デュアルグレードステンレス鋼 304 /304L、316/316L

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オーステナイト系ステンレス鋼は最も広く使用されているステンレス鋼で、ステンレス鋼の総消費量の約75%を占めています。化学産業と石油化学産業の急速な発展により、ステンレス鋼の耐食性と強度に対する要求が高まっています。たとえば、304/304Lデュアルグレードステンレス鋼は、炭素含有量が低く、0.03%未満で304Lグレードを満たしていますが、降伏強度と引張強度は304ステンレス鋼の下限よりも高く、ステンレス鋼は次のように定義できます。 304/304L デュアルグレードのステンレス鋼、つまり、その化学組成は304Lの化学組成を満たし、機械的特性は304ステンレス鋼の要件を満たしています。同様に、ステンレス鋼板は、304H（最小0.040%）の要件を満たすのに十分な炭素含有量を持ち、304Hの粒度と強度の要件も満たしているため、304 / 304Hデュアル認証を受けることができます。316 /316L およびその他の二重グレードのステンレス鋼。

最も重要なのは、炭素とその結果生じる強度の違いです。炭素は有効なオーステナイト安定化元素であり、特に高温でステンレス鋼の強度を向上させる不純物または合金元素と考えることができます。ほとんどのオーステナイトステンレス鋼の炭素含有量は0.02%〜0.04%未満です。溶接後の耐食性を良好にするために、低炭素グレードのステンレス鋼の炭素含有量は0.030%以下に制御されます。高温強度を向上させるために、高炭素または「H」グレードの炭素含有量は0.04%またはそれよりわずかに高い値に維持されます。

面心立方構造の小さな炭素原子は、より大きなCr、Ni、Mo原子間の格子隙間にあり、転位運動を制限し、延性変形を妨げ、ステンレス鋼を強化します。溶接プロセスなどの温度上昇条件下では、炭素はクロムを豊富に含む炭化物を含むステンレス鋼マトリックスにクロムを析出させる傾向が強く、第2相は粒中心よりも粒界に析出する傾向があるため、クロム炭化物は粒界に形成されやすくなります。

クロムはステンレス鋼の耐食性を高めるために必要な元素ですが、クロム炭化物はステンレス鋼マトリックスから除去されるため、ここでの耐食性はステンレス鋼マトリックスの残りの部分よりも悪くなります。炭素含有量を増やすと温度範囲を広げることができるため、鋭敏化または耐食性の低下の時間が短縮され、炭素含有量を減らすと溶接時の炭化物の形成を遅らせたり完全に回避したりできます。304Lや316Lなどの低炭素グレードの炭素含有量は0.030%未満で、6%Moステンレス鋼などの高合金オーステナイトグレードのほとんどは炭素含有量が0.020%未満です。炭素含有量の減少による強度の低下を補うために、別の格子間元素である窒素を追加してステンレス鋼を強化することがあります。

デュアルグレードステンレス鋼は、従来のステンレス鋼の高強度と超低炭素ステンレス鋼の耐腐食性の両方を備えています。ほとんどのオーステナイト系ステンレス鋼の溶接接合部の性能が弱いという問題を解決できるため、低温LNG受入ステーション設備や大口径パイプラインに広く使用されています。デュアルグレードステンレス鋼の価格は、基本的に超低炭素ステンレス鋼と同じです。現在、中国のいくつかの製鉄所が成熟市場向けにこのグレードを供給できます。ご興味のある方は、お問い合わせください。

 

スーパー304H鋼とは何ですか?

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超々臨界ユニットの開発に伴い、従来の18-8オーステナイト系ステンレス鋼（TP304H鋼など）の高温強度は、600℃の蒸気パラメータでのニーズを満たすことができなくなりました。このため、日本住友金属株式会社は、ユニットのボイラー伝熱面パイプライン用に、TP347HFG鋼、SUPER304H鋼、HR3C鋼などの新しい材料を開発しました。スーパー304H鋼は、新しいタイプのステンレス鋼です。 18-8スチール主に金属壁温度が700℃を超えない超々臨界ボイラーの過熱器と再加熱器の製造に使用されます。現在、ドイツのShasqida Mannesmann（旧DMV社）も、DMV 304HCUグレードの同様の鋼管を製造しています。

