304対305 – 組成、熱処理、特性、および用途

はじめに

304および305は、加工、家電、建築、産業用途で広く使用されているオーステナイト系ステンレス鋼です。エンジニアや調達チームは、これらの選択肢を比較する際に、耐食性、成形性、溶接性、コストを考慮することが一般的です。選択のジレンマは、通常、プロジェクトが一方の合金の高い成形性と低い加工硬化率を必要とするか、もう一方の合金の広範でバランスの取れた特性と普遍的な入手可能性を必要とするかに焦点を当てます。

主な実用的な違いは、305が304に対して延性を高め、冷間成形を容易にするために合金化されていることです（主にニッケルの増加戦略とそれに関連する炭素および窒素の制御によって）。この違いは、深絞り、伸張成形、一部の加工操作において異なる性能を引き起こしますが、全体的な耐食性と高温安定性は類似しています。クロムと基鉄の含有量が重なるため、設計者は一般的な耐食性能を放棄せずにより良い成形を求める際に、304と305を比較することがよくあります。

1. 規格と呼称

• 一般的な国際規格：
• ASTM/ASME: 304は一般的にASTM A240/A666、UNS S30400に対応し、305はASTM A240（指定されている場合）およびUNS S30500に対応します。
• EN: 304 ≈ EN 1.4301 (X5CrNi18-10); 305 ≈ EN 1.4303 (X8CrNi21-7? — 注: 直接のEN等価物は正確な化学組成によって異なるため、特定の規格を参照してください)。
• JIS: 304 ≈ SUS304; 305 ≈ SUS305（使用される場合）。
• GB（中国）: GB/Tの呼称は国際的な化学組成を反映しています（正確な一致については最新のGB/T表を参照してください）。
• 分類: 304および305はオーステナイト系ステンレス鋼（ステンレスファミリー）であり、炭素鋼やHSLA鋼ではありません。これらは非磁性（焼鈍状態）であり、工具鋼ではありません。

2. 化学組成と合金化戦略

以下の表は、標準仕様および商業グレードで遭遇する典型的な組成範囲を示しています。正確な限界は標準および特定の製品形状によって異なりますが、これらは比較目的のための代表的な範囲です。

注: - 305は、304に比べて主にニッケル含有量が高いことが特徴です。ニッケルはオーステナイト相を安定させ、降伏点と加工硬化率を低下させ、延性を高めます。 - 炭素は感作と粒界腐食を制限するために制御されており、許容される最大炭素量は製品仕様によって異なり、加工後の耐食性に影響を与えます。 - モリブデンや他の微合金元素は、これらのグレードには一般的に存在しません。微量で存在する場合でも、典型的な耐食性に対して無視できる影響を持ちます。

合金化が特性に与える影響: - クロム（Cr）は、一般的な耐食性を提供する不活性酸化膜を形成します。 - ニッケル（Ni）はオーステナイトを安定させ、靭性と延性を高めます。305の高いNiは、ひずみ硬化指数を低下させ、深絞り能力を向上させます。 - 炭素と窒素は強度を高めますが、過剰な場合は感作（粒界クロムカーバイドの析出）を促進し、低炭素バリアントや安定化によって緩和されない限り、粒界腐食抵抗を損ないます。

3. 微細構造と熱処理応答

• 微細構造（典型的）: 304および305は、焼鈍状態で完全にオーステナイト相（面心立方）です。通常の焼鈍下ではマルテンサイト変態を受けませんが、厳しい冷間加工は一部のオーステナイト系グレードでひずみ誘発マルテンサイトを誘発することがあります（305はNiが高く、スタッキングフォールトエネルギーが低いため、304よりも感受性が低いです）。
• 熱処理: オーステナイト系ステンレス鋼は、焼入れおよび焼戻しによって硬化しません。標準的な加工ルートには、延性を回復し、カーバイドを溶解させるための焼鈍（約1010–1120°Cでの溶解焼鈍の後、急冷）が含まれます。
• 冷間加工: 加工硬化は強度を高めますが、延性を低下させます。305はニッケル含有量が高いため、加工硬化が遅く、深絞り、伸張成形、ロール成形に対して優れた成形性を提供します。
• 熱機械処理: どちらのグレードも通常、強度のために正規化や焼入れ–焼戻しを受けることはありません。機械的特性の調整は、冷間加工と溶解焼鈍サイクルを通じて達成されます。

4. 機械的特性

以下の機械的特性は、焼鈍された板/シート形状に典型的であり、特定の熱および製品形状に対する材料証明書で確認する必要があります。

解釈: - 両グレードは、焼鈍状態で高い靭性と良好な延性を提供します。305はわずかに低い降伏強度と改善された伸びを示す傾向があり、これは成形操作を容易にするための設計意図です。 - これらのオーステナイト系ステンレス鋼の強度は、熱処理よりも冷間加工によって強く影響されます。設計者は契約文書で必要な機械的特性を指定するべきです。

