304L 対 321 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

304Lと321は、選択が頻繁にエンジニアリングのジレンマとなる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。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの間で選択する際に、耐腐食性、加工および溶接特性、高温安定性、コストを考慮することが一般的です。主な実用的な違いは、各合金が溶接および高温サービス中に炭化物をどのように扱うかです：304Lは感作を避けるために低炭素に依存し、321はチタン安定化に依存して炭素を結合し、クロム炭化物の析出を防ぎます。

両グレードは、クロムとニッケルの含有量が似ているオーステナイト系ステンレス鋼であるため、配管、圧力容器、熱交換器、加工部品において、溶接性と高温耐腐食性が選択を決定する際によく比較されます。

1. 規格と呼称

• 一般的な国際規格と呼称：
• ASTM/ASME: 304L — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S30403)、321 — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32100)。
• EN: 304LはおおよそEN 1.4307に相当し、321はEN 1.4541（またはチタン含有量に応じた1.4541/1.4550のバリアント）に相当します。
• JIS、GB: 同様の化学組成と特性を持つ国家的な同等物が存在します（正確な限界については特定の規格を参照してください）。
• 分類: 304Lと321はどちらもオーステナイト系ステンレス鋼（ステンレスファミリー）です。これらは炭素鋼、合金鋼、工具鋼、またはHSLAグレードではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、一般的な仕様に従った主要な元素と典型的な範囲または最大値を示しています（範囲は典型的であり、標準/仕様および製品形状に依存します）。

元素	304L（典型的な仕様範囲）	321（典型的な仕様範囲）
C（最大、wt%）	≤ 0.03	≤ 0.08
Mn（wt%）	≤ 2.00	≤ 2.00
Si（wt%）	≤ 0.75	≤ 0.75
P（wt%）	≤ 0.045	≤ 0.045
S（wt%）	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr（wt%）	17.5–20.0	17.0–19.0
Ni（wt%）	8.0–12.0	9.0–12.0
Mo（wt%）	—（通常≤0.10）	—（通常≤0.10）
V（wt%）	—	—
Nb（wt%）	—	—
Ti（wt%）	—	典型的に0.15–0.70（安定剤）
B（wt%）	—	—
N（wt%）	≤ 0.10	≤ 0.10

合金戦略と効果： - クロム（Cr）は、パッシブな酸化膜を形成することによって一般的な耐腐食性を提供します。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト構造を安定化させ、靭性と延性を向上させます。 - 304Lの低炭素は、溶接後のゆっくりとした冷却中にクロム炭化物の析出（感作）の傾向を減少させます。 - 321のチタンは安定したチタン炭化物/窒化物を形成し、感作範囲（約425–850°C）にさらされる際のクロム炭化物の形成を防ぎます。これにより、321は高温サービスおよびサイクル高温曝露を伴うアプリケーションにおいて優位性を持ちます。 - Moの不在は、どちらのグレードも高塩素ピッティング耐性に最適化されていないことを意味します。Moを含むグレード（例：316）が塩素に対して好まれます。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造： - 304Lと321は、焼鈍状態で完全にオーステナイト（面心立方）です。彼らは低温まで良好な靭性と延性を示します。 - 304L：適切に熱処理されるか、炭素含有量が低く保たれると、炭化物析出が最小限のオーステナイトマトリックス。 - 321：分散したTi(C,N)析出物を持つオーステナイトマトリックスで、安定剤として機能し、粒界でのクロム炭化物の形成を減少させます。

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/マルテンサイト鋼のように焼入れと焼戻しによって強度を増加させるために熱処理できません。機械的特性は、冷間加工または安定化/溶解焼鈍によって得られます。 - 溶解焼鈍：~1010–1120°Cに加熱し、その後急冷することで、両グレードの延性と耐腐食性の微細構造が回復します。 - 304L：低炭素のため、溶接後の粒界腐食に対してより少なく感受性があり、安定化を必要としません。 - 321：チタン添加物は、溶接または応力緩和温度からのゆっくりとした冷却に対してより耐性を持たせます。Tiは、利用可能な炭素と結合するのに十分な量（通常は少なくとも5×Cのwt）で存在する必要があります。