Super304H鋼は、TP304H鋼をベースにMn、Si、Cr、Niの含有量を減らし、Cuを2.5%～3.5%、Nbを0.30%～0.60%、Nを0.05%～0.12%添加することで、使用中に拡散析出相と銅に富む強化相を生成し、NbC(N)、NbCrN、M23C6による析出強化が起こり、使用温度での許容応力が大幅に増加し、600～650℃での許容応力はTP347H鋼より30%高くなります。鋼の耐水蒸気酸化性はTP347HFG鋼と同等で、TP321H鋼より大幅に優れています。 ASME コードケース 2328-1、ASTM A-213 規格に記載されており、番号は S30432 です。

 

スーパー304Hの化学組成

Ｃ シ ミネソタ ポ ス Cr ニ いいえ アル B いいえ 銅 五 モ
0.08 0.21 0.79 0.03 0.001 18.42 8.66 0.11 0.007 0.004 0.5 2.77 0.04 0.35

 

スーパー304Hの機械的性質

降伏強度、Mpa 引張強度、Mpa 伸長、%
360/350 640/645 58/60

 

超々臨界ユニットの蒸気パラメータが高いため、発電所の高温圧力部品に使用される鋼の耐酸化性が非常に重要になります。一般的に、スーパー304H鋼管の内壁はショットブラストされ、耐蒸気酸化性能が向上します。鋼管の内面には30μmの厚さのショットブラスト層が形成され、ショットピーニングされていない鋼管と比較して微細構造が微細化されています。650℃、600時間の蒸気酸化試験後、ショットブラスト処理された鋼管の酸化物層の厚さはより薄く、より緻密になり、鋼管の耐蒸気酸化性が向上しました。現在、中国のいくつかの大手製鉄所は、GB 5310-2008に規定されている同様のグレード10CrL8Ni9NbCu3Bnを生産しており、現在、中国のいくつかの超々臨界ユニットプロジェクトで使用されています。

304ステンレス鋼は磁性がありますか?

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一般消費者はステンレス鋼について誤解しており、磁性ステンレス鋼は304ステンレス鋼に適格ではないと考えています。ご存知のように、常温での構造に応じて、ステンレス鋼は201、304、321、316、310などのオーステナイト、430、420、410などのマルテンサイトまたはフェライトに分けられます。オーステナイトは非磁性または弱磁性であり、マルテンサイトまたはフェライトは磁性があります。304はオーステナイト系ステンレス鋼の代表的なグレードであり、優れた加工性、溶接性、耐食性を備えており、ステンレス鋼の世界消費量の60%を占めています。一般的には磁性はありませんが、製錬化学成分の変動や処理により磁性があったり弱磁性になったりすることがありますが、これは偽物や粗悪品であると考えることはできません。その理由は何でしょうか。

304 は準安定ステンレス鋼で、焼鈍後の状態は単一のオーステナイト組織で、磁性がありません。製錬組成の偏析または不適切な熱処理により、少量のマルテンサイトまたはフェライト組織が生成されるため、磁性が弱くなります。また、冷間加工変形 (スタンピング、ストレッチ、ローリングなど) 後、オーステナイト組織の一部も相変化 (マルテンサイトへの一般的な変異誘発) を起こし、磁性を持ちます。

例えば、同じ鋼帯のバッチでは、外径 76 mm の鋼管には明らかな磁性がありませんが、外径 9.5 mm の鋼管には明らかな磁性があります。特に曲げ部分では、冷間曲げ変形が円形管より大きいため、角管の磁性特性がより顕著になります。

ほとんどの水洗シンクは304ステンレス鋼で作られています。多くの消費者は、水タンクが磁性を持つかどうかによって、それが304グレードのステンレス鋼で作られていると判断します。現在、シンクには溶接成形、一体引張成形など、さまざまな加工技術がありますが、304材料を使用した溶接成形は、通常、板加工後に焼きなましされ、磁性を持たないか、弱磁性になります（シンクの表面処理のため）。水タンクの引き抜き成形の1つは、数回の引き伸ばし、一般的な焼きなまし、その後の引き伸ばし（焼きなましはコストを増加させ、304は再度焼きなましする必要がない）を経る必要がありますが、磁性を持ちますが、これはごく普通の現象です。

