316対316L - 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
タイプ316および316Lオーステナイト系ステンレス鋼は、配管や圧力容器から化学処理装置や食品接触面まで、業界で最も広く指定されているグレードの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、選択時にわずかに高い強度、加工特性、耐食性、価格のトレードオフを考慮することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、粒界腐食や感作が懸念される溶接組立と、わずかに高い降伏強度や低い材料コストが好まれる用途が含まれます。
基本的な違いは、制御された炭素含有量です。「L」バリアントは、溶接後や感作温度にさらされた後のクロムカーバイドの析出リスクを減らすために、最大炭素レベルが低くなるように製造されています。この違いは、粒界腐食への感受性に直接影響し、溶接または高温にさらされる部品の材料選択に影響を与えます。
1. 規格と呼称
これらのグレードの一般的な国際規格と呼称には以下が含まれます：
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240（板、シート） — UNS S31600（316）、UNS S31603（316L）
- EN: EN 10088-2 / EN 10088-3（ステンレス鋼） — X5CrNiMo17-12-2（316）、X2CrNiMo17-12-2（316L）
- JIS: SUS316、SUS316L
- GB（中国）: 0Cr17Ni12Mo2および00Cr17Ni12Mo2（おおよそ対応）
分類: 316および316Lは、オーステナイト系ステンレス鋼（ステンレス）です。これらは炭素鋼、合金鋼、工具鋼、またはHSLA鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
2つのグレードは、主に同じ主要合金元素（Cr、Ni、Mo）を共有しており、主な制御変数は炭素です。以下は、広く使用されている規格によって指定された一般的な限界または典型的な範囲を示す簡潔な組成表です。値は重量パーセント（wt%）で示されており、標準が最大を設定している場合はそれが示されています。
| 元素 | 316（典型的な限界） | 316L（典型的な限界） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt%（最大） | ≤ 0.03–0.035 wt%（最大） |
| Mn | ≤ 2.0 wt%（最大） | ≤ 2.0 wt%（最大） |
| Si | ≤ 1.0 wt%（最大） | ≤ 1.0 wt%（最大） |
| P | ≤ 0.045 wt%（最大） | ≤ 0.045 wt%（最大） |
| S | ≤ 0.030 wt%（最大） | ≤ 0.030 wt%（最大） |
| Cr | 16.0–18.0 wt%（典型的） | 16.0–18.0 wt%（典型的） |
| Ni | 10.0–14.0 wt%（典型的） | 10.0–14.0 wt%（典型的） |
| Mo | 2.0–3.0 wt%（典型的） | 2.0–3.0 wt%（典型的） |
| V | 指定なし / 微量 | 指定なし / 微量 |
| Nb (Cb) | 通常は存在しない（安定化されていない限り） | 通常は存在しない（安定化されていない限り） |
| Ti | 通常は存在しない（316Tiとして安定化されていない限り） | 通常は存在しない |
| B | 通常は存在しない / 微量 | 通常は存在しない / 微量 |
| N | 低レベルに制御（微量） | 低レベルに制御（微量） |
合金戦略と効果： - クロム（Cr）は、ステンレス鋼に耐食性を与える不活性酸化物膜を提供します。 - ニッケル（Ni）は、オーステナイト微細構造を安定化させ、靭性と成形性を向上させます。 - 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クレバス腐食に対する抵抗を高めます。 - 炭素は、固溶体強化を通じて強度を高め、クロムおよび熱暴露と組み合わせることで粒界でのカーバイド形成に寄与する可能性があります。316Lの炭素を低くすることで、クロムカーバイドの析出を最小限に抑え、溶接後や感作温度にさらされた後の粒界腐食に対する抵抗を改善します。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造： - 316および316Lは、溶解アニーリング後に完全にオーステナイトであり、微細構造は面心立方（FCC）オーステナイトであり、一部の鋳造または溶接された微細構造には微量のデルタフェライトが含まれる可能性があります。 - カーバイド析出：おおよそ425〜870°C（感作範囲）の温度で、炭素とクロムは粒界でクロムリッチカーバイド（$\text{Cr}_{23}\text{C}_6$）を形成する可能性があります。これにより、粒界近くのクロムが枯渇し、粒界腐食への感受性が高まります。
