316対310S – 成分、熱処理、特性、および用途

イントロダクション

エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、腐食性または高温環境向けの部品を指定する際に、316と310Sステンレス鋼の選択に直面することがよくあります。この決定は通常、腐食抵抗性と溶接性を高温強度と酸化抵抗性、さらには初期コストと供給の考慮事項とバランスを取ります。両者はオーステナイト系ステンレス鋼であり、多くの加工特性を共有していますが、316は一般的に塩化物を含む環境や溶接性に敏感な用途に選ばれ、310Sは持続的な高温酸化抵抗性とクリープ強度が必要な場合に選ばれます。

主な実用的な違いは、316がモリブデン合金化によって腐食（特にピッティング）抵抗を改善することを強調するのに対し、310Sは高クロムおよびニッケル含有量によって高温安定性と酸化抵抗を強調することです。これらの異なる合金化戦略は、機械的挙動、加工応答、および用途の適合性に違いをもたらします。

1. 規格と指定

• 一般的な規格と仕様：
• ASTM/ASME: 316 (A240/A312/A403ファミリー、低炭素316LのためのUNS S31600 / S31603)および310S (A240、UNS S31008)。
• EN: 316 / 316Lのための1.4401 / 1.4404; 310Sのための1.4845。
• JIS: SUS316 / SUS316LおよびSUS310S。
• GB: 06Cr19Ni10（約316）、0Cr25Ni20（約310S）の名称が見られることがあります。
• 分類: 両者はステンレス鋼（オーステナイト系）です。炭素鋼、工具鋼、またはHSLAグレードではありません。

2. 化学組成と合金化戦略

以下の表は、商業用アニーリンググレードの典型的な組成範囲を示しています。範囲は規格や生産者によって異なります; 以下の値は代表的なものです。

合金化戦略と効果： - クロム（Cr）は不活性酸化膜と高温酸化抵抗を確立します。310Sは高温でのスケーリング抵抗を向上させるために、かなり高い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し、靭性と延性を改善します。310Sは高温での延性を保持し、クリープに抵抗するために高いNiを持っています。 - 316のモリブデン（Mo）は、塩化物を含む環境でのピッティングおよび隙間腐食に対する抵抗を高め、局所的な腐食抵抗を増加させます（310Sには存在しません）。 - 炭素含有量は炭化物の析出と感作に影響を与えます。低炭素バリアント（316L / 310S）は、溶接後の粒界攻撃を減少させます。 - 微量添加物（Nb、Ti）は、安定化グレードで炭素を固定し、感作を防ぐために使用されます。

3. 微細構造と熱処理応答

• 微細構造：316と310Sは、典型的なアニーリング状態で常温において完全にオーステナイト（面心立方）です。冷却時にマルテンサイトに変態しません。
• 熱処理応答：
• 溶解アニーリング（例：1,040–1,100°C）後に急冷することが、両方の合金の析出物を溶解し、腐食抵抗を回復させるための標準的な処理です。
• どちらのグレードも、従来の焼入れおよび焼戻し処理によって大幅に硬化することはできません。強化は冷間加工または高温固溶強化によって達成されます（例：310Sの場合）。
• 中間温度（約450–900°C）では、両方の合金は十分に保持されるとシグマ相または炭化物の析出に対して感受性があります。310Sの高いNi含有量は、いくつかの温度での相の安定性を改善しますが、316のMoは特定の条件下でシグマ形成を促進する可能性があります。適切な熱処理と低炭素または安定化バリアントの選択は感作を軽減します。
• 熱機械加工（圧延、鍛造）後に適切なアニーリングを行うことで、両方の合金に細粒オーステナイトが生成されます。冷間加工は強度を増加させますが、同時に加工硬化を引き起こし、延性を低下させます。

4. 機械的特性

典型的な常温、アニーリング特性範囲（注：実際の値は製品形状、厚さ、供給者によって異なります）：

解釈： - 310Sは、より重い合金化とより大きな固溶強化（高いCrおよびNi）により、アニーリング状態で通常より高い引張強度と降伏強度を示します。 - 316は一般的により高い延性を示し、常温および低温でより靭性がある傾向があります。これはNi含有量とCrからの固溶強化の寄与が低いためです。 - どちらのグレードもアニーリング状態で高硬度を設計されていません。冷間加工は強度を増加させますが、延性を犠牲にします。

