304 対 304​​L ステンレス鋼: 溶接と耐食性において低炭素が重要な場合

溶接タンク、圧力容器、化学配管システム用にステンレス鋼を注文したことがある方なら、「304 それとも 304L?」という疑問に直面したことがあるでしょう。価格差は紙の上では小さいように見えます - 5,000 ドルの注文でおそらく 200 ドルです。営業マンは「基本的には同じですよ」と言うかもしれません。しかし、この 200 ドルの決定によって、溶接が 5 年後も構造的に健全であるかどうかが決まります -、それとも粒界腐食がすべての溶接接合部の熱影響部を侵食し、圧力容器が時限爆弾に変わるかどうかが決まります。-

304 と 304L の違いは 1 つの数値に帰着します。炭素含有量. 304は最大 0.08% の炭素を許容します. 304L -「L」は「低炭素」を表します-炭素の上限は 0.03% です。この 0.05% の差は肉眼では見えず、磁石でも検出できず、引張強度とは無関係です。しかし、溶接中 -、鋼が 1,500 度から 400 度に冷却される数分間 - に、304 の 0.05% の余分な炭素が結晶粒界でクロム炭化物として析出し、周囲の金属のクロムが枯渇し、腐食が進行する微細な経路が形成されます。この現象は鋭敏化と呼ばれ、その結果生じる故障モード - 粒界腐食、または「溶接腐食」- は、他のすべての腐食メカニズムを合わせたよりも多くのステンレス鋼機器の故障を引き起こしています。

決定ルールは簡単です。溶接する場合は 304L を選択します。 304L の 3-8% のコストプレミアムは、単一の溶接欠陥のコストに比べれば微々たるものです。たとえば、- を溶接しない場合は、- 304 の加工用に冷間成形板金部品、ファスナー、または焼きなました棒材を指定するだけで技術的には十分であり、費用もわずかに安くなります。{9}}しかし、現代のサプライ チェーンでは、二重認定された 304/304L 素材が非常に一般的になったため、ほとんどの標準的な製品形態で価格プレミアムは事実上なくなりました。{13}迷った場合は、デュアル-認定の 304/304L - を指定すると、追加料金を支払うことなく 304L の低炭素保証が得られます。

化学組成 - すべてを変える 0.05%

304 と 304L は同じ基本化学組成 - 18-20% クロムと 8-10.5% ニッケル - を共有し、最大許容炭素含有量のみが異なります。304 では最大 0.08% の炭素が許容されますが、304L では 0.03% に制限されています。この単一要素の違いは、室温での機械的特性には測定可能な影響を与えませんが、溶接部の耐食性の決定要因となります。

304 と 304L はどちらも 300- シリーズのオーステナイト系ステンレス鋼ファミリーに属します。これらは、焼きなまし状態では非磁性であり、優れた成形性と溶接性を備え、大気中、水中、弱酸性の環境において良好な一般耐食性を発揮します。 「18-8」というニックネームは、約 18% クロム + 8% ニッケル組成を指します。この配合により、304 は地球上で最も広く使用されているステンレス鋼グレードとなり、世界のステンレス鋼生産量の 50% 以上を占めています。

なぜ 0.05% の炭素がそれほど重要なのでしょうか? - 感作のメカニズム

いつ304ステンレス鋼425-870 度 - 溶接部に隣接する熱影響部 (HAZ) で到達する温度範囲 - - 金属マトリックスに溶解した炭素原子が移動して粒界に移動し、そこでクロムと反応して炭化クロム (Cr₂₃C₆) 析出物を形成します。各炭化クロム粒子は炭素原子 6 個ごとに約 16 個のクロム原子を消費し、不動態酸化膜を維持するのに必要な 12% のしきい値を下回るクロムの隣接粒界領域を枯渇させます。その結果、すべての粒界に微細なクロム-の枯渇ゾーンが形成され、電解液にさらされると優先的に腐食します。これは粒界腐食 (IGC) または「溶接崩壊」として知られる破損モードです。

0.05% の炭素が耐食性と腐食破壊に違いをもたらす理由を理解するには、炭素原子を「クロム泥棒」と考えてください。最大 0.08% の炭素を含む 304 では、炭化物が形成されるときに総クロム含有量の約 1.3% からクロムを盗むのに十分な炭素原子が鋼中に存在します。これにより、粒界のクロムレベルが不動態皮膜臨界閾値の 12% - 未満に低下します。 304L では、炭素が 0.03% しか含まれていないため、「盗まれる」クロムの量は総クロム - の 0.5% 未満であり、粒界を 12% のしきい値未満にするには十分ではありません。溶接後の 304L の粒界は、溶接後の熱処理を行わなくても、完全な耐食性を維持します。-