熱処理応答と加工： - 溶解アニーリング（最終加工に典型的）：溶解温度（例：1,000〜1,100°C）まで加熱し、その後急冷することで、両グレードの単相オーステナイト構造を回復し、析出物を溶解します。 - 正常化および焼入れは、オーステナイト系ステンレス鋼には一般的に使用されません。なぜなら、マルテンサイトに変態しないからです。熱機械加工（冷間加工の後に溶解アニーリングを行う）がより一般的です。 - 316Lは、炭素含有量が低いため、遅い冷却や溶接後の熱サイクル中のカーバイド析出に対して感受性が低く、これにより多くのケースで溶接後の溶解アニーリングを必要とせずに粒界腐食に対する抵抗が改善されます。 - 安定化バリアント（例：316Tiまたは316Cb/Nb）は、炭素を安定したカーバイドとして固定するためにTiまたはNbを意図的に添加し、したがってクロムカーバイドの形成を防ぎます。これは、高温サービスが溶解アニーリングを妨げる場合に有用です。
4. 機械的特性
定量的な機械的特性は、製品形状（板、バー、チューブ）、冷間加工、および熱処理に依存します。固定された数値ではなく、実際の比較は次のとおりです：
| 特性 | 316 | 316L |
|---|---|---|
| 引張強度 | 類似（比較可能な究極の引張強度） | 類似 |
| 降伏強度 | わずかに高い（Cが高いため） | わずかに低い（降伏が減少） |
| 伸び / 延性 | 比較可能、良好な延性 | 比較可能、しばしばわずかに高い延性 |
| 衝撃靭性 | 比較可能で、一般的に常温で良好 | 比較可能で、一般的に良好 |
| 硬度 | 類似 / 冷間加工に依存 | 類似；焼鈍状態ではわずかに低い |
これらの違いの理由： - 炭素は、固溶体および潜在的なカーバイドの存在を通じて降伏強度に寄与します。316は通常、焼鈍条件下で316Lよりもわずかに高い降伏強度を示します。 - 316Lの低炭素は、延性と靭性をわずかに改善し、溶接後の延性が重要な場合に好まれます。
5. 溶接性
両グレードの溶接性は、多くの鋼に対して優れています。オーステナイト系ステンレス鋼は、溶接された製品で広く使用されています。主要な溶接性の考慮事項：
- 炭素の影響：低炭素は、溶接後の冷却中のクロムカーバイド析出の駆動力を減少させるため、316Lは316と比較して溶接感作に対する優れた抵抗を持ちます。
- 硬化性：オーステナイト系ステンレス鋼は冷却時にマルテンサイトに変態しないため、水素割れの懸念はフェライト鋼やマルテンサイト鋼よりも少なくなります。ただし、特定の熱サイクルにおける熱割れやシグマ相の形成は関連する可能性があります。
- フィラー金属の使用：腐食抵抗を維持するために、マッチングまたはオーバーマッチングのフィラー合金（例：ER316L）が一般的です。
溶接エンジニアによって使用される関連する方程式（定性的な解釈のみ）： - 硬化性または溶接性評価のためのクロム等価 / 炭素等価： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - より複雑な予測インデックス： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈： - 低い$C$は、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の寄与を減少させ、したがって、遅い冷却や長時間の曝露で有害な相を形成する傾向が低いことを示します。したがって、316Lは感作リスクを最小限に抑えるためにこれらのインデックスでより良いスコアを得ます。 - 実際の意味：感作範囲での長時間の等温保持や遅い冷却を伴う溶接構造には、316Lまたは安定化グレードが推奨されます。短い溶接サイクルで強度が優先される場合には、適切な手順を用いて316が許容される場合があります。
6. 腐食と表面保護
ステンレスの文脈： - ステンレス鋼に対して、ピッティング抵抗等価数（PREN）は、塩素環境における局所的な腐食抵抗を比較するために一般的に使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - 316および316Lは、CrおよびMoが類似しているため、内因的なピッティング抵抗は本質的に同等です（窒素レベルが類似していると仮定）。重要な違いは、溶接後または熱にさらされた条件にあります：316Lの低炭素は、粒界のクロム枯渇を減少させ、したがって粒界腐食への感受性を低下させます。
