デュプレックス鋼とその種類

説明

デュプレックス鋼

この鋼が二相鋼と呼ばれるのは、オーステナイト相とフェライト相の両方を含んでいるためである。

デュプレックス系ステンレス鋼は非常に需要が高い。近年さらに人気を増しており、多くのメーカーが製造に携わっている。その背景にはいくつかの理由がある：

• 高い強度により製品の断面を小さくでき、質量を低減できること；
• 特に応力腐食割れに対する耐性が高いこと。

デュプレックスに関する会議はおよそ2〜3年ごとに開催され、深い技術的内容を持つ興味深い論文が発表される。今日、デュプレックス鋼は製品・サービス市場で積極的に展開されており、新しいブランドが定期的に登場している。

楽観的な見方が多い一方で、統計によればこの製品の市場占有率は約1〜3％にとどまっている。

概要

この製品の発想は20世紀初頭に生まれ、1930年代に最初の溶解が行われた。近年、材料の適用割合が顕著に増加しているが、これは製造技術の改良によるものである。以前には製品中の窒素含有量の制御が行われていた。

オーステナイト系（AISI 304）、フェライト系（AISI 430）ステンレスは製造が容易で加工性に優れ、単一相（オーステナイトまたはフェライト）からなる。幅広い分野で使用されているが、それぞれ技術的な短所がある：

1. オーステナイト系。強度特性が低い。0.2%オフセット降伏強さ（オーステナイズ直後）は約200 MPaである。応力腐食割れに対する耐性が低い。
2. フェライト系。欠点としては、前者よりやや高いが最小強度はいくらか低い。0.2%オフセット降伏強さは約250 MPaである。厚板では溶接が困難であり、低温では脆性を示す。

オーステナイト系ステンレスはニッケル含有量が高いため高価であり、その点で需要が抑制される。

デュプレックス鋼の開発理念は、各相（フェライトとオーステナイト）がほぼ等量になるような適切な化学組成を選択することである。相組成によって得られる利点は次の通り：

1. 強度特性。0.2%オフセット降伏強さは、オーステナイズ後で約400〜450 MPaとされる。これにより部材断面を最小化でき、製品重量が軽くなる。以下の分野で有用である：

• 圧力容器、鋼製タンク；
• 橋梁。

2. 厚板の溶接が可能である。
3. 衝撃靭性が高い。フェライト系ステンレスより優れ、特に低温（約−50℃）で顕著で、場合によっては−80℃まで耐えうることがある。
4. 応力腐食割れに対する耐性。オーステナイト系ステンレスはこの現象に敏感だが、現代の材料はこれに対抗できる。この利点は以下のような構造の製造で重要である：

• 温水加熱用タンク；
• 醸造用タンク；
• 選鉱（濃縮）設備；
• プールの骨格（フレーム）。

デュプレックスステンレス鋼の平衡はどのように達成されるか？

このような材料がどのようにして得られるかは、オーステナイト系（AISI 304）とフェライト系（AISI 430）ステンレスの組成を比較することで理解できる。

主要な成分はフェライト化元素とオーステナイト化元素に分類でき、それぞれ特定の組織形成に寄与する。

フェライト化元素は Cr（クロム）、Si（ケイ素）、Mo（モリブデン）、W（タングステン）、Ti（チタン）、Nb（ニオブ）である。

オーステナイト化元素は C（炭素）、Ni（ニッケル）、Mn（マンガン）、N（窒素）、Cu（銅）である。

AISI 430 はフェライト化元素を含み、その組織はフェライト系である。AISI 304 は組成中に約8%のニッケルを含むことでオーステナイト組織を示す。各相がほぼ50%ずつ存在するデュプレックスを得るには、オーステナイト化元素とフェライト化元素のバランスが必要である。これが、デュプレックス系におけるニッケル濃度がオーステナイト系よりかなり低くなる主な理由である。

最近市場に登場したいくつかの銘柄は、ニッケルの含有量を大幅に最小化するためにマンガンや窒素の添加を用いています。これは製品価格の形成に好影響を与えます。

現在に至るまで、この種のステンレスの製造技術は徐々に普及しています。各メーカーがそれぞれ独自の銘柄を提供しており、デュプレックス鋼の製造・販売を行うブランドは多数存在します。後ほど市場で主導的なメーカーがどのように台頭してくるかが見えてくるでしょう。

