304L 対 316L – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

304Lと316Lは、最も広く指定されてい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、これらの選択時に耐食性、加工の容易さ、コストのトレードオフを頻繁に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、腐食性サービス用のパイプや容器材料の指定、食品および製薬機器用のシートまたはプレートの選択、感作を避けるために低炭素含有量が好まれる溶接アセンブリの選択が含まれます。

これらのグレード間の主な冶金的な違いは、316Lが局所的な腐食、特に塩化物を含む環境におけるピッティングやクレバス攻撃に対する抵抗を著しく向上させる追加の合金元素を含んでいることです。基盤マトリックスが同じ300シリーズのオーステナイト系であるため、設計基準が耐食性能とコストおよび成形性を強調する場合、これらの2つのグレードはしばしば比較されます。

1. 規格と指定

各グレードの一般的な規格と指定には以下が含まれます：

• ASTM/ASME: A240 / SA240（プレート、シート）；A312（パイプ） — 米国/ASMEの文脈で一般的に使用されます。
• EN（ヨーロッパ）: EN 10088シリーズ；304LはX2CrNi18-9 / 1.4306に相当；316LはX2CrNiMo17-12-2 / 1.4404に相当。
• JIS（日本）: SUS304L / SUS316Lの同等品。
• GB（中国）: GB/T 1220およびGB/T 3280の同等品。

分類：304Lと316Lはどちらもステンレス鋼（オーステナイト系）です。炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではなく、焼鈍状態で面心立方（オーステナイト）結晶構造を持つ耐腐食合金鋼です。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、一般的な商業規格の典型的な組成範囲を示しています（重量パーセントで表現）。正確な限界は特定の規格（ASTM、EN、JIS、GB）および製品形状に依存します；表示されている値は代表的なものです。

元素	304L（典型的な範囲）	316L（典型的な範囲）
C	≤ 0.03	≤ 0.03
Mn	≤ 2.00	≤ 2.00
Si	≤ 0.75	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.5–19.5（≈18–20）	16.0–18.0
Ni	8.0–12.0	10.0–14.0
Mo	—（微量のみ）	2.0–3.0
V	—	—
Nb (Cb)	—	—（316Lでは稀；安定化グレードに存在）
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0.10	≤ 0.10

合金戦略の説明： - クロム（Cr）は、パッシブなクロム酸化物フィルムを形成することによって基本的なステンレス特性を提供します。両グレードの典型的なCrレベルは、安定したオーステナイトのパッシブ表面を生成します。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト相を安定化させ、靭性と成形性を向上させます；316Lはしばしばわずかに高いNiを持ちます。 - モリブデン（Mo）は、316Lに存在し、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高め、特定の還元酸に対する抵抗を改善します。 - 低炭素（L）グレード（≤0.03% C）は、溶接中の粒界カーバイド沈殿（感作）のリスクを最小限に抑え、熱影響部での耐食性を保持します。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造： - 304Lと316Lは、常温で焼鈍状態の完全なオーステナイト（面心立方）です。従来の焼入れおよび焼戻しに応じてマルテンサイト微細構造を発展させることはなく、代わりに冷間加工が300シリーズ合金、特に304バリアントにおいて、組成および変形レベルに応じてひずみ誘起マルテンサイトを導入することがあります。 - 316LのMo添加はオーステナイトマトリックスを変えませんが、沈殿挙動およびパッシブフィルムの安定性に影響を与えます。

熱処理応答： - 焼鈍：典型的な溶解焼鈍は1010–1150 °Cで行われ、その後急冷され、両グレードに対して完全なオーステナイトの耐腐食構造を回復します。 - 感作：両グレードは、炭素が存在する場合、約450–850 °Cの間に保持されるとクロムカーバイド沈殿に対して感受性があります。低炭素の'L'バリアントはこのリスクを低減します；316Lと304Lは、粒界攻撃を避けるために溶接構造に選ばれます。 - 正常化、焼入れおよび焼戻し：これらの熱処理経路は、300シリーズのオーステナイト系ステンレス鋼を強化するためには適用できません。なぜなら、マルテンサイト変態によって硬化しないからです。機械的特性は冷間加工または特殊な熱機械処理を通じて調整されます。 - 熱機械処理：冷間加工は靭性を犠牲にして強度を増加させます；304Lは、積層欠陥エネルギーの微妙な違いにより、316Lよりも重い冷間加工中にひずみ誘起マルテンサイトが発生しやすいです。

