18-8ステンレス鋼：特性と主要な用途
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18-8ステンレス鋼は、AISI 304としても知られ、高いクロムとニッケル含有量で特徴付けられる広く使用されるオーステナイト系ステンレス鋼グレードです。この鋼グレードは通常約18％のクロムと8％のニッケルを含み、優れた耐腐食性、成形性、溶接性に寄与します。オーステナイト系ステンレス鋼として、面心立方（FCC）結晶構造を維持し、常温および高温で良好な靱性と延性を提供します。
包括的概要
18-8ステンレス鋼は主にオーステナイト系ステンレス鋼として分類されており、その非磁性特性と優れた耐腐食性で知られています。18-8ステンレス鋼の主な合金元素はクロム（Cr）とニッケル（Ni）であり、クロムは酸化抵抗を提供し、ニッケルは靱性と延性を強化します。これらの元素の存在は、さまざまな環境における鋼の全体的な性能に大きな影響を与えます。
主な特性と属性
- 耐腐食性: 大気条件、食品加工、化学用途を含む広範な腐食環境に対して優れた耐性。
- 機械的特性: 良好な引張強度と降伏強度を持ち、構造用途に適しています。
- 成形性: 高い延性により、成形や加工が容易です。
- 溶接性: 標準技術を使用して容易に溶接できるが、感作を回避するために注意が必要。
利点と制限
| 利点 (プロ) | 制限 (コン) |
|---|---|
| 優れた耐腐食性 | 塩化物環境におけるピッティングに敏感 |
| 良好な機械的特性 | 他のいくつかのステンレス鋼と比較すると強度が低い |
| 高い延性と成形性 | 870°C (1600°F)を超える高温用途には適さない |
| 容易に溶接可能 | 特定の環境で応力腐食ひび割れが発生しやすい |
18-8ステンレス鋼は、食品加工、化学加工、建設を含むさまざまな産業での汎用性と広範な使用により、市場で重要な地位を占めています。その歴史的な重要性は、20世紀初頭に一般目的のステンレス鋼として開発されたことにさかのぼります。
代替名称、基準、および同等品
| 標準機関 | 名称/グレード | 発祥国/地域 | 備考/コメント |
|---|---|---|---|
| UNS | S30400 | USA | AISI 304に最も近い同等品 |
| AISI/SAE | 304 | USA | 一般的に使用される名称 |
| ASTM | A240 | USA | ステンレス鋼プレートの標準仕様 |
| EN | 1.4301 | ヨーロッパ | 欧州基準における同等名称 |
| DIN | X5CrNi18-10 | ドイツ | 類似の組成、わずかな違い |
| JIS | SUS304 | 日本 | 日本産業規格の同等品 |
| GB | 06Cr19Ni10 | 中国 | 中国の同等名称 |
| ISO | 304 | 国際 | 国際標準名称 |
これらの同等グレード間の微妙な違いは、特定の組成許容度や機械的特性にあり、特定の用途での性能に影響を与えることがあります。たとえば、AISI 304とEN 1.4301は一般的に同等ですが、後者は特定の不純物についてより厳格な制限がある場合があります。
主要特性
化学組成
| 元素（記号と名前） | 割合範囲 (%) |
|---|---|
| Cr (クロム) | 18.0 - 20.0 |
| Ni (ニッケル) | 8.0 - 12.0 |
| C (炭素) | ≤ 0.08 |
| Mn (マンガン) | ≤ 2.0 |
| Si (シリコン) | ≤ 1.0 |
| P (リン) | ≤ 0.045 |
| S (硫黄) | ≤ 0.03 |
18-8ステンレス鋼におけるクロムの主な役割は、表面に不活性酸化層を形成することによって耐腐食性を高めることです。ニッケルは鋼の靱性と延性に寄与し、破損することなく変形に耐えられるようにします。マンガンとシリコンは鋼の強度と靱性を向上させ、一方リンと硫黄は延性への有害な影響を最小限に抑えるために制御されています。
機械的特性
| 特性 | 条件/温度 | 典型値/範囲 (メトリック - SI単位) | 典型値/範囲 (インペリアル単位) | テスト方法の基準 |
|---|---|---|---|---|
| 引張強度 | 焼鈍 | 520 - 750 MPa | 75 - 109 ksi | ASTM E8 |
| 降伏強度 (0.2%オフセット) | 焼鈍 | 210 - 310 MPa | 30 - 45 ksi | ASTM E8 |
