプロピレンのような樹脂材料、アルミニウムやチタンなどの他金属材料などがあり、要求特性とコストのバランスの中で材料が選択される。

食卓・厨房・食品産業

ステンレス鋼製のスプーンと食卓ナイフ

フォーク、スプーン、ナイフなどのカトラリー類では、ステンレス鋼が多量に使われており、ステンレス製カトラリーのシェアは圧倒的といってもいいほど大きい。古くはステンレス鋼が実用化されたときから、ステンレス鋼の有用な使い道としてステンレス製カトラリーが使われてきた。一般的なカトラリーにはオーステナイト系が用いられ、高級な食卓用ナイフには高硬度なマルテンサイト系も利用されている。また、ステンレス製の箸も韓国では利用が浸透している。

調理器具では、ステンレス製の包丁も主流である。刃物類には、高炭素のマルテンサイト系の焼入れ焼き戻し材を使用して、ロックウェル硬さが 50 から 60 の高硬度で実用に供される。刃先となる芯材にはマルテンサイト系を使い、それをフェライト系で挟み込んだ構造の刃の包丁などもある。他には、トレイ、ボウル、お玉などの調理器具もステンレス製が多い。

ステンレス鋼製の台所流し台

台所の流し台も、現在ではステンレス製が定番となっている。ホーローや人工大理石などの他の材料と比較すると、ステンレス製流し台は耐久性があり、メンテナンスしやすい。ステンレス製流し台本体は、板材からプレス成形で造られる。台所の天板でも、ステンレス鋼が選択肢の一つで、エンボス仕上げや着色処理による外観を良くしたものも採用されている。

ステンレス製外輪鍋。底がIH調理対応となっている。

鍋やフライパンなどでもステンレス製が使われている。ただし、ステンレス鋼は熱伝導があまりよくないので、ステンレス鋼でアルミを挟み込んだ三層構造クラッド鋼などにして対策される。IH調理器用には、磁性のあるフェライト系や普通鋼と複合させた、ステンレスクラッド鋼が使われる。業務用の厨房は、流し台、テーブル、ケース類に至るまで、清潔さを保つために清浄しやすいステンレス鋼が全面的に使われている。魔法瓶の水筒もステンレス鋼を使った製品で、ステンレス鋼管のプレス成形で造られる。魔法瓶水筒の場合は、ステンレス鋼の熱伝導の悪さを逆に有効活用している事例といえる。

食品産業では、食品が接触する部分の多くがステンレス化されている。清潔を第一とする食品機器では、昔からステンレス鋼が多量に使われてきた。食品産業のステンレス鋼の特徴は、食品が接触する部分には研磨仕上げを標準としている点である。これによって、もし食品接触面にかき傷や微小な穴があったときに、そこに食品が入り込み、清掃時にも残ってしまうような事態が起こらないようにしている。鋼種は主に304系が使われており、より耐食性を要する箇所には316系が使われている。

電気機器・電子機器

ステンレス製の冷蔵庫

電気製品では、製品の主部から小物部品まで幅広くステンレス鋼が使われている。消費者の高級志向もあり、電気製品へのステンレス鋼適用は増加傾向にある。白物家電では、冷蔵庫、食洗機、炊飯器、電子レンジなどでステンレス鋼が使われており、耐指紋性と抗菌性のためにクリア塗装を施すこともある。洗濯機では清潔感の良さから洗濯槽のステンレス化が進んでおり、特にドラム式洗濯機のドラムはステンレス製が標準的である。電気ポットの内部容器や電気給湯器のタンクでもステンレス鋼を採用しており、ステンレス製の給湯タンクでは孔食や応力腐食割れへの対策として高耐食フェライト系の444系が使われている。

電子機器類でもステンレス鋼が使わており、多くは小物部品で使われている。電子機器の使用環境はオフィスや家庭といった腐食の厳しい環境ではないため、耐食性が問題となることは比較的少ない。携帯電話部品やハードディスクドライブなどでは、非磁性の要求からステンレス鋼を使う場合もある。