4. 機械的特性

両グレードの機械的特性は、製品形状（シート、プレート、バー、パイプ）および加工履歴によって異なります。以下の表は、エンジニアリング仕様で一般的に遭遇する代表的な焼鈍範囲を示しています；実際の値は供給者のミル証明書から確認する必要があります。

特性（焼鈍、典型的）	304L	316L
引張強度（MPa）	≈ 480–620	≈ 480–620
降伏強度、0.2%（MPa）	≈ 170–300	≈ 170–300
伸び（%）、典型的	≥ 40	≥ 40
衝撃靭性（シャルピー、J、常温）	高い、ノッチ靭性	高い、ノッチ靭性
硬度（HRC/HV）	中程度（例：HB ~120–200）	中程度（304Lと同様）

解釈： - 強度：両グレードは焼鈍状態で類似のベースライン引張強度および降伏強度を示します；違いは通常小さく、Ni含有量および加工硬化に依存します。冷間加工は両グレードで同様に強度を増加させます。 - 靭性と延性：両者は常温で非常に延性が高く靭性があります；316Lは、NiおよびMoの影響により、いくつかの製品形状でわずかに優れた靭性を示すことがありますが、ほとんどのエンジニアリング用途では違いはわずかです。 - 硬度：焼鈍状態で比較可能；冷間加工は両者の硬度を増加させます。

5. 溶接性

304Lと316Lは、感作を減少させる低炭素含有量のため、一般的な溶接および抵抗溶接プロセスによって非常に溶接しやすいです。

溶接性指数（定性的使用）： - IIW炭素当量は、溶接性に関する迅速な定性的視点を提供します： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - ヨーロッパで時々使用されるより詳細なパラメータは$P_{cm}$です： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈： - 304Lと316Lは非常に低い炭素、中程度のMn、および強い微合金添加物がないため、両者は高強度鋼に対して低い$CE_{IIW}$/$P_{cm}$の数値を生成します；これは優れた溶接性、低い冷間割れの感受性、およびほとんどの場合、予熱の必要が少ないことを示唆します。 - 316LのMoは$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の式においてわずかに寄与しますが、溶接性への影響は小さいです；ただし、溶接金属の耐腐食性を確保するためにフィラーの選択が重要です（例：316Lまたは316の消耗品を選択して316L基材を溶接する）。 - 溶接後の熱処理（応力緩和）はオーステナイト系ステンレス鋼にはほとんど必要なく、寸法安定性や特定のサービス要件のためにのみ使用されます。

6. 腐食と表面保護

• ステンレス：両グレードはパッシブなCr酸化物フィルムに依存しています。316Lにおけるモリブデンの存在は、海水や塩化物を含む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大幅に改善します。

局所的な腐食抵抗を示すためのPRENの使用： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 解釈： - 316LはMoを含み、304Lは含まないため、316LのPRENは高く、優れたピッティング抵抗を示します。窒素の添加も存在する場合にPRENを向上させます。 - PRENは、ピッティング抵抗が設計の推進力であるステンレス合金を比較する際に最も有用です；すべての環境に対する普遍的な腐食予測因子ではありません。

非ステンレス鋼： - ステンレスでない鋼（ここでは適用されません）に対して、腐食保護はしばしば熱浸漬亜鉛メッキ、有機塗料、またはメッキなどのコーティングに依存します。304Lおよび316Lの場合、コーティングは一般的に美観や摩耗保護のために使用され、主な腐食防止のためではありません。

