デュプレックスステンレス鋼：特性と主要な用途
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二相ステンレス鋼は、オーステナイト鋼とフェライト鋼の両方の利点を組み合わせたステンレス鋼の一種です。このユニークな組み合わせは、通常約50%のオーステナイトと50%のフェライトから成るバランスの取れた微細構造を通じて達成されます。二相ステンレス鋼の主な合金元素には、クロム、ニッケル、およびモリブデンが含まれ、これらはその機械的性質および耐腐食性に大きな影響を与えます。
包括的概要
二相ステンレス鋼は、オーステナイト-フェライト鋼として分類され、高い強度、優れた耐腐食性、および良好な溶接性が特徴です。主な合金元素は次のとおりです：
- クロム (Cr): 通常18-30%の濃度で存在し、クロムは耐腐食性を高め、保護性酸化膜の形成に寄与します。
- ニッケル (Ni): 通常4-8%の量で見られ、ニッケルは特に低温での靭性および延性を向上させます。
- モリブデン (Mo): 通常2-5%含まれ、モリブデンは特に塩素環境において、ピッティングおよびクレバス腐食への抵抗を高めます。
二相ステンレス鋼の主な特性には、高い引張強度、良好な衝撃靭性、および応力腐食割れ（SCC）への抵抗が含まれます。
利点：
- 高強度: 二相ステンレス鋼はオーステナイト鋼およびフェライト鋼と比較して、より高い降伏強度を示し、用途において薄いセクションを可能にします。
- 耐腐食性: ピッティングやクレバス腐食などに優れた局所的耐腐食性を示します。
- コスト効果: オーステナイトグレードと比較してニッケル含有量が少ないため、材料コストが削減される可能性があります。
制限事項：
- 溶接性: 一般的には良好ですが、二相ステンレス鋼は、有害な相の形成リスクのため、オーステナイトグレードよりも溶接が難しい場合があります。
- 脆さ: 特定の温度、特に溶接中には、適切に管理されていない場合、二相ステンレス鋼が脆くなることがあります。
歴史的に、二相ステンレス鋼は1930年代に開発され、その後、石油・ガス、化学処理、海洋応用などのさまざまな産業で人気を博しています。その独特の特性の組み合わせが理由です。
代替名称、規格、及び同等品
| 規格機関 | 指定/グレード | 発祥国/地域 | 備考/コメント |
|---|---|---|---|
| UNS | S31803 | アメリカ | EN 1.4462に最も近い同等物 |
| ASTM | A240 | アメリカ | ステンレス鋼板の標準規格 |
| EN | 1.4462 | ヨーロッパ | 一般的に使用される二相グレード |
| JIS | SUS329J3L | 日本 | S31803に類似していますが、成分に若干の違いがあります |
| DIN | X2CrNiMoN22-5-3 | ドイツ | 窒素含有量に特に焦点を当てたS31803に相当 |
これらのグレードの違いは、特に耐腐食性および機械的特性の面でパフォーマンスに影響を与える可能性があります。例えば、S31803と1.4462はしばしば同等であるとみなされますが、窒素含有量の変動により、強度や靭性に違いが生じる可能性があります。
主な特性
化学組成
| 元素（記号と名称） | 割合範囲 (%) |
|---|---|
| Cr (クロム) | 18.0 - 28.0 |
| Ni (ニッケル) | 4.5 - 8.0 |
| Mo (モリブデン) | 2.0 - 5.0 |
| N (窒素) | 0.08 - 0.20 |
| C (炭素) | ≤ 0.03 |
| Si (ケイ素) | ≤ 1.0 |
| Mn (マンガン) | ≤ 2.0 |
| P (リン) | ≤ 0.03 |
| S (硫黄) | ≤ 0.01 |
二相ステンレス鋼における主要な合金元素の役割には次のものがあります：
- クロム: 耐腐食性を提供し、保護酸化膜の形成を促進します。
- ニッケル: 特に低温での靭性と延性を向上させます。
- モリブデン: 特に塩素環境において、ピッティングおよびクレバス腐食への抵抗を高めます。
- 窒素: 強度を増加させ、応力腐食割れへの抵抗を改善します。
機械的特性
