304対304L - 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

ステンレス鋼304および304Lは、エンジニアリング、製造、調達において最も広く指定されているオーステナイト系グレードの一つです。エンジニアや調達マネージャーは、通常、腐食抵抗、溶接性、機械的強度、コストを考慮して選択します。製造プランナーは、重い溶接、溶接後の処理、成形、表面仕上げの要件など、下流の加工も考慮しなければなりません。

主な実用的な違いは炭素含有量です：304Lは304の低炭素バリアントであり、溶接や高温曝露中のクロムカーバイドの析出（感作）のリスクを減らすように設計されています。この区別が、304と304Lが一般的に比較される理由です — それらはほぼ同じ腐食性能と微細構造を提供しますが、304Lの低炭素は、製造後に溶液アニーリングできない溶接アセンブリや部品の性能を向上させます。

1. 標準と指定

主要な標準と一般的な指定： - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA240（圧力容器および一般用途のための板、シート、ストリップ）。 - EN: EN 10088シリーズ（ステンレス鋼 — 様々な製品標準）。 - JIS: SUS304およびSUS304L。 - GB: 中国標準における0Cr18Ni9（304）および0Cr18Ni9L（304L）の同等品。

材料分類： - 304および304Lは、オーステナイト系ステンレス鋼です（完全にオーステナイトの場合、ステンレスで非磁性）。 - それらは炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではなく、腐食に強いステンレス合金です。

2. 化学組成と合金戦略

仕様で使用される典型的な組成範囲（wt%）；実際の許容最大/最小は標準によってわずかに異なります：

元素	304（典型/仕様範囲）	304L（典型/仕様範囲）
炭素（C）	≤ 0.08%	≤ 0.03%
マンガン（Mn）	≤ 2.0%	≤ 2.0%
シリコン（Si）	≤ 1.0%	≤ 1.0%
リン（P）	≤ 0.045%	≤ 0.045%
硫黄（S）	≤ 0.03%	≤ 0.03%
クロム（Cr）	18.0–20.0%	18.0–20.0%
ニッケル（Ni）	8.0–10.5%	8.0–12.0%
モリブデン（Mo）	≤ 0.10%（一般的にはなし）	≤ 0.10%
窒素（N）	≤ 0.10%（微量）	≤ 0.10%
Nb, Ti, V, B	微量 / 通常は添加されない	微量 / 通常は添加されない

合金戦略と効果： - クロムは、ステンレス鋼に腐食抵抗を与える不活性酸化物膜を提供します。典型的なCr含有量（≈18–20%）は「18-8」ステンレス鋼を定義します。 - ニッケルはオーステナイト（FCC）構造を安定させ、靭性と延性を高め、成形性を改善します。 - 炭素は強度と硬度をわずかに増加させますが、425–850°Cの範囲で感作のリスクが高まります；炭素はクロムと反応して粒界でクロムカーバイドを形成し、局所的にCrを枯渇させ、腐食抵抗を低下させます。 - 304Lは炭素を減少させ、溶接中のカーバイド析出を制御します；ニッケルの範囲はオーステナイトの安定性を保つためにわずかに調整されることがあります。 - マンガンとシリコンは脱酸剤であり、わずかな強度の寄与をします；窒素が存在する場合、強度とピッティング抵抗を徐々に増加させることができます。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造： - 両グレードは、アニーリング状態で本質的に完全にオーステナイト（面心立方）です。オーステナイトは、低温から高温まで優れた延性と靭性を提供します。 - 304も304Lも、オーステナイトであり、熱処理でマルテンサイトに変化しないため、従来の焼入れおよび焼戻し硬化には反応しません。強化は主に冷間加工（ひずみ硬化）によって達成されます。

熱処理と微細構造の進化： - 溶液アニーリング（典型的な範囲：$1010^\circ\text{C}$–$1150^\circ\text{C}$）は、析出物を溶解し、延性を回復し、腐食抵抗を戻します；カーバイド析出を避けるために急冷（水または空気への焼入れ）が必要です。 - 感作：おおよそ$425^\circ\text{C}$–$850^\circ\text{C}$の範囲での曝露は、粒界でクロムカーバイドを析出させる可能性があります。304は炭素が高いため304Lよりも感受性が高いです；304Lは、溶接後の溶液アニーリングが実用的でない場合に指定されます。 - 約600°C以上での長時間の曝露は、重度に冷間加工または合金化されたバリアントにおいてシグマ相や他の金属間化合物を促進する可能性があります；これらは標準の304/304Lサービスでは一般的ではありませんが、高温サービスでは考慮すべきです。

