904L対254SMO - 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

904Lと254SMOは、攻撃的な化学および海洋環境で頻繁に考慮される高性能オーステナイト系ステンレス鋼の2つです。エンジニアや調達チームは、これらの選択時に耐食性、コスト、溶接性、機械的性能のトレードオフをよく考慮します。典型的な意思決定の文脈には、化学処理装置、熱交換器、塩素を含む環境での配管、長期的なピッティングおよびクレバス腐食に対する抵抗が重要な高強度溶接製品が含まれます。

主な技術的な違いは、904Lが還元酸および一般的な腐食に対する抵抗のために設計された高合金、銅を含む低炭素オーステナイト系グレードであるのに対し、254SMOは塩素を含む媒体におけるピッティングおよびクレバス腐食に対する優れた抵抗のために主に設計された非常に高いモリブデンおよび窒素レベルを持つスーパオーステナイト系グレードであることです。その違いは、特に塩素による局所腐食が制限要因となる場合に、設計およびコストの決定に影響を与えます。

1. 規格と指定

• 904L
• UNS: N08904
• 一般的な規格: ASTM A240 / ASME SA-240 (板/シート)、ASTM A276 (棒)、EN (時々ENの同等品が参照される)

• 分類: オーステナイト系ステンレス鋼 (ステンレス)

• 254SMO

• UNS: S31254
• EN: 1.4547 (しばしば254 SMOと呼ばれる)
• 一般的な規格: ASTM A240 / ASME SA-240、ASTM A276 (棒)
• 分類: スーパオーステナイト系ステンレス鋼 (ステンレス)

両者はオーステナイト系ステンレス鋼であり（炭素鋼、工具鋼、またはHSLA鋼ではなく）、板、プレート、パイプ、棒のステンレス製品規格に指定されています。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、各グレードの製造者データシートおよび規格で見られる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ており、正確な組成は各熱のミル証明書で確認する必要があります。

元素	904L (典型的範囲, wt%)	254SMO (典型的範囲, wt%)
C	≤ 0.02	≤ 0.02
Mn	≤ 2.0	≤ 0.5–1.0
Si	≤ 1.0	≤ 0.8
P	≤ 0.035	≤ 0.03–0.035
S	≤ 0.01	≤ 0.01
Cr	19.0–23.0	20.0–22.0
Ni	23.0–28.0	17.0–19.0
Mo	4.0–5.0	6.0–6.5
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0.1 (通常は低い)	0.18–0.24 (高い)

注記: - 904Lは、還元酸（例: 硫酸）に対する抵抗を高め、延性と溶接性を保持するために、重要なニッケルおよび銅（Cuは通常約1.5–2.5 wt%、上記の簡略化された表には示されていない）を含んでいます。 - 254SMOは、高いモリブデンと意図的に高められた窒素を通じて高い局所腐食抵抗を達成します; 銅は最小限または存在しません。 - 両グレードは、溶接およびサービス中の感作および金属間化合物の析出を最小限に抑えるために、炭素を低く保たれています。

合金戦略の含意: - クロムは一般的な腐食抵抗を提供する不活性酸化物フィルムを形成します。 - モリブデンはピッティングおよびクレバス腐食抵抗を著しく改善します; 254SMOの高いMoは、塩素中でのその優れた性能の多くを推進します。 - 窒素はオーステナイトを安定化し、強度を増加させ、ピッティング抵抗を高めます（PRENでの乗法的）。 - ニッケルはオーステナイトを安定化し、靭性および成形性を改善します。 - 904Lの銅は、硫酸などの還元酸に対する抵抗を特に助けます。

3. 微細構造と熱処理応答

904Lと254SMOは、溶解アニーリング状態で完全にオーステナイトです。典型的な微細構造特性と熱処理応答:

• 904L
• 微細構造: 適切に溶解アニーリングされた場合、低い炭化物析出を伴う完全なオーステナイト。
• 熱処理: 熱処理によって硬化しない; 推奨される溶解アニーリング（例: 1010–1120 °C / 1850–2050 °F）後、金属間化合物を溶解し、耐食性を回復するために急冷が必要です。炭素が制御されている場合、感作のリスクは低いです。

• 冷間加工は、作業硬化を通じて強度を増加させます; 結晶間析出物が形成された場合、耐食性を回復するためにアニーリングが必要です。

• 254SMO

• 微細構造: MoおよびNによる高いオーステナイト安定性を持つ完全なオーステナイト。
• 熱処理: 典型的に~1100–1150 °C / 2010–2100 °Fで溶解アニーリングされ、急冷されます。高いMoおよびCrのため、不適切な熱サイクルはシグマ相や他の金属間化合物を促進する可能性があるため、溶解アニーリングと冷却の厳格な管理が重要です、特に溶接後に。
• 熱機械処理および冷間加工は強度を増加させます; 窒素含有量はオーステナイトおよび一次微細構造の安定性を維持するのに役立ちます。

