304対316L - 成分、熱処理、特性、および用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
はじめに
304および316Lは、業界で最も一般的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、調達マネージャー、製造プランナーは、腐食抵抗、加工特性、溶接性、機械的性能、ライフサイクルコストを考慮して、どちらを選ぶかを日常的に検討します。典型的な意思決定の文脈には、食品サービス機器や建築仕上げ（コストと外観が重要）と、海洋または化学処理環境（塩化物/ピッティング抵抗と長期的な腐食性能が最重要）があります。
高いレベルでの主な実用的な違いは合金戦略です：316Lはモリブデンを含み、304よりもわずかに異なるニッケル/クロムバランスと低炭素を持ち、塩化物による腐食に対する抵抗を実質的に改善しますが、材料コストは上昇します。これらの違いのため、304と316Lは、設計者が腐食抵抗、加工/溶接挙動、機械的要件、予算をバランスさせる際に比較されます。
1. 規格と指定
各グレードの一般的な国際規格と典型的な識別子：
- ASTM/ASME
- 304: ASTM A240（板）、A276（棒）、UNS S30400
- 316L: ASTM A240（板）、A276（棒）、UNS S31603
- EN（ヨーロッパ）
- 304: EN 1.4301
- 316L: EN 1.4404
- JIS（日本）
- 304: SUS304
- 316L: SUS316L
- GB（中国）
- 304: 06Cr19Ni10（または同等品）
- 316L: 0Cr17Ni12Mo2（または同等品）
分類：304と316Lはどちらもステンレス鋼（オーステナイト系ファミリー）です。炭素鋼、工具鋼、合金鋼、またはHSLAではありません。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、ASTM/EN規格または業界データシートで一般的に見られる典型的な組成範囲（重量％）を示しています。値は範囲であり、特定の規格/製品形状に依存します。
| 元素 | 304（典型的範囲、wt%） | 316L（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.03 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 17.5–19.5（≈18%） | 16.0–18.0（≈16–17%） |
| Ni | 8.0–10.5（≈8–10%） | 10.0–14.0（≈10–12%） |
| Mo | —（微量） | 2.0–3.0 |
| V | 微量 | 微量 |
| Nb（Cb） | — | 微量（316Lには典型的ではない） |
| Ti | — | 微量（316Lには典型的ではない） |
| B | 微量 | 微量 |
| N | ≤ 0.10（指定されている場合） | ≤ 0.10（指定されている場合） |
合金が特性に与える影響： - クロム（Cr）は、ステンレス特性を定義する不活性酸化物膜を提供します。両グレードは一般的な腐食抵抗のために十分なCrを持っています。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト相を安定化させ、靭性と成形性を改善します。 - 316Lのモリブデン（Mo）は、塩化物を含む環境におけるピッティングおよびクレバス腐食に対する抵抗を大幅に改善します。 - 316Lの炭素（C）削減（「L」指定）は、溶接中の感作を減少させ、粒界腐食への感受性を低下させます。 - 一部の規格では、強度や局所的な腐食抵抗を調整するために微量元素や窒素が使用されることがあります。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造： - 304と316Lは、常温での焼鈍状態で完全にオーステナイト（面心立方）です。通常の熱サイクル中にフェライトやマルテンサイトに変化することはありませんが、重度に冷間加工された場合（304では局所的にひずみマルテンサイトを誘発する可能性があります）を除きます。
