304対2205 – 成分、熱処理、特性、および用途
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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、プロセス機器、配管、構造部品のためにステンレス鋼を選択する際に、耐食性、機械的性能、コストのトレードオフに直面することが一般的です。304グレードは、成形性、溶接性、適度な耐食性が主な要件である場合に広く使用されます。一方、2205グレード（デュプレックスステンレス鋼）は、より高い強度と改善された局所的な耐食性が必要な場合に選択されます。
基本的な冶金的な違いは、一方のグレードが完全なオーステナイト合金であり、もう一方が二相（フェライト + オーステナイト）合金であることです。この違いは、強度、靭性、溶接挙動、金属間化合物相の形成に対する感受性の違いを生み出し、これがデザインや製造の決定においてこれら二つのグレードが頻繁に比較される理由です。
1. 規格と呼称
- 304
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (304, 304Lバリアント)
- EN: EN 1.4301 (304), EN 1.4306 (304L)
- JIS: SUS304
- GB: 0Cr18Ni9 (おおよその呼称)
- 分類: ステンレス — オーステナイト
- 2205
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32205 / S31803の歴史的な呼称)
- EN: EN 1.4462
- その他: UNS S32205、時にはデュプレックス2205としてブランド化される
- 分類: ステンレス — デュプレックス（フェライト + オーステナイト）
2. 化学組成と合金戦略
典型的な組成範囲（標準商業グレードの代表値）。正確な限界は特定の規格と製品形状に依存します。
| 元素 | 304（典型的） | 2205（典型的） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 0.8 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.02 wt% |
| Cr | 17.0–19.0 wt% | 21.0–23.0 wt% |
| Ni | 8.0–10.5 wt% | 3.0–5.5 wt% |
| Mo | ~0 wt% | 2.5–3.5 wt% |
| V | 微量 / 指定なし | 微量 / 指定なし |
| Nb | — | 通常非常に低い / なし |
| Ti | — | 通常非常に低い / なし |
| B | — | 微量がある場合 |
| N | ~0.03–0.10 wt% | 0.14–0.20 wt%（重要） |
合金戦略と効果： - 304: Niは主なオーステナイト安定剤であり、Crは耐食性のための不活性化を提供します。低Cは炭化物の析出を制限し、溶接性を改善します（304LバリアントはCをさらに低下させます）。 - 2205: 高いCr、Mo、Nはピッティングおよびクレバス腐食抵抗を高め、より高い強度を促進します。低いNiはコストを削減し、デュプレックス相のバランス（フェライト + オーステナイト）を安定させます。MoとNは局所的な耐食性と高い降伏強度に重要です。
3. 微細構造と熱処理応答
- 304（オーステナイト）:
- 微細構造: 溶解アニーリング状態で完全なオーステナイト（FCC）。
- 熱処理: 溶解アニーリング（約1010–1100°C）後に急冷し、単相オーステナイトを保持します。急冷/焼戻しによる硬化はありません。450–850°Cの範囲で保持すると炭化物の析出（感作）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（304L）または安定化グレード（304H、321/347）がこれに対処します。
- 熱機械処理: 冷間加工はひずみ硬化により強度を増加させ、延性を低下させます。アニーリング中に再結晶化が発生します。
- 2205（デュプレックス）:
- 微細構造: バランスの取れた条件で約40–60%のフェライト（α, BCC）とオーステナイト（γ, FCC）の混合。フェライトは強度と応力腐食割れに対する抵抗を提供し、オーステナイトは靭性と延性を提供します。
