304対316 - 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
タイプ304およびタイプ316オーステナイト系ステンレス鋼は、エンジニアリング、調達、製造において最も広く指定されるグレードの一つです。エンジニアや調達マネージャーの選択のジレンマは、通常、コストに対する耐食性と、強度および過酷な環境における長期的な性能に対する溶接性/成形性のバランスを取ることに集中します。典型的な意思決定の文脈には、材料選定が塩化物曝露、製造方法、ライフサイクルコストを考慮しなければならない食品加工設備、化学プラント、海洋構造物、製薬施設が含まれます。
これら2つのグレードの主な冶金的な違いは、316におけるモリブデンを含む合金戦略の意図的な追加であり、これにより304に対して局所的な腐食（ピッティングおよびクレバス攻撃）に対する抵抗が改善されます。両者はオーステナイト系であるため、多くの機械的および加工特性を共有しており、設計者は一般目的から中程度の攻撃的環境向けにステンレス鋼を指定する際に、通常これらを比較します。
1. 標準および指定
- 一般的な国際標準：
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240（板、シート）、ASTM A312（パイプ）、ASTM A276（棒）
- EN: EN 10088シリーズ（ステンレス鋼）
- JIS: SUS304、SUS316（日本工業規格）
- GB: 0Cr18Ni9（304）、0Cr17Ni12Mo2（316）（中国GB規格）
- 分類: タイプ304およびタイプ316は、オーステナイト系ステンレス鋼（ステンレスカテゴリ）です。これらは炭素鋼、合金鋼、工具鋼、またはHSLA鋼ではありません。
2. 化学組成および合金戦略
| 元素 | 典型的範囲/タイプ（wt%） — 304 | 典型的範囲/タイプ（wt%） — 316 |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0–20.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 10.0–14.0 |
| Mo | —（通常は0） | 2.0–3.0 |
| V | 微量 | 微量 |
| Nb (Cb) | 微量（標準304には存在しない） | 微量（標準316には存在しない） |
| Ti | 微量（標準304には存在しない） | 微量 |
| B | 微量 | 微量 |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
注： - 主な目的の違いは、タイプ316におけるMoの追加であり、これは塩化物によるピッティングおよびクレバス腐食に対する耐性を強化することを目的としています。 - 低炭素バリアント（304L、316L）は、溶接および高温サービス中の感作リスクを低減します。安定化グレード（例：321、347）は、炭素を固定するためにTiまたはNbを含みます。
合金が特性に与える影響： - クロムは不活性酸化物膜（一般的な耐食性）を提供します。 - ニッケルはオーステナイト相を安定化し、靭性と成形性を改善します。 - モリブデンは局所的な腐食抵抗（ピッティング/クレバス）を強化し、特定の条件下で強度をわずかに増加させます。 - 炭素含有量は、熱サイクル中の強度および炭化物析出挙動（感作）に影響を与えます。
3. 微細構造および熱処理応答
- 典型的な微細構造：304および316は、焼鈍状態で完全にオーステナイト（面心立方、fcc）です。完全に焼鈍された状態では本質的に非磁性です。
- 熱処理および加工応答：
- 溶解焼鈍（典型的範囲1010–1120 °C）の後、急冷することで延性が回復し、析出物が溶解します。
- 304および316は、急冷およびテンパーサイクルによって硬化することはできません（利用できるマルテンサイト変態はありません）；機械的強度は主に冷間加工（ひずみ硬化）または合金による固溶強化によって増加します。
- 感作（クロム炭化物の析出）は、溶接後またはゆっくり冷却した後に450–850 °Cの範囲で発生する可能性があります；これにより、Crが局所的に枯渇し、粒界腐食リスクが増加します。緩和戦略：低炭素（L）グレード、安定化グレードを使用するか、サービスが要求する場合は溶解焼鈍を行います。
- 熱機械加工（冷間圧延、冷間引き抜き）は、作業硬化によって強度を増加させ、軽度の磁気応答を導入する可能性があります；その後の焼鈍はオーステナイトと成形性を回復します。
4. 機械的特性
| 特性（焼鈍、典型的/指定最小値） | タイプ304 | タイプ316 |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ≥ 515（典型的） | ≥ 515（典型的） |
| 降伏強度、0.2%（MPa） | ≥ 205（典型的） | ≥ 205（典型的） |
| 伸び（%） | ≥ 40% | ≥ 40% |
| 衝撃靭性 | 常温および低温で優れた延性挙動；通常は指定されません | 常温および低温で優れた延性挙動；通常は指定されません |
| 硬度（焼鈍） | 通常≤ 95 HRB（約） | 通常≤ 95 HRB（約） |
解釈： - 焼鈍状態では、引張強度および降伏強度の最小値は両グレードで類似しており、強度の違いは小さく、通常は加工または冷間加工に依存します。 - 両グレードは延性があり、靭性があります；焼鈍状態ではどちらも本質的に他より強いわけではありません。冷間加工は、両者の強度を増加させ、延性を減少させます。 - 機械的挙動のわずかな違いは、通常、加工履歴（冷間加工、熱処理）に起因し、Mo含有量によるものではありません。
5. 溶接性
- 304および316は、標準的な溶接および抵抗溶接プロセスで優れた溶接性を持っています。低炭素含有量（≤ 0.08）は、硬化および亀裂の感受性を制限するのに役立ちます。
