300系とフェライト系ステンレス鋼 - どちらを選べばいいのか？
2022年6月10日
ステンレス鋼の各系列には、長所と短所があります。フェライト系ステンレス鋼は、低熱膨張率、高熱伝導率、強磁性、塩化物応力腐食割れ (SCC) に対する非常に高い耐性といった有用な特性を持っています。合金の選択を検討する際には、うまく使用するためにすべての要因を考慮することが重要です。
フェライト系ステンレス鋼は、低熱膨張率、高熱伝導性、強磁性、塩化物応力腐食割れ（SCC）に対する非常に高い耐性など、有用な特性を持っています。
フェライト系ステンレス鋼は、最小クロム含有量10.5%の409から、6%Moオーステナイト系合金に匹敵する耐孔食性を有するスーパーフェライト系合金まであります。
フェライト系ステンレス合金は、ニッケルを全く含まない、または非常に少量であるため、使用される合金元素のコストが低くなります。この利点にもかかわらず、過去10年間のフェライト系ステンレス合金の伸びは、300系オーステナイト系ステンレス合金の伸びを下回っています。それはなぜでしょうか。
過去10年間のフェライト系材料の伸びが、300系オーステナイト系材料の伸びよりも低いのは、多くの理由があります。
1. フェライト系材料の厚肉化の限界
まず、フェライト系材料の厚肉化には限界があり、最大厚さは、結晶粒径が大きい（延性が低い）、靭性が悪い（延性脆性遷移が20℃の高温にもなる）、高合金のフェライト系では金属間化合物が早く生成する、などの要因によって左右されます。
そのため、一般に厚い部材は存在せず、あったとしても溶接で適切な特性を得ることは困難か不可能です。
2. 高温使用時の制限
また、12%を超えるクロムを含むフェライト系ステンレス鋼は、約300℃を超える温度で脆化するため、高温での使用は制限されます。409ステンレスはクロムが10.5-11.75%と低く、自動車の排気系やボイラーからの排ガスに使用されています。
3. 強度と靭製の低下
(低温環境において)フェライト系ステンレス合金は、オーステナイト系合金に比べて高い温度で強度が低下します。 靭性は大きな問題となります － 例えば、ASMEセクションVIII部1は、設計温度が-29℃より低い場合、3mmより厚いすべてのフェライト系ステンレス合金は、シャルピーV-ノッチ衝撃試験に合格する必要があります。一般的な300シリーズ合金は、設計温度が-196℃以下の場合にのみ、これを必要とします。
4. 成形性、延性および降伏強度
フェライト系ステンレス鋼は、主に厚みのある板で生産されます。その成形性は一般的にかなり良好で、炭素鋼によく似ていますが、300シリーズオーステナイト系合金ほど良好ではありません。フェライト系合金は、中程度のレベルまでしか冷間加工できませんが、通常は完全に焼鈍された状態で使用されます。
20℃での降伏強度は焼鈍済み300系合金より若干高く、引張強度は若干低くなります。
延性は伸び率で測定され、著しく低い値です。
また、耐腐食性とニッケルの役割についてはどうでしょうか？
結局、耐孔食性等価数(PREN)にはニッケルの係数が含まれていませんね？PRENの計算式の中には、ニッケルの係数を小さくしているものもありますが、PRENは孔食の発生に対する抵抗力を表しているのに対して、ニッケルは孔食の進行を遅らせるという点で重要なのです。例えば中程度の還元条件といった科学的環境下では、ニッケルが重要な役割を果たすことがあります。塩化物応力腐食割れに対しては、304および 316Lは非常に影響を受けますが、6%Moオーステナイ ト合金は非常に耐性が高く、ほぼスーパー二相合金と同じ程度の耐性となります。
一方、フェライト系は水素脆化の影響を強く受けますが、ニッケルを含む300系は受けません。
フェライト系ステンレス合金の合金元素の価格は、同等の300シリーズ・オーステナイト系合金よりも低いかもしれませんが、製造コストは高くなる傾向があり、両者の価格差は予想以上に小さくなっています。製品形状、サイズ、表面仕上げ、その他の商業的要因による入手可能性の悪さも、その使用を制限しています。溶接された高合金フェライトの熱交換器用チューブは、大きな成功例です。
どのような合金の選択を検討する場合でも、成功裏に使用するためにはすべての要因を考慮することが重要です。
上の画像は、シーキュア®スーパーフェライトステンレス鋼のチューブバンドルで、米国戦略石油備蓄基地の岩塩塩水ドームでの貯蔵から来る原油を冷却するために使用されています。提供：プリマムスチューブ株式会社
ニッケル協会では、ニッケルを使用する際に役立つ無料の技術問合せサービスを提供しています。
https://inquiries.nickelinstitute.org
ユーザーや設計者向けの多くの出版物も、当協会のウェブサイトから無料で入手することができます。
特に、「The Nickel Advantage」「Nickel in Stainless Steels」は、英語、フランス語、日本語、中国語で提供されています。
これは、300シリーズステンレス鋼の可能な代替グレードを比較する一連の通信の3番目の記事です。
300シリーズステンレス鋼の代替可能なグレードの詳細は下記よりご覧ください。
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合金の選択は、その用途への必要性を慎重に検討した上で行われるべきです。切り替えを行う前に、合金の長所、短所、構造への適用性を十分に調査することが重要です。