デュプレックスの耐食性

材料の種類が多岐にわたるため、腐食耐性を評価する際にはオーステナイト系やフェライト系の鋼種とともに比較されます。耐食性がすべて同じということはありません。メーカーを分類するためには、ピッティング耐性の指標（PREN）を用いると便利です。

鋼種を選ぶ際には、その鋼が特定の腐食環境での使用にどれだけ適しているかに注意する必要があります。

腐食割れ（SCC）

SCC（応力腐食割れ） — 複数の外的要因が同時に作用したときに発生する腐食の一形態です：

• 腐食性環境；
• 引張応力；
• 摂氏約+50度に達する高温条件。

デュプレックス鋼および例えば AISI 304 や AISI 316 のようなオーステナイト系鋼は応力腐食割れに対して感受性がある場合があります。以下の材料は割れに対してより高い耐性を示します：

• フェライト系鋼；
• デュプレックス鋼；
• 高ニッケル含有のオーステナイト系鋼。

応力腐食割れへの耐性により、デュプレックス鋼は高温条件で行われる多くのプロセスに利用できます：

• 給湯設備の製造；
• ビール醸造用のタンク製造；
• 海水淡水化装置の製造。

プールのフレーム構造も応力腐食割れを起こしやすいことで知られています。単純なオーステナイト系ステンレスの溶接は厳禁です。この処理には高ニッケル含有のオーステナイト系鋼が適しています。優れた代替材としてはスーパー・デュプレックス鋼があります。

デュプレックス鋼の普及が遅れている理由

高い強度、広い耐食性範囲、溶接性は中程度――これらは本来この素材の生産を促進するはずです。しかし、デュプレックス鋼には一定の欠点も存在し、それが市場占有を妨げています。

加工性（特に塑性加工）の点では、強度が高いことが欠点となる場合があります。これはオーステナイト系鋼に比べて塑性変形能力が低いことを意味します。このため、高い塑性が求められる製品には不向きです。加工変形能力が許容範囲にある場合でも、例えばパイプの曲げ加工を行うには相応の力が必要です。切削加工のしにくさに関しては例外があり、Outokumpu 製の LDX 2101 はその例外に挙げられます。

デュプレックス鋼の溶製プロセスはかなり複雑で手間がかかります。製造技術が破られると、望ましくない相が多く生成されることがあります。

製造や溶接時の冷却速度が不足するとシグマ相が形成されることがあります。合金元素が多く含まれる鋼ほどこの相の形成確率は高くなります。特にスーパー・デュプレックス鋼が最も影響を受けやすいです。

一般に、475℃付近でα'（アルファ・プライム）相形成に伴う脆化が生じます。この温度領域は危険です。脆化は摂氏300度付近でも発生することがあり、これが本素材の使用上限温度に制約を与えます。しばしばこの制限は利用可能な適用範囲をさらに狭めます。

注意すべき点として、最小使用温度が許容範囲内であっても一定の制約は存在します。デュプレックス鋼は衝撃試験で脆性延性遷移を示します。海洋プラットフォーム向けの構造物に使用される製品の試験許容温度は −46度（摂氏）とされています。

デュプレックス鋼の主な特性の概観

主な特性は以下の通りです：

1. 他の種類よりも数倍高い強度を有する。
2. 幅広い耐食性のレンジを持つため、用途に応じて適切な銘柄を選定できる。
3. 衝撃靭性は低温側で高く、−80℃程度まで耐える場合がある。一方で低温環境での使用は制限される。
4. 応力腐食割れに対する高い耐性を持つ。
5. 大断面の溶接において優れた溶接性を示す。
6. 機械加工やプレス加工では若干の困難が生じることがある。
7. 使用可能な最高温度は約摂氏300度に制限される。

この材料は価格競争力があり、国内でも手頃な価格で購入可能です。多くの利点を有しており、例えば二相鋼のコストは他のステンレス鋼に比べてかなり低いことが多いです。強度特性は AISI 300 系製品より大きいため、同じ機器を作る際に使用する材料量を大幅に減らすことができます。

デュプレックス鋼は自動車産業でも積極的に使われています。多くの企業がこの材料を採用しており、これにより製品の重量を大きく増やすことなく必要な安全性を確保できます。最新の技術や材料を用いると通常は車両重量が約3割増えることが多いですが、二相鋼を用いることで車両の重量を大幅に削減できます。同時に安全性の要件も満たされ、結果としてこの材料を採用しても最終製品の価格が著しく上がることはありません。