304対310S – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
304と310Sは、産業で最も頻繁に指定されるオーステナイト系ステンレス鋼の2つです。エンジニアや調達専門家は、これらの選択肢を選ぶ際に、腐食性能、高温安定性、溶接性、材料コストのトレードオフを考慮することが一般的です。典型的な意思決定の文脈には、食品や製薬機器（304はコストと腐食のバランスのためにしばしば指定される）と、炉のハードウェアや高温プロセス機器（310Sは酸化とクリープ抵抗のために好まれる）が含まれます。
比較を促す主な違いは合金化学です：310Sは304よりもはるかに高いクロムとニッケルを含んでおり、これにより310Sは高温での酸化と強度保持が大幅に向上しますが、購入コストが高く、製造特性が異なります。両方のグレードは、類似の基礎金属学を持つオーステナイト系ステンレス鋼であるため、設計においてしばしば代替品と見なされ、最終的な選択は運転温度、腐食環境、製造ニーズ、および予算によって決まります。
1. 規格と指定
- 一般的な規格と指定：
- ASTM / ASME: 304 (UNS S30400)、310S (UNS S31008)
- EN: 1.4301 (約304)、1.4845 (約310S)
- JIS: SUS304、SUS310S
- GB（中国）: 06Cr19Ni10（304相当）、25Cr20Ni（310/310S相当）
- 分類：
- 304と310Sはどちらもオーステナイト系ステンレス鋼（ステンレスファミリー）です。
- 炭素鋼、合金鋼、工具鋼、またはHSLAクラスではありません。
2. 化学組成と合金戦略
表：典型的な組成範囲（wt.%）。実際の限界は仕様と製造所によって異なります；リストされた値は一般的なガイダンスのためのASTM/EN範囲を反映しています。
| 元素 | 304（典型的範囲、wt.%） | 310S（典型的範囲、wt.%） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.5 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0 – 20.0 | 24.0 – 26.0 |
| Ni | 8.0 – 10.5 | 19.0 – 22.0 |
| Mo | — (微量) | — (微量) |
| V | — | — |
| Nb (Cb) | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10–0.20（仕様依存） |
注： - “—”は意図的に添加されていないことを示します；微量の残留量のみが存在します。 - 310Sは合金310の低炭素バリアントであり、低炭素は高温曝露中の炭化物の析出を減少させます。 - 310Sの高いクロムとニッケルは、昇温時にオーステナイトを安定させ、酸化中により保護的な酸化スケールを形成するために意図的に設計されています。
合金化が性能に与える影響： - クロムは腐食抵抗（不活性膜の形成）と高温酸化抵抗に寄与します。310Sの高いCrは、高温でのスケーリング抵抗を改善します。 - ニッケルはオーステナイトの微細構造を安定させ、靭性と高温強度を向上させます；310Sの重要なNiは、温度での延性保持とクリープ挙動を改善します。 - 炭素は固溶体と炭化物の形成を通じて強度を促進しますが、感作リスクを増加させます；炭素を制御することで（310Sのように）、サービス中の炭化物の析出を低下させます。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造：
- 両方のグレードは、Ni含有量のため、室温での焼鈍状態では完全にオーステナイトです。
- どちらのグレードも、フェライト系またはマルテンサイト系鋼に使用される急冷および焼戻し法による熱処理はできません。機械的特性は、冷間加工と固溶焼鈍によって修正されます。
- 熱処理応答：
- 推奨される固溶焼鈍：通常、1010–1150 °Cの範囲で急冷（仕様に従った水または空気冷却）を行い、腐食抵抗と延性を回復します。
- 304：固溶焼鈍は炭化物を溶解し、延性を回復します；425–850 °Cの範囲での長時間曝露は、炭素が制御されていない場合、感作と粒界腐食を引き起こす可能性があります。