5. 溶接性

オーステナイト系ステンレス鋼の溶接性は、フェライト系グレードと比較して一般的に優れていますが、歪み、感作、溶接後の特性に注意が必要です。

有用な経験的指標: - 炭素当量（$CE_{IIW}$）は、冷間割れや硬化性の影響に対する感受性を定性的に評価するために使用されます: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Pcm（鋼の溶接における冷間割れ感受性を予測するための指標—ステンレスにはあまり適用されませんが、定性的な議論には有用です）: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

定性的解釈: - 304および305は、一般的なフィラー金属（例: 304用の308L/309Lファミリー）で容易に溶接できます。305はニッケルが高いため、固化割れに対してさらに少なくなり、熱影響部での延性を保持します。 - 感作を避けるために炭素制御が重要です。大きなセクションを溶接する際には、低炭素バリアント（304L）が指定されます。 - 溶接後の焼鈍は、ほとんどのサービス環境では一般的に必要ありませんが、ストレス緩和と清掃のベストプラクティスが適用されます。 - 重要な用途の場合、腐食および機械的特性に一致するフィラー合金を選択し、溶接コードおよびフィラー金属のデータシートを参照してください。

6. 耐食性と表面保護

• 一般的な耐食性: 304と305は、クロム含有量が類似しているため、一般的な大気腐食、食品業界の酸、および多くの有機および無機化学物質に対して広く類似した耐性を持っています。
• ピッティング/隙間腐食: どちらも重要なモリブデンを含まないため、塩化物が豊富な環境では、316グレードまたは高いPREN合金が望ましいです。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、モリブデンを含むステンレス鋼に有用です: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Mo ≈ 0およびNが304と305の両方で低いため、PRENは低く、この指数はここではほとんど利点を提供しません—どちらも保護措置なしで攻撃的な塩化物サービスには推奨されません。
• 非ステンレス鋼の表面保護: ここでは適用されません; 両方ともステンレスです。追加の保護が必要な場合、パッシベーション、電解研磨、およびコーティングを適用できます。
• 感作: 炭素の制御（および低炭素バリアントの使用）または溶解焼鈍は、溶接後の粒界腐食のリスクを低下させます。

7. 加工、機械加工、および成形性

• 成形性: 305は、深絞りおよび伸張成形性能を改善するために設計されました。高いニッケルは加工硬化率を低下させ、より大きな一段階の変形を可能にし、中間焼鈍を減少させます。
• 機械加工性: 304および305は、炭素鋼よりも加工が難しいです。305の低い加工硬化率は、一部の加工操作を容易にすることがあります（工具圧力の低下と急速硬化の傾向の低下）が、どちらも自由切削グレード（例: 303）には競争しません。鋭い工具、適切な送り、潤滑を使用してください。
• 曲げおよびエンボス加工: 305は、薄板作業において、一般的にスムーズな曲げを生成し、スプリングバックや亀裂を減少させます。
• 表面仕上げおよび成形: 305は、成形中の表面粗さのリスクを低下させます; 高品質の可視仕上げには、適切な表面仕上げを選択し、工具の摩耗を避けるために制御してください。

8. 典型的な用途

選択の理由: - 幅広い耐食性能、入手可能性、およびバランスの取れた機械的特性が重要な場合は304を選択してください。これは一般目的のステンレス鋼の業界標準です。 - 深絞り、伸張成形、および優れた延性が製造ステップや廃棄物を減少させる場合は305を選択してください。305は、わずかに高い材料コストにもかかわらず、複雑な成形部品の加工コストを低下させることができます。

9. コストと入手可能性

• コスト: 305は通常、304よりもニッケルを多く含むため、すべての条件が同じであれば、通常はキログラムあたりの価格が高くなります。ニッケル市場の変動性が相対的なコスト差を引き起こします。
• 入手可能性: 304は最も一般的に在庫されているオーステナイト系ステンレス鋼であり、シート、プレート、パイプ、チューブ、ワイヤー、バーで広く入手可能です。305は一般的な形状（シート、ストリップ、コイル）で入手可能ですが、すべての製品形状や厚さで広く在庫されていない場合があります。特殊な形状の場合、リードタイムが長くなることがあります。
• 調達のヒント: 高ボリュームのスタンプ部品の場合、下流の成形によるコスト削減が単位あたりの材料コストの増加を相殺する場合にのみ305を指定してください。一回限りまたは低ボリュームの製造の場合、304の供給の利点がしばしば優先されます。

10. まとめと推奨

結論: - 一般目的で広く入手可能でコスト効果の高いオーステナイト系ステンレス鋼が必要な場合は304を選択してください。良好な耐食性と従来の成形/溶接特性を持っています。 - 製造プロセスが優れた冷間成形性、深絞り、またはスプリングバックと加工硬化の低下を必要とする場合は305を選択してください。305は、より高い材料価格にもかかわらず、高ボリュームのスタンプまたは深成形部品で成形ステップと廃棄物を減少させることができます。

最終的な実用的ガイダンス: - 最終選択の前に、供給者のミルテストレポートおよび関連する標準（ASTM/EN/GB/JIS）で正確な化学的および機械的限界を確認してください。 - 溶接された、塩化物にさらされる、または高負荷の部品については、304と305の間のわずかな違いに依存するのではなく、代替合金（例: 316、デュプレックスグレード）や製造後の処理を評価してください。