310対310S – 組成、熱処理、特性、および用途
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はじめに
タイプ310および310Sは、高温サービスに一般的に指定されるオーステナイト系ステンレス鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、特に炉の部品、熱交換器、または溶接アセンブリが高温環境で動作する場合に、腐食抵抗、高温強度、溶接性のトレードオフを考慮することがよくあります。
この2つのグレードの主な技術的な違いは炭素仕様です：310は310Sよりも高い最大炭素含有量を許可しますが、クロムとニッケルのレベルは本質的に同じです。その炭素の違いは、炭化物析出（感作）への感受性、溶接性、そして時には高温での強度のわずかな違いに関する決定を促します。その他の点では同じオーステナイト系化学組成を共有しているため、設計および製造の決定において密接に比較されます。
1. 規格と指定
これらの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：タイプ310（UNS S31000）、タイプ310S（UNS S31008）；ASTM A240（板、シート、ストリップ）、A312（無縫製および溶接パイプ）、およびその他の製品規格で参照されています。 - EN：1.4841（310）、1.4845（310S）いくつかの欧州指定スキームで。 - JIS：SUS310、SUS310S（日本の規格は密接に対応しています）。 - GB（中国）：GB/T製品規格は、ステンレス鋼の同等の化学組成を参照することがよくあります。
分類：310および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、高合金グループ）です。これらは炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではありません。
2. 化学組成と合金戦略
表：標準で一般的に指定される典型的な組成範囲（wt%）。値は代表的な範囲です；バッチ値については特定の材料証明書を確認してください。
| 元素 | 310（典型的範囲） | 310S（典型的範囲） |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.25（最大0.25） | 0.03–0.08（最大0.08） |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 24.0–26.0 | 24.0–26.0 |
| Ni | 19.0–22.0 | 19.0–22.0 |
| Mo | —（微量） | —（微量） |
| V | — | — |
| Nb（Cb） | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10（微量） | ≤ 0.10（微量） |
合金が性能に与える影響： - クロムとニッケルはオーステナイトマトリックスを確立し、高温での酸化および腐食抵抗を提供します。高いCr（約25%）は優れたスケーリング抵抗を与えます。 - ニッケルはオーステナイト相を安定化させ、靭性を維持します。 - 炭素は高温強度とクリープ抵抗をある程度向上させますが、感作温度範囲（約425–870°C）での炭化物析出のリスクも増加させます。 - 310Sの低炭素は、溶接後や感作バンドでの曝露後の粒界炭化物析出のリスクを低下させ、溶接または感作された部品の腐食抵抗を改善します。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造： - 両グレードは、アニーリング状態で完全にオーステナイトです。典型的な粒構造は、溶接熱サイクル中に重要な冷間加工やデルタフェライトの形成が発生しない限り、安定したオーステナイトです。 - 急冷時にマルテンサイト変態は発生しません（オーステナイト系ステンレス鋼は急冷および焼戻しによって硬化しません）。
熱処理および熱処理： - 溶解アニーリング（一般的に1050–1120 °C）の後、急冷することでオーステナイトで腐食抵抗性のある微細構造が回復し、析出物が溶解します。 - 急冷によって硬化できないため、強度調整は冷間加工または合金選択に依存します。 - 310の高炭素は、感作範囲での曝露中にクロム炭化物析出の駆動力を増加させ、粒界クロム枯渇および粒界腐食を引き起こす可能性があります。310Sの低炭素はこのリスクを最小限に抑えます。 - 溶接熱サイクル：両グレードは溶接可能ですが、310Sは溶接後の感作に対してより少なく、粒界腐食を避けるための溶接後熱処理に対して注意が少なくて済みます。
4. 機械的特性
表：アニーリングされた材料の代表的な機械的特性（平坦圧延/典型的条件）。これらは示唆的であり、製品形状、厚さ、仕様によって値が変わる可能性があります。
| 特性 | 310（アニーリング、典型的） | 310S（アニーリング、典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 約500–600（典型的） | 約500–600（典型的） |
| 降伏強度（0.2%オフセット、MPa） | 約200–260 | 約200–240 |
| 伸び（%） | ≥ 40（良好な延性） | ≥ 40（わずかに良好な延性傾向） |
| 衝撃靭性 | 高い、低温でも靭性を保持 | 高い、低炭素のために同等またはわずかに良好 |
| 硬度（HB / HRC） | 中程度；アニーリングされた硬度は通常オーステナイト系ステンレス範囲内 | アニーリング状態で同等またはわずかに低い |
解釈： - アニーリング状態の機械的特性は非常に似ており、オーステナイトマトリックスが同じであるためです。310のわずかに高い炭素は、特に冷間加工や長期高温曝露後にわずかに高い強度を示すことがありますが、感作リスクの増加というコストが伴います。 - 両グレードは、フェライト/マルテンサイト鋼と比較して、特に低温で優れた靭性と延性を持っています。
5. 溶接性
溶接性は、炭素当量および熱影響部（HAZ）で硬いまたは脆い微細構造を形成する傾向に強く依存します。役立つ経験的指標には、IIW炭素当量およびPcm式が含まれます：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
