304L 対 304H – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
タイプ304のバリアントは、産業で最も広く使用されているオーステナイト系ステンレス鋼の一つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、圧力機器、配管、熱交換器、または製造部品の材料を指定する際に、低炭素の304Lと高炭素の304Hの間で決定を下す必要があります。この決定は通常、耐食性と溶接性を高温強度とクリープ抵抗とバランスさせるものです。
実際の主な違いは、304Lが溶接およびサービス中の炭化物析出を最小限に抑えるように最適化されているのに対し（粒界腐食抵抗と溶接性を改善）、304Hは高温での強度を保持するために意図的に高い炭素を含んでいることです。両方のグレードは同じ基本的なクロム-ニッケルオーステナイトマトリックスを共有しているため、温度暴露、製造ルート、溶接後の性能が決定要因となる設計でしばしば比較されます。
1. 規格と指定
- ASTM/ASME: 304L — ASTM A240/A240M（シート/プレート）、A312（パイプ）としてUNS S30403; 304H — ASTM A240（A240M）としてUNS S30409または同等。
- EN（ヨーロッパ）: EN 1.4306（304L）、EN 1.4948は304H相当または他の高Cオーステナイトステンレスに使用されることがあります; 国内のENバリアントは組成バンドを参照します。
- JIS（日本）: JIS G4303/G4312型規格におけるSUS304LおよびSUS304Hの名称。
- GB（中国）: 304/304Lの06Cr19Ni10/06Cr19Ni10-2L相当; 304Hには地域指定があります。
- 分類: 両方ともステンレス鋼（オーステナイト系）です。炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではありません。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | 典型的な304L（wt%） | 典型的な304H（wt%） | 備考 |
|---|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | 0.04 – 0.10 | 304Lは炭化物析出を避けるために低く保たれ、304Hは高温強度を改善するために上昇しています。 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 | マンガンはオーステナイト安定剤です; 限界は類似しています。 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 | 脱酸のためのシリコン; 304Hのためにわずかに高い許容値。 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 | 不純物の限界; 低く保たれています。 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 | 不純物; 加工性に影響します。 |
| Cr | 18.0 – 20.0 | 18.0 – 20.0 | 主要な耐食性元素。 |
| Ni | 8.0 – 12.0 | 8.0 – 11.0 | オーステナイトを安定させ、靭性と耐食性を改善します。 |
| Mo | — / 微量 | — / 微量 | 典型的な304バリアントにはMoは含まれていません。 |
| V, Nb, Ti, B | — | — | 304/304L/304Hには標準ではありません; 特殊な安定化グレード（例: 321, 347）にはTiまたはNbが含まれます。 |
| N | ≤ 0.1（微量） | ≤ 0.1（微量） | 窒素は微量存在する可能性があり; 強度を増加させ、PRENに影響します。 |
合金が性能に与える影響: - クロム（Cr）は耐食性の原因となる不活性酸化物を提供します。両方のグレードは類似のCrを持っているため、基本的な耐食挙動は類似しています。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト相を安定させ、靭性と耐食性を改善します; 類似の含有量は類似の延性を意味します。 - 炭素（C）は炭化物形成に影響します: 高いCは強度を増加させます（特に高温で）が、適切に制御されない場合、クロム炭化物の析出と粒界腐食を促進します。 - 微量元素（Mn, Si, N）は機械的強度と加工硬化に影響します; 窒素は強度とピッティング抵抗を高め、Moはピッティング抵抗を向上させますが、存在しません。
3. 微細構造と熱処理応答
