317L vs 904L – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

317Lと904Lは、腐食に強い設備に広く指定されているオーステナイト系ステンレス鋼ですが、性能とコストのスペクトル上で異なる位置を占めています。エンジニアや調達チームは、腐食抵抗（特に塩化物や還元酸に対する）、溶接性や成形性、機械的要件、ライフサイクルコストを考慮して、どちらを選ぶかを検討します。主な冶金的な違いは、合金戦略にあります。317Lは、304/316ファミリーに対してピッティングやクレバス抵抗を改善するために設計されたモリブデンを含むオーステナイト系であり、904Lは、攻撃的な還元環境や塩化物を含む環境において優れた抵抗を提供するために、高いニッケル、モリブデン、銅を組み合わせた高合金オーステナイト系です。

両者は腐食が重要な用途に使用されるため、化学処理、オフショア、高塩化物サービスのための材料選定の際に頻繁に比較されます。この記事の残りの部分では、標準、化学組成、微細構造および熱処理応答、機械的挙動、溶接性、腐食指数、加工特性、適用分野、コストと入手可能性を比較し、推奨事項で締めくくります。

1. 標準と指定

• これらのグレードをカバーする一般的な標準と仕様ファミリー：
• ASTM / ASME: 一般的な製品標準には、板およびシート用のASTM A240 / ASME SA-240、バーおよびステンレス形状用のASTM A276、チューブ用のASTM A312が含まれます。
• EN / ISO: EN 10088シリーズ（ステンレス鋼）および関連製品標準に含まれています。
• JIS（日本工業規格）およびGB（中国国家規格）は、オーステナイト系ステンレス鋼の同等の製品仕様を提供します。正確なマッピングについては変換表を参照してください。
• UNS指定: 317Lは一般的にUNS S31703として参照され、904Lは一般的にUNS N08904として参照されます。
• 分類：
• 317L: ステンレス（オーステナイト合金、溶接性/粒界腐食抵抗を改善するための低炭素「L」バリアント）。
• 904L: ステンレス（オーステナイト、高合金、還元および塩化物を含む媒体における腐食抵抗を高めるために設計された低炭素バリアント）。

2. 化学組成と合金戦略

表: 一般的な化学組成（wt%） — 代表的な焼鈍範囲; Feはバランス。

合金戦略の議論： - クロムは、両グレードの主な不活性化と一般的な腐食抵抗を提供します。高いCrは酸化抵抗と基本的な腐食抵抗を改善する傾向があります。 - ニッケルはオーステナイト微細構造を安定させ、靭性と延性を改善し、高い量で存在する場合、塩化物応力腐食割れ（SCC）に対する抵抗を増加させます。904Lの高いNi含量は、多くの環境で延性とSCCに対する抵抗を高めます。 - モリブデンは、塩化物を含む媒体におけるピッティングとクレバス抵抗のための重要な元素です。両方の合金はMoを含みますが、904Lは一般的に317Lよりもやや高いMoを含み、高いNiと追加の銅で補完します。 - 904Lの銅は、硫酸などの還元酸に対する抵抗を高め、特定の塩化物を含む還元環境での性能を助けます。 - 低炭素（「L」）バリアントは、溶接後の粒界攻撃のリスクを減少させ、多くのサービス状況での広範な溶接を許可します。

3. 微細構造と熱処理応答

• 典型的な微細構造: 317Lと904Lは、焼鈍状態で完全にオーステナイトです（面心立方晶構造）。急冷による硬化可能なマルテンサイト変態はありません。強度は主に固溶強化と冷間加工によって制御されます。
• 熱処理への応答：
• 焼鈍: 一般的な温度（オーステナイト系ステンレス合金のための約1000–1150 °C）での完全焼鈍は、延性を回復し、炭化物や金属間化合物を溶解します。
• 安定化: 両方とも低炭素グレードであるため、感作を避けるためのTiまたはNbによる安定化は一般的に不要ですが、一部の製品には安定剤が含まれる場合があります。
• 加工硬化: 両方の合金は冷間成形時に加工硬化します。904Lの高いNiと合金含量は、317Lよりも強い加工硬化挙動を引き起こす可能性があり、成形性や必要な力に影響を与えます。
• 析出硬化を目的とした熱処理は適用できません。約400–900 °Cの間に長時間曝露すると、炭化物や金属間化合物の析出を促進する可能性があります（これが腐食抵抗に影響を与えることがあります）。フェリック/低合金鋼に使用される正規化/急冷焼鈍プロセスは、完全なオーステナイトグレードには関連しません。

4. 機械的特性

表: 典型的な機械的特性（焼鈍状態、指標範囲）

解釈： - 両方の合金は、焼鈍状態で良好な延性と靭性を示します。904Lは、NiとMoからの高い固溶強化により、降伏強度がやや高くなることがよくありますが、焼鈍状態でのUTSの違いは通常小さいです。 - 317Lは、一部のベンダー条件でわずかに大きな伸びを示すことがあり、成形作業を助けることができます。 - 両者の衝撃靭性は、一般的に常温で優れています。どちらもフェリック鋼に典型的な延性から脆性への遷移を示しません。