5. 溶接性

オーステナイト系ステンレス鋼は、最も溶接しやすいステンレスファミリーの一つですが、実際には違いが重要です。

• 要因：
• 炭素レベル、残留元素、および合金含有量は、熱亀裂感受性、凝固モード、および溶接後の腐食抵抗に影響を与えます。
• 両者がオーステナイト系であるため、マルテンサイト変態および硬化性に関連する亀裂のリスクは低いです。
• 有用な指標：
• 一般的な溶接性のための炭素当量：
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ より高い値は、フェライト鋼における硬化性と亀裂の可能性を示します。オーステナイト系では、この式は合金化効果を比較するために定性的に使用されます。
• ステンレス鋼のための溶接パラメータ：
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ 大きな$P_{cm}$は、溶接中の粒界亀裂現象の傾向が増加することを示唆します。
• 定性的解釈：
• 316は腐食抵抗のためにMoの恩恵を受けますが、全体的には中程度のCE/Pcmを持っています。標準的なフィラー金属（例：316/316Lまたは異種接合用の309）で容易に溶接でき、溶接熱影響部で良好な延性を示します。低炭素または安定化グレードの使用は感作を減少させます。
• 310Sは多くの条件で良好に溶接しますが、その高い合金含有量は凝固亀裂感受性を高め、フィラーの選択や前後の溶接実践がより重要になります。特に厚いセクションや多パス溶接の場合です。310/310Lフィラーまたは異種接合用の309が一般的です。
• いずれのグレードも、金属学的理由から前加熱はほとんど必要ありませんが、熱入力、パス間温度、およびフィラー化学の注意が、歪みの制御やシグマ相の析出を避けるために重要です。

6. 腐食と表面保護

• ステンレスの挙動：
• PREN（ピッティング抵抗等価数）の使用は、局所的な腐食抵抗を比較するのに役立ちます：
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
  • 316のMo含有量は310Sに対してPRENを高め、316は塩化物を含む環境でのピッティングおよび隙間腐食抵抗が優れています。
  • 310SはMoがないため、主に高いCrによって駆動されるPRENを持ち、一般的な腐食および酸化抵抗は良好ですが、Moを含むグレードよりもピッティング抵抗は劣ります。
• 高温酸化：
• 310Sは、高いCrおよびNiのおかげで、高温での酸化抵抗およびスケーリング抵抗に優れています（例：炉作業、排気部品）。
• ステンレス保護が使用されない場合：
• 非ステンレス鋼の場合、保護は亜鉛メッキ、塗装、またはコーティングによって行われます。これらの2つのステンレス合金を比較する際には適用されませんが、製造後に不活性膜を回復するために表面処理（パッシベーション、酸洗い）が使用される場合を除きます。
• 明確化：PRENはステンレス鋼間のピッティング抵抗を比較するために意味がありますが、均一な酸攻撃や高温酸化のような一般的な腐食メカニズムには適用されません。

7. 加工、機械加工、および成形性

• 成形および曲げ：
• 316は、わずかに優れた延性と低い加工硬化率のため、一般的に成形および曲げが容易です。
• 310Sは、より高い強度と強い加工硬化傾向のため、成形およびスプリングバックに対してより抵抗があります。
• 機械加工：
• 両方のグレードは炭素鋼よりも加工が難しいです。316は通常310Sよりもわずかに加工しやすいですが、両方とも剛性のあるセットアップ、鋭い工具、および頻繁な工具交換を必要とします。高フィード、ポジティブレークのカーバイド工具とフラッドクーラントの使用が一般的です。
• 表面仕上げ：
• 両方とも良好に研磨および仕上げが可能です。316の中程度の温度でのスケーリングが少ないため、溶接後に一貫した仕上げを達成しやすくなります。
• 加工ノート：
• 高温部品（310S）の場合、機械加工の余裕と熱処理計画は歪みとスケーリングを考慮する必要があります。

8. 典型的な用途

選択の理由： - 塩化物によるピッティング、隙間腐食、腐食抵抗を保持した溶接性が主な懸念事項である環境では316を選択してください。 - 高温での酸化スケーリングやクリープ抵抗が設計要件の主な要素である場合は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、ニッケル含有量が大幅に高く、クロム含有量も高いため、一般的に316よりも1キログラムあたりのコストが高くなります。
• 316は通常、コストが低く、より広範な商品形状で入手可能です。
• 製品形状による入手可能性：
• 316：プレート、シート、パイプ、チューブ、バー、ファスナー、および広範な冷間加工および低炭素バリアント（316L）で広く入手可能です。
• 310S：シート、プレート、高温特注形状で入手可能ですが、商品ファスナーや低コスト形状ではあまり一般的ではありません。
• 調達ガイダンス：高温抵抗が必要ない大規模プロジェクトの場合、316はより良い総コストと供給の安定性を提供する可能性があります。高温特注部品の場合、310Sの入手可能性は通常十分ですが、リードタイムとコストプレミアムが予想されるべきです。

10. まとめと推奨

推奨： - 塩化物によるピッティング抵抗、優れた溶接性、保持された腐食性能、良好な延性と靭性、低い材料コストまたは広範な供給が主なニーズである場合は316（または316L）を選択してください。典型的な使用例：海洋、化学処理、食品/製薬タンクおよび配管。 - 長期的な高温酸化抵抗、スケーリング抵抗、またはクリープと熱安定性が重要な高温でのサービスが主なニーズである場合は310Sを選択してください。典型的な使用例：炉部品、放射管、キルンハードウェア、高温ダクト。

最終ノート：両方の合金は、明示的な製品形状、仕上げ、および溶接後の熱処理または安定化要件を指定するのが最適です。材料供給者および溶接手順仕様（WPS）に相談して、フィラー合金の選択、前後の溶接実践、およびシグマ相の形成、感作、早期故障を避けるための用途特有の温度制限を確認してください。