シェル熱交換器にステンレス鋼ベローズが使用される場合

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ベローズ管熱交換器は、直管熱交換器をベースにしたアップグレード版です。波の山と谷の設計は、耐久性や安全性など管状熱交換器の利点を継承すると同時に、熱伝達能力の低さやスケーリングのしやすさなどの欠点を克服しています。原理は、総熱伝達係数を向上させて必要な熱伝達面積を減らすことで、同じ熱伝達効果で材料を節約し、重量を減らすことができます。

ベローズ本体は冷間プレス加工されているため 明るいパイプ ビレットの場合、ベローズ本体は成形後に強化できると一般に考えられています。外圧安定性実験によると、外圧下での波形熱交換管の不安定性は、まず直管部で発生し、外圧が上昇し続ける場合にのみ波形管が不安定になります。これは、波形部の安定性が直管部よりも優れており、波形部の臨界圧力が直管部よりも高いことを示しています。

実験により、座屈変形の波紋は波の谷で発生し、特に局所的には単一の波の谷で発生し、一般的には同時に 2 つ以上の谷が不安定になることはなく、波の山の安定性が谷より優れていることを示していますが、時にはその逆も発生する可能性があります。冷間プレス マーク プロセスでは、谷と直線部の壁厚はどちらも一定で、冷間プレス後のチューブは実際には短くなります。

ベローズ内の波の山と谷の存在により、下の図に示すように、チューブ内の放射状の熱交換対流の効果が増加します。

放射状対流は総熱伝達係数に大きな影響を与え、これが二重管プレートベローズ熱交換器の低価格と軽量化の根本的な理由です。 チューブ ベローズと直管の管体表面は同じ長さでは大きいですが、この変化は係数値の変化の寄与よりはるかに小さいです。直管（軽量管）の流速は管壁に近づくと大幅に低下することがはっきりとわかります。

ベローズ付きシェル熱交換器は、直管熱交換器と比較して、流体の速度と方向を一定に変化させて乱流を形成し、壁と熱を交換するため、熱伝達に影響を与える境界効果がなくなります。総熱伝達率は2〜3倍に増加し、実際の操作では5倍に達することさえあり、重量が軽いため、ベローズ熱交換器の価格が直管熱交換器よりも低くなります。計算と実際の経験によると、厚さ1mmのベローズの総熱伝達率は、厚さ0.5mmのベローズよりも10%低くなります。数百のベローズ熱交換器の運転データによると、壁の厚さ（ほとんどすべて0.5mm）が、10〜14年間大きな修理や損傷なしに運転できる主な理由です。

また、ベローズ熱交換器は、ウォーターハンマーの衝撃に有効に抵抗することができます。 ダブルチューブプレート熱交換器のシェルは伸縮継手で接続されています。 ウォーターハンマーの衝撃を受けると、伸縮継手がずれてしまいます。 これはベローズとストレートチューブ熱交換器の両方に発生し、シェルの変形によりチューブがねじれる可能性があります。 これは、ベローズの膨張マージンが大きいため、変形時の歪みの弾性マージンが大きく、つまり、この場合の不安定性に抵抗する能力が強いためです。 しかし、いずれの場合も、設置の過程でウォーターハンマーの発生を回避するために、アングルバルブ、遅延スイッチなどの対策を講じることができます。

ステンレス製ベローズシェル熱交換器の利点

  • 高い熱伝達効率

ベローズの特殊な山谷設計により、管の内外が連続的に変形して流体が流れ、強い乱流が形成されます。流量が非常に少ない場合でも、流体は管の内外で強い乱れを形成し、熱交換管の熱伝達率が大幅に向上します。熱伝達率は従来の管式熱交換器の2～3倍です。