熱処理/加工応答： - オーステナイト系ステンレス鋼は、従来の焼入れおよび焼戻し熱処理によって硬化しません。焼鈍（規格に応じて約1000–1150 °Cでの溶解焼鈍）を行った後、急冷することで溶解処理されたオーステナイト微細構造が回復し、炭化物が溶解します。 - 感作（粒界でのクロム炭化物の沈殿）は、溶接または熱処理中に約425–850 °Cの範囲で保持された場合に発生します。低炭素（316L）はリスクを低下させます。 - 熱機械加工（冷間加工 + 溶解焼鈍）は、粒構造と機械的特性を制御します。冷間加工はひずみ硬化を通じて強度を増加させますが、残留応力を高め、表面の不活性膜が破壊されると局所的な腐食に対する感受性が増加する可能性があります。 - 正常化はオーステナイト系グレードの強化には適用されません。溶解焼鈍がひずみ硬化を除去し、腐食抵抗を回復するための標準です。
4. 機械的特性
以下の表は、焼鈍された製品形状（シート/板/棒）の典型的な機械的値を示しています。特性の範囲は製品形状（冷間圧延 vs 熱間圧延 vs 鍛造）および厚さに依存します。
| 特性（焼鈍、典型的） | 304 | 316L |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ~515–720 | ~485–690 |
| 降伏強度、0.2%（MPa） | ~205–310 | ~170–300 |
| 伸び（A%、典型的） | ~40–60% | ~40–60% |
| 衝撃靭性（シャルピーV、常温） | 良好；一般的に高い | 低温で同等またはやや良好 |
| 硬度（HB/HRB、典型的な焼鈍） | ~100–200 HB | ~95–190 HB |
解釈： - 両グレードは焼鈍状態で延性があり靭性があります。304は特定の製品形状でわずかに高い名目引張/降伏強度を示すことがよくありますが、違いは小さく、製品形状に依存します。 - 316Lの低炭素は、炭化物の沈殿による脆化のリスクを低下させ、溶接後の性能を改善します。 - 高強度が必要な用途では、冷間加工または代替合金が選択されます；これらのオーステナイト系は、主に腐食抵抗と成形性のために選ばれ、高強度のためではありません。
5. 溶接性
オーステナイト系ステンレス鋼は一般的に最も溶接しやすい合金の一つです。主要な溶接性の考慮事項： - 炭素含有量は感作に影響します；316Lの低炭素は、溶接熱サイクル中の炭化物の沈殿を減少させ、溶接後の溶解焼鈍なしで粒界腐食に対する抵抗を改善します。 - オーステナイト系ステンレス鋼は硬化性が低く、炭素鋼で見られる水素誘発冷間割れに対しては脆弱ではありません。ただし、低い熱伝導率と高い熱膨張係数のために歪みが生じやすいです。
有用な溶接性指数（定性的な使用のみ）： - IIW炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - より包括的なPcm式： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈： - 304と316Lは、強度が高く炭素含有量が高い鋼に対して低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値を生成し、良好な溶接性を示します。316Lの低いCは$CE_{IIW}$および$P_{cm}$をさらに低下させ、重いセクションの溶接や、設計者が溶接後の熱処理を避けたい場合に好まれます。 - 一般的なフィラーの選択肢：溶接金属の腐食抵抗を保持するために、マッチングフィラー（例：304には308L、316Lには316フィラー）を使用します。異種接合の場合は、ガルバニックまたは腐食の弱点を避けるためにフィラーを選択します。
6. 腐食と表面保護
- ステンレス特性：両者は一般的な腐食抵抗のために不活性クロム酸化物膜に依存しています。浸漬または攻撃的な塩化物環境では、モリブデンが決定的です。
- ピッティング抵抗等価数（PREN）は、局所的（ピッティング）腐食に対する抵抗の一般的な指標です： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 典型的なPRENの意味：
- 304：Moが不足しており、PRENは主にCrとNによって駆動されます；低いPRENは塩化物環境でのピッティングに対する感受性が高いことを意味します。
- 316L：MoがPRENを高め、塩化物を含む媒体（海水、塩水、いくつかの化学プロセス流）におけるピッティングおよびクレバス腐食に対する抵抗を改善します。
- 非ステンレス鋼：文脈として、炭素/合金鋼は亜鉛メッキ、コーティング、または塗料などの表面保護を必要とします；PRENはそれらには適用されません。