どちらのグレードも、従来の急冷およびテンパー処理によって硬化することはできません—その特性は主に組成および冷間加工または作業硬化によって設定されます。

4. 機械的特性

機械的特性はプロセスおよび製品形状に依存します（冷間加工 vs. アニーリング）。溶解アニーリングされた製品形状の典型的な範囲:

特性	904L (溶解アニーリング, 典型的)	254SMO (溶解アニーリング, 典型的)
引張強度 (MPa)	~500–700	~500–700
降伏強度 (0.2%オフセット, MPa)	~200–300	~250–350
伸び (A%, 50 mmで)	~40–60%	~30–50%
衝撃靭性 (シャルピー, 室温)	良好、延性破壊	良好、やや高い強度が伸びを減少させる可能性があります
硬度 (HBまたはHRC)	通常は低い（アニーリングされた状態では柔らかい）	通常は低いが、N/Moで合金化された場合は904Lよりやや高い

解釈: - 両グレードはアニーリング状態で延性があり、靭性が良好です; 254SMOは窒素強化によりやや高い降伏強度を示すことがあります。 - 冷間加工は両者の引張強度および降伏強度を増加させますが、伸びを減少させます。 - 荷重支持または高強度構造のニーズに対して、どちらも析出硬化鋼と競合することはありません; 選択は耐食性能と機械的要件のバランスに基づいています。

5. 溶接性

溶接性は重要な選択パラメータです。

重要な要因: - 低炭素含有量とオーステナイト構造は、マルテンサイトまたはフェライト系グレードと比較して、両グレードに優れた一般的な溶接性を与えます。 - 254SMOの窒素は強度を高め、ピッティング抵抗を改善しますが、窒素損失を制御し、ポロシティを避ける溶接手順が必要です。 - 904Lの銅は凝固挙動を変える可能性がありますが、一般的には標準のオーステナイトフィラー金属と互換性があります; 904Lはしばしば工場または現場条件で溶接が容易と考えられています。

有用な溶接性指数（定性的な使用のみ）: - 炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - ピッティング腐食指数 (Pcm) も溶接性/亀裂感受性を示します: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的な解釈: - 両グレードは通常、硬化可能な鋼に対して低い$CE_{IIW}$値を示し、マルテンサイト硬化および水素助長冷間亀裂のリスクが低いことを示しています。 - 254SMOの高いMoおよびNは、腐食抵抗に関連する$P_{cm}$パラメータを増加させますが、フィラー金属の選択や金属間化合物のシグマ相を避けるための溶接冷却を複雑にする可能性があります。 - 予熱は通常不要ですが、インターパス温度の制御および溶接後の溶解アニーリング（または酸洗いおよびパッシベーション）が重要なアプリケーションには推奨される場合があります。

6. 腐食と表面保護

ステンレスグレードは、腐食挙動において炭素鋼とは根本的に異なります。

• 炭素/合金鋼: 保護には通常、均一腐食を防ぐためのコーティング（熱浸漬亜鉛メッキ、塗装、ライニング）が必要です; 腐食抵抗性能はコーティングの完全性に依存します。

• ステンレス鋼（904Lおよび254SMO）: 腐食抵抗は不活性なCr酸化物フィルムを通じて内在的です; 比較にはピッティング指数が使用されます。

ピッティング抵抗等価数: - 一般的な指数はPRENです: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

代表的なPRENの解釈: - 904L（代表的な組成）は中程度の30台のPRENを生成し、優れた一般的な腐食および合理的なピッティング抵抗を提供し、Cuによる還元酸に対して優れた性能を示します。 - 254SMO（代表的な組成）は通常、低から中程度の40台のPRENを生成し、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に対する優れた抵抗を反映し、厳しい海洋および化学プロセスサービスに適しています。

明確化: - PRENは比較指数です; 実際の現場での性能は温度、塩素濃度、流れ、クレバスの形状にも依存します。非常に攻撃的な塩素環境（例: 温かい海水、高表面積のクレバス）では、254SMOの高いPRENが決定的であることがよくあります。