- 炭素当量および組成に基づく溶接性指数は、フィラーの選択および前後の溶接実践をガイドすることができます。一般的な経験則：
- $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
- $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
- 定性的解釈：
- 両グレードは一般的に「良好な溶接性」の範囲に入ります；低炭素（L）バリアントは、溶接後の粒界腐食が懸念される場合に好まれます。
- 316基材を溶接する際には、腐食抵抗を保持するために316フィラーメタルを使用することが一般的です；304の場合、308フィラーメタルが典型的です。
- 304/316のほとんどのアプリケーションでは、溶接後の溶解焼鈍は通常必要ありませんが、サービス条件が感作された部品の腐食抵抗の完全な回復を要求する場合を除きます。高い塩化物を含む環境では、感作を避けるために316Lを選択するか、安定化グレードを使用することが推奨されます。
6. 腐食および表面保護
- ステンレス鋼として、両者は一般的な耐食性のために主に不活性なクロム酸化物膜に依存しています。表面処理（パッシベーション、酸洗い）は、不活性膜の質と寿命を改善することができます。
- 攻撃的な環境（塩化物を含む、海洋、化学プロセス）では、タイプ316はモリブデンの追加により局所的な腐食（ピッティングおよびクレバス）に対する優れた抵抗を提供します。
- ピッティング抵抗等価数（PREN）は一般的な指標です： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- 典型的な組成を使用すると、タイプ304のPRENはおおよそ高い10代（≈ 18–19）であり、タイプ316は通常中程度の20代（≈ 24–26）に該当します。高いPRENは、塩化物環境におけるピッティングに対するより良い抵抗を示します。
- ステンレスが適さない場合や炭素/合金鋼の場合、従来の保護戦略は亜鉛メッキ、塗装、その他のコーティングです；これらの方法は、通常304/316の使用ケースの範囲外であり、これらはコーティングメンテナンスを避けるために選択されることが多いです。
7. 加工、機械加工性、成形性
- 成形性：両グレードは焼鈍状態で優れた成形性を持っています；304は広く利用可能で予測可能な挙動のため、深絞りや複雑な成形においてやや一般的です。
- 機械加工性：オーステナイト系ステンレス鋼は容易に作業硬化します；316はモリブデンが工具の摩耗を増加させ、316がより作業硬化するため、304よりもやや加工が難しい傾向があります。頑丈な工具、鋭い形状、高い送り速度を十分な潤滑と共に使用して、ビルトアップエッジを減少させます。
- 仕上げ：両者は良好に研磨されます；316は攻撃的な環境で不活性膜を最適化するために、やや異なる酸洗い/パッシベーション化学が必要な場合があります。
8. 典型的な用途
| タイプ304 — 典型的な用途 | タイプ316 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 食品加工設備、キッチン用品、建築トリム、化学貯蔵（穏やかな環境）、HVAC部品 | 海洋ハードウェア、熱交換器、製薬プロセス設備、塩化物を含む化学処理、沿岸の建築要素 |
| 装飾トリム、家庭用シンク、飲料設備 | 外科用器具、医療機器（より高い耐食性が必要な場合）、淡水化部品 |
| 一般目的のパイプ、チューブ、非塩化物環境でのファスナー | 海水または塩化物を豊富に含むプロセス流にさらされるファスナー、ポンプ、バルブ |
選択の理由： - 一般的な耐食性、成形性、溶接性、低コストが優先され、塩化物曝露が制限される場合は304を選択します。 - サービス環境に塩化物、ハロゲン、またはピッティングおよびクレバス腐食を促進する他の媒体が含まれる場合、または高い合金含有量が長寿命および低メンテナンスを正当化する場合は316を選択します。
9. コストおよび入手可能性
- 相対コスト：316は通常、ニッケル含有量が高く、モリブデンが追加されるため、304よりも高価です。価格はNiおよびMoの市場価値に応じて変動します。
- 入手可能性：両グレードはシート、プレート、コイル、バー、パイプ、チューブで広く入手可能です。304は通常、最も広範な供給基盤と在庫の可用性を持ち、316は広く在庫されていますが、特殊な製品形状や大量の場合はややリードタイムが長くなるか、コストが高くなることがあります。
10. 概要および推奨
| 属性 | タイプ304 | タイプ316 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた（感作リスクがある場合はLバリアントを使用） | 優れた（最良の耐腐食性能のためにLバリアントまたは一致するフィラーを使用） |
| 強度–靭性 | 良好、類似；特性は冷間加工に依存 | 良好、類似；特性は冷間加工に依存 |
| コスト | 低い（より経済的） | 高い（モリブデンおよび高いNi含有量） |
推奨： - サービスが非塩化物または軽度の腐食性であり、コスト感度が重要で、一般目的の設備（例：食品加工、家庭用器具、建築用途）に対して優れた成形性/溶接性が必要な場合は304を選択します。 - コンポーネントが塩化物を含む環境（海洋、沿岸、または塩化物を含むプロセス流）にさらされる場合、または強化されたピッティングおよびクレバス腐食抵抗が高い材料コストを正当化する場合は316を選択します；また、攻撃的な媒体でのサービス信頼性が重要な多くの製薬および化学プロセスアプリケーションにも316を選択します。
最終的な注意：溶接サイクルや高温曝露が感作を引き起こす可能性がある場合は、低炭素（L）または安定化バリアントおよび適切なフィラーメタルを指定してください。重要なアプリケーションの場合、サイト固有の腐食リスク評価（塩化物濃度、温度、クレバスの形状、サイクル曝露を含む）を実施して、グレード選択を確認し、必要に応じてデュプレックスまたはより高合金のオーステナイトを検討してください。