| 伸び | 焼鈍 | 40 - 50% | 40 - 50% | ASTM E8 |
| 面積の減少 | 焼鈍 | 60 - 70% | 60 - 70% | ASTM E8 |
| 硬度 (ロックウェルB) | 焼鈍 | 70 - 90 HRB | 70 - 90 HRB | ASTM E18 |
| 衝撃強度 | -20°C (-4°F) | 40 - 60 J | 30 - 45 ft-lbf | ASTM E23 |
これらの機械的特性の組み合わせにより、18-8ステンレス鋼は構造部品や配管システムなど、良好な強度と延性が求められる用途に適しています。比較的高い降伏強度により、大きな荷重に耐えることができ、伸びは良好な成形性を示しています。
物理的特性
| 特性 | 条件/温度 | 値 (メトリック - SI単位) | 値 (インペリアル単位) |
|---|---|---|---|
| 密度 | 室温 | 8.0 g/cm³ | 0.289 lb/in³ |
| 融点/範囲 | - | 1400 - 1450 °C | 2550 - 2642 °F |
| 熱伝導率 | 室温 | 16 W/m·K | 92 BTU·in/(hr·ft²·°F) |
| 比熱容量 | 室温 | 500 J/kg·K | 0.12 BTU/lb·°F |
| 電気抵抗率 | 室温 | 0.72 µΩ·m | 0.0000013 Ω·in |
| 熱膨張係数 | 20 - 100 °C | 16.0 x 10⁻⁶ /K | 9.0 x 10⁻⁶ /°F |
| 磁気透磁率 | 室温 | 非磁性 | 非磁性 |
18-8ステンレス鋼の密度は、他の材料と比較して相対的に重いことを示しており、重量が考慮される用途では重要な要素です。熱伝導率は中程度で、過度の熱伝達なしに耐熱性が必要な用途に適しています。非磁性特性は、磁気干渉を最小限に抑える必要がある用途に特に有利です。
耐腐食性
| 腐食性物質 | 濃度 (%) | 温度 (°C/°F) | 耐性評価 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 塩素化物 | 3-10 | 20-60 (68-140) | 良好 | ピッティングのリスク |
| 硫酸 | 10-30 | 20-40 (68-104) | 良好 | 中程度の抵抗性 |
| 酢酸 | 10-50 | 20-60 (68-140) | 良好 | 応力腐食に敏感 |
| 水酸化ナトリウム | 10-50 | 20-60 (68-140) | 優れた | アルカリに強い |
| 大気 | - | - | 優れた | 一般的な耐腐食性 |
18-8ステンレス鋼は、大気腐食に対して優れた耐性を示し、屋外用途に適しています。しかし、塩化物環境においてはピッティング腐食に敏感で、沿岸地域や塩化物を含む化学処理においても感受性があります。他のステンレス鋼グレード、例えばモリブデンを含みピッティング耐性を強化した316ステンレス鋼と比較すると、高腐食環境では18-8はそれほど性能が良くない可能性があります。
耐熱性
| 特性/制限 | 温度 (°C) | 温度 (°F) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 最大連続使用温度 | 870 | 1600 | 高温用途に適しています |
| 最大間欠使用温度 | 925 | 1700 | 短期間の曝露に耐えられます |
| スケーリング温度 | 600 | 1112 | この温度を超えると酸化のリスクがあります |
| クリープ強度の考慮が始まる | 600 | 1112 | クリープ抵抗が著しく低下します |
高温での使用時、18-8ステンレス鋼はその強度と靱性を維持し、高温環境での用途に適しています。ただし、870°C (1600°F)を超える温度に長時間晒されると酸化やスケーリングが生じ、構造的完全性が損なわれる可能性があります。劣化を防ぐためには、サービス条件の注意深い考慮が必要です。
加工特性
溶接性
| 溶接プロセス | 推奨フィラー金属 (AWS分類) | 典型的なシールドガス/フラックス | 備考 |
|---|---|---|---|
| TIG | ER308L | アルゴン | 薄いセクションに最適 |
| MIG | ER308L | アルゴン + CO2混合 | 厚いセクションに適しています |
| スティック (SMAW) | E308L | - | 厚いセクションの場合は予熱が必要 |