非ステンレスの文脈： - （ここでは適用されません；非ステンレス鋼に対しては、亜鉛メッキやコーティングなどの保護システムが議論されます。）
インデックスが適用できない場合： - PRENは、塩素を含む媒体におけるピッティングのために合金をランク付けするのに有用です。一般的な腐食抵抗、機械的挙動、またはカーバイド析出による粒界腐食への感受性を捉えるものではありません。
7. 加工、機械加工、および成形性
- 成形性：316および316Lは、オーステナイトの延性のおかげで優れた成形性（深絞り、曲げ）を示します。316Lは、わずかに低い降伏強度のため、焼鈍状態で成形がわずかに容易になる場合があります。
- 機械加工性：オーステナイト系ステンレス鋼は加工硬化します。機械加工性は、炭素鋼と比較して一般的に中程度から悪いです。316と316Lは同様に加工されますが、プロセスパラメータと工具が実際のチップ制御と表面仕上げを決定します。
- 表面仕上げ：両者は一般的なステンレス仕上げ（ポリッシュ、ビードブラスト、パッシベーション）を受けます。加工後のパッシベーションは、特に溶接や酸洗いの後に、クロムリッチの不活性膜を回復するために推奨されます。
- 溶接および溶接後の処理：316Lは、多くの状況で溶接後の溶解アニーリングの必要性を減少させます。ただし、非常に腐食性のある用途や最大の抵抗が必要な場合には、溶解アニーリングが指定されることがあります。
8. 典型的な用途
| 316 | 316L |
|---|---|
| 海洋および化学サービスにおける熱交換器、ポンプ、バルブ（わずかに高い強度または標準の316材料が利用可能な場合） | 溶接の完全性と溶接後の粒界腐食に対する抵抗が重要な化学プロセス配管、製薬機器、および医療機器 |
| 海洋および建築用のファスナー、フィッティング、およびハードウェア | 遅い冷却または溶接後の熱曝露が予想される大型溶接タンク、反応容器、および配管 |
| 一般的な食品加工機器 | 低炭素がカーバイド析出のリスクを最小限に抑え、加工/溶接が一般的な低温タンクおよび配管 |
| 標準の316在庫がより経済的で、加工方法が感作を引き起こさない部品 | 安定化や溶解アニーリングなしで感作リスクを最小限に抑える必要があるすべての用途 |
選択の理由： - 特別な溶接感作が許容され、わずかに高い降伏強度が受け入れられる場合、またはコスト/入手可能性がそれを支持する場合は316を選択します。 - 溶接が広範囲にわたる場合、溶接後の熱曝露がある場合、またはコード/業界の慣行が粒界腐食を避けるために低炭素グレードを要求する場合は316Lを選択します。
9. コストと入手可能性
- コスト：316Lは、炭素の厳格な管理や時には追加の加工のため、通常は316よりもわずかに高価です。ただし、市場のプレミアムは小さく、地域や供給条件によって異なります。
- 入手可能性：両グレードは、シート、プレート、バー、チューブ、およびパイプで広く入手可能です。316は商品在庫でより一般的であることが多いですが、316Lは製薬、石油化学、食品産業での広範な需要により、溶接およびシームレスパイプ、シート、フィッティングで容易に入手可能です。
- 長納期または特殊な製品形状（大型鍛造品、重板）は納期がある場合があります。供給を確保し、代替を避けるために、調達の早い段階でグレードを指定してください。
10. まとめと推奨
| 基準 | 316 | 316L |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好；316Lに対して感作リスクが増加 | 溶接組立に対してより良好；感作リスクが低い |
| 強度–靭性 | わずかに高い降伏強度；類似のUTSと靭性 | わずかに低い降伏強度；比較可能な靭性と延性 |
| コスト | わずかに低い（しばしば） | わずかに高い（しばしば） |
推奨： - 設計がわずかに高い降伏強度を好み、加工プロセスが感作範囲での時間を最小限に抑え（急冷または溶接後の溶解アニーリングが行われる）、コスト/在庫の入手可能性が316を支持する場合は316を選択します。 - 組立に広範囲な溶接、遅い冷却、または感作を引き起こす可能性のあるサービス曝露が含まれる場合、またはコードや資格基準が低炭素材料を要求する場合、または溶接後の粒界腐食に対する最大の抵抗が重要な場合は316Lを選択します。
最終的な実用的な注意：重要な高温または非常に腐食性のサービスには、安定化グレード（316Ti/316Cb）、高合金ステンレスファミリー（例：デュプレックス、スーパーオーステナイト）、溶接後の溶解アニーリング、または適切なフィラー金属の指定を検討してください。材料選択を最終決定する前に、腐食および溶接エンジニアとともに適用されるコードや環境曝露を常に確認してください。