425-870 度 (800-1,600 度 F) という鋭敏化温度範囲は非常に重要です。これはまさに溶接部の熱影響部が冷却中に通過する温度範囲であるためです。-厚さ 3mm の 304 シート上の一般的な GTAW (TIG) 溶接では、HAZ が鋭敏化範囲内に約 30 ～ 60 秒維持されます。これは、304 で炭化物の析出が始まるには十分な長さですが、304L で測定可能な鋭敏化を引き起こすには十分な長さではありません。厚い切片 (10mm+) の場合、冷却速度が遅くなり、感作範囲内の時間が数分間に延長されるため、304L が不可欠になります。

デュアル-認定 304/304L - 現代の標準

実際、現在生産されているほとんどのステンレス鋼-、特に平圧延製品（シート、プレート、コイル）-と管状製品（パイプ、チューブ）-は、304 と 304L の両方の化学的性質を満たすとして二重認定されています。-これは、材料に 0.03% 以下の炭素 (304L を満たす)、クロム 18.0-20.0%、およびニッケル 8.0-10.5% (両方を満たす) が含まれていることを意味します。二重-認定された材料により、選択する必要がなくなります。304 の価格で 304L の溶接性が自動的に得られます。材料が二重認定されているかどうかを必ずサプライヤーに問い合わせてください。そうであれば、304 対 304​​L の議論は解決されます。

世界のステンレス鋼の 95% 以上を生産する最新のアルゴン酸素脱炭 (AOD) 精錬では、大幅な追加コストをかけずに炭素レベルを 0.03% 未満に自然に達成できるため、二重認証が広く普及しました。 AOD プロセスでは、アルゴンと酸素の混合物を溶鋼に注入して炭素 - を除去します。炭素を 0.08% で正確に停止するよりも、0.02-0.03% まで炭素を除去する方が簡単かつ安価です。これは、現代の鉄鋼メーカーにとって、304L 化学反応を生成することが実際にはデフォルトの - であり、高炭素を含む 304 を生成するには、意図的に溶解物に炭素を戻す必要があることを意味します。これが、二重認定された 304/304L が例外ではなく業界標準になった理由です。

[出典] ASTM A240/A240M - クロムおよびクロム-ニッケル ステンレス鋼板、シート、およびストリップの標準仕様。 ASTM A312/A312M - シームレス、溶接、重冷間加工されたオーステナイト系ステンレス鋼パイプの標準仕様。

機械的性質 - 304 と 304L は同じ強度ですか?

室温の焼きなまし状態では、304 と 304L は本質的に同一の引張特性を持ちます。どちらのグレードも同じ ASTM A240 の最小要件を満たしています。引張強度は 515 MPa (75 ksi) 以上、降伏強度は 205 MPa (30 ksi) 以上、伸びは 40% 以上です。 304 と 304L の 2 つの部品間の強度の違いは、炭素含有量の違いではなく、結晶粒度、冷間加工履歴、および焼きなまし方法に起因します -。

高温強度-: 高温における微妙な違い

約 425 度（華氏 800 度）を超えると、304 は 304L よりわずかに高い強度を維持します。これは、より高い炭素含有量により、微細な炭化物の分散による小さな析出強化効果が得られるためです。-ただし、この利点には重大なトレードオフが伴います。-同じ温度では、304 が以前に溶接されていた場合、鋭敏化に対して脆弱になります。溶接が必要な 425 度を超える高温用途の場合は、代わりに 304H (0.04-0.10% C、UNS S30409) - を検討してください。これは、ASME ボイラー コードの要件に従って、高炭素の高温強度と、耐クリープ性のために制御された粒径を組み合わせたものです。

ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション II、パート D では、高温における両方のグレードの許容応力値が規定されています。 500 度 (932 °F) で、304 の許容応力は約 102 MPa であるのに対し、304L - の許容応力は 94 MPa で、約 8% の差があります。 600 度 (1,112 °F) では、その差は約 5% に狭まります。化学処理、食品および飲料、医薬品、水処理、建築用途の大部分を含む 400 度未満のほとんどの産業用途 - では、この高温強度の差は無関係です。-、304L の腐食の利点は、304 の理論上の強度の利点を上回ります。

