2205対2507 – 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

デュプレックスステンレス鋼 2205 および 2507（一般に「スーパー デュプレックス」と呼ばれる）は、オーステナイト系グレードと比較して、より高い強度と改善された耐腐食性が求められる場所で広く指定されています。エンジニアや調達チームは、コスト、溶接性、および塩素を含む媒体でのサービスに必要な局所的な耐腐食性のレベルとの間でトレードオフに直面することがよくあります。製造プランナーは、高強度によるセクション厚の減少から得られるコスト削減と成形および機械加工の難易度とのバランスを取る必要があります。

主な技術的な違いは、2507が2205よりも高いクロム、モリブデン、窒素を含んでおり、より優れたピッティングおよびクレバス腐食抵抗を生み出し、成形性がやや低下し、材料コストが高くなる代わりに、より高い降伏強度/引張強度を実現することです。この組成戦略—クロム、モリブデン、窒素を増加させながらデュプレックスフェライト–オーステナイトバランスを維持すること—が、これらの2つのグレードが攻撃的な環境や荷重に重要なアプリケーションで比較される理由です。

1. 規格と指定

• 2205: 一般に UNS S32205 / S32266 と指定され、ASTM/ASME（例：A240、A182 の鍛造および圧延製品）、EN（1.4462）、JIS および GB の同等品が存在します。
• 2507: 一般に UNS S32750 と指定され、ASTM/ASME および EN（スーパー デュプレックスにしばしば使用される 1.4410）およびその他の地域標準で指定されています。

分類: - 2205 と 2507 はどちらもステンレス鋼（具体的にはデュプレックスステンレス鋼）です。炭素鋼、工具鋼、または HSLA グレードではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、これらの2つのデュプレックスグレードの典型的な組成範囲をまとめたものです（ミル認定範囲は標準および製造業者によって異なります）。リストにない元素は通常、バランスの鉄または微量レベルとして存在します。

元素	2205（典型的な範囲、wt%）	2507（典型的な範囲、wt%）
C	≤ 0.03	≤ 0.03
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.03	≤ 0.03
S	≤ 0.02	≤ 0.02
Cr	22.0–23.0	24.0–26.0
Ni	4.5–6.5	6.0–8.0
Mo	3.0–3.5	3.5–4.5
V	通常微量/なし	通常微量/なし
Nb / Ti	通常なし	通常なし
B	通常なし	通常なし
N	0.14–0.20	0.24–0.32
Fe	バランス	バランス

合金が特性に与える影響 - クロム: 不動態膜の形成とピッティング抵抗の主な寄与者; 高い Cr は一般的な耐腐食性を高め、デュプレックスグレードでわずかに強度を上げます。 - モリブデン: 塩素を含む媒体でのピッティングおよびクレバス抵抗を強化します。 - 窒素: オーステナイト相を安定化させ、降伏強度とピッティング抵抗（PREN による）を大幅に向上させ、また多くのデュプレックスグレードで応力腐食割れに対する抵抗を改善します。 - ニッケル: フェライト–オーステナイト相の比率をバランスさせます; 2507 の高い Ni は、高い Cr および Mo にもかかわらずデュプレックス微細構造を維持するのに役立ちます。 - 低炭素は、炭化物の析出と粒界腐食の感受性を最小限に抑えます。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造 - 両グレードはデュプレックスであり、焼鈍状態でのフェライト（δ）とオーステナイト（γ）のほぼ等しい混合物です。体積分率の目標は通常50/50近くですが、製品形状や熱履歴によって異なります。 - 2205: Cr–Ni–N の分配によって形成された安定したデュプレックス微細構造; 良好な靭性と耐腐食性のためにバランスが取れています。 - 2507: より高い合金レベルを持つデュプレックス微細構造; 過剰なフェライトや有害な金属間化合物相を避けるために熱サイクルの慎重な制御が必要です。

