301対304 – 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、301と304という2つの非常に一般的なオーステナイト系ステンレス鋼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、コスト、耐腐食性、成形性、加工後に達成可能な強度（例えば、高い加工硬化が望ましいかどうか）とのトレードオフに関するものです。多くの生産環境—板金成形、構造部品、消費財—では、材料が冷間加工にどのように反応するかと、腐食環境に対する抵抗力によって選択が左右されます。

これらのグレードの根本的な違いは、合金バランスと変形に対する機械的応答にあります：301は高いひずみ硬化能力を示すように配合されており（冷間加工によってかなりの強度を得ることができます）、一方304は安定したオーステナイトの挙動を最適化し、焼鈍状態での耐腐食性と延性を最大化します。両者は広く入手可能で経済的なオーステナイト系ステンレス鋼であるため、成形、溶接、耐腐食性、コスト管理の組み合わせを必要とする部品の設計時に頻繁に比較されます。

1. 規格と指定

• ASTM/ASME:
• 301: AISI 301（板/チューブ/プレートのASTM A240/A666参照）
• 304: AISI 304（ASTM A240/A666）
• EN（欧州）:
• 301は一般的にEN 1.4310 / 1.4311に対応することがあり、バリエーションがあります
• 304はEN 1.4301（304）に対応します
• JIS（日本）: 同等品があります（例：SUS301 / SUS304）
• GB（中国）: 同等品があります（例：GB/T規格の301、304グレード）

分類：両者はオーステナイト系ステンレス鋼です。炭素鋼、合金鋼、工具鋼、またはHSLA鋼ではなく、ステンレス（オーステナイト）ファミリーに属します。

2. 化学組成と合金戦略

組成の違いは控えめですが意図的です：304はニッケルが豊富で、クロムがわずかに高く、耐腐食性を高め、オーステナイト相を安定させます。一方、301はニッケルを減少させ、クロムを適切に保つことで、変形誘発マルテンサイトの傾向を高め、より高いひずみ硬化を実現します。

合金が特性に与える影響： - クロム（Cr）は耐腐食性を与える不活性酸化膜を提供します。高いCrは多くの環境での耐腐食性能を向上させます。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト相を安定させ、靭性と延性を向上させ、変形時のマルテンサイト形成の傾向を減少させます。 - 炭素は強度を増加させますが、耐腐食性を低下させる可能性があり（感作リスク）、硬化性をわずかに増加させます。 - マンガンとシリコンは脱酸剤であり、引張特性にわずかに影響を与えることがあります。マンガンは時折オーステナイトの安定性を助けます。 301はNiが少なく、Crが同程度であるため、304と比較してひずみ誘発マルテンサイト変態に対してより敏感であり、強い加工硬化を示します。

3. 微細構造と熱処理応答

301と304は、焼鈍状態で室温でオーステナイトです（面心立方、FCC）。主要な微細構造の挙動とその加工応答：

• 焼鈍状態：
• 301：完全にオーステナイト（ただし、よりメタスタビルな組成を持っています）。冷間圧延および溶液焼鈍されたステンレスシートの典型的な粒構造。

• 304：優れた延性と靭性を持つ安定したオーステナイト。

• 冷間加工とひずみ誘発変態：

• 301：塑性変形（成形、曲げ、スタンピング）中にマルテンサイト（α′）への顕著なひずみ誘発変態を示すように設計されています。この変態は局所的および全体的に強度と硬度を高めます（加工硬化）が、延性を低下させ、マルテンサイトが露出する場合の腐食挙動に影響を与える可能性があります。

• 304：変形誘発マルテンサイトの傾向ははるかに少なく、同様の冷間加工後もオーステナイト構造と延性を保持し、301よりも低い加工硬化率を示します。

• 熱処理：

• どちらのグレードも焼入れおよび焼戻し熱処理によって硬化することはありません（オーステナイトであり、マルテンサイト系ステンレス鋼ではありません）。溶解焼鈍（例えば、約1000–1100 °Cに加熱した後、急冷すること）は炭化物を溶解し、延性を回復させるために使用されます。製造後の焼鈍は成形性を回復し、加工硬化を緩和します。
• 熱機械処理（制御圧延、冷間加工および焼鈍）は、特定の強度/延性の組み合わせを持つシートまたはストリップを生産するために産業的に使用されます。301のバリエーションは、焼鈍前に304よりも高い強度に冷間圧延することができます。

4. 機械的特性

以下の表は、典型的な機械的挙動を定性的に比較しています（製造時、焼鈍後、冷間加工後）。正確な値は製品形状（シート、ストリップ、バー）、加工、および仕様に依存します。プロジェクトに重要な数値については、製鋼所のデータを参照してください。

理由：301のNi含有量が低いため、ひずみ下でオーステナイトが不安定になり、機械的変形が一部のオーステナイトをマルテンサイトに変換し、強度と硬度を増加させます（熱処理なしで高い強度が必要な部品に有益）。304の高いNiはオーステナイトを安定させ、延性と靭性を保持しますが、ひずみ硬化の大きさは犠牲になります。