加工ルート： - 正常化は、これらのオーステナイト系グレードにとって意味のある強化操作ではありません。 - サーモメカニカルルート（冷間圧延、アニーリング）は、シートまたはストリップ製品のための粒子サイズとテクスチャを制御します；最終アニーリングはオーステナイト微細構造を固定します。

4. 機械的特性

典型的な機械的特性の最小値（アニーリング状態）、製品標準で一般的に指定される：

特性	304（アニーリング、典型）	304L（アニーリング、典型）
引張強度（Rm）	≈ 515 MPa（最小）	≈ 485 MPa（最小）
0.2% 降伏強度（Rp0.2）	≈ 205 MPa（最小）	≈ 170 MPa（最小）
伸び（A）	≥ 40%（50 mmで）	≥ 40%（50 mmで）
衝撃靭性（室温）	高靭性	高靭性
硬度（HB / HRB）	中程度、ひずみ硬化挙動	わずかに低い初期硬度

解釈： - 304は通常、炭素が高いため304Lよりもわずかに高い最小降伏強度と引張強度を示します。実際には、違いは控えめで、両者とも延性と靭性があります。 - 両グレードは、低温まで優れた靭性を維持します；どちらも、通常の産業で遭遇するサービス温度では脆くありません。 - 強度の違いは、設計が許容応力限界に近い場合や、溶接後の強度低下が要因となる場合に最も関連性があります。

5. 溶接性

溶接性要因： - 低炭素は、感作範囲を通過する際に粒界でクロムカーバイドを形成する傾向を減少させます。したがって、低炭素は溶接後の粒界腐食への感受性を低下させます。 - オーステナイト系ステンレス鋼の硬化性は低いです；冷却時に硬いマルテンサイト構造を形成しないため、硬い相からの亀裂は主な懸念事項ではありません。しかし、冷間加工や熱サイクルは、特定の条件下で304にひずみ誘発マルテンサイトを生成する可能性があります；304Lは、わずかに異なる組成を持つため、ひずみ誘発マルテンサイトに対してわずかに少ない傾向があります。

有用な溶接性指数（定性的解釈）： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 溶接性評価のためのピッティング腐食当量（Pcm）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈： - より低い$C$は、$CE_{IIW}$と$P_{cm}$の両方を減少させ、熱亀裂感受性の低下と溶接中の分離/感作のリスクの低下を示します。 - 実際には、304Lは通常、大きな熱集中的な溶接部でより容易に溶接されます。なぜなら、低炭素含有量が粒界腐食リスクを低下させ、溶接後の溶液アニーリングを必要としないからです。 - 304（高炭素）を溶接する際、設計者はしばしば熱入力を制御し、安定剤を含むフィラー金属を使用する（例：一部のフィラーにおけるTiまたはNb）か、溶接ゾーンの腐食抵抗が基材と等しくなる必要がある場合は、溶接後の溶液アニーリングを行います。

溶接実践の注意点： - サービスおよび腐食要件に応じて、マッチングまたは低炭素フィラー金属を使用します。 - 感作範囲での保持時間を最小限に抑え、急冷または局所加熱制御を使用します。 - 重要な腐食環境では、304Lまたは安定化グレード（例：321、347）が好まれます。溶接後の溶液アニーリングが実用的でない場合。

6. 腐食と表面保護

腐食挙動： - 304と304Lは、雰囲気、軽度の酸性、アルカリ環境における一般的な腐食抵抗のために、クロムに富んだ不活性膜に依存しています。 - ピッティングおよび隙間腐食抵抗は、モリブデンが欠如しているため制限されています；したがって、塩化物や攻撃的な海洋環境では、より高合金のグレード（316、デュプレックスなど）が好まれます。

PRENの関連性： - PRENは、塩化物ピッティングに対する抵抗を評価するために使用されます；これらのグレードの場合： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - 304/304Lの場合、Moは実質的にゼロまたは非常に低く、Nも低いです；PREN値は控えめであるため、どちらのグレードも厳しい塩化物環境には推奨されません。

感作と粒界腐食： - 304が不利になる主な腐食の懸念は、溶接後やクロムカーバイドが析出する臨界温度範囲での長時間曝露後の粒界腐食です。 - 304Lの低炭素はカーバイド形成を減少させ、溶接ゾーンでの粒界腐食のリスクを低下させます。