- 310S：低炭素と高Niは炭化物の析出と感作リスクを低下させます；ただし、シグマ相析出範囲（約600–1000 °C）での長時間曝露は、特定の条件下で高クロム合金において金属間化合物（シグマ相）を促進する可能性があります。適切な固溶焼鈍と制御されたサービス曝露がこれを最小限に抑えます。
- 熱機械加工：
- 冷間加工は、ひずみ硬化によって強度を増加させますが、成形性を低下させ、特定の環境で応力腐食割れに対する感受性を高める可能性があります。
- 高温クリープが重要なアプリケーションでは、310Sが好まれます。なぜなら、合金化がより良いクリープ抵抗を提供するからです；304も310Sも析出硬化はできません。
4. 機械的特性
表：典型的な焼鈍状態の室温値（指標範囲；実際の値は製品形状と仕様によって異なります）。
| 特性（焼鈍状態） | 304（典型的） | 310S（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 500 – 700 | 500 – 700 |
| 0.2% 限界 / 降伏（MPa） | ~200 – 300 | ~200 – 300 |
| 伸び（% in 50 mm） | ≥ 40 | ≥ 40 |
| 衝撃靭性（シャルピー、J） | 高い；低温でも靭性を保持 | 高い；同等、低温でも靭性を保持 |
| 硬度（HB / HRB） | ~120 – 200 HB (~80 HRB) | ~120 – 200 HB (~80 HRB) |
解釈： - 室温では、304と310Sの機械的特性は大まかに似ています；どちらも延性があり、靭性があります。 - 高温下では、310SはNiとCr含有量が高いため、強度保持とクリープ抵抗が優れています。 - どちらのグレードも、温度依存のクリープと緩和を考慮した設計計算なしに高強度構造用途に依存すべきではありません。
5. 溶接性
- 304と310Sは、一般的に標準的な溶接プロセス（TIG、MIG、SMAW）を使用して高い溶接性を持っています。オーステナイト系ステンレス鋼は、高強度炭素鋼に影響を与える水素助長冷間割れに対して感受性がありません。
- 炭素含有量と硬化性：
- 低炭素は、溶接後の炭化物の析出と粒界腐食を減少させます。310S（低炭素）は、高炭素バリアントと比較して感作リスクを低下させます。
- 硬化性と割れリスクは低いですが、加工硬化と熱サイクルが歪みを生じる可能性があるため、適切な接合設計と治具が重要です。
- 一般的な溶接金属学指標（定性的解釈のため）：
- 炭素当量の表示式： $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
- パリのPcm式： $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
- これらのグレードの定性的解釈：
- 両方のグレードは低炭素（特に310S）であるため、$CE_{IIW}$と$P_{cm}$は硬化可能な鋼と比較して低く、これは低い硬化性とマルテンサイト誘発割れのリスクを予測します。
- 310Sの高いNiは、式の項を通じて数値的なCEをわずかに増加させますが、ニッケルは実際には延性を改善し、冷間割れの感受性を低下させます。
- 溶接実践：
- 意図されたサービス温度に応じて、適切なフィラー金属を選択してください。
- 304の場合、粒界攻撃に感受性があるアプリケーションでは、感作範囲での長時間のインターパス時間を避け、溶接後の固溶焼鈍を行ってください。
- 310Sの溶接は、合金含有量が高いため熱膨張と歪みに注意が必要であり、厚いセクションでの急冷応力に対しては耐性が低い場合があります。
6. 腐食と表面保護
- 一般的な腐食（室温の水環境）：
- 304は、空気、弱酸、食品加工を含む多くのサービス環境に対して良好な一般的な腐食抵抗を提供します。
- 310Sは、同様またはわずかに改善された一般的な腐食抵抗を提供しますが、その主な利点は高温性能であり、塩素を含む水環境でのピッティングや隙間腐食の改善ではありません。
- ピッティング抵抗：
- ピッティング抵抗等価数（PREN）は、MoとNが重要な場合に有用です： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- 304も310SもMoを含まず；両方とも低Nであるため、PRENは強い差別化要因ではありません。塩素ピッティング抵抗に関しては、Moを含む合金（例：316）がより良い性能を発揮します。
- 高温腐食/酸化：
- 310Sは、保護的な酸化スケールを安定させる高いCrとNiのおかげで、高温（例えば、炉の雰囲気）での酸化とスケーリングに対して著しく優れた抵抗を持っています。