輸送機器

ステンレス車両の例。ハンブルク地下鉄を走るDT5。加工硬化された AISI 301 LN（EN 1.4318）を使用。

現在の鉄道車両は、車体（構体）がステンレス製であるステンレス車両、車体がアルミニウム合金製であるアルミ車両、この2種類が主流である。ステンレス車両では、以前の普通鋼製車体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。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。鉄道車両の車体用には、オーステナイト系を低炭素化で耐食性を高めた鋼種が使われており、さらに加工硬化による高強度化が施されて使われている。ステンレス車両のコストは普通鋼製よりも高いが、アルミ車両よりは安く、通勤車両を中心にステンレス車両が多用されている。ステンレス構体の組立には抵抗スポット溶接が用いられており、近年では、ひずみが小さく溶接速度が速いレーザー溶接も用いられている。

ステンレス製のボディを持つデロリアン・DMC-12

自動車では、エンジンで発生した燃焼ガスが排気されるまでの排気系で、ステンレス鋼がもっとも利用されている。エキゾーストマニホールドからマフラーに至る排気系部品のほとんどでステンレス鋼を使用しており、鋼種は熱膨張係数が低くコストが比較的安いフェライト系が主に使われている。排気系部品でステンレス鋼利用が一般化した背景としては、排ガス規制強化がある。この規制強化に守るために、エンジン燃焼温度の上昇が必要となり、排気系部品へのステンレス鋼適用が進んだ。より高温のエンジン近くの部品には、耐熱性を重視した鋼種が選択され、比較的低温のマフラー側の部品には、耐食性に優れた鋼種が選択される。排気系以外でステンレス鋼の使用が一般化しているものとしては、外装の装飾モールやエンジンで使用されているメタルガスケットなどがある。反面、ボディにステンレス鋼が用いられた例は極めて少なく、2021年現在ではデロリアン・DMC-12及びテスラ・サイバートラックが採用した程度に留まっている。

自転車用のステンレス製ディスクブレーキローター

二輪車分野では、オートバイやマウンテンバイクで使われるディスクブレーキのローター（ブレーキディスク）に、ステンレス鋼が常用されている。自動車ではローター材料は炭素鋼や鋳鉄が多いのに対して、二輪車では外見の良さも重要なことからステンレス鋼が主流となっている。ローターには強い摩擦力が働き、摩耗が問題となるため、ローターの硬度がある程度以上高いことが望ましい。一方で、ブレーキ時の摩擦熱が発生するため耐熱性が求められる。そのため、高硬度・耐熱性・耐食性のバランスがいいマルテンサイト系が、ローターの材料として広く実用されている。

耐食性が高いステンレス鋼だが、船舶分野では使用はそれほど多くない（下記の#海洋・海水環境も参照）。船舶におけるステンレス鋼の主な使用箇所で挙げられるのは、ケミカルタンカーやLNGタンカーにおけるタンク用材料で、ステンレス鋼の耐食性や低温特性を活かして使用される。ケミカルタンカーでは、国際海事機関が定めた国際規則で一部の化学薬品用のタンクにはステンレス鋼の使用を義務づけている。天然ガスを −162 °C に冷却した液化天然ガス(LNG)を運ぶLNGタンクには、ニッケル合金の他に、304 や 304L などのオーステナイト系ステンレス鋼が用いられる。高強度と腐食疲労耐性を求めて、スクリュープロペラにステンレス鋳鋼が採用される場合もある。

航空機分野では、機体材料の全体的な傾向として、鉄鋼材料自体がチタン合金、アルミニウム合金、複合材料などに取って代わられつつある。航空機でステンレス鋼が特に使われている箇所は、強固な特性が求められる機械部品類が多い。脚部や油圧機器、ラッチ、ロッド、ヒンジ類などで、ステンレス鋼が用いられている。

ロケット・宇宙船用途では、スペースXのスターシップ・スーパーヘビーロケットで300台（オーステナイト系）のステンレス鋼が用いられている。高温時でも低温時でも高い強度が保てることが理由とされてる。

建築・土木

クライスラー・ビルディングの段型尖塔の外装はステンレス鋼を使用している。

建築物では、その見た目の良さを理由に外装用・内装用ともにステンレス鋼が使われている。外装用としては、特に屋根用やファサード用にステンレス鋼が古くから使われてきた。ニューヨークのクライスラー・ビルディングは、外装にステンレス鋼を採用した最初の著名な建築物として知られる。クライスラー・ビルディングの尖塔外装にオーステナイト系が使われており、1930年代に建てられて海岸地帯に存在するにもかかわらず、今日も輝きを保っている。一方、建築物の荷重を支える構造材料では普通鋼が主流である。近年では鉄筋コンクリートに使われるステンレス製の異形鉄筋が実用化されており、構造材用途向けのステンレス鋼適用拡大が検討されている。

