1Cr18Ni9Ti 対 0Cr18Ni9 – 成分、熱処理、特性、および用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
はじめに
エンジニアや調達チームは、1Cr18Ni9Tiと0Cr18Ni9という2つの近いステンレス鋼グレードの間で選択を迫られることがよくあります。この決定は通常、溶接後や高温曝露後の腐食性能、製造および溶接性の制約、ライフサイクルコストのバランスを考慮します。多くの用途では、わずかに高い材料コストに対する粒界腐食に対する耐性の向上と金属的安定性のトレードオフがあり、一般的なオーステナイト系ステンレス鋼の広い入手可能性と低コストが対比されます。
主な金属的な違いは、炭素制御と安定化戦略にあります：1つのグレードは、粒界での炭化物の析出を軽減するためにチタンで意図的に安定化されていますが、もう1つは標準的な炭素制限を持つ一般的なオーステナイト系クロム-ニッケルグレードです。この違いは、溶接、高温サービス、および腐食にさらされる環境での挙動に影響を与えます。
1. 規格と呼称
- 一般的な国際的同等物：
- 1Cr18Ni9Ti ≈ AISI/UNS 321（チタン安定化オーステナイト系ステンレス鋼）
- 0Cr18Ni9 ≈ AISI/UNS 304（標準18/8オーステナイト系ステンレス鋼）
- これらのグレードが登場する規格：GB（中国）、ASTM/ASME（AISI/UNS同等物）、EN（321用EN 1.4541、304用EN 1.4301）、JIS、およびISO。
- 分類：両方ともオーステナイト系ステンレス鋼（炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではない）。それらはクロムとニッケルを主な合金元素とする合金ステンレス鋼です。
2. 化学組成と合金戦略
以下は、一般的に参照される同等物（1Cr18Ni9TiのAISI 321および0Cr18Ni9のAISI 304）の重量パーセントで表された典型的な組成範囲です。正確な制限は標準および製造者によって異なるため、常に材料証明書を確認してください。
| 元素 | 1Cr18Ni9Ti（典型的な範囲、wt%） | 0Cr18Ni9（典型的な範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08（Tiによって安定化） | ≤ 0.08（標準グレード） |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~17.0–19.5 | ~17.0–19.5 |
| Ni | ~8.0–10.5 | ~8.0–10.5 |
| Mo | —（通常なし） | —（通常なし） |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | ~0.5–0.7（安定化剤） | — |
| B | 微量 | 微量 |
| N | 微量〜約0.1 | 微量〜約0.1 |
合金が性能に与える影響 - クロム（Cr）：不活性膜の形成と一般的な腐食抵抗の主な寄与者。 - ニッケル（Ni）：オーステナイト相を安定化し、靭性と延性を向上させる。 - 炭素（C）：強度を上げるが、450〜850°Cにさらされるとクロムと結合して粒界でクロム炭化物を形成する可能性がある。この感作は粒界腐食抵抗を低下させる。 - チタン（Ti）：安定したチタン炭化物/窒化物を形成することで炭素（および窒素）を束縛し、クロム炭化物の析出を防ぎ、溶接後の腐食性能と高温安定性を向上させる。 - 微量元素（Mn、Si、N）は機械的および腐食性能を調整する；MoおよびNbは、指定されない限りこれらの2つのグレードには存在しない。
3. 微細構造と熱処理応答
- 基本的な微細構造：両方のグレードは、標準のアニーリング状態で完全にオーステナイトです。
- 0Cr18Ni9（304）：アニーリング状態では微細構造は均質なオーステナイトです。感作温度（約450〜850°C）に長時間さらされると、特定の溶接サイクルなどで、炭素がクロムと結合して粒界でクロム炭化物を形成する可能性があります。これにより、クロムの局所的な枯渇と粒界腐食への感受性が生じます。
- 1Cr18Ni9Ti（321）：チタンの存在は、炭素と窒素を優先的に消費するチタン炭化物/窒化物の形成を促進し、熱曝露中のクロム炭化物の形成を減少させます。オーステナイトマトリックスは安定化されたままであり、加熱および溶接後の粒界攻撃に対する抵抗が向上します。
