316対316Ti – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

タイプ316およびタイプ316Tiは、化学処理、海洋、食品、熱交換器産業で広く使用されてい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、わずかに異なる耐食性、溶接性、熱安定性、コストの間で選択のジレンマに直面することがよくあります。たとえば、優れた一般的な耐食性を持つ低コストの材料と、高温に長期間さらされることを意図した安定化バリアントの間での選択です。

主な冶金的な違いは、316Tiが炭素を結合し、高温曝露中のクロムカーバイドの析出リスクを減らすために意図的にチタンを添加していることです。316は、安定化されていない従来のモリブデンを含むオーステナイト系グレードです。この安定化戦略のため、設計が溶接後の曝露、高温サービスの長期耐久性、または溶接フィラーおよび溶接プロセスパラメータの選択を許容しなければならない場合、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

• ASTM / ASME:
• 316: ASTM A240 / ASME SA240 (UNS S31600)
• 316Ti: ASTM A240 / ASME SA240 (一般的に316Ti、UNS S31635またはEN 1.4571として指定される)
• EN (ヨーロッパ):
• 316: EN 1.4401
• 316Ti: EN 1.4571
• JIS (日本): 同等品が存在する (例: SUS316)
• GB (中国): 同等品が存在する (例: 0Cr17Ni12Mo2)

分類: 316および316Ti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鋼ではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、一般的な規格に従った典型的な組成範囲（wt%）を示しています（範囲は単一の独自分析ではなく、標準仕様を反映しています）。正確な組成は仕様および生産者によって異なります。

合金が挙動に与える影響: - クロム (Cr) は、ステンレス鋼に耐食性を与える不活性膜を提供します。 - ニッケル (Ni) はオーステナイト相を安定化し、靭性と延性を向上させます。 - モリブデン (Mo) は、塩素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 (C) は強度をわずかに増加させますが、感作温度範囲（約450–850°C）にさらされると、粒界でのクロムカーバイドの形成を促進し、粒間腐食抵抗を低下させます。 - 316Tiのチタン (Ti) は、安定したチタンカーバイドおよび窒化物を優先的に形成し、炭素がクロムを結びつけるのを防ぎ、重要な温度範囲にさらされた後の感作リスクを減少させます。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造: - 316および316Tiは、溶解アニーリング状態で完全にオーステナイト（面心立方）です。典型的な微細構造はオーステナイトマトリックスで構成されており、熱履歴に応じてカーバイド（M23C6）、窒化物、または金属間化合物などの微相が現れることがあります。 - 316では、炭素が粒界でクロムと結合してクロムカーバイド（M23C6）を形成することがあり、材料が感作範囲を通じてゆっくり冷却されるか保持されると、クロムが減少したゾーンと粒間腐食の感受性を引き起こします。 - 316Tiでは、チタンが熱曝露中にTiCおよびTiNを優先的に形成し、クロムカーバイドの形成を制限し、粒界のクロムを保持するのに役立ちます。

熱処理応答: - 溶解アニーリング（オーステナイト系グレードの典型的範囲）：約$1040$–$1150^\circ\text{C}$に加熱し、急冷します。これにより析出物が溶解し、耐食性が回復します。 - 正常化は、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、効果がほとんどなく、構造を硬化させないからです。 - 316および316Tiは、従来の急冷および焼戻しによって硬化することはありません。冷間変形によって作業硬化し、異なる合金系での冷間加工または析出硬化によって強化されることがあります（316ファミリーでは一般的ではありません）。 - 熱機械処理（冷間加工、アニーリングスケジュール）は、両グレードの粒径、テクスチャー、機械的特性に同様の影響を与えますが、316Tiは高温曝露後の粒間攻撃に対する抵抗が優れています。

4. 機械的特性

以下の特性は、典型的な溶解アニーリング（アニーリング）条件を反映しています。正確な値は製品形状およびミル処理に依存します。

説明: - 強度と延性は広く類似しています。チタン安定化は、アニーリング状態での室温引張強度を大幅に上昇させることはありません。 - 316Tiは、TiC/TiNの析出により、一部の生産ロットでわずかに高い最小降伏強度または硬度を示すことがありますが、ほとんどの構造設計の文脈では差は小さいです。 - 両者の靭性は高く、どちらも低温脆性材料ではありません。

5. 溶接性

両グレードは、標準的なオーステナイト系ステンレス溶接技術で容易に溶接可能と見なされていますが、実際には違いがあります。

重要な溶接性指標: - 炭素当量の形式を使用して、硬化性および亀裂感受性を評価できます。1つの標準的な指標は次のとおりです： $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - ステンレス鋼に対するより詳細なパラメータ： $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

