鋼鉄の温度範囲を理解する：最適な使用のためのガイド
適切な鋼材がどのようにして極端な温度に耐えられるのか、不思議に思ったことはありませんか？この記事では、鋼種とその使用限界の魅力的な世界を探ります。圧力部品から耐熱...
なぜステンレス鋼はそのようなユニークな物性を持ち、様々な産業での使用にどのような影響を与えるのでしょうか。この記事では、熱伝導、熱膨張、抵抗、磁性、密度など、ステンレ ス鋼の主な物理的特性について説明する。これらの特性を理解することで、エンジニアやメーカーがさまざまな用途に使用する材料を選択する際に、十分な情報に基づいた決定を下すことができ、最適な性能と寿命を確保することができます。ステンレス鋼の魅力的な世界に飛び込み、この材料が現代の技術や産業において不可欠なのはなぜかを発見してください。
ステンレス鋼とは、空気、水蒸気、水などの弱酸に対して耐食性を持つ鋼、あるいはステンレスの性質を持つ鋼を指す言葉である。
ステンレススチールは誕生から100年以上の歴史がある。
ステンレス鋼の発明は、冶金学の世界における重要なマイルストーンである。
ステンレス鋼の進歩は、近代産業の発展と技術の進歩に重要な役割を果たしてきた。
ステンレス鋼は、熱伝導、熱膨張、抵抗、磁性、密度など、他の材料と比較してユニークな物理的特性を持っています。
表1に示すように、ステンレス鋼の熱伝導は他の材料に比べて遅いことは一般的に知られている。例えば、ステンレス鋼の熱伝導率は1/8で、1/13は SUS304アルミニウムと比較すると炭素鋼との比較では、それぞれ1/2と1/4であり、ステンレス鋼の熱伝導率が低いことを示している。
この熱伝導性の悪さが、レース中の課題となる。 アニール ステンレス鋼の製法ステンレス鋼は、鉄にCrとNiを加えた合金材料である。
では、なぜステンレス鋼の熱伝導は鉄よりも悪いのだろうか？簡単に言えば、CrとNiの添加が金属結晶中の自由電子の活性を阻害し、熱伝導（電子熱伝導）を妨げるからである。この自由電子の活動は温度に影響されるため、原子が不規則に、弾性的に、波打つように振動し、格子内で徐々に熱を伝導する格子熱伝導にも関係する。
ステンレス鋼の熱伝導率は温度によって変化する。特にステンレスのような高合金鋼は、温度が高いほど熱伝導率が高くなる。
熱膨張とは、初期温度Tと長さLが与えられたとき、温度がdT上昇すると材料の長さがdL増加する現象である：
a = (1/L) * (dL/dT)
等方性固体鋼の場合、体積膨張係数（b）は線膨張係数の3倍、つまりb＝3aに等しい。
表1に各種材料の線膨張係数を示す。SUS304は炭素鋼に比べて線膨張係数が大きく、SUS430は線膨張係数が小さい。また、アルミニウムや銅はステンレス鋼よりも線膨張係数が大きい。
表1 室温における各種材料の熱伝導率と線膨張率
| 素材 | 熱伝導率（W/m℃）×102 | 線膨張係数（ × 10-6） |
| シルバー銅 アルミニウム クロム・ニッケル 鉄 炭素鋼 SUS430 SUS304 | 4.12 3.71 1.95 0.96 0.84 0.79 0.58 0.26 0.16 | 19 16.7 23 17 12.8 11.7 11 10.4 16.4 |
電気の流れにくさは抵抗または比抵抗と呼ばれ、通常は以下の式で表される：
抵抗 = 比抵抗 ' (導体の長さ / 断面積)
表2 各種材料の電気比抵抗
| 材料科学 | 比抵抗（室温） | 温度シリーズ | ||
|---|---|---|---|---|
| コンダクター | 純金属 | シルバー 銅 アルミニウム ニー Cr 鉄 | Ωcm 1.62×10-6 1.72×10-6 2.75×10-6 7.2×10-6 17×10-6 9.8×10-6 | /℃ 4.1×10-3 4.3×10-3 4.2×10-3 6.7×10-3 2.1×10-3 6.6×10-3 |
| 合金 | SUS430 (Fe-18% Cr) SUS304 (Fe-18% Cr) - 8%Ni SUS310S (Fe-25% Cr) - 20% Ni Fe-Cr-Al合金 NiCr (nNi Cr) ブロンズ（錫銅） | 60×10-6 72×10-6 78×10-6 140×10-6 108×10-6 15×10-6 | 0.8×10-3 0.6×10-3 0.5×10-3 0.1×10-3 0.1×10-3 0.5×10-3 | |
| 半導体 | ゲルマニウム シリコン | 5×10 3×105 | -- | |
| 絶縁体 | 紙 エポキシ樹脂 石英ガラス | 1010~1012 103~1015 >1017 | - | |
ステンレスは様々な金属の中でも電気を通しやすい金属である。
しかし、純金属に比べ、ステンレス鋼を含む合金の比抵抗は一般に大きい。これは、ステンレス鋼の比抵抗が、構成元素であるFe、Cr、Niよりも高いためである。
特筆すべきは、SUS304はSUS430より比抵抗が高いことである。また 合金元素 SUS310Sのように抵抗が大きくなると、抵抗値も大きくなる。
合金化によって電気比抵抗が上昇する理由は、帯電した自由電子の動きが合金元素の存在によって妨げられるからである。
自由電子も熱伝導に一役買っていることに注意することが重要である。したがって、金属の熱伝導率が高ければ、電気伝導率（比抵抗の逆数）も高くなる。
この電気伝導率と熱伝導率の関係は、ヴィーダーマン・フランツ則として知られ、次のように示される：
L/s＝TLo（ここでLoはローレンツ数、Tは温度）
表2に示されているように、比抵抗も温度によって変化することは注目に値する。
表3 各種材料の磁気特性
| 材料科学 | 磁気特性 | 透磁率：μ（H=50e） |
| SUS430 | 強い磁気 | – |
| 鉄 | 強い磁気 | – |
| ニー | 強い磁気 | – |
| SUS304 | 非磁性（冷間加工時は磁性） | 1.5（65%加工） |
| SUS301 | 非磁性（冷間加工時は磁性） | 14.8（55%処理） |
| SUS305 | 非磁性 | – |
表4 各種材料の密度（室温時）
| 材料科学 | 密度 (g/cm3) |
| SUS430 | 7.75 |
| SUS304 | 7.93 |
| アルミニウム | 2.70 |
| 鉄 | 7.87 |
| Cr | 7.19 |
| ニー | 8.9 |
| シルバー | 10.49 |
| 銅 | 8.93 |
| 炭素鋼 | 7.87 |
| 木材（焼いたもの） | 0.70 |
| ガラス | 2.8-6.3 |
| 鉄筋コンクリート | 2.4 |
| セルロイド | 1.35-1.60 |
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