304H vs 321H – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

304Hおよび321Hは、高温および耐腐食性のアプリケーションに一般的に指定される2つのオーステナイト系ステンレス鋼グレードです。エンジニアや調達専門家は、これらの選択時に耐腐食性、高温性能、溶接性、コストのトレードオフを考慮することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、圧力容器や炉の部品、熱交換器のチューブ、石油化学または発電プラントの配管が含まれます。

主な技術的な違いは、高温での挙動です：321Hは、長時間の高温曝露中にクロムカーバイドの析出およびそれに伴う粒界腐食や酸化に抵抗するためにチタンで安定化されていますが、304Hは温度での強度を保持するために高炭素に依存していますが、慎重に処理しないと感作されやすくなります。このため、2つのグレードは、酸化、クリープ抵抗、溶接後の腐食が懸念される中間および高温でのサービスにおいて比較されることがよくあります。

1. 標準および指定

• 一般的な標準および仕様：
• ASTM/ASME: A240/A312（ステンレス鋼用のシート、プレート、チューブ）；A358/A213は一部の高温アプリケーション用。
• EN: EN 10088シリーズ（ステンレス鋼）。
• JIS: 300シリーズのためのJIS G4303/G4305の同等品が存在します。
• GB: ステンレス鋼のためのGB/T標準（中華人民共和国の国家標準）。
• 分類：
• 304Hおよび321Hはどちらもステンレス鋼（オーステナイト系）です。
• 炭素鋼、工具鋼、またはHSLAグレードではありません。

2. 化学組成および合金戦略

表：典型的な組成範囲（重量％） — 範囲は一般的な仕様バンドを反映しています；正確な限界は標準および製品形状に依存します。

元素	304H（典型的な範囲）	321H（典型的な範囲）
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.5 – 19.5	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 11.0	9.0 – 12.0
Mo	通常 ≤ 0.6（しばしば不在）	通常 ≤ 0.6（しばしば不在）
V	—	—
Nb	—	—
Ti	≤ 0.7（通常は低いか無い）	5 × C（最小）から約0.7
B	微量/制御	微量/制御
N	微量；少量	微量；少量

注記： - 304Hは、引張強度を高温で保持するために設計された304の高炭素バリアントです；安定化元素は意図的に添加されていません。 - 321Hはチタン安定化型です：チタンは熱曝露中に炭素をチタンカーバイド/カーボナイトライドとして結合し、粒界でのクロムカーバイドの形成を防ぎます。 - 321HにおけるTiの存在は、その合金戦略を区別します：高温サービスのための安定化と感作サイクル後の粒界腐食に対する抵抗。

合金が特性に与える影響： - 炭素は高温強度を増加させますが、感作リスク（クロムカーバイドの析出）を高め、これが粒界腐食を引き起こす可能性があります。 - クロムは、保護的な酸化スケールを形成することによって、耐腐食性および高温酸化抵抗を提供します。 - ニッケルはオーステナイト相を安定化させ、靭性と延性を改善します。 - 321Hのチタンは炭素を捕捉し、クロムカーバイドの形成を減少させ、高温曝露中の粒界攻撃に対する抵抗を改善します。

3. 微細構造および熱処理応答

• 典型的な微細構造（焼鈍）：両グレードは焼鈍状態で完全にオーステナイト（面心立方）です。熱履歴に応じてカーバイドまたはTiカーバイドの分散が現れることがあります。
• 304H：高炭素含有量は、感作範囲（約450–850 °C）での曝露後にカーバイド析出（Cr23C6）の傾向を高めます。このような析出は粒界で発生し、局所的なクロムの枯渇と粒界腐食を引き起こす可能性があります。安定化がない場合、曝露後の微細構造は粒界での連続的なカーバイドネットワークを示すことがあります。
• 321H：チタンはクロムカーバイドよりも安定したチタンカーバイド/ナイトライドを優先的に形成します。これにより、粒界でのクロムの枯渇が少なくなり、高温感作および粒界攻撃に対してより抵抗力のある微細構造が得られます。

