201対304 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
オーステナイト系ステンレス鋼の201および304は、設計者、調達チーム、製造業者が腐食抵抗、成形性、機械的性能、コストのバランスを考慮する際に最も一般的に検討されるグレードの一つです。典型的な意思決定の文脈には、装飾的または軽度の腐食環境における材料コストの最小化と、食品、化学、または屋外用途における長期的な腐食抵抗の確保との選択、または、より簡単な冷間成形と、より良い長期的な靭性および溶接性能との選択が含まれます。
主な実用的な違いは、タイプ201が意図的にニッケル含有量を減少させ、高マンガン/窒素添加を行うコスト駆動の代替戦略を採用しているのに対し、タイプ304はオーステナイトの安定性と腐食抵抗を最大化するために高いニッケルおよびクロムレベルを保持していることです。この代替戦略のため、201と304は、コスト、腐食抵抗、成形性が部品選定でトレードオフされる場合によく比較されます。
1. 規格と指定
- 304: ASTM/ASME A240（板、シート）、A312（パイプ）として広く標準化されており、他のシステムの同等品もあります。欧州EN番号は一般的に1.4301（しばしばX5CrNi18-10）として引用されます。JIS指定はSUS304。中国のGB同等品（一般的にCr–Ni合金の下にリストされています）。分類: オーステナイト系ステンレス鋼。
- 201: UNS S20100として一般的に参照され、一部の製品仕様ではASTM/AISIタイプ201またはJISのSUS201として記載されています。地域の標準やベンダーの指定は異なります。分類: オーステナイト系ステンレス鋼（ニッケル減少、マンガンおよび窒素安定化）。
注: 両者は炭素、合金、工具、またはHSLA鋼ではなく、ステンレス（オーステナイト）グレードです。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、商業用タイプ201およびタイプ304ステンレス鋼の典型的な組成範囲（wt%）を示しています。値は代表的な業界範囲として示されています。厳密な公差については、特定の規格または製鋼所の証明書を参照する必要があります。
| 元素 | タイプ201（典型的範囲、wt%） | タイプ304（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.15 | ≤ 0.08 |
| Mn | 5.5 – 7.5 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.06 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 18.0 – 20.0 |
| Ni | 3.5 – 5.5 | 8.0 – 10.5 |
| Mo | —（通常0） | —（通常304では0; 316ではMoが存在） |
| N | 0.1 – 0.25（オーステナイト安定剤として使用） | ≤ 0.10 |
| その他（V、Nb、Ti、B） | 通常意図的に添加されない | 通常意図的に添加されない |
合金効果（簡潔に）: - クロム（Cr）は、ステンレス鋼に腐食抵抗を与える不活性酸化膜を提供します。 - ニッケル（Ni）は、面心立方（オーステナイト）構造を安定化させ、延性、靭性、感作抵抗を改善します。高いNiは低温靭性も改善します。 - マンガン（Mn）と窒素（N）は、201でニッケルの一部を代替するために使用され、オーステナイトを安定化させますが、機械的挙動と腐食性能を変化させます。 - 炭素（C）は、強度と熱暴露中の炭化物析出（感作）への感受性に影響を与えます。低Cバリアント（例：304L）は、溶接後の粒界腐食を軽減します。
3. 微細構造と熱処理応答
- 微細構造（製造時、アニーリング後）：201および304は、アニーリングされた状態で室温で名目上完全にオーステナイトです。201のオーステナイト安定性は、Niではなく高いMn + Nバランスによって維持されます。その結果、201は、いくつかの条件下で304よりも重い冷間加工中に変形誘発マルテンサイト形成に対してより敏感です。
- 熱処理：201および304は、従来の焼入れおよび焼戻し熱処理によって硬化しません（それらは非熱処理可能なオーステナイトグレードです）。典型的なアニーリングの実践は、約1010–1120 °Cでの溶解アニーリングの後、急冷（水冷却または急速空気冷却）を行い、炭化物を溶解させ、腐食抵抗と延性を回復させます。
