ステンレス鋼における炭素の二面性

炭素は工業用鋼の主要元素の一つです。鋼の性能と構造は、鋼中の炭素含有量と分布によって大きく左右されます。炭素の影響は、特にステンレス鋼において顕著です。ステンレス鋼の構造に対する炭素の影響は、主に二つの側面で現れます。一つは、炭素がオーステナイトを安定化させる元素であり、その効果は大きい（ニッケルの約30倍）ことです。もう一つは、炭素とクロムの親和性が高いため、クロムと複雑な炭化物系列を形成することです。したがって、強度と耐食性の観点から見ると、ステンレス鋼における炭素の役割は相反するものです。

この影響の法則を認識することで、用途に応じた様々な要件に基づいて、炭素含有量の異なるステンレス鋼を選択することができる。
例えば、業界で最も広く使用されている0Cr13～4Cr13の5種類の鋼種では、標準クロム含有量が12～14%に設定されています。これは、炭素とクロムが結合して炭化クロムを形成する要因を考慮に入れたものです。決定的な目的は、炭素とクロムが結合して炭化クロムを形成した後、固溶体中のクロム含有量が最低クロム含有量である11.7%を下回らないようにすることです。

これら5種類の鋼種に関して言えば、炭素含有量の違いにより、強度と耐食性も異なります。0Cr13～2Cr13鋼は耐食性に優れていますが、強度は3Cr13鋼や4Cr13鋼よりも劣ります。主に構造部品の製造に使用されます。
炭素含有量が高いため、これら2種類の鋼種は高い強度を得ることができ、主にバネ、ナイフ、その他高強度と耐摩耗性が求められる部品の製造に使用されます。別の例として、18-8クロムニッケルステンレス鋼の粒界腐食を克服するために、鋼の炭素含有量を0.03%未満に低減するか、クロムや炭素よりも親和性の高い元素（チタンまたはニオブ）を添加して炭化物の形成を防ぐことができます。例えば、クロムの場合、高い硬度と耐摩耗性が主な要求事項である場合、鋼の炭素含有量を増やしながらクロム含有量を適切に増やすことで、硬度と耐摩耗性の要求事項を満たし、一定の耐食性も考慮に入れることができます。工業用途では、ベアリング、測定ツール、ブレードなどにステンレス鋼9Cr18および9Cr17MoVCo鋼が使用されていますが、炭素含有量が0.85～0.95%と高いにもかかわらず、クロム含有量もそれに合わせて増加しているため、耐食性も保証されています。

一般的に、現在業界で使用されているステンレス鋼の炭素含有量は比較的低い。ほとんどのステンレス鋼の炭素含有量は0.1～0.4%であり、耐酸性鋼の炭素含有量は0.1～0.2%である。炭素含有量が0.4%を超えるステンレス鋼は、全体のグレードのごく一部を占めるにすぎない。これは、ほとんどの使用条件下で、ステンレス鋼の主な目的が常に耐食性であるためである。さらに、炭素含有量が低いのは、溶接の容易さや冷間加工性といった特定の加工要件によるものでもある。