316L vs 904L – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
316Lと904Lの選択は、腐食性能、製造コスト、サービス要件のバランスを取らなければならないエンジニア、調達マネージャー、製造プランナーにとって一般的な材料の決定です。典型的な決定の文脈には、化学処理、海洋およびオフショア環境、そして高い加工性と信頼性のある腐食抵抗を必要とする設備が含まれます。
この2つの合金の根本的な違いは、合金化戦略にあります：316Lは、一般的な腐食抵抗と溶接性のために最適化されたモリブデンを含む低炭素オーステナイト系ステンレス鋼です。一方、904Lは、高ニッケル、高モリブデン、銅を含むオーステナイト系ステンレス鋼で、非常に腐食性の強い酸や塩素環境に対する優れた抵抗性を持つように設計されています。この化学的な違いが、腐食性能、コスト、加工に関する考慮事項の違いを生み出します。
1. 規格と呼称
- 316L
- 一般的な呼称：UNS S31603、EN 1.4404 / 1.4435、JIS SUS316L、ASTM A240（板用）、ASTM A276（棒用）
- 分類：オーステナイト系ステンレス鋼
- 904L
- 一般的な呼称：UNS N08904、EN（時々1.4539のバリエーションとして参照される）、ASTM B702/B574の一部製品形状
- 分類：高Niおよび高Moを含むオーステナイト系ステンレス鋼で、時には「スーパーオーステナイト」と呼ばれる
両者はステンレス鋼（炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではない）であり、さまざまな製品形状（板、シート、棒、パイプ）に対してASTM/ASME、EN、JIS、国際規格によって広く指定されています。
2. 化学組成と合金化戦略
以下の表は、業界で使用される鍛造、溶液アニーリングされた材料の典型的な組成範囲を示しています。値は重量パーセントで示され、一般的な仕様で見られる代表的な範囲です。
| 元素 | 316L（典型的範囲、wt%） | 904L（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.03 | ≤ 0.02 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.035 |
| Cr | 16.0 – 18.0 | 19.0 – 23.0 |
| Ni | 10.0 – 14.0 | 23.0 – 28.0 |
| Mo | 2.0 – 3.0 | 4.0 – 5.0 |
| Cu | – | 1.0 – 2.0 |
| V | – | – |
| Nb | – | – |
| Ti | – | – |
| B | – | – |
| N | ≤ 0.10（通常非常低） | ≤ 0.10（通常非常低） |
合金化が特性に与える影響： - クロムは基本的なステンレスの挙動を与える不活性酸化物膜を提供します。一般的に、より多くのCrは一般的な腐食および酸化抵抗を改善します。 - ニッケルはオーステナイト相を安定化し、靭性と延性を増加させ、他の元素と組み合わせることで塩素応力腐食割れに対する抵抗を高めます。 - モリブデンは塩素を含む環境におけるピッティングおよびクレバス腐食抵抗を大幅に改善します。 - 904Lの銅は還元酸（例：硫酸）に対する抵抗を改善し、特定の媒体におけるクレバス腐食抵抗を高めます。 - 低炭素は溶接中の炭化物の析出を最小限に抑え、粒界腐食抵抗を保持します。
3. 微細構造と熱処理応答
- 微細構造：
- 316Lと904Lは、溶液アニーリング状態で完全にオーステナイトです。通常の加工中に冷却してもフェライトやマルテンサイトには変化しません。
- 熱処理と応答：
- 典型的な処理：標準に応じて約1010–1120 °Cでの溶液アニーリングの後、水冷却して均一なオーステナイト微細構造を回復し、析出物を溶解します。
- どちらのグレードも、焼入れと焼戻しによって硬化することはできません—強度の変化は主に冷間加工によって達成されます。
- 316L：高炭素バリアントで感作を避けるために溶接熱サイクルに注意が必要ですが、Lグレード（低炭素）は炭化物の析出を最小限に抑えます。感作温度に長時間さらされるサービスには、安定化合金（例：316Ti）が使用されます。
