304対321 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
ステンレス鋼304および321は、産業で最も広く指定されているオーステナイト系グレードの2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択肢の間で腐食抵抗、高温安定性、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、一般的な腐食抵抗とコスト効率（304）を優先するか、高温での炭化物析出と粒界攻撃に抵抗するか（321）に集中することが多いです。
主な冶金的な違いは、321がチタン添加によって安定化され、炭素を炭化物として固定し、感作温度範囲にさらされた後の粒界腐食に対する抵抗を著しく改善することです。両者はオーステナイト系であるため、パイプ、容器、熱交換器、および高温や溶接を経験する可能性のある製造部品において頻繁に比較されます。
1. 規格と指定
- 304
- 一般的な指定: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10
- タイプ: オーステナイト系ステンレス鋼（ステンレス）
- 関連規格: ASTM A240（板）、ASTM A276（棒）、ASTM A312（パイプ）、ASME SA-240、EN 10088
- 321
- 一般的な指定: AISI 321, UNS S32100, EN 1.4541（または1.4541/1.4878バリアント）、JIS SUS321, GB 06Cr19Ni10Ti
- タイプ: オーステナイト系ステンレス鋼（チタン安定化ステンレス）
- 関連規格: ASTM A240, ASTM A312, ASME SA-240, EN 10088
両者はステンレスオーステナイト鋼に分類され、炭素鋼、工具鋼、またはHSLA鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、広く使用されている規格に基づく典型的な組成範囲（重量％）を示しています。正確な限界は特定の規格および製品形状に依存し、リストされた値は代表的なものです。
| 元素 | 304（典型的範囲、wt%） | 321（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | — (0) | — (0) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | — | min(5 × C, 0.70)（通常0.20–0.70） |
| B | — | — |
| N | 通常≤ 0.10 | 通常≤ 0.10 |
合金戦略の概要: - クロムとニッケルは安定したオーステナイトマトリックスを生成し、一般的な腐食抵抗を提供します。ニッケルはまた、靭性と成形性を改善します。 - 321のチタンは、炭化物析出を防ぐチタン炭化物/窒化物（TiC、TiN）を優先的に形成し、鋼が感作温度（約450–850 °C）にさらされたときに粒界でのクロム炭化物の析出を防ぎます。この安定化により、溶接後や長期間の高温サービス後の粒界腐食への感受性が低下します。 - 低炭素限界は炭化物析出の駆動力を減少させます; 304L（低炭素304）では、「L」バリアントが安定化なしで感作を減少させる別のルートを提供します。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造: 304と321は、焼鈍状態で完全にオーステナイト（面心立方）です。溶融および加工に応じて時折デルタフェライトを含みますが、主にオーステナイトです。
- 熱サイクルへの応答:
- 焼鈍: 溶解焼鈍（例: 製品に応じて1010–1150 °C）は炭化物を溶解し、均一化します。感作を避けるために急冷が使用されますが、321はTiが安定した炭化物を形成するため、感作に対して敏感ではありません。
- 溶接: 450–850 °Cの範囲での局所加熱は、安定化されていないグレードの粒界でクロム炭化物の析出を許す可能性があります。321のチタンは炭素と窒素を固定し、クロム炭化物の形成を制限し、粒界腐食抵抗を保持します。
- 熱機械加工: 冷間加工は転位密度を増加させ、一部のオーステナイト系ステンレス鋼でひずみによるマルテンサイトを引き起こす可能性があります（完全に安定化されたグレードではあまり一般的ではありません）。両方のグレードは加工硬化することができ、加熱時に回復が発生します。
