304対316Ti – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

オーステナイト系ステンレス鋼304および316Tiは、プロセス機器、配管、建築、製造部品で最も頻繁に指定される合金の2つです。エンジニアや調達専門家は、これらの選択肢の中から腐食抵抗、加工特性、材料コスト、長期的な性能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、コストと成形性が重要な軽度の腐食環境向けのグレード選定（304を優先）と、感作やピッティング抵抗が重要な腐食性または高温サービス向けの選定（安定化された316バリアントを優先）が含まれます。

主な冶金的な違いは、316Tiが316ファミリーのチタン安定化バージョンであることです：チタンは意図的に添加され、炭素をチタニウム化合物（TiC/TiN）として結合し、粒界でのクロムカーバイドの析出（感作）を抑制します。この安定化により、感作熱サイクルにさらされた後の粒間腐食に対する抵抗が向上し、高温安定性が改善される一方で、316ステンレス鋼の一般的な特性は保持されます。

1. 規格と指定

• 一般的な規格：
• ASTM / ASME: タイプ304 (UNS S30400)、タイプ316Ti (UNS S31635)
• EN: 304 (1.4301)、316Ti (1.4571)
• JIS: SUS304、SUS316Ti
• GB (中国): 0Cr18Ni9 (304)、0Cr17Ni12Mo2Ti (316Ti)
• 材料クラス: 両者はオーステナイト系ステンレス鋼（焼鈍状態でステンレス、非磁性）です。炭素鋼やHSLAではなく、耐腐食性と成形性を目的としたステンレス合金ファミリーに属します。

2. 化学組成と合金戦略

注意： - 上記の範囲は一般的な産業規格（EN/ASTM/JIS）および典型的な商業慣行を反映しています。正確な許容範囲は標準および製品形状によって異なります。 - 316Tiは、主に炭素含有量に関連する量で意図的に添加されたチタンによって標準の316と異なります（自由炭素と結合するのに十分なTi）。

合金が特性に与える影響： - クロム（Cr）は腐食抵抗のための不活性酸化物膜を提供します。高いCrは一般的な腐食抵抗と高温でのスケーリング抵抗を改善します。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト相を安定化し、靭性と延性を改善し、磁気応答を低下させます。 - 316Tiのモリブデン（Mo）は、塩素を含む環境におけるピッティングおよび隙間腐食抵抗を改善します。 - 316Tiのチタン（Ti）は炭素と結合してチタニウムカーバイド/ナイトライドを形成し、粒界でのクロムカーバイドの形成を防ぎ、熱暴露後の感作および粒間腐食を減少させます。 - 炭素（C）は強度を増加させます（安定化されていない場合）が、450–850°Cの範囲で感作を悪化させます。安定化されているか、低く保たれている場合（316Lのように）を除きます。

3. 微細構造と熱処理応答

304および316Tiは、焼鈍状態で完全にオーステナイトです。微細構造に関する考慮事項：

• 304: 焼鈍された微細構造は、均一に分布した粒界化学を持つオーステナイトです。感作温度（約450–850°C）または遅い冷却にさらされると、炭素が利用可能な場合、粒界でクロムカーバイド（Cr23C6）が析出する可能性があり、局所的なクロム枯渇を引き起こし、鋼が粒間腐食に対して脆弱になります。冷間加工は304にひずみ誘起マルテンサイトを導入し、磁気応答および局所硬度に影響を与える可能性があります。

• 316Ti: こちらもオーステナイトですが、チタンが炭素をTiC/TiNまたはTi(C,N)析出物として結合し、これらはクロムカーバイドよりも高温でより安定して形成されます。これにより、熱暴露や溶接サイクル中のクロム枯渇を防ぐのに役立ちます。ただし、TiがCと適切にバランスを取られていない場合（不十分なTi）、カーバイドが形成される可能性があります。非常に高温での過剰な暴露は、長時間600–900°Cの範囲で保持されると、合金を脆化させる可能性のある他の析出物（シグマ相）を生成することがあります。熱安定化だけではすべての高温脆化メカニズムを排除することはできません。

熱処理応答： - 溶解焼鈍（標準的な実践）は延性を回復し、望ましくない析出物を溶解します：オーステナイト系ステンレス鋼の典型的な溶解焼鈍温度は通常$1010–1150^\circ\text{C}$の範囲にあります（適用される標準を参照）。急速冷却（水または空気）を使用して溶解状態を保持します。 - 304も316Tiも、フェライト鋼やマルテンサイト鋼のように強化のために急冷および焼戻しに応答しません。冷間加工は強度を増加させます（加工硬化）が、延性を低下させます。 - 熱機械処理（冷間圧延、焼鈍サイクル）は、シートおよびストリップ製品のために粒サイズと機械的特性を制御します。

4. 機械的特性

*値は製品形状（シート、プレート、バー、冷間加工）および正確な焼戻しによって異なります。保証された機械的値については、特定の標準または製鋼所の試験証明書を参照してください。

