二相ステンレス鋼：微細組織、鋼種、および用途

二相ステンレス鋼が意味するもの

フェライト–オーステナイトによる定義

二相ステンレス鋼は、フェライトとオーステナイトをほぼ等しい体積分率で含むように設計された、鉄を基材とするクロム–ニッケル–モリブデン合金である。World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumが2024年に報告したように、一般的な目標値はフェライト約50%、オーステナイト約50%である。したがって、二相という用語は、化学的な合金群だけでなく、相構成も表している。クロムは耐食性とフェライト形成を促進し、ニッケルはオーステナイト形成を促進する。モリブデンは局部腐食への耐性を高めると同時に、相の安定性にも影響を及ぼす。窒素は、オーステナイトを強化し、孔食抵抗性を高め、高温加工後のオーステナイト回復を助けるため、頻繁に添加される。

二つの相は、無作為な混合状態で現れるわけではない。研磨・エッチングした断面では、フェライトとオーステナイトは、熱間圧延とその後の変態によって生じた、伸長状、帯状、またはラメラ状の領域を形成することが多い。オーステナイトは、フェライト母相中の島状組織または伸長した結晶粒として存在する場合があるが、正確な形態は、組成、断面厚さ、圧延率、溶体化焼鈍、および冷却速度によって異なる。目視できる組織は、単なる金属組織学上の装飾ではない。結晶粒形状、相の連続性、局所的な相分率は、き裂の進展、腐食経路、溶接挙動、および機械的異方性に影響を及ぼす。

Grade 2205は、公称クロム含有量が22%に近いため、一般に22Cr二相鋼と呼ばれる。UNS S32205は、この鋼種に関連するよく知られた呼称である。ASTM A928/A928Mは、溶加材を用いた電気融接によるオーステナイト系およびフェライト／オーステナイト系ステンレス鋼管を対象とし、参照される製品仕様においてUNS S32205を特定している。しかし、鋼種名だけでは、すべての部材が望ましいフェライト–オーステナイトのバランスを含むことは保証されない。製品形状、熱処理、溶接施工手順、および検査要件も依然として重要である。

相分率は、状態図、相平衡計算ツール、および溶接金属の評価方法によって予測される。Schaeffler図およびDeLong図は、合金の化学組成からフェライト量を推定するための歴史的に有用なツールであり、WRC-1992図は、溶接金属中のフェライト予測に適用されることが多い。熱力学計算では、温度による相の安定性を調べ、シグマ相、カイ相、窒化物、炭化物、または二次オーステナイトを生成し得る条件を特定できる。これらの方法は製造を指針づけるものであり、金属組織学的検査や腐食試験に取って代わるものではない。

二つの相を意図的に均衡させる理由

両方の相を目標とする理由は、実用上の利点にある。フェライトは、より高い降伏強さ、塩化物応力腐食割れに対する有用な抵抗性、および完全オーステナイト系合金より低いニッケル依存度に寄与する。オーステナイトは、延性、靭性、溶接性、および一部の水素関連損傷への抵抗性に寄与する。したがって、制御された混合組織により、通常のフェライト系ステンレス鋼でも通常のオーステナイト系ステンレス鋼でも同じ形では得られない特性の組合せを実現できる。

このバランスは、標語ではなくトレードオフである。過剰なフェライトは、特に低温で靭性を低下させる可能性があり、特定の環境では局部腐食または水素助長割れに対する感受性を高める場合がある。過剰なオーステナイトは、降伏強さを低下させ、塩化物応力腐食割れへの抵抗性を変化させる可能性がある。許容範囲は、製品規格および使用条件によって異なる。「50–50」は設計目標であって、溶接部材のすべての位置で完全に再現されなければならない普遍的な測定値ではない。

熱履歴によって、合金はその目標から外れる可能性がある。溶体化焼鈍中、フェライトは一般に高温相であり、材料が冷却するにつれてオーステナイトが形成される。急冷すると、オーステナイト形成に十分な時間がないため、フェライトが過剰に残ることがある。中間温度域をゆっくり冷却すると、金属間化合物相、特にシグマ相が生成する可能性がある。シグマ相は周囲の母相からクロムとモリブデンを消費する。カイ相、クロム窒化物、および炭化物も、不適切な熱条件下で形成される場合がある。これらの構成相は、母材全体のクロム、ニッケル、およびモリブデン含有量が公称鋼種限界を満たしている場合でも、衝撃靭性ならびに臨界孔食抵抗性またはすき間腐食抵抗性を大幅に低下させる可能性がある。

ISO 17781は、石油および天然ガス用途における二相ステンレス鋼の微細組織の品質管理試験方法を規定する。 Strong evidence

溶接によって、制御はさらに難しくなる。溶融部および熱影響部は、それぞれ異なる熱サイクル、希釈、および冷却速度を経験する。フェライトが過剰な溶接金属は強度に優れる可能性がある一方、靭性および局部腐食への抵抗性が低下することがある。過剰な二次オーステナイトは、元のオーステナイトより合金元素含有量が低い場合があり、優先的な腐食部位になる可能性がある。溶加材の選択、パス間温度、入熱、シールド、および溶接後の冷却は、合金設計の一部として扱わなければならない。このため、ISO Technical Committee 67を通じて発行されたISO 17781は、石油および天然ガス用途における二相ステンレス鋼の金属組織の品質管理試験方法を規定している。

耐孔食当量数の下限

耐孔食当量数耐孔食当量数 耐孔食当量数：ステンレス鋼合金が塩化物による局部腐食に耐えるおおよその傾向を比較するために用いられる、組成に基づく指標。

示される耐孔食当量数の上限

腐食指標の解釈にも節度が必要である。孔食抵抗性当量数は、一般にPRENと表記され、主としてクロム、モリブデン、および窒素に基づく合金組成の指標である。World Stainlessの2024年分類では、リーン二相鋼をPREN 22–27、標準二相鋼をPREN 28–38、スーパーデュープレックス鋼をPREN 39–45、ハイパーデュープレックス鋼をPREN 45超としている。これらの範囲は合金群の比較に役立つが、PRENは完全な性能保証ではない。表面状態、溶接、相バランス、介在物、温度、塩化物濃度、酸性度、すき間形状、および異種金属接触は、実際の臨界孔食挙動やすき間腐食挙動を左右し得る。

二相ステンレス鋼と通常のフェライト系・オーステナイト系ファミリーの比較

通常のフェライト系ステンレス鋼は、使用温度において主として体心立方構造のフェライトである。一般にニッケルをほとんど、またはまったく含まず、塩化物応力腐食割れに対する良好な抵抗性を有し、酸化および大気腐食に対して有用な耐性を示す。その限界には、低温靭性の低下、一部の鋼種における成形上の制約、ならびに溶接中の結晶粒粗大化に対する感受性などが含まれる。二相合金はフェライト成分を保持しながら、相当量のオーステナイト分率を形成するのに十分なニッケルと窒素を添加しており、強度と破壊挙動の双方を変化させている。

300系鋼種などの通常のオーステナイト系ステンレス鋼は、主として面心立方構造のオーステナイトである。通常、優れた延性、高い溶接性、および広い温度範囲にわたる良好な靭性を示す。溶体化焼鈍状態では、その降伏強さは二相鋼より低いことが多く、感受性のある組成では塩化物応力腐食割れが発生する可能性がある。二相鋼は単に強度を高めたオーステナイト系ステンレス鋼ではない。フェライトの存在により、磁気的、機械的、溶接上、および腐食上の応答が異なるものとなる。

[1][1] Stainless steel families and grades. Outokumpu. Outokumpu technical reference, 2020.

このファミリーには、通常または標準二相鋼、ニッケルおよび／またはモリブデンを低減したリーン二相鋼、クロム、モリブデン、および窒素を高めたスーパーデュープレックス鋼、さらに高い耐食性指標を有するハイパーデュープレックス鋼が含まれる。「25Cr」はスーパーデュープレックス組成に対する一般的な分類であり、Outokumpuは2020年、Grade 2507および4501を25Crスーパーデュープレックス鋼種として特定した。分類境界は、すべての製造者、規格、または技術資料で同一とは限らないため、鋼種記号および適用される仕様は、組成と試験要件と併せて確認すべきである。

用途は、この複合的な挙動を反映している。二相ステンレス鋼は、プロセス配管、圧力設備、海水および淡水化システム、化学タンク、パルプ・製紙設備、海洋構造物、熱交換器、ならびに石油・ガス施設に使用される。比較的高い強度により、一部の設計では部材厚さを低減でき、塩化物による腐食への抵抗性により、厳しい水系環境での使用を支えられる場合がある。疲労性能は、依然として溶接形状、表面状態、残留応力、相の安定性、および繰返し環境に依存する。熱処理、製作方法、および検査は、引き続き決定的に重要である。クロム含有量は材料の一側面しか示さない。合金が意図されたバランスを実際に達成しているかどうかは、フェライト–オーステナイト組織によって決まる。

冶金学的スケールにおける二相微細構造

[2][2] Duplex stainless steel: grades, properties and applications. World Stainless, International Stainless Steel Forum. World Stainless technical overview, 2024.

二相ステンレス鋼は、フェライトとオーステナイトをおよそ等しい体積分率で含むように設計された、クロム–ニッケル–モリブデン–鉄合金である。これら二つの相は、単に鉄マトリックス全体に混在しているわけではない。その形態、結晶学的配向、連結性、ならびに化学成分の分配が、応力、熱、溶接、塩化物を含む環境に対する鋼の応答を決定する。World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumは、2024年の特徴的な二相バランスとして、フェライト約50%、オーステナイト約50%を報告している。ただし、この数値は設計目標または測定平均を示すものであり、あらゆる位置で完全に均一であることを意味しない。

この合金群には、通常二相鋼、リーン二相鋼、標準二相鋼、スーパーデュプレックス鋼、ハイパーデュプレックス鋼、および25Cr系が含まれる。分類体系によって境界は異なるが、World Stainlessが示すPRENの慣例では、リーン二相鋼をPREN 22～27、標準二相鋼をPREN 28～38、スーパーデュプレックス鋼をPREN 39～45、ハイパーデュプレックス鋼をPREN 45超としている。一般にクロム、モリブデン、窒素の含有量から算出されるPRENは、耐食性の指標である。ただし、それだけで特定の臨界孔食温度、すき間腐食抵抗、溶接性能、または耐用年数が保証されるわけではない。

フェライトとオーステナイトの形態

フェライトとオーステナイトフェライトとオーステナイト フェライトは二相ステンレス鋼の体心立方相であり、オーステナイトは面心立方相である。両者の割合、形態、および連結性が、多くの機械的性質と腐食特性を左右する。

フェライトは体心立方構造の相で、一般にαで表される。一方、オーステナイトは面心立方構造の相で、一般にγで表される。凝固およびその後の熱間加工の過程で、合金元素は両相の間に分配される。クロムとモリブデンはフェライトを安定化し、ニッケルと窒素はオーステナイトを安定化する。マンガン、ケイ素、炭素、冷却速度、ならびに安定化元素の正確なバランスも相の形成に影響する。そのため、公称クロム量およびニッケル量が類似した二つの溶解材でも、圧延、固溶化焼鈍、または溶接後に異なる局所構造が形成される可能性がある。

Outokumpuによるエッチング済み二相ステンレス鋼の説明は、金属組織観察で見られる外観をよく示している。フェライト領域は暗く、またはエッチングされた状態で現れるのに対し、オーステナイト領域はより明るく残る。研磨およびエッチングを施した鍛造材断面では、このコントラストにより、一般に細長いフェライト帯とオーステナイト帯が明らかになる。2205鋼種はしばしば22Cr二相鋼と呼ばれ、2507および4501鋼種は25Crスーパーデュプレックス鋼である。これらの名称は広範な合金群を示すものであり、単一の普遍的な微細構造を示すものではない。

このコントラストは、両相の化学組成とエッチング応答の双方を反映している。オーステナイトは、フェライト中の島状組織、リボン状組織、または相互に連結した膜状組織として現れることが多い。一方、フェライトは、ある配向では連続したマトリックスを形成し、別の配向では不連続な構成相となることがある。見かけ上のマトリックスは、断面方向、圧下スケジュール、結晶粒径、エッチング液によって変化し得る。横断面では、丸みを帯びた、または扁平なオーステナイト島が観察されることがあり、縦断面では圧延方向に沿って配列した長い帯が現れることがある。

この構造は、各構成相に関連する特性を組み合わせている。フェライトは、高い降伏強さ、塩化物応力腐食割れに対する抵抗性、ならびに一部の環境における比較的良好な水素助長割れ抵抗性に寄与する。オーステナイトは、靭性、延性、溶接金属の割れ抵抗性を向上させ、ニッケルおよび窒素の含有により、特定の局部腐食機構に対する抵抗性を高める。いずれの相も、望ましい特性をすべて単独で提供するわけではない。制御が不十分な場合、フェライトが過剰になったり、オーステナイトが過剰になったり、化学的に弱体化した相境界領域が残ったりする可能性がある。

細長い層状構造

特徴的な細長い、または層状の外観は、熱間圧延および鍛造によって、もともとの鋳造組織が引き伸ばされることで形成される。オーステナイトとフェライトは異なる変形挙動を示すため、両相は加工方向に沿った帯状配列を維持する。その結果は完全に周期的な積層構造ではない。帯の厚さは変化し、相境界は波打ち、再結晶によって構造の一部が分断されることもある。それでも、この方向性パターンは重要である。

細長い相ネットワークは異方性を生じさせる。圧延方向に平行に測定した機械的性質は、圧延方向に垂直に測定した性質と異なる場合がある。特に、介在物、帯状組織の連続性、または結晶粒径にも方向性がある場合に顕著である。フェライトとオーステナイトが交互に存在する領域に亀裂が到達すると、亀裂は偏向、鈍化、または伝播経路の変更を起こす可能性がある。これは靭性および疲労抵抗性の向上に寄与し得るが、連続した弱経路、鋭い相境界、または局所的に脆い析出物が存在すると、逆の影響が生じることがある。

シグマ相シグマ相 不適切な熱曝露中に生成する可能性がある、クロムとモリブデンに富む硬く脆い金属間化合物相。周囲の母相から耐食性元素を枯渇させる可能性がある。

熱影響部および溶接金属では、構造が大きく変化する。溶接では狭い領域が溶融・再凝固し、その後、隣接する材料が急峻な熱サイクルにさらされる。冷却が速いと、オーステナイトが形成される時間が不足するため、過剰なフェライトが残留する可能性がある。冷却が遅い場合、またはおよそ600～1000℃の範囲に長時間さらされた場合は、組成および熱履歴に応じて、クロム窒化物、σ相、χ相、その他の金属間化合物相が形成されることがある。σ相は、近傍領域からクロムおよびモリブデンを消費し、靭性と局部腐食抵抗性を低下させるため、特に有害である。

相の予測手法には、平衡計算、時間–温度–変態データ、熱力学ソフトウェア、フェライトナンバー測定、画像解析、直接的な金属組織観察などがある。平衡予測は有用であるが、すべての溶接サイクルや冷却条件を再現するものではない。実際に形成される相を支配するのは反応速度論である。固溶化熱処理後に十分速く冷却することで、フェライト–オーステナイト組織を回復させ、有害な析出物を抑制する。しかし、過度の加熱、繰り返し熱サイクル、または不十分なパス間温度管理によって、局所的な偏りが生じる可能性はなお残る。

