1稀有金属供给危机逐步显现

铬的最大用途是制造以不锈钢为代表的特殊钢。含铬不锈钢发明于20世纪初。正如其名称所显示的，不锈钢的最大特点是不易生锈。不锈钢的定义是“含铬量在10.5%以上的特殊钢”。但除了铬，在不锈钢中也添加镍、钼等稀有元素。纳入JIS标准中的不锈钢有90种。加上正在开发的钢种，不锈钢钢种总数多达200种。不锈钢广泛用于日用品、机械零部件和结构材料。

2000年以后，许多稀有金属价格高涨。以镍为例，过去镍价是5美元/l b，2007年超过了20美元/l b。2008年世界金融危机后，镍价急速回落，此后又出现剧烈波动。其他稀有金属价格也有类似的变化趋势。由于稀有金属的产地偏聚在特定国家、以及稀有金属生产企业的产量受到限制，使稀有金属供给出现危机。为解决这个问题推进了开发新矿山、循环利用、资源储备、替代材料技术开发等许多措施。在钢铁业，需求量很大的不锈钢的稳定生产是十分重要的问题。为此进行了减少稀有金属用量的省资源型不锈钢的开发。以下对典型的省资源型不锈钢开发钢做简要介绍。

2替代SUS304的省铬、镍开发钢

按照金属组织，不锈钢可分类为“铁素体不锈钢”、“奥氏体不锈钢”、“马氏体不锈钢”。其中奥氏体不锈钢占不锈钢粗钢产量的50%以上，其代表性钢种是成分为18%Cr-8%Ni的SUS304。SUS304具有优良的耐蚀性、耐热性和低温韧性，并且其深冲性、弯曲性、焊接性等加工性能也表现良好，所以广泛用于日用品、建筑物内外装材料、汽车零部件、化工设备等领域。SUS304的产量约占不锈钢总产量的40%。

但是SUS304含有很多稀有金属镍，所以，为了规避价格和供给危机，要求开发不含镍的省资源型不锈钢。

在这种情况下，开发的注意力集中到铁素体不锈钢。铁素体不锈钢本来就是不含镍的省资源型不锈钢。日本钢铁厂已经具有利用先进的精炼工艺，制造低杂质的省资源型不锈钢的技术。日本钢铁厂利用这种技术于2010年开发出耐蚀性等同于SUS304的SUS443J1，并纳入JIS标准。

但这些铁素体不锈钢，为了提高耐蚀性都使用了铬，并根据不锈钢的用途，调整铬含量，以保证良好的耐蚀性。随后，又开发出了减少不锈钢重要成分铬的省铬型铁素体不锈钢。开发的关键点是利用锡。

过去人们就知道锡是优良的耐蚀性元素。据说15世纪名画“最后的晚餐”中的食器就是用锡制作的，一直保持美丽的光泽。现在人们日常生活中的罐头罐内表面是镀锡层，保持了罐头罐的耐蚀性，可以将食品长期保存。过去处于影响钢铁生产效率的考虑，导致锡的应用没有得到重视。现在进行了利用锡的技术开发，开发出添加锡的、铬减量的、耐蚀性良好的省铬型铁素体不锈钢。与传统的铁素体不锈钢SUS430相比，添加锡的开发钢可减少20%的铬（图1）。与SUS304相比，添加锡的开发钢可减少40%的铬和镍。

该开发钢系列钢种中的铬含量较多的钢种兼有更好的耐蚀性和加工性。例如，进行圆筒深冲加工时，SUS304深冲件发生时效裂纹，而开发钢（16%Cr-Sn）可冲制出良好的圆筒深冲件（图2）。

图3是使用减铬的省资源型不锈钢制作的厨房用具。这种不锈钢从上市之初就得到厨房用具厂家欢迎，并且得到厨房用具使用者的好评。这种双相不锈钢节省资源、价格低廉、加工性好，成为替代SUS304的通用型不锈钢。

3省镍、钼型结构用双相不锈钢

SUS304用于土建结构物和化工设备的部件时，要求钢的耐蚀性略好于用于日用品的耐蚀性。因此要求开发出用于土建结构物和化工设备的双相不锈钢。

双相不锈钢是奥氏体和铁素体两相混合的不锈钢（图4）。其性能具有奥氏体和铁素体各自的优点。双相不锈钢可作为厚板使用，是因为奥氏体系不锈钢具有良好的韧性。铁素体系不锈钢的韧性低，所以不能作为厚板使用。奥氏体和铁素体两相混合的组织微细化并添加氮，使钢具有更高的强度，其强度可达到奥氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢强度的2倍。此外，含氮双相钢具有良好的焊接性，因此可作为焊接结构材料使用。