- 冷間加工および熱機械処理：両グレードの強度は主に冷間加工によって増加します。冷間加工の増加は、降伏強度と引張強度を上昇させ、伸びを減少させます。201は通常、より迅速に作業硬化します。
- 感作：両グレードは、感作温度範囲（約500–800 °C）で長時間曝露されると、クロム炭化物の析出が発生し、粒界腐食を引き起こす可能性があります。低炭素バリアント（例：304L）または安定化グレード（TiまたはNb添加）を使用することが、溶接または高温曝露が懸念される場合に推奨されます。
4. 機械的特性
表は機械的挙動を定性的に比較します（典型的なアニーリング製品形状）。正確な値は製品形状（シート、プレート、チューブ）、テンパー、およびサプライヤーデータシートに依存します。
| 特性 | タイプ201 | タイプ304 |
|---|---|---|
| 引張強度 | わずかに高い（Mn/Nおよび一般的な冷間加工による） | 中程度（強度と延性の良好なバランス） |
| 降伏強度 | 高い（比較可能なテンパーで高い降伏を持つ傾向がある） | 低い（より大きな降伏延性） |
| 伸び（延性） | 低い（アニーリング状態で304に対して伸びが減少） | 高い（より良い延性と成形性） |
| 衝撃靭性 | 常温で良好; 一部のテンパーでは304より低い | 常温および低温で優れたノッチ靭性 |
| 硬度 | わずかに高い（冷間加工でさらに増加） | アニーリング状態では低い; 冷間加工で増加 |
解釈: タイプ201は、同じ加工経路に対してしばしば高い受け入れ強度と硬度を提供しますが、延性や時には靭性を犠牲にします。タイプ304は、成形およびサービスの信頼性において多くの腐食性および構造用途に利益をもたらす、より良い延性–靭性の組み合わせを提供します。
5. 溶接性
両グレードの溶接性は、オーステナイト系ステンレス鋼が冷却時にマルテンサイト変態によって硬化しないため、炭素鋼と比較して一般的に良好です。考慮事項:
- 炭素当量および溶接ひび割れリスクは、受け入れられた経験則を用いて推定できます。一般的に使用される2つの指標は:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- 解釈（定性的）: 201の低いニッケルは、304と比較してオーステナイトの安定性を低下させ、これが固化モード、熱亀裂感受性、熱影響部（HAZ）における変形誘発マルテンサイトの程度に影響を与える可能性があります。201の高いMnおよびNは、フィラー金属の選択や溶接金属の組成を変更することもあります。
- 実用的なガイダンス:
- 適切なフィラー金属を使用してください。304ベース金属を304に溶接する場合、308/308Lフィラーが一般的です。201の場合、多くの製造業者は、腐食抵抗と延性を改善するために溶接金属に高いNi含有量を復元するフィラーを選択します。
- 予熱は一般的に必要ありません; 溶接後のアニーリングは通常、オーステナイトに対して通常の用途では使用されません。
- 重要な腐食抵抗接合部の場合、フィラー化学を選択して、溶接金属とHAZが腐食抵抗のニーズを満たすようにしてください。
6. 腐食および表面保護
- ステンレスの挙動: 両グレードはクロム豊富な不活性膜を形成しますが、全体的な腐食抵抗は異なります。
- PREN（主にMoおよびNが存在する場合の塩素環境におけるピッティング抵抗を評価するために有用）は、次のように計算されます:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 注: タイプ304（Mo ≈ 0）のPRENはCrおよびNに支配されます; タイプ201は低いCrおよび異なるNにより304よりも低いPRENとなるため、塩素中のピッティング抵抗は一般的に劣ります。
- 実用的な側面:
- タイプ304は、多くの水性および大気環境において優れた一般的な腐食抵抗を持ち、食品接触、医療機器、および多くの化学曝露において最低限の選択肢とされています。
- タイプ201は、屋内の軽度の腐食環境（装飾パネル、低塩素条件下のキッチン機器、家電）で十分に機能しますが、重要な塩素曝露（沿岸環境、融雪塩）や長期的な不活性安定性が必要な用途には推奨されません。
