202 vs 204 – 組成、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200シリーズステンレス合金、例えば「202」や「204」は、コスト、成形性、耐腐食性のバランスを取る必要がある場合に、300シリーズグレードの低ニッケル代替品として一般的に提案されます。エンジニアや調達チームは、材料コストを最小限に抑えるが成形が難しくなる可能性のある高マンガン、低ニッケルの組成（202）を選ぶか、銅を追加したり他の合金元素を調整したりして成形性を犠牲にせずニッケルを削減する新しいコスト最適化合金（一般的に204または204Cuと呼ばれる）を選ぶかの選択ジレンマに直面することがよくあります。
これら2つのファミリー間の主な方向性の違いは、合金戦略によって駆動されるコストと性能のトレードオフです：202は主に高マンガンでニッケルを削減しますが、204のバリアントは、ニッケル、クロム、マンガンの異なるバランスと制御された銅の添加を使用して成形性と耐腐食性を保持または改善しようとします。両者は304の経済的な代替品として意図されたオーステナイト系ステンレス鋼であるため、設計、製造、調達の際によく比較されます。
1. 規格と指定
- 202：一般的にAISI/UNS S20200（時にはSS202と略される）として参照されます。商業用シートおよびストリップ製品の範囲に見られ、平鋼ステンレス仕様（例：一部の市場でのシート/プレート用のASTM A240）やさまざまな国のカタログで参照されています。
- 204：しばしば204Cu（UNS S20430）または低ニッケル、銅を含むオーステナイト系ステンレスを強調する商業的指定として遭遇します。すべての国の規格が直接的なEN/JIS/GBの対応を持っているわけではなく、メーカーはミル仕様やUNS番号を公表しています。
- 正確な限界を確認するための規格：ASTM/ASME（プレート/シート用のA240、A480）、UNSリスト（S20200、S20430）、およびサプライヤーのミル証明書。地域のEN（欧州）またはGB/JISの対応は異なる場合があり、受け入れ基準を確認する必要があります。
分類：202と204の両方はオーステナイト系ステンレス鋼（完全に焼鈍された状態では非磁性）であり、炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではありません。
2. 化学組成と合金戦略
表：典型的な組成範囲（wt%）。値は一般的な商業データシートからの代表的な範囲です。購入するバッチのミル証明書または仕様で常に確認してください。
| 元素 | 202（典型的、wt%） | 204 / 204Cu（典型的、wt%） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.15（低） | ≤ 0.08–0.10（低） |
| Mn | 比較的高い（例：ニッケルを代替するために数wt%） | 中程度（202より低い） |
| Si | ≤ ~1.0（微量の脱酸剤） | ≤ ~0.8–1.0 |
| P | ≤ 0.03–0.05（不純物限界） | ≤ 0.03–0.045 |
| S | ≤ 0.03（不純物限界） | ≤ 0.03 |
| Cr | ~17–19 | ~18–20 |
| Ni | 中程度（304に対して削減されているが、いくつかの204バリアントより高い） | 304より低い；サブグレードに応じて202と同等またはわずかに低い |
| Mo | 通常はなしまたは微量 | 通常はなしまたは微量 |
| Cu | 微量から~0.5–1.0（通常は低い） | 204Cuでの意図的な添加（例：~0.5–1.5） |
| N | 低から中程度（オーステナイトを安定させるための少量） | 低（制御された） |
| V, Nb, Ti, B | 典型的な合金添加物ではない | 典型的ではない |
合金戦略が特性に与える影響： - クロム（Cr）は、オーステナイト系ステンレス鋼に共通する不活性膜と基本的な耐腐食性を提供します。 - ニッケル（Ni）はオーステナイトを安定させ、靭性と成形性を改善します。Niを減らすと材料コストが下がりますが、補償しない限り靭性や耐腐食性に影響を与える可能性があります。 - マンガン（Mn）は、Niが減少したときにオーステナイトを安定させるために使用されます。Niより安価ですが、加工硬化を増加させ、延性や加工性に影響を与える可能性があります。 - 204バリアントの銅（Cu）は、強度と成形性を改善し、耐腐食性におけるNiの減少を部分的に補償するために使用されます。Cuは特定の酸に対する抵抗を助け、表面仕上げを改善することもあります。 - 炭素と窒素は、強度（固溶体および間隙強化による）をバランスさせ、感作や過度の硬度を避けるために制御されます。
3. 微細構造と熱処理応答
202と204は、製造され焼鈍されたときに完全にオーステナイトです。重要なポイント：