適用性： - 304は、雰囲気、軽度の化学曝露、食品接触、屋内環境に使用します。 - 316Lは、塩化物、海洋環境、またはハロゲン化化学物質への曝露が予想される場合、または溶接部品が感作を促進する可能性のあるサービス条件に留まる場合に使用します。
7. 加工性、機械加工性、成形性
- 機械加工性：オーステナイト系は加工硬化します；316Lは通常、Moが熱伝導率を低下させ、一部の操作で工具の摩耗を増加させるため、304よりも加工しにくいです。両者に対して鋭い工具、重い冷却剤での遅い送りを使用し、炭化物工具を使用します。
- 成形性：両グレードは非常に成形性が高いです；304は、わずかに高い強度と良好な延性のため、深絞りや装飾作業に好まれることがよくあります。316Lは成形で良好な性能を発揮し、後の溶接や腐食抵抗が優先される場合に好まれます。
- 表面仕上げ：両者は良好な美的仕上げに磨かれます；316Lは腐食性サービスで不活性膜を回復するために、溶接後の清掃がより注意深く必要な場合があります。
- スプリングバックを考慮：オーステナイト系は比較的高い弾性率を持ち、曲げ時にスプリングバックを示します；工具設計はそれを考慮する必要があります。
8. 典型的な用途
| 304 – 典型的な用途 | 316L – 典型的な用途 |
|---|---|
| キッチン機器、シンク、家電、食品加工機器（非塩化物） | 海洋ハードウェア、ボートフィッティング、海水ポンプ、熱交換器 |
| 建築トリムおよび手すり | 塩化物に曝露される化学プロセス配管、タンク、およびフィッティング |
| 屋内用のファスナーおよびハードウェア | 医薬品および医療機器（インプラント用の316Lまたは316LVM） |
| 飲料および乳製品機器（塩化物曝露が制限されている場合） | オフショアおよび沿岸建設、塩水処理 |
選択の理由： - 美観、適度な腐食抵抗、コスト効率が主な要因であり、塩化物への曝露が制限されている場合は304を選択します。 - 塩化物によるピッティング/クレバス腐食が懸念される場合、より高いピッティング/クレバス抵抗が必要な場合、または溶接されたアセンブリが溶接後の熱処理なしで粒界攻撃に耐える必要がある場合は316Lを選択します。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：316Lは、追加のMoとしばしば高いNiのため、304よりも高価です。価格プレミアムは市場の金属価格（ニッケルとモリブデンの変動）および形状に応じて変動します。
- 入手可能性：両グレードは、シート、板、チューブ、棒、パイプで世界中に広く在庫されています。304は通常、最も入手しやすく、最も低コストのステンレスオプションです；316Lは一般的に入手可能ですが、特定のサイズや仕上げでは在庫が少ない場合があります。
- 調達の注意点：316Lを指定する際は、必要な製品形状（例：シームレスチューブ、溶接チューブ、シートゲージ）のリードタイムと在庫を確認してください。
10. まとめと推奨
| 基準 | 304 | 316L |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた（溶接アセンブリには低炭素フィラーを使用） | 優れた — 重い溶接に対して優れた性能と低い感作リスク |
| 強度–靭性 | 良好；一部の形状でわずかに高い名目強度 | 同等の靭性；一部の形状でわずかに低い降伏強度だが、低温で優れた靭性 |
| コスト | 低い（より経済的） | 高い（Mo/Niの価格プレミアム） |
推奨： - コストと一般的な腐食抵抗が主なニーズであり、屋内の建築作業、食品サービス機器（非塩化物）、および深絞りや表面仕上げが重要な一般的な加工に304を選択します。 - 塩化物によるピッティング/クレバス腐食が懸念される場合、溶接されたアセンブリが溶接後の熱処理なしで粒界腐食を避ける必要がある場合、またはサービスが海洋、化学処理、またはその他の攻撃的な場合には316Lを選択します。ライフサイクルコストと過酷な環境での信頼性が高い材料コストを上回る場合は316Lを使用します。
最終的な実用的なヒント：供給者の材料形状の正確な組成と機械的特性については、材料規格および製品データシートを参照し、重要な塩化物曝露用途に対して腐食試験（例：ピッティング抵抗試験またはサイクリックポーラリゼーション）を評価してください。