相分率、連続性、局所的不均一性

公称1:1の相比率は、すべての結晶粒、溶接ビード、管壁、または熱影響部にフェライトが50%含まれることを意味しない。鍛造板は平均相分率の要件を満たしていても、一方の表面付近にフェライトに富む帯が存在し、反対側にオーステナイトに富む領域が存在することがある。鋳造に由来する偏析、中心線部の化学成分の変動、不均一な変形、板厚方向の冷却差などが、すべてその要因となる。測定位置と測定方法も重要である。組織形態に強い方向性がある場合、点算法、画像解析、磁気的方法、結晶学的手法では、見かけの値が異なることがある。

連結性は割合と同じくらい重要である。連続したフェライトは、亀裂成長または優先的な腐食の経路となる可能性がある一方、連続したオーステナイトは水素の移動とひずみ分布を変化させることがある。相境界では、クロムおよびモリブデンの欠乏、窒素の再分配、介在物、残留応力によって、孔食またはすき間腐食が始まる部位が形成される可能性がある。スーパーデュプレックス鋼およびハイパーデュプレックス鋼では、クロムおよびモリブデンの含有量が高いことで、潜在的な耐食性は向上するが、不適切な熱暴露中に金属間化合物が析出しやすくなる。

この局所構造は、強度、延性、衝撃靭性、疲労特性、溶接健全性を同時に支配する。一般にフェライトは強度を高め、オーステナイトは延性と低温靭性を支える。フェライトが過剰になると、衝撃靭性が低下し、熱暴露後の脆化感受性が高まる可能性がある。オーステナイトが過剰になると、強度が低下し、塩化物応力腐食割れに対する抵抗性が変化することがある。疲労亀裂は、介在物、相境界、腐食ピット、または溶接欠陥を起点として発生する可能性がある。そのため、表面状態と繰返し応力を考慮せずに、バルクの相割合だけから疲労挙動を予測することはできない。

このため、製品仕様および品質管理規格が重要となる。ASTM A928/A928Mは、溶加材を用いて製造するエレクトロフュージョン溶接二相鋼管を規定し、その製品仕様において2205二相鋼種としてUNS S32205を参照している。ISO 17781は、石油および天然ガス産業で使用されるフェライト／オーステナイト系、すなわち二相ステンレス鋼の金属組織について、品質管理のための試験方法を規定している。これらの管理は合金の呼称だけを確認するものではなく、相バランスならびに有害相の不在または制限も対象とする。そのため、局部腐食や機械的損傷が小さく、代表性のない領域から発生し得る溶接管、圧力設備、化学処理装置部品、淡水化システム、海洋構造物などの評価において、金属組織観察は依然として中心的な役割を果たしている。

合金化学と相安定性

二相ステンレス鋼は、フェライトとオーステナイトをほぼ等量含むように設計されたクロム・ニッケル・モリブデン・鉄合金である。2024年のWorld Stainless／International Stainless Steel Forumの説明では、典型的な目標値としてフェライト約50%、オーステナイト約50%が示されている。ただし、この目標は鋼種の表示だけで保証されるものではない。組成、部材厚さ、溶体化焼鈍温度、冷却速度、加工履歴、溶接のいずれも、最終的な相構成を変化させる可能性がある。

2つの相は、それぞれ異なる特性に寄与する。フェライトは、高い降伏強度、塩化物応力腐食割れに対する耐性、ならびに水素助長損傷に対する比較的良好な耐性をもたらす。オーステナイトは、靭性、延性、溶接性、および一部の局部腐食機構に対する耐性を向上させる。両相の界面と、それぞれ異なる電気化学的応答も、孔食およびすき間腐食に影響を及ぼす。そのため、バランスが適切に管理されていないと、複数の特性が同時に低下する可能性がある。過剰なフェライトは、溶接熱影響部における衝撃靭性と耐食性を低下させることがあり、一方、過剰なオーステナイトは、強度および塩化物応力腐食割れに対する耐性を低下させることがある。

クロム、ニッケル、モリブデン、窒素、鉄の役割

クロムは、主要なフェライト形成元素である。ステンレス鋼としての特性を得るには、少なくとも約10.5質量%のクロムが必要であるが、二相鋼種ではこれを大幅に上回る量が含まれる。クロムは不動態クロム酸化物皮膜を形成・維持し、全面腐食、孔食、すき間腐食に対する耐性を高める。また、凝固時にフェライトが形成される傾向も強める。その代償は冶金学的なものである。過剰なクロムは、特にモリブデンおよびケイ素と共存する場合、約600～1,000 °Cの範囲に長時間さらされることで、σ相やその他のクロム富化金属間化合物の形成を促進する可能性がある。

ニッケルはオーステナイト形成元素である。クロムによるフェライト形成促進作用を相殺し、冷却中にフェライト凝固組織の一部をオーステナイトへ変態させるのに寄与する。ニッケルは低温靭性も向上させ、オーステナイトを安定化する。ただし、二相鋼種のニッケル含有量は、完全オーステナイト系鋼種より一般に少ない。リーン二相ステンレス鋼ではニッケルを減らし、そのオーステナイト安定化機能の一部を窒素およびマンガンで補うことが多い。ニッケル含有量が少ないからといって、相バランスをニッケルだけから推定できるわけではない。クロム、窒素、モリブデン、熱履歴、溶接希釈も依然として大きな影響を及ぼす。

モリブデンは不動態皮膜を強化し、塩化物による孔食およびすき間腐食に対する耐性を高める。また、モリブデンはフェライト形成元素でもあり、合金が中間温度域に長時間滞留すると、σ相およびχ相の形成傾向を高める。これらの析出物は、周辺領域からクロムおよびモリブデンを消費し、局部腐食の起点となり得る欠乏領域を残す。そのため、熱処理および冷却では、単にモリブデン含有量を最大化するのではなく、析出を防止しなければならない。

窒素は、第2世代の二相鋼種において特に重要な役割を担う。窒素は強力なオーステナイト形成元素であり、侵入型固溶強化によって降伏強度を高め、固溶状態で保持される場合には耐孔食性を向上させる。窒素により、必要なオーステナイト分率を維持しながらニッケル含有量を低減できる。溶接時には、シールドガス、溶加材組成、入熱、冷却速度が適切に管理されていれば、溶接金属および熱影響部におけるオーステナイトの回復にも寄与する。しかし、合金およびプロセスに対して窒素が過剰であると、特に急冷された領域や局部的にフェライトとなった領域で、気孔や窒化物が生じる可能性がある。したがって、窒素添加量は溶解方法および製造条件に適合させなければならない。

鉄は、バランス元素であると同時に、両相が発達する連続的な母相である。設計上、鉄は化学的に不動態な元素ではない。その割合が、クロム、ニッケル、モリブデン、窒素の添加量の基礎を決める。さらに、マンガン、ケイ素、銅、炭素、タングステンなどの微量元素が、脱酸、凝固、相バランス、強度、腐食挙動を変化させる。通常、炭素は制限される。これはクロム炭化物が結晶粒界を鋭敏化させる可能性があるためである。ただし、現代の二相鋼種では、管理された製鋼によって一般に低炭素化が達成されている。

組成は、耐食性指標によって分類されることが多い。2024年のWorld Stainless／International Stainless Steel Forumの分類では、リーン二相鋼種をPREN 22～27、標準二相鋼種をPREN 28～38、スーパー二相鋼種をPREN 39～45、ハイパー二相鋼種をPREN 45超としている。PRENは主にクロム、モリブデン、窒素に基づく指標であり、臨界孔食温度、すき間腐食抵抗、溶接性能、耐用年数を完全に保証するものではない。同じ公称指標であっても、局部的な化学組成、表面状態、介在物、相バランス、使用環境によって結果が異なる可能性がある。

Outokumpuの2020年ステンレス鋼ファミリー資料によれば、鋼種2205は一般に22Cr二相鋼と呼ばれ、2507および4501は25Crスーパー二相鋼種である。製品群には、通常二相鋼、リーン二相鋼、標準二相鋼、スーパー二相鋼、ハイパー二相鋼、25Cr系も含まれるが、公表されている境界は分類体系によって完全には一致しない。

凝固中のフェライトとオーステナイトのバランス

ほとんどの二相合金は、クロム、モリブデン、鉄が体心立方構造の相を安定化するため、主としてフェライトとして凝固する。温度が固相変態温度域を通過して低下すると、ニッケルと窒素が、フェライト組織内またはその境界における面心立方構造の相であるオーステナイトの核生成および成長を促進する。最終的なミクロ組織は、特に圧延または鍛造後には、エッチングされたフェライト領域とオーステナイト領域が細長く層状に配列したものとなることが多い。

この変態は時間および温度に依存する。厚い部材は薄い部材よりゆっくり冷却されるため、オーステナイトが形成される時間が長くなる。一方、急冷すると過剰なフェライトが残留する可能性がある。σ相、χ相、クロム窒化物、クロム炭化物を回避するため、溶体化焼鈍後に急冷するが、冷却中には十分なオーステナイト形成も可能にしなければならない。必要なのは、あらゆる状況で可能な限り速い焼入れを行うことではなく、管理された妥協である。

溶接によってバランスの管理はさらに難しくなる。溶融溶接金属はまずフェライトとして凝固し、その後、冷却に伴って一部がオーステナイトへ変態する。自生溶接または低ニッケル溶加材を用いた場合、過剰なフェライトが残る可能性がある。一方、オーステナイト系溶加材を用いると、オーステナイトが過剰になり、母材とは異なる相構成になる可能性がある。熱影響部は急速な熱サイクルを受け、溶接パスを繰り返すと、先行する領域が析出温度域にさらされることがある。溶加材を用いる電気融接二相鋼管について、ASTM A928/A928Mは、参照される製品仕様においてUNS S32205を特定している。ただし、適格性確認には、溶加材の化学組成、パス間温度、入熱、シールド、溶接後検査の管理がなお必要である。

相バランスは、静的強度だけでなく疲労および破壊にも影響する。フェライトは一般に強度を高め、オーステナイトは延性および衝撃靭性を支える。粗大結晶粒、フェライトに富む溶接部、または金属間化合物の析出物は、き裂発生サイトを形成することによって疲労抵抗を低下させる可能性がある。そのため、海洋構造物の配管、化学処理設備、淡水化設備、パルプ・製紙設備、石油および天然ガスシステムでの用途では、公称鋼種だけでなく、加工後のミクロ組織にも左右される。

相予測手法と組成管理

冶金技術者は、溶解または溶接に先立ち、クロム当量およびニッケル当量の概念を用いて相バランスを推定する。クロム当量には、クロム、モリブデン、場合によってはケイ素やニオブなど、フェライト形成を促進する元素をまとめる。ニッケル当量には、ニッケル、窒素、炭素、マンガンなど、オーステナイト形成を促進する元素をまとめる。Schaeffler図、DeLong図、WRC図および関連図では、それぞれ異なる係数が適用され、特定の合金範囲および溶接条件を対象として開発されている。あらゆる二相合金、溶接希釈率、冷却速度、窒素活量を正確に予測できる単一の普遍的な式は存在しない。

現代の組成管理では、熱力学計算、状態図評価、実験的な金属組織学を組み合わせる。CALPHAD型データベースに基づくソフトウェアは、温度変化に伴うフェライト、オーステナイト、σ相、χ相、窒化物、炭化物の量および安定性を推定できるが、データベースの品質と加工に関する前提条件が重要である。予測結果は、フェライト分率の測定、化学分析、熱処理記録、腐食試験または靭性試験によって検証しなければならない。

ISO 17781は、石油および天然ガス用途における二相ミクロ組織の品質管理試験方法を規定している。光学顕微鏡観察、フェライト量測定、硬さ試験、衝撃試験、金属間化合物相の検査によって、溶解材または溶接部が規定状態を満たしているかを確認できる。ASTM Internationalの製品規格は、特定の製品について化学組成および加工要件を定めている。一方、ASM International、Outokumpu、Wileyの資料、EurekaSelectのデータ、ならびにScienceDirectで索引化された査読済み研究は、補完的な指針を提供している。実務上の原則は明確である。まず組成を管理し、その後、製造後の相構造を検証する。

耐孔食当量数の式における係数

二相ステンレス鋼のグレードファミリーとPREN分類

二相ステンレス鋼は、フェライトとオーステナイトをおおむね等しい体積分率で含む組織を意図した、クロム–ニッケル–モリブデン–鉄系合金のファミリーである。2024年のWorld Stainless／International Stainless Steel Forumの分類では、孔食抵抗当量数（PREN）を用いてグレードをファミリーに分類しており、リーン二相鋼はPREN 22～27、標準二相鋼はPREN 28～38、スーパー二相鋼はPREN 39～45、ハイパー二相鋼はPREN 45超とされる。これらの範囲は相対的な指標化の慣行であり、普遍的な冶金学上の法則ではない。特に、窒素、タングステン、銅の含有量や、選択したPREN式によって算出値が変わる場合には、他の文献でグレードの境界付近の位置付けが異なることがある。

PRENは通常、クロム、モリブデン、窒素の含有量から推定され、PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N) の形の関係式がよく用いられる。仕様書や技術文献によっては、タングステンを含めたり、異なる係数を用いたりする。そのため、この数値は塩化物によって誘発される孔食およびすき間腐食に対する公称抵抗を比較するのに役立つが、腐食試験、使用環境の分析、または製品仕様書の要求事項に取って代わるものではない。温度、塩化物濃度、酸性度、堆積物、酸素の供給状況、表面状態、溶接状態、ならびに異種金属接触によるガルバニック作用は、いずれも使用時の性能を変化させ得る。

二相鋼の冶金特性は、相バランスにも左右される。合金の化学成分はフェライト形成傾向とオーステナイト形成傾向を決定し、一方、溶体化焼鈍、溶接、および冷却によって、各相がどの程度残存するか、ならびに望ましくない化合物が生成するかどうかが決まる。ASM InternationalおよびScienceDirectに収載された査読済み研究では、二相組織は、エッチングによって現れるフェライトとオーステナイトの伸長状またはラメラ状の領域として説明されている。この外観は単なる記述ではない。相の形態、連続性、間隔、および局所的な化学成分は、き裂の進展、腐食の発生、疲労、ならびに溶接性能に影響する。

リーン二相鋼：PREN 22～27

リーン二相鋼のグレードは、提示されたWorld Stainlessの範囲ではPREN 22～27に位置付けられる。標準二相鋼の組成と比較して、ニッケルおよびモリブデンの一部または両方を低減しつつ、二相組織を形成するのに十分なクロムと窒素を保持している。その結果、この合金設計は、多くのオーステナイト系ステンレス鋼より高い降伏強さを示し、一般的な300系グレードよりも塩化物応力腐食割れに対する抵抗性に優れる場合がある。ただし、具体的な結果は製品形状および加工条件に依存する。

「リーン」という用語は、単一のグレード名称ではなく、合金ファミリー内での位置付けを表す。リーン二相鋼のグレードには、モリブデンをほとんど、または全く含まないものや、コストと相安定性を調整するために窒素およびマンガンの含有量を調整したものがある。化学成分と特性については、適用される規格が依然として正式な根拠となる。PRENの範囲を、使用温度の直接的な上限や、すき間腐食に対する耐性の証明と解釈してはならない。狭いすき間、停滞した海水、ヒートティント、汚染された表面は、算出されたPRENが十分に見える場合でも、局部腐食を引き起こす可能性がある。

「普通二相鋼」という表現は、一貫性なく使用されている。技術文書によっては、リーンおよび標準グレードを含む二相ステンレス鋼全般を意味する場合がある。他方では、スーパー二相鋼ではない従来型の二相鋼グループを指す場合もある。そのため、この表現は、グレード名称、UNS番号、製品規格、および明示された化学成分の上限値・下限値よりも不正確である。仕様書では、材料を単に「普通二相鋼」とだけ特定すべきではない。