| 特性 | 状態/温度 | 試験温度 | 典型的値/範囲（メートル法） | 典型的値/範囲（インペリアル） | 試験方法の参考標準 |
|---|---|---|---|---|---|
| 引張強度 | 焼鈍 | 常温 | 620 - 850 MPa | 90 - 123 ksi | ASTM E8 |
| 降伏強度 (0.2%オフセット) | 焼鈍 | 常温 | 450 - 600 MPa | 65 - 87 ksi | ASTM E8 |
| 延性 | 焼鈍 | 常温 | 25 - 40% | 25 - 40% | ASTM E8 |
| ハードネス (ロックウェルB) | 焼鈍 | 常温 | 80 - 95 HRB | 80 - 95 HRB | ASTM E18 |
| 衝撃強度 (シャルピー) | 焼鈍 | -20°C | 50 - 100 J | 37 - 74 ft-lbf | ASTM E23 |
これらの機械的特性の組み合わせにより、二相ステンレス鋼は、圧力容器や配管システムなど、高い強度と機械的荷重への抵抗が求められる用途に特に適しています。
物理的特性
| 特性 | 状態/温度 | 値（メートル法） | 値（インペリアル） |
|---|---|---|---|
| 密度 | 常温 | 7.8 g/cm³ | 0.283 lb/in³ |
| 融点/範囲 | - | 1350 - 1400 °C | 2462 - 2552 °F |
| 熱伝導率 | 常温 | 15 W/m·K | 87 BTU·in/h·ft²·°F |
| 比熱容量 | 常温 | 500 J/kg·K | 0.119 BTU/lb·°F |
| 電気抵抗率 | 常温 | 0.72 µΩ·m | 0.0000013 Ω·ft |
| 熱膨張係数 | 20 - 100 °C | 16.0 x 10⁻⁶/K | 8.9 x 10⁻⁶/°F |
主要な物理的特性の実用的意義には次のものがあります：
- 密度: 構造用アプリケーションにおける重量の考慮に影響を与えます。
- 熱伝導率: 熱交換器を含む用途に重要です。
- 比熱容量: 高温用途における熱管理に影響を与えます。
耐腐食性
| 腐食性物質 | 濃度 (%) | 温度 (°C/°F) | 耐性評価 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 塩化物 | 3-10 | 20-60 / 68-140 | 優れた | ピッティングのリスク |
| 硫酸 | 10-20 | 20-40 / 68-104 | 良好 | SCCのリスク |
| 塩酸 | 5-10 | 20-40 / 68-104 | 普通 | 推奨されていません |
| 海水 | - | 20-40 / 68-104 | 優れた | クレバス腐食に対する耐性 |
二相ステンレス鋼は、特に塩素が豊富な条件下でさまざまな腐食環境に対して優れた耐性を示し、海洋用途に適しています。しかし、特定の環境、特に塩素の存在下および高温で、応力腐食割れ（SCC）を受けやすくなる可能性があります。
316Lのようなオーステナイトステンレス鋼と比較すると、二相ステンレス鋼は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提供し、より高い強度を持ちます。しかし、還元環境においてフェライトグレードほどの性能を発揮しない場合があります。
熱抵抗
| 特性/限界 | 温度 (°C) | 温度 (°F) | 備考 |
|---|---|---|---|
| 最大連続使用温度 | 300 | 572 | 高温用途に適しています |
| 最大間欠使用温度 | 350 | 662 | 短期間の露出に耐えることができます |
| 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 |
| クリープ強度に関する考慮事項 | 400 | 752 | 高温で劣化し始めます |
二相ステンレス鋼は高温でも良好な機械的特性を維持しますが、酸化や強度の喪失を防ぐために300 °C (572 °F)を超える温度への長時間の露出を避けることが重要です。
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 | ER2209 | アルゴン | 薄いセクションに適しています |