熱処理の影響 - ソリューションアニーリング（通常はデュプレックスステンレス鋼の場合約1020–1100 °C）を行い、その後急冷することでデュプレックスバランスが回復し、金属間化合物の析出が溶解します。両グレードは、熱成形や重溶接後に適切なソリューション処理から利益を得ます。 - 600–950 °C の範囲での遅い冷却や長時間の曝露は、シグマ、カイ、または他の金属間化合物相の形成を促進し、材料を脆化させ、耐腐食性を低下させます。これは、2507 にとってより大きな懸念事項です。なぜなら、高い Cr および Mo 含有量が金属間化合物の熱力学的駆動力を増加させるからです。 - 冷間加工は、加工硬化によって強度を増加させ、フェライト–オーステナイトバランスをシフトさせます; デュプレックス鋼は、所望の機械的特性を達成するために、制御された熱機械処理で重厚なゲージまたはプレートで生産されることがよくあります。 - 炭素鋼とは異なり、典型的な急冷および焼戻しサイクルはデュプレックスステンレス鋼には適用されません; 制御は主にソリューションアニーリングと冷間加工によって行われます。

4. 機械的特性

以下の値は、焼鈍された製品形状（プレート、シート、パイプ）の典型的な範囲であり、製鋼所や熱処理によって異なります。設計には常に製鋼所の証明書を使用してください。

特性	2205（典型的、焼鈍）	2507（典型的、焼鈍）
引張強度 (MPa)	~620–880	~800–1000
0.2% 降伏強度 (MPa)	~450–650	~620–800
伸び (%)	~20–35	~10–25
衝撃靭性 (シャルピー V, 室温)	一般的に良好、しばしば ≥40 J	一般的に良好ですが、条件によっては2205より低い
硬度 (HRC/HB)	中程度	強度が増加するため高い

解釈 - 強度: 2507 は、より高い窒素および合金添加物のため、降伏強度と引張強度の両方で一般的に強いです。これにより、同じ荷重抵抗に対してセクション厚を減少させることで、軽量化設計が可能になります。 - 靭性と延性: 2205 は通常、より高い延性と成形性を提供します; 2507 は高い強度のためにいくらかの延性を犠牲にします。両者は、適切に処理されれば優れた衝撃靭性を持つことができますが、2507 は熱履歴や金属間化合物の析出に対してより敏感です。 - 設計者は、低温サービスや衝撃に重要なコンポーネントのために靭性を確認する必要があります。

5. 溶接性

デュプレックスステンレス鋼の溶接性の考慮事項は、炭素、窒素含有量、および合金元素の硬化性および相バランスへの影響に依存します。

• 炭素は両グレードで低く、炭化物の形成を制限し、溶接性を改善します。
• 窒素はオーステナイトを安定化させます; 溶接プール内の窒素の喪失（脱ガスによる）は、フェライト–オーステナイトバランスをシフトさせる可能性があるため、適切なフィラー化学とシールドガスが重要です。
• 2507 の高い Cr/Mo は、冷却速度が遅い場合や溶接後の熱入力が過剰な場合に、熱影響部（HAZ）での金属間化合物相の形成のリスクを高めます。したがって、2507 は 2205 よりも熱入力とインターパス温度の厳格な制御が必要です。

一般的な溶接性指数（定性的使用） - 炭素当量 (IIW) および Pcm は、水素誘発冷間割れに対する感受性を評価するために使用できます。例の式: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - これらの式を定性的に使用してください: 両グレードは通常、高炭素鋼と比較して低い CE/Pcm を持っていますが、2507 の高い合金含有量は、2205 に対してその CE/Pcm を増加させます。

実用的な注意事項 - デュプレックスステンレス鋼の場合、予熱は一般的に最小限です; 過剰な予熱を避け、シグマ形成を防ぐために適切なインターパス温度を維持してください。 - 溶接金属の合金バランスを回復するために、マッチングまたはオーバーアロイのフィラー金属を使用してください。大規模な製作構造物に対する溶接後のソリューションアニーリングは実用的ではないことが多いですが、重要なコンポーネントには使用されることがあります。 - 溶接後の機械的試験および腐食試験（例：ピッティング抵抗または ASTM G48）は、特に 2507 の重要なアセンブリに推奨されます。

6. 腐食と表面保護

ステンレスデュプレックスグレードの場合、仕上げとパッシベーションによる標準的な表面保護が効果的です; 亜鉛メッキはステンレスグレードには適用されません。

ピッティング抵抗等価数 (PREN) - PREN は、塩素ピッティングに対する抵抗を推定するために一般的に使用されます: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ - 2507 は 2205 よりも高い Cr、Mo、および N を含むため、PREN が高く、したがって塩素を含む環境でのピッティングおよびクレバス腐食に対する優れた抵抗を持っています。PREN はガイドラインであり、微細構造、包含物、および表面状態も実際の性能に影響を与えます。

