430対201 – 組成、熱処理、特性、および応用

はじめに

タイプ430およびタイプ201のステンレス鋼は、設計者が材料コスト、耐腐食性、機械的性能、および加工性のバランスを取らなければならない場合に広く使用される代替品です。選択のジレンマは、低い材料コストと磁気特性（一般的にフェライト系に関連付けられる）を優先するか、オーステナイト系の低ニッケル合金からの改善された延性、靭性、および成形性を優先するかにしばしば集中します。

430は良好な酸化抵抗と低ニッケル含有量を持つフェライト系ステンレス鋼です。201は、より高いニッケルを含むオーステナイト系の低ニッケル（高マンガン）ステンレス鋼で、より高いニッケルを含むオーステナイト系のコスト効果の高い代替品として開発されました。エンジニアは、家電、建築部品、および腐食要求と生産経済が両方とも重要な軽構造物のためにシート、ストリップ、または成形部品を指定する際に、これらを比較することが一般的です。

1. 規格と呼称

• 一般的な国際的呼称：
• 430: UNS S43000; AISI/SAE 430; EN 1.4016; JIS SUS430; GB 12Cr17。
• 201: UNS S20100; AISI/SAE 201; EN 1.4372（おおよその同等物は異なる場合があります）；JIS SUS201; GB 0Cr17Mn6Ni5N（呼称は規格によって異なります）。
• 分類：
• 430 — フェライト系ステンレス鋼（磁性）。
• 201 — オーステナイト系ステンレス鋼（一般的に焼鈍状態では非磁性；重い冷間加工後にわずかに磁性を帯びることがあります）。
• 規格における典型的な製品形状：冷間圧延シート/コイル、熱間圧延コイル、ストリップ、板、および引き抜き部品。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、比較仕様および選択に使用される典型的な名目組成範囲（wt%）を示しています。正確な限界については、実際の材料証明書または規格を参照する必要があります。

元素	430（典型的wt%）	201（典型的wt%）
C	≤ 0.12	≤ 0.15
Mn	≤ 1.0	5.5 – 7.5
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.06
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	16.0 – 18.0	16.0 – 18.0
Ni	≤ 0.75	3.5 – 5.5
Mo	—（微量）	—（微量）
V, Nb, Ti, B	—（微量）	—（微量）
N	≈ 0.01（微量）	0.10 – 0.25（いくつかの仕様で追加）

合金戦略と効果： - 430：フェライト構造はクロム（Cr）によって安定化されます。低いNiはコストを抑え、Mnは最小限です。Crは酸化/腐食抵抗と磁性フェライトマトリックスを提供します。限られた合金化は限られた硬化性を意味し、溶液合金化からの強化は比較的低いです。 - 201：オーステナイトは高いMnと追加のNi（ただし300系列よりは少ない）によって安定化されます。Mnはオーステナイト安定剤としてNiの一部を置き換え、窒素（追加される場合）は強度を増加させ、ピッティング抵抗に寄与します。合金の混合は、良好な延性と靭性を持つオーステナイトマトリックスを提供します。

3. 微細構造と熱処理応答

• 430：
• 微細構造：標準処理において主にフェライト（体心立方）です。粒径と二次析出物（条件によっては炭化物またはカイフェーズ）は熱履歴に依存します。
• 熱処理：フェライト系ステンレス鋼は急冷によって硬化できません。焼鈍（約760–820 °Cで制御冷却を行う）により延性が回復し、残留応力が減少します。600–900 °C範囲での長時間の曝露により、粒成長と脆化が発生する可能性があります。
• 201：
• 微細構造：MnとNiにより室温で安定したオーステナイト（面心立方）です。冷間加工はひずみ硬化を引き起こし、部分的な変態または磁気応答を引き起こす可能性があります。
• 熱処理：完全に焼鈍されたオーステナイト微細構造は、溶液焼鈍（約1020–1120 °C）と急冷によって達成され、炭化物/窒化物を溶解し、作業硬化をリセットします。マルテンサイトまたはフェライト鋼とは異なり、オーステナイト201は急冷焼入れによって強化されず、強度は主に冷間加工または作業硬化によって制御されます。

加工の影響： - 冷間圧延は両方のグレードで作業硬化によって強度を増加させます；この効果はオーステナイト201でより顕著で、成形後に高強度を達成できます。 - 溶接熱サイクルは異なる影響を持ちます：430は制御されない場合、熱影響部（HAZ）での粒成長と靭性の喪失に敏感です；201は典型的な溶接サイクルを通じてオーステナイトマトリックスを保持しますが、不適切に合金化された場合や不適切なフィラー金属とともに金属間化合物が形成されると感作や枯渇効果を受ける可能性があります。