  • スケーリングとブロッキングなし

ベローズの内外の媒体は常に激しい乱流状態にあるため、媒体内の固体粒子にスケールが付着しにくくなります。一方、媒体の温度差の影響を受けて軸方向に膨張変形が生じ、曲率が頻繁に変化して汚れや熱交換管に大きな引っ張り力が生じ、スケールが付着しても自動的に剥がれるため、熱交換器は常に持続的で優れた熱伝達性能を維持できます。

  • 自動補正

ベローズの特殊な構造と形状により、伸縮継手を追加することなく、加熱時の熱応力を効果的に低減できるため、製品の構造が簡素化され、製品の信頼性が向上します。

  • 長寿命

軸方向の拡張能力が向上し、温度差応力を効果的に低減し、大きな温度差と圧力変化に適応できるため、管口破裂による漏れが発生しません。バッフルプレートとベローズの接続により、熱交換器の耐用年数が延長されます。

 

304ステンレス鋼VS403ステンレス鋼

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グレード304と430は、一般的に使用されているステンレス鋼材料です。304ステンレス鋼は、クロムニッケルオーステナイトステンレス鋼の一般的なタイプで、密度は7.93 g / cm3で、18/8ステンレス鋼とも呼ばれ、300シリーズのステンレス鋼は最も一般的に使用されています。800℃の高温に耐えることができ、優れた加工性能と靭性を備えており、優れた総合性能（耐腐食性、成形性）の要件を備えた機器や部品に広く使用されています。304Lは304の低炭素バージョンであり、溶接後の焼鈍を必要としないため、厚肉部品（約5mm以上）に広く使用されています。304Hは炭素含有量が高いため、高温で使用できます。焼鈍されたオーステナイト構造により、これらのグレードは低温でも優れた靭性を発揮します。

低炭素高クロム430は最も一般的なフェライト系ステンレス鋼の1つで、耐食性が良好で、18/0または18-0とも呼ばれ、400シリーズのステンレス鋼の1つです。冷間加工によりわずかに強化できますが、低温靭性が悪く、一般に熱処理で硬化できません。熱伝導率はオーステナイトより優れ、熱膨張係数はオーステナイトより小さく、耐熱疲労性があり、安定化元素のチタンを添加すると溶接継ぎ目の機械的性質が良好になり、建築装飾、燃料バーナー部品、家電製品、家庭用電化製品部品に使用できます。430Fは430鋼の快削性を備えた鋼の一種で、主に自動旋盤、ボルト、ナットなどに使用されます。430LXは430鋼にTiまたはNbを添加し、C含有量を減らし、加工性能と溶接性能を向上させます。主に温水タンク、給湯システム、衛生器具、家庭用耐久器具、自転車のフライホイールなどに使用されます。

 

ASTM A240（圧力容器および一般用途のクロムおよびクロムニッケルステンレス鋼板、シート、ストリップの仕様）によれば、430ステンレス鋼には、炭素が0.12%未満、クロムが16～18%、ニッケルが0.75%未満含まれている必要があり、304と430の差は次の表のとおりです。

化学組成の比較 

国連 Ｃ ミネソタ ポ ス シ Cr ニ モ
S30400 0.07 2.00 0.045 0.03 0.75 17.5-19.5 8.0-10.5 /
S43000 0.12 1,00 0.04 0.03 1.00 16.0-18.0 0.75 /

 

機械的性質の比較

成績 降伏強度、Mpa 引張強度、Mpa 2/50mmの伸び、最小、% 硬度、HBW
304 205 515 40 183
403 205 450 22 201

 

まとめると、主に以下の点が異なります。

  • 耐腐食性: 304ステンレス鋼の耐食性は430よりも優れています。430ステンレス鋼には16.00-18.00%のクロムが含まれており、基本的にニッケルは含まれていませんが、304ステンレス鋼にはより多くのクロムとニッケルが含まれています。
  • 安定性: 430ステンレス鋼はフェライト型、304ステンレス鋼はオーステナイト型で、430ステンレス鋼よりも安定しています。
  • 強靭さ: 304 の靭性は 430 ステンレス鋼よりも高いです。
  • 熱伝導率: フェライト430ステンレス鋼の熱伝導率は304ステンレス鋼と同様です。
  • 機械的性質: 430 ステンレス鋼の溶接継ぎ目の機械的特性は、安定した化学元素であるチタンの添加により、304 ステンレス鋼よりも優れています。

窒素は 316LN ステンレス鋼にどのような影響を与えますか?

