304対304H – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
タイプ304およびタイプ304Hステンレス鋼は、プロセス、圧力容器、一般的な製造業界で広く使用されている2つのオーステナイト系ステンレスグレードです。エンジニアや調達専門家は、これらの選択時に耐食性、溶接性、成形性、高温性能、コストを考慮することが一般的です。典型的な意思決定の文脈には、溶接された圧力容器の材料指定、熱交換器用のチューブ選定、一般的な製造用のシート選定が含まれます。
2つのグレードの主な違いは炭素含有量です：304Hは標準の304に対して炭素組成が高くなっています。その単一の変更は、予測可能な方法で性能をシフトさせます—最も重要なのは、高温での強度とクリープ抵抗を増加させる一方で、特定の熱サイクル中に炭化物の析出と関連する感作のリスクを高めることです。304と304Hはそれ以外は非常に似ているため（同じオーステナイトマトリックスがクロムとニッケルによって安定化されている）、設計が高温の機械的性能と耐食性、溶接性、成形性のバランスを必要とする場合に比較されます。
1. 規格と指定
304および304Hをカバーする主要な仕様規格には以下が含まれます： - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240（板、シート）、ASTM A312（無縫製および溶接チューブ）、ASTM A269（鍛造チューブ）など。 - EN: ステンレス鋼のためのEN 10088シリーズ（EN 1.4301は304に対応）。 - JIS: JIS G4303 / JIS G4305（ステンレス鋼；同等物）。 - GB: ステンレス鋼のためのGB/T 1220および関連する中国規格。
分類： - 304および304Hはどちらもステンレス鋼（オーステナイト系）です。炭素鋼、工具鋼、またはHSLAグレードではありません。 - 構造用炭素鋼ではなく、ステンレス（耐食性）合金として指定され、使用されます。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、一般的な規格からの典型的な組成範囲をまとめたものです（値は重量パーセントで示され、特定の製鋼所証明書ではなく、典型的な標準化範囲として意図されています）。
| 元素 | 304（典型的範囲） | 304H（典型的範囲） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | 0.04 – 0.10 wt% |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.045 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Cr | ~18.0 – 20.0 wt% | ~18.0 – 20.0 wt% |
| Ni | ~8.0 – 10.5 wt% | ~8.0 – 11.0 wt% |
| Mo | 指定なし（通常は≈ 0） | 指定なし（通常は≈ 0） |
| V, Nb, Ti, B | 指定なし / 微量のみ | 指定なし / 微量のみ |
| N | 微量（通常は≤ 0.11） | 微量（通常は≤ 0.11） |
合金が挙動に与える影響： - クロム（Cr）は保護酸化膜を形成することによって耐食性を提供し、ステンレスの挙動に対する主な合金元素です。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト相を安定化し、靭性と成形性を向上させます。 - 炭素（C）は固溶強化によってオーステナイトを強化し、感作温度にさらされるとクロム炭化物（Cr23C6）を形成する可能性があります；304HのCの増加は高温強度とクリープ抵抗を高めますが、感作のリスクも高めます。 - マンガン（Mn）とシリコン（Si）は小さなオーステナイト安定化剤および脱酸剤です；硫黄とリンは靭性と耐食性を保持するために低レベルに制御される不純物元素です。
3. 微細構造と熱処理応答
304および304Hは、常温での溶解アニーリング状態において完全にオーステナイト（面心立方）です。標準的な加工（熱間圧延、溶解アニーリング、空冷）の下では、微細構造は均質なオーステナイトであり、双晶境界やいくつかのアニーリング双晶が存在する可能性があります。