4. 機械的特性

表は商業用焼鈍シート/ストリップ製品の典型的な機械的特性範囲を示しています；値は厚さ、冷間加工、および供給者の仕様に強く依存します。

特性（焼鈍、典型的）	430（フェライト系）	201（オーステナイト系）
引張強度（MPa）	~400 – 600	~500 – 700
降伏強度（MPa）	~150 – 300	~250 – 450
伸び（%）	~20 – 30	~35 – 60
衝撃靭性（室温、定性的）	中程度；低温で減少	高い；優れた延性と靭性
硬度（HBまたは同等）	中程度；冷間加工で増加	冷間加工後は中程度から高い；より強く作業硬化する

解釈： - 201は通常、オーステナイトマトリックスのおかげで、特に低温でより高い延性と保持された靭性を示します。 - 430は一般的に延性が低く、焼鈍状態での引張/降伏強度がわずかに低いですが、低い強度と磁気応答が許容される場合には魅力的です。 - 冷間加工は201の強度を大幅に引き上げ、急速な作業硬化によるこの挙動は、アプリケーションの強度要件を満たすための成形操作で利用される可能性があります。

5. 溶接性

溶接性は炭素含有量、合金化（Cr、Ni、Mn、Mo）、およびHAZの硬化または脆化への感受性に依存します。一般的に使用される2つの経験的指標：

• IIW炭素等価： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm（溶接HAZでの冷間亀裂を予測するため）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 201：オーステナイト構成と中程度の炭素のおかげで、201は標準のオーステナイトフィラー金属とともに許容できる溶接を行いますが、手順はMnとNの含有量を考慮する必要があります。高いMnと潜在的なNは、熱亀裂や過度の歪みを避けるためにフィラーの選択と熱入力を制御する必要があります。オーステナイト微細構造はHAZの靭性に対して寛容です。 - 430：430のようなフェライト鋼はHAZの粒成長と潜在的な脆化に対してより敏感です。430を溶接するには、しばしば一致したまたは互換性のあるフェライトフィラーが必要で、靭性の喪失を避けるために熱入力とインターパス温度に注意を払う必要があります。予熱および溶接後の焼鈍は、硬化性を高めるためには一般的に効果的ではありません（フェライトはマルテンサイトではないため）が、制御された低熱入力と適切なフィラーの使用はHAZの問題を軽減します。 - 実際には：201は通常、薄いセクションのラップおよびバットジョイントに対してより簡単な溶接挙動を提供します；430は構造的完全性のためにより厳密な制御と適切なフィラーの選択を必要とします。

6. 腐食および表面保護

• 一般：
• 両方のグレードは、主にクロム含有量（約16–18%）に依存して耐腐食性を持ちます。どちらも重要なMoを含まないため、Moを含むステンレス鋼（例：316）と比較してピッティング抵抗は限られています。
• PRENの使用：
• PRENはMoとNがピッティング抵抗に影響を与える場合に有用です： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• 430および201の場合、Moは実質的にゼロです；201は追加のNを含む可能性があるため、PRENはあくまで粗い比較を提供し、Moを含むグレードに対しては低くなります。両方の合金のPREN値は控えめであり、攻撃的な塩素サービスの候補ではありません。
• 実際の腐食挙動：
• 201（オーステナイト）は通常、多くの穏やかな環境で優れた一般的な腐食抵抗を示し、冷間サービスで優れた靭性を示します。しかし、201は300系列よりもNiが少なくMnが多いため、塩素ピッティングおよび隙間腐食に対する抵抗は304/316よりも劣り、430と比較しても曝露によっては同等またはわずかに劣ることがあります。
• 430（フェライト）は大気酸化および穏やかな有機酸に対して良好な抵抗を提供しますが、塩素環境でのピッティング/隙間抵抗は限られています。
• 表面保護：
• 自然な腐食抵抗が不十分な場合は、コーティング（亜鉛メッキは成形鋼には実行可能ですが、ステンレスの美観には一般的ではありません）、塗装、またはパッシベーション処理（酸洗浄および硝酸パッシベーション）を適用します。ステンレス使用の場合、機械的仕上げとパッシベーションはクロム酸化物の表面膜を回復します。

