304H vs 321H – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
304Hおよび321Hは、圧力容器、高温、一般的な製造環境で広く使用されるオーステナイト系ステンレス鋼の2つです。エンジニアや調達チームは、これらの選択時に腐食抵抗、高温性能、製造コストを頻繁に考慮します。一般的な意思決定の文脈には、サービス温度（クリープおよび炭化抵抗）、溶接中の感作に対する感受性およびその後の粒界腐食、寿命メンテナンスの考慮が含まれます。
主な実用的な違いは、1つの合金が炭化物の析出を制御し、中間温度範囲への曝露後の腐食抵抗を維持するために安定化元素で意図的に合金化されているのに対し、もう1つは高温強度を向上させるために高い炭素に依存していることです。両者は300シリーズのオーステナイト系ファミリーの誘導体であるため、高温機械的強度と粒界攻撃に対する長期的な抵抗の間のトレードオフがバランスを取る必要がある場合によく比較されます。
1. 規格と呼称
- 一般的な国際規格および仕様：
- ASTM/ASME: A240/A312（ステンレス用のシート/プレートおよびチューブ）、A182（鍛造用）など。
- EN: EN 10088シリーズ / EN ISO同等。
- JIS: JIS G4303、G4311など。
- GB: 中国のステンレス鋼に関する国家規格。
- 分類：
- 304H — ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス（304の高炭素バリアント）。
- 321H — ステンレス鋼、チタンで安定化されたオーステナイト系ステンレス（クリープ強度のために「H」が高炭素を示す321の高炭素バリアント）。
注：正確な数値の呼称および組成限界は規格によって異なる場合があります。常に適用される仕様および製造証明書で確認してください。
2. 化学組成と合金戦略
表：典型的な組成範囲（wt%）。値は仕様で一般的に使用される代表的な範囲です。正確な限界については、制御規格または製造試験報告書を参照してください。
| 元素 | 304H（典型的wt%） | 321H（典型的wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.04 – 0.10 | 0.04 – 0.10 |
| Mn | ≤ 2.0（典型1.0–2.0） | ≤ 2.0（典型1.0–2.0） |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 17.0 – 19.0 | 17.0 – 19.0 |
| Ni | 8.0 – 10.5 | 8.0 – 12.0 |
| Mo | ~0（微量） | ~0（微量） |
| V | 微量 | 微量 |
| Nb (Cb) | 微量/0 | 微量/0 |
| Ti | 0（微量） | 0.15 – 0.7（安定剤） |
| B | 微量 | 微量 |
| N | 微量（最大~0.1） | 微量（最大~0.1） |
合金が特性に与える影響 - 炭素（C）： 「H」グレードの高炭素は、昇温時の溶解強化およびクリープ強度を高めますが、安定化されていない場合、中間温度でのクロム炭化物形成のリスクが増加します。 - クロム（Cr）： 一般的な腐食抵抗およびパッシベーション膜形成のための主要元素。 - ニッケル（Ni）： オーステナイトを安定化し、靭性および延性を改善し、腐食抵抗を助けます。 - 321Hのチタン（Ti）： 炭素を優先的に結合して安定したTiC/Ti(C,N)を形成し、クロム炭化物の形成を減少または防止します。これにより、感作温度に曝露された後の感作および粒界腐食が減少します。 - その他の元素（Mn、Si、N）： 機械的特性、脱酸化挙動、ピッティング抵抗（N）を調整します。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造 - 両グレードは、溶解アニーリング状態でオーステナイト（面心立方）です。主な特徴は、化学組成および熱履歴に応じて、可能な微細炭化物、窒化物、安定剤析出物を伴うオーステナイトマトリックスです。 - 304H： 高炭素により、感作範囲（約425–850 °C）に曝露されたときに、粒界に沿ってクロム炭化物（Cr23C6）を形成する傾向が高まります。安定化なしで溶解アニーリングから冷却された場合、特定の熱サイクルの下で感作が発生する可能性があります。 - 321H： チタンは優先的にTiC/Ti(C,N)析出物を形成し、炭素を結びつけて粒界でのCr炭化物の析出を減少または防止します。