建物内部では、ドアノブ、蝶番、換気口、窓枠、クレセント、カーテンレール、手すりなど、様々な建築金物にステンレス鋼が使われている。普通鋼や表面処理鋼が昔は使われていたが、腐食対策や高級志向から、ドアノブのような目立つ箇所にはステンレス鋼が使われるようになった。ビルの内装材としてはヘアライン仕上げのステンレス鋼が主に用いられるが、入り口やエレベーター周辺では鏡面仕上げのステンレス鋼もアクセントとして用いられることもある。

ステンレス製の高欄

土木分野では、水門の扉体・戸当り、橋梁の高欄（手すり）で、美観維持とメンテナンスフリーのためにステンレス鋼が使われている。公共施設や公園にある案内板といったものも、保全コストの削減のためにステンレス鋼化が進んでいる。

ドーム球場やコンベンション・センターのような大型建造物の屋根も、メンテナンスフリーや美観の向上のために、ステンレス鋼使用が浸透している。屋根は日射や気温による温度変化が起こるため、大型の屋根では熱膨張率の低いフェライト系の使用が望ましい。海浜地区などの腐食が厳しい場所に建てられる場合は、高耐食ステンレス鋼や塗装ステンレス鋼が適用される。

化学工業

硝酸工業では、共沸濃度の以下の硝酸であれば304系のステンレス鋼で十分に耐用でき、304L が硝酸を扱う器具・装置の材料として広く利用されている。歴史的にも、ステンレス鋼実用化後の最初の大量使用の一つが硝酸を取り扱う用途であった。

硫酸は幅広く用いられている基礎化学原料の一つだが、限られた硫酸濃度範囲でしかステンレス鋼は不働態化しないため、硫酸を扱うのにステンレス鋼の使用範囲は限られている。窒素肥料となる硫安の製造では、硫安が腐食作用を緩和するため結晶缶に 316 などを用いている。

石油精製では、高温耐食性や高温強度といったニーズからステンレス鋼の適用が多い。300 °C から500 °C の高温下、3 MPa から 20 MPa の高圧下で硫黄分を除去する水素化脱硫装置では、耐粒界腐食性を高めた安定化オーステナイト系の 321 や 347 が使われている。常圧蒸留装置では、原油を 300 °C 前後まで加熱して原油を分留しており、装置は厳しい高温腐食環境に晒される。日本では、劣化の防止まではできていないものの、応力腐食割れの懸念が少ないフェライト系 SUS405 クラッド鋼が常圧蒸留装置の材料に用いられている。

製紙業も腐食が常に問題となってきた分野で、ステンレス鋼実用化後の初期からステンレス鋼が活用されてきた。よく使われている鋼種はオーステナイト系で、パルプ製造の連続蒸解釜では内側を 304L にしたクラッド鋼が使われ、二酸化塩素を使うパルプ漂白のより腐食が厳しい工程ではスーパーステンレス鋼が必要になる。パルプから紙をつくる抄紙工程では、圧搾脱水を行うサクションロールに耐食性や疲労強度を考慮してオーステナイト・フェライト系が主に使われている。

海洋・海水環境

塩化物イオンを多量に含む海水環境は、ステンレス鋼にとって好ましくない環境といえる。海水環境で問題となるのは全面腐食よりも局部腐食で、鋼種によって程度の大小はあるが、海水環境ではほとんどのステンレス鋼にすきま腐食や孔食の可能性がある。海洋中の付着生物の存在もすきま腐食の原因となる。316系はステンレス鋼の中で耐食性の高い方であるが、316系であっても海水環境への耐食性を持つと言えず、利用範囲は限定される。

羽田空港のD滑走路桟橋支持部。滑走路を支える円柱杭は、飛沫部から干満部にかけて高耐食性ステンレス鋼で覆われ、防食対策されている。

港湾や海洋構造物では、経済的理由もあり、海水に晒される箇所の構造材料は塗装と電気防食で対策した炭素鋼や低合金鋼を主体としている。ただし、海水中から大気中にかけての海水飛沫を受ける箇所や潮の干満によって海水に浸されたり外気に晒されたりする箇所では電気防食ができず、また、塗装には経年劣化や損傷の問題がある。そのため、日本では、鋼管構造を採用した海洋構造物に対して、SUS312L のようなスーパーステンレス鋼の薄板で海水飛沫部と干満部を覆って防食する手法が開発され、1997年頃から実用化されている。