非ステンレス鋼の表面保護： - ここでは適用されません；非ステンレス炭素鋼の場合、亜鉛メッキやコーティングが一般的です。304/304Lの場合、表面パッシベーション（硝酸またはクエン酸パッシベーション）や酸洗いが一般的で、製造後に不活性膜を回復または改善します。

7. 加工、機械加工性、成形性

成形および曲げ： - 両グレードは優れた冷間成形性を示します；304Lはわずかに降伏強度が低いため、成形がやや容易かもしれません。 - すべてのオーステナイト系ステンレス鋼は急速に加工硬化します；成形操作は、重度の変形のために中間アニーリングを必要とすることがよくあります。

機械加工性： - オーステナイト系ステンレス鋼は、高い延性と加工硬化のため、炭素鋼よりも加工が難しいです。304と304Lは同様の機械加工性を持ちます；プロセス制御（剛性工具、鋭いインサート、適切なチップ制御、潤滑剤/冷却剤）が重要です。 - 304Lのわずかに低い強度は、一部の操作で切削力をわずかに軽減する可能性があります。

表面仕上げ： - 両グレードは、必要な表面仕上げを達成するために、研磨、パッシベーション、電気化学的処理、ビードブラストが可能です。304Lは、溶接後のアニーリングなしで溶接部全体で一貫した仕上げが必要な溶接アセンブリに頻繁に使用されます。

8. 典型的な用途

304 — 典型的な用途	304L — 典型的な用途
キッチン機器、食品加工、飲料プラント	化学プラントの重い溶接容器および配管
建築トリム、装飾パネル	溶接後のアニーリングが実用的でない溶接貯蔵タンクおよび容器
熱交換器（軽度の環境）	広範な溶接を伴う下水および廃水配管およびタンク
ファスナー、スプリング（腐食抵抗と強度が必要な場合）	溶接部での腐食抵抗が必要な製薬およびバイオテクノロジーの溶接システム
自動車トリム、消費財	感作リスクが懸念される大きな溶接ボリュームを持つ圧力容器および配管

選択の理由： - より高い最小強度とわずかに低い材料コストが許容され、溶接が制限されているか、溶接後のアニーリングが可能な場合は304を選択します。 - 重い溶接、製造後の溶液アニーリングが不可能、または溶接後の条件がわずかに腐食性であることが予想される場合は304Lを選択します。

9. コストと入手可能性

• 両グレードは、板、シート、ストリップ、チューブ、バーの形状で世界中で広く入手可能です。
• 304は通常、最も一般的であり、多くの市場では生産量が多く、炭素管理がそれほど厳しくないため、わずかに安価です。
• 304Lは、溶融および加工中の炭素管理が厳しいため、わずかなプレミアムがかかることがありますが、コストのかかる溶接後の熱処理を排除する際の総製造コストに比べて、そのプレミアムはしばしば小さいです。
• 標準製品形状でのリードタイムと入手可能性は、両者とも一般的に優れています；非常に大きな製造品や特別なミル認証の場合は、スケジュールの影響を供給者と確認する必要があります。

10. まとめと推奨

基準	304	304L
溶接性（感作に対する抵抗）	良好；重い溶接には注意が必要	重い溶接部およびPWHTが行われない場合に優れています
強度–靭性	わずかに高い最小強度；同等に高い靭性	わずかに低い最小強度；同等に高い靭性
コスト	通常わずかに低い	通常わずかに高いが、溶接システムにとってはコスト効果が高いことが多い

推奨： - あなたの設計がわずかに高い最小強度の恩恵を受け、溶接慣行（低熱入力、適切なフィラー金属の使用）を制御できる場合、または溶接後に腐食抵抗を回復するために溶液アニーリングを行うことができる場合は304を選択してください。 - コンポーネントや配管が広範な溶接を伴い、溶接後の溶液アニーリングが実用的でない場合、または溶接接合部での粒界腐食が懸念される場合は304Lを選択してください。304Lは、溶接圧力容器、貯蔵タンク、および腐食抵抗を維持することが重要な重い配管において、しばしばより安全でリスクの低い選択肢です。

結論：304と304Lは、堅牢で広く指定されているオーステナイト系ステンレス鋼です。設計の決定は通常、溶接慣行と、改善された溶接後の腐食抵抗のための最小強度のわずかなトレードオフの受容可能性に基づいています。重要なまたは塩化物に曝露されるサービスの場合は、より高合金（Mo含有）ステンレスグレードまたはデュプレックス代替品を検討してください。