標準二相鋼：PREN 28～38

標準二相鋼のグレードは、2024年のWorld Stainless／International Stainless Steel Forumの方式ではPREN 28～38に該当する。グレード2205は一般に22Cr二相鋼と呼ばれ、UNS S32205はこのグレードに関連する広く使用されている呼称である。ASTM A928/A928Mは、溶加材を使用した電気融接式二相ステンレス鋼管を対象としており、参照される製品仕様書の中でUNS S32205を特定している。ただし、適用する版、製品形状、追加要求事項、および購入者の要求事項が、合否判定を左右する。

グレード2205は、ファミリーの名称だけでは工程管理の代替にならない理由を示している。約22%のクロムを含む化学成分はフェライト–オーステナイト組織を形成するが、溶接部が過度に速く冷却された場合、溶体化焼鈍が不十分な場合、または熱影響部が不適切な熱サイクルを受けた場合には、最終的な相バランスが変化する可能性がある。過剰なフェライトは靭性を低下させ、局部腐食抵抗を損なうことがある。過剰なオーステナイトは強度を変化させる可能性があり、意図した相バランスが達成されていないことを示す場合もある。そのため、溶接施工要領では、公称化学成分だけに依存せず、入熱、パス間温度、溶加材の選択、シールド、および溶接後検査を管理する。

標準二相鋼の広範な指定を支える理由の一つは、機械的性能である。フェライトは高い降伏強さに寄与し、オーステナイトは延性と靭性を支える。二相は有用な疲労特性を示すこともあるが、疲労抵抗は溶接部の形状、表面仕上げ、残留応力、欠陥、および腐食環境に大きく依存する。設計値はPRENからではなく、関連する規格または試験データから取得しなければならない。

主要な懸念は、単純なフェライトとオーステナイトの比率だけではない。不適切な温度では、二相鋼に窒化クロム、シグマ相、カイ相、二次オーステナイト、その他の析出物が生成することがある。シグマ相およびカイ相は、周辺領域からクロムとモリブデンを消費し、衝撃靭性および孔食抵抗を低下させ得る欠乏領域を形成する。熱処理では通常、これらの相を固溶させて意図した組織を回復させ、その後、十分に速く冷却することを目指す。ISO Technical Committee 67によって特定されたISO 17781は、石油および天然ガス用途における二相組織の品質管理のための試験方法を規定している。これは品質管理上の参考規格であり、プロジェクトの材料仕様書に取って代わるものではない。

スーパー二相鋼およびハイパー二相鋼：PREN 39～45および45超

スーパー二相鋼のグレードは、提示されたWorld Stainlessの範囲ではPREN 39～45に分類される。一般に、標準二相鋼よりも高いクロム、モリブデン、窒素含有量を持ち、表面と組織が適切に管理されている場合には、塩化物による孔食およびすき間腐食に対して高い抵抗性を示す。Outokumpuは、グレード2507および4501を25Crスーパー二相鋼グレードとして特定している。「25Cr」という区分は主としてクロム含有量を指すものであり、すべての25Cr合金が、ニッケル、モリブデン、窒素、銅、タングステン、または相安定性の挙動において同一であることを意味しない。

ハイパー二相鋼のグレードはPREN 45超に分類される。このカテゴリーには、厳しい塩化物環境ならびに強度と耐食性の高度な組み合わせを想定して開発された高合金二相組成が含まれる。合金含有量が高いほど、加工可能な条件範囲が狭くなる可能性がある。溶接、熱間成形、溶体化焼鈍、および冷却では、有害な金属間化合物の析出を防ぎ、許容可能なフェライト–オーステナイトバランスを維持しなければならない。PRENが高くても、製造工程によってヒートティント、汚染、除去されていない酸化物、または析出物に富む熱影響部が残れば、局所的な性能が低下する可能性がある。

25Cr、スーパー二相鋼、およびハイパー二相鋼という名称は便利な略称であるが、完全な適格性を示すものではない。臨界孔食温度、臨界すき間腐食温度、電気化学試験結果、衝撃靭性、引張特性、硬さ、フェライト量の測定、ならびに金属間化合物相の検査が、いずれも重要となる場合がある。PRENは組成に基づく傾向を予測するものであり、環境または製造に関わるすべての変数を考慮するものではない。

そのため、グレードの選定では、ファミリー分類を実際の使用条件に結び付ける必要がある。具体的には、海水の酸素化状態、塩化物濃度、温度、圧力、酸性度、流速、すき間の形状、陰極防食、エロージョン、および繰返し荷重を考慮する。Schaeffler、DeLong、またはWRC系の状態図などの相予測ツールは、溶接金属の評価を補助できるが、溶接施工要領の適格性確認や金属組織学的検証に代わるものではない。二相ステンレス鋼は、挙動が一つに固定された単一の耐食グレードではなく、管理された二相材料である。

認知されている等級および呼称

二相ステンレス鋼の名称は、単一の普遍的な仕様ではなく、合金ファミリーを示すものである。この呼称は、おおよそのクロム含有量、商用等級の名称、または統一番号システム（UNS）のような数値体系を示している場合がある。しかし、それだけでは、その材料が板、管、棒、チューブ、鍛造品、または溶接構造物のいずれであるかは定義されない。また、溶接施工要領、検査頻度、熱処理、フェライトの受入れ範囲、腐食試験の要求事項も定めるものではない。これらの詳細は、適用される製品規格、購入仕様書、図面、および品質管理文書によって規定される。

基礎となる材料は、フェライトとオーステナイトがほぼ等しい体積分率となるように開発されたクロム–ニッケル–モリブデン–鉄合金である。World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumは、2024年の二相ステンレス鋼について、フェライト約50%、オーステナイト約50%と報告している。この割合は冶金学的な状態であり、等級名に自動的に付随する意味ではない。合金の化学成分、固溶化焼鈍温度、冷却速度、成形、溶接入熱、溶接後処理によって、相バランスは変化し得る。また、窒化クロム、シグマ相、カイ相、その他の金属間化合物など、望ましくない析出物が生成することもある。

エッチングした二相材料では、通常、細長く層状のフェライト領域およびオーステナイト領域が観察される。その形態は、熱間加工ならびに凝固または再結晶の履歴を反映している。公称上正しい化学分析だけでは、完成品が要求されるミクロ組織を有していることを証明できない。このため、二相鋼の仕様では、金属組織検査、フェライト測定、機械試験、腐食試験、または固溶化焼鈍および冷却に関する管理が要求されることが多い。

2205、22Cr二相鋼、およびUNS S32205

2205は、最も広く認知されている標準的な二相鋼の呼称である。Outokumpuによる2020年のステンレス鋼ファミリーの説明では、2205は一般に22Cr二相鋼と呼ばれている。「22Cr」は、約22%のクロムを含む合金ファミリーを示す略称であり、完全な化学成分規定ではない。ニッケル、モリブデン、窒素、炭素、マンガン、ケイ素、および微量元素の含有限界も、相の安定性、耐孔食性、溶接性、機械的性質に影響する。

UNS S32205は、2205二相鋼の組成に対応する正式な数値呼称である。溶加材を用いるエレクトロフュージョン溶接オーステナイト系およびフェライト／オーステナイト系ステンレス鋼管を対象とするASTM A928/A928Mは、参照する製品仕様において、UNS S32205を2205二相鋼等級に対応するものとして特定している。この関係は重要である。なぜなら、「2205管」という表現は、製品規格が明記されていなければ不完全だからである。ASTM A928/A928Mは、特定の製品形状および製造方法に関する要求事項を追加する。一方、UNS番号は合金の化学成分を特定するものであり、これらの要求事項に代わるものではない。

2205は、一般に標準二相鋼のグループに分類される。2024年のWorld Stainless／International Stainless Steel Forumの分類では、標準二相鋼のPREN範囲は28～38とされている。PRENは、通常、クロム、モリブデン、および窒素の含有量から算出されるもので、局部腐食に対する抵抗性を比較するために用いられる耐食性の指標である。ただし、性能を完全に保証するものではない。表面状態、溶接、介在物、温度、塩化物濃度、隙間、残留応力、および暴露時間によって、臨界孔食挙動や隙間腐食挙動は変化し得る。

おおむね均衡したフェライト–オーステナイト組織により、2205は、一般的なフェライト系およびオーステナイト系等級のいずれとも異なる、強度、塩化物腐食抵抗性、および破壊挙動の組合せを有する。その一方で、製造上の許容度は低くなる。中間温度域に過度に長く留まると金属間相が生成する可能性があり、溶接後の冷却が速すぎる場合や適切に管理されていない場合には、過剰なフェライトまたは窒素に富む欠陥が残ることがある。したがって、溶接施工では、「2205」という名称だけに依存するのではなく、入熱、パス間温度、溶加材の選定、シールド、および冷却条件を管理する。

25Crスーパーデュプレックス等級としての2507および4501

Outokumpuは、2507および4501を25Crスーパーデュプレックス等級として特定している。「25Cr」という表示は、約25%のクロムを含む合金ファミリーを示す。一方、「スーパーデュプレックス」は、標準二相鋼等級よりも高い合金含有量と、より高い局部腐食抵抗性を示す。ただし、この呼称によっても、製品形状や完全な受入れ基準が定まるわけではない。

World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumは、2024年にスーパーデュプレックス等級をPREN 39～45に分類した。この高い指標は、一般にクロムに加えてモリブデンおよび窒素を添加していることを反映するが、実際の組成式および含有限界は、関連する規格から確認しなければならない。窒素はオーステナイトの生成を促進し、耐孔食性にも寄与する。モリブデンは局部的な塩化物腐食に対する抵抗性を高め、クロムは不動態皮膜の安定性を支える。これらの元素は、凝固、溶接金属の相バランス、ならびに窒化物または金属間化合物の生成リスクにも影響する。

したがって、2507および4501という名称は、相互に置き換え可能な証明書ではなく、ファミリーまたは等級を識別する呼称として理解すべきである。指定された製品には、固溶化焼鈍、急冷、相バランスの限界値、衝撃試験、硬さの限界値、または腐食試験が要求される場合がある。これらの要求事項は、板、継目無管、溶接管、鍛造品、継手、鋳造品、または製作部品の間で異なることがある。ある製品規格および板厚範囲に対して認定された溶接施工要領が、両方の材料が25Crスーパーデュプレックスと表記されているというだけで、別の規格の要求事項を満たすとは限らない。

スーパーデュプレックス合金は、局部腐食と機械的荷重が厳しい条件を課す用途、たとえば海洋設備、海水システム、化学処理、脱塩、および石油・ガス関連部品などで使用される。疲労抵抗性は、依然として溶接形状、表面状態、欠陥、残留応力、および繰返し環境に大きく依存する。高いPRENであっても、溶接止端、隙間、介在物、または熱影響部を検査する必要性がなくなるわけではない。

合金名、UNS番号、および製品規格の関係

しばしば、次の3種類の呼称が混同される。[3][3] Petroleum and natural gas industries — Test methods for quality control of microstructure of ferritic/austenitic stainless steels. ISO Technical Committee 67. ISO 17781, 2024.

• 2205や2507などの一般名または商用名。
• 22Crや25Crなどの組成略称。
• UNS S32205などの正式な呼称。

これらは、それぞれ異なる問いに答えるものである。一般名は、認知された等級ファミリーを特定する。クロム略称は、おおよその合金化レベルを示す。UNS呼称は、標準化された組成上の識別情報を提供する。しかし、これらのいずれも、それだけで材料の製造方法、試験方法、表示方法、検査方法、または受入れ方法を示すものではない。

製品規格は、その不足している背景情報を補う。ASTM、EN、ISOなどの規格では、化学成分限界、寸法、公差、製造方法、固溶化焼鈍、引張特性、衝撃要件、非破壊検査、水圧試験、ならびに追加の腐食試験またはミクロ組織試験が規定される場合がある。ASTM A928/A928Mはその一例であり、単に合金を命名するのではなく、溶加材を用いて製造するエレクトロフュージョン溶接二相鋼管を対象としている。ISO Technical Committee 67が2024年に特定したISO 17781は、石油および天然ガス用途における二相組織の品質管理について、試験方法を規定している。これは品質管理上の参照規格であり、材料等級または製品規格に代わるものではない。

同じ名称上の問題は、より広いカテゴリーにも当てはまる。World Stainless／International Stainless Steel Forumは、リーン二相鋼をPREN 22～27、標準二相鋼を28～38、スーパーデュプレックスを39～45、ハイパーデュプレックスを45超としている。これらの境界は有用な分類上の慣例であるが、すべての組織が同一の限界値を適用しているわけではない。通常二相鋼、リーン二相鋼、標準二相鋼、スーパーデュプレックス、ハイパーデュプレックス、および25Crグループという分類は、商用上の用法において重複する場合がある。最終的に支配的となる文書は、カテゴリー名だけではなく、引用された等級仕様およびそこに規定された試験である。

機械的特性および物理的特性

二相ステンレス鋼は、クロム–ニッケル–モリブデン–鉄合金であり、その機械的応答は、均一な単一母相ではなく、フェライト相とオーステナイト相からなる組織に由来する。World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumが2024年に報告しているように、意図される状態は、体積比でフェライトとオーステナイトがほぼ等しい状態である。この割合は冶金学上の目標であって、規格上の呼称だけで保証される結果ではない。合金の化学成分、固溶化熱処理温度、保持時間、冷却速度、成形、および溶接によって、相のバランスが変化したり、相の形態が変わったりする可能性がある。

ASM Handbookおよび二相ステンレス鋼に関するWileyの章は、有用な考え方を示している。すなわち、特性は相の構成、相の形態、欠陥、および加工履歴の結果として考慮しなければならない。したがって、ミルシートや鋼種名だけでは、製品固有の機械的データ、熱処理要件、および検査記録の代わりにはならない。

二相構造による強度と延性

体心立方構造の相であるフェライトは、高い降伏強さと塑性変形に対する抵抗性に寄与する。面心立方構造の相であるオーステナイトは、より大きな加工硬化能と、一般により高い延性をもたらす。両相が連続した、結合状態の良好な構造を形成すると、二相鋼は、一般的なオーステナイト系ステンレス鋼より高い強度水準と、実用的な伸びおよび成形性を兼ね備えることができる。その結果は、二つの構成相の単純な平均ではない。フェライトはオーステナイトを拘束し、オーステナイトはフェライトの変形経路を分断し、相境界はすべり、ひずみ分配、およびき裂発生に影響を及ぼす。

エッチングしたミクロ組織は、特に圧延板において、一般に細長い層状のフェライト領域およびオーステナイト領域として現れる。この形態によって、方向依存性の挙動が生じる。圧延方向に対して横方向に測定した引張特性は、長手方向に測定した特性と異なる場合がある。また、板厚方向の延性は、介在物、帯状組織、偏析、および溶接の影響を受ける可能性がある。したがって、長手方向の引張データだけを用いて設計された部品では、主荷重が板を横切る方向または溶接継手を通る方向に作用する場合、その実際の挙動を十分に表せない可能性がある。

相分率がほぼ等しい状態は、強度と延性の有用なバランスにも寄与する。過剰なフェライトは強度を高める一方で、特にフェライトが連続化または粗大化した場合、延性および衝撃靭性を低下させる可能性がある。過剰なオーステナイトは延性を改善できるが、適切にバランスした二相構造に期待される強度を低下させる。いずれの逸脱も、目視観察だけで評価することはできない。定量的金属組織学、相予測法、および適用される製品規格に基づく検査が必要である。

