1Cr18Ni9 対 0Cr18Ni9 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
エンジニアや調達の専門家は、1つまたは2つの重要な特性が異なる密接に関連したステンレス鋼のグレードの間で選択を迫られることがよくあります。1Cr18Ni9および0Cr18Ni9の名称は、18–9オーステナイト系ステンレスファミリーの2つのバリアントを区別するために、一部の地域標準で使用されています。典型的な決定要因には、耐腐食性とコスト、加工の容易さと機械的性能が含まれます。選択の文脈は、圧力容器や配管作業から、板金成形、溶接が多い製造、食品または医療接触部品にまで及びます。
2つのグレードの主な技術的な違いは炭素管理です：1つのバリアントは、より高い名目炭素許容値で指定されているのに対し、もう1つは感作を減少させ、溶接性を改善するために最適化された低炭素バージョンです。クロムとニッケルの含有量は本質的に同じであるため、挙動の違いは主に炭素が微細構造、析出（炭化物形成）、機械的特性、溶接応答に与える影響から生じます。
1. 標準と名称
- 一般的な国際的同等物および密接に関連したグレード：
- ASTM/ASME: AISI 304（通常炭素）および304L（低炭素）
- EN: 1.4301（≈304）および1.4307（≈304L）
- JIS: SUS304およびSUS304L
- GB（中国）: 1Cr18Ni9および0Cr18Ni9は、国内規格における高炭素および低炭素の18–9ステンレスバリアントに対応します
- 分類: 両方ともオーステナイト系ステンレス鋼（ステンレス、耐腐食合金）であり、炭素鋼、HSLA、または工具鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
18–9ステンレスファミリーは、耐腐食性（主にCrによって提供される）と靭性/延性（Niによって支えられる）のバランスを目指しています。炭素は小さいが影響力のある元素であり、溶液強化およびひずみ硬化効果を通じて強度と硬度を高めますが、感作温度（約450–850 °C）にさらされると、粒界でのクロム炭化物の析出を促進し、粒間腐食抵抗を低下させる可能性があります。
2つのグレードの代表的な組成（指標範囲；正確な限界については適用される仕様または証明書を参照）は以下に示されています。
| 元素 | 1Cr18Ni9（代表的） | 0Cr18Ni9（代表的） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 高い名目炭素；指標：~0.06–0.12 wt.%（仕様を確認） | 低炭素管理；指標：≤0.03 wt.% |
| Mn（マンガン） | 通常≤2.0 wt.% | 通常≤2.0 wt.% |
| Si（シリコン） | 通常≤1.0 wt.% | 通常≤1.0 wt.% |
| P（リン） | ≤0.045 wt.%（最大典型） | ≤0.045 wt.% |
| S（硫黄） | ≤0.03 wt.% | ≤0.03 wt.% |
| Cr（クロム） | ~17–19 wt.% | ~17–19 wt.% |
| Ni（ニッケル） | ~8–10.5 wt.% | ~8–10.5 wt.% |
| Mo（モリブデン） | 通常指定されない（微量） | 通常指定されない（微量） |
| V, Nb, Ti, B, N | 通常、安定化または微合金化として指定されない限り、微量レベルで管理される | 同様に指定されない限り |
合金が性能に与える影響： - クロム（Cr）：パッシベーションおよび耐腐食性の主要な元素；17–19%程度のレベルは、18–9ファミリーに良好な一般的な耐腐食性を与えます。 - ニッケル（Ni）：オーステナイト相を安定化し、靭性、延性、耐腐食性を改善します。 - 炭素（C）：強度と硬度を増加させますが、クロム炭化物の析出（感作）のリスクを高め、特定の温度範囲にさらされた後の粒間腐食抵抗を低下させます。 - 溶接性と粒間腐食抵抗が優先される場合、安定化元素（Ti、Nb）の少量添加や炭素含有量の低減が使用されます。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造：両方のグレードは、常温での焼鈍状態で完全なオーステナイト構造（面心立方）を形成します。これらのオーステナイト18–9合金に対しては、通常の条件下でマルテンサイトは期待されませんが、冷間加工によりひずみ誘起マルテンサイトが誘発される場合があります。
