321ステンレス鋼とは何ですか?組成、特性および用途

321 ステンレス鋼 (UNS S32100) は、溶接継手や高温で動作する部品の耐食性を維持するという特定の工学的問題のために開発されたチタン安定化オーステナイト系ステンレス鋼です。チタンは炭素と窒素の含有量の少なくとも 5 倍のレベルで添加されるため、凝固およびアニーリング中にこれらの元素と結合して安定した炭化チタン粒子を形成します。炭素はすでに炭化物として結合されているため、クロムは固溶体に留まり、ステンレス鋼の耐食性を高める薄い不動態酸化膜を自由に構築できます。実際の結果として、溶接後の粒界腐食に耐え、304 などの不安定なグレードでは破損し始めるであろう有用な耐荷重能力を維持するグレードが得られます。

321 ステンレス鋼とは何か、そしてなぜチタンが重要なのか

321 は、18-8 系のオーステナイト系ステンレス鋼に属します。これは電気炉で溶解された完全オーステナイト材で、熱処理では硬化できず、冷間加工により透磁率がわずかに上昇しますが、焼きなまし状態では本質的に非磁性になります。化学的性質は 304 に近く、チタンという意図的な添加が 1 つあります。

不安定なオーステナイト鋼が約 425 ～ 815 ℃の鋭敏化範囲に保持されると、クロムは粒界に沿って炭素と結合し、炭化クロムを形成します。これらの境界ゾーンはクロムが枯渇し、使用中に優先的に攻撃されます。これはまさに溶接の熱影響ゾーンで起こることです。チタンはクロムよりも炭素との親和性が強いため、競合他社から炭素を除去し、粒界にクロムを保持します。したがって、仕様では、最小 5 倍 (C プラス N) の Ti が要求され、その上限は 0.70 パーセントです。

この 1 つの冶金学的特徴が、実際のプロジェクトにおいて 321 と 304 を区別するものです。熱サイクルが発生する溶接熱交換器シェル、炉サポート、または製油所ラインは通常、その理由だけで安定化グレードで指定されます。

化学成分と適用規格

以下の範囲は、321 の共通製品仕様に供給されるプレート、シート、ストリップ、バーの典型的なものです。

要素	コンテンツ （％）	関数
C	0.08 max	炭化物の形成を制限するために低く保たれます
ん	2.00 max	脱酸、オーステナイトの安定性
P	0.045 max	残留物、靭性を制御
S	0.030 max	残留物、溶接性を考慮して管理
シ	0.75 max	脱酸素
Cr	17.0 - 19.0	不動態皮膜、耐食性
ニ	9.0 - 12.0	オーステナイトフォーマー、靭性、延性
N	0.10 max	間質強化
ティ	5 x (C + N) 最小、0.70 最大	感作に対する安定化

一般的な製品規格と同等の指定には次のものがあります。

ASTM A240 / A240M - 圧力容器および一般用途向けのプレート、シートおよびストリップ

ASTM A312 - 高温使用用シームレス溶接オーステナイト パイプ

ASTM A213 - シームレスフェライト系およびオーステナイト系ボイラー、過熱器、熱交換器チューブ

一般および高温ボルト締め用途向けの ASTM A276 および A479 - バー

ASTM A182 - の鍛造または圧延フランジ、継手、バルブ

EN 10088-2 グレード 1.4541 (X6CrNiTi18-10)

JIS G4304、G4305グレードのSUS321

GB/T 4237 グレード 06Cr18Ni11Ti、0Cr18Ni10Ti に代わる指定

チタンとカーボンの比率が実際に粒界腐食耐性を実現する特性であるため、購入者は工場証明書にグレードのみを記載するのではなく、チタン含有量が数値で記載されていることを確認する必要があります。

機械的特性と高温性能

ASTM A240 に準拠した 321 の典型的なアニール特性を以下に示します。値は室温での数値であり、工場試験証明書の代わりとなるものではありません。

財産	代表値
抗張力	515MPa以上
降伏強度 (0.2% オフセット)	205MPa以上
50mmでの伸び	40%以上
硬度	最大217HBW
弾性率	193 - 200 GPa
構造	オーステナイト系、熱処理により硬化しない

このグレードは、高温での挙動に適しています。. 321 は、約 900 ℃ までの連続使用および最大約 870 ℃ までの断続的使用において、酸化やスケールに耐性があるため、炉の内部構造、ラジアント チューブ、レキュペレーター、排気マニホールドにこのグレードが一般的に選択されています。加圧コンポーネントの場合、有用なクリープ範囲は低くなり、規格で約 537 ℃を超えるクリープ強度と応力破断強度の向上が必要な場合は、代わりに高炭素バリアント 321H が通常指定されます。

このグレードについて報告された腐食データは、約 500 ℃の精製 NaCl-MgCl2 環境で良好な耐性を示していますが、使用温度が約 600 ℃を超えると性能は徐々に低下します。 321 にはモリブデンが含まれていないため、塩化物孔食や隙間攻撃に対する耐性は控えめで、304 に匹敵しますが、明らかに 316 よりも劣っています。