- 熱処理: 溶解アニーリング（約1020–1100°C）後に急冷し、相のバランスを回復し、有害な金属間化合物を溶解します。600–1000°Cの範囲での長時間の曝露はシグマ相や他の金属間化合物を促進し、材料を脆化させ、耐食性を低下させます。したがって、制御された熱サイクルと急冷が重要です。
- 熱機械的経路: 熱間加工と制御冷却は相のバランスに影響を与えます。過度の冷間加工は応力を増加させ、靭性を回復するためにアニーリングが必要になる場合があります。
正規化、急冷および焼戻し: これらは炭素鋼および合金鋼の標準用語です。304および2205の場合、「急冷および焼戻し」は強化経路としては適用されず、溶解アニーリングと制御冷却が関連する熱処理プロセスです。
4. 機械的特性
一般的なアニーリング/溶解処理条件における典型的な機械的特性。値は製品形状（シート、プレート、パイプ）および規格によって異なります。
| 特性 | 304（アニーリング） | 2205（溶解アニーリング） |
|---|---|---|
| 引張強度 (MPa) | ~490–750 | ~630–900 |
| 降伏強度 0.2% (MPa) | ~200–300 | ~450–550 |
| 伸び (% in 50 mm) | ~40–60 | ~20–35 |
| 衝撃靭性 (Charpy, J) | 高い、低温でも靭性を保持 | 良好だが、特定の方向では304より低い; 常温では優れた性能 |
| 硬度 (HRB/HRc 約) | ~70–100 HRB | 通常は高い、~100–150 HRB |
解釈： - 2205はフェライト相と窒素/Mo合金のため、304よりも大幅に高い降伏強度としばしば高い引張強度を持っています。 - 304は高い延性を提供し、一般的に重い冷間加工されたセクションでより良い靭性を持っています; 2205はその強度に対して良好な靭性を維持しますが、伸びは低下します。 - 選択は強度要件と成形性および靭性のニーズを天秤にかけるべきです。
5. 溶接性
溶接性は炭素当量、相のバランス、割れや金属間化合物形成に対する感受性に依存します。
一般的な溶接性指数： - CE IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 304: ほとんどの条件で優れた溶接性; 低炭素（特に304L）は感作のリスクを最小限に抑えます。オーステナイト構造は冷間割れに抵抗し、通常は予熱が必要なく、溶接後のアニーリングはほとんど必要ありません。 - 2205: 溶接可能ですが、より要求が厳しいです。溶接ゾーンでのフェライト/オーステナイト比を維持するために、熱入力とインターパス温度の制御が必要です。過度の熱や遅い冷却は金属間化合物（シグマ）や過度にフェリティックな溶接を生じさせ、脆くなったり耐食性が低下したりします。マッチングデュプレックスフィラー金属と適切な手順を使用すると良好な結果が得られます; 溶接後の溶解アニーリングは重要な用途に時々使用されますが、大きなアセンブリには常に実用的ではありません。
実用的な注意点： - 2205の場合、マッチングフィラーと厳密な熱制御が望ましい相バランス（通常40–60%フェライト）を達成するのに役立ちます。シグマ相形成ウィンドウ内での高熱入力と長時間の保持を避けてください。 - 304の場合、フィラーの選択は簡単です（例：ER308/ER308L）；高温サービスが予想される場合は感作に注意してください。
6. 腐食と表面保護
- ステンレスの挙動:
- ピッティング腐食に対する抵抗を比較するために、ピッティング抵抗等価数（PREN）を使用します： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- おおよその例（中間範囲の組成）：304（Cr ≈ 18, Mo ≈ 0, Nは少量）でPREN ≈ 18; 2205（Cr ≈ 22, Mo ≈ 3.0, N ≈ 0.17）でPREN ≈ 34–35。これは、デュプレックス2205が塩素を含む環境でピッティングおよびクレバス腐食に対して顕著に耐性がある理由を示しています。
- 非ステンレス鋼: 炭素鋼または低合金鋼（ここでは該当しません）では、亜鉛メッキ、塗装、陰極保護が一般的です; 304/2205の場合、環境に合ったグレード選択を行えば、通常は表面保護は必要ありません。
- 制限事項:
- 304は塩素が豊富な環境で局所的な攻撃（ピッティング、クレバス）に対して感受性があり、特定の温度や塩素化学において応力腐食割れに対しても感受性があります。
- 2205は高いフェライト含量と高いPRENのおかげで、塩素による応力腐食割れに対してはるかに優れていますが、不適切に処理された場合は金属間相による脆化に敏感です。
7. 製造、加工性、成形性
- 加工性:
- 304: 加工性は良好; オーステナイトステンレス鋼は加工硬化し、剛性のあるセットアップ、鋭い工具、適切な切削速度を必要とします。インサートと制御された送りが役立ちます。
- 2205: 304よりも高い強度と加工硬化のため、加工が難しい; より高い切削力と早い工具摩耗が予想されます。炭化物工具と切削深さを減らす戦略が一般的です。
- 成形性:
- 304: 優れた冷間成形性と深絞り能力; 高い延性が複雑な成形操作をサポートします。
- 2205: 304に対して冷間成形性が制限されている; 成形には低いひずみレベルまたは中間アニーリングが必要な場合があります。曲げ半径は大きく、スプリングバックは高くなるべきです。
- 表面仕上げ:
- 両グレードは研磨およびパッシベーションが可能; 2205は溶接中に熱の色付けや金属間析出物を避けるために注意が必要です; 酸洗いとパッシベーションは表面酸化物を回復します。
8. 典型的な用途
| 304 — 典型的な用途 | 2205 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 食品加工機器、キッチン用品、HVAC部品、屋内建築トリム、軽度のサービスを伴う化学プロセス配管 | 化学および石油化学の熱交換器、海水配管、油・ガスの上部機器、淡水化、塩素にさらされるフランジおよびフィッティング |
| 自動車トリム、ファスナー、食品グレードのタンク | オフショア構造物、井戸内部品、攻撃的な塩素環境、高強度を必要とする圧力容器 |
| 一般目的の配管、衛生機器 | より高い強度対重量が求められる低温タンクおよび構造用途 |
選択の理由： - 成形、溶接の容易さ、非攻撃的環境での耐食性が優先され、コスト感度が重要な場合は304を選択してください。 - 強度、塩素媒体におけるピッティング/クレバス腐食への抵抗、応力腐食割れに対する低い感受性が必要で、より高い材料コストが正当化される場合は2205を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト:
- 304は、いくつかのフェリティックグレードよりも高いNi含有量のため一般的に低コストですが、デュプレックスよりも低いMoとNを持ちます; 非常に高いボリュームで生産されており、価格を競争力のあるものに保っています。
- 2205は、Moと制御されたN含有量およびより複雑な加工要件のため、304よりもkgあたりのコストが高くなります。
- 入手可能性:
- 304はシート、プレート、バー、チューブ、ファスナーの形状で普遍的に存在し、世界中で在庫されています。
- 2205は広く入手可能ですが、普遍的ではありません; 工業市場向けのパイプ、フィッティング、プレート、バーで一般的です。非常に大きなまたはエキゾチックな製品形状には長いリードタイムと限られたミルソースが発生する可能性があります。
10. まとめと推奨
| 特性 | 304 | 2205 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた、許容範囲が広い | 制御が必要な良好な溶接性; マッチングフィラーと熱制御が必要 |
| 強度 – 靭性 | 中程度の強度、高い延性 | 高強度、強度に対して良好な靭性 |
| コスト | 低コスト（より経済的） | 高コスト（プレミアム合金、加工） |
結論としてのガイダンス： - 優れた成形性と溶接性、低コスト、軽度の腐食環境（食品、建築、一般プロセスライン）でのサービスが必要な場合は304を選択してください。 - より高い降伏強度と引張強度、ピッティング/クレバス腐食および塩素応力腐食割れに対する優れた抵抗、または薄いセクションによる重量/スペースの節約が必要な場合は2205を選択してください — そして、より高い材料および製造コストを受け入れることができる場合。
腐食環境、強度、またはSCC感受性が重要な設計要因である場合は、特定のサービスに最適な選択を確認するために、焦点を絞った材料選定研究（PREN計算、溶接手順の資格、腐食試験を含む）を実施してください。