- ステンレスグレードが適さない場合、非ステンレス鋼のための典型的な表面保護（亜鉛メッキ、コーティング、ライニング、塗装）が適用されます；これらの2つのグレードに対しては、保護的考慮は不活性の維持と感作の回避に焦点を当てます。
7. 製造、加工性、成形性
- 成形性：
- 両方とも焼鈍状態で非常に成形性が高いです。304は深絞りや複雑な成形操作に一般的に使用されます。
- 310Sは、合金含有量が高いため、加工硬化率とスプリングバックが増加する可能性があるため、広範な成形にはあまり使用されませんが、適切な工具と焼鈍サイクルを使用すれば加工可能です。
- 加工性：
- オーステナイト系ステンレス鋼は加工硬化し、低炭素鋼よりも加工が難しいです。
- 304はステンレスグレードの中で加工性が中程度です；チップ制御、剛性のあるセットアップ、ポジティブレーク工具、炭化物インサートが役立ちます。
- 310Sは、Ni含有量が高く、合金がより堅牢であるため、工具に対してより厳しく、より遅い切削速度とより堅牢な工具が必要になる場合があります。
- 表面仕上げと研磨：
- 両方とも良好に研磨されます；304は明るい仕上げが必要な場所で広く使用されます。310Sも高い基準で仕上げることができますが、材料の靭性のためにわずかに難しさがあるかもしれません。
8. 典型的な用途
| 304（一般的な用途） | 310S（一般的な用途） |
|---|---|
| 食品加工機器、キッチン家電、シンク、調理器具 | 炉の部品、バーナー部品、放射管、窯のライニング |
| 製薬および医療機器（非インプラント） | 熱処理治具、オーブンラック、高温プロセス配管 |
| 化学貯蔵タンク（軽度の攻撃性媒体）、建築パネル | 石油化学および精製所の高温サービス、燃焼室 |
| ファスナー、ボルト、一般目的の溶接アセンブリ | 高温絶縁支持、窯のハードウェア、再加熱炉 |
選択の理由： - 腐食抵抗が常温での主要な要因であり、コスト効果が高く、広く入手可能な304を選択してください。 - 持続的な高温強度、酸化抵抗、及び高温での炭化物析出の低さが重要な場合は310Sを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：
- 310Sは、NiとCrの含有量が大幅に高いため、304よりも高価です。
- 価格差は、世界的なニッケルとクロム市場の変動に応じて変動します；ニッケル含有量が主要なコスト要因です。
- 入手可能性：
- 304は、シート、プレート、バー、パイプ、チューブの形状で、世界中で最も一般的に在庫されているステンレス鋼の1つです。
- 310Sは広く入手可能ですが、一部の製品形状（例：非常に大きなプレートや特殊な冷間成形セクション）は、304と比較してリードタイムが長くなるか、供給者が限られる場合があります。
10. 要約と推奨
主要なトレードオフを要約した表：
| 特性 | 304 | 310S |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた（高Cバリアントでの感作に注意） | 優れた（低Cは感作リスクを低下させる） |
| 強度–靭性（RT） | 良好、延性があり靭性がある | RTで類似；高温での強度保持が優れている |
| 高温酸化抵抗 | 中程度 | 優れた |
| コスト | 低い | 高い |
| 入手可能性 | 非常に高い | 高いが、時々製品オプションが少ない |
推奨事項： - 304を選択する場合： - アプリケーションが主に常温から中程度の高温サービスである。 - 幅広い入手可能性、低コスト、良好な全体的な腐食抵抗（食品、建築、一般プロセスプラント）が必要です。 - 大規模な成形や深絞り操作が必要です。 - 310Sを選択する場合： - 主な要件が持続的な高温性能、酸化抵抗、または改善されたクリープ強度（炉、高温プロセスハードウェア）である。 - 高温のサイクル環境で感作リスクを最小限に抑える必要がある。 - 改善されたサービス寿命とスケーリングの低下のために、より高い材料コストが許容される。
最終的な注意：材料選択は常に完全なサービスエンベロープ（温度、雰囲気、機械的負荷、接合設計、製造ルート、総ライフサイクルコスト）を考慮する必要があります。重要な高温または腐食性サービスに関して疑問がある場合は、腐食試験で選択を確認し、長期的なクリープと酸化データを参照し、材料供給者や金属工学コンサルタントに適合性を確認してください。