- 炭素の影響：
- 高炭素バリアントは、感作温度範囲内に保持されると、粒界でのクロム炭化物の析出がより起こりやすく、これにより粒界近くのCrが枯渇し、塩素または酸性環境での粒間腐食を引き起こす可能性があります。
- 低炭素バリアントは、炭化物析出の駆動力を最小限に抑え、したがって感作に対する抵抗が改善されます。
- 熱処理と加工：
- 溶液焼鈍（通常は約1,000–1,100 °C）を行い、その後急冷することで、両方のグレードの均一なオーステナイトマトリックスが回復し、炭化物が溶解します。高炭素バリアントにとって、このステップは、部品がサービスまたは溶接後の熱サイクルにさらされる場合に特に重要です。
- オーステナイト系ステンレス鋼には通常、正規化は適用されません；通常は焼鈍/溶液処理された状態で供給されます。
- 熱機械加工（冷間加工、応力除去）は機械的特性に影響を与え（冷間加工により強度と硬度が増加）、ひずみ誘起マルテンサイトのリスクとその後の腐食への影響を考慮する必要があります。
4. 機械的特性
定量的な値は製品形状（シート、プレート、バー）、冷間加工、およびテンパーに依存します。固定された数値ではなく、実際の比較は次のとおりです：
| 特性 | 1Cr18Ni9 | 0Cr18Ni9 |
|---|---|---|
| 引張強度 | 通常、炭素含有量が高いため、焼鈍/ひずみ硬化状態でわずかに高い | 焼鈍状態でわずかに低い引張強度；冷間加工時は類似 |
| 降伏強度 | 炭素が増加することでわずかに高い | 焼鈍状態でわずかに低い降伏強度 |
| 伸び（延性） | 強度が高いため、低炭素に対して相対的にわずかに減少 | わずかに良好な延性と成形性 |
| 衝撃靭性 | 常温で比較可能；低炭素は、熱暴露後に境界を脆化させる可能性がある場合に好ましい | 一般的に良好な靭性；溶接/熱サイクル後により予測可能 |
| 硬度 | 高炭素グレードの方がわずかに硬度が高い | 焼鈍状態でわずかに低い硬度 |
説明：炭素は固体溶液強化に寄与し、降伏強度と引張強度を増加させます；これにより延性がわずかに低下します。低炭素バリアントは、より良い溶接性と粒間腐食抵抗を得るために、わずかな強度を犠牲にしています。
5. 溶接性
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接性は、フェライト鋼と比較して一般的に優れていますが、炭素含有量や他の合金元素が熱亀裂や溶接後の感作に対する感受性に影響を与えます。
関連する経験的指標： - IIW炭素等価： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - ステンレス鋼にしばしば使用される炭素等価 $P_{cm}$： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 低炭素バリアント（0Cr18Ni9）は、これらの指標で炭素項が低くなるため、硬化や溶接後の感作の傾向が低くなります；多パス溶接、厚いセクション、およびその後の熱暴露が予想されるアプリケーションに好まれます。 - 高炭素グレード（1Cr18Ni9）は、わずかに高い溶接時の強度を提供する可能性がありますが、熱入力、パス間温度、および溶接後の熱サイクルの管理が必要になります。粒間腐食が懸念される場合、溶接後の溶液焼鈍や低炭素または安定化グレードの使用が一般的です。
実用的な溶接ガイダンス： - 意図された機械的および腐食性能に合ったフィラー金属を使用してください。 - 高炭素部品の感作温度範囲での時間を最小限に抑えてください；不可能な場合は、溶液焼鈍または安定化（Ti/Nb）または低炭素の代替品の使用を検討してください。 - 厚板の溶接およびコードクリティカルな圧力配管の場合、低炭素（304L/0Cr18Ni9）が通常指定され、溶接後の熱処理を避けます。
6. 腐食と表面保護
- 両方のグレードは、受動的な保護クロム酸化物フィルムを形成し、大気および多くの水環境で良好に機能します。どちらもモリブデンを含まないため、モリブデンを含むグレード（例：316）と比較して、高度に塩素化された、隙間、または海水環境には最適ではありません。
- 炭素と感作の影響：
- 高炭素バリアントは、感作範囲での曝露後に粒界でクロム炭化物析出物が発生する可能性が高く、これが粒間腐食抵抗を損なう可能性があります。
- 低炭素バリアントはこのリスクを低減し、したがって溶接や高温での長時間曝露が感作を引き起こす可能性がある場合に好まれます。