- 熱処理：両方のグレードは一般的にアニーリング状態で供給されます。従来の焼入れおよび焼戻しプロセス（マルテンサイト鋼のように）によって硬化されることはありません。標準的な処理：
- 溶解アニーリングの後、急冷して腐食抵抗を回復します（炭化物を溶解します）。
- 0Cr18Ni9の場合、低炭素バリアントまたは溶解アニーリング + 焼入れを使用して感作を軽減します。
- 1Cr18Ni9Tiの場合、安定化されたTi含有量により、粒界腐食防止のための溶接後の溶解アニーリングの必要性が減少しますが、溶接および製造において注意が必要です。
- 熱機械処理（冷間加工、アニーリング）は、両方のグレードで強度と延性に同様の影響を与えます；冷間加工は強度を増加させ、延性を低下させます。
4. 機械的特性
典型的な機械的特性（アニーリング状態）は、両方のグレードで類似しており、チタン安定化グレードは静的機械的特性の大きな違いよりも金属的安定性のために選択されることが多いです。
| 特性（典型的、アニーリング） | 1Cr18Ni9Ti（≈ 321） | 0Cr18Ni9（≈ 304） |
|---|---|---|
| 引張強度（UTS） | ~500–700 MPa | ~500–700 MPa |
| 降伏強度（0.2%証明） | ~200–300 MPa | ~200–300 MPa |
| 伸び（A%） | ~40%（良好な延性） | ~40%（良好な延性） |
| 衝撃靭性 | 常温で良好；中程度の低温でも靭性を維持 | 常温で良好 |
| 硬度 | 比較的低い（アニーリングされたオーステナイト系ステンレスに一致する典型的なHB/HRB値） | 1Cr18Ni9Tiに類似 |
解釈 - どちらのグレードも主に優れた静的強度のために選択されることはなく、両方ともオーステナイト系ステンレス鋼に典型的な強度と延性のバランスを提供します。 - 1Cr18Ni9Tiは、チタンが炭化物を安定化し、粒界析出を減少させるため、長時間の高温曝露中のクリープ抵抗と安定性にわずかな利点を提供します。 - 靭性は一般的に比較可能であり、違いは大きくなく、用途に依存します。
5. 溶接性
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接性は一般的に優れていますが、炭素含有量と安定化が感作や熱亀裂への感受性に影響を与えます。
一般的に使用される溶接性指数： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - ピッティング腐食または溶接性指数： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈 - 0Cr18Ni9：従来の合金化と炭素含有量により、標準的なオーステナイト系ステンレス溶接手順で溶接可能です。ただし、材料が450〜850°Cの範囲に留まると感作されたゾーンが生成される可能性があるため、溶解アニーリングまたは低炭素バリアント（例：304L）を使用することが軽減策となります。 - 1Cr18Ni9Ti：チタンはクロム炭化物の形成傾向を減少させ、溶接後の粒界腐食に対する抵抗を改善します。溶接手順はそれ以外は類似しており、過度の粒成長を避けるために予熱およびインターパス温度を標準的な実践に従って制御する必要があります。 - 両方のグレードは、溶接金属の組成と溶接パラメータが制御されていない場合、熱亀裂が発生しやすい；フィラーの選択と良好な溶接実践がこれらのリスクを軽減します。 - 重要な腐食環境では、感作リスクを避けるために低炭素（L）グレードまたは安定化グレード（Ti/Nb）を検討してください。
6. 腐食と表面保護
- 両方のグレードは、酸化環境での腐食抵抗のためにクロム強化の不活性膜に依存しています。
- 局所腐食指数（PREN）のための慣習的な式は： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ どちらのグレードも通常モリブデンを含まず、窒素も低いため、PREN値は控えめです；これらのグレードは、Moを含む二相または超オーステナイト合金と比較して、攻撃的な塩化物ピッティング抵抗に最適化されていません。
- 0Cr18Ni9（304）：大気、軽度の化学、食品接触環境での良好な一般的な腐食抵抗。塩化物環境では、塩化物濃度と温度に応じてピッティングおよびクレバス腐食に対して感受性があります。
