304対321 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
オーステナイト系ステンレス鋼304および321は、設計、製造、調達において最も一般的に指定されるグレードの一つです。エンジニアや調達専門家は、これらの選択肢の中から腐食抵抗、高温安定性、溶接性、コストのトレードオフを日常的に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、圧力容器の製造、食品および飲料機器、熱交換器の部品、高温にさらされる溶接アセンブリが含まれます。
主な特徴は、あるグレードが炭化クロムの析出に対して安定化されていることで、炭化物形成剤を意図的に添加することにより、425〜870 °Cの感作範囲における粒界腐食に対する抵抗が向上します。両グレードは類似のクロム-ニッケルマトリックスを共有しているため、高温または溶接用途における安定化が提供するコストと性能の利点についてしばしば比較されます。
1. 規格と指定
- 一般的な国際規格：
- ASTM/ASME: 304 (UNS S30400 / ASTM A240), 321 (UNS S32100 / ASTM A240)
- EN: 1.4301 (304), 1.4541 (321)
- JIS: SUS304, SUS321
- GB (中国): 06Cr19Ni10 (約304), 0Cr18Ni9Ti (約321)
- 分類: 両者はオーステナイト系ステンレス鋼（ステンレス）、焼鈍状態で非磁性、炭素鋼、合金鋼、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
| 元素 | 典型的な304 (wt%) | 典型的な321 (wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | 0.00–0.60 (通常はなし) | 0.00–0.60 (通常はなし) |
| V | — | — |
| Nb (Nb) | — (添加されていない) | — (主な安定剤ではない; 通常は存在しない) |
| Ti | — (存在する場合は通常≤ 0.10) | 0.15–0.70 (安定剤) |
| B | — | — |
| N | 微量 ~0.10まで | 微量 ~0.10まで |
注記： - 表は一般的な商業範囲を示しています; 正確な限界は特定の規格および製品形状に依存します。 - グレード321は、炭素を炭化チタン/窒化チタンとして結合させるために、制御された範囲でチタンを意図的に含有しており、粒界でのクロム炭化物の析出を防ぎます。 - 合金戦略: クロムは腐食抵抗を提供し; ニッケルはオーステナイト構造を安定化させ; 321のチタンは感作を防ぎ、溶接後または高温曝露後の粒界腐食抵抗を改善します。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造（焼鈍状態）: 両グレードは完全にオーステナイトで、均一に分布したオーステナイト粒を持っています。炭化物は適切に安定化された321では最小限であり、焼鈍された304では通常細かく分布しています。
- 感作と安定化:
- 304は、425〜870 °Cの範囲で保持されると、粒界でのクロム炭化物の析出に対して感受性があり、これが粒界腐食を促進する可能性があります。
- 321は、炭素と窒素を優先的に消費するチタン炭化物/窒化物を形成し、クロム炭化物の形成を最小限に抑え、したがって粒界攻撃に対する感受性を低下させます。
- 熱処理応答:
- オーステナイト系ステンレス鋼は、フェライト/パーライト鋼に典型的な焼入れおよび焼戻しによって強化されることはありません。溶解焼鈍（例: 規格に応じて1010〜1150 °C）の後、急冷することで腐食抵抗と延性が回復します。
- 冷間加工は、ひずみ硬化を通じて強度を増加させ、腐食性能を変える可能性があります; 回復/焼鈍は延性を回復するために使用されます。
- ノーマライズは炭素鋼に対するのと同じ意味では適用されません—溶解焼鈍と焼入れは、合金鋼の微細構造を調整するために使用されるノーマライズ/焼入れおよび焼戻しプロセスとは異なります。
4. 機械的特性
| 特性（焼鈍状態） | 典型的な304 | 典型的な321 |
|---|---|---|
| 引張強度 (MPa) | ~500–600 | ~500–600 |
| 0.2% 限界 / 降伏 (MPa) | ~170–275 (一般的に≈205) | ~170–275 (一般的に≈205) |
| 伸び (% in 50 mm) | ~40–60 | ~40–60 |
| 衝撃靭性 | 常温で良好; 中程度の低温でも靭性を保持 | 304に類似; 安定化により高温サービス温度で靭性をより良く保持 |
| 硬度 (ブリネル / HB) | ~100 HB (~80–200は加工硬化に依存) | ~100 HB (類似) |
説明: - 焼鈍状態では、両グレードは基準となる機械的特性が非常に類似しているのは、マトリックス化学（Cr–Niオーステナイト）が比較可能であるためです。 - 冷間加工またはひずみ硬化は、両者の強度と硬度を著しく増加させます。 - チタンによる安定化は常温強度に最小限の影響を与えますが、感作された304の粒界における炭化物の析出を防ぐことにより、熱サイクル下での性能を改善します。
5. 溶接性
- 304および321は、一般的なプロセス（GMAW/MIG、GTAW/TIG、SMAW）を使用して容易に溶接できると考えられています。低炭素含有量は、高炭素鋼に典型的な溶接金属の硬化や水素亀裂の問題を回避するのに役立ちます。
- 溶接に関する考慮事項:
- 304は、感作範囲を通じて冷却が遅い場合や、サービスが溶接アセンブリを感作温度にさらす場合、熱影響部（HAZ）で粒界腐食に対して感受性がある可能性があります。
- 321のチタン安定剤は炭素を結合させ、HAZでのクロム炭化物の析出を減少させます; したがって、321は長時間高温にさらされる溶接部品に好まれます。
- 一般的な溶接性指標（定性的に解釈）:
- 炭素当量 (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