310と310Sの定性的解釈： - これらの式における310/310Sの主な変数は$C$です。310Sの低炭素は、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を低下させ、HAZの問題のリスクを減少させ、感作を避け、溶接後の延性を維持する上でのより良い溶接性を示します。 - オーステナイト系ステンレス鋼は一般的にHAZで硬いマルテンサイトを形成しませんが、炭化物析出および粒界攻撃が懸念されます。感作範囲で曝露された溶接製品には、通常310Sが好まれます。溶接後のサービスが非常に高温（炭化物溶解範囲を超える）でのみ行われる場合や、クリープ強度が重要で感作が問題でない場合は、310が許容されることがあります。 - プレヒートおよびPWHTはマルテンサイトを避けるためにほとんど使用されません（適用外）、ただし、腐食性能が重要な場合は、溶接後に溶解アニーリングが指定されることがあります。
6. 腐食および表面保護
- 310および310Sは、高いCrおよびNiにより腐食抵抗があります。高温酸化雰囲気で優れた酸化抵抗を提供します（スケーリング抵抗）。
- 塩化物応力腐食割れ抵抗については、モリブデンを含まないオーステナイト鋼は、攻撃的な塩化物環境下で一般的に感受性があります；どちらのグレードも塩化物抵抗に特化していません。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、通常MoおよびNを含むステンレス鋼に適用されます。参考のため：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 310/310Sは通常、微量のMoおよび低いNを含むため、PRENはこれらのグレードにおけるピッティング抵抗の意味のある識別子ではありません；それらの抵抗は、表面状態、環境、および温度により依存します。
- 表面保護：非ステンレス鋼の場合、亜鉛メッキやコーティングを考慮します；310/310Sの場合、表面仕上げ、酸洗い、パッシベーション、またはアルミニウムメッキ（極端な酸化抵抗のため）が関連し、サービスに応じて異なります。310Sの低炭素は、炭化物が形成される可能性がある場合の粒界腐食に対する抵抗を改善します。
7. 製造、加工性、および成形性
- 成形性：両グレードはアニーリング状態で良好に成形および曲げることができますが、急速に加工硬化します（典型的なオーステナイトの挙動）。適切な工具とスプリングバックの余裕を使用してください。
- 加工性：オーステナイト系ステンレス鋼は、軟鋼と比較して加工が難しいです：加工硬化し、熱伝導率が低く、剛性のあるセットアップ、鋭い工具、および適切な送りが必要です。310/310Sは加工性が似ています；310Sは、いくつかの条件でわずかに低い硬度のため、わずかに加工しやすいかもしれません。
- 溶接および成形の順序計画：局所的な硬化を避け、歪みを制御するために、可能な限り溶接前に成形を優先してください。
- 表面仕上げ：研削、研磨、およびパッシベーションは、標準的なオーステナイト系ステンレスの実践に従います。
8. 典型的な用途
| 310（一般的な用途） | 310S（一般的な用途） |
|---|---|
| 高温酸化抵抗が主で、溶接が制御される炉の部品、マッフル、熱処理バスケット、産業用オーブン | 溶接された熱交換器部品、溶接感作を最小限に抑える必要がある化学処理装置 |
| バーナーおよび燃焼ハードウェア、放射管、高温クリープおよびスケーリング抵抗が必要な窯の部品 | 高温だが腐食性の環境で、溶接後の腐食抵抗が必要な配管、フィッティング、および溶接された容器 |
| 時折製造が行われる高温煙道ガス用途 | 頻繁な溶接、製造後の加工、または感作範囲でのサービスが必要な場合の低炭素代替品 |
選択の理由： - 最大の高温強度と酸化抵抗が優先され、感作の問題を避けるために製造が制御できる場合は310を選択してください。 - 溶接アセンブリが感作温度ウィンドウに置かれる場合、または溶接後の腐食抵抗と改善された溶接性が必要な場合は310Sを選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：310Sは、低炭素仕様を達成するために必要な生産管理のため、310よりもわずかに高く設定されることがよくあります。また、より重要な溶接用途に一般的に指定されます。実際の価格差はわずかで、市場のニッケルおよびクロムの価格によって変動します。
- 入手可能性：両グレードは、シート、プレート、コイル、パイプ、チューブの形状で広く入手可能です。310は標準的な高温部品のためにより一般的に在庫されることがありますが、310Sは圧力部品および溶接製品のために一般的に在庫されています。
- リードタイム：製品形状とサイズに依存します；特別なグレードで大口径または重厚セクションの製品を調達する場合、リードタイムが増加する可能性があります。
10. 概要と推奨
表：簡単な概要
| 属性 | 310 | 310S |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好ですが、溶接後の感作リスクが高い | より良好 — 低炭素が感作を減少させ、溶接後の腐食抵抗を改善 |
| 強度 – 靭性 | 高温強度は同等；310は一部の高温曝露でわずかに高い強度を示すことがあります | 同様の靭性；わずかに良好な延性と粒界炭化物問題のリスクが低い |
| コスト | わずかに低いか同等 | わずかなプレミアムが一般的 |
最終的な推奨： - 最大の高温酸化/腐食抵抗が優先され、部品が感作問題にさらされない場合（例えば、交換可能な炉内部や非溶接の高温部品）、またはわずかに高い高温クリープ強度が必要で、溶接の曝露/条件が制御されている場合は310を選択してください。 - 設計に広範な溶接が含まれ、溶接後の粒界腐食のリスクを最小限に抑える必要がある場合、または感作温度範囲での時間が長い場合は310Sを選択してください。310Sは、溶接された圧力部品および製造された容器において、製造後の腐食抵抗が重要な場合のより安全な仕様です。
締めくくりのメモ：両グレードは高温サービスに優れた選択肢です。炭素仕様が重要な差別化要因です：溶接手順、意図されたサービス温度（特に部品が425–870°Cの感作範囲を横断するか、またはその範囲に留まるか）、およびコスト/入手可能性を評価して最終選択を行ってください。