- 904L：同様に溶液アニーリングされています；より高い合金含有量（Ni、Mo、Cu）は感作に対する抵抗を高め、溶接後の粒界攻撃に対する抵抗も高くなりますが、適切なフィラーの選択と熱入力の管理が依然として重要です。
- 熱機械加工：
- 冷間加工は両グレードの降伏強度と引張強度を増加させますが、受動膜が損傷し回復されない場合、いくつかの環境で腐食抵抗を低下させる可能性があります。
4. 機械的特性
アニーリングされた鍛造材料の典型的な機械的特性（値は概算；正確な保証は製品規格を確認してください）：
| 特性（アニーリング） | 316L（典型的） | 904L（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（UTS） | ~485 MPa | ~520–580 MPa |
| 降伏強度（0.2%証明） | ~170–210 MPa | ~210–260 MPa |
| 伸び（A%） | ~40% | ~30–45% |
| シャルピー衝撃（室温、典型的） | 良好、延性破壊 | 良好、延性破壊 |
| 硬度（HB） | ~140–160 HB | ~150–190 HB |
解釈： - 904Lは、合金含有量が高く、NiおよびMoからの固溶強化により、アニーリング状態で316Lよりも通常は高い名目強度を示します。 - 両者は常温で靭性があり延性があります；316Lは一般的にいくつかの製品形状でわずかに高い伸びを示します。 - どちらのグレードも高硬度や耐摩耗性を主に選択するためのものではありません；冷間加工は強度と硬度を増加させますが、成形性を低下させる可能性があります。
5. 溶接性
両グレードの溶接性は、フェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼と比較して一般的に良好ですが、実際には違いがあります。
- 316L：低炭素のため優れた溶接性；感作および粒界腐食のリスクが低い。一般的なフィラー：ER316/ER316L。一般的なサービスには、溶接後のアニーリングは通常必要ありません。
- 904L：溶接可能ですが注意が必要：合金含有量が高い（Ni、Mo、Cu）ため、凝固挙動が変化し、フィラーの選択や熱割れの傾向に影響を与える可能性があります。904L用に製造されたフィラー金属や他の高Niフィラーがよく使用されます。熱入力の制御と前後の溶接実践が腐食抵抗を保持します。
有用な溶接性指数（ここでは数値入力は必要ありません）： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $CE_{IIW}$を定性的に解釈すると：高い値は鋼の硬化性の増加と溶接割れの可能性を示唆します。オーステナイト系ステンレス鋼の場合、低炭素と高Niは、合金含有量が高くても割れのリスクを低下させます。 - Pcm（Siewert）パラメータ： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - $P_{cm}$は、溶接における冷間割れの感受性を定性的に評価するために使用できます；これらのオーステナイト合金においては、主な懸念は熱割れと腐食抵抗の保持であり、マルテンサイトの冷間割れではありません。
実用的なガイダンス：904Lには、特に重要な圧力を含むサービスや腐食性サービスに対して、事前資格の溶接手順仕様と一致するフィラー金属を使用する必要があります。
6. 腐食と表面保護
- ステンレスの挙動：
- 両グレードは、一般的な腐食抵抗のためにCrが豊富な不活性酸化物に依存しています。
- ピッティングおよびクレバス抵抗：
- ピッティング抵抗等価数（PREN）は、局所腐食抵抗を比較するためによく使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 典型的な名目値を例として使用すると（概算）：
- 316L（Cr ≈ 17、Mo ≈ 2.2、N ≈ 微量）：PREN ≈ 17 + 3.3×2.2 + 16×0.02 ≈ 25
- 904L（Cr ≈ 20.5、Mo ≈ 4.5、N ≈ 微量）：PREN ≈ 20.5 + 3.3×4.5 + 16×0.02 ≈ 36
- 解釈：904Lの高いMoとCrは、PRENを大幅に高め、塩素を含む酸化環境におけるピッティングおよびクレバス腐食に対する抵抗を著しく向上させます。
- 特定の媒体：
- 316L：良好な一般的腐食抵抗；海水の飛沫ゾーン、食品加工、製薬、そして中程度のハロゲン濃度を持つ多くの化学サービスに選ばれます。