鋼種ファミリーは、化学成分と耐食性に関する枠組みを示すものであり、機械的特性を直接保証するものではない。2024年のWorld Stainlessの分類では、リーン二相鋼をPREN 22～27、標準二相鋼をPREN 28～38、スーパー二相鋼をPREN 39～45、ハイパー二相鋼をPREN 45超としている。PRENは耐食性を指数化する慣例であり、一般にクロム、モリブデン、および窒素に基づく。ただし、PRENだけで強度、靭性、溶接品質、または使用寿命を予測することはできない。普通二相鋼、リーン二相鋼、標準二相鋼、スーパーデュプレックス、ハイパーデュプレックス、および25Cr系という分類も、分類体系によって多少異なる。

Outokumpuは、鋼種2205を22Cr二相鋼、鋼種2507および4501を25Crスーパーデュプレックス鋼としている。製品設計においては、ファミリー名よりもUNSの指定および適用される規格の方が正確である。例えばASTM A928/A928Mは、溶加材を用いる電気融接二相鋼管を対象とし、参照される製品規格においてUNS S32205が2205二相鋼に相当することを示している。要求される引張強さ、降伏強さ、伸び、硬さ、および溶接品質の値は、その規格および該当する製品形状から取得しなければならない。

靭性および温度の影響

オーステナイトは、広い温度範囲にわたって面心立方構造に基づく変形機構を維持し、延性およびき裂先端の鈍化を保つのに寄与する。フェライトは、体心立方構造が延性–脆性遷移を起こし得るため、温度の影響をより受けやすい。その結果、二相鋼の靭性は、フェライト量、フェライト結晶粒径、相の形態、介在物、溶接熱サイクル、および試験方向に大きく左右される。オーステナイトの存在は全体的な挙動を改善するが、フェライトに関連する低温リスクをなくすものではない。

低温衝撃挙動は、粗大なフェライト、バランスを欠いた相分率、および金属間化合物の析出物に特に敏感である。シグマ相、カイ相、窒化クロム、およびその他の二次相は、局所的にクロムまたはモリブデンを消費し、延性を低下させ、き裂発生箇所となる可能性がある。したがって、析出が生じ得る温度範囲に過度にさらされることは、最終的な表面が許容できるように見える場合でも有害である。指定されている場合、適切な相構造を回復し、望ましくない相を固溶または抑制するために、固溶化熱処理および急冷が用いられる。ただし、許容される処理は鋼種および製品規格によって異なる。

高温では、別の問題が生じる。長時間の暴露中にフェライトが変態したり二次相を析出させたりする可能性があり、溶接または熱処理中にオーステナイト–フェライトのバランスが変化する場合もある。短時間の製作サイクルと管理された冷却によって許容可能な組織を得られることがあるが、再加熱、補修溶接、および繰り返される熱履歴には、個別の手順が必要である。熱影響部には、急速冷却直後にフェライトが過剰に含まれる場合や、不適切な熱暴露後に窒化物および金属間化合物相が生成する場合がある。

これらの影響は疲労にも及ぶ。二相鋼は、その強度と耐食性により良好な疲労強度を示すことがあるが、疲労性能は、表面状態、溶接部形状、残留応力、介在物、腐食ピット、および相に敏感な欠陥によって支配される。耐食性に優れた鋼種であるからといって、溶接部の疲労寿命が自動的に優れるわけではない。設計曲線および溶接分類は、製品、継手区分、環境、および適用される規程に適合していなければならない。

ISO 17781は、石油および天然ガス用途に関連する品質管理の参考規格である。ISO Technical Committee 67は、この規格を、フェライト／オーステナイト系、すなわち二相ステンレス鋼のミクロ組織を品質管理するための試験方法を規定するものとして説明している。このような検査により、引張試験だけでは見逃す可能性のある過剰なフェライト、異常な相形態、および有害な析出物を特定できる。

物理的特性および設計上の意味

二相鋼の物理的特性は、フェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の中間に位置するが、両者の特性と単純に等しいわけではない。フェライトは磁気応答に寄与し、一般にオーステナイトより低い熱膨張をもたらす。オーステナイトは非磁性挙動と、より高い熱膨張に寄与する。したがって、二相構成部品は、測定可能な透磁率と、完全オーステナイト系ステンレス鋼とは異なる熱膨張挙動を示す可能性がある。これは、磁気センサーの近傍、寸法管理計算、および熱サイクルによって拘束応力が生じる箇所で重要となる。

熱伝導率は、フェライト–オーステナイト比、合金元素の添加量、温度、および製品の状態の影響を受ける。二相鋼は一般的なオーステナイト系鋼種とは異なる方法で熱を伝達する。さらに、熱膨張が小さいため、一部の熱処理作業中の変形を低減できる場合がある。ただし、この利点には条件がある。溶接では依然として局所的な膨張、収縮、残留応力、および相変化が生じる。最終的な変形は、継手の拘束および入熱によって大きく左右される可能性がある。

弾性挙動も、二相集合組織を反映する。フェライトとオーステナイトは結晶学的な弾性応答が異なり、圧延によって集合組織が形成されるため、測定される弾性係数およびポアソン応答は、方向と試験方法によって変化する可能性がある。通常の構造計算では、規格が相ごとの弾性モデルを要求するのではなく、設計値を示している場合が多い。熱勾配、繰返し荷重、または溶接構造体を扱う有限要素解析では、実際の製品状態に対応した温度依存および方向依存のデータが必要となる場合がある。

加工履歴は、依然として中心的な要因である。熱間圧延、冷間圧下、固溶化熱処理、水冷、機械加工、および溶接は、相のバランスだけでなく、残留応力と集合組織も変化させる。相予測線図および計算ツールによって、フェライトの生成と析出を推定できるが、これらは金属組織学的検査および認定試験の代替にはならない。したがって、設計データは、二相ステンレス鋼が強い、靭性に優れる、または寸法安定性が高いという一般的な説明ではなく、指定された鋼種、製品形状、厚さ、熱処理、方向、および規格に基づいて採用すべきである。

腐食メカニズムと耐食性

二相ステンレス鋼は、単一の耐食鋼種ではない。その性能は、通常、体積比で各相がほぼ50%となるよう制御されたフェライトとオーステナイトの混合組織に由来する。World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumは、2024年にこのおおよその相 balance を報告した。2つの相は、異なる電気化学的および機械的応答を示す。クロムに富むフェライトは、塩化物による局部腐食に対する耐性と高強度に寄与し、ニッケルで安定化されたオーステナイトは、靭性、延性、および一部の全面腐食や応力の影響を受ける腐食に対する耐性を向上させる。

このバランスは、加工の結果として得られるものであり、規格上の鋼種 designation によって保証されるものではない。合金の化学成分、固溶化熱処理温度、溶接入熱、保持時間、および冷却速度はすべて、最終的なフェライト–オーステナイト比に影響を及ぼす。フェライトが過剰になると靭性が低下し、局部腐食挙動が変化する可能性がある。オーステナイトが過剰になると強度が低下し、指定された二相組織に必要なフェライト量を下回る可能性がある。エッチングした材料では、特に圧延後に、細長い層状のフェライト領域およびオーステナイト領域が一般に観察される。Schaeffler、DeLong、WRC-1992、constitution diagramなどの相予測ツールは、溶接および凝固の推定に役立つが、金属組織検査と腐食試験は依然として必要な管理手段である。

クロムは不動態クロム酸化物皮膜を形成する。モリブデンは、塩化物を含む溶液中でこの皮膜を強化し、孔食の発生および進展に対する耐性を高める。窒素は強力なオーステナイト形成元素であり、局部腐食に対する耐性を高める。また、固溶強化によって降伏強度も向上させる。ニッケルは主としてオーステナイトを安定化し、相バランスを支えるが、孔食抵抗の計算においてモリブデンや窒素と置き換えられるものではない。不十分な表面状態、埋め込まれた鉄、アークストライク、ヒートティント、研削損傷、または溶接酸化物が存在すると、母材全体の合金成分が適切であっても、不動態皮膜が局所的に破壊される可能性がある。

孔食およびすきま腐食

臨界孔食温度臨界孔食温度 指定された試験溶液および手順の下で、安定した孔食が生じやすくなる温度。普遍的な使用限界ではなく、比較試験の結果である。

孔食は、不動態表面が小さな箇所で破壊されると始まる。多くの場合、介在物、表面粗さの凸部、酸化物残留物、または機械的損傷部に塩化物イオンが濃縮することが契機となる。孔食部は周囲の表面に対してアノードとなる。加水分解によって局所的なpHが低下し、塩化物が空洞内へ移動するため、最初の誘因が消失した後も孔食が成長し続けることがある。この自己触媒的な過程により、小さな表面痕が深い侵食痕を生じさせることが説明できる。

すきま腐食も関連する過程に従うが、物質移動の制限によって支配される。ガスケット、重ね継手、ねじ接続部、堆積物、フランジ面、および遮蔽された溶接形状では、すきま内部の酸素が消費される可能性がある。その結果生じる通気差電池によって、閉塞領域が酸性化し、塩化物が濃縮する。二相鋼種は開放表面での孔食には耐えても、狭いすきまでは腐食を受ける場合がある。これは、すきま内部の局所的な化学環境が、周囲の水よりはるかに厳しいためである。

したがって、臨界孔食温度（CPT）および臨界すきま腐食温度（CCT）は、比較評価に有用な測定値である。CPTは、規定された試験溶液および試験手順の下で、安定した孔食が発生しやすくなる温度を示す。CCTは、人工的に形成したすきまにおける対応する腐食傾向を測定する。いずれの値も、普遍的な使用限界ではない。表面仕上げ、試験方法、酸素含有量、塩化物濃度、堆積物、流動状態、および溶接ヒートティントの有無によって、結果は変化し得る。

フェライトとオーステナイトは、それぞれの耐食性についても適合している必要がある。一方の相が他方より局部腐食に対する耐性が低い場合、相境界または弱い相の内部で優先的に孔食が発生する可能性がある。クロムおよびモリブデンの偏析、窒素含有量、ならびに冷却履歴が、この差に影響を及ぼす。金属間化合物の析出物が存在すると、問題はさらに深刻になる。シグマ相、カイ相、クロム窒化物、その他の二次相は、周辺の金属からクロムまたはモリブデンを消費し、欠乏領域を形成する可能性がある。組成と時間によって異なるが、おおよそ600～1000 °Cの範囲に曝露されると、このような相が生成することがある。意図した組織を回復させるため、固溶化熱処理後に急冷を行うが、過度の熱処理は変形やその他の製造上の問題を引き起こす可能性がある。

溶接表面には特別な注意が必要である。ヒートティントの下にはクロム欠乏酸化物が存在し、溶接ルートの酸化によってCPTおよびCCTが大幅に低下する可能性がある。酸洗、適切な機械的清掃、ならびにシールドガスおよびパージガスの管理によって、これらの弱点を除去または抑制できる。溶加材の選定では、単に母材の公称組成を再現するのではなく、望ましい相バランスを確保する必要もある。

塩化物環境とPRENの解釈

塩化物は不動態皮膜を不安定化し、孔食やすきま腐食を発生しやすくするため、二相鋼の選定において塩化物への曝露は中心的な要因となる。海水、塩水、冷却水システム、プロセス液、蒸発による堆積物、および汚染された洗浄水は、測定されたバルク濃度とは異なる局部的な環境を形成する可能性がある。公称塩化物濃度だけでなく、温度、酸性度、酸素の利用可能性、流動状態、堆積物、およびすきま形状も同程度に重要である。

孔食抵抗当量数は、一般に次の式で表される。

耐孔食当量数は関連する合金ファミリーの比較に役立つが、使用環境を予測するものではない。 Limited evidence

PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N)

この係数は、モリブデンと窒素が指標に不均衡に大きな影響を及ぼす理由を示している。World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumは、リーン二相鋼を概ねPREN 22～27、標準二相鋼をPREN 28～38、スーパー二相鋼をPREN 39～45、ハイパー二相鋼をPREN 45超に分類している。これらの境界は分類上の慣例であり、すべての組織が同一の限界値を使用しているわけではない。また、これらは単一の固定組成ではなく、合金群の範囲を示すものである。

2205は、一般に22Cr二相鋼と呼ばれる。ASTM A928/A928Mは、溶加材を使用する同規格の電気融接管仕様において、UNS S32205が2205二相鋼種に相当することを示している。2507および4501は、一般に25Crスーパー二相鋼種として分類される。したがって、普通二相鋼、リーン二相鋼、標準二相鋼、スーパー二相鋼、ハイパー二相鋼、および25Cr群という分類は、組成およびPRENの慣例に基づく合金群の説明として理解すべきであり、相互に置き換え可能な使用環境分類ではない。

PRENは、合金を比較するための補助指標である。使用環境における性能を予測する指標ではない。PRENが類似する2つの合金でも、相バランス、介在物、表面仕上げ、溶接状態、熱処理、またはモリブデンと窒素の分布の違いによって、異なる挙動を示す可能性がある。逆に、PRENが高くても、すきま腐食、エロージョン・コロージョン、ガルバニック腐食、微生物影響腐食、水素の影響、または酸性環境に対する普遍的な耐性が得られるわけではない。この指標は、類似した溶解または鋼種を同様の試験条件で比較する場合に最も有用である。

応力腐食および腐食疲労に関する考慮事項

二相ステンレス鋼は一般に、従来のオーステナイト系ステンレス鋼よりも塩化物応力腐食割れに対する耐性が高い。特に、引張応力、高温、および塩化物濃度が同時に作用する環境でその傾向が顕著である。この利点は、二相組織および多くの二相鋼種でニッケル含有量が比較的低いことに関連しているが、絶対的なものではない。高温の塩化物溶液、蒸発による堆積物、高濃度の苛性溶液、水素を含む環境、ならびに大きな残留応力によって、依然として割れが発生する可能性がある。

き裂の発生は、孔食、すきま、溶接欠陥、相境界、または加工によって変質した領域で起こり得る。成形、溶接、機械加工、または冷間加工による残留引張応力は、外部荷重が加わっていない場合でも十分な大きさになることがある。オーステナイトとフェライトは、水素の吸収およびき裂先端での変形に対して異なる応答を示す可能性もあるため、フェライト–オーステナイト比と局所的な相形態が割れ挙動に影響する。溶接施工要領では、有害な析出物を制限し、フェライトまたはオーステナイトの過度な偏りを避け、パス間温度と冷却を管理する必要がある。

腐食疲労は、繰返し応力と腐食環境が組み合わさる現象である。孔食は鋭い切欠きとして作用し、その後、繰返し荷重によって、空気中で想定されるより低い応力レベルでもき裂が進展する。二相鋼は有用な疲労強度を示すことが多いが、腐食疲労は表面状態、溶接形状、残留応力、介在物、カソード防食、および繰返し周波数に強く依存する。溶接止端部とすきまは、幾何学的な応力集中と、腐食が進行しやすい閉塞環境が組み合わさるため、特に注意して検査する必要がある。

したがって、設計では局部腐食に対する耐性と、あらゆる腐食メカニズムに対する耐性を区別すべきである。ASTMの製品要求事項は、特定の製品について組成、寸法、および試験を規定する。一方、ISO 17781は、石油および天然ガス用途における二相組織の品質管理方法を規定している。これらの管理が重要なのは、公称鋼種、PREN値、そして耐食性に対する一般的な評価だけでは、確認済みの相バランス、清浄な製造、適切な溶接施工要領の認定、および実際の使用環境での試験の代替にはならないためである。