熱処理応答 - 溶解アニーリング（オーステナイト系ステンレスに典型的）： 高温アニーリングの後、急冷することで均一なオーステナイトが回復し、ほとんどの析出物が溶解します。両グレードにとって、溶解アニーリングは、完全な溶解が可能な場合に以前の感作を除去する標準的な方法です。 - 安定化： 321Hのチタン含有量は、通常の溶解アニーリングを超える特別な安定化熱処理を必要としません。安定化は、TiC形成を通じて冶金的に発生します。 - 冷間加工および時効： 冷間加工は強度を増加させますが、オーステナイト系ステンレスの塩素環境における応力腐食割れに対する感受性を高める可能性があります。 - 正常化/焼入れおよび焼戻し： これらはオーステナイト系であり、変態しないステンレスグレードであるため、従来の意味では適用されません。フェライト系またはマルテンサイト系鋼と同じように焼入れおよび焼戻しに反応しません。
4. 機械的特性
表：典型的な機械的特性の範囲（室温、アニーリング/溶解アニーリング条件）。これらは代表的であり、製品形状、温度、および熱処理に強く依存します。
| 特性 | 304H（典型的） | 321H（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ~500 – 700 | ~480 – 700 |
| 降伏強度（0.2%証明、MPa） | ~200 – 310 | ~200 – 310 |
| 伸び（%） | ~40 – 60 | ~40 – 60 |
| 衝撃靭性（シャルピーV、J） | 常温で良好；冷間加工で低下 | 常温で良好；冷間加工で低下 |
| 硬度（HB/HRB） | アニーリング状態では比較的低い | アニーリング状態では304Hと同様 |
説明 - 強度： 両グレードはアニーリング状態で広く似た引張および降伏特性を持っています。Ni含有量や炭素/安定剤状態のわずかな違いにより、わずかな差異が生じることがあります。「H」炭素の増加は、昇温時の標準304に対してやや強化された高温強度を提供します。 - 靭性/延性： オーステナイト構造は、両者において常温で優れた延性および靭性を与えます。冷間加工および脆化析出物（例：連続的なCr炭化物）は靭性を低下させる可能性があります。 - 高温： 304Hおよび321Hは高温で延性を保持します。ただし、321Hは炭化物の析出に抵抗するため、感作範囲での繰り返しまたは長期的な曝露が予想される場合や、熱サイクル後の腐食特性が重要な場合に好まれます。高温での長期的なクリープ抵抗については、製品/熱に特有のクリープデータを参照してください。
5. 溶接性
304Hおよび321Hは、標準的なプロセス（SMAW、GMAW/MIG、GTAW/TIGなど）によって溶接可能と見なされていますが、重要な考慮事項があります：
- 炭素/硬化性： 高炭素は、HAZ内での感作または脆い金属間化合物の形成のリスクを高めます。安定化（321H）は、炭素を結びつけることでこのリスクを最小限に抑えます。
- 溶接性指数： 溶接性リスクを推定するために一般的に使用される経験的な式には、以下が含まれます：
- IIW炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- ディアーデン＆スミス（Pcm）指数： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- 解釈（定性的）： 高い$CE_{IIW}$または$P_{cm}$値は、炭素鋼における硬化性の増加およびHAZ割れのリスクの増加と相関します。オーステナイト系ステンレス鋼に対しては、これらの式は慎重に使用されます。304Hの高炭素はHAZ炭化物の析出に対する感受性を高め、インターパス温度および溶接後の処理に注意が必要です。321Hは、Tiによる安定化により、溶接後の粒界攻撃に対して通常より良好な抵抗を示します。これにより、感作範囲の曝露が発生する溶接された高温アセンブリにおいて321Hが好まれます。
実用的なガイダンス - 低酸素、低硫黄の消耗品および適切なフィラー金属（マッチングまたは安定化された同等品）を使用してください。 - 熱入力およびインターパス温度を制御して、粒界析出を制限します。 - 粒界腐食が許容できない重要なサービスの場合は、安定化されたグレード（321/321H）を選択するか、可能な場合は溶接後の溶解アニーリングを適用してください。
6. 腐食および表面保護
- オーステナイト系ステンレスの文脈： 両者はステンレスであり、酸化環境における一般的な腐食抵抗はクロムのパッシベーションにより優れています。局所的な攻撃（ピッティング/クレバス）は塩素レベルに依存し、組成および表面仕上げが類似している場合、両者の間で実質的に異なることはありません。