定性的解釈: - 316および316Tiは、多くの構造鋼に対して相対的に低い炭素を持っているため、マルテンサイト形成による冷間亀裂が発生しにくいです。オーステナイト系ステンレスフィラーおよびシールドガスが標準です。 - 316L（低炭素バリアント）は、広範な溶接が予想される場合に好まれることが多いです。なぜなら、低炭素が安定化の必要性を取り除くからです。316（標準）および316Tiの場合： - 316Tiは、HAZ温度が感作範囲を通過する際に、炭素を結びつけるため、溶接後の感作に対する抵抗が向上します。これは、部品が繰り返し高温サイクルを経験する場合に有利です。 - ただし、基材中のチタンはフィラーメタルの選択を複雑にし、溶接金属中に粗いチタン析出物が形成されるのを避けるために溶接手順に注意が必要です。多くの溶接アプリケーションでは、溶接金属の感作リスクを減らすために316Lフィラーが使用されます。 - 溶接前および溶接後の溶解アニーリングは、必要に応じて耐食性を回復できます。重要なアプリケーションでは、粒間腐食のテスト（例：ASTM A262の実施）が使用されます。

6. 腐食および表面保護

• 316および316Tiのようなステンレスグレードでは、一般的な耐食性は不活性なクロム酸化膜から得られます。Moは塩素を含む環境でのピッティング抵抗を改善します。
• 関連する場合、比較的ピッティング抵抗を評価するためにピッティング抵抗等価数（PREN）を使用します： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• 注意: チタンはPRENの式に含まれません。Tiを追加してもPRENが直接増加するわけではなく、クロムカーバイドの形成を防ぐことでクロムを溶液中に保持するのに役立ちます。
• 感作: 316（安定化されていない）は、約450–850°Cの範囲に十分な時間さらされると感作される可能性があり、クロムカーバイドの析出による粒間腐食を引き起こします。316Tiは、TiC/TiNの形成を通じてこのリスクを減少させるように特別に設計されています。
• 塩素環境における応力腐食割れ（SCC）の感受性は、オーステナイト系ステンレス鋼の設計上の考慮事項です。炭素を減らしてもSCCを防ぐことはできません。材料の選択、残留応力の管理、環境管理が必要です。
• 表面保護: 非ステンレス鋼の場合、一般的な対策には亜鉛メッキや塗装が含まれますが、316/316Tiの場合、外観や摩耗保護が必要でない限り、通常は必要ありません。

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 機械加工性: オーステナイト系ステンレス鋼は、作業硬化と低熱伝導性のため、一般的に炭素鋼よりも加工が難しいです。316および316Tiは類似しています。Ti安定化は、一部の熱処理で硬いTiC/TiN粒子の存在により、加工性をわずかに低下させることがあります。
• 成形性: 両グレードは優れた延性を持ち、標準的な技術を使用して深絞り、曲げ、成形が可能です。過度のスプリングバックや応力硬化を避けるために、アニーリングされた材料が成形に好まれます。
• 表面仕上げ: 両者は研削、研磨、電解研磨が可能です。316Tiのチタン含有析出物は一般的に微小であり、高品質の表面仕上げを妨げることはありません。
• 溶接および溶接後の処理: 316Lフィラーメタルがよく使用されます。高温クリープや長期間の高温曝露が予想される場合、基材戦略に合った特殊なフィラーが選択されることがあります。

8. 典型的な用途

選択の理由: - 一般的な耐食性、コスト効果、広範な入手可能性のために316を選択します。 - 感作が懸念される温度に繰り返しまたは長期間さらされるサービスが含まれる場合、または粒界の長期的な熱安定性が必要な場合は316Tiを選択します。

9. コストと入手可能性

• コスト: 316は一般的に316Tiよりも一般的でわずかに安価です。後者は意図的なチタン添加を含み、しばしば厳しい加工管理が必要です。価格差は通常、全体のプロジェクトコストに対して控えめですが、市場のチタン価格や合金加工に依存することがあります。
• 入手可能性: 316はシート、プレート、チューブ、バー、鍛造品で広く入手可能です。316Tiも広く入手可能ですが、一部の製品形状、厚さ、または特殊仕上げには長いリードタイムがある場合があります。大量の標準在庫の場合、316の方が調達しやすいことが多いです。

10. 概要と推奨

推奨事項: - 316を選択する場合: 一般的な耐食性、ポンプおよびバルブ部品、食品加工機器のための多用途でコスト効果の高いオーステナイト系ステンレス鋼が必要な場合、または広範な工場または現場での溶接が行われ、全体の合金コストが最優先される場合（重い溶接には316Lを検討）。 - 316Tiを選択する場合: コンポーネントが感作温度範囲に長期間または繰り返しさらされる場合（例：熱交換器、炉部品、一部の石油化学サービス）、または熱サイクル後の粒界クロムの保存が重要な場合。316Tiは、低炭素グレードに移行せずに安定化されたオーステナイト系ステンレス鋼を望む設計者にとって好ましい選択肢です。

締めくくりの注意: 重要なアプリケーションの場合、正確なASTM/ENグレード指定、必要な製品形状、および溶接後の熱処理または溶解アニーリング要件を指定してください。腐食試験、溶接手順の資格、およびサプライヤーの認証を推奨し、選択したグレードがサービスの期待に応えることを確認します。