析出物、脆化、熱曝露

二相ステンレス鋼は、化学成分だけで保護されるものではない。その性能は、制御されたフェライト–オーステナイト組織を維持し、クロム、モリブデン、またはニッケルに富む領域を二次相が消費するのを防ぐことに依存する。World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumは、二相鋼種について、フェライト約50%、オーステナイト約50%であると説明している。ただし、許容される相バランスは、鋼種、製品形態、適用される規格、および試験方法によって異なる。エッチングした材料では、一般に、細長く層状のフェライト領域およびオーステナイト領域が観察される。この組織により、二相鋼は強度、塩化物腐食抵抗、および靭性を兼ね備えるが、同時に、析出および脆化が進行し得る2種類の異なる化学的環境も形成される。

したがって、問題は単純に「熱が多すぎる」ことではない。熱サイクルによって相バランスが変化したり、脆い金属間化合物が生成したり、析出物に隣接する母相が欠乏したり、バルクの化学組成を目視では変化させずにフェライトの分解が促進されたりする可能性がある。これらの変化は、衝撃靭性および疲労抵抗を低下させる一方で、孔食またはすき間腐食への感受性を高めることがある。評価は、鋼種、断面厚さ、前処理、溶接施工法、使用温度、ならびに適用される製品規格または品質管理規格に照らして行わなければならない。

望ましくない析出相

二相ステンレス鋼が過度の熱曝露を受けた後の主な懸念は、クロムおよびモリブデンに富む金属間化合物相、特にシグマ相（σ）およびカイ相（χ）の生成である。シグマ相は硬く、脆い。拡散距離が短く、局所的な化学組成が析出に適しているフェライト–オーステナイト界面で、優先的に生成することがある。カイ相は、一部の合金条件ではより早期に現れる可能性があり、その後シグマ相に変態したり、シグマ相の生成に寄与したりすることがある。いずれの相も、周囲のフェライト中のクロムおよびモリブデン含有量を低下させる。そのため、析出相の体積分率が小さい場合でも、欠乏領域で腐食損傷が始まる可能性がある。

クロム窒化物（一般にCr₂Nと表記される）も、フェライト中での懸念事項である。多くの二相鋼種では、オーステナイトを安定化し、局部腐食抵抗を向上させるために窒素が添加される。しかし、急冷または不適切な溶接金属の凝固によって、窒素がフェライト中で過飽和となることがある。その後、窒化物がフェライト境界またはフェライト結晶粒内に析出する可能性がある。炭素が存在する場合にはクロム炭化物が生成することもあるが、現代の低炭素鋼種および管理された製造工程によって、このリスクは低減されている。影響は目視可能な粒子に限られない。クロムおよびモリブデンの局所的な欠乏によって、臨界孔食抵抗およびすき間腐食抵抗が低下することがある。

鋼種の系列によって析出傾向は変化する。World Stainless/International Stainless Steel Forumの分類では、リーン二相鋼のPRENは22～27、標準二相鋼はPREN 28～38、スーパーデュプレックス鋼はPREN 39～45、ハイパーデュプレックス鋼はPREN 45超とされている。PRENは耐食性を指数化する慣例であり、性能を完全に保証するものではない。モリブデン、窒素、クロム、およびフェライト–オーステナイトの分布が挙動に影響する一方、析出が生じると、公称PRENに基づく前提が成り立たなくなる可能性がある。Outokumpuが2020年に報告したように、2205鋼は一般に22Cr二相鋼と呼ばれ、2507および4501鋼は25Crスーパーデュプレックス鋼である。これらの合金成分の違いは、相安定性と望ましくない相が生成し得る温度の双方に影響する。

平衡計算や速度論モデルを含む相予測ツールは、フェライト、オーステナイト、シグマ相、カイ相、窒化物、および炭化物が生成しやすい領域の特定に役立つ。しかし、これらは金属組織観察または腐食試験に取って代わるものではない。実際の材料には、偏析、介在物、溶接希釈、残留応力、および局所的な熱勾配が存在する。そのため、公称組成に基づく計算では安定した相組成が予測されても、溶接熱影響部には少量ながら有害な析出物が存在する可能性がある。金属組織観察、フェライト量測定、硬さ試験、衝撃試験、および局部腐食試験は、規格および供用上のリスクに応じて選定しなければならない。

ISO 17781は、石油および天然ガス産業で使用されるフェライト／オーステナイト系、すなわち二相ステンレス鋼に関連する品質管理上の参考規格である。この規格は、鋼種の designation を許容可能な相状態の証明とみなすのではなく、金属組織を評価するための試験方法を規定している。製品規格も重要である。ASTM A928/A928Mは、溶加材を使用する同規格の電気融接管の仕様において、UNS S32205が2205二相鋼種に対応することを示している。このような designation は製品要求事項を規定するものであり、溶接時の熱履歴または製作後の状態を調査する必要性をなくすものではない。

475 °C脆化と相不安定性

フェライトは、およそ300～500 °Cの範囲で曝露されると脆化することがあり、これは一般に475 °C脆化と呼ばれる。この機構は、クロムに富むフェライトが、クロム濃化相と、しばしばアルファプライム（α′）と表記される鉄に富みクロムが欠乏した相に分解することに関連している。同時に、ナノスケールの規則化および硬化によって強度が上昇する一方、衝撃靭性が著しく低下することがある。材料は引張試験では健全に見えても、切欠き靭性が重大に失われている可能性がある。

この現象はシグマ相析出とは異なるが、いずれも熱曝露に起因し、重複する熱履歴の範囲内で発生し得る。シグマ相は、比較的粗大な金属間化合物相であり、より高温の曝露に関連する。一方、アルファプライム分解は、はるかに微細な化学的分離を伴うフェライトの不安定化過程である。この違いは重要である。顕微鏡観察、硬さ、衝撃挙動、および熱処理への応答によって、同じ損傷が同じように特定されるとは限らないためである。

フェライトを多く含む二相部品では、この機構が生じるための体積がより大きくなる。しかし、公称50:50の目標値だけでは供用寿命を予測できない。フェライトの化学組成、窒素含有量、事前の溶体化焼鈍、冷間加工、および正確な曝露温度が、いずれも進行速度に影響する。反応速度が最大となる温度付近では、低温または高温でのはるかに長い曝露よりも、短時間の曝露の方が強い脆化を引き起こすことがある。すべての二相鋼種、厚さ、または製品規格に適用できる単一の温度保持時間限界は存在しない。

熱時効によって、鍛造材、溶接金属、および熱影響部の違いが明らかになることもある。溶接金属は、母材と異なるフェライト形態および合金元素分布を持つ可能性がある。熱影響部では、製造時に行われる完全な溶体化処理ではなく、部分的な変態が生じることがある。部品の大部分が許容可能な相バランスを維持していても、このような局所領域が破壊または腐食性能を支配する可能性がある。そのため、時効した設備の評価では、一般に、金属組織観察とともに硬さ試験および衝撃試験を行い、必要に応じて破壊靭性試験または腐食試験も組み合わせる。

時間、温度、および冷却速度の影響

二相ステンレス鋼は、加熱および冷却の過程で変化する相領域を通過する。高温のフェライト状態から冷却する際には、オーステナイトが制御された形で再形成されなければならない。冷却が断面および合金に対して速すぎると、オーステナイトの形成が不十分となり、フェライト中にクロム窒化物が析出する可能性がある。冷却が析出感受性の高い温度域をゆっくり通過すると、シグマ相、カイ相、またはその他の二次相が核生成および成長する機会が増える。したがって、同じ公称ピーク温度でも、薄い溶接ビード、厚板、および拘束された継手では異なる結果が生じ得る。

溶接は、相反する影響を示す例である。入熱が大きく冷却が遅い場合は金属間化合物の析出が促進される一方、冷却が非常に速い場合はフェライトが過剰に残り、窒化物の生成が促進される可能性がある。パス間温度、ビード順序、シールドガス組成、継手拘束、溶加材の化学組成、および断面厚さは、すべて熱サイクルを変化させる。溶加材は、銘板上の鋼種に単に一致させるのではなく、希釈および凝固後に許容可能なフェライト–オーステナイトバランスと腐食挙動を回復できるように選定される。

溶体化熱処理も同様に、条件に依存する。その目的は一般に、有害な析出物を溶解して意図した二相組織を回復し、その後、再析出を制限できる十分な速さで冷却することである。必要な温度範囲、保持時間、冷却方法、および受入れ基準は、鋼種および製品形態によって異なる。UNS S32205管に適した処理を、25Crスーパーデュプレックス鍛造品または厚肉溶接構造物にそのまま適用することはできない。ASTMの要求事項、購入者仕様、ISO 17781に基づく試験、および製作規格によって、異なる検査が要求される場合がある。

供用評価では、記録された最高温度だけでなく、累積曝露を考慮しなければならない。各サイクルが短時間であっても、繰り返される熱サイクルによって、析出の機会が数多く生じる可能性がある。逆に、材料が感受性の高い温度域を速やかに通過し、局所的に析出しやすい化学組成を含まない場合には、短時間の温度逸脱による影響がほとんどないこともある。冷却速度は、溶接止端、厚肉部の中心、および取付け部の交差部で特に重要である。これらの部位では、露出表面とは熱の放出条件が異なるためである。

したがって、実務上の問題は、記録された熱履歴の後も、実際の材料が許容可能な相バランス、靭性、および局部腐食抵抗を保持しているかどうかである。この判断には、普遍的な温度規則ではなく、鋼種に固有の証拠が必要となる。析出物の同定、フェライト–オーステナイト量の測定、衝撃または硬さデータ、および腐食試験は、適用される規格ならびに供用中に現実的に想定される破損モードに合わせて実施すべきである。

溶接および熱処理

二相ステンレス鋼は、フェライトとオーステナイトがほぼ等量となる組織を基本として設計されています。しかし、溶接では、その組織が移動する極めて不均一な熱サイクルにさらされます。溶接プールは溶融して再凝固し、隣接する金属はフェライト相、フェライト–オーステナイト相、またはオーステナイト相の領域まで加熱されます。最終的な相の割合は、合金の化学成分、入熱、拘束、パス間温度、冷却速度によって決まります。2024年のWorld Stainless/International Stainless Steel Forumによる二相鋼の説明では、目標値としてフェライト約50%、オーステナイト約50%が示されていますが、これは組成に依存しない結果を意味するものではありません。

この区別は、各合金ファミリーにおいて重要です。リーン二相鋼は通常PREN 22～27、標準二相鋼はPREN 28～38、スーパー二相鋼はPREN 39～45、ハイパー二相鋼はPREN 45超に分類されます。PRENは、通常、クロム、モリブデン、窒素の含有量から算出される耐食性の指標であり、溶接部が孔食またはすきま腐食に対する耐性を維持することを保証するものではありません。2205鋼種は一般に22Cr二相鋼と呼ばれ、Outokumpuが2020年に説明しているように、2507および4501鋼種は25Crスーパー二相鋼です。したがって、溶接施工は一般的な「二相鋼」手順ではなく、指定された鋼種および製品規格に従う必要があります。

溶接金属の相バランス

大部分の二相鋼溶接部は、液相から固相への変態において体心立方相が優先されるため、主としてフェライトとして凝固します。その後、冷却中に、フェライト粒界およびフェライト母相内部での変態によってオーステナイトが生成します。冷却が速すぎると、この変態に十分な時間がないため、フェライトに富む溶接金属が残ります。冷却が過度に遅い場合には、オーステナイトの割合が大きくなる可能性がある一方、有害な温度域に長時間滞留すると、金属間化合物の析出リスクが高まります。

したがって、溶加材の選択は、単に継手を充填するための手段ではなく、冶金学的な制御手段です。二相鋼用溶接材料では、溶接冷却中のオーステナイト生成を促進するため、母材に比べてニッケルを多く含むことが一般的です。追加されたニッケルは、急速な熱抽出によるフェライト生成促進作用を補い、溶接金属の相バランスを指定範囲に近づけます。ただし、正確な溶接材料の分類は、母材鋼種、溶接プロセス、使用環境、および適用される認証規格によって異なります。電気融接された二相鋼管については、ASTM A928/A928Mが、2205二相鋼管に関する参照製品仕様においてUNS S32205を規定し、溶接材料の使用を要求しています。

オーステナイト系溶加材を使用しない自生溶接では、ニッケル含有溶加材による組成調整が行われないため、相バランスの調整がより困難になる場合があります。ガスタングステンアーク、ガスメタルアーク、被覆アーク、サブマージアークなどの各プロセスは、それぞれ異なる希釈条件および冷却条件をもたらします。シールドガスも重要です。窒素を含むシールドガスまたは裏面ガスは、溶接金属中の窒素保持量に影響を及ぼす可能性があります。一方、シールドが不十分な場合には、酸化、窒素損失、ならびに予測しにくい相組成が生じるおそれがあります。ASM Handbookのステンレス鋼溶接に関する解説およびOutokumpuの技術指針はいずれも、溶加材の選択、シールド、入熱、継手準備を相互に関連する変数として扱っています。

溶接部が公称上のクロムおよびモリブデン含有量を有していても、フェライトとオーステナイトの分布が不適切であれば、腐食特性または機械的要件を満たさないことがあります。オーステナイトの割合が不十分な場合、フェライトに富む領域では、衝撃靱性が低下し、局部腐食に対する耐性が低下する可能性があります。オーステナイトに富む領域も、必ずしも無害とは限りません。化学偏析、介在物、熱暴露によって、孔食またはすきま腐食挙動に局所的な差異が生じる可能性があります。溶接金属の検査では、割合だけでなく形態も評価する必要があります。エッチングした二相鋼のミクロ組織では、一般にフェライト母相中に伸長した層状のオーステナイト領域が観察されますが、溶接凝固によって、圧延板よりも規則性の低い形態が生じることがあります。

熱影響部と冷却制御

熱影響部（HAZ）は溶融しませんが、溶接金属よりも厳しい相変化を受ける可能性があります。溶融境界の近傍では、母材がほぼフェライト相の領域まで加熱されることがあります。オーステナイトは固溶するか、または広く分離し、その後の冷却中に新たなオーステナイトが生成する必要があります。冷却速度が速いと、その変態に利用できる時間が短くなり、フェライトに富むHAZが形成されます。この状態は、特に厚肉部材または高合金鋼種において、靱性を低下させ、局部腐食に対する耐性を損なう可能性があります。

入熱は、この熱サイクルを管理するために用いられる主要なプロセス変数ですが、単独の数値ではありません。アークエネルギー、溶接速度、板厚、継手形状、熱抽出、パス間温度が一体となって、変態温度および析出温度に滞留する時間を決定します。入熱が少なすぎると、冷却が速くなり、フェライトが過剰になる可能性があります。入熱が大きすぎる場合、ビード寸法が過大な場合、またはパス間温度が高い場合には、冷却が遅くなり、継手がシグマ相（σ）、カイ相（χ）、窒化クロム、その他の有害な析出物にさらされる可能性があります。シグマ相およびカイ相は、クロムとモリブデンに富む金属間化合物です。これらが形成されると、周囲のフェライトから耐食性元素が奪われ、靱性が著しく低下する可能性があります。

実務上の目的は、管理された熱的範囲を維持することです。溶接施工要領では通常、入熱およびパス間温度を制限し、不必要に幅広いウィービングではなくストリンガービードを使用し、パスを適切に配列して累積加熱を防止します。薄肉部では冷却が速くなりやすいため、許容入熱を高める必要がある場合があります。一方、厚肉部では熱が保持されやすく、より厳格な管理が必要になります。予熱は普遍的な対策ではなく、冷却を遅らせて析出にさらされる時間を増加させるため、制限される場合があります。正確な入熱範囲、パス間温度の上限、シールド要件、パス温度は、鋼種ごとの溶接施工要領および適用される製品規格または製作規格から取得する必要があります。