[出典] ASME ボイラーおよび圧力容器コード、セクション II、パート D - 特性 (メートル法)、2023 年版。 ASTM A240/A240M 許容応力値。

溶接パフォーマンス - 304 か 304L かの決定の核心

溶接部の腐食（熱影響部の粒界腐食）は 4 つのステップで発生します。(1) 溶接部に隣接する母材は 425-870 度に加熱されます。 (2) 炭素原子が粒界に拡散し、クロムと反応して炭化クロムを形成します。 （３）炭化物に隣接する粒界領域のクロムが１２％未満に枯渇している。 (4) 腐食性環境にさらされると、-弱酸や湿気でも-クロムが枯渇した粒界が優先的に腐食し、金属は文字通り粒界に沿って崩壊します。 304L では、粒界炭化物の連続ネットワークを形成するのに十分な炭素がないため、ステップ 2 は臨界しきい値に到達しません。

このプロセスを視覚化するには、レンガの壁を想像してください。ステンレス鋼の粒子はレンガ - であり、強度が高く、耐食性があり、- それぞれ無傷です。粒界はレンガとレンガの間のモルタルです。未溶接 304 または溶接 304L では、モルタルはレンガと同じくらい強度があります。-しかし、溶接された 304 では、鋭敏化によりモルタルからクロムが溶解し、砂に変わります。壁はまだ壁のように見えます - レンガはまだそこにあり、形状は変わりません - しかし、レンガを結合していたモルタルがなくなっているため、軽く押すと (腐食環境により) レンガがバラバラになります。これが、溶接部の腐食が非常に潜行性である理由です。コンポーネントは、突然破損するまでは正常に見えます。

溶接 304 対 304​​L - 実践ルール

すべての溶接のルール: 304 対 304​​、304L 対 304​​L、または 304 対 304​​L のいずれを溶接するかに関係なく、308L 溶加材 (TIG には ER308L、スティックには E308L) を使用します。低炭素フィラーにより、溶接金属自体の鋭敏化に対する耐性が確保されます。-母材が標準 304 であっても、溶着溶接金属は 304 の耐食性を持ちます。304L鋼.

-溶接後熱処理 - 304 では必要だが 304L では必要ない場合

304 と 304L の実質的な基本的な違いは次のとおりです。溶接された 304 コンポーネントは腐食性が生じるため、炭化クロムを再溶解して耐食性を回復するために、溶接後に溶体化処理を行う必要があります。{3}{4}{4}溶体化焼きなましでは、部品全体を 1,040-1,150 度 (1,900-2,100 度 F) に加熱し、その後水中で急冷する必要があります -。このプロセスは高価でエネルギーを大量に消費し、大型の加工構造物 (タンク、圧力容器、パイプ スプール) では物理的に不可能な場合が多いです。溶接された 304L コンポーネントは、溶接状態と同じ耐食性を実現します。-溶接後の熱処理は必要ありません。

これが 304L の経済的議論を一言で表したものです。大規模な溶接加工品の溶体化焼きなましのコスト (2,000 ドル-炉サイクルと歪みのリスクに加えて 10,000 ドル) は、304 の代わりに 304L を使用した場合の割増料金 (通常のプロジェクトでは 200 ～ 500 ドル) の 10 ～ 50 倍です。 PWHT が不可能な場合 - 設置された配管の現場溶接、大型の貯蔵タンク、既存の機器の修理の場合 - 304L が好ましいだけではありません。それは必須です。

304 および 304L の溶接パラメータ

[出典] AWS A5.9/A5.9M - 裸ステンレス鋼の溶接電極および棒の仕様。 AWS D1.6/D1.6M - 構造溶接コード - ステンレス鋼。

耐食性 - 低炭素の利点が現れる場所-

Intergranular corrosion (IGC) is the primary corrosion mechanism that differentiates 304 from 304L. In the unwelded, annealed condition, both grades have identical general corrosion resistance to atmospheric exposure, fresh water, mild chemicals, and food products. But after welding, 304 becomes susceptible to IGC in even mildly corrosive environments - including tap water, rainwater, and humid air - because the chromium-depleted grain boundaries in the HAZ are anodic to the surrounding grains, creating microscopic galvanic cells. 304L after welding remains resistant to IGC because its grain boundaries retain >クロム12%。