主要な微細構造の違いと熱処理応答： - 304（低C）は、ゆっくり冷却または中温露出中にクロム炭化物を形成する傾向が少ない；約1,040–1,100 °C以上での溶解アニーリングの後に急冷することで、炭化物のないオーステナイトマトリックスが回復します。 - 304H（高C）は、感作範囲（約450–850 °C）にさらされると、クロム炭化物の析出に対する駆動力が大きくなります。炭化物の析出は粒界で発生し、局所的にクロムを枯渇させ、粒界腐食抵抗を低下させる可能性があります。 - どちらのグレードもマルテンサイト鋼のように急冷・焼戻しによって硬化しません；従来の変態による強度のために熱処理可能ではありません。強度調整は冷間加工または高温強度のために高炭素（304H）を指定することによって達成されます。 - 熱機械加工（冷間加工、アニーリングスケジュール）は、両グレードに対して同様に転位密度、粒径、テクスチャに影響を与えます。溶解温度でのアニーリングは、適切に保持し急冷すれば炭化物を溶解します；溶接後のゆっくり冷却や中温での長時間のサービスは、304Hで304よりも炭化物の析出を促進します。
4. 機械的特性
両方の鋼はアニーリング状態で良好な延性と靭性を提供します；304Hは一般的に高温での強度がわずかに高く、これはその高い炭素に起因します。
| 特性 | 304 | 304H |
|---|---|---|
| 引張強度（相対的） | 標準的なオーステナイトレベル | わずかに高い（高温で顕著） |
| 降伏強度（相対的） | 300シリーズオーステナイトの基準 | 304よりわずかに高い |
| 伸び / 延性 | 高い延性；良好な成形性 | 304に対してわずかに減少した延性 |
| 衝撃靭性 | 常温で優れた | 感作されていなければ常温で同等；炭化物析出が発生した場合は低下 |
| 硬度 | 典型的なアニーリングオーステナイト硬度 | Cによるアニーリング状態でわずかに高い |
説明： - 常温では、違いは控えめです—両グレードは高い伸びを持つ類似の引張強度と降伏強度を示します。304Hは通常、炭素が固溶強化剤であるため、わずかに高い引張強度と降伏強度を示します。 - 高温またはクリープ条件下では、304Hは304よりも高い強度を保持し、したがって高い許容温度での圧力容器サービスに指定されます。 - 304Hが感作熱サイクル（例えば、適切な溶接後熱処理なしでの溶接や450–850 °C範囲での長時間のサービス）にさらされると、クロム炭化物の析出によって粒界腐食と靭性の低下が生じる可能性があります。
5. 溶接性
304および304Hの溶接性は一般的に良好です；両方とも一般的なプロセス（GMAW/MIG、GTAW/TIG、SMAW）で容易に溶接できます。しかし、炭素レベルは感作のリスクとHAZ特性に影響を与えます。
関連する炭素等価/溶接性指数： - IIW炭素等価を用いて定性的に解釈： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - ステンレス鋼の場合、より複雑な組成の影響は$P_{cm}$で表現できます： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 304（低C）は304Hよりも炭素からの$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の寄与が低いため、304はHAZで硬く脆い微細構造を形成する可能性が低く、適切なフィラーと手順が使用される場合、溶接による粒界腐食に対しても敏感ではありません。 - 304Hの高い炭素は、急速な熱サイクル中の硬化の可能性を高め、オーステナイト粒界炭化物が形成されると、熱影響部（HAZ）内およびその近くでの感作のリスクを高めます。高温での溶接圧力容器作業には、304Hが許容応力要件を満たすためにしばしば指定されます；フィラー選定と溶接実践（例えば、安定化グレードの使用や実行可能な場合の溶接後の溶解アニーリング）はリスクを軽減します。 - これらのオーステナイト系ステンレス鋼には一般的に予熱は必要ありませんが、熱入力の制御と適切なフィラー金属の選定（例えば、マッチングまたは低炭素/安定化グレード）は、304Hの脆化や粒界腐食を避けるための重要な考慮事項です。
6. 腐食と表面保護
- 304および304Hは、クロムのパッシベーションにより、さまざまな環境で耐食性があります。どちらもモリブデンを含まないため、Moを含むグレード（例えば、316）よりも塩素ピッティングに対して耐性が低いです。
- 304Hの炭素増加は、適切な制御なしに感作温度にさらされると、感作および粒界腐食の実際の懸念を引き起こします。溶接後に粒界腐食抵抗が重要なアプリケーションでは、低炭素の304Lまたは安定化グレード（321、347）が好まれる場合があります。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、MoおよびNが存在する場合のピッティング抵抗の有用な指標です： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 304/304Hの場合、Moは≈ 0でNは低いため、PRENは比較的低いです；PRENはデュプレックスまたはMoを含むオーステナイトに対してより意味があります。
