ステンレス鋼は破損したのか？ 材料と用途の破損を識別するためのファインシャルエンジニアガイド ステンレス鋼部品が亀裂、点食、あるいは破壊的な破断によって故障した場合、直面する最も即時の疑問は「材料の欠陥によるものだったのか、それとも使用条件に起因するものだったのか？」という点です。

ステンレス鋼は破損したのか？ 材料と用途の破損を識別するためのファインシャルエンジニアガイド ステンレス鋼部品が亀裂、点食、あるいは破壊的な破断によって故障した場合、直面する最も即時の疑問は「材料の欠陥によるものだったのか、それとも使用条件に起因するものだったのか？」という点です。

ステンレス鋼部品が破損した場合（亀裂、点食、破壊等）において、直ちに問われるのは「原因は素材か、それとも使用条件か？」という点です。フォレンジックエンジニアとして、これらの原因を区別することは、責任の所在を明確にし、再発防止および将来の素材選定を適切に行うために不可欠です。以下に、根本原因を特定するための体系的な方法論を示します。

? 1. 初期故障評価：現場の記録

証拠の保存

• 故障箇所を複数の角度から撮影し、マクロ写真および破断面の拡大写真も撮影する。

• 周囲の環境条件（温度、pH値、塩化物濃度、化学薬品への暴露等）を記録する。

• 作業中の応力条件（静的荷重、繰り返し荷重、熱サイクル等）を記録する。

サンプル収集

• 破損した部品を破断面を損傷させることなく注意深く採取する。

• 比較のために隣接する未影響の素材も収集する。

⚠️ 2. ステンレス鋼における一般的な故障モード

A. 素材由来の故障

これらは鋼材自体の内部欠陥に起因します。

1. グレード選定の誤り

   • 例 ：316が必要な高塩素環境で304を使用すること。

   • 証拠 ：腐食性の高い環境中での均一な点食または隙間腐食。

2. 冶金的欠陥

   • 含有物 ：硫化物や酸化物介在物が応力集中源となることがあります。

     • 証拠 ：走査型電子顕微鏡（SEM）により、亀裂発生部位におけるMnSストリンガーが確認されます。

   • シグマ相脆化 ：不適切な熱処理による二相系ステンレス鋼（例：2205）の析出。

     • 証拠 ：衝撃靭性（シャルピー試験）の低下、粒界破壊。

3. 偽造または誤表示された素材

   • 例 : 304 が 316 として販売されている。

   • 証拠 : XRF分析により、モリブデン含有量が低い（316の場合で2.1%未満）ことが分かっている。

B. 使用条件に起因する破損

これらは素材の品質とは無関係な外部要因によって生じる。

1. 応力腐食割れ (SCC)

   • 原因 : 引張応力＋塩化物＋温度の複合作用。

   • 証拠 : 顕微鏡下で亀裂状の割れ目（塩化物SCCの典型的な特徴）。

2. ガルバニック腐食

   • 原因 : 電解質中でステンレス鋼をよりアノード側の金属（例：炭素鋼）と接合することによる現象。

   • 証拠 : 接触部分での局所的な腐食。

3. 不適切な加工

   • 溶接欠陥 :

     • パージ不足（裏面に砂糖状の酸化）

     • 熱変色（酸化スケール）が除去されておらず、クロムが枯渇した領域を形成する

   • 冷間加工 残留応力を誘発し、応力腐食割れ（SCC）を促進する

4. 不十分な保守管理

   • 例 炭素鋼工具由来の鉄系汚染物質が除去されておらず、点食を引き起こす

? 3. 調査分析技術

肉眼および顕微鏡的検査

• ステレオ顕微鏡 破断タイプ（延性破壊 vs 脆性破壊）を特定します。

• SEM/EDS 破断面を分析し、元素組成を確認します（例：塩素の存在確認など）。

材料検証

• XRFガン 数秒で材質組成を検証します。

• 光学放出分光分析（OES） 合金の正確な定量分析を行います。

機械的性質および腐食試験

• 硬度試験 硬度が高い場合、熱処理の不具合が示唆されます。

• シャルピーVノッチ : インパクト靭性を評価（低値は脆化を示唆）

• ASTM G48試験 : 点食抵抗性を評価（腐食関連の破損の場合は）

シミュレーション試験

• 同じバッチからのサンプルで使用条件（例えば、運転温度での塩化物暴露）を再現

? 4. 決定木：材料 vs 用途

原因の絞り込みに役立つフローチャートです：

1. ステップ1：材料グレードの確認

   • XRFで成分が誤っている場合 → 材料の破損 .

   • 組成が正しい場合 → ステップ2に進む。

2. ステップ2: 破面を調査する

   • 延性破面の場合 → 過負荷（使用条件）

   • 粒界破壊の場合 → 敏感化（材料）または応力腐食割れSCC（使用条件）を確認する

   • 点食の場合 → 塩化物（使用条件）または介在物（材料）を確認する

3. ステップ3: 製造履歴を確認する

   • 溶接部に不完全な保護ガス使用または変色が見られる場合 → 使用条件による破損 .

   • 材料に初期欠陥（例えば、割れのある鋳塊）が見られる場合 → 材料の破損 .

️ 5. ケーススタディ：破損したステンレス鋼製ポンプ軸

• 背景 ：海洋用途の316L軸が6か月後に破断した。

• 調査 :

  • XRFにより、成分が正しいことが確認された（Mo = 2.5%）。

  • SEMにより、くぼみから発生した疲労条痕が確認された。

  • EDSにより、くぼみ内部で高濃度の塩化物が検出された。

• 根本原因 : 使用条件による破損 ：海水由来の塩化物が堆積物下で濃縮され、くぼみを形成し、疲労亀裂を引き起こした。

• 固定 ：停滞領域を避ける設計に変更し、くぼみ耐性を高めるために2205ダブルックス鋼へ材質アップグレードする。

✅ 6. 予防策

材料の破損対策

• ISO 9001認証を持つ製鋼所から調達する。

• すべてのバッチについて、ミルテストレポート（MTR）を提出することを義務付ける。

• 入荷検査を実施する（XRF、硬度試験）。

使用用途における故障対応

• 材料選定前に腐食リスク評価を実施する。

• パスベーションおよび製造加工において、ASTM A380/A967に準拠する。

• 溶接者に対して、ステンレス鋼特有の手順（例：パージガスの使用）に関するトレーニングを実施する。

? 結論：体系的なアプローチが成功の鍵

故障の原因は白黒はっきりしているとは限りません。材料の欠陥と使用用途上の誤りが相互に関係するケースがよくあります。厳密な調査分析と業界標準を組み合わせることで、原因を特定し、効果的な是正措置を講じることができます。

プロのヒント : 故障データベースを維持管理する－調査内容を文書化することで、今後の診断を迅速化し、責任問題の交渉にも対応できます。