904L対316L - 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
904Lと316Lは、化学、海洋、製薬プロセス機器の材料選定で頻繁に競合する、広く使用されているオーステナイト系ステンレス鋼の2つです。エンジニアや調達マネージャーは、腐食抵抗、溶接性、ライフサイクルコストを考慮しながら、予算や供給の制約に対して過酷な環境での優れた性能の必要性をバランスさせて、どちらを選ぶかを検討します。一般的に言えば、904Lは、過酷な塩素および酸を含むサービス用に設計された高合金の腐食抵抗性オーステナイトグレードであり、316Lは、良好な一般的な腐食抵抗性、成形性、経済的な入手可能性を提供する広く使用されている「作業馬」低炭素オーステナイト系ステンレス鋼です。これらの違いが、設計や製造の決定において一般的に比較される理由を説明しています。
1. 規格と指定
各グレードの主要な規格と一般的な指定：
- 316L
- ASTM/ASME: UNS S31603, ASTM A240 (板/シート), ASTM A276 (棒), ASTM A479 (鍛造/パイプ) など。
- EN: 1.4404 (一般的にX2CrNiMo17‑12‑2として参照される)
- JIS: SUS316L
- GB: 0Cr17Ni12Mo2 (おおよその中国の指定)
-
分類: オーステナイト系ステンレス鋼
-
904L
- ASTM/ASME: UNS N08904
- EN: 1.4539 (時々参照される)
- JIS: JIS特定グレードとして一般的には使用されない; UNSによって指定されることが多い
- GB: 異なる指定の下で利用可能な同等ファミリー
- 分類: スーパーオーステナイト系ステンレス鋼（高合金オーステナイト）
どちらもステンレス（オーステナイト）鋼であり、従来の意味で炭素鋼、工具鋼、またはHSLAとは見なされません。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、一般的な商業用316Lおよび904Lの典型的な組成範囲（wt%）を示しています。値は業界規格で使用される代表的な範囲です。最終的な選択は、特定の規格またはミル証明書を参照する必要があります。
| 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 |
| V | – | 微量/≤ 規格 |
| Nb | – | 微量/≤ 規格 |
| Ti | – | 微量/≤ 規格 |
| Cu | 微量 – 0.75 | 1.0 – 2.0 |
| B | – | 微量 |
| N | ≤ 0.10 (通常非常低) | ≤ 0.10 (通常非常低) |
| Fe | バランス | バランス |
合金が性能に与える影響 - クロムは一般的な腐食抵抗と酸化膜の安定性を提供します（高いCrは基準のピッティング抵抗を高めます）。 - ニッケルはオーステナイト相を安定化し、靭性と延性を改善し、多くの文脈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高めます。 - 904Lの銅は還元酸（例：硫酸）に対する抵抗を改善し、特定の腐食性媒体での安定性を高めます。 - 低炭素（「L」指定）は、溶接中の感作を減少させ、粒界腐食を制限します。
3. 微細構造と熱処理応答
316Lと904Lは、基本的に焼鈍状態で完全にオーステナイト（面心立方）です。主要な微細構造および熱処理挙動：
- 典型的な微細構造
- 316L: 安定したオーステナイトで、適切に制御されていない場合、溶接部や冷間加工部にデルタフェライトが存在する可能性があります。粒径と双晶形成は、熱機械的履歴に応じて発生します。
-
904L: こちらも完全にオーステナイトですが、より高いNiおよびMo/Cu含有量がオーステナイトを安定化し、フェライトまたはマルテンサイトの形成傾向を減少させます。904Lは炭化物の析出（感作）に対して強い抵抗を示します。
-
熱処理と加工
- 両グレードは、従来の焼入れおよび焼戻しルートによる硬化がありません。焼鈍（固溶処理）は、延性と腐食抵抗を回復するための標準プロセスです：通常、約1,040–1,120 °Cで固溶焼鈍し、その後急冷（水冷）してオーステナイト構造を保持し、炭化物を溶解させます。
- 熱機械的加工（冷間加工）は、ひずみ硬化によって強度を高めます。どちらのグレードも、従来の熱処理によって大幅に強化することはできません。強化は、作業硬化または冷間成形の後に可能な安定化によって達成されます（例：316Tiの場合）。