粒界腐食は目視検査では検出することが難しいため、特に危険です。増感された 304 溶接は表面では正常に見えます - 表面は連続しているため、染料浸透テストにも合格する可能性があります。しかし、導電性の液体-、弱酸性のプロセス水-にさらされると、粒界が溶解し、金属は断面の厚さを失うことなく強度を失います。初日に 1.5 倍の設計圧力で水圧試験を行った増感 304 パイプは、6 か月の使用後に 0.3 倍の設計圧力で破損する可能性があります。これは、粒界腐食によって連続金属が緩く結合した粒子になり、粒子間の結合強度がなくなるためです。

環境別の耐食性 - 304 vs 溶接後の 304L

粒界腐食感受性の標準試験

304L（またはあらゆる低炭素ステンレス鋼）が溶接後の粒界腐食に対して耐性があることを検証するために、3 つの標準化されたテストが使用されます。ASTM A262 実践 A（シュウ酸エッチング テスト - 迅速スクリーニング、15 分）、実践 C（硝酸 / ヒューイ テスト - 5 回の 48- 時間の沸騰期間にわたる定量的重量減少）、および実践 E (銅-硫酸銅-硫酸 / ストラウス試験- 15-時間煮沸後の曲げ試験). 304溶接されたままの状態での L は 3 つすべてに合格します。溶接されたままの状態の 304 は、3 つすべてに不合格であり、グレード間の重大な違いを示す定量的かつ規格に基づく証拠となります。-

ヒューイ テスト (ASTM A262 Practice C) は、3 つのテストの中で最も厳密かつ定量的です。 65% 硝酸で 48- 時間 5 回煮沸した溶接された 304 試験片は、通常、HAZ で年間 0.5-5.0 mm (年間 20-200 ミル) 減少します。これは、周囲の母材より 10-100 倍高い腐食速度です。同様に溶接された 304L 試験片を同一条件でテストすると、損失は 0.05 mm/年 (2 ミル/年) 未満であり、テストの検出限界に近づいています。粒界腐食速度のこの百万倍の違いは、「溶接=には L グレードを使用する」という単純なルールの背後にある工学的証拠です。

アプリケーション ガイド - 304 と 304L を選択する場合

304 と 304L を選択するための 5 つのルール

ルール1コンポーネントは溶接されますか? -「はい」の場合、304L またはデュアル認定 304/304L を使用します。{{2}この 1 つの質問で、304 対 304​​L の決定の 80% 以上が解決されます。あらゆる溶接 - は、たとえ単一の仮付け溶接、銘板取り付け、サポート ブラケットであっても - であり、規格 304 の鋭敏化の影響を受けやすい HAZ を生成します。

ルール2壁の厚さは 3 mm (1/8 インチ) を超えていますか? - YES の場合、304L を使用します。厚い部分は溶接温度からの冷却が遅くなり、鋭敏化範囲 (425-870 度) で費やす時間が長くなります。厚さ 25mm- のプレートは、溶接後 5～10 分間鋭敏化範囲に留まりますが、1.5mm のシートでは 30～60 秒かかります。これは炭化物の析出が発生するまでに 10 倍以上長くなります。

ルール3コンポーネントは腐食環境にさらされますか? - YES で溶接されている場合は、304L を使用します。 「腐食性」には、水道水、雨水、湿った空気、食品の酸 (酢、フルーツジュース)、洗浄用化学薬品、プロセス凝縮水など、穏やかに見える環境が含まれます。 IGC には濃酸は必要ありません -。必要なのはクロムが枯渇した粒界 (アノード) と周囲の粒子 (カソード) の間にガルバニ電池を形成するための電解液だけです-。

ルール4溶接後の溶体化焼鈍は不可能または非現実的ですか?{0} - YES の場合、304L を使用します。溶体化焼きなましでは、1,040-1,150 度まで加熱し、その後急速水冷する必要があります。これは、現場で溶接された配管、大型タンク、設置された機器、修理、変形する可能性のある薄肉コンポーネント、酸化する可能性のある機械加工された表面を備えたコンポーネントでは不可能です。-このような場合、304L が唯一の選択肢です。

ルール5動作温度は 425 度 (800 度 F) を超えていますか? - YES の場合は、代わりに 304H を検討してください。. 304 は 304L よりも高温強度がわずかに優れていますが、部品が溶接され 425 度以上で動作する場合、304H (UNS S30409、結晶粒径が ASTM 7 以上に制御された 0.04-0.10% C) は、クリープ強度と ASME コード準拠の両方を提供します。許容応力を確認せずに、425 度を超える ASME コードの圧力容器に 304 または 304L を使用しないでください。

よくある質問

Q：304Lの「L」は何の略ですか？

A：「L」は「Low Carbon」の略です。 304L ステンレス鋼の最大炭素含有量は 0.03% で、標準の 304 の炭素含有量は 0.08% です。この低い炭素含有量により、粒界腐食 (溶接腐食) の根本原因である溶接中の粒界での炭化クロムの析出が防止されます。 「L」の指定は、特に化学処理装置の溶接部の腐食故障に対処するために、1950 年代に ASTM によって導入されました。

Q: 304L は 304 より弱いですか?

