ステンレス鋼の耐食性：総合ガイド

ある種のステンレス鋼は、多くの媒体で良好な耐食性を 示すかもしれないが、化学的安定性が低いため、他の ある種の媒体では腐食する可能性がある。言い換えれば、ある種のステンレ ス鋼は、すべての媒体に耐食性を持つことはでき ない。

金属の腐食は、物理腐食、化学腐食、電気化学腐食の3つのメカニズムに分類できる。物理的溶解 金属 は物理腐食に属する。化学的腐食とは、金属イオンが媒体と直接電荷を交換し、媒体の中で起こる直接的な化学反応を指す。

以前は、高温による金属の酸化は純粋な化学腐食に属すると考えられていたが、実際には高温酸化のほとんどは電気化学腐食に属する。不動態化保護膜が金属のさらなる腐食を防ぐことができる理由は、イオン交換と電荷交換の速度を抑制する重要な側面にある。

電気化学的腐食とは、電解液中での電極反応による金属の腐食である。多くの電気化学的腐食プロセスでは、ある金属が別の金属と結合したり、金属内の異なる相が結合したりして、いわゆるガルバニック腐食を形成する。

このシナリオでは、一方の金属が陽極として作用して腐食し、他方の金属が陰極として作用して還元反応を起こす。これが電気化学的腐食の特徴である。実際の生活や工学的実践では、金属腐食の大部分は電気化学的腐食に属する。

ステンレス鋼の主な腐食形態には、均一腐食 (表面腐食)、孔食、隙間腐食、粒界腐食、応力腐食などがある。

均一腐食

均一腐食とは、腐食媒体と接触している金属表面の包括的な腐食を指す。均一腐食は金属断面を連続的に減少させる。腐食された応力のかかる部品では、実際にかかる応力が増加し、最終的には材料の破壊強度に達し、破壊の原因となる。

均一腐食の評価方法は、試験条件下で一定時間腐食した後の単位面積当たりの重量損失（g/m²-年）であり、これは腐食速度である。

腐食深さ（mm/年）で計算すれば、機器の耐食性寿命を決めるのに便利である。腐食速度の違いから、金属材料の耐食性は表1-13のように10段階に分けられる。

一般的に耐食性は、使用シーンの違いにより、腐食速度が0.01mm/年以下であれば "完全耐食"、0.1mm/年以下であれば "耐食 "と大きく2段階に分けられる。

ここで、腐食速度が0.1mm/年を超えると、耐食性がない、あるいはあまり耐食性がないとみなされることは明らかである。他の分類方法もあるが、ここでは1つの分類方法のみを示す。

鋼は、その優れた耐食性により、さらにステンレス鋼と耐食鋼に分けられる。

1.ステンレス鋼 とは、大気や弱い腐食性の媒体に対して耐食性を持つ鋼材のことである。

2.耐食鋼 様々な強い腐食媒体の中でも腐食に耐えることができる鋼のこと。

表1-13：耐食性の分類

ステンレス鋼は、特定の環境下で均一な腐食を超える腐食形態が発生する可能性がある。過度な腐食は、その環境において鋼が耐食性であるとみなされる。

工学的な実務では、材料の選択と耐食性の評価は、機器の設計寿命や、化学材料の汚染の可能性、あるいは腐食生成物による完成品グレードの低下も考慮する必要がある。

局部腐食

孔食とは、金属表面の大部分は腐食しないかわずかに腐食するが、非常に局所的な腐食が散発的に発生する現象を指す。一般的な孔食の大きさは1.0mm以下で、深さは表面の開口部を超えることが多い。軽度の場合は比較的深いピットがあり、重度の場合は穿孔が生じることもある。

孔食は、金属表面の局部的な不動態化皮膜の破壊によって起こる。腐食ピットの形成から始まり、腐食ピットは外側から内側に向かって進行し、局部腐食を構成する。

孔食は、ステンレス鋼の一般的な腐食損傷の 一つである。塩化物イオン (Cl-) を含む環境では、ステンレ ス鋼で孔食が最も発生しやすい。現在、ステンレス鋼の孔食損傷を防止するた めに、いくつかのアプローチがある：