- 904L：強い酸化性酸、より高温の塩素を含む環境、そして硫酸を含む環境に対して優れた抵抗を持ちます（銅が有利です）。
- 非ステンレスの代替品：
- 非ステンレス鋼の場合、腐食保護はコーティング（亜鉛メッキ、塗装、ポリマーライニングなど）によって提供されます。これらは、コストや設計の代替を考慮しない限り、316L/904Lの比較には直接関連しません。
7. 加工、機械加工性、成形性
- 機械加工性：
- 316Lは、多くの高合金オーステナイトよりも加工が容易です；中程度に加工硬化し、鋭い工具と剛性のあるセットアップに良く反応します。
- 904Lはより遅く加工され、加工硬化しやすく、より堅牢な工具と冷却管理が必要です。高いNiとMoは工具の摩耗を増加させ、低い切削速度と高い送りを要求します。
- 成形性：
- 両グレードはアニーリング状態で良好に成形されます；316Lは深絞り、曲げ、スタンピング操作に一般的に使用されます。
- 904Lは延性があり成形可能ですが、その高い強度と加工硬化率は成形荷重とスプリングバックを増加させるため、より中間アニーリングや高い成形力が必要になる場合があります。
- 表面仕上げ：
- 両者は良好に研磨およびパッシベートされます；904Lは合金の違いにより、同じ表面反射率を達成するためにより積極的な表面処理が必要な場合があります。
8. 典型的な用途
| 316L – 典型的な用途 | 904L – 典型的な用途 |
|---|---|
| 食品および飲料設備、製薬設備 | 硫酸、リン酸、混合酸を扱う化学プロセス設備 |
| 海洋建築、海水部品（中程度の曝露） | 非常に腐食性の酸/塩素環境における熱交換器、配管、容器 |
| 一般化学プラント用の熱交換器、タンク、配管 | 強い酸化媒体を含む石油化学および酸洗ラインの設備 |
| 医療機器、インプラント（低炭素および生体適合性が必要な場合） | 高温でのピッティングおよびクレバス抵抗が必要な用途 |
選択の理由： - サービス環境に中程度の塩素含有量があり、優れた全体的な腐食抵抗と溶接性が低コストで優先される場合は316Lを選択してください。 - 環境が強い酸化剤、高い塩素レベル、硫酸または混合酸を含む場合、または攻撃的な媒体での長寿命が高い合金コストを相殺する場合は904Lを選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：
- 904Lは、高いニッケルおよびモリブデン含有量、銅の追加により、材料コストベースで316Lよりも大幅に高価です。価格感度は主にNiおよびMoの市場価格によって影響されます。
- 入手可能性：
- 316Lは、ほぼすべての製品形状（シート、板、パイプ、チューブ、鍛造、棒）で広く入手可能であり、多くのグローバル市場で利用されています。
- 904Lは、板、パイプ、チューブ、一部の棒およびフィッティングで商業的に入手可能ですが、特定の製品形状やカスタム寸法にはリードタイムや特別な生産が必要な場合があります。調達計画は、904Lのために長いリードタイムと資格のあるサプライヤーを考慮する必要があります。
10. 概要と推奨
| 指標 | 316L | 904L |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた（標準フィラーが広く入手可能） | 良好だが、一致するフィラーとプロセス制御が必要 |
| 強度–靭性（アニーリング） | 良好な延性、中程度の強度 | 高い強度、良好な靭性 |
| 腐食抵抗（局所/ピッティング） | 中程度（良好な一般的抵抗） | 高い（優れたピッティング/クレバス抵抗） |
| コスト | 低い | 高い |
推奨： - コスト効果が高く、広く溶接可能なオーステナイト系ステンレス鋼が必要で、信頼性のある一般的な腐食抵抗、良好な成形性、広い入手可能性が求められる場合は316Lを選択してください（例：食品、製薬、一般化学サービス、中程度の海洋曝露）。 - 攻撃的な塩素環境、酸化性酸、または高いピッティング/クレバス抵抗と長寿命が必要な条件が含まれる場合は904Lを選択してください。高い材料および加工コストにもかかわらず（例：特殊な化学プロセスパイプライン、厳しい化学環境での熱交換器）。
締めくくりのメモ：最終的なグレードの選択は、特定の腐食性種と濃度、温度、機械的負荷、加工ルート、溶接手順仕様、総ライフサイクルコストの包括的な評価によって導かれるべきです。重要または不明なサービスの場合は、腐食試験を実施し、腐食専門家に相談し、生産前に溶接手順を確認してください。