低い $CE_{IIW}$ は溶接が容易であることを示します; 両グレードは高合金鋼と比較して低い炭素当量を持っています。 - ピッティング抵抗等価数 (PREN) は溶接性指標ではありませんが、腐食ランク付けに役立ちます（次のセクションを参照）。
- 簡略化された結合パラメータ:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
高い $P_{cm}$ は高い亀裂傾向を示す可能性があります; チタンは $P_{cm}$ をわずかに増加させますが、感作に対する有益な安定化を提供します。 - 実用的なガイダンス: 溶接後の高温曝露が考えにくい一般的な製造の場合、304は受け入れ可能でコスト効果があります。感作温度にさらされる溶接部品の場合、321は粒界腐食のリスクを低下させ、溶接後の溶解焼鈍を必要としません。
6. 腐食と表面保護
- ステンレスグレード:
- MoおよびNが変動する場合のピッティング抵抗評価にはPRENを使用:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
304および321では、MoおよびNは低いため、PREN値は控えめであり、Moを含むデュプレックスまたはスーパーオーステナイトグレードと比較して高いピッティング抵抗はありません。 - 一般的な腐食: 両グレードは、クロム含有量のおかげで常温での一般的な水中腐食に対して優れた抵抗を示します。
- 粒界腐食: 304は感作温度にさらされた後に脆弱になる可能性があります; 321はこのリスクを低下させるように安定化されています。
- 非ステンレス鋼:
- ここでは適用されません; 304/321は組成によって腐食抵抗を提供することを意図しているため、一般的な非ステンレス表面保護方法（亜鉛メッキ、塗装）は無関係です。
- ステンレスが不十分な場合:
- 塩素汚染環境やピッティングが懸念される場合は、Moを含むグレード（例: 316）やデュプレックス/スーパーオーステナイト合金を検討してください。
7. 製造、加工性、成形性
- 加工性:
- オーステナイト系ステンレス鋼は、一般的に高い加工硬化と低い熱伝導性のため、炭素鋼よりも加工が難しいです。
- 304および321は比較可能な加工性を持ち、専門的な工具、遅い速度、および重い送りが典型的です。
- 成形性:
- 焼鈍状態での優れた延性と成形性により、両グレードとも深絞りや複雑な成形が可能です。
- スプリングバックと加工硬化は軟鋼よりも大きいため、厳しい変形には成形余裕と中間焼鈍を計画してください。
- 表面仕上げ:
- 両者は標準的な仕上げ（研磨、パッシベーション、電解研磨）を良好に受け入れます。製造後の表面クロム酸化物を回復するために、硝酸またはクエン酸によるパッシベーションが一般的に使用されます。
- 溶接および後処理:
- 感作を避ける必要があり、溶接後に溶解処理できないアセンブリの場合、321は高価な溶接後熱処理の必要性を排除できます。
8. 典型的な用途
| 304 — 典型的な用途 | 321 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 食品および飲料機器、キッチン用品、シンク | 航空機排気システム、膨張継手、高温炉部品 |
| 非塩素サービス用の化学機器 | 500〜800 °Cにさらされる熱交換器のチューブおよび溶接アセンブリ |
| 建築トリムおよび屋内手すり | 感作リスクがある石油化学用の高温ガスダクト |
| 常温から中温での圧力容器および配管 | 安定化を必要とする航空宇宙および高温産業部品 |
選択の理由: - 一般的な腐食抵抗、成形性、コストが主な基準であり、感作温度に長期間さらされる可能性が低い場合は304を選択してください。 - 溶接アセンブリや部品が感作範囲内の温度に繰り返しさらされる場合、または熱曝露後の粒界腐食が重要な故障モードである場合は321を選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト:
- 304は一般的であり、通常321よりも安価です。これは生産量が多く、化学組成が単純であるためです。
- 321は、チタンの添加および特殊な高温グレードであるため、わずかなプレミアムが発生します。
- 製品形状による入手可能性:
- 304は、シート、プレート、コイル、チューブ、バー、ファスナーとして世界中で広く入手可能です。
- 321も広く入手可能ですが、一部の製品形状（例: 特殊チューブや大口径鍛造品）ではリードタイムや在庫サイズが304と比較して小さい場合があります。
- 調達に関する考慮事項:
- 大規模プロジェクトの場合、ニッケル市場の価格変動は両グレードに影響を与えます; 321は生産ロットが厳しいため、わずかに高い感度を示す可能性があります。
10. 概要と推奨
| 属性 | 304 | 321 |
|---|---|---|
| 溶接性 | ほとんどの用途に対して優れています; HAZの感作リスクに注意 | 優れています; 安定化された化学組成が溶接後の粒界腐食リスクを低下させます |
| 強度–靭性（焼鈍状態） | 比較可能; 良好な靭性と延性 | 比較可能; 改善された熱安定性を持つ類似の靭性 |
| コスト | 低い（一般的） | 高い（チタン安定化された特殊グレード） |
推奨事項: - 304を選択する場合: - アプリケーションが常温または中温での一般的な腐食抵抗を必要とする場合。 - コスト、入手可能性、成形/加工の便利さが主な懸念事項である場合。 - 溶接アセンブリが425〜870 °Cの感作範囲で長時間サービスにさらされない場合、または溶接後の熱処理が実施可能な場合。 - 321を選択する場合: - 部品が溶接され、クロム炭化物の析出を促進する温度に繰り返しさらされる場合（感作）、または溶接後の溶解焼鈍が実用的でない場合。 - 高温安定性と粒界腐食に対する抵抗が重要である場合（例: 熱交換器、排気システム）。 - メンテナンスの削減と長期的な信頼性の向上のために、わずかに高い材料コストが許容される場合。
最終的な注意: 両グレードは耐久性があり、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。304と321の選択は、通常、部品の曝露温度プロファイルと、溶接後または熱サイクル後の長期性能を確保するために粒界腐食に対する安定化（チタン添加による）が必要かどうかに依存します。