- 正規化、急冷および焼戻しなどの熱処理ルートは、強化のためにオーステナイト系ステンレス鋼には通常適用されません — それらは加工硬化と固体溶解によって強化され、析出硬化は304/321には適用されません。
4. 機械的特性
以下の特性は、焼鈍状態における典型的なものであり、製品形状（シート、板、棒）、厚さ、および標準が値に影響を与えます。
| 特性（焼鈍） | 304（典型的） | 321（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（UTS） | 500–750 MPa | 500–750 MPa |
| 0.2% 降伏強度 | 205–310 MPa | 205–310 MPa |
| 伸び（50 mmで） | ≥ 40% | ≥ 40% |
| シャルピー衝撃（室温） | 良好; 延性破壊、高い吸収エネルギー | 304に類似; 高温でも靭性を保持 |
| 硬度（HB） | ~150–220 HB（冷間加工に応じて） | ~150–220 HB（冷間加工に応じて） |
解釈: - 焼鈍状態では、304と321は非常に似た引張、降伏、および延性特性を持っています。これは、マトリックス化学が広く比較可能であるためです。機械的性能の違いは通常小さく、加工履歴（冷間加工）や製品形状によって覆い隠されます。 - 両者は常温で高い靭性を持ち、適度に高温でも合理的な衝撃抵抗を維持します。強度は両方のグレードで冷間加工によって増加します。
5. 溶接性
304と321は、標準的なオーステナイト系ステンレス溶接技術で容易に溶接可能と見なされています。溶接に関する考慮事項: - 炭素含有量と安定化: 高い炭素含有量は、熱影響部（HAZ）でのクロム炭化物析出のリスクを高めます。321のチタンは、TiC/TiNを形成することでこのリスクを低減し、特に溶接後の熱曝露や感作温度での長期サービスが予想される場合に価値があります。 - 硬化性は低い; オーステナイト系ステンレス鋼は急冷によって硬化できません; 水素および凝固亀裂の懸念は、適切なフィラー金属と技術によって管理する必要があります。
溶接性指数の使用（定性的ガイダンス）: - 溶接のための炭素当量の例: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ この式は、冷間亀裂の感受性と鋼の前後の熱処理の必要性を予測するのに役立ちます。オーステナイト系ステンレス鋼の場合、絶対CEは直接的には適用されませんが、アプローチは合金元素が溶接挙動に影響を与えることを強調します。 - ステンレス鋼で使用される拡張パラメータ: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$は、溶接部での金属間化合物またはデルタフェライトの形成傾向を推定するために使用されます; 定性的な解釈は、321のような小さなTi添加がHAZおよび溶接金属の相のバランスを変えることを示唆しています。
実用的な意味: - 304の用途には、感作を避けるために一致または低炭素フィラー金属を使用します（例: 304の溶接にはER308L）。 - 感作範囲でサービスを受ける304を接合する場合、アプリケーションとコストに応じて321ベース材料、低炭素304L、または安定化フィラー金属を検討します。
6. 腐食と表面保護
- ステンレスグレードのみ（304、321）:
- 一般的な腐食抵抗は、主にクロム含有量とパッシブCr2O3膜の連続性によって支配されます。どちらのグレードもモリブデンを含まないため、塩素環境でのピッティング抵抗はMo含有グレードと比較して制限されています。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、MoおよびNの寄与が小さいか存在しないため、特に区別的ではありません; 参考のために: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 304/321（Mo = 0）の場合、PRENは本質的にCr含有量に小さなN効果を加えたものです — 両方のグレードは類似のPRENを持っています。
- 粒界腐食: 304は、炭素が存在し、粒界での炭化物析出が発生する場合、感作範囲での曝露後に粒界攻撃に対して感受性があります。321のチタンは炭素を捕捉し、この腐食モードを減少させるため、溶接部品や持続的な高温にさらされる部品に対して321が好まれます。