- 感作および粒界腐食： 304Hは高炭素により、感作温度範囲での熱曝露後にクロム炭化物を形成する可能性が高く、これが粒界腐食につながる可能性があります。321Hのチタン安定剤は、代わりにチタン炭化物を形成することでこのリスクを減少させます。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、モリブデンフリーの300シリーズ合金にはあまり役立ちませんが、一般的な式は次のとおりです： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ これらのグレードでは、Moは実質的にゼロであるため、PRENの違いは最小限であり、主に窒素含有量に依存します。
- 非ステンレスシナリオの表面保護： ここでは適用されませんが、非常に攻撃的な環境では追加のコーティングや陰極保護が必要な場合があります。
7. 製造、加工性、および成形性
- 成形性： オーステナイト構造は、アニーリング状態で両グレードに優れた成形性および深絞り特性を提供します。冷間加工は強度を増加させますが、延性を低下させます。
- 加工性： 一般的なオーステナイト系ステンレス鋼は、炭素鋼と比較して加工性が悪いから中程度です。高炭素（304H/321H）は加工性を大幅に改善しません。適切な工具材料（カーバイドチップ）、剛性のあるセットアップ、および高い正のラケ工具を使用してください。加工中に作業硬化が予想されるため、チップ制御および切削パラメータが重要です。
- 表面仕上げおよび研磨： 両者は良好に研磨および仕上げが可能です。321Hは、製造後にTiN/TiC粒子が存在する場合、わずかに異なる酸洗/研磨パラメータが必要になることがあります。
8. 典型的な用途
表：グレードごとの一般的な用途
| 304H – 典型的な用途 | 321H – 典型的な用途 |
|---|---|
| 高温強度が必要で、感作リスクを管理できる炉部品、高温配管および圧力容器 | 排気およびターボチャージャー部品、航空機および航空宇宙ダクト、熱サイクルおよび感作温度に曝露される化学プロセス配管および熱交換器 |
| ボイラー部品、スーパーヒーター/再加熱チューブ（クリープ用に炭素ブーストが指定されている場合） | 粒界攻撃に対する安定化が重要なジェットエンジンおよびガスタービン部品 |
| コスト感度がある場合に高温強度が必要な一般的な製造 | 溶接後に粒界腐食に対する抵抗が必要な中間温度範囲に曝露される溶接アセンブリ |
選択の理由 - 高温強度が必要で、熱サイクルまたは製造ルートが長時間の感作を避ける場合、または溶接後の溶解アニーリングが可能な場合は304Hを選択してください。 - サービスに曝露された部品で熱サイクルまたは溶接が行われ、感作に対する保護が不可欠であり、長期的な粒界腐食抵抗が優先される場合は321Hを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト： 両グレードは一般的に生産され、広く入手可能です。321Hは通常、チタンの添加および安定剤レベルの厳密な管理により、304Hに対して適度なプレミアムを要求します。価格はNi含有量、市場条件、および形状（プレート、チューブ、バー）に依存します。
- 製品形状による入手可能性： 両グレードはプレート、シート、チューブ、パイプで広く入手可能です。特殊なシームレスまたは高強度の鍛造品はリードタイムがある場合があります。304Hは圧力容器鋼に一般的に指定され、321Hは高温および安定化された用途のためにしばしば在庫されています。
10. 概要と推奨
表：迅速な比較（定性的）
| 属性 | 304H | 321H |
|---|---|---|
| 溶接性 | 注意が必要で良好；高いCは感作リスクを高める | 溶接された熱サイクルアセンブリに非常に良好（安定化済み） |
| 強度–靭性（高温） | 高いCによる良好な高温強度 | 良好な高温強度；安定化によりサイクリング後の靭性が保持される |
| コスト | 低から中程度 | 中程度（やや高い） |
推奨事項 - 高炭素オーステナイト系ステンレスからの高温強度の向上が必要で、熱曝露が感作範囲での長時間を避けるか、または製造後の溶解アニーリングおよび注意深い溶接が適用できる場合は304Hを選択してください。コスト感度が要因であり、安定剤の利点が必要ない場合に適しています。 - 溶接、繰り返しの熱サイクル、または感作温度範囲での長期サービスを受ける部品で、粒界腐食に対する抵抗が重要な場合は321Hを選択してください。321Hは、溶接後の熱処理を最小限に抑える必要がある場合や、製造後の腐食抵抗を保持することが主要な要件である場合に好まれます。
最終的な注意： 304Hと321Hの選択は、特定のサービス温度、熱サイクル、腐食環境、およびコンポーネントの規制/標準要件を参照して行うべきです。いずれのグレードを指定する際にも、製造試験証明書、意図された運転温度に関するクリープ/破裂データ、および溶接手順の資格を確認してください。