18-8ステンレス鋼は優れた溶接性を持ち、さまざまな溶接プロセスに適しています。ただし、溶接中の感作を避けることが重要であり、これは粒界腐食を引き起こす可能性があります。厚いセクションには、亀裂のリスクを減らすために予熱と溶接後の熱処理が必要になることがあります。
機械加工性
| 加工パラメータ | 18-8ステンレス鋼 | AISI 1212 (ベンチマーク鋼) | 備考/ヒント |
|---|---|---|---|
| 相対的な加工性指数 | 30% | 100% | 切削速度は遅めが必要 |
| 典型的な切削速度 | 30-50 m/min | 60-90 m/min | 高速度鋼工具を使用 |
18-8ステンレス鋼の加工には、加工硬化特性のため挑戦が伴います。最適な結果を得るために、高速度鋼またはカーバイド工具を使用し、切削速度を低めに保つことが推奨されます。適切な潤滑は、工具寿命と表面仕上げを向上させることができます。
成形性
18-8ステンレス鋼は優れた成形性を示し、さまざまな部品に容易に形作られます。所望の形状を得るために冷間加工することができますが、過度の加工硬化を避けるため注意が必要です。冷間成形の場合の最小曲げ半径は、一般的に材料の厚さの1.5倍です。
熱処理
| 処理プロセス | 温度範囲 (°C/°F) | 典型的な浸漬時間 | 冷却方法 | 主な目的/期待される結果 |
|---|---|---|---|---|
| 焼鈍 | 1010 - 1120 / 1850 - 2050 | 1-2時間 | 空気または水 | 内部応力を緩和し、延性を改善 |
| 固溶処理 | 1000 - 1100 / 1830 - 2010 | 30分 | 水 | 炭化物を溶解し、耐腐食性を向上 |
焼鈍や固溶処理といった熱処理プロセスは、18-8ステンレス鋼の微細構造を最適化するために重要です。焼鈍は内部応力を緩和し、延性を向上させ、一方固溶処理は炭化物を溶解し、耐腐食性を向上させるのに役立ちます。
典型的な用途と最終使用
| 産業/分野 | 具体的な適用例 | この用途で利用される鋼の主要な特性 | 選定理由 (簡潔に) |
|---|---|---|---|
| 食品加工 | 厨房機器 | 耐腐食性、清掃の容易さ | 衛生性と耐久性 |
| 化学処理 | 貯蔵タンク | 耐腐食性、強度 | 長期耐久性 |
| 建設 | 構造部品 | 強度、溶接性 | 汎用性と強度 |
| 自動車 | 排気システム | 高温耐性、成形性 | 性能と耐久性 |
| 医療機器 | 外科用器具 | 生体適合性、耐腐食性 | 安全性と信頼性 |
食品加工業界では、18-8ステンレス鋼は耐腐食性と清掃の容易さからキッチン機器や食品貯蔵に理想的です。化学処理ではその強度と耐久性から貯蔵タンクや配管システムに適しています。自動車業界では、高温に耐える能力から排気システムに使用されます。
重要な考慮事項、選定基準、さらに深入り
| 特徴/特性 | 18-8ステンレス鋼 | 316ステンレス鋼 | 430ステンレス鋼 | 簡潔な利点/欠点またはトレードオフの説明 |
|---|---|---|---|---|
| 主要機械特性 | 良好な延性 | より高い強度 | 中程度の強度 | 316はより良い耐腐食性を提供 |
| 主要な腐食側面 | 塩化物に対して良好 | 優れた | 軽度の環境に対して良好 | 316は海洋用途に好まれる |
| 溶接性 | 優れた | 良好 | 良好 | 18-8は430よりも溶接が容易 |
| 機械加工性 | 中程度 | 中程度 | 良好 | 430は合金含有量が少ないため加工が容易 |
| 成形性 | 優れた | 良好 | 良好 | 18-8は成形においてより汎用性がある |
| 概算相対コスト | 中程度 | 高い | 低い | 18-8は多くの用途において費用対効果が良い |
| 典型的な入手性 | 広く入手可能 | 一般的 | 容易に入手可能 | 18-8は多くの産業で標準の選択肢 |
18-8ステンレス鋼を選定する際には、その費用対効果、入手性、特定の用途への適合性が考慮されるべきです。優れた耐腐食性と機械的特性を提供する一方で、316ステンレス鋼のような代替品が高腐食環境で好まれる場合もあります。さらに、430ステンレス鋼は磁気特性が必要な用途で選ばれることがありますが、その場合耐腐食性は低下します。
結論として、18-8ステンレス鋼は多用途で広く使用されている材料であり、強度、耐腐食性、成形性のバランスを提供します。その用途は様々な産業にわたり、現代の工学および製造における重要な材料です。