- 非ステンレス保護: 非ステンレス鋼が比較される場合、一般的な表面保護には亜鉛メッキ、塗装、またはメッキが含まれますが、これらはステンレスの挙動を置き換えるものではありません。201および304の両方において、表面仕上げ（電気化学的研磨、パッシベーション処理）は腐食性能に大きく影響を与える可能性があります。
7. 製造、加工性、および成形性
- 成形および深絞り: タイプ304は、ニッケル含有量が高く、延性が大きいため、アニーリング状態で一般的に優れた成形性と伸び性を提供します。タイプ201は成形可能ですが、スプリングバックが大きく、金属がより迅速に作業硬化します。工具およびプロセスパラメータはそれを考慮する必要があります。
- 曲げおよび溶接歪み: 304の優れた延性は、厳しい成形中のひび割れリスクを低下させます; 201はより多くの力と厳密なプロセス制御を必要とする場合があります。
- 加工性: オーステナイト系ステンレス鋼は、一般的に炭素鋼よりも加工が難しいです。タイプ201は急速に作業硬化する傾向があり、これが加工性を低下させる可能性があります。高い切削角度、剛性のあるセットアップ、および遅い送り速度を持つ工具が一般的に使用されます。304も粘り気があり、適切な工具が必要ですが、多くの加工業者は304を比較可能なテンパーでわずかに加工しやすいと感じています。
- 表面仕上げ: 両グレードは高い仕上げに研磨できます。攻撃的な環境における局所腐食に対する感受性が高いため、201は表面仕上げとパッシベーションが不十分な場合、早期に stainingを示す可能性があります。
8. 典型的な用途
| タイプ201 | タイプ304 |
|---|---|
| 装飾トリム、屋内建築パネル、消費者用機器パネル、低コスト調理器具の外装トリム、非攻撃的環境での軽量チューブ | 食品加工機器、キッチンシンクおよびカウンタートップ、化学プロセス部品（非Mo）、配管、熱交換器、医療機器（非インプラント）、屋外および海洋近接環境でのファスナー |
| 選択の理由: | |
| - 予算制約が支配的で、サービス環境が穏やか（屋内、低塩素）の場合、または受け入れ強度が高く、明るい表面仕上げが優先される場合は201を選択してください。 | |
| - 腐食性能、衛生、広範な業界サポートを持つ溶接性、およびさまざまな環境での長期的な信頼性が必要な場合は304を選択してください。 |
9. コストと入手可能性
- コスト: タイプ201は、ニッケル含有量が大幅に低いため、通常タイプ304よりも安価です。ニッケルはステンレス鋼の主なコスト要因であり、NiをMnおよびNに置き換えることで、材料コストのニッケル市場への感受性が低下します。
- 入手可能性: タイプ304は、シート、プレート、コイル、チューブ、バーの形状で世界中に普及しており、重要な用途向けの認証材料条件で調達しやすいです。タイプ201は地域的に一般的で、商品製品形状で広く入手可能ですが、認証された製鋼所データや特定の製品形状は、一部の市場では304よりも在庫が少ない場合があります。
10. 要約と推奨
要約表（定性的）:
| 属性 | タイプ201 | タイプ304 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好ですが、フィラーの選択を調整する必要があるかもしれません | 非常に良好で、広く標準化されたフィラーの実践 |
| 強度–靭性のバランス | 高い強度、低い延性/靭性 | 優れた延性と靭性を持つバランスの取れた強度 |
| コスト | 低い（ニッケル減少） | 高い（標準的なNi含有量） |
推奨事項: - タイプ201を選択する場合: - プロジェクトがコストに敏感で、曝露が穏やか、屋内、または低塩素環境に限られている場合。 - 受け入れ強度が高く、コスト削減が最大の腐食抵抗の必要性を上回る場合。 - 消費者製品において表面の外観と低コストが優先される場合。 - タイプ304を選択する場合: - 長期的な腐食抵抗、衛生的なサービス、または塩素への曝露が予想される場合。 - 成形性、溶接性、および確立された材料認証が重要な場合。 - アプリケーションが食品接触、医薬品、または屋外曝露のための一般的な業界標準を満たす必要がある場合。
最終的な注意: 材料選択は、プロジェクトの特定の環境条件、機械的負荷、溶接および成形の順序、調達/供給の制約に対して常に検証されるべきです。重要な用途の場合、製鋼所の証明書を参照し、腐食試験または工学的評価を実施して、意図されたサービスに対する201と304の適合性を確認してください。