5. 溶接性

• 一般: 317Lと904Lは、溶接可能なオーステナイト系ステンレス鋼と見なされています。低炭素含量は、溶接中の粒界炭化物析出に対する感受性を減少させ、溶接後の熱処理の必要性を減少させます。
• 考慮すべき要因：
• オーステナイト系ステンレス鋼は、溶接部での熱割れ（凝固割れ）に対して敏感です。適切なフィラー選択と溶接パラメータが重要です。
• 高合金含量（Ni、Mo、Cu）は凝固挙動に影響を与え、マッチまたはオーバーマッチのフィラーメタルが必要になる場合があります。
• 有用な溶接性指数（ここでは数値計算は不要）：
• オーステナイト用の炭素当量（IIW形式）は、定性的に使用できます： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ 高い$CE_{IIW}$は、いくつかの文脈での溶接性の懸念の傾向を示します。
• ピッティング/クレバス/炭素-マンガンおよび他の強化元素に関連する溶接性のためのより保守的な指数： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$は、溶接割れリスクの定性的な予測因子として使用されることがあります。
• 実用的な解釈：
• 317L: 一般的なオーステナイト系ステンレスフィラー（例：316Lタイプの消耗品）での溶接は一般的に簡単です。予熱は通常不要です。溶接後の焼鈍はほとんど必要ありません。
• 904L: 溶接可能ですが、フィラー選択に注意が必要です（しばしば904Lにマッチした溶接ワイヤーや特別に選ばれたニッケルベースのフィラー）を使用して、ガルバニックまたは腐食性能の違いを避ける必要があります。高い合金含量は、溶接手順が最適化されていない場合、熱割れに対する感受性を高める可能性があります。製造業者は供給者の溶接ガイドラインを参照するべきです。
• 両グレードにおいて、熱入力、インターパス温度、および適切な溶接後の清掃の管理が、腐食性能を維持するために重要です。

6. 腐食と表面保護

• 非ステンレス鋼: ここでは適用されません; 両方の合金はステンレスです。
• ピッティング抵抗等価数（PREN）は、塩化物を含む環境における局所的な攻撃に対する相対的な抵抗を示す一般的な方法です： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• この式を定性的に使用すると、MoとNが高い合金は、より高いPRENを示し、したがってピッティング抵抗が改善されます。
• 定性的比較：
• 317L: Mo含量は304/316ファミリーに対してピッティング抵抗を大幅に改善します。塩化物や局所的な攻撃に対する抵抗が強化される必要がある場所で広く使用されています。
• 904L: 通常、317Lよりも高い全体的な局所腐食抵抗を達成します。なぜなら、904Lは高いMoをより高いNiと追加のCuと組み合わせているからです。これにより、PRENが上昇し、酸化性および還元性の塩化物を含む媒体や一部の硫酸濃度に対する抵抗が改善されます。
• 指数が不十分な場合: 実際のサービス条件（温度、塩化物濃度、流れ、クレバス、酸化または還元化学）を実験的に評価する必要があります。PRENはあくまで指標であり、すべての環境での性能を保証するものではありません。

7. 加工、機械加工性、成形性

• 成形：
• 317L: 焼鈍状態での良好な成形性; 典型的なオーステナイトの延性は、中程度から厳しい成形プロセスを許可します。
• 904L: 成形可能ですが、高い合金含量と強い加工硬化により、深絞りやタイトな半径の成形がより要求されます。成形速度を遅くするか、中間焼鈍が必要になる場合があります。
• 機械加工性：
• 両者は靭性と加工硬化のため、フェリックまたは低合金鋼よりも加工が難しいです。904Lは、NiとMoの含量が高く、靭性が増すため、通常317Lよりも加工が難しいです。工具寿命が短く、頑丈な工具、高出力、制御された切削パラメータが必要になることを期待してください。
• 表面仕上げ：
• 両方のポリッシュおよび電解化学的仕上げは簡単ですが、904Lは加工硬化した層を除去し、望ましい表面冶金を達成するために調整されたポリッシング手順が必要になる場合があります。
• 推奨事項：
• 904Lには鋭い工具、剛性のあるセットアップ、重-duty工具、低い切削速度を使用してください。317Lには、標準的なオーステナイト系ステンレスの機械加工手順が一般的に適しています。

8. 典型的な用途

表: グレード別の典型的な用途

9. コストと入手可能性

• 相対コスト: 904Lは、ニッケル、モリブデン、銅の含有量が高いため、317Lよりも材料的に高価です。原材料に対してかなりのプレミアムが予想され、機械加工および製造コストも高くなります。
• 入手可能性: 317Lは、板、シート、バー、チューブ、鍛造品で世界中に広く在庫されています。904Lは多くの製品形態で入手可能ですが、一般的には在庫が少なく、長いリードタイムや特注生産が必要になることが多いです。大口径やカスタム形状の入手可能性は、317Lと比較して制限される場合があります。
• 調達の影響: 904Lの仕様は、初期材料および加工のプレミアムに対するライフサイクルコストの利点を考慮する必要があります。計画的な購入戦略と供給者の資格確認が重要です。

10. まとめと推奨

表: クイックサマリー比較（定性的）

結論としての推奨事項： - コスト効果が高く、広く入手可能なオーステナイト系ステンレスが必要な場合は、317Lを選択してください。一般的な300シリーズグレードに対して改善されたピッティング抵抗、簡単な溶接と成形、そして中程度の攻撃的な塩化物環境でのサービスが可能です。 - 攻撃的な塩化物曝露、還元酸（例：特定の硫酸濃度）、または最高の実用的な腐食抵抗（および関連する長期的な信頼性）が高い材料および製造コストを正当化するサービス条件に直面する場合は、904Lを選択してください。メンテナンスアクセスが困難で、攻撃的な化学環境での長寿命が重要な場合は、904Lが推奨されます。

最終的な注意: PRENおよび合金指数は有用なスクリーニングツールですが、最終的な材料選定はサービス特有の腐食試験、ライフサイクルコスト分析、溶接手順の資格確認、および材料供給者や腐食専門家との相談に基づくべきです。