熱機械処理： - 冷間加工は、両グレードの強度と硬度を引き上げます；再結晶化は溶解焼鈍の後にのみ発生します。 - 高温曝露：321は400–900°C範囲で未安定化グレードよりも優れた性能を発揮します。これは、Tiが感作を引き起こすクロム炭化物の析出を防ぐためです。

4. 機械的特性

典型的な機械的特性の範囲（焼鈍状態）は製品形状（シート、プレート、バー）および標準に依存します—以下の値はエンジニアリング比較のための代表的な範囲です。

特性	304L（焼鈍、典型的）	321（焼鈍、典型的）
引張強度（UTS）	~480–700 MPa	~480–700 MPa
降伏強度（0.2%オフセット）	~170–300 MPa	~170–300 MPa
伸び（50 mm中）	≥40%（典型的）	≥40%（典型的）
衝撃靭性（定性的）	良好、低温でも靭性を保持	良好、304Lと同様
硬度（HRB/HV）	中程度（焼鈍）	中程度（焼鈍）

解釈： - 焼鈍状態では、304Lと321は非常に似た強度、延性、靭性を持っています。 - 機械的性能の違いは通常、常温では小さいです；321の主な利点は、高温安定性とクリープ/酸化抵抗にあり、チタン安定化が長時間の曝露後に特性を維持するのに役立ちます。

5. 溶接性

溶接性は、炭素、合金元素、および固化亀裂または感作に対する感受性に依存します。

関連する溶接性指数： - 炭素等価（IIW）は、溶接性と硬化性の影響を評価するために広く使用される指数です： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm指数は、冷間亀裂の傾向と溶接性に関連する別の測定値です： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 304L：意図的に低い炭素含有量は、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の炭素からの寄与を減少させ、溶接後の粒界腐食（感作）のリスクを低下させます。その結果、304Lは従来のフィラー金属（組成が一致するか308Lフィラー）で溶接が容易であると広く見なされており、多くの加工工場は厳しい高温サービスを受けない溶接構造物に対してこれを好みます。 - 321：チタン安定化は、熱影響部での炭化物析出に対する感受性を減少させます；したがって、321は同じ低炭素制限なしで溶接でき、ゆっくりとした冷却時に粒界腐食に抵抗します。ただし、溶接実践では希釈とフィラーの選択を制御する必要があります；重要な高温アプリケーションには、321フィラーまたは安定化フィラーを一致させることがしばしば推奨されます。 - 固化亀裂と熱亀裂は、通常の加工においてこれらのオーステナイト系ステンレス鋼にとって問題ではありません。構造的厚さに対しては、前加熱および溶接後の熱処理は通常必要ありませんが、パラメータは接合設計とサービスに依存します。

実用的なガイダンス： - 304L基材には低炭素フィラー（例：308L）を選択して、溶接金属中の低炭素を維持し、感作を避けます。 - 321の場合、溶接およびサービス温度を考慮した場合、安定化フィラーまたは従来のオーステナイトフィラーの一致が許容されます。

6. 腐食と表面保護

• 304Lと321はどちらもステンレスであり、耐腐食性のためにパッシブなCrリッチ酸化物に依存しています。どちらも重要なMoを含まないため、塩素が豊富でピッティングに対して最適ではありません（316/316Lまたは二相グレードが好まれます）。
• 指数の使用：
• ピッティング耐性等価数（PREN）は、Moを含むステンレス鋼のピッティング耐性を比較するために通常使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 304Lと321の場合、Mo ≈ 0なのでPRENはおおよそ$\text{Cr} + 16\times\text{N}$に減少します；ただし、Moと高い窒素が測定可能な違いを生む場合にPRENの概念はより関連性があります。
• 感作：
• 304L：低炭素は溶接中のクロム炭化物の析出を最小限に抑え、溶接後の粒界腐食に対して良好な耐性を提供します。
• 321：Tiは炭素を結合し、炭素が高くても感作に対する抵抗を提供します。これは、持続的な高温アプリケーションにとって有益です。
• 非ステンレス保護方法（非ステンレス鋼用）である亜鉛メッキや塗装は、一般的な腐食制御のためにこれらのステンレスグレードには適用されませんが、適切な場合には美観や追加の保護のために使用できます。