- 非ステンレス鋼（ここでは適用されません）: 一般的な保護には、亜鉛メッキ、塗装、およびコーティングが含まれます — 混合材料システムが使用される場合を除いて、304/321の選択には無関係です。
7. 加工、機械加工性、および成形性
- 切断と機械加工性:
- 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機械加工が難しいです。実際には、304は321よりもわずかに加工しやすいですが、違いは控えめです。
- 剛性のあるセットアップ、鋭い工具、高い送り速度、および適切な冷却剤を使用して、加工硬化を最小限に抑えます。
- 成形性と曲げ:
- 両方のグレードは、焼鈍状態で優れた成形性を持ち、深絞りや成形が可能です。321のチタン安定化は、場合によってはひずみ老化効果に対する感受性をわずかに低下させることがありますが、ほとんどの操作に対する成形性を実質的に変えることはありません。
- 表面仕上げ:
- 両者は研磨および電解研磨に良く反応します; 研削または溶接は、重要なアプリケーションで腐食抵抗を回復するために後処理のパッシベーションが必要です。
8. 典型的な用途
| 304 — 典型的な用途 | 321 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 食品加工機器、キッチン家電、シンク、および器具 | 航空機および航空宇宙の排気マニホールドおよびエンジン部品 |
| 高温にさらされない化学プロセス機器 | 高温で動作する炉およびオーブン部品、熱交換器 |
| 建築トリム、手すり、装飾用途 | 高温石油化学サービスにおける伸縮継手、ベローズ、および配管 |
| ファスナー、スプリング、および自動車トリム | 感作が懸念されるオートクレーブおよび蒸気部品 |
| 水、軽度の化学薬品用の一般的な配管およびタンク | 高温サービス用のチューブ; HAZ感作が予想される溶接アセンブリ |
選択の理由: - コストに敏感で、一般目的の腐食抵抗が必要な場合や、運転温度が感作範囲を下回る場合、または溶接構造に低炭素304Lが指定されている場合は304を選択します。 - 溶接アセンブリや部品が感作範囲の温度に繰り返しまたは持続的にさらされ、粒界腐食リスクを最小限に抑える必要がある場合、または中程度の高温での酸化抵抗が必要な場合は321を選択します。
9. コストと入手可能性
- コスト: 321は通常、チタン添加と需要量の低さにより、304よりもやや高価です。この差は市場の状況や製品形状によって異なります。
- 入手可能性: 両方のグレードは、シート、板、コイル、チューブ、パイプ、および棒で広く入手可能です。304は世界的により普及しているため、リードタイムと調達の柔軟性は一般的に304の方が321よりも良好です、特に特殊な製品形状において。
- 調達のヒント: 大規模プロジェクトの場合、仕上げ、製品形状、および認証要件を早期に指定します; 溶接の感作とコスト管理が主な懸念である場合は、321の代替として304Lを検討します。
10. まとめと推奨
| 属性 | 304 | 321 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 標準的な注意事項で優れた; 感作制御のために低炭素フィラーを使用 | 優れた; 安定化によりHAZ感作リスクが低減 |
| 強度–靭性（焼鈍） | 高い靭性、良好な延性; 321と同様の強度 | 比較可能な靭性と強度; 高温曝露後の安定性が向上 |
| コスト | 低い（より一般的） | 高い（チタン安定化） |
結論と実用的なガイダンス: - 常温サービス、食品および飲料環境、または低炭素フィラー金属によって溶接が制御できるアプリケーション、または溶接後の溶解焼鈍が可能な場合は、コスト効果の高い一般目的のオーステナイト系ステンレス鋼として304を選択します。 - コンポーネントが溶接され、その後感作範囲の温度（例: 450–850 °C）にさらされる場合、または部品が繰り返しの熱サイクルや長期間の高温サービスに耐える必要がある場合は、321を選択します。そうでなければ、炭化物析出が腐食抵抗と機械的安定性を損なうことになります。
最終的な注意: 材料選択は、正確なサービス条件（温度プロファイル、存在する化学物質、応力状態、および加工ルート）を考慮する必要があります。不明な場合は、腐食試験データまたは冶金エンジニアに相談し、必要に応じて試験（例: 粒界腐食試験）を指定するか、感作リスクを軽減するために低炭素または安定化合金を選択してください。