7. 加工、機械加工、および成形性

• 成形性：
• 201：高い延性とひずみ硬化のため、深絞りおよびストレッチ成形性能が優れています。引き抜きシンク、調理器具、複雑な形状に適しています。
• 430：成形性はより制限されており、フェライト構造は均一な伸びが少なく、スプリングバックが大きくなります。430の成功した成形には、しばしば大きな曲げ半径と潤滑制御が必要です。
• 機械加工性：
• オーステナイト201は急速に作業硬化し、これにより工具の摩耗が増加し、鋭い工具、剛性のあるセットアップ、およびチップブレーカーまたは特殊工具が必要になる場合があります。しかし、焼鈍状態で正しいフィードとスピードを使用すれば、機械加工は管理可能です。
• フェライト430は、オーステナイトステンレスよりも一般的に機械加工が容易で、強く作業硬化しないためですが、工具材料と切削パラメータは、ビルトアップエッジや表面損傷を避けるためにステンレス特有の実践を必要とします。
• 表面仕上げと研磨：
• 201は優れた鏡面仕上げに研磨できますが、マンガン硫化物の包含物や作業硬化が正しく処理されないと表面仕上げに影響を与える可能性があります。
• 430は良好な表面研磨を行い、ブラシ仕上げが望まれる装飾トリムや家電パネルにしばしば使用されます。

8. 典型的な用途

430 — 典型的な用途	201 — 典型的な用途
家電パネルおよびトリム（オーブン前面、レンジフード）、装飾的な建築パネル、自動車トリム、耐熱装飾要素、磁気が許容される一部の台所用品	台所用品、シンク、調理器具（低コストのオーステナイト用途）、ファスナー、冷間成形部品、建築内部、低〜中程度の腐食サービス用のチューブおよびパイプ
炉部品、オーブンライニング、高温酸化にさらされる部品	良好な延性と靭性を必要とする引き抜きおよび成形部品；制約のある環境での304の低コスト代替品

選択の理由： - 磁気特性、大気/穏やかな環境での中程度の耐腐食性、低い材料コストが主な要因である場合は430を選択してください。 - より高い延性、優れた靭性（特に深絞りや低温サービス用）、および非磁性の挙動が必要で、300系列のオーステナイトに対して低コストの代替品を求める場合は201を選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト：
• 430は通常、ニッケルをほとんど含まないため、低コストのステンレスグレードの中に位置します；クロムのコストは依然として適用されますが、合金の複雑さは低いです。
• 201は測定可能なニッケルと高いマンガンを含みます；Niへの依存を減らすために開発されましたが、その生産コストは430より高くなる可能性がありますが、多くの市場では300系列グレードよりは低いです。
• 入手可能性：
• 両方のグレードはシート、コイル、ストリップで広く在庫されています。地域の入手可能性は市場の需要に依存します—430は家電および建築供給チェーンで一般的です；201は低ニッケルオーステナイトシートが指定される場所で一般的です。
• 製品形状の考慮事項：
• 引き抜きおよび深成形部品には、焼鈍状態の201シートが一般的に在庫されています。装飾的な磁性パネルおよびトリムには、430がブラシ仕上げおよび鏡面仕上げで広く入手可能です。

10. まとめと推奨

基準	430（フェライト系）	201（オーステナイト系、低ニッケル）
溶接性	中程度 — HAZおよびフィラー選択に注意が必要	良好 — オーステナイトの挙動；Mn/Nおよび熱亀裂のリスクに注意
強度 – 靭性	中程度の強度；靭性と延性が低い（特に低温で）	より高い延性と靭性；より高い強度に作業硬化する
コスト	低い（一般的に安価なオプション）	中程度（430より高いが、多くの300系列より低い）

推奨： - 穏やかな大気または中程度の酸化環境での適切な耐腐食性を持つ低コストの磁性ステンレスが必要な場合、また形状の複雑さが制限されている場合（例：家電パネル、装飾トリム、耐熱化粧部品）には430を選択してください。 - 部品が深絞り、高靭性、優れた成形性、非磁性の挙動を必要とし、攻撃的でない腐食環境での300系列ステンレス鋼に対する低コストのオーステナイト代替品を求める場合は201を選択してください。

最終的な実用的注意事項： - 調達および溶接手順のために、ミル証明書から正確な化学組成および機械的特性を常に確認してください。 - 塩素または攻撃的な環境の場合、430または201に依存するのではなく、高合金グレード（Moを含むステンレス鋼）を検討してください。 - 加工および溶接のために、腐食抵抗と靭性を保持するために熱入力制御、フィラー選択、および必要な溶接後処理に関する作業手順を開発してください。