冷却速度は窒素とも相互に作用します。窒素はオーステナイトを安定化し、現代の多くの二相鋼組成において重要ですが、溶接金属およびHAZにおける窒素の挙動は、シールド、板厚、プロセス条件によって異なります。同じ公称組成の溶加材であっても、ルートパス、キャップパス、補修部では、希釈および熱放散が異なるため、異なる相バランスが生じる可能性があります。シェフラー図、WRC図、組織図による手法を含む相予測ツールは、フェライト生成傾向を示すことができますが、金属組織学的な認証に代わるものではありません。熱力学計算は平衡相および析出範囲を予測できますが、多層溶接における過渡的な熱履歴を完全に再現することはできません。

溶体化焼鈍、焼入れ、および溶接後評価

溶体化焼鈍は、製作工程または熱暴露によって、許容できない相バランスまたは析出状態が生じた場合に用いられます。所定の熱処理が鋼種に指定された溶体化処理範囲に達し、十分な時間保持されれば、加熱によって窒化クロムおよび金属間化合物が固溶し、合金元素が母相に戻されます。その後、通常は水焼入れによって部材を急速に冷却し、中間温度域を通過する間に有害相が再形成されないようにします。これは概念であって、すべてに適用できる一律の処方ではありません。正確な温度、保持時間、断面厚さに関する規定、焼入れ媒体、許容される冷却方法は、鋼種の呼称および製品規格に基づいて決定する必要があります。

大型の製作容器、配管組立体、または現場補修に対しては、溶接後の溶体化処理が必ずしも実施可能とは限りません。また、変形および残留応力を導入する可能性もあります。そのため、溶接施工要領の認証では、後の熱処理による修正を前提とするのではなく、析出を防止する必要があります。溶体化焼鈍が指定されている場合は、関連するすべての溶接金属領域およびHAZ領域が処理を受けなければなりません。表面的または不完全な熱サイクルでは、局所的なシグマ相、カイ相、または窒化物の析出が残存する可能性があります。

評価では通常、目視検査および非破壊検査に加え、使用条件に応じた金属組織学的検査および腐食関連の検査を組み合わせます。フェライト含有量は、校正済みの磁気測定機器または画像解析によって測定できますが、測定方法、採取位置、合格範囲は、適用される仕様書で定義されていなければなりません。単一の表面測定値では、多層継手を表すことはできません。断面は、フェライトに富む領域、オーステナイト形態、気孔、割れ、析出物を特定するため、ルート、溶融境界、キャップ、HAZを通る位置から採取することがあります。

ISO 17781は、2024年にISO Technical Committee 67によって特定された規格であり、石油および天然ガス用途における二相鋼ミクロ組織の品質管理試験方法を規定しています。契約および鋼種によっては、評価に衝撃試験、硬さ試験、引張試験、臨界孔食温度試験、ならびに金属間化合物相の検査を含める場合もあります。これらの検査は、ミクロ組織を使用要件と関連付けるものです。フェライト–オーステナイトのバランスは強度および疲労応答に影響し、クロム、モリブデン、窒素に富む化学成分は、溶接によって局所的に元素が欠乏した領域または析出物で汚染された領域が形成されていない場合にのみ有効に機能します。ASM Handbook、ASTM Internationalの製品規格、および適用される製作規格は、相互に関連付けて読む必要があります。溶接性は、材料仕様、認証済みの溶接施工要領、および溶接後の証拠を組み合わせることによって確立されるためです。

製作、成形、および検査

二相ステンレス鋼は、通常のフェライト系ステンレス鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼と同じようには製作されない。そのクロム・ニッケル・モリブデン・鉄の化学組成は、World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumが2024年に報告したように、約50%のフェライトと50%のオーステナイトを生成するように調整されている。このバランスにより、強度、塩化物腐食抵抗、靭性、および疲労性能を有用に組み合わせることができるが、成形、加熱、溶接、冷却の過程で変化する可能性がある。したがって、製作管理では寸法だけでなく相組成も対象としなければならない。

熱間加工および冷間加工

熱間加工は通常、フェライトとオーステナイトが過度の析出を伴わずに共に変形できる温度範囲で実施される。温度が低すぎると、フェライトがより多くのひずみを負担し、オーステナイトの変形追従性が低下する可能性がある。一方、温度が高すぎると、結晶粒成長や望ましくない金属間化合物反応が生じやすくなる。正確な限界値は、鋼種、断面寸法、初期微細組織、およびミルでの製造方法によって異なる。その後、より均一な相分布を回復し、有害な析出物を溶解するため、固溶化熱処理が必要となる場合がある。

熱間成形後の冷却は重要である。シグマ相、カイ相、クロム窒化物、またはその他の二次構成相が生成しやすい温度域をゆっくり通過して冷却すると、靭性および局部腐食抵抗が低下する可能性がある。適切な製品形状では、固溶化焼鈍後に水冷が規定されることが多いが、所定の処理は一般的な二相鋼向けの処方ではなく、製品規格および鋼種の要求事項に従わなければならない。厚肉部材では、中心部と表面で温度低下速度が異なるため、表面検査だけでは部材全体の状態を確認できない。

冷間成形では、異なる問題が生じる。二相鋼種は一般的なオーステナイト系鋼種よりも降伏強度が高いことが多く、両相が大きな加工硬化に寄与する。その結果、より大きな成形力、スプリングバック、および工具荷重が必要となる可能性がある。成形された部材には、特に非対称曲げ、冷間サイジング、または局部的な矯正の後に、かなりの残留応力が残ることもある。スプリングバックは、圧延方向、厚さ、温度、および以前の圧下量によって変化するため、寸法は工具形状から推定せず、荷重を除いた後に確認すべきである。

冷間圧下は結晶学的集合組織も変化させ、方向依存性のある機械的挙動を生じさせる可能性がある。フェライトとオーステナイトは、同一の集合組織やひずみ応答を形成するわけではない。厳しい成形では、局部的な相ひずみ、すべり伝達、および残留応力勾配が、後工程の溶接中における疲労き裂発生または変形に影響を及ぼす可能性がある。中間焼鈍により蓄積ひずみを低減できる場合があるが、熱サイクルを追加するたびに、結晶粒成長または相変態が生じる機会も増える。機械加工代、曲げ半径、および成形順序は、対象となる製品形状について、適格性が確認された試験に基づいて設定すべきである。

一般的な鋼種区分は問題の枠組みを示すのに役立つが、仕様書に代わるものではない。World Stainlessは2024年、リーン二相鋼種をPREN 22～27、標準二相鋼種をPREN 28～38、スーパーデュプレックス鋼種をPREN 39～45、ハイパーデュプレックス鋼種をPREN 45超として分類した。PRENは耐食性を指数化する慣例であり、孔食、すき間腐食、溶接性能、または使用寿命を完全に予測するものではない。Outokumpuの2020年のステンレス鋼系列分類によれば、鋼種2205は一般に22Cr二相鋼と呼ばれ、2507および4501は25Crスーパーデュプレックス鋼種である。分類体系が異なれば、鋼種の境界位置も異なる場合がある。

機械加工および製作変数

二相ステンレス鋼の機械加工では、加工硬化に注意が必要である。工具がこすったり、切削を一時停止したり、浅い断続切削を行ったりすると、次のパスで除去しにくい硬化層が残る可能性がある。過度の発熱は、変形を増大させ、工具寿命を短縮することもある。実際の対応としては、根拠のない一律の切削速度を適用するのではなく、工具を十分に切り込ませた安定した切削を維持し、剛性の高い固定具を使用し、熱を管理するとともに、適格性が確認された機械加工試験を通じて工具およびクーラント条件を選定する。鋭利な工具、十分な切りくず排出、および加工硬化した表面への反復パスの回避が特に重要である。

材料の強度は、穴あけ、タップ加工、鋸切断、および成形に使用する設備に影響する。クランプは、振動を防止しつつ、局部的なへこみや過大な残留応力を生じさせないようにしなければならない。開先の準備では、溶接または表面検査を複雑にする可能性のある、こすりによって生じた過度に冷間加工された層を避けるべきである。炭素鋼用工具からの研磨材による汚染は、さび汚れを発生させたり、意図したステンレス表面の状態を損なったりする可能性があるため、専用工具および管理された作業場の慣行が必要となる。

溶接は相バランスに直接影響する。溶融部および熱影響部では異なる熱サイクルが生じ、溶接金属の化学組成は母材と一致しない場合がある。過大な入熱または高いパス間温度は、フェライトに富む領域、結晶粒粗大化、または金属間化合物の析出を促進する可能性がある。一方、冷却が極めて速いと、過剰なフェライトが残留し、オーステナイトの生成量が低下する可能性がある。溶加材の選定、シールド、継手拘束、パス間温度の管理、および溶接後の洗浄はいずれも重要である。溶接施工要領は、鋼種、厚さ、継手設計、および使用環境について適格性を確認しなければならない。

溶加材を使用する電融溶接二相鋼管はASTM A928/A928Mの対象であり、ASTM Internationalは、参照される製品仕様においてUNS S32205が2205二相鋼種に相当すると示している。この呼称だけでは、許容可能な溶接微細組織を証明することはできない。熱処理、フェライト含有量、腐食試験、引張特性、および非破壊検査については、引き続き該当する購入仕様および製品要求事項が適用される。

微細組織検査および受入管理

金属組織学的検査は、代表性のあるサンプリングから始まる。試料断面を樹脂に埋め込み、研削、研磨、およびエッチングを行い、フェライト領域とオーステナイト領域を識別できるようにする。二相組織では、圧延後にフェライトとオーステナイトが細長く、帯状または層状に見えることが多いが、その外観は焼鈍、断面の方向、およびエッチング液によって変化する。偏析、溶接の影響、または表面から中心部までの冷却速度の差が考えられる場合、検査には関係する長手方向、横断方向、および板厚方向の位置を含めるべきである。

相バランスの評価には、校正済み画像解析、フェライトスコープ測定、磁気的方法、または定量金属組織学を用いることができる。ただし、各方法には限界がある。磁気測定は主にフェライトに応答し、形状、表面状態、校正、および局部的な組成の影響を受ける可能性がある。画像解析は、試料調製、エッチング、しきい値の選択、およびサンプリングに左右される。報告されたフェライト率は、測定方法、位置、倍率、および受入範囲が定義されている場合にのみ意味を持つ。

検査では、シグマ相、カイ相、クロム窒化物、酸化物、空隙、およびその他の不連続部も調べなければならない。これらの構成相は周囲の母相からクロムまたはモリブデンを消費し、バルクの化学分析が鋼種の要求事項を満たしている場合でも、臨界孔食温度およびすき間腐食抵抗を低下させる可能性がある。金属組織学的検査に加えて、機械試験、規定されている場合の衝撃試験、腐食試験、硬さ確認、寸法検査、ならびに放射線透過試験または超音波探傷試験を組み合わせることがある。疲労に敏感な部品では、溶接止端、表面欠陥、残留応力、および局部的な相バランスの偏りに特に注意が必要である。

ASTM A928/A928Mは、溶加材を用いて電気融接された二相ステンレス鋼管を対象とする。 Strong evidence

ISO 17781は、石油および天然ガス用途における二相微細組織の主要な品質管理基準である。ISO Technical Committee 67は、同規格がフェライト／オーステナイト系、すなわち二相ステンレス鋼の微細組織を品質管理するための試験方法を規定していると述べている。同規格は、材料鋼種、溶接施工要領、またはプロジェクトの受入基準に代わるものではない。その価値は、製品および供給者間で検査と評価をより一貫したものにする点にある。二相鋼の製作において、規定化学組成の証明書は管理の一部にすぎず、完成部品は、熱履歴および加工によって要求される組織が得られたことも示さなければならない。

製品規格および ASTM A928/A928M

二相ステンレス鋼は、単一の材質 designation ではない。これは、クロム–ニッケル–モリブデン–鉄合金の一群を表す名称であり、想定される組織には、フェライトとオーステナイトがほぼ等しい体積分率で含まれる。World Stainless/International Stainless Steel Forum は、2024年の二相ステンレス鋼の概要において、一般的に目標とされる比率をフェライト約50%、オーステナイト約50%と報告している。ただし、この比率は化学成分と加工条件に依存する。窒素、ニッケル、クロム、モリブデン、固溶化熱処理温度、溶接熱サイクル、および冷却速度は、いずれも最終的な相バランスに影響を及ぼす。

ASTM A928/A928M は、特定の製品形状および製造方法、すなわち、溶加材を添加して電気融接したフェライト系／オーステナイト系、または二相ステンレス鋼管を対象としている。したがって、あらゆる二相製品に適用される一般仕様ではない。継目無鋼管、溶加材を添加せずに製造した溶接鋼管、板、鍛造品、継手、および棒鋼は、その他の製品規格の対象となり、それぞれ固有の designation、熱処理規定、試験、および受入基準が定められている。

この区別が重要なのは、鋼種名だけでは、検査要求事項の全体を示せないためである。UNS S32205 は、Unified Numbering System における合金組成を特定する。2205 は、同じ一般的な二相系に属する鋼種に広く用いられる鋼種名であり、ASTM A928/A928M は、ASTM International が2009年版に記録しているように、引用製品規格において UNS S32205 を2205二相鋼種に対応するものとして参照している。購入または製作に関する要求事項では、適用製品規格、寸法規格、版、溶接施工要領、熱処理、検査、試験頻度、および受入基準をなお特定しなければならない。

電気融接二相鋼管

電気融接では、鋼管を帯鋼または鋼板から成形し、長手継手を融接法によって接合する。母材の端部を溶融するだけに頼るのではなく、継手に溶加材を添加する。ASTM A928/A928M は、この二相鋼管の区分について、指定鋼種、寸法、製造状態、溶接品質、および試験に関する規定を含む要求事項を定めている。ASTM designation の「A928/A928M」は、この規格がヤード・ポンド単位系およびSI単位系で発行されていることも示している。規格に異なる値が示されている場合は、選択した単位系を一貫して適用しなければならない。

鋼管のフェライト–オーステナイト状態は、公称クロム含有量またはニッケル含有量だけから推定することはできない。溶接金属は、フェライトに富む組織として凝固し、冷却中にオーステナイトを形成することがある一方、熱影響部は異なる熱履歴を受ける。過剰なフェライトは靱性を低下させ、局部腐食に対する耐性を損なう可能性がある。過剰なオーステナイトは、二相組織に伴う強度を低下させる可能性があり、合金成分または熱サイクルが意図した管理範囲外であることを示している場合がある。

このため、多くの二相鋼管製品では、固溶化熱処理と急冷が中心的な管理項目となる。この処理によって望ましくない金属間化合物相を固溶させ、鋼管の試験前に適切な二相組織を回復させる。溶接施工要領では、入熱、パス間温度、シールド、パージの品質、および溶加材の選定を管理しなければならない。オーステナイト系ステンレス鋼について認定された施工要領が、許容可能な二相鋼溶接部を生産すると単純に想定することはできない。

腐食エッチングした微細組織は、通常、加工材または溶接に関連する凝固パターンに沿って配向した、細長い、または層状のフェライト領域およびオーステナイト領域として現れる。しかし、外観だけでは適合性を示す十分な証拠にならない。金属組織検査、フェライト量の測定、腐食試験、機械試験、および非破壊検査は、それぞれ異なる事項を明らかにするものであり、相互に代替することはできない。