7. 製造、加工性、および成形性

• 切断および加工:
• 904Lはオーステナイト系ステンレスとしては合理的に加工されますが、その高いニッケル含有量と作業硬化傾向は、剛性のあるセットアップと適切な炭化物工具を必要とします。
• 254SMOは、高いMoおよびNにより硬度と工具摩耗が増加するため、加工がより困難です; より遅い切削速度と頑丈な工具が推奨されます。
• 成形および曲げ:
• 904Lは優れた成形性と深絞り性能を持っています。
• 254SMOは成形可能ですが、より大きな曲げ半径が必要であり、重い冷間成形後に延性を回復するためにアニーリングが必要な場合があります。
• 表面仕上げ:
• 両者は高い仕上げに磨くことができます; 254SMOの高いMo含有量は電解研磨をより要求する可能性がありますが、非常に不活性な表面を得ることができます。
• 製造に関する注記:
• 溶接接合部の耐食性能を保持するために、適切なフィラー金属（例: 重要なアプリケーションにおける254SMO用のスーパオーステナイトフィラー）を使用してください。
• 溶接後の酸洗い/パッシベーションは、パッシブフィルムを回復するために一般的に使用されます。

8. 典型的な用途

904L — 典型的な用途	254SMO — 典型的な用途
還元酸（硫酸サービス）にさらされる化学プロセス装置、熱交換器、蒸発器	海水部品、淡水化、スクラバー、塩素を含むプロセス配管、煙道ガス脱硫装置
硫酸およびリン酸に対する耐性と一般的な腐食が必要な石油化学プラントの配管およびフィッティング	攻撃的な塩素環境における圧力容器および配管、オフショア海水システム、海底フィッティング
腐食性の還元媒体のためのタンクおよび貯蔵	塩素溶液中での厳しいピッティング/クレバスリスクおよび高温にさらされる部品
高いニッケルベースの美観と耐食性能を必要とする建築用途	長寿命でメンテナンスが少ない高信頼性の設置で、より高い材料コストが正当化される

選択の理由: - 還元酸に対する耐性と優れた成形性/溶接性が主な場合、904Lを選択してください。また、コストがスーパオーステナイト合金に対して適度である必要があります。 - 局所的な塩素誘発腐食（ピッティング/クレバス）が主なリスクであり、初期の材料コストが高くても最低限の長期メンテナンスが望ましい場合は、254SMOを選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト: 254SMOは、通常、904Lよりも高いMoおよびNの合金化と限られた生産量のため、キログラム/メートルあたりのコストが大幅に高くなります。904Lは高いニッケルおよび銅含有量のため、標準のオーステナイト（304/316）に対して高価ですが、一般的にはスーパオーステナイトグレードよりも安価です。
• 入手可能性: 904Lは、複数のミルソースから板、シート、パイプ、フィッティング、棒にわたって広く入手可能です。254SMOは入手可能ですが、より限られた製品形状で在庫されることが多く、地域や必要な製品形状（例: シームレスパイプ、大口径プレート）によっては、長いリードタイムや特別な調達が必要になる場合があります。
• 調達のヒント: 攻撃的な塩素環境での大規模プロジェクトの場合、コスト比較にリードタイムと廃棄物を含めてください; 254SMOのライフタイムメンテナンスコストの節約は、初期購入コストの高さを相殺する可能性があります。

10. 概要と推奨

概要表（定性的）:

基準	904L	254SMO
溶接性	優れた（標準のオーステナイト溶接実践）	良好から普通（重要なサービスには制御と一致するフィラーが必要）
強度–靭性	良好な延性; 中程度の降伏強度	やや高い降伏強度（N強化）; 良好な靭性
腐食（一般）	優れた（還元酸、一般的な腐食）	優れた（塩素中での優れたピッティング/クレバス抵抗）
コスト	高い（ただしスーパオーステナイトよりは低い）	非常に高い
入手可能性	広い	より限られた

推奨: - 904Lを選択する場合: - サービス環境に還元酸（例: 硫酸）または銅の利点と全体的に良好な耐食性が必要な混合酸環境が含まれる場合。 - 良好な溶接性と成形性が優先され、予算/リードタイムの制約がある場合。 - 塩素への曝露が中程度で、局所腐食リスクが設計制御で管理可能な場合。

• 254SMOを選択する場合:
• 防止すべき主な破損モードが塩素誘発のピッティングおよびクレバス腐食（温かい海水、濃縮塩素プロセス流、クレバス内での長時間静止曝露）である場合。
• 長寿命で最小限のメンテナンスと局所攻撃に対する最大の抵抗が高い材料コストを正当化する場合。
• アプリケーションがより厳しい溶接および製造制御と潜在的に長い調達リードタイムを許容する場合。

結論として: 最終的な材料選択は、腐食リスク評価（環境の塩素濃度、温度、クレバスの形状）、機械的および製造要件、ライフサイクルコスト分析を組み合わせるべきです。重要な塩素曝露システムに対しては、実験室テスト（曝露、クーポン、または電気化学テスト）および材料供給者や腐食エンジニアとの相談が推奨され、特定のサービス条件に対する904Lと254SMOの選択を検証することが重要です。