- 450–870 °Cの範囲での長時間の曝露は、高合金オーステナイトにおいてシグマ相またはクロム炭化物の析出を促進する可能性があります。904Lの高いNiおよびCuは、極端なサービス曝露におけるリスクを減少させますが、完全には排除しません。
4. 機械的特性
焼鈍状態における典型的な機械的特性は、製品形状（シート、板、棒）および特定の規格に依存します。表は、設計比較に一般的に使用される代表的な焼鈍値を示しています。プロジェクトデータについては、材料証明書を参照してください。
| 特性（焼鈍） | 316L（代表的） | 904L（代表的） |
|---|---|---|
| 引張強度（UTS） | ~480–620 MPa | ~500–650 MPa |
| 降伏強度（0.2%オフセット） | ~170–310 MPa | ~200–350 MPa |
| 伸び（A%） | ≥ 35–50% | ≥ 30–50% |
| 衝撃靭性（室温、典型的） | 高い（良好なノッチ靭性） | 高い（優れたノッチ靭性） |
| 硬度（HB/HRB典型的焼鈍） | ~90 HRB（または≤ 200 HB） | 合金に応じて同様またはやや高い |
解釈 - 強度: 両グレードは焼鈍状態で広く類似した引張特性を示します。冷間加工はどちらの強度も高めます。904Lは合金のため、いくつかの製品形状でわずかに高い強度を示すことがありますが、設計マージンに対してはしばしば小さい違いです。 - 靭性と延性: 両者は完全なオーステナイト構造により、常温で非常に延性があり靭性があります。904Lの高いニッケル含有量は、一般的に低温靭性を改善し、脆化の感受性を減少させます。 - 機械的特性は主に作業硬化と冷間成形によって制御され、熱処理によってではありません。設計は特定の材料証明書を参照する必要があります。
5. 溶接性
溶接性の考慮事項には、炭素含有量、合金化、および硬化指数が含まれます。
- 316Lと904Lの両方は低炭素レベル（「L」グレード）を持ち、溶接後の感作および粒界腐食のリスクを減少させ、溶接性を改善します。
- 標準のオーステナイト系フィラー金属（例：一致または高いニッケル、必要に応じてNiベース）と適切な溶接手順の使用が一般的です。標準的な用途では、溶接後の固溶焼鈍はほとんど必要ありませんが、重要な腐食抵抗のために使用されることがあります。
- 溶接性指数（定性的比較をガイドするため）：
- 炭素当量（IIW形式）： $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
- 溶接性感受性のためのピッティング腐食抵抗当量： $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
- 定性的解釈
- 316L: 良好な溶接性、広く使用されており、よく理解されています。低炭素は感作を最小限に抑え、フィラー金属の選択は簡単です。
- 904L: 溶接可能ですが、注意が必要です。高いMoおよびCrは316Lに対してCEおよびPcmの項を増加させます。高いNiは硬化性を軽減しますが、不適切なフィラーやパラメータが使用されると熱割れの感受性に影響を与える可能性があります。904Lは十分なニッケルを持つ一致フィラーを必要とすることが多く、熱入力と希釈制御に対してより敏感である可能性があります。予熱は一般的には必要ありませんが、インターパス温度の制御と清掃が重要です。
6. 腐食と表面保護
-
非ステンレス鋼の場合: 標準的な保護は亜鉛メッキ、塗装、陰極保護、およびコーティングです。（これらの2つのステンレスグレードには適用されません。これらはパッシブフィルムに依存しています。）
-
ステンレス腐食指数
- ピッティング抵抗当量数（PREN）は、ピッティング抵抗を比較するために一般的に使用されます： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- おおよそのPREN（代表的な中間組成を使用）：
- 316L: Cr ≈ 17%およびMo ≈ 2.5%の場合 → PREN ≈ 17 + 3.3×2.5 ≈ 25.25
- 904L: Cr ≈ 20%およびMo ≈ 4.5%の場合 → PREN ≈ 20 + 3.3×4.5 ≈ 34.85
-
解釈: 高いPRENは、塩素環境における局所的な攻撃（ピッティング/クレバス）に対する抵抗が大きいことを示します。904Lの著しく高いPRENと銅の追加は、多くの過酷な塩素および還元酸環境（例：硫酸）において優れた抵抗を与えますが、316Lは中程度の塩素曝露に対して良好な一般的なピッティング抵抗を提供します。
-
PRENが適用できない場合