溶加材および製品要求事項

添加する溶加材は、指定された二相鋼種および溶接施工要領に適合していなければならない。そのクロム、ニッケル、モリブデン、および窒素のバランスは、溶接金属における相の形成、耐孔食性、強度、および延性に影響を及ぼす。公称合金名だけを基準に選定した溶加材は、希釈、シールドガス、入熱、または溶接後処理によって溶着金属の成分や組織が変化する場合、不適切となる可能性がある。

ASTM A928/A928M は、溶接消耗品のカタログではなく、製品規格として読まれるべきである。同規格は、規定された方法で製造される鋼管の要求事項を定める一方、溶接施工要領および溶加材の分類は追加の管理項目を提供する。技術要求事項の全体には、化学分析、引張特性、指定されている場合の硬さ制限、水圧試験または代替非破壊試験、外観および寸法検査、溶接部検査、ならびに熱処理状態が含まれる場合がある。正確な要求事項は、版および指定鋼種によって異なるため、旧版を新版と同じものとして扱ってはならない。

二相鋼種は、孔食指数、すなわち PREN（pitting resistance equivalent number）によって分類されることが多い。World Stainless/International Stainless Steel Forum の2024年の分類では、リーン二相鋼を PREN 22～27、標準二相鋼を PREN 28～38、スーパー二相鋼を PREN 39～45、ハイパー二相鋼を45超としている。PREN は、主としてクロム、モリブデン、および窒素に基づく指標化の慣例である。合金群を比較するうえでは有用だが、性能を完全に保証するものではない。臨界孔食温度、すき間腐食抵抗、表面状態、塩化物濃度、温度、製作時の汚染、および溶接部の微細組織によって、計算上の PREN が類似した合金でも異なる結果が生じる可能性がある。

よく知られている2205鋼種は、一般に22Cr二相鋼と呼ばれる。Outokumpu の2020年のステンレス鋼ファミリーの説明では、鋼種2507および4501を25Crスーパー二相鋼種として特定している。このようなファミリー名称は合金成分を説明するうえで役立つが、UNS designation または製品規格に代わるものではない。「2205鋼管」という指定も、どの2205成分、製品形状、製造方法、寸法、試験、および受入規格を適用するのかが要求事項に記載されていなければ不十分である。

品質管理はフェライト量の管理にとどまらない。ISO Technical Committee 67 が2024年に特定した ISO 17781 は、石油および天然ガス産業で使用されるフェライト系／オーステナイト系ステンレス鋼の微細組織の品質管理に関する試験方法を規定している。その関連性は明確である。二相部品は、不適切な熱曝露を受けた後、シグマ相、カイ相、クロム窒化物、またはその他の析出物を含むことがある。これらの相は、靱性を低下させる可能性があるほか、粒界近傍のクロムおよびモリブデンを欠乏させ、孔食およびすき間腐食に対する抵抗を低下させる可能性がある。

引用規格における UNS S32205

UNS S32205 は合金 designation であり、完全な発注記述ではない。これは、一般に2205と関連付けられる二相ステンレス鋼の意図された化学的同一性を伝えるが、その品目が鋼管、鋼板、継手、または鍛造品のいずれであるかは示さない。また、鋼管が電気融接によるものか、溶加材が添加されたか、どの熱処理が施されたか、またはどの検査が必須であるかも規定しない。

ASTM A928/A928M では、UNS S32205 は、引用製品規格における2205二相鋼種との関連で記載されている。この関係は正確に記述すべきである。すなわち、S32205 は材料鋼種を特定し、A928/A928M は特定の電気融接鋼管製品を規定する。したがって、両方の要素を組み合わせた規格指定は、いずれか一方だけの場合よりも多くの情報を提供する。

同じ考え方は、リーン二相鋼、標準二相鋼、スーパー二相鋼、およびハイパー二相鋼などの designation にも当てはまる。これらの区分は、おおよその合金群および耐食性範囲を示すものであり、すべての分類体系において同一の境界を意味するものではない。クロム当量およびニッケル当量、ならびに計算による相図を含む相予測ツールは、合金および溶接の管理を導くことができるが、最終的な受入れは、適用規格で指定された試験および要求事項に基づいて判断される。ASTM A928/A928M、指定された版、および適用された品質管理規格は、併せて読まなければならない。

環境および破損形態による適用

二相ステンレス鋼の選定は、「二相」という名称だけから始めるのではなく、環境と破損形態から始める。設計を支配するのが、塩化物孔食、すき間腐食、硫化物応力割れ、エロージョン、疲労、溶接部の劣化、または熱脆化のいずれであるかが重要な問題となる。脱気されたプロセス流体中で良好な性能を示す鋼種であっても、高温で酸素を含む塩化物環境のすき間では不適切な場合がある。同様に、高い PREN であっても、フェライト–オーステナイトのバランス、表面状態、溶接施工要領、および熱処理を管理する必要性がなくなるわけではない。

World Stainless および International Stainless Steel Forum が2024年に報告したように、通常、二相はフェライト約50%、オーステナイト約50%を目標とする。このバランスにより、フェライト系ステンレス鋼に関連する強度および塩化物割れ抵抗性と、オーステナイト系ステンレス鋼に関連する靭性および一般腐食特性が組み合わされる。この比率は、公称鋼種の呼称だけで決まるものではない。合金の化学成分、固溶化焼鈍、冷却速度、板厚、成形、および溶接によって、相の割合が変化したり、シグマ相、カイ相、クロム窒化物、二次オーステナイトなどの有害な析出物が生成したりする可能性がある。

PREN は、耐孔食性に基づいて合金系列を整理するうえで有用であるが、完全な使用性能を保証するものではなく、指標化の慣行にすぎない。World Stainless の2024年の分類では、リーン二相鋼を PREN 22–27、標準二相鋼を PREN 28–38、スーパーデュープレックス鋼を PREN 39–45、ハイパーデュープレックス鋼を PREN 45超としている。分類体系が異なる場合、境界値が必ずしも一致するとは限らない。Outokumpu の2020年のステンレス鋼系列の概要によれば、鋼種2205は一般に22Cr二相鋼と呼ばれ、鋼種2507および4501は25Crスーパーデュープレックス鋼である。

石油、ガス、および石油化学設備での使用

石油および天然ガス設備では、単純な海水試験よりも厳しい組合せにステンレス鋼がさらされる。すなわち、塩化物、二酸化炭素、硫化水素、溶存酸素、有機酸、高圧、高温、ならびに断続的な濡れが同一システム内で生じる可能性がある。そのため二相鋼は、強度、塩化物抵抗性、および硫化物に関連する割れへの抵抗性を総合的に考慮する必要があるフローライン、セパレーター、配管、バルブ、熱交換器部品、アンビリカル用金具、スクラバー、およびプロセス容器に使用される。

リーン二相合金は、二相組織を維持しながらニッケルおよびモリブデン含有量を低減できるが、PREN の範囲が低いからといって標準二相鋼と互換になるわけではない。塩化物濃度および温度が管理される、比較的腐食性の低いプロセス流体、構造用配管、または設備に適する場合がある。標準二相鋼、特に UNS S32205 などの22Cr材料は、一般的なプロセス配管および圧力保持部品向けに評価されることが多い。ASTM A928/A928M は、参照される製品仕様において UNS S32205 が2205二相鋼種に相当することを示し、溶加材を用いた電気融接二相鋼管を対象としている。溶加材は重要である。選定が不適切であったり、溶接金属が希釈されたりすると、望ましくない相バランスが残ったり、局部腐食抵抗性が低下したりする可能性がある。

2507および4501などのスーパーデュープレックス鋼は、高温塩化物環境、サワーサービス、または高い機械的負荷によって、孔食、すき間腐食、および応力腐食割れに対する必要な余裕が大きくなる場合に検討される。ハイパーデュープレックス鋼では、一般にクロム、モリブデン、および窒素の増量によってさらに合金化を進めるが、その増量によって製造管理の許容範囲も狭くなる。合金量を増やすことは、適格性が確認された溶接および熱処理施工要領の代替にはならない。

石油および天然ガス分野の品質管理には、特有の微細組織上の側面がある。ISO 17781 は、ISO Technical Committee 67 を通じて発行された規格であり、石油および天然ガス産業で使用されるフェライト／オーステナイト系、すなわち二相ステンレス鋼の微細組織について、品質管理のための試験方法を規定している。この規格は、製品名を適用性の証明とみなすのではなく、相バランスおよび有害な金属間化合物相の検査を扱う。この区別は、溶接、補修溶接、固溶化焼鈍、またはシグマ相やカイ相が生成し得る温度範囲への曝露の後に重要となる。

硫化水素は、別の破損経路をもたらす。硬く脆い領域、過剰なフェライト、局部的なクロム欠乏、および溶接欠陥は、硫化物応力割れまたは水素助長割れへの感受性を高める可能性がある。したがって設計審査では、材料認証に加えて、硬さ管理、サワーサービス要件、溶接施工要領の認証、非破壊検査、および熱影響部の検査を組み合わせる。疲労は別個の問題として残る。二相鋼の強度が高くても、圧力サイクル、振動、溶接止端、または腐食ピットによる疲労損傷がなくなるわけではない。公称 PREN よりも、表面仕上げおよび溶接部形状のほうが寿命を強く支配する場合がある。

海洋、淡水化、および塩化物を含む環境

海水および塩水では、材料選定の中心に孔食およびすき間腐食が位置付けられる。塩化物イオンは、ガスケット、堆積物、クランプ、フランジ面、および停滞した液膜の下で濃縮する。温度、酸素含有量、流速、堆積物、ならびに他の合金とのカソード結合によって、局部的な電気化学条件は大きく変化し得る。PREN の比較は候補鋼種のスクリーニングに役立つが、あらゆるすき間形状を予測できるわけではなく、溶接状態および表面汚染を完全に考慮することもできない。

リーン二相鋼は、塩化物濃度、温度、および液の停滞が限定される場合に適することがあり、一部のタンク、構造部材、およびユーティリティシステムなどが該当する。標準二相鋼は、多くの海洋構造物、海水配管、冷却水システム、および淡水化設備で使用されるが、設計では連続的に流れる水と停滞した塩水を区別しなければならない。スーパーデュープレックス鋼およびハイパーデュープレックス鋼は、厳しい海水用途、高圧逆浸透部品、ポンプおよびバルブ部品、または高濃度塩化物流体向けに選定される場合がある。鋼種と用途の間に普遍的な対応関係はない。同じ海水システムであっても、曝気されたすき間、溶接スプール、圧力境界、および回転部品には、それぞれ異なる合金が必要となる場合がある。

淡水化プラントでは、エロージョン、摩耗、および熱サイクルも生じる。高速流は保護皮膜を除去する可能性があり、懸濁固体は表面を損傷して新生金属を露出させる。母材合金が高いクロムおよびモリブデン含有量を有していても、溶接酸化物、ヒートティント、および鉄汚染が腐食の起点を形成する可能性がある。したがって、酸洗、機械的清掃、すすぎ、および溶接時のシールド管理は、外観上の仕上げではなく、腐食防止の一部である。

オーステナイトは低温靭性および延性に重要であり、フェライトは強度および塩化物誘起割れへの抵抗性に寄与する。過剰なフェライトは靭性および耐食性を低下させる可能性があり、過剰なオーステナイトは強度を低下させ、窒素分布を変化させる可能性がある。中間温度域をゆっくり冷却すると、シグマ相およびカイ相の析出が促進される。逆に、一部の製造工程後に急速に冷却すると、過剰なフェライトまたは窒素に関連する欠陥が残る可能性がある。固溶化熱処理および急冷は、部材厚さおよび鋼種の化学成分に適合させなければならない。

構造、プロセス、およびエネルギー用途

構造用途では、断面厚さの低減、高い降伏強さ、腐食環境、またはライフサイクルにわたる検査要件が同時に重要となる場合に、二相鋼が選定される。橋梁、海洋構造物の支持構造、貯蔵タンク、建築部材、および締結具は、フェライト–オーステナイトの組合せから恩恵を受ける可能性がある。しかし、座屈、接合部設計、溶接疲労、火災曝露、および異種部材間の熱膨張差は、依然として工学計算を支配する。降伏強さが高いからといって、疲労または局部不安定が支配的となる場合に、建設を自動的に薄肉化できるわけではない。

プロセス設備およびエネルギー設備では、熱的制約および機械的制約が加わる。二相鋼は、熱交換器、圧力容器、排煙ガス設備、バイオマスプラント、水力発電設備、復水器、ならびに原子力または化石燃料設備の補助系統に使用される。使用条件の範囲からは、運転中に脆化または析出を引き起こす温度を除外しなければならない。繰返し熱サイクルは、溶接残留応力および圧力変動と組み合わさり、ノズル、支持部、および取付け溶接部に疲労き裂を発生させる可能性がある。

製造履歴が決定的な変数となることも多い。冷間成形は強度を高めるが、残留応力を変化させる可能性がある。熱間成形および補修加熱は相バランスを乱す可能性がある。溶接は、溶接金属および熱影響部全体のフェライト–オーステナイト比を変化させる。相予測図および熱力学計算は、合金の化学成分および冷却目標の設定に役立ち、金属組織学的検査および腐食試験によって結果を確認する。ASTM の製品要求事項は、特定の製品形状について化学成分、寸法、および機械試験を規定するが、プロジェクト仕様書では、フェライト含有量の限度、金属間化合物相の検査、衝撃試験、溶接認証、または腐食試験が追加される場合がある。

実務上の原則は明確である。支配的な破損形態に照らして合金系列を選定し、その後、実際の製品および製造経路について適格性を確認する。リーン、標準、スーパーデュープレックス、およびハイパーデュープレックスの各鋼種は、それぞれ異なる化学成分範囲および PREN 範囲に属するが、塩化物腐食、疲労、サワーサービス、または高温運転に対する万能な答えとなる鋼種はない。相の管理は材料仕様の一部であり、後付けで考慮すべき事項ではない。

二相ステンレス鋼の選定および仕様の規定方法

環境および破損時の影響を定義する

選定は、材料表にある「二相」という言葉ではなく、使用環境から始める。温度および温度サイクル、塩化物濃度、酸性度、酸化性化学種、溶存酸素、圧力、流速、固形物、ならびに海水またはプロセス薬品への曝露を記録する。また、構成部品が引張応力、熱応力、繰返し荷重、振動、エロージョン、あるいは堆積物、ガスケット、クランプおよび溶接取付部の下に形成されるすき間条件を受けるかどうかも特定する。

これらの入力条件によって、適格性確認が必要な劣化機構が決まる。塩化物を含む水は、孔食およびすき間腐食を引き起こす可能性がある。酸性で還元性の溶液では、全面腐食または硫化物に関連する損傷が生じることがある。酸化性の酸は、異なる形で腐食挙動を変化させる可能性がある。水素を含む環境での使用では、環境助長割れを別途検討する必要がある。圧力容器、海底マニホールド、熱交換器チューブ、ポンプケーシングおよび建築用手すりは、名目上の腐食環境が類似していても、破損時の影響は同じではない。

材質を選定する前に、影響度区分を設定する。低圧ユーティリティ配管からの漏えいは、停止や清掃につながる可能性がある。一方、高圧炭化水素系またはサワーサービス系で封じ込め機能が失われると、直ちに安全上の危険が生じるおそれがある。したがって、仕様書には、許容腐食速度、検査間隔、該当する場合のリーク・ビフォア・ブレークの前提、疲労設計寿命、および局部腐食をそもそも許容するかどうかを明記する必要がある。「耐食性」は、測定可能な合否判定基準ではない。