A: 室温では - はありません。304 と 304L は本質的に同一の引張強度と降伏強度を持っています (どちらも ASTM A240 の最低値を満たしています: 引張強度 515 MPa、降伏強度 205 MPa)。 425 度 (800 度 F) を超える温度では、304 はわずかに高い強度 (ASME コードによる 500 度で許容応力が約 5-8% 高い) を維持しますが、ほとんどの工業用途を含む 400 度未満の用途では、2 つのグレードは強度の点で互換性があります。

Q: 304 を 304L に溶接できますか?

A: はい、- 304 と 304L は溶接に完全な互換性があります。フィラーメタルはER308L（TIG）またはE308L（スティック）を使用してください。低炭素フィラーにより、母材の炭素含有量に関係なく、溶接金属の鋭敏化に対する耐性が確保されます。唯一の考慮事項は、コンポーネントが腐食サービスを受ける場合、HAZ の 304 側が依然として感作を受けやすい可能性があるということです。

Q: 304L には溶接後の熱処理が必要ですか?{1}

A: いいえ、- これが 304L の基本的な利点です。 -溶接されたままの状態では、304L は-溶接後の熱処理. 304をしなくても粒界腐食に耐えます。対照的に、コンポーネントが腐食サービスを受ける場合には、耐食性を回復するために溶接後に 1,040 ～ 1,150 度での溶体化焼鈍と水焼入れが必要です。

Q: デュアル-認定 304/304L とは何ですか?

A: デュアル-認定 304/304L は、両方のグレードの化学組成要件を同時に満たす材料です。カーボン 0.03% 以下（304L を満たす）、クロム 18.0-20.0%、ニッケル 8.0～10.5%（304 を満たす）。最新の AOD 精製では炭素レベルが 0.03% 未満に自然に達成されるため、ほとんどのステンレス鋼工場でデフォルトの製品となっています。二重認定された材料により、304 - の価格で 304L の溶接性が得られ、入手可能な場合は常に第一の選択肢となります。

Q：304は錆びますか？

A: 304 と 304L は「ステンレス」-であり、「汚れ防止」-ではありません。どちらのグレードも、ほとんどの屋内および穏やかな屋外環境では錆びにくいですが、塩化物-が豊富な環境-、特に塩水噴霧のある沿岸地域では表面錆び（茶渋）が発生する可能性があります。これは 304 ファミリの一般的な制限であり、304 と 304L の違いではありません。塩化物-が豊富な環境（海水、海岸、凍結防止塩）の場合は、孔食を防ぐために 2～3% のモリブデンを添加した 316L にアップグレードしてください。

Q: 304 対 304​​L 対 316L - どうやって選択すればよいですか?

A: 塩化物が存在しない汎用溶接製造、食品加工、建築用途、マイルドケミカルサービスには 304/304L（二重認証）を選択してください。-環境に塩化物（海水、海岸、凍結防止塩、-、Cl⁻ を使用した化学プロセス）が含まれる場合は、316L を選択してください。- 316L には、耐孔食性のために 2-3% のモリブデンが添加されています。クリープ強度が重要な 425 度を超える温度で動作する ASME 圧力容器には 304H を選択してください。腐食環境にさらされる溶接部品には、-L グレード以外の 304 を決して選択しないでください。

Q: 私の材料が本当に 304 ではなく 304L であることを確認するにはどうすればよいですか?

A: 材料試験レポート (MTR) を確認してください - 炭素が 0.03% 以下であることが示されている必要があります。ハンドヘルド XRF を使用する PMI (陽性物質識別) では、XRF では炭素を測定できないため、304 と 304L を区別できません (炭素は XRF 検出には軽すぎる元素です)。唯一信頼できるフィールド検証方法は、炭素含有量を測定できる発光分光法 (OES) です。炭素含有量の検証が重要な場合は、実験室の化学分析を依頼するか、工場の MTR (EN 10204 タイプ 3.1) に頼ってください。