PREN が適用できない場合 - PREN は塩素媒体におけるピッティング抵抗を対象としています; 一般的な腐食については、酸化性酸またはアルカリ溶液における均一腐食速度は、PREN のみから推測することはできません。応力腐食割れ（SCC）抵抗は、冶金的状態、応力状態、および環境に依存します; デュプレックス鋼は一般的にオーステナイト系グレードよりも SCC に対してより抵抗がありますが、SCC の挙動は異なる場合があります。

7. 製造、機械加工、および成形性

• 機械加工性: 両グレードは切削中に加工硬化します。2507 の高い強度と合金含有量は、機械加工をやや難しくし、剛性のあるセットアップ、鋭い工具、切削深さの減少、およびしばしば遅い送り速度を必要とします。工具材料と冷却剤の選択が重要です。
• 成形/曲げ: 2205 は 2507 よりも成形が容易です。2507 は、より大きな曲げ半径、パスごとの変形の減少、および厳しい成形のためのより頻繁なアニーリングステップを必要とする場合があります。
• 表面仕上げ: 機械的および化学的研磨は両グレードで類似していますが、2507 は機械加工による表面下の変形を除去するために、より積極的な方法を必要とする場合があります。

8. 典型的な用途

2205（用途）	2507（用途）
化学および石油化学プラントの熱交換器、配管およびフィッティング	深海油およびガスの海底および上部コンポーネント
海水システム、中程度の塩素レベルを持つ淡水化コンポーネント	非常に攻撃的な塩素環境、例：塩素が豊富な井戸、高温ブライン
高強度と耐腐食性が必要だが予算が制約されている圧力容器、貯蔵タンク	最高のピッティングおよびクレバス抵抗を必要とする重要なフランジ、アンビリカル、バルブおよび manifold
パルプおよび紙の消化器およびプロセス機器	高負荷および腐食性媒体によるセクション厚の削減が必要な用途

選択の理由 - 2205 は、より中程度の塩素曝露で強度、靭性、耐腐食性のバランスが必要な場合や、成形および溶接の効率が優先される場合に選択してください。 - 2507 は、環境が特に攻撃的（高塩素、高温）で、より高い許容応力がセクション厚の削減を許可する場合、または最大のピッティング/クレバス抵抗が必要な場合に選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト: 2507 は、より高い合金含有量（特に Ni、Mo、および N）と厳しい加工管理のため、常に 2205 よりも高価です。材料コストの違いは大きく、ライフサイクルの利点や可能なセクションの節約とバランスを取る必要があります。
• 入手可能性: 2205 はプレート、パイプ、フィッティング、およびファスナーで広く入手可能です。2507 は商業的に入手可能ですが、あまり普及していません; 一部の製品形状やカスタムサイズには長いリードタイムが必要な場合があります。調達プランナーは、2507 を指定する際にリードタイムと製鋼所の試験要件を考慮する必要があります。

10. まとめと推奨

基準	2205	2507
溶接性	良好（より寛容）	良好ですが、より厳格な熱入力制御が必要
強度–靭性バランス	高強度で良好な延性	より高い強度、やや低い延性
コスト	低い（より経済的）	高い（プレミアム）

2205 を選択する場合: - 良好な一般的な耐腐食性と SCC 耐性を持つ堅牢なデュプレックスグレードが必要で、より良い成形性と容易な溶接、低い材料コストが求められる場合。 - サービスが中程度の塩素曝露を含む場合、2205 の PREN と微細構造が十分であること。

2507 を選択する場合: - 環境が非常に攻撃的（高塩素、高温、または狭いクレバス条件）で、最高のピッティング/クレバス抵抗が必要な場合。 - セクション厚を減少させるためにより高い降伏/引張強度が必要で、より高い材料コストと厳しい製造管理を受け入れる準備がある場合。

最終的な注意: 製鋼所の証明書、実際の製品形状、製造履歴、および現場サービス試験（例：溶接接合部のピッティング/クレバス腐食試験）は、グレード選択を最終決定するための重要な入力です。常に設計値をサプライヤーデータおよび安全上重要なコンポーネントに関連するコードと照らし合わせて検証してください。