海水淡水化設備では、コストを下げる観点からも、ステンレス鋼が活用されている。海水淡水化装置には主に蒸発式と逆浸透式があるが、いずれの方式でも各構成機器にステンレス鋼が利用されている。主に使われているのはオーステナイト系の316系や317系で、蒸発器には高強度かつ応力腐食割れへの耐性が高いオーステナイト・フェライト系の S2205 も使われている。

発電所

現代の火力発電所は超臨界圧または超々臨界圧の蒸気条件で運転されており、このような高圧化・高温化にともなってボイラーの材料としてステンレス鋼利用が増えている。ボイラーの過熱器、再熱器、熱交換器配管などにステンレス鋼が使われており、一般的には、金属温度が 600 °C を超えると、高温強度や耐酸化性のためにステンレス鋼が経済的にも有利といわれる。

蒸気のエネルギーを回転運動エネルギーに変換する蒸気タービンでは、強度と耐食性が必要な動翼と静翼にマルテンサイト系や析出硬化系が使われている。ローターやケーシングでは、より高温の厳しい運転条件になると、ステンレス鋼が必要とされる。ガスタービンでは、金属の融点レベルの高温の燃焼ガスを扱うため、タービン本体や燃焼器には超耐熱合金が主に使われるが、圧縮機やタービンディスクなどでステンレス鋼が使われることもある。

原子力発電所における軽水炉では、多くのステンレス鋼管やステンレス鋼厚板が用いられている。炉心で発生した蒸気をそのままタービンに送る沸騰水型軽水炉では原子炉圧力容器や配管系でステンレス鋼が使われており、応力腐食割れへの対策のために非鋭敏化鋼種へと置き換えられてきた歴史がある。加圧水型軽水炉の1次冷却系でもステンレス鋼を利用しているが、沸騰水型とは条件が異なることもあって応力腐食割れが問題となったケースは少ない。使用済み核燃料の再処理施設では、再処理に多量の硝酸を用いるため、ステンレス鋼が多量に使われる。

医療

ステンレス鋼製の外科手術器具

医療分野でも、手術器具から検査機器に至るまで、ステンレス鋼は多く使われている。薬品、消毒液、血液、体液などに対して耐食性が必要なため、ステンレス鋼が適しており、衛生面からも好まれる。種々の検査機器に対しては、非磁性であることも利点となる。メスや鉗子などの手術器具にはマルテンサイト系ステンレス鋼が使われている。

人工関節用など、人体内で使用するインプラント用材料としても使われる。体液は海水と同等の組成であるため、これらの用途には高耐食性の鋼種が利用されている。血管、胆管、食道などを広げるステントでは、コバルト合金などの他使用材料も存在するが、加工性や溶接性が良好であることや廉価であることからステンレス鋼の高耐食性鋼種も使われている。ただし、ステンレス鋼中に含まれるクロムとニッケルには金属アレルギーの問題もあり、優れた生体適合性を持ち、さらに軽量であるチタンなどの他の生体材料への置き換えも進んでいる。特に近年では毒性や金属アレルギーが懸念されるニッケルを生体材料から排除する動きが強まっており、ステンレス鋼でもニッケルを含まない、窒素などの他のオーステナイト生成元素を代わりに用いた生体材料用オーステナイト系ステンレス鋼の開発・実用化が進められている。

美術品

ステンレス製の野外彫刻の例。スコットランドの「ザ・ケルピーズ」。厚さ 6 mm の 316L 圧延板 No.8 研磨材を約 150 トン使用。

実用品以外の分野では、モニュメントやオブジェといった美術作品の素材として利用されている。ステンレス鋼を彫刻素材に使用する利点には、他の金属同様に可塑性があり加工しやすく且つ丈夫であること、耐食性が高くメンテナンス性に優れていること、光輝を持ち現代的な材質感が得られることが挙げられる。

ステンレス材に各種の研磨仕上げや表面処理を施すことで、多様な肌合いを表現することもできる。細かい孔を開けて透明を表現する、インコ法でグラデーションを作って虹を表現する、モアレを利用して三次元的な奥行きを表現する、といったステンレス鋼による表現の幅を広げる試みもなされている。石材、木材、鉄、プラスチックなど他の素材と組み合わせる例もある。鋼種としては、オーステナイト系の 304 がよく使われるが、沿岸部のような場所では高耐食な 316 も使われる。