二相ステンレス鋼は、フェライトとオーステナイトの体積分率がほぼ等しくなるように設計されたクロム–ニッケル–モリブデン–鉄合金である。World StainlessおよびInternational Stainless Steel Forumは、2024年にフェライト約50%、オーステナイト約50%と報告している。この組織は、フェライト系ステンレス鋼に関連する高い降伏強さおよび塩化物応力腐食割れ抵抗性と、オーステナイト系ステンレス鋼に関連する靭性および腐食挙動の多くを組み合わせたものである。ただし、材質記号だけでこのバランスが保証されるわけではない。化学成分、厚板または管の肉厚、固溶化熱処理、溶接入熱、パス間温度、および冷却速度のいずれも、相バランスを変化させる可能性がある。

PRENは、局部腐食抵抗性を初期比較するための指標である。一般的に使用される式はPREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N)であるが、公表されている式および合金ごとの解釈には相違がある。2024年のWorld Stainlessの分類では、リーン二相鋼をPREN 22～27、標準二相鋼をPREN 28～38、スーパー二相鋼をPREN 39～45、ハイパー二相鋼を45超と位置付けている。これらは分類上の指標であり、性能を完全に保証するものではない。PRENでは、表面状態、介在物、溶接部、すき間、温度、pH、塩化物活量、または製作上の欠陥を十分に考慮できない。

材質、製品形態および製作方法を適合させる

環境の厳しさの順位付けを用いて材質群を定め、次に、選定した材質が対象製品形態および適用サービスコードで認められていることを確認する。通常の二相鋼およびリーン二相鋼は、一般に、塩化物環境としては比較的穏やかな用途、またはニッケルおよびモリブデン含有量の低減が許容される用途に対応する。標準二相鋼には、広く指定されている22Cr系が含まれる。Grade 2205は一般に22Cr二相鋼と呼ばれる。ASTM A928/A928Mは、同規格が参照する製品の文脈において、UNS S32205を2205二相鋼に対応するものとして規定している。スーパー二相鋼には、2507や4501などの25Cr合金が一般的に含まれる。ハイパー二相合金では、クロム、モリブデンおよび窒素の設計範囲がさらに拡張されるが、その適格性確認要件は用途ごとに異なる。分類境界は、すべての技術体系で同一ではないため、用語については適用される規格を優先しなければならない。

関連文書を確認せずに、厚板の仕様を溶接管、鍛造品、鋳造品、棒材または管材へ直接転用してはならない。製品形態が変わると、断面厚さ、表面状態、熱処理への応答、寸法公差、ならびに必要となる試験の数および種類も変化する。溶加材を用いる電気融接二相鋼管については、ASTM A928/A928Mを指定し、その材質が必要な場合はUNS S32205を明記する。購入文書または製作文書には、溶接溶加材の分類、固溶化熱処理、非破壊検査、水圧試験または漏えい試験、および合否判定基準も記載する必要がある。

製作方法にも同等の注意を払う必要がある。二相ステンレス鋼は通常、意図したフェライト–オーステナイト組織を保持するため、固溶化焼鈍後に急冷する。中間温度域に長時間さらされると、シグマ相、カイ相、クロム窒化物、またはその他の析出物が生成する可能性がある。シグマ相およびカイ相は、周囲の母相からクロムおよびモリブデンを消費し、靭性および局部腐食抵抗性を著しく低下させることがある。窒化物の生成は、フェライトが多い領域および熱影響部で特に重要である。

溶接施工要領では、入熱、アークエネルギー、パス間温度、シールド、パージの品質、開先形状および溶加材の選定を管理しなければならない。冷却が速すぎると、フェライトが過剰に残留し、オーステナイトの生成が減少する可能性がある。冷却が遅すぎる場合、または熱履歴を繰り返し受ける場合は、有害な析出が促進されることがある。したがって、溶接施工法の適格性確認では、製作時の板厚、継手形状、溶接方法、溶接姿勢、溶接材料、シールドガスおよび補修方法を代表させる必要がある。溶接後熱処理は普遍的な対策ではない。指定された固溶化処理、温度範囲、保持時間および急冷方法は、合金および部品形状に適合していなければならない。また、製作された組立品の中には、変形または寸法上の損傷なしに熱処理できないものもある。

機械的仕様も用途に依存する。二相鋼の材質は、一般的なオーステナイト系材質より高い降伏強さを示すことが多く、一部の設計では断面厚さを低減できる。しかし、強度は製品形態および試験方向によって変化する。フェライトが過剰である場合、または金属間化合物相が生成した場合、靭性は低下する可能性がある。疲労性能は、溶接部の形状、表面仕上げ、残留応力、平均応力、腐食環境および検査品質に大きく左右される。滑らかな母材で得られた疲労試験結果だけでは、溶接のままのノズルまたは取付部を適格とすることはできない。

相バランス、腐食試験および規格を検証する

最終仕様では、化学成分から微細組織を推定するのではなく、証拠の提出を要求する必要がある。相予測ツール、Schaeffler型またはDeLong型の組織図、熱力学計算、および合金固有の溶接モデルは、フェライト含有量の予測に役立つが、測定の代替にはならない。エッチングした二相材料では、通常、細長く層状のフェライト領域およびオーステナイト領域が観察される。合意した金属組織学的手法または画像解析手法によって相分率を定量し、測定位置を定義し、許容範囲を明記する。サンプリングには、母材、該当する場合は溶接金属、および熱影響部を含める必要がある。

ISO 17781は、石油および天然ガス産業で使用されるフェライト／オーステナイト系、すなわち二相ステンレス鋼の微細組織を試験するための品質管理上の参照規格である。その産業分野またはプロジェクト規格が同規格を適用する場合は、検査計画にその使用を明記する必要がある。計画には、試験片の方向、研磨およびエッチング方法、倍率、相の測定方法、ならびに金属間化合物相または窒化物の取扱いを記載する必要がある。

腐食に関する適格性確認は、使用環境の化学組成に適合させなければならない。臨界孔食温度試験、臨界すき間腐食温度試験、塩化第二鉄によるスクリーニング試験、サイクリック動電位分極試験、または浸漬試験が適用対象となる場合があるが、それぞれの試験が答える問いは異なる。高いPREN値があっても、実際の使用時に想定される塩化物濃度、温度、酸性度および表面状態での試験に代えることはできない。溶接部がリスクを支配する場合は、溶接試験片を試験しなければならない。

最後に、すべての要求事項を管理文書に関連付ける。管理文書には、製品仕様、設計規格、溶接施工法の適格性確認規格、非破壊検査手順、熱処理記録および合否判定規格を含める。ASM International、Outokumpu、ASTM International、ISO Technical Committee 67、World Stainless／International Stainless Steel Forum、および査読済みのScienceDirect文献などの情報源は、有用な技術的背景を提供する。しかし、合否を決定するのは、契約規格およびサービス固有のコードである。呼び材質の選定は、最初の判断にすぎない。化学成分、製品形態、製作履歴、相バランス、腐食データ、機械的性質、疲労設計および検査記録を総合することで、二相鋼部品が実際の使用条件に対して適格であるかどうかが確立される。

よくある誤解と技術的限界

50:50は設計目標であり、普遍的な微視的定数ではない理由

「二相系（duplex）」とは、フェライト相とオーステナイト相からなる微細組織を指すのであって、部品内のすべての点に両相が正確に同量含まれることを保証するものではない。この系統のクロム・ニッケル・モリブデン・鉄合金は、規定された加工工程後に、約50%のフェライトと50%のオーステナイトを生成するように開発されている。World StainlessとInternational Stainless Steel Forumは、2024年にこのおおよその均衡を報告しているが、この数値は対象となる製品状態における設計目標であり、微視的な定数ではない。

この区別が重要なのは、相バランスが化学成分と熱履歴によって変化するためである。クロム、モリブデン、ケイ素、窒素は、一般にフェライトを安定化する、またはフェライトの安定性を変化させる。一方、ニッケル、炭素、マンガン、窒素は、組成と温度に応じて異なる形でオーステナイトの生成に影響を与える。凝固時には、まずフェライト系マトリックスが生成することがあり、その後、冷却中にフェライト粒界およびフェライト領域内部での変態によってオーステナイトが形成される。最終的な結果は、断面厚さ、固溶化熱処理温度、保持時間、冷却速度に左右される。

研磨および腐食エッチングを施した断面には、一般に、伸長した、または層状のフェライト領域とオーステナイト領域が観察される。この画像は、部品全体が1:1の比率であることの証明ではない。溶接金属、熱影響部、鍛造表面、厚板の中心部では、それぞれ局所的な相分率が異なる可能性がある。急冷すると、オーステナイトが形成される時間が不足し、過剰なフェライトが残ることがある。中間温度域での緩慢な、または不適切な曝露は、二次オーステナイト、シグマ相、カイ相、窒化クロム、その他の析出物を促進する可能性がある。これらの相は隣接領域からクロムとモリブデンを取り込むため、バルクの相分率が許容範囲に見える場合でも、局所的な耐食性を低下させることがある。

Schaeffler型、Delong型、WRC型のダイアグラムを含む相予測ツールは、組成から溶接金属の凝固挙動を推定できる。熱力学計算によって、平衡相領域または準安定相領域を予測することもできる。しかし、いずれの手法も金属組織学的検査や工程認定に代わるものではない。重要なのは、呼称上の化学成分が単に二相系とされているかどうかではなく、完成品が、問題となる位置および方向において、有害な析出物を含まず、許容可能なフェライト―オーステナイトバランスを有しているかどうかである。

目標とする相バランスは、あらゆる方向で機械的挙動が同一になることを意味するものでもない。フェライトは、より高い降伏強さと塩化物応力腐食割れに対する抵抗性に寄与し、オーステナイトは、延性、靭性、窒素を含む環境での耐食性に寄与する。両相の分布、連続性、結晶粒形態、界面状態は、引張特性、衝撃靭性、疲労き裂進展、溶接性能に影響を与える。熱曝露によって局所的な化学成分や析出物が不適切な状態になっている場合、部品は公称相分率の要件を満たしていても、靭性試験または腐食試験に不合格となる可能性がある。

PRENが完全な腐食モデルではない理由

孔食抵抗当量数（PREN）は、主としてクロム、モリブデン、窒素に基づく、合金比較に有用な指標である。計算式によっては、タングステンも含まれる。World Stainless／International Stainless Steel Forumの2024年のデータによる、一般的に用いられる二相系分類では、リーン二相系鋼種はPREN 22～27、標準二相系鋼種は28～38、スーパーデュプレックス鋼種は39～45、ハイパーデュプレックス鋼種は45超とされる。これらの範囲は、通常、リーン、標準、スーパー、ハイパーの二相系グループを区別するのに役立つが、分類境界はすべての体系で同一ではない。

PRENは、供用寿命を算出する方程式ではない。臨界孔食温度、臨界すきま腐食温度、付着物下での局部腐食、または溶接熱影響部での挙動を完全に予測するものではない。実際の破損には、表面仕上げ、介在物、硫化物形態、残留応力、塩化物濃度、酸性度、温度、酸化性化学種、流動条件、すきま形状、異種金属接触による電気化学的結合などが影響する。計算上のPRENが近い2つの溶解材でも、介在物、熱処理、表面状態が異なるため、孔食試験の結果が異なることがある。

相バランスは、さらに別の限界をもたらす。二相系合金はバルクとして良好なPRENを示していても、一方の相、相境界、またはクロム欠乏領域の局所的な耐食性が低い場合がある。シグマ相は、周囲のマトリックスからクロムとモリブデンを奪うため、特に有害であり、靭性を著しく低下させる可能性がある。フェライト中の窒化物析出も、同様の局所的影響を及ぼすことがある。したがって溶接では、入熱、パス間温度、シールド、溶加材の選定、冷却条件を管理する必要がある。耐食性を有する母材の鋼種指定だけで、すべての溶接部に同じ耐食性が自動的に付与されるわけではない。

PRENからは、機械的破損についてもほとんど分からない。PRENでは、降伏強さ、指定温度における衝撃靭性、疲労強度、水素助長割れ、繰返し荷重下での変形を予測できない。また、PRENが高いほど、合金の認定範囲外の環境で不具合が生じないことが保証されるわけでもない。臨界孔食試験およびすきま腐食試験、溶接継手の腐食試験、引張試験および衝撃試験、金属組織学的検査、ならびに供用環境に応じた認定が必要になる場合がある。ASM International、Outokumpu、Wileyの技術出版物、およびScienceDirectで索引付けされた査読済み学術誌は、PRENを完全な腐食モデルではなく、指標化の慣行として扱っている。

鋼種名が規格に取って代わるものではない理由

一般的な呼称は情報を圧縮して示すものであり、仕様全体を提供するものではない。「2205」は22Cr二相系ステンレス鋼を指すものとして一般に使用され、「2507」および「4501」は25Crスーパーデュプレックス鋼種として一般に識別されている。これはOutokumpuが2020年にまとめた内容による。これらの名称だけでは、製品形状、化学成分の規定値、固溶化熱処理状態、寸法、機械的要件、非破壊検査、溶接施工要領、受入基準は定まらない。

この区別は、溶加材を用いる電気融接二相系ステンレス鋼管を対象とするASTM A928/A928Mに明確に示されている。この製品分野では、ASTM Internationalの記録によれば、UNS S32205は参照規格における2205二相系鋼種に対応する。合金が非公式に2205と表現されている場合でも、鋼板、継目無管、溶接管、鍛造品、鋳造品、または製作された圧力部品には、それぞれ異なる規格が適用される可能性がある。鋼種名は、適用されるASTM、ASME、EN、ISOまたは購入者の要求事項に取って代わるものではない。

品質管理では、製造工程も管理対象としなければならない。化学成分を示すミル証明書だけでは、溶接後の相バランスが適正であることは証明できない。検査には、フェライト測定、金属組織学的検査、引張試験、衝撃試験、腐食試験、放射線透過試験、超音波探傷、または熱処理の確認が必要となる場合がある。ISO Technical Committee 67が2024年に特定したISO 17781は、石油および天然ガス産業で使用される二相系ステンレス鋼の微細組織について、品質管理のための試験方法を規定している。この規格の存在は、核心となる点を示している。すなわち、微細組織には、定義された方法と受入要求事項が必要である。

ファミリー全体に共通する原則は適用できる。二相系鋼は、制御されたフェライト―オーステナイトバランス、窒素および合金化学成分、熱履歴、溶接施工、析出物生成に対する抵抗性に依存する。しかし、鋼種固有のデータは、仮定によって他の鋼種へ移転できるものではない。化学プロセス、海水淡水化、オフショア用途、圧力保持、石油・天然ガス生産を目的とする部品については、適用される製品規格、ASTMまたはISOの材料指定、溶接および熱処理の認定、検査計画、ならびに供用環境固有の腐食要求事項を確認する必要がある。鋼種名は出発点を示すにすぎず、実際に製造されたものと、その使用を裏付ける証拠を定義するのは、適用される管理文書である。

参考文献

1. [1]Outokumpu. Stainless steel families and grades. Outokumpu technical reference, 2020. https://www.outokumpu.com/
2. [2]World Stainless, International Stainless Steel Forum. Duplex stainless steel: grades, properties and applications. World Stainless technical overview, 2024. https://www.worldstainless.org/
3. [3]ISO Technical Committee 67. Petroleum and natural gas industries — Test methods for quality control of microstructure of ferritic/austenitic stainless steels. ISO 17781, 2024. https://www.iso.org/standard/