クロム（Cr）｜ステンレスと硬質メッキの要元素

クロム（Cr）

クロムは遷移元素に属する金属元素で、原子番号24、元素記号は半角英字のCrである。鋼灰色で硬く脆い性質をもち、表面に形成される緻密なCr2O3不動態皮膜によって優れた耐食性を示すため、ステンレス鋼や表面処理（装飾・硬質めっき）に広く用いられる。一方、化学的には+2、+3、+6の酸化状態をとり、特に+6（六価）は強酸化性かつ有害性が高く、取り扱いには厳格な管理が必要である。産業的にはFeCr2O4（クロム鉄鉱）からフェロクロムや高純度Crが製造され、機械・化学・材料分野で不可欠な元素である。

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クロム（Cr）

基本性質と電子構造

クロムは体心立方構造をとる金属で、高い硬さと耐摩耗性を示す。融点はおよそ1907℃、密度は約7.19 g/cm3と比較的高い。電子配置は[Ar] 3d5 4s1であり、半充填d軌道に由来する磁性や化学的多様性を示す。代表的な酸化数は+3と+6で、+3（Cr(III)）は比較的安定で配位化学でも重要、+6（Cr(VI)）は強酸化性で環境・労働安全上の管理対象となる。

代表的化合物

Cr2O3（酸化クロム(III)）：安定な緑色酸化物。耐摩耗皮膜、研磨材、顔料に利用。
CrO3（無水クロム酸）：強酸化性。電解めっきや化成処理浴の主要成分（Cr(VI)）。
Na2Cr2O7（重クロム酸塩）：酸化剤・表面処理薬剤。環境規制対象。
Cr(OH)3：Cr(III)の水酸化物。廃水処理での還元・中和操作で生成。

耐食性と不動態皮膜

クロムの耐食性は、表面に形成されるCr2O3不動態皮膜に由来する。この皮膜は緻密で自己修復性を持ち、酸化性雰囲気下で特に安定である。ステンレス鋼ではCrを約10.5%以上含有すると不動態化が安定化し、一般環境での耐食性が大きく向上する。一方、還元性酸（例：HCl、希薄H2SO4）では皮膜が溶解しやすく、Cl−が存在すると局部的な皮膜破壊（孔食、隙間腐食）を誘発しやすい。高温酸化ではCr2O3皮膜が高温腐食を抑制するが、硫化雰囲気では保護性が低下するため材質選定が重要である。

資源と製造プロセス

クロムは主にFeCr2O4（クロム鉄鉱）として産出され、電気炉での還元溶融によりフェロクロム（Fe-Cr合金）へと精錬される。ステンレス鋼用途ではフェロクロムが大量に用いられ、金属Cr自体はアルミノサーマル法や電解法で高純度化される。高純度Crは特殊合金や蒸着源として利用され、表面処理や薄膜デバイスに供される。資源的には特定地域に偏在し、供給安定性や価格変動が産業のコスト構造に影響する。

用途：合金、表面処理、化学

ステンレス鋼：Cr含有により不動態化し、一般耐食から耐孔食まで用途に応じてNi、Mo等と組み合わせる。
クロムめっき：装飾めっきはNi/Cu下地上に薄膜Crを析出し外観と耐食を付与。硬質めっきは高硬度・低摩擦で摺動部や金型の寿命向上に寄与。
高温材料・耐摩耗部品：Crを含む工具鋼、耐熱鋼、超合金で高温酸化・摩耗に対処。
無機顔料・触媒：Cr2O3は耐候性の高い緑顔料。酸化・脱水素等でCr系触媒が用いられる。
皮なめし：Cr(III)塩によるコラーゲン架橋で耐久性を付与（排水のCr管理が必須）。

クロムめっきの種類と特性

装飾クロム：数百nm程度の薄膜。鏡面外観、指紋・汚れ耐性の改善。
硬質クロム：数μm〜数百μm。高硬度・耐摩耗・耐焼付き。微細割れ（マイクロクラック）分布が潤滑保持や応力緩和に影響。
三価クロムプロセス：Cr(III)浴による環境適合型プロセス。色調や応力、密着性の管理が鍵。

安全衛生・環境規制

クロム化学のうちCr(VI)は発がん性を含む健康リスクが知られ、吸入・皮膚接触・誤飲の防止、局所排気や個人用保護具の着用が必要である。表面処理やエッチング、化成処理ラインでは六価の使用・生成を最小化し、還元（Cr(VI)→Cr(III)）後に中和・凝集で重金属を除去する排水処理が一般的である。国際的にはRoHSやREACH等でCr(VI)化合物が厳しく制限され、三価化や代替プロセスへの転換が進む。SDSの整備、ばく露評価、設備点検・記録が運用上の要となる。

機械設計・材料選定の勘所

媒体条件：酸化性/還元性、Cl−濃度、温度、流速を踏まえCr含有率やMo添加の要否を判断。
表面処理の密着：下地粗化（機械/化学）、拡散層を伴わないCrめっきははく離リスクに留意。
摩耗・疲労：高硬度ゆえ接触疲労や微小割れの起点管理が重要。面圧・潤滑・残留応力の最適化が有効。
溶接：Cr炭化物の粒界析出（感受化）により粒界腐食が生じうる。低炭素材や安定化元素の選択、適切な溶接入熱・後熱処理で抑制。

分析・評価手法

材料・皮膜評価では、組成にXRFやICP-OES/ICP-MS、溶出Cr(VI)に比色法（1,5-ジフェニルカルバジド法など）、表面化学状態にXPSが有効である。めっき皮膜厚さは電解はく離や断面SEMで評価し、耐食性は塩水噴霧・湿潤熱サイクル等の加速試験で比較する。機械特性では微小硬度、摩耗試験、摩擦係数の評価を併用し、密着性はスクラッチ試験や曲げ試験で確認する。これらを組み合わせることで、設計・工程条件と性能の因果を定量的に捉えられる。