- 典型的な微細構造：安定した面心立方（FCC）オーステナイトで均等に分布したオーステナイト粒；正しく処理され完全に焼鈍された材料にはフェライトやマルテンサイトが存在しません。
- 冷間加工応答：両グレードは簡単に応力硬化します（オーステナイト系ステンレス鋼は変形によって硬化します）が、202は高Mnを持つため、より迅速に加工硬化する傾向があり、深引きの成形限界を減少させ、間に焼鈍を使用しない限りスタンピングを複雑にする可能性があります。
- 熱処理：オーステナイト系ステンレス鋼は従来の焼入れ/焼戻しによって硬化できません。焼鈍（通常は1000–1150 °Cの範囲で水冷却を伴う）は延性と靭性を回復します。204Cuは、銅の析出により特定の温度/時間条件下でわずかな時効硬化挙動を示すことがありますが、これは析出硬化ステンレスグレードと比較できず、高強度設計のために利用されることは通常ありません。
- 熱機械処理：熱間圧延の後に制御された焼鈍を行うことで、粒子サイズと最終特性が確立されます。残留応力を制御し、冷間加工によって誘発されるマルテンサイト（存在する場合）を避けることで靭性が向上します。
4. 機械的特性
表 — 定性的比較（特に記載がない限り焼鈍状態）。正確な値は製品形状、厚さ、テンパー、および特定のサプライヤーデータシートに依存します。
| 特性 | 202 | 204 / 204Cu |
|---|---|---|
| 引張強度（約、焼鈍） | 中程度 — 他の200シリーズと比較可能；Mnによりいくつかの低Niバリアントより高い | 202と比較可能；Cuにより強度/延性バランスがわずかに改善される可能性があります |
| 降伏強度 | 中程度 | 中程度；焼鈍状態の202と同等またはわずかに低い |
| 伸び（延性） | 良好ですが、冷間加工後は204に対して減少します（より早く加工硬化します） | 一般的に多くのサプライヤープレートでわずかに良好な成形性と伸びを示します |
| 衝撃靭性 | 常温で良好；Niが非常に低い場合、低温で低下する可能性があります | 常温で良好；銅と制御されたNiが靭性を維持するのに役立ちます |
| 硬度（焼鈍） | 低から中程度（すぐに加工硬化します） | 低から中程度（成形中により良い柔らかさを維持する傾向があります） |
理由：202の高Mnと低Niはオーステナイトの安定性を高めますが、加工硬化も強化します。これにより成形中の瞬時強度が高くなりますが、破損前に達成可能な総延びが減少します。204Cuの合金バランスは、ニッケル含有量を削減しながら延性と靭性を保持することを目指しています。
5. 溶接性
溶接性は、炭素当量、硬化性、および微量合金によって影響を受けます。役立つ予測方程式：
-
炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm（欧州溶接性指数）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈（定性的）： - 202と204の両方は、標準のオーステナイト系ステンレス鋼手順（GMAW、TIGなど）を使用して容易に溶接でき、オーステナイト系ステンレス鋼は溶接金属内で延性を維持するため、冷間割れのリスクが低いです。 - 高Mn（202）は$CE_{IIW}$と$P_{cm}$を中程度に増加させ、局所的な硬化や望ましくない微細構造を避けるために、熱入力やインターパス温度にわずかに注意が必要になる可能性があります。 - 銅添加の204Cuは、一般的に他のオーステナイト系と同等に溶接されます。銅はフィラー選択にわずかに影響を与える可能性があり、適切なオーステナイト系フィラー（例：308/309ファミリーの同等品またはサプライヤーによって指定された低Niフィラー）と組成を一致させることで微細分離の問題を回避します。 - 一般的なサービスには溶接後の焼鈍はほとんど必要ありませんが、感作しやすい形状や高温サービスに対しては応力緩和と界面腐食リスクの制御を考慮する必要があります。
6. 腐食と表面保護
- 両グレードはクロムベースの不活性を持つオーステナイト系ステンレス鋼です。どちらも重要なモリブデンを含まないため、塩化物ピッティング抵抗はMoを含む300シリーズ（例：316）よりも低くなります。
- PRENはこれらのグレードには通常有用ではありません（Moを含むステンレス鋼には意味があります）。参考のために、PRENの公式： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 202/204ではMo ≈ 0のため、PRENは高いピッティング抵抗を示しません。
- 実用的なガイダンス：
- 202：軽度の腐食環境（屋内、食品接触、装飾）で許容されますが、304/316よりも塩化物や酸性環境に対する耐性は低いです。攻撃的な塩化物環境では表面の staining やピッティングに対して感受性があります。