5. 溶接性

両グレードの溶接性は一般的にオーステナイト系ステンレス鋼にとって良好ですが、考慮すべき点があります：

• 炭素含有量：炭素が高いと、特に304の高炭素バリエーション（304H）では、遅い冷却中に感作（クロムカーバイドの析出）のリスクが高まります。感作リスクを減少させるために、低炭素バリエーション（304L、301L）が存在します。
• 硬化性と変態：301の変形誘発マルテンサイトの傾向は、溶接部位（再加熱/固化されたオーステナイト）に直接影響を与えませんが、隣接する冷間加工された領域は残留応力や歪みに影響を与える混合微細構造を持つ可能性があります。
• フィラーの互換性とインターパス温度管理は、両グレードに共通の懸念事項です。
• 溶接後の焼鈍なしでの溶接が必要な場合、安定化または低炭素バリエーション（例：304L）の使用が一般的です。

一般的な溶接性指標（定性的解釈；ここでは数値入力は提供されていません）： - IIW炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - ドイツのPcm式： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈： - 高い$CE_{IIW}$または$P_{cm}$は、マルテンサイト形成が可能な鋼において硬化、亀裂、または溶接性の低下のリスクが増加することを示唆します。301と304の比較では、これらの指標の数値的な違いは小さいです。なぜなら、両者は低炭素で類似の合金含有量を持っているからです。301は一部のビレットでわずかに高い炭素または低いニッケルを持つ可能性があり、指標にわずかに影響を与えます。全体として、両者は標準的なステンレス溶接の実践によって容易に溶接可能と見なされています。

6. 腐食と表面保護

• ステンレスの挙動：301と304の両方は、クロムが豊富な不活性膜を形成します。304は通常、わずかに多くのクロムとニッケルを含むため、一般的な耐腐食性がわずかに向上し、腐食の懸念が優先される場合（食品加工、厨房機器、建築用途）により一般的に選ばれます。
• 局所腐食（ピッティング/クレバス）：どちらのグレードもMoを含まないため、塩化物が豊富な環境では、301も304もMoを含むグレード（例：316）ほど耐性がありません。攻撃的な環境では、保護設計と表面仕上げの使用が重要です。
• PREN（MoとNを含むステンレス鋼のピッティング耐性を評価するため）： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 解釈：
• PRENは、両者が本質的にMoと低Nを持っているため、301と304の間で有用な差別化要因ではありません。したがって、PREN値は低く、類似しています。
• 非ステンレス鋼の表面保護（ここでは適用されません）には、亜鉛メッキやコーティングが含まれます。301/304の場合、パッシベーション、エレクトロポリッシング、機械的ポリッシングが耐腐食性を向上させます。

7. 製造、加工性、成形性

• 成形とスタンピング：
• 301：焼鈍状態での優れた成形性；急速に加工硬化するため、成形中に強度が増す部品を製造するために使用できます（スプリングバック挙動を考慮する必要があります）。
• 304：非常に成形性が高く、深絞り作業に対してより耐性があります；加工硬化が少ないため、成形予測が簡素化されます。
• 加工性：
• 両者は炭素鋼よりも性能が劣ります；オーステナイト系ステンレス鋼は切削時に粘着し、加工硬化します。301は加工硬化が早く、加工が複雑になります（鋭い工具、剛性のあるセットアップ、チップブレーカー、適度な切削速度が必要です）。304は多くの条件で加工がやや容易ですが、最適化された工具と冷却剤が依然として必要です。
• 仕上げ：
• 表面仕上げ、パッシベーション、ポリッシングは両グレードで類似しています。冷間加工された301は、エッチング/ポリッシングに異なる反応を示すマルテンサイト領域を持つ可能性があることに注意してください。

8. 典型的な用途

選択の理由： - 部品が重く冷間加工され、設計者が熱処理なしで高い使用強度を達成するためにひずみ硬化を利用したい場合は301を選択します。 - 腐食抵抗、延性、焼鈍状態での溶接性がより優先される場合は304を選択します。

9. コストと入手可能性

• コスト：304は通常、ニッケル含有量が高いため、301よりもわずかに高価です。市場価格はNiのスポット価格や地域の供給によって変動します。304の完全な耐腐食性が必要ない場合、301はコスト効果の高い代替品として選ばれることがよくあります。
• 入手可能性：304は世界中で最も一般的なオーステナイト系ステンレス合金であり、最も広範な製品形状（シート、プレート、バー、チューブ、ファスナー）で入手可能です。301は広く入手可能ですが、一般的ではありません；ストリップ、シート、および一部の構造形状で一般的です。

10. まとめと推奨

推奨： - 部品が冷間成形され、その後の使用強度を高めるためにひずみ硬化に依存する必要がある場合（クリップ、スプリング、成形された構造部品）、または合理的な耐腐食性を持つ低コストのステンレス鋼が許容される場合は301を選択します。 - 一貫した耐腐食性、焼鈍状態での高い延性と靭性、広範な入手可能性、予測可能で安定したオーステナイト特性が必要な生産環境での成形/溶接挙動が簡素化されることが優先される場合は304を選択します。

結論：重要な仕様については、正確な製品形状の製鋼所試験証明書とサプライヤーデータシートを要求し、溶接、焼鈍スケジュール、または窒素含有量が性能に重要な場合は低炭素または安定化バリエーション（304L、301L、301LN）を検討してください。