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316LNは窒素添加バージョンで、 316Lスチール （0.06%〜0.08%）は、316Lと同じ特性を持つように調整されており、高速増殖炉（FBRS）の高温構造部品の製造に使用されています。炭素含有量を減らすと、その後の腐食環境での溶接による応力腐食割れの感受性が大幅に低下します。クリープ、低サイクル疲労、クリープ疲労相互作用は、FBRS部品にとって最も重要な考慮事項です。 316Lステンレス 0.06%～0.08% Nを合金化することで、316ステンレス鋼の強度を向上させることができます。本稿では、0.08%を超える窒素含有量が316Lステンレス鋼の高温での機械的特性に及ぼす影響について説明します。

 

316LNステンレス鋼の化学組成

炉 いいえ Ｃ ミネソタ Cr モ ニ シ ス ポ 鉄
標準 0.06-0.22 0.02-0.03 1.6-2.0 17-18 2.3-2.5 12.0-12.5 ≤0.5 ≤0.01 ≤0.03 –
1 0.07 0.027 1,7 17.53 2.49 12.2 0.22 0.0055 0.013 –
2 0.11 0.033 1.78 17.63 2.51 12.27 0.21 0.0055 0.015 –
3 0.14 0.025 1.74 17.57 2.53 12.15 0.20 0.0041 0.017 –
4 0.22 0.028 1.70 17.57 2.54 12.36 0.20 0.0055 0.018 –

窒素含有量が 0.07%、0.11%、0.14%、0.22%、炭素含有量が 0.03% の 316LN ステンレス鋼の 4 つのバッチをテストし、316LN ステンレス鋼の引張、クリープ、低サイクル疲労、クリープ疲労特性に対する窒素の影響を調べました。この実験の目的は、引張、クリープ、低サイクル疲労特性の最良の組み合わせを得るための最適な窒素含有量を見つけることです。実験結果から、窒素はオーステナイト系ステンレス鋼の引張強度、クリープ、疲労強度を改善できることがわかりました。強度が増加する理由には、溶解強化、積層欠陥エネルギー (SFE) の低減、析出硬化、複合材料 (格子間溶質) の形成、原子偏析、秩序硬化などがあります。電子交換特性が異なるため、オーステナイト系ステンレス鋼中の溶解窒素は炭素よりも膨張体積が大きくなります。

窒素と転位の弾性相互作用に加えて、転位間の静電相互作用も強度に影響します。転位核は自由電子が不足しているという特徴があり、つまり正電荷を持っています。オーステナイト系ステンレス鋼の窒素原子は、窒素原子の近くの自由電子の位置と、転位と窒素原子間の静電相互作用により、負に帯電しています。

窒素原子と転位間の有効結合エネルギーは、オーステナイト鋼中の窒素含有量の増加とともに増大しますが、炭素については相関関係は明らかではありません。オーステナイト鋼では、格子間窒素が置換元素と相互作用し、格子間置換原子組成を形成する傾向があります。この化合物は、Mn、Cr、Ti、Vなど、周期表でFeの左側にある元素に容易に結合する。多成分合金システムでは、原子間結合の特性（つまり、配向と無配向）と隣接原子の近接性の間には強い相関関係があります。金属原子間の結合は、異なる元素の原子の結合である短距離秩序化を促進します。原子間分極は、共有電子の交換、つまり同じ元素の原子間の結合を促進します。炭素は鉄ベースの固溶体における置換原子の凝集を促進し、窒素は短距離秩序化を促進します。

一般的に、降伏強度（YS）と極限引張強度（UTS）は、 316L ステンレス鋼の強度は、0.07% ～ 0.22% の窒素を合金化することで大幅に向上します。300 ～ 1123K の温度範囲でのすべてのテストで強度の増加が観察されました。動的ひずみ時効は、限られた温度範囲内で観察されました。動的ひずみ時効 (DSA) の温度範囲は、窒素含有量の増加とともに減少します。