- 非ステンレス基材の表面保護（ここでは適用されません）は、亜鉛メッキやコーティングを含む；ステンレスの場合、表面仕上げやパッシベーション処理がサービス寿命を最大化するために使用されることが多いです。
7. 製造、加工性、成形性
- 成形性：304（低炭素）は、感作の際のわずかに高い延性と低い加工硬化感受性により、深絞りや成形においてわずかに優れています。適切な工具と段階的成形手法が使用される場合、両方とも成形操作に適しています。
- 加工性：オーステナイト系ステンレス鋼は、加工硬化と低熱伝導性のため、一般的に炭素鋼よりも加工が難しいです。304Hはその高い炭素と結果としての高い強度により、304よりも加工がやや難しい場合があります。鋭い工具、剛性のあるセットアップ、および適切な潤滑剤を使用することで問題を軽減できます。
- 表面仕上げ：両方とも同様に研磨および電解研磨されます；ただし、304Hは材料が加熱された場合に炭化物の析出を避けるために、仕上げ中の熱暴露のより慎重な制御が必要な場合があります。
8. 典型的な用途
| 304（一般的な用途） | 304H（一般的な用途） |
|---|---|
| 食品加工機器、シンク、キッチン用品、建築トリム | 高温での許容応力が必要な圧力容器およびボイラー |
| 穏やかな環境での化学プロセス配管およびタンク | ボイラーアプリケーションにおける過熱器および再加熱器のチューブ（高いクリープ強度が必要な場合） |
| 熱交換器、衛生用チューブ、ファスナー | 運転温度が高い炉および高温製造部品 |
| 一般的な製造、装飾的な建築部品 | 高温での高炭素オーステナイトの機械的特性が必要なアプリケーション |
選定の理由： - 一般的な耐食性、成形性、通常のサービス温度での溶接性が主な要件であり、溶接後の感作リスクを最小限に抑えることが重要な場合は304を選択します。 - 設計が高い許容応力または高温での強度向上を必要とする場合（例えば、典型的な300 °Cの閾値を超えて運転する圧力容器）、およびプロジェクトが感作および腐食リスクを管理するための適切な製造管理を指定する場合は304Hを選択します。
9. コストと入手可能性
- 304は世界中で最も一般的なステンレスグレードの1つであり、板、シート、コイル、チューブ、バーで広く入手可能です。そのコストは通常、300シリーズファミリー内で競争力があります。
- 304Hは認識されたバリアントであり、高温サービスに一般的に使用される製品形態（板、ボイラー用チューブ、圧力部品）で入手可能です。304よりも一般的な商品市場での在庫は少なく、炭素含有量の特定の製鋼所証明書の必要性に応じて、適度なプレミアムがかかる場合があります。
- リードタイムと入手可能性は、製品形態（シート/板対無縫製チューブ）および圧力容器または高温サービスに必要な認証に依存します。
10. 概要と推奨
| 側面 | 304 | 304H |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた；低い感作リスク | 良好だが、感作リスクが高い；手続き的管理が必要 |
| 強度–靭性 | 良好なバランス；優れた延性 | 高温での強度が高い；直接比較するとわずかに低い延性 |
| コスト & 入手可能性 | 広く入手可能；一般的に低コスト | 圧力温度アプリケーションに容易に入手可能；プレミアムがかかる場合あり |
結論： - 一般的な耐食性、優れた加工性と成形性、通常の溶接プロセスからの感作リスクを最小限に抑える必要がある場合は304を選択してください。304は、衛生機器、建築用途、および常温から中温での多くの化学サービスケースの実用的なデフォルトです。 - 設計が高い許容応力または高温サービス温度での変形抵抗の向上を必要とする場合（例えば、圧力容器、ボイラー、高温で運転する熱交換器）、および適切な溶接手順、溶接後の処理が可能であれば、または互換性のあるフィラー金属と製造手法を選択することで、炭化物析出のリスクを受け入れ管理できる場合は304Hを選択してください。
高温クリープ抵抗と許容応力表が材料選定を支配している場合（ASMEコード、圧力容器仕様）、必要なグレードと温度について適用されるコードを参照してください；多くの場合、304Hは304の許容応力限界が意図されたサービス温度に対して不十分な場合に現れます。