7. 加工、機械加工性、および成形性

• 成形性：304Lと321は、オーステナイトの延性により冷間成形および深絞りに優れています。304Lは、広く利用可能で一貫した低炭素化学組成のため、複雑な成形においてやや人気があります。
• 機械加工性：オーステナイト系ステンレス鋼は、高い加工硬化のため、炭素鋼と比較して機械加工性が悪いです；321は304Lと同様の機械加工性を示す場合がありますが、最終的な微細構造や不純物含有量によってわずかな違いがあります。鋭い工具、剛性のあるセットアップ、および適切な切削速度と送りを使用してください。
• 表面仕上げ：両者は研磨およびパッシベーション処理に良く反応します。電解研磨は耐腐食性と表面仕上げを改善します。
• 溶接加工：304Lは通常、溶接金属の低炭素のためにLグレードのフィラーを必要とします；321は、特に構造が高温にさらされる場合、安定化フィラーを使用することがあります。

8. 典型的な用途

304L — 典型的な用途	321 — 典型的な用途
中程度に腐食性のある環境向けの化学プロセス機器（重塩素なし）	航空機の排気システムおよび高温マニホールド
食品加工機器、乳製品、醸造タンク、および厨房機器	サイクル高温サービスにさらされる熱交換器および炉の部品
溶接後の耐腐食性が重要な配管、タンク、および溶接アセンブリ	400–900°C範囲で動作する自動車および石油化学部品
溶接性と成形性が優先される建築および構造用途	長時間の高温曝露中に感作に対して安定化が必要な部品

選択の理由： - 製造経済性、特別な取り扱いを最小限に抑えた溶接性、一般的な耐腐食性が優先される場合は304Lを使用します。 - 繰り返し高温にさらされるサービス、熱サイクル、または炭化物析出に対する安定化が必要な場合は321を使用します。

9. コストと入手可能性

• コスト：304Lは一般的に321よりもコスト効果が高く、より高いボリュームで生産され、高価な安定化元素の在庫や処理の考慮がないためです。市場価格はニッケルとクロムの市場状況によって変動します。
• 入手可能性：304Lは、さまざまな形状（シート、プレート、チューブ、バー、ワイヤー）および表面仕上げでより一般的に在庫されています。321は広く入手可能ですが、一部の特殊製品形状や厚いセクションではあまり一般的ではない場合があります。
• 調達ノート：大規模プロジェクトの場合、ミルの認証と入手可能なリードタイムを確認してください；321のような安定化グレードは、特定の製品形状に対して長いリードタイムを持つことがあります。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）

属性	304L	321
溶接性	一般的な加工に優れています（低炭素が感作を減少させます）	非常に良好；Ti安定化により高温溶接後の安定性が優れています
強度–靭性（常温）	類似、良好な延性と靭性	類似、良好な延性と靭性
高温安定性	中程度（炭素が制御されていない場合、感作する可能性があります）	サイクル/高温曝露に優れています（Ti安定化）
コスト	一般的に低い	一般的に高い
入手可能性	非常に高い	高いが、特殊形状では時々少ない

推奨： - あなたのアプリケーションが優れた一般的な耐腐食性、通常の加工実践での頻繁な溶接、良好な成形性、および低い材料コストを必要とする場合は304Lを選択してください。304Lは、塩素曝露が制限される多くの食品、製薬、建築、および一般的な化学処理部品のデフォルトです。 - コンポーネントが高温（通常は400–900°C範囲）に長時間またはサイクル的にさらされる場合、または溶接後の高温安定性と炭化物析出に対する抵抗が重要な場合は321を選択してください。321は、チタン安定化が感作を防ぎ、厳格な低炭素制御なしで高温アプリケーションに好まれます。

最終ノート：両グレードは成熟した、広く指定されたオーステナイト系ステンレス鋼です。最適な選択は、加工実践（特に溶接手順）、運転温度プロファイル、腐食曝露（塩素対一般）、およびライフサイクルコストのバランスに依存します。高温にさらされる重要な溶接構造については、適切なフィラー金属、前後の溶接処理、および品質管理テストを指定するために材料規格および溶接エンジニアに相談してください。