実用的な意味： - ピッティングやクレバス腐食が懸念される塩化物にさらされるサービスには316Lを選択してください（海洋、化学処理、特定のケースでの生体医療インプラント）。 - 塩化物を必要としない一般的な腐食抵抗には304Lを選択してください（食品サービス機器、建築トリム、塩化物のない水性腐食環境）。

7. 加工、機械加工性、および成形性

• 成形性：両グレードは高い延性のため成形が良好です；304Lはその組成とわずかに高い加工硬化傾向のため、しばしばわずかに成形しやすいです；工具とスプリングバック管理は類似しています。
• 機械加工性：オーステナイト系ステンレス鋼は一般的に炭素鋼よりも機械加工が難しいです。316Lは、靭性が高く加工硬化傾向があるため、304Lよりもわずかに機械加工が難しい傾向があります；適切な工具、送り、冷却剤を使用することで問題を軽減できます。
• 表面仕上げと研磨：両者は高い表面品質に仕上げることができます。316Lは、最終的な表面の完全性がピッティングに耐える必要がある場合に好まれることが多いです（例：食品/製薬用または海洋用の研磨仕上げ）。
• 成形と溶接：低炭素グレードは溶接後の腐食問題を減少させます；316Lの溶接には、攻撃的な環境での耐腐食性能を維持するために一致するフィラーが必要です。

8. 典型的な用途

304L — 典型的な用途	316L — 典型的な用途
キッチン機器、シンク、食品サービス、建築トリム	海洋用フィッティング、熱交換器、海水パイプ
製薬および実験室機器（非塩化物）	塩化物を扱う化学プロセス機器
熱交換器、タンク（一般的な水性サービス）	生体医療機器、外科用器具（選択ケース）
装飾および構造部品	オフショアおよび沿岸構造物、淡水化設備

選択の理由： - 304Lは、一般的な腐食抵抗、優れた成形性、低コストが優先され、環境に攻撃的な塩化物がない場合に選択されます。 - 316Lは、局所的な腐食（ピッティング/クレバス）に対する抵抗が必要な場合、特に塩化物を含む媒体で、またはわずかに改善された高温および化学抵抗がプレミアムを正当化する場合に選択されます。

9. コストと入手可能性

• コスト：316Lは、モリブデンの添加および通常はやや高いニッケル含有量のため、一般的に304Lよりも高価です。価格差はNiおよびMoの世界的な商品市場によって異なります。
• 入手可能性：両グレードは、プレート、シート、バー、パイプ、およびフィッティングで世界中に広く入手可能です。304Lは最も一般的なオーステナイト系ステンレスであり、通常は最も広い入手可能性と最短のリードタイムを持っています。316Lも広く在庫されていますが、特定の製品形状（大口径シームレスパイプ、特殊フィッティング）は、リードタイムが長くなる場合やプレミアムが高くなる場合があります。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）：

属性	304L	316L
溶接性	優れた	優れた
強度–靭性	比較可能（類似の範囲）	比較可能（類似の範囲）
ピッティング/クレバスに対する抵抗	良好（一般的）	優れた（特に塩化物において）
コスト	低い	高い

推奨： - 304Lを選択する場合：アプリケーションが良好な一般的な腐食抵抗、優れた成形性および溶接性を必要とし、コストまたは広い入手可能性が主な制約である場合 — 例えば、食品サービス機器、HVACダクトワーク、または塩化物にさらされない建築部品。 - 316Lを選択する場合：サービスが塩化物、海水、または局所的な腐食（ピッティング/クレバス）が懸念される攻撃的な化学環境を含む場合、またはわずかに優れた高温/化学抵抗が必要な場合 — 例えば、海洋ハードウェア、化学処理、淡水化、および優れた耐腐食性が義務付けられている多くの生体医療または製薬部品。

結論として：重要なアプリケーションの場合、正確な合金および仕上げ要件を指定し、選択した製品形状のミル証明書および腐食試験データを要求してください。塩化物への曝露について疑問がある場合は、局所的な腐食のリスクを減らすためにMoを含む316Lまたはより高合金のグレードを選択してください。