熱処理および加工ルート： - 焼鈍：オーステナイト系ステンレス鋼（304Hおよび321Hを含む）の典型的な焼鈍温度は約1010–1120 °Cで、その後均一なオーステナイト構造を保持するために急冷されます。急冷はカーバイドの析出を減少させます。 - 正常化は、これらのオーステナイト系グレードには標準ではありません。なぜなら、炭素鋼に典型的なフェライト-パーライト変態を示さないからです。 - 急冷および焼戻し：炭素鋼の意味では適用されません；オーステナイト系ステンレス鋼はマルテンサイト変態によって硬化しません。 - 熱機械処理：冷間加工は両グレードの強度をひずみ硬化によって増加させます；最終焼鈍は必要な特性に応じて適用される場合があります。 - 感作温度を通過するサービスタイムや長期的な高温安定性が必要な場合、321Hは304Hよりも感作を避けるための溶接後の熱管理が少なくて済みます。

4. 機械的特性

表：典型的な焼鈍状態での室温特性範囲（指標；製品形状、厚さ、正確な仕様に依存）

特性	304H（焼鈍、典型的）	321H（焼鈍、典型的）
引張強度（MPa）	480 – 700	480 – 700
降伏強度、0.2%（MPa）	190 – 310	190 – 310
伸び（%）	40 – 60	40 – 60
衝撃靭性（シャルピーV、室温）	高い；良好な延性	高い；良好な延性
硬度（HBまたはHRB、焼鈍）	低–中程度（柔らかい）	低–中程度（柔らかい）

解釈： - 室温および焼鈍状態では、304Hおよび321Hは非常に似た引張、降伏、および延性特性を持っています。なぜなら、両者は比較可能なCrおよびNi含有量を持つオーステナイト系ステンレス鋼だからです。 - 違いは、長時間の高温曝露中により顕著になります：304Hは感作されると粒界での局所的な腐食抵抗と延性を失う可能性がありますが、321Hはより安定した粒界化学を保持し、そのために高温サービスでの靭性と耐腐食性をより良く維持します。 - 機械的特性の選択は、製品形状（シート、プレート、チューブ）、冷間加工、および部品がクリープクリティカルな高温サービスで使用されるかどうかを考慮する必要があります。

5. 溶接性

溶接性の考慮事項には、炭素含有量（高炭素は硬化性と感作リスクを高める）、安定化元素の存在、および熱入力の管理が含まれます。

一般的な溶接性指標： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - ピッティング抵抗当量数（ピッティング腐食評価に関連する場合）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 304Hおよび321Hは、標準的なプロセス（TIG、MIG、SMAWなど）で容易に溶接できます。オーステナイト系であるため、マルテンサイト的に硬化せず、冷間割れに対して感受性がありません。 - 304Hの高炭素は、遅い冷却が発生した場合、溶接後の感作リスクを高めます；これは熱影響部（HAZ）での粒界腐食を引き起こす可能性があります。溶接後の溶解焼鈍または急冷の実践がこれを軽減できます。 - チタン安定化された321Hは、溶接後の感作に対してより少ない傾向があります；Tiは加熱/溶接中に炭素を捕捉し、安定したTi(C,N)析出物を形成し、粒界でのクロムの枯渇を減少させます。これにより、321Hは感作範囲での長時間曝露を受ける溶接部品に好ましい選択肢となります。 - 両グレードにおいて、良好な溶接実践—熱入力、インターパス温度の管理、および適切なフィラー金属の使用—は、受け入れ可能な接合性能を確保します。HAZでの腐食抵抗が重要な場合は、安定化グレードまたは低炭素Lグレードの代替品（例：304L）を選択してください。

6. 腐食および表面保護

• ステンレス鋼（304Hおよび321Hの両方）について：受動的なクロム酸化物層が一般的な腐食抵抗を提供します。どちらのグレードも重要なモリブデンを含まないため、塩素環境における局所的なピッティングおよびクレバス腐食抵抗は、Moを含むグレード（例：316）と比較して制限されています。
• PREN（MoおよびNが重要な場合のピッティング抵抗当量）： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 304H/321HではMoが通常不在または低く、Nも低いため、PREN値は控えめになります；PRENはデュプレックスおよびMoを含むオーステナイト系により適用されます。
• 高温腐食/酸化：
• 321Hは、チタン安定化により、500–800 °C範囲での長時間曝露中に感作関連の粒界腐食およびスケールの付着に対する抵抗が改善されます。
• 304Hは、高温での引張強度を維持するように設計されていますが、粒界でクロムカーバイドを形成し、局所的なクロムの枯渇と粒界腐食抵抗の低下を引き起こす可能性があります。熱入力と冷却が管理されない限り。
• 非ステンレス材料（ここでは適用されません）：非ステンレス鋼が使用される場合、保護オプションには亜鉛メッキ、塗装システム、または高温コーティングが含まれます；高温ステンレス鋼の場合、保護的な酸化スケール特性と合金の選択が支配的です。

