310S対321 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、部品を指定する際に、高温性能、耐腐食性、溶接性、コストのバランスを取る必要がある場合、一般的に310Sと321のステンレス鋼の選択に直面します。典型的な意思決定の文脈には、高温炉のコンポーネント、熱交換器、排気システム、感作条件にさらされる可能性のある溶接アセンブリが含まれます。

この2つのグレードの中心的な実用的な違いは、高温および溶接後の安定性のための合金戦略です：310Sは、高温での酸化およびクリープ抵抗に最適化された高クロム、高ニッケルのオーステナイト合金であり、321は、クロムカーバイドの沈殿を防ぐことによって、溶接後の粒界腐食に抵抗するように設計されたチタン安定化オーステナイト合金です。その違いのために、設計者は、アプリケーションが温度能力、溶接性能、長期的な耐腐食性に同時に要求を課す場合に、これらを比較します。

1. 規格と指定

これらのグレードに一般的に使用される主要な規格と指定には以下が含まれます： - ASTM/ASME：310S — ASTM A240/A240M（耐熱性ステンレス鋼）、321 — ASTM A240/A240M（安定化オーステナイトステンレス鋼）。 - EN（ヨーロッパ）：310SはおおよそEN 1.4845 / X10CrNi25-21；321はおおよそEN 1.4541 / X6CrNiTi18-10。 - JIS（日本）：同等品が存在します（例：SUS310S、SUS321）。 - GB（中国）：対応するGB/T指定が一般的にシートおよびプレートに使用されます。

分類：310Sと321はどちらもオーステナイトステンレス鋼（ステンレス合金クラス）であり、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

元素（wt%）	310S（典型的な範囲）	321（典型的な範囲）
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.5	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	24 – 26	17 – 19
Ni	19 – 22	9 – 12
Mo	—（あれば微量）	—（あれば微量）
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	~0.4 – 0.7（安定剤；通常は≥ 5×C）
B	—	—
N	≤ 0.10	≤ 0.10

合金戦略に関する注意 - 310Sは、高温でオーステナイトマトリックスを安定化させるために高クロムおよびニッケル含有量に依存し、酸化抵抗と高温強度を向上させます。 - 321は、チタンを十分な量含み、安定したカーバイド（TiC）として炭素を固定し、425–870°C範囲でのクロムカーバイドの沈殿（感作）を防ぎます。チタンは基材の耐腐食性を大幅に向上させるわけではありませんが、溶接後や熱暴露後にそれを保持します。

合金が特性に与える影響 - クロムは酸化抵抗とパッシブフィルムの安定性を向上させます。 - ニッケルはオーステナイトマトリックスを安定化させ、靭性と延性を改善し、高温での強度を向上させます。 - 321のチタンは、クロムカーバイドの代わりに安定したカーバイドを形成することによって、溶接後の粒界腐食抵抗を改善します。 - 高炭素（ここでは典型的ではない）は強度を増加させますが、感作の感受性を高めます；両方のグレードはその影響を制限するために低炭素バリアントです。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造 - 310Sと321は、標準のアニーリング条件下で室温で完全にオーステナイトです。アニーリング後の粒構造は等軸オーステナイトです。 - 321は、溶接後または露出条件下でTiC/Ti(C,N)の沈殿物を含み、炭素を固定します；これらの沈殿物は通常細かく、粒界や粒内に分布しています。 - 310Sはチタンを含まないため、感作範囲内での熱的逸脱では、クロムカーバイド（Cr23C6）が粒界近くに沈殿する可能性がありますが、熱入力と冷却に注意が必要です。