304Lと304Hの典型的な微細構造は、焼鈍状態で完全にオーステナイト（面心立方）です。これらの組成ではオーステナイトが室温で安定しているため、標準的な処理中に冷却時にマルテンサイト変態はありません。
- 304L: 低炭素は、溶接冷却または感作熱暴露中の粒界でのクロム炭化物（$\text{Cr}_{23}\text{C}_6$）析出を最小限に抑えます（約450–850 °C）。その結果、微細構造は一般的な製造後に重要な粒界炭化物がなく、粒界腐食抵抗を保持します。
- 304H: 高炭素は熱暴露中の炭化物析出の駆動力を増加させます。高温では、粒界でいくつかの$\text{Cr}_{23}\text{C}_6$が形成され、安定剤や溶接後の熱処理が適用されない限り、局所的に耐食性が低下する可能性があります。しかし、高炭素含有量は固溶強化とクリープ抵抗を高め、通常500–600 °C以上の温度での強度を増加させます。
熱処理応答: - 焼鈍（完全な固溶焼鈍の後に急冷）は、両方のグレードで延性を回復し、ほとんどの炭化物を溶解します。304Hの場合、溶解温度と動力学は類似していますが、遅い冷却時に再析出がより可能性があります。 - 正常化はオーステナイト系ステンレス鋼には通常使用されません。なぜなら、オーステナイト相は安定しているからです; 機械的特性は主に冷間加工と固溶焼鈍によって制御されます。 - 熱機械加工（冷間加工の後に焼鈍）は、両方のグレードで降伏および引張挙動を同様に変化させますが、304Hは高温でやや高い降伏/引張を保持します。
4. 機械的特性
| 特性（典型的、焼鈍） | 304L | 304H | コメント |
|---|---|---|---|
| 引張強度（UTS） | 約中程度; 典型的な焼鈍範囲 | 室温および高温で304Lよりやや高い | 304Hの高いCは、特に高温でのUTSを増加させます。 |
| 降伏強度（0.2%オフセット） | 中程度 | やや高い | 304HはCと可能な固溶硬化から降伏強度を得ます。 |
| 伸び（延性） | 高い（良好な成形性） | 同等またはやや減少 | 高いCは高温暴露後に延性をわずかに低下させる可能性があります。 |
| 衝撃靭性 | 室温で高い | 室温で高い; 高温で低下する可能性があります | オーステナイト系ステンレス鋼は良好な靭性を維持します; 長期的な熱老化により脆化リスクが増加します。 |
| 硬度 | 比較的低い（焼鈍） | やや高い | 焼鈍状態での違いは控えめで、加工硬化率は類似しています。 |
備考: 正確な数値は製品形状（シート、プレート、パイプ）、熱処理、および冷間加工に依存します。重要なポイント: 304Hは通常、高温での強度が高く、炭化物析出に対する抵抗がやや低下し、加工性のマージンがわずかに低下します。
5. 溶接性
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接性は、一般的に優れています。なぜなら、オーステナイトマトリックスとマルテンサイトを形成する傾向が低いためです。
重要な溶接の考慮事項: - 炭素含有量は重要です: 304Lの低炭素は、溶接後の感作（粒界腐食）のリスクを減少させ、多くのアプリケーションで溶接後の固溶焼鈍を省略できます。 - 304Hの高炭素は感作リスクを増加させます; 腐食環境やコード遵守のために溶接手順の管理（フィラー選択、急冷、または溶接後の固溶焼鈍）が必要になる場合があります。 - 両方の硬化性は低く、硬い微細構造からの亀裂感受性は制限されています。
溶接性/硬化性を評価するための有用な経験則: - 炭素当量（IIW）: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - 溶接性の低下は、より高い$CE_{IIW}$と相関します。 - ステンレス鋼のクロム当量またはPcm: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ - より高い$P_{cm}$は、フェライト/オーステナイトのバランスの問題を形成する傾向が高く、予熱/溶接後の要件を通知する可能性があります。
解釈: - 304Lは通常、炭素感受性指標で低いスコアを付け、溶接後の熱処理なしで溶接の完全性が必要な場合に好まれます。 - 304Hは腐食性またはコードに縛られたアプリケーションでより厳格な溶接管理が必要になる場合がありますが、高温溶接アセンブリに対してより良い強度を提供します。
6. 腐食と表面保護
- 304Lと304Hはどちらもステンレス（約18% Crを含む）であり、多くの環境で一般的な耐腐食性のために不活性Cr2O3膜に依存しています。
- ピッティングおよびクレバス腐食抵抗は中程度です。Moが存在しないためです。ピッティング抵抗の評価には、PRENが一般的な指標です: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- 304バリアント（Mo ≈ 0）では、PRENはCrとNによって駆動されます; 類似のCrと低いNを持つため、両方のグレードは一般的およびピッティング抵抗が比較可能です。