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 機械加工性：両グレードはオーステナイト系ステンレス鋼の典型であり、作業硬化および粘り気のある挙動は剛性のある工具、適切な速度、および鋭いインサートを必要とします。304Hおよび321Hの機械加工性は中程度で類似しています；321HはTiカーバイドの存在により工具の摩耗に影響を与えるため、わずかに難しい場合があります。
• 成形性：両グレードは焼鈍状態で非常に延性があり成形可能です。冷間加工はひずみ硬化を通じて強度を増加させますが、延性は低下します。
• 表面仕上げ：両者は一般的なステンレス仕上げ方法（研磨、ポリッシング、電解研磨）を受け入れ、類似の反応を示しますが、321HのTi含有インクルージョンは微エッチング挙動に影響を与える可能性があります。
• 溶接および溶接後の操作：前述のように、321Hは高温曝露が長時間続く場合に溶接後の溶解焼鈍の必要性を減少させます；304Hは感作を避けるためにより注意が必要です。

8. 典型的な用途

304H — 典型的な用途	321H — 典型的な用途
高温蒸気システム用の圧力容器および配管で、より高い炭素強度が必要ですが、感作を制御できます	サイクル高温にさらされる航空機排気部品、炉部品、および安定化が必要な熱交換器のチューブ
ボイラー内の熱交換器チューブおよびヘッダーで、より高温の引張強度が必要	感作温度範囲にさらされる化学および石油化学プロセス機器、または繰り返しの熱サイクルを伴うもの
304ファミリーの耐腐食性が許容される一般的な高温構造部品およびフィッティング	高温での安定した粒界化学が必要な排気スタック、触媒コンバータハウジング、および炉のマフル

選択の理由： - 室温での靭性とやや高い高温引張強度が主なニーズであり、溶接および冷却の実践が感作を制限できる場合は304Hを選択してください。 - 感作温度範囲での長時間曝露、繰り返しの熱サイクル、またはHAZでの酸化/クレバス挙動が懸念される場合は321Hを選択してください。

9. コストおよび入手可能性

• コスト：321Hは通常、チタンの追加およびそのニッチな高温使用のために304Hよりもやや高価です。市場価格はNiおよび合金元素の市場に応じて変動します。
• 入手可能性：304Hはプレート、シート、チューブ、バーで広く入手可能です。321Hも一般的な製品形状で入手可能ですが、地域によっては一部の特殊サイズや仕上げに長いリードタイムがある場合があります。
• 調達のヒント：供給チェーンの不一致や予期しない加工コストを避けるために、製品形状、必要な熱処理、および溶接後の焼鈍要件を明示的に指定してください。

10. まとめと推奨

表：簡単な比較

基準	304H	321H
溶接性	良好ですが、遅い冷却によるHAZ感作リスク	非常に良好；Ti安定化によりHAZ感作リスクが低減
強度–靭性	室温で類似；良好な高温引張強度	室温で類似；高温サービスでの粒界靭性を保持
高温感作/酸化に対する抵抗	低い（カーバイド析出に対してより感受性）	高い（Ti安定化により高温安定性が改善）
コスト	低い	高い（やや）

結論 — 304Hを選択する場合： - コンポーネントが高温での引張強度のためにより高い炭素含有量を必要としますが、サービスまたは溶接の実践が450–850 °Cの感作ウィンドウでの時間を最小限に抑える場合。 - コストと広範な入手可能性が主な考慮事項であり、ピッティング/腐食曝露が中程度である場合。

結論 — 321Hを選択する場合： - サービスが高温に長時間曝露される場合、繰り返しの熱サイクルがある場合、または溶接後の感作および粒界腐食が懸念される場合。 - HAZおよび長時間の高温サービスにおいて粒界クロムおよび酸化抵抗をより良く保持する安定化されたオーステナイト合金が必要な場合。

最終的な推奨： - 一般的な高温構造または圧力アプリケーションで、加工が冷却を制御でき、腐食曝露が極端でない場合、304Hは経済的な選択肢です。持続的な高温、サイクル熱、または溶接に敏感な環境にさらされるコンポーネントには、321Hがより堅牢でリスクの低いオプションを提供しますが、コストにおいてはややプレミアムがあります。特定の合金選択を実際のサービス温度プロファイル、溶接手順、および意図された環境の腐食データで検証してください。