- 1Cr18Ni9Ti（321）：304と同様の一般的な腐食抵抗を持ちますが、チタン安定化により感作温度にさらされた後の粒界腐食に対する抵抗が向上しています。
- 非ステンレスまたは性能向上が必要な場合の表面保護：
- 非ステンレス鋼は、亜鉛メッキ、塗装、またはメッキが必要です。
- 304または321の場合、表面仕上げ（電解研磨）およびパッシベーション処理が腐食抵抗を改善します；攻撃的な塩化物環境では、Moを含むグレード（例：316）を選択するか、コーティングを適用します。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：オーステナイト系ステンレス鋼は、高い加工硬化のため、一般的に炭素鋼よりも加工しにくいです。1Cr18Ni9Tiと0Cr18Ni9の間では、加工性は比較可能ですが、微細構造や微量合金によってわずかな変動が生じることがあります。
- 成形性：両方のグレードは優れた成形性を持ち、アニーリング状態で深絞り、曲げ、または冷間成形が可能です。
- 溶接および溶接後の操作：1Cr18Ni9Tiは、安定化により、いくつかのケースで高価な溶接後の溶解アニーリングの必要性を減少させ、粒界腐食に敏感な溶接アセンブリのスループットを改善します。
- 表面仕上げ：両方とも研磨およびパッシベーションに良好に反応します；チタン安定化合金は、表面にTiが豊富な析出物が残らないように注意が必要です。
8. 典型的な用途
| 1Cr18Ni9Ti（≈ 321） | 0Cr18Ni9（≈ 304） |
|---|---|
| 排気マニホールド、炉部品、および高温およびサイクル加熱にさらされる航空機チューブ | キッチン機器、食品加工、建築用途、軽度の化学薬品用のタンクおよび配管 |
| 熱サイクルにさらされる化学プラントの部品または溶接構造物で、溶接後の感作が懸念される場合 | 消費財、ファスナー、および非塩素環境での一般的な構造部品 |
| 高温酸化にさらされる自動車および航空宇宙部品 | 熱交換器、貯蔵容器、および304がコストと入手可能性に優先される製造 |
選択の理由 - 感作範囲を通じて繰り返し熱暴露がある場合や、高価な溶解アニーリングなしで溶接後の腐食抵抗が必要な場合は、Ti安定化グレードを選択してください。 - 一般的な腐食抵抗、コスト、および調達の容易さが主な懸念事項であり、サービス条件が感作を引き起こす可能性が低い場合は、安定化されていない一般的なグレードを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 0Cr18Ni9（304）は、世界中で最も一般的なステンレス鋼の1つであり、シート、プレート、パイプ、バー、および溶接部品で広く入手可能で、通常は安定化バリアントよりも低コストです。
- 1Cr18Ni9Ti（321）は広く入手可能ですが、追加のチタンと高温/溶接用途における顕著なニッチのため、通常は304よりもやや高価です。
- 供給に関する考慮事項：両方とも標準的なミル形式で生産されています；重要なリードタイムや異常な製品形式（厚板、大型鍛造品）の場合は、調達計画を推奨します。
10. まとめと推奨
まとめ表
| 属性 | 1Cr18Ni9Ti（≈ 321） | 0Cr18Ni9（≈ 304） |
|---|---|---|
| 溶接性 | 非常に良好；Tiによる溶接後の腐食安定性が向上 | 非常に良好；制御されない場合は感作のリスク |
| 強度–靭性 | 比較可能；両方とも良好な延性と靭性を示す | 比較可能 |
| コスト | 304よりも適度なプレミアム | より経済的で高い入手可能性 |
結論の推奨 - 1Cr18Ni9Tiを選択する場合： - コンポーネントが感作範囲内でのサイクル熱暴露を経験する場合、または - 溶接後の粒界腐食が懸念され、溶解アニーリングが実用的でない場合、または - 高温安定性/クリープ抵抗の向上が必要な場合。 - 0Cr18Ni9を選択する場合： - アプリケーションが広い入手可能性と低い材料コストを必要とし、かつ - サービス条件が粒界での炭化物析出を引き起こすことが予想されない場合（または必要に応じて304L、溶解アニーリングなどの軽減策が使用される場合）。
最終的な注意 購入した材料の正確な化学的および機械的制限を適用される標準およびミル証明書で確認してください。重要な設計の場合は、安定化グレード（TiまたはNb）または低炭素（L）バリアントを指定し、調達および製造仕様に必要な溶接後の処理または製造管理を文書化してください。