熱処理応答と加工 - アニーリング：両方とも冷間加工後に延性を回復するためにアニーリングされます（典型的なアニーリングの後に制御冷却）。ステンレスオーステナイトの溶解は、通常、規格が推奨する範囲内にあります（サプライヤーのデータシートに従ってください）。 - 正常化および急冷/焼戻し：マルテンサイト鋼と同じ意味では適用されません—これらのオーステナイト合金は急冷によって硬化しません。従来の急冷および焼戻しに対する応答は最小限です。なぜなら、これらは変形しないオーステナイト合金だからです。 - 熱機械加工：冷間加工は、両方のグレードでひずみ硬化によって強度を増加させます；ただし、321の冷間加工とその後の加熱は、チタンが炭素を安定化させるため、310Sと同じ程度の感作を引き起こしません。

実用的な意味 - 繰り返しの熱サイクルや溶接にさらされる部品には、321がより予測可能な溶接後の微細構造と粒界攻撃に対する抵抗を提供します。連続的な高温酸化抵抗サービスには、310Sの高いCr/Ni含有量が利点をもたらします。

4. 機械的特性

特性（典型的、アニーリング、室温）	310S	321
引張強度	同等；どちらも中程度（オーステナイト）	同等；類似の範囲
降伏強度（0.2%オフセット）	同等；中程度	同等；中程度
伸び（延性）	高い（良好な成形性）	高い（良好な成形性）
衝撃靭性	良好、RTでノッチ靭性；高温で靭性を保持	良好；安定化により溶接後も靭性を保持
硬度（アニーリング）	低から中程度（冷間加工しやすい）	低から中程度（冷間加工しやすい）

解釈 - 両方のグレードは、アニーリング状態のオーステナイトステンレス鋼であるため、室温での機械的挙動は類似しています。違いは微妙です：310Sの高いNiとCrは、やや優れた高温強度とクリープ抵抗を提供します；321のチタン含有量は、溶接後や熱暴露後の靭性と耐腐食性を維持するのに役立ちます。設計上重要な荷重支持部品については、指定された製品形状と熱処理に対するサプライヤー認定の機械試験データを使用するべきです。

5. 溶接性

溶接性の考慮事項は、炭素含有量、安定化元素、および硬化性に焦点を当てています。ステンレス鋼の場合、炭素当量とPcmは有用な定性的指標となることがあります。

溶接亀裂/硬化傾向を推定するために使用される一般的な方程式： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈 - 310Sと321は、オーステナイト微細構造がマルテンサイト変態を受けず、低い硬化性を持つため、フェライト鋼やマルテンサイト鋼と比較して比較的溶接が容易です。 - 321は、溶接後の熱サイクルにさらされる溶接部品に対して有利です。なぜなら、チタンがクロムカーバイドの形成を防ぎ、熱影響部（HAZ）における粒界腐食のリスクを低減するからです。 - 310Sは溶接可能ですが、アセンブリが感作温度や腐食環境にさらされる場合、溶接パラメータと溶接後の手順を慎重に管理する必要があります；フィラーの選択と適切な溶接後の冷却が重要です。 - これらのオーステナイトグレードには、前加熱および溶接後の熱処理は一般的に必要ありませんが、良好な溶接実践（適切な消耗品、熱入力の管理、清掃）が重要で、汚染や窒素損失を避ける必要があります。

6. 腐食と表面保護

ステンレスの挙動 - 310Sと321は、酸化環境で保護的なクロムリッチなパッシブフィルムを形成します；一般的な腐食に対する抵抗は、多くの水性環境で類似しています。 - 310Sは高いCrとNiを持っているため、高温酸化抵抗が優れており、高温での酸化雰囲気での性能が向上します。 - 321のチタン安定化は、感作温度範囲にさらされた後の粒界腐食を防ぐことを特に目的としています。

PREN（ピッティング抵抗等価数）は、塩素を含む環境でのピッティング抵抗を比較するためにしばしば使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - PRENは、モリブデンと窒素を含む二相およびオーステナイトステンレス鋼に最も有用です。310Sと321は通常モリブデンをほとんど含まないため、PRENは主要な選択基準ではありません：両方ともモリブデンを含むグレードに対して控えめなピッティング抵抗を持っています。