- 感作リスク: 304Hの高炭素は、感作温度範囲にさらされたときに粒界でのクロム炭化物形成を促進し、局所的に耐食性を低下させる可能性があります（粒界攻撃）。304Lはそのリスクを軽減するために選ばれます。
- 非ステンレス鋼の表面保護（ここでは適用されません）は、亜鉛メッキやコーティングを含む; これらのステンレスグレードに対しては、清掃、パッシベーション、および塩素を含む環境の回避が主な対策です。
7. 製造、加工性、および成形性
- 成形性/曲げ: 304Lは、焼鈍状態での降伏が低く、延性が高いため、優れた成形性と深絞り特性を持っています。304Hは依然として加工可能ですが、成形限界がわずかに低下する可能性があります。
- 加工性: オーステナイト系ステンレス鋼は加工硬化し、炭素鋼よりも加工性が低いです。304Hの高炭素と潜在的な強度の増加は、工具寿命をわずかに減少させ、より堅牢な工具や遅い送りを必要とする場合があります; フリーカットバージョンや添加された硫黄は加工性を改善しますが、耐食性を低下させます。
- 表面仕上げ: 両方のグレードは良好に研磨およびパッシベートします; ただし、表面を加熱する研削や攻撃的な仕上げは、304Hを304Lよりも感作しやすくする可能性があります。
- 溶接製造: 304Lは、昇温強度が必要でない限り、溶接構造のための一般的な選択肢です。
8. 典型的な用途
| 304L — 典型的な用途 | 304H — 典型的な用途 |
|---|---|
| 食品加工機器、乳製品および醸造部品、溶接後の焼鈍が実用的でなく、耐食性が最も重要な製薬容器 | ボイラー管、炉部品、熱交換器、および高温での持続的なサービスにさらされる部品で、追加の強度/クリープ抵抗が必要なもの |
| 化学プロセスタンク、軽度腐食環境での配管およびフィッティング | 高温サービス用の圧力保持部品および一部の石油化学熱伝達機器 |
| 建築トリム、シンク、家庭用機器 | コードが温度での許容応力を高く要求する高温溶接アセンブリ |
選択の理由: - 溶接の簡便さ、粒界腐食に対する抵抗、成形が優先される場合は304Lを選択します。 - 持続的な高温強度とクリープ抵抗が必要で、感作リスクを管理するための溶接後または製造措置が可能な場合は304Hを選択します。
9. コストと入手可能性
- コスト: 304Lは広く生産され、在庫されています; 相対的なコストは標準304と類似していますが、制御された低炭素処理のためにやや高くなります。304Hはより専門的なグレードであり、材料コストは比較可能またはやや高くなる可能性がありますが、炭素仕様が厳しく、製造量が少ない可能性があります。
- 入手可能性: 304Lは多くの製品形状（シート、プレート、コイル、チューブ、バー、鍛造品）で広く入手可能です。304Hは入手可能ですが、一部の市場や製品形状では一般的ではなく、特殊な形状や大量のリードタイムが長くなる可能性があります。
- 調達の注意: 指定する際には、標準304または安定化グレードの代替を避けるために、正しいASTM/EN/JIS指定および希望する製品形状を含めてください。
10. まとめと推奨
| 属性 | 304L | 304H |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた（低い感作リスク） | 良好だが、感作リスクが高い—管理が必要 |
| 強度–靭性（室温） | 良好な靭性; 中程度の強度 | やや高い強度; 室温での靭性は同等 |
| 高温強度/クリープ | 中程度 | 高温で優れた |
| 感作サービスにおける耐食性 | より良い（粒界攻撃に対抗） | 低いが、熱処理/フィラー選択で軽減される |
| コスト/入手可能性 | 広く入手可能; コスト効果的 | 専門的; 潜在的に高いコスト/リードタイム |
304Lを選択する場合: - コンポーネントが広範囲に溶接され、溶接後の熱処理が実用的でない場合。 - 粒界腐食抵抗（例: 食品、製薬、または飲料水用の配管）が優先される場合。 - 良好な成形性と深絞りが必要な場合。
304Hを選択する場合: - アプリケーションが持続的な高温サービスを含み、より高い引張強度またはクリープ抵抗が必要な場合（例: 熱交換器、ボイラー、炉部品）。 - 調達および製造計画が溶接管理、互換性のあるフィラー金属の選択、および必要に応じて感作を管理するための溶接後の固溶焼鈍または代替措置を許可する場合。
最終的な注意: 304Lと304Hは、それぞれの設計範囲内で有効な選択肢です。溶接性、耐食性、高温性能の正しいバランスを確保するために、選択する際には意図されたサービス温度、腐食環境（塩素暴露、酸性）、製造順序、および適用されるコード/標準を指定してください。