解釈： - 焼鈍状態では、両グレードは比較可能な強度と靭性を持っています。冷間加工は両者の強度を増加させます; 316Tiは合金のためにいくぶん高い強度を示すことがありますが、違いはわずかです。靭性はオーステナイト微細構造のおかげで、両者とも一般的に優れています。

5. 溶接性

溶接性の考慮事項： - 304および316Tiは、一般的な溶接および抵抗法で容易に溶接できます。比較的低い炭素含有量は、溶接中の硬化を制限しますが、溶接熱サイクルがカーバイド析出を引き起こす場合、304および未安定化の316では感作が発生する可能性があります。 - 316Tiのチタン安定化により、未安定化グレードを感作させることなく、溶接熱入力および溶接後の冷却に対してより耐性があります; 高温サービス向けの溶接部品や、溶接後の応力緩和が実用的でない場合にしばしば指定されます。

有用な溶接性指標（定性的な使用のみ）： - 炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（クリープまたは冷間割れ感受性）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈：両方の指標は、硬化性や分離を促進する合金元素が増加するにつれて増加します。316TiはTiおよびMoのためにわずかに異なるPcmを示しますが、典型的なオーステナイト系ステンレス組成に対してCEおよびPcmは高炭素鋼と比較して低く、通常の用途における溶接性の制限にはなりません。溶接前後の実践（清掃、熱入力の制御、フィラー選択）は、局所的な腐食を避け、機械的特性を一致させるために重要です。

6. 腐食と表面保護

• ステンレスの挙動: 両者は不活性なクロム酸化物膜に依存しています。316TiはMo含有量のおかげで、304に対して塩素ピッティングおよび隙間腐食に対する抵抗が改善されています。

• PREN（ピッティング抵抗等価数）の使用は、局所的な攻撃に対する感受性を比較するのに役立ちます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 解釈：PRENが高いほど、ピッティング抵抗が良好です。Moを含む316Tiは304よりも高いPRENを持ち、窒素含有量も存在する場合に寄与します。

• 感作: 304は感作温度にさらされた後、粒間腐食に対して脆弱になる可能性があります。316Tiは、Tiが安定したカーバイドおよびナイトライドを優先的に形成し、粒界でのクロムを固体溶液に保持するため、感作に対して抵抗があります。

• 非ステンレスの代替: ここでは適用されません; 炭素鋼には亜鉛メッキや塗装などの保護方法が使用されますが、ステンレスグレードには使用されません。

7. 製造、加工性、成形性

• 成形および深絞り: 304は、わずかに低い加工硬化率と良好な延性のため、成形および深絞りの容易さから好まれることが多いです。
• 加工性: オーステナイト系ステンレス鋼は炭素鋼よりも加工が難しいです。316Ti（316と同様）は、合金含有量（Mo、Ni）が高く、加工硬化の傾向があるため、通常304よりも加工が難しいです; 工具、速度、送りを調整する必要があります。
• 表面仕上げ: 両者は良好に研磨およびパッシベートされます; ビードブラストおよび電解研磨が一般的です。溶接アセンブリの場合、316Tiは未安定化の316または304と比較して感作を軽減するために溶接後の溶解焼鈍の必要性を減少させますが、最適な腐食性能のためには局所的な清掃およびパッシベーションが依然として必要です。

8. 典型的な用途

選択の理由： - 一般的な用途でコスト、成形性、非塩素環境での許容される腐食抵抗が主な要因である場合は304を選択してください。 - サービスが塩素暴露、高温、または未安定化合金を感作させる可能性のある溶接/熱サイクルを含む場合は316Tiを選択してください; 追加コストは局所的な腐食抵抗と熱安定性の向上によって正当化されます。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト: 316Tiは、ニッケル、モリブデン、チタンの添加により、一般的に304よりも高価です。価格は商品金属市場（Ni、Mo）および形状（バー、プレート、チューブ）によって異なります。
• 入手可能性: 304は多くの製品形状で広く在庫されており、最も入手可能なステンレスであることが多いです。316Tiは一般的に入手可能ですが、標準の316/304よりも普及していません; 特定の形状（例：大型鍛造部品や特殊ファスナー）に対する専門の製鋼所認定316Ti製品のリードタイムは長くなる可能性があります。

10. 概要と推奨

304を選択する場合： - あなたの用途が一般目的で、重要な塩素暴露や感作を引き起こす長時間の熱サイクルがない場合。 - 成形性、入手可能性、低い材料コストが主な懸念事項である場合。 - 未安定化のオーステナイト系グレードが許容され、標準の溶接/溶接後の手順が使用できる場合。

316Tiを選択する場合： - サービスが塩素環境、攻撃的な媒体、または局所的な腐食や感作が懸念される高温を含む場合。 - コンポーネントが溶接または熱サイクルを受け、広範な溶接後の熱処理なしで粒間攻撃に対する抵抗を改善したい場合。 - 耐久性と腐食性能が高い材料コストとやや難しい加工を正当化する場合。

最終的な注意: 正確な性能と適合性は、特定のサービス条件、コンポーネントの形状、製品形状、および適用される業界規格に依存します。常に組成と機械的保証を製鋼所の試験証明書で確認し、攻撃的または異常な環境に対して腐食専門家に相談してください。