1.環境中の塩化物イオンと酸素の含有量を減らす、腐食防止剤（CN-、NO-、SO-など）を導入する、環境温度を下げる、など。

2.モリブデン、マンガン、ケイ素、バナジウム、希土類元素をステンレス鋼に組み込んで合金化を促進し、孔食に対する耐性を効果的に高める。

3.転位部位で孔食が発生する可能性を減らすため、冷間加工は できるだけ最小限にとどめる。

4.鋼中の炭素含有量を減らし、クロムとニッケルの含有 量を増やすことで、耐孔食性を高めることができる。既存の超低炭素・高クロム・ニッケル・モリブデン オーステナイト系ステンレス鋼板および超高純度・低 炭素・低窒素・モリブデン含有高クロムフェライト系 ステンレス鋼板は、高い耐孔食性を有する。

隙間腐食

隙間腐食とは、金属部品の隙間に斑点状または潰瘍状の巨視的ピットが形成されることを指し、局部腐食の一形態である。一般的には、ワッシャー、リベット、ボルトの接合部、重なり合った溶接部、バルブシート、蓄積した金属板などで発生する。

腐食生成物が隙間に入り込み、媒質の拡散が制限されるため、隙間の媒質の組成と濃度は環境全体と大きく異なり、"閉塞セル腐食 "が形成される。孔食と比較した隙間腐食形成メカニズムの主な違いは、媒質の電気化学的不均一性にある。

オーステナイト系、フェライト系、マル テンサイト系ステンレス鋼板は、いずれも海水 中のすきま腐食に対して様々な感受性を示 す。隙間腐食に対する耐性は、鋼中のクロ ムとモリブデンの含有量を適切に増やすこと で改善できる。

実用面では、海水中で使用される機器の場合、隙間腐食を効果的に防止できるのは、チタン、高モリブデンニッケル基合金、銅合金などの材料のみである。隙間腐食を防止するためには、運転条件の改善、媒体組成の変更、構造形態の変更が重要な対策となる。

粒界腐食

粒界腐食は選択的腐食損傷の一形態である。一般的な選択腐食との違いは、局部的な腐食が微視的なスケールで起こり、必ずしも巨視的に局部的であるとは限らない点にある。

このタイプの腐食は、主に金属の微細構造の粒界で発生し、金属の内部に浸透するため、粒界腐食と呼ばれる。このタイプの腐食が発生した後、外観からは必ずしも気づきにくい。しかし、腐食によって粒界が損傷するため、粒間の結合強度はほとんど完全に失われる。

腐食の深さが著しい部品は、構造的な完全性を失い、過負荷による致命的な故障につながる可能性がある。ひどく腐食した金属は粉々に分解し、部品から剥離することさえある。これは非常に有害な腐食損傷の一形態です。

応力腐食

応力腐食とは、特定の環境下で、応力と一定レベルの応力が複合的に作用して発生する金属の腐食関連破壊を指す。応力がない場合や、特定の環境下で応力レベルが低すぎる場合には、応力腐食は起こらない。同様に、特定の環境なしに大きな応力が存在しても、応力腐食は起こらない。

特定環境」とは、媒体の組成と濃度が適切な場合にのみ、対応する特定の金属に応力腐食が発生する条件を指す。

1960年代以降、溶接ステンレス鋼部品で応力腐食 による破壊事故が数多く発生し、完全に脆性的 な破壊パターンが生じている。亀裂がゆっくりと進展している間は、他の巨視的な症状は見られず、瞬間的な破壊面に達すると急激な破壊が起こり、しばしば重大な危険を伴う大惨事となる。そのため、この問題は非常に重要視されている。

ステンレス鋼溶接継手の粒界腐食と応力腐食に関 するメカニズムと予防策については、第3章で詳述 する。