- 非ステンレス用途の表面保護：これらはステンレス鋼であるため、ここでは適用されません。モリブデンが存在する場合、PREN指数を使用できます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 典型的な18–9グレードはモリブデンをほとんど含まないため、PRENはこれらの合金に対して限られた識別を提供します。
7. 加工性、機械加工性、および成形性
- 機械加工性：オーステナイト系ステンレス鋼は、通常の炭素鋼よりも機械加工が難しいです。炭素含有量が高いと工具の摩耗がわずかに増加する可能性がありますが、通常は作業硬化挙動に対しては控えめな影響があります；機械加工性は通常、両方のグレードで類似していますが、冷間加工と熱処理に強く依存します。
- 成形性：低炭素バリアント（0Cr18Ni9）は、通常、深絞りおよび伸張成形特性がわずかに優れており、精密成形において懸念されるスプリングバックが少ないため、複雑なスタンピングに好まれます。
- 表面仕上げ：両方のグレードは、標準的な研磨、パッシベーション、および電解研磨プロセスを良好に受け入れます。感作された材料中の炭化物の存在は、パッシベーションの均一性に影響を与える可能性があります。
8. 典型的な用途
| 1Cr18Ni9（高炭素） | 0Cr18Ni9（低炭素） |
|---|---|
| わずかに高い強度が求められ、溶接後の腐食曝露が制限される構造部品およびシート製品 | 溶接された圧力配管、タンク、および溶接後の粒間腐食抵抗が重要なアセンブリ |
| 一般的なキッチン機器、製造業者が加工された金属の強度を重視する家電製品 | 厳格な洗浄および溶接サイクルにさらされる化学、製薬、および食品加工機器 |
| 高い作業硬化応答が必要な冷間加工部品 | 成形性と感作リスクの低減が優先される深絞りまたは広範に成形された部品および薄板スタンピング |
選択の理由： - わずかに高い加工後の強度と、感作を避けるか制御できる製造/運用環境が許容される場合は、高炭素バリアントを選択してください。 - 大規模な溶接、溶接後の熱サイクル、または厳しい粒間腐食リスクが存在する場合は、低炭素バリアントを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 両方のグレードは、シート、プレート、バー、チューブ、および鍛造品として世界中で広く入手可能であり、普遍的な18–9ステンレスファミリー（例：304/304L）に密接に関連しています。製品形状による入手可能性は一般的に良好です。
- コストの違いは控えめであり、通常は市場のニッケルおよびクロム価格や製品形状によって駆動され、炭素含有量のわずかな違いによるものではありません。低炭素バージョンは、化学管理とトレーサビリティ要件が厳しいため、特定の製品ライン（例：認定圧力配管）でわずかに高価になることがあります。
- リードタイムは通常比較可能です；調達がプロセスおよび腐食要件に一致するように、正確なグレード（および標準）を指定してください。
10. まとめと推奨
| 属性 | 1Cr18Ni9 | 0Cr18Ni9 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好；熱入力と感作に対する注意が必要 | 優れた；溶接後の腐食抵抗が必要な場合に好まれる |
| 強度–靭性のバランス | わずかに高い強度；わずかに低い延性 | 焼鈍状態でわずかに低い強度；より良い延性/成形性 |
| コストと入手可能性 | 比較可能；商品市場でわずかに低いコストの可能性 | 比較可能；認定ラインでわずかなプレミアムがある場合があります |
結論と実用的なガイダンス： - わずかに高い加工後の強度が必要で、意図されたサービスまたは製造が感作温度範囲での長時間曝露や、溶接後の焼鈍なしの多パス溶接を含まない場合は、1Cr18Ni9を選択してください。 - 溶接性、深絞り/成形、および溶接または熱曝露後の粒間腐食に対する最大の抵抗が優先される場合は、0Cr18Ni9を選択してください — 圧力配管、タンク、および高い完全性の溶接製品に典型的です。
最終的な注意：特定の組成限界および機械的要件は、適用される標準および製品形状に依存します。コード制御プロジェクトの場合は、常に正確な標準（ASTM/EN/GB/JIS）を引用し、必要な化学組成、熱処理履歴、および機械的特性に一致するミルテスト証明書または材料宣言を取得してください。