非ステンレスの代替品と表面保護 - ステンレスグレードが必要ない場合、一般的な表面保護には亜鉛メッキ、塗装、クラッディングが含まれます。これらは高温や攻撃的な酸化環境でのステンレス性能の代替にはなりません；選択は予想されるサービス条件に依存します。

7. 製造、加工性、成形性

• 加工性：オーステナイトステンレス鋼として、どちらも炭素鋼よりも加工が難しいです；すぐに作業硬化し、鋭い工具、剛性のあるセットアップ、適切な送り/速度が必要です。310Sは合金含有量が高いため、やや加工が難しいかもしれませんが、違いは控えめです。
• 成形性：両方ともアニーリング状態で優れた延性と成形性を示します。スプリングバックと作業硬化は一般的な考慮事項であり、重い成形には中間アニーリングが必要な場合があります。
• 表面仕上げと研磨：310Sの高い耐腐食性は一般的に良好に研磨され、高温の酸化に耐えます；321も良好に研磨されます。
• 冷間加工：両方とも強度を増加させるために冷間加工できますが、冷間加工は延性を低下させ、再アニーリングしない限り腐食挙動を変える可能性があります。

8. 典型的な用途

310S — 典型的な用途	321 — 典型的な用途
炉の部品、マッフル、放射管（高温酸化サービス）	航空機の排気部品、膨張継手、溶接された化学処理装置（粒界腐食に対して安定化）
高温で動作する熱交換器のコンポーネント	溶接後の耐腐食性が重要なボルト、フランジ、溶接製品
バーナーライナー、アニーリングバスケット	サイクル熱負荷や溶接にさらされる石油化学および食品加工装置

選択の理由 - 連続的またはサイクルの高温酸化抵抗と高温強度が主な要件である場合は310Sを選択してください。 - 溶接接合部が感作範囲で耐腐食性を保持する必要がある場合や、部品が繰り返し熱サイクルにさらされ、溶接が広範囲に行われる場合は321を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：310Sは通常、ニッケルとクロムの含有量が高いため、321よりも1キログラムあたりのコストが高くなります。ニッケルが主要なコスト要因です。
• 入手可能性：両方ともシート、プレート、チューブ、バーの形状で世界中で広く入手可能ですが、特定の製品形状（例：310Sの大口径シームレスチューブ）はあまり一般的ではなく、リードタイムが長くなることがあります。地域の市場条件やニッケル価格の変動が相対的なコストとリードタイムに影響を与えます。

10. 概要と推奨

属性	310S	321
溶接性	良好ですが、一部の条件でHAZ感作に注意	溶接構造に非常に良好（チタン安定化）
強度–靭性（室温）	321と同等；高温強度が優れている	310Sと同等；溶接後の耐腐食性が優れている
コスト	高い（高いNi/Cr）	低い（中程度のNi/Cr）

推奨事項 - 310Sを選択する場合： - アプリケーションが優れた高温酸化抵抗またはクリープ抵抗を必要とする場合。 - 高温または酸化雰囲気での連続サービスが主要な設計要因である場合。 - 追加の材料コストが温度での性能によって正当化される場合。

• 321を選択する場合：
• 部品が頻繁に溶接されるか、感作を引き起こす可能性のある一時的な熱サイクルにさらされる場合。
• 溶接構造における粒界腐食に対する長期的な抵抗が重要な場合。
• 良好な一般的な耐腐食性と安定した溶接後の性能を持つコスト効果の高いオーステナイトグレードを希望する場合。

最終的な注意 材料選択は常にサプライヤーのミル証明書で確認し、部品の形状、予想される熱サイクル、環境（酸化性対還元性、塩素の存在）、および製造プロセスを考慮してください。重要なアプリケーションの場合、特定の製品形状に対する完全な機械試験データを要求し、疑問がある場合は、代表的な模擬溶接および腐食試験を実施して、意図したサービス条件で選択したグレードを検証してください。