製造、溶接、腐食挙動

321 は、すべての標準プロセスによって容易に形成、機械加工、溶接されます。その加工硬化速度は、重成形加工には中間焼鈍が必要であることを意味し、機械加工には低速、剛性の高い工具、多量の切削液が必要です。溶接は、347 または 321 タイプの適合する溶加材を使用して実行できます。ニオブは溶接池内でチタンよりも失われにくいため、ニオブで安定化された充填材が継手自体に好まれることがよくあります。

通常、溶接後の溶体化焼きなましは必要ありません。これが 304 よりも大きな利点です。

予熱は必要なく、溶接後の熱処理は通常避けられます。

425 ～ 815 ℃ の感作帯域での使用が、グレードが設計された条件です。

900 ℃を超える温度に長時間さらされると、最終的にスケールの形成とシグマ相の析出が発生します。

塩化物を多く含む水、海水、および強還元性の酸は推奨されない用途です。

321 ステンレス鋼の一般的な用途

アプリケーションは、溶接加工と熱という 2 つの要件を中心に集まっています。このグレードは、耐粒界腐食性が要求される化学、石炭、石油産業の屋外機械やプロセス装置、および製造後に熱処理が実質的にできない耐熱構造部品に広く使用されています。

伸縮継手、ベローズ、フレキシブルカップリング

熱交換器チューブ、過熱器チューブおよび炉部品

航空機の排気マニホールド、ジェットエンジン部品、アフターバーナーライナー

ポリチオン酸の攻撃を受ける希釈蒸気配管と製油所ライン

熱酸化剤、焼却炉部品および窯設備

圧力容器、フランジ、バルブ、高温ボルト締め

321 vs 316 vs 321H: 選択方法

特徴	321	316	321H
炭素	0.08 max	0.08 max	0.04 - 0.10
モリブデン	なし	2 - 3%	なし
スタビライザー	チタン	なし	チタン
耐塩化物孔食性	適度	より良い	適度
537℃以上のクリープ強度	良い	限定	最高
一般的な使用方法	溶接高温部品	化学および海洋サービス	ボイラーおよび圧力配管

耐熱性と溶接の安定性を重視する場合は 321 を選択してください。モリブデンはチタンでは得られない耐孔食性を提供するため、塩化物、海水、または腐食性の強い化学媒体が優勢な場合は 316 を選択してください。コンポーネントが、持続した高温でのクリープおよび応力破断要件を満たす必要がある圧力部品である場合は、321H を選択してください。

よくある質問

Q: 321 ステンレス鋼は 316 ステンレス鋼よりも優れていますか?
どちらが一般的に優れているというわけではありません。. 321溶接継手が粒界腐食に耐えなければならない場合や、使用温度が高い場合に勝ちます。. 316モリブデン含有量が 321 が提供できる以上に耐孔食性を高めるため、塩化物孔食、海水、または化学的攻撃が支配的な場合に勝ちます。

Q: 321 ステンレス鋼は錆びますか?
通常の大気および軽度の腐食条件下では、不動態酸化クロム皮膜により表面が明るく錆びない状態が保たれます。腐食は塩化物が豊富な環境や還元性の強い環境でも発生する可能性があり、報告された腐食データでは、精製された NaCl-MgCl2 では 500 ℃付近で良好な耐性が示されていますが、600 ℃を超えると徐々に劣化します。

Q: 321 ステンレス鋼は磁性を持ちますか?
焼きなまし状態では、構造が完全にオーステナイトであるため、本質的に非磁性になります。この材料は熱処理によって硬化することはありませんが、曲げ、絞り、機械加工などの冷間加工によってマルテンサイトが生成され、透磁率がわずかに上昇します。

Q: 321 ステンレス鋼と 321H ステンレス鋼の違いは何ですか?
違いは炭素含有量です。標準 321 の炭素含有量は 0.08 パーセントに制限されていますが、321H の炭素含有量は 0.04 ～ 0.10 パーセントです。 321H のより高い格子間レベルは、持続した高温でのクリープ強度と応力破断強度を向上させます。そのため、約 537 ℃を超えるボイラーおよび圧力配管に指定されています。

Q: 321 ステンレス鋼は熱処理なしで溶接できますか?
はい。チタンの安定化は、溶接後の溶体化焼きなましを行わずに溶接しても安全なグレードにすることを特に目的としています。適合する安定化フィラー金属が使用され、溶接継手は熱影響部での粒界腐食耐性を維持します。

Q: 321 ステンレス鋼の最高使用温度は何度ですか?
耐酸化性と耐スケール性のために、このグレードは連続使用では約 900 ℃、断続的には約 870 ℃まで使用されます。圧力保持コンポーネントの場合、許容範囲ははるかに低く、該当するコード設計曲線によって決まります。