| MIG | ER2209 | アルゴン + CO2 | 厚いセクションに適しています |
| SMAW | E2209 | - | 厚いセクションでは予熱が必要です |
二相ステンレス鋼は、一般的に標準技術を使用して溶接可能ですが、有害な相の形成を避けるために熱入力を制御することが重要です。最適な特性を確保するために、予熱および溶接後の熱処理が必要な場合があります。
加工性
| 加工パラメータ | 二相ステンレス鋼 | ベンチマークステンレス鋼 (AISI 1212) | 備考/ヒント |
|---|---|---|---|
| 相対加工性指数 | 20-30% | 100% | 加工がより難しい |
| 典型的な切削速度（旋盤） | 30-50 m/min | 80-100 m/min | カーバイド工具を使用してください |
二相ステンレス鋼の加工性はオーステナイトグレードよりも低く、最適な結果を得るためには工具と切削パラメータを慎重に選択する必要があります。
成形性
二相ステンレス鋼は中程度の成形性を示します。冷間成形は可能ですが、過度の作業硬化を避けるために注意が必要です。複雑な形状には熱間成形が推奨され、亀裂を防ぐために曲げ半径はオーステナイトグレードよりも大きいことが推奨されます。
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 |
|---|---|---|---|---|
| 溶解焼鈍 | 1020 - 1100 / 1868 - 2012 | 30分 | 空気または水 | 析出物の溶解 |
| 応力除去 | 300 - 600 / 572 - 1112 | 1時間 | 空気 | 残留応力の低減 |
溶解焼鈍などの熱処理プロセスは、二相ステンレス鋼の微細構造と特性を最適化するために重要です。これらの処理は析出物を溶解し、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
| 業界/セクター | 具体的な応用例 | このアプリケーションで利用されるステンレス鋼の主な特性 | 選択理由（簡単な説明） |
|---|---|---|---|
| 石油・ガス | 海上プラットフォーム | 高強度、耐腐食性 | 過酷な環境での耐久性 |
| 化学処理 | 貯蔵タンク | ピッティングおよびSCCに対する抵抗 | 安全性と耐久性 |
| 海洋 | 造船 | 海水中での耐腐食性 | 長寿命 |
| 発電 | 熱交換器 | 高強度および熱伝導率 | 熱伝達の効率 |
その他の用途には、
- 化学工場の配管システム
- 石油化学産業の圧力容器
- 脱塩プラントの部品があります。
二相ステンレス鋼は、その独特の強度、耐腐食性、およびコスト効果の組み合わせにより、要求の厳しい環境に最適です。
重要な考慮事項、選定基準およびさらなる洞察
| 特徴/特性 | 二相ステンレス鋼 | 代替グレード1 | 代替グレード2 | 簡潔な利点/欠点またはトレードオフのメモ |
|---|---|---|---|---|
| 主な機械的特性 | 高強度 | 中程度の強度 | 高強度 | 二相は強度対重量比が優れています |
| 主な耐腐食特性 | 優れた耐性 | 良好な耐性 | 普通の耐性 | 二相は塩素環境で優れています |
| 溶接性 | 中程度 | 良好 | 優れた | 溶接中の注意深い制御が必要です |
| 加工性 | 低い | 高い | 中程度 | オーステナイトグレードより加工が難しい |
| 概算相対コスト | 中程度 | 低い | 高い | 高性能用途に対してコスト効果が高い |
| 典型的な入手可能性 | 中程度 | 高い | 中程度 | 地域によって入手可能性が異なることがあります |
二相ステンレス鋼を選定する際には、コスト効果、入手可能性、および特定のアプリケーション要件を考慮する必要があります。その独特の特性により、さまざまな用途に適しており、最適な性能を確保するために加工プロセスに注意を払う必要があります。
要約すると、二相ステンレス鋼は、強度、耐腐食性、コストのバランスを考慮したさまざまなエンジニアリング用途に適した多用途で高性能な材料選択を表しています。