传统的典型双相钢SUS329J3L含有较多的钼，价格很高，因此其用途受到限制，因此开发出省合金型（价格低廉型）双相不锈钢。这种开发钢在降低镍、钼含量的同时，添加铬、锰、氮，使钢具有与SUS304同等的耐蚀性。SUS304的镍含量是8%，开发钢的镍含量大幅度下降到2%以下，显著降低了材料成本。

开发的含氮双相不锈钢的关键点是氮的巧妙利用。空气中含有的氮是提高钢的强度和耐蚀性的有效元素。但是含氮钢作为焊接结构材使用时，在大线能量焊接条件下，钢的耐蚀性下降。开发的含氮双相不锈钢通过成分优化，抑制了导致耐蚀性下降的氮化物析出，使钢的耐蚀性得到保证。

此外，含氮钢在生产过程中容易产生表面缺陷。通过对铸造和热加工条件的优化，使开发的含氮双相不锈钢生产率达到普通不锈钢的水平。

开发的含氮双相不锈钢可制造成厚钢板，这种厚钢板已经用于海水淡化装置的罐体和化学运输船（图5）、以及太阳能电池面板台架，并且已经纳入JIS标准。图6是省合金型双相不锈钢制作的薄壁轻量化H型钢。对具有同等强度的H型钢重量进行比较发现，若SUS304是10kg，则开发钢是6kg，轻量化达到45%。可见，开发钢在具有耐蚀性的同时，还具有轻量化效果，可以降低材料成本，适用于工厂设备部件和化学储罐。

4汽车部件用省钼型耐热不锈钢

不锈钢的典型用途是汽车排气系统部件。对这种用途不锈钢的要求是高耐蚀性和高耐热性。收集发动机废气的排气歧管的温度在发动机运转时达到800℃以上的高温，在发动机停车时下降到室温。这种伴随反复升温降温发生的材料损坏叫做“热疲劳”。为此要求材料具有较高的高温强度。

20世纪80年代以前，汽车排气系统部件使用的是铸铁材料。后来由于对汽车轻量化要求的不断提高，改用不锈钢。随后，由于提高燃油效率的要求，使发动机高温化，因而排气系统部件使用的材料由普通不锈钢改为耐热性良好的SUS444（19%Cr-2%Mo-Nb）。该钢种为了保证高温强度添加了钼。2000年以后，出现了世界性的钼供给不足现象。因此，汽车厂迫切要求开发出降低钼含量的排气系统用钢。

在这种需求背景下，研究人员开发出了完全不使用钼的省资源型高耐热性不锈钢。排气系统温度从汽车启动时的室温到行驶中的700℃以上，再到停车时的室温，本开发项目根据汽车行驶全过程温度变化的情况对开发钢进行了研究。

SUS444中添加钼使钢实现了从室温到高温的全温度区域的高强度化。新开发的省资源型高耐热不锈钢用铜替代钼（图7）。钢中添加铜，在600-700℃形成微细的析出物，发挥析出强化作用，在700℃以下使钢的强度高于传统的含钼钢。在温度超过铜固溶温度的700℃高温区，具有固容强化作用的元素有钼、钨、铌等，但这些都是稀有金属。于是，本开发项目使用了具有同样固容强化作用的铝。过去，作为强化元素的铝没有受到特别的关注。但铝在700℃以上的高温区具有很大的固溶强化作用，并且是非稀有金属，在经济性上也有优势。因此，开发人员可根据汽车实际行驶的热履历进行成分设计，利用铜的析出强化和铝的固溶强化组合对开发钢进行强化，提高开发钢的热疲劳强度。

开发钢采用铜、铝组合，在铜析出温度范围内，开发钢的强度高于传统的SUS444，在铜固溶温度区，由于铝的添加，开发钢的强度与传统的SUS444等同。

在加工性方面，由于开发钢不含钼，因而具有良好的成形加工性。钢中含有的铜在部件加工制造时固溶在钢中，在部件安装在汽车后，随着温度的升高，发生析出，产生强化效果。 （慧子）