- 204/204Cu：304のより堅牢な低Ni代替品として意図されています；銅は特定の酸に対する抵抗をわずかに改善し、いくつかのサービス条件で隙間腐食の発生を抑制することができますが、重度の塩化物曝露におけるMoの代替にはなりません。
- 非ステンレス鋼（ここでは適用されません）：亜鉛メッキ、塗装またはコーティングを使用します。これらのステンレスグレードには、攻撃的な環境に対して電解研磨、パッシベーション、または保護コーティングを検討してください。
7. 加工、加工性、成形性
- 冷間成形：202はより早く加工硬化します — 設計者はスプリングバックを考慮し、中間焼鈍が必要になる場合があります；深引きはより困難になる可能性があります。204Cuはより良い成形性を提供する傾向があり、タイトな曲げや複雑なスタンピングが必要な場合に好まれます。
- 加工性：どちらのグレードも自由切削炭素鋼ほど容易には加工できません。202の高Mnは加工性を低下させる可能性があります；204Cuは一般的に同様またはわずかに良好に加工され、制御されたCuはチップ形成や表面仕上げを改善することがあります。
- 表面仕上げ：両者は研磨や仕上げが良好です；204Cuは一部の操作でわずかに良好な成形後の表面外観を生じる可能性があります。
- 溶接および後加工：適切なフィットアップとフィラー選択が重要です；ストレスを閉じ込める可能性のある急速冷却を避けてください；溶接後の酸洗い/パッシベーションは耐腐食性を回復するために推奨されます。
8. 典型的な用途
| 202 — 典型的な用途 | 204 / 204Cu — 典型的な用途 |
|---|---|
| 消費財、キッチン用品、軽量建築トリム、装飾パネル、コストが重要な屋内機器 | 家庭用電化製品（洗濯機、乾燥機）、キッチンシンク、装飾的な建築パネル、成形性と表面仕上げが求められる衛生器具 |
| 限られた塩化物曝露の自動車トリムおよび小型構造部品 | 良好な引き出し性と改善された寸法制御が必要なチューブおよび成形部品 |
| 腐食曝露が軽度の軽量構造シート | ニッケル削減が望ましいが成形性や靭性を保持する必要がある304の代替用途 |
選択の理由：前払いの材料コストが主な制約であり、腐食曝露が中程度の場合は202を選択してください；成形性が向上し、表面仕上げが一貫しており、ニッケルが削減された状態で靭性が保持される場合は204/204Cuを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：両者は304の低コスト代替品として位置付けられています。202はしばしば最も低いニッケル含有量戦略を持ち（高Mnで補償される）、歴史的にコスト削減をもたらしますが、季節的な原材料価格（Mn対Ni対Cu）は相対的な経済性を変える可能性があります。204/204Cuは、保持された特性とニッケル削減のバランスを取るように設計されており、特にNiが高価でCuが経済的な場合に競争力があります。
- 入手可能性：202は標準的な商業シート/ストリップとして世界中で広く入手可能です。204/204Cuの入手可能性は地域やメーカーによって異なり、ますます一般的になっていますが、一部の市場や製品形状（例：特定のコイル、事前仕上げされたシートテンパーオプション）では202ほど普及していない場合があります。
10. 概要と推奨
表 — 簡単な比較（定性的）：
| 属性 | 202 | 204 / 204Cu |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好；熱入力を監視（加工硬化） | 良好；銅は標準的な溶接実践に最小限の影響を与えます |
| 強度–靭性バランス | 中程度の強度、加工硬化の増加；常温での靭性は十分 | 同様の強度、わずかに良好な延性/成形性と維持された靭性 |
| コスト（材料） | 多くの市場で通常は低い（Mn/Niの価格に依存） | 成形性を保持しながらニッケル削減のためにコスト最適化されている；202と同等またはわずかに高い場合があります |
202を選択する場合： - 材料コストを最小限に抑えることが優先事項であり、アプリケーションが軽度の環境、単純な成形操作を含み、サプライヤーが必要なコイル/シート形状を容易に提供できる場合。 - より強い加工硬化を考慮した製造ステップを設計できる場合（中間焼鈍、工具の余裕）。
204（204Cu）を選択する場合： - より厳しい成形性、成形後のより良い表面仕上げ、またはニッケル含有量を下げながら304に近い機械的バランスが必要な場合。 - アプリケーションが一貫した靭性を要求し、急速な加工硬化からのプロセス問題のリスクを低減する必要がある場合（複雑なスタンピング、深引き、高ボリュームの電化製品部品）。
締めくくりのメモ：両グレードはコスト最適化されたオーステナイト系ステンレス鋼の有用な選択肢です。最終的な選択は、常に確認されたサプライヤーのミル証明書、製品形状（コイル、シート、チューブ）、必要なテンパー/仕上げ、および材料コストの変動、製造サイクル時間（例：焼鈍の必要性）、長期的な腐食曝露を考慮したライフサイクルコスト分析に基づいて行うべきです。