- PRENはピッティングに焦点を当てた簡略化された指数であり、強い酸化環境、硫酸における一般的な腐食、または応力腐食割れの感受性を完全には捉えません。実際のアプリケーション評価には、テストまたは経験豊富な腐食工学の判断が必要です。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性
- 316L: 炭素鋼に対して加工性は良好から悪い。切削中の作業硬化は剛性のある工具と適切な送りを必要とします。性能はコーティングされた炭化物工具と最適化されたパラメータで改善されます。
- 904L: 一般的に316Lよりも加工が難しく、高いニッケル含有量と増加した作業硬化のため、工具の摩耗と切削力が高くなります。ニッケルが豊富な合金は、通常、低い切削速度と堅牢な工具を必要とします。
- 成形性と曲げ
- 両グレードは焼鈍状態で良好な成形性を持ち、316Lは深絞りや複雑な形状に広く使用されています。904Lは成形可能ですが、成形力の増加とスプリングバックへの注意が必要な場合があります。重い成形後の焼鈍が一般的に使用されます。
- 表面仕上げ
- 研磨とパッシベーションは両方に効果的です。904LはCuおよびMo含有量のため、わずかに異なる酸洗/清掃化学が必要な場合があります。適切な酸洗とパッシベーションはパッシブフィルムを回復し、腐食性能を最適化します。
8. 典型的な用途
| 316L – 典型的な用途 | 904L – 典型的な用途 |
|---|---|
| 食品および飲料処理機器、製薬および医療部品、海洋フィッティング、熱交換器、一般的な化学プロセス配管（中程度の塩素） | 強酸（特に硫酸）を扱う化学プロセス機器、高塩素および高温の海水冷却システム、汚染制御スクラバー、高いピッティング/クレバス抵抗が必要なオフショアおよび海底部品 |
| 建築および美的用途、穏やかな環境のためのタンクおよび貯蔵 | エステル化反応器、酸洗浄機器、還元環境にさらされる高純度システム |
選択の理由 - 316Lは、信頼性のある一般的な腐食抵抗、良好な成形性、および広範な入手可能性を必要とするコストに敏感なプロジェクトに選ばれます。 - 904Lは、サービスが過酷な塩素環境、高濃度の還元酸を含む場合、または腐食メンテナンスを最小限に抑えた長寿命が重要な場合に選ばれますが、初期コストが高くなります。
9. コストと入手可能性
- コスト
- 904Lは、ニッケルおよびモリブデン含有量が高く、銅が含まれているため、通常316Lよりもかなり高いプレミアムを要求します。価格差は大きく、合金金属市場の変動に応じて変動します。
- 入手可能性
- 316L: 世界中の製鋼所で非常に一般的で、多くの製品形状（シート、板、パイプ、チューブ、棒、鍛造品）で入手可能です。
- 904L: 専門のサプライヤーや大規模な製鋼所から容易に入手可能ですが、製品形状の範囲やリードタイムは316Lよりも制限される場合があります。大量の場合、カスタム製造および調達計画が必要になることが多いです。
10. まとめと推奨
まとめ表（定性的）
| 属性 | 316L | 904L |
|---|---|---|
| 溶接性 | 非常に良好（標準手順） | 良好、一致フィラーと溶接制御が必要 |
| 強度–靭性 | 良好な延性と靭性; 中程度の強度 | 比較可能な靭性; 一部の製品形状でしばしば同等またはやや高い強度 |
| 腐食抵抗（一般/ピッティング） | 良好（中程度の塩素サービス） | 優れた（高いピッティング/クレバス抵抗; 還元酸に良好） |
| コスト | 低い（経済的） | 高い（プレミアム合金コスト） |
| 入手可能性 | 優れた | 良好（316Lよりも普及していない） |
推奨事項 - 316Lを選択する場合： - アプリケーションが中程度の塩素または大気環境で信頼性のある一般的な腐食抵抗を必要とし、良好な成形性と経済的コストを兼ね備えている場合。 - サプライチェーンのシンプルさと広範な材料および製造オプションが優先される場合。 - システムが高塩素レベル、強い還元酸、または非常に高いPRENを要求する環境に長時間さらされない場合。
- 904Lを選択する場合：
- サービス環境が過酷な塩素、硫酸または他の還元酸、または深刻なピッティングおよびクレバス腐食に対して傾向がある条件を含む場合。
- 腐食メンテナンスを最小限に抑えた長寿命が優先され、プロジェクトが高い材料コストを正当化できる場合。
- 溶接および製造の専門知識があり、手順を制御し、適切なフィラー金属を指定できる場合。
最終的な注意: 材料選定は全体のシステムを考慮する必要があります—温度、塩素濃度、流れ、クレバス、応力状態、製造方法、およびライフサイクルコスト。重要なサービスには、実験室浸漬試験、電気化学データ、または特定のプロセス流体に関する現場経験が推奨されます。