316対317L - 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

グレード316およびグレード317Lは、耐食性が高強度の必要性を上回る場合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、これらの選択時に耐食性能、溶接性、コストのトレードオフを日常的に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、化学プロセス配管、海洋部品、およびピッティングやクレバス腐食を回避することが重要な塩素を含む環境にさらされる機器が含まれます。

主な実用的な違いは、317Lが局所腐食に対する耐性を高めるために、モリブデンとクロムの含有量が高く、溶接時の感作を減少させるために低炭素限界が設定されていることです。これにより、317Lはピッティングおよびクレバス腐食に対する耐性が設計の要件となる場合に好まれる選択肢となりますが、316は一般的な耐食性が良好でコストが低い場合に選択されることが多いです。

1. 規格と指定

• ASTM/ASME: 両グレードは、ステンレス鋼のプレート、シート、パイプ、鍛造品に関するASTM/ASME規格に記載されています（例: ASTM A240はプレート/シート用）。
• UNS: 316は一般的にUNS S31600として参照され、317Lは一般的にUNS S31703として参照されます。
• EN（ヨーロッパ）: 316はENリストに表され（一般的に316用のX5CrNiMo17-12-2 / 1.4401および低炭素バリアントは1.4404にマッピングされます）、317Lはより高い合金EN指定にマッピングされます（範囲は国や規格の版によって異なります）。
• JIS/GB: 日本および中国の国家規格には、これらのオーステナイト系グレードの同等の組成および機械的要件が含まれています。
• 分類: 316および317Lは、炭素鋼、合金鋼、工具鋼、またはHSLA鋼ではなく、ステンレス鋼（オーステナイト系ファミリー）です。

注: 正確な規格番号および同等性は、製品形状（プレート、パイプ、バー）および版年によって異なります。指定時には常に現在の規格およびUNSマッピングを確認してください。

2. 化学組成と合金戦略

典型的な化学組成範囲（wt%）。値は指標的なものであり、適用される規格または製造所試験証明書で確認してください。

元素	316（典型的範囲、wt%）	317L（典型的範囲、wt%）
C	≤ 0.08	≤ 0.03
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	16–18	18–20
Ni	10–14	11–15
Mo	2–3	3–4
V	≤ 0.04（意図的に添加されていない）	≤ 0.04
Nb (Cb)	通常は添加されない	通常は添加されない
Ti	通常は添加されない	通常は添加されない
B	微量	微量
N	≤ 0.10	≤ 0.11

合金戦略の機能: - クロム（Cr）は不活性酸化膜と一般的な耐食性を確立します。高いCrは酸化環境および一部の還元環境に対する耐性を向上させます。 - モリブデン（Mo）は塩素を含む媒体におけるピッティングおよびクレバス腐食に対する耐性を著しく向上させます。317Lの高いMoは、その優れた局所腐食耐性の鍵です。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト相を安定化させ、靭性と成形性を向上させます。 - 炭素（C）は感作に影響を与えます: 高いCは、溶接やゆっくり冷却中に結晶境界でのクロムカーバイドの析出リスクを増加させます。「L」（低炭素）バージョンは、Cを≤ 0.03 wt%に保つことでこれを最小限に抑えます。 - 窒素（N）は強力なオーステナイト安定剤であり、強度とピッティング耐性を向上させます（PRENに反映されます）が、窒素レベルは一般的に低く制御されています。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造: - 316および317Lは、典型的な工業条件下で完全にオーステナイト（面心立方）であり、組成や熱履歴に応じて、一般的に単相オーステナイトと低体積のカーバイドまたはナイトライド析出物が存在します。

加工への応答: - アニーリング（約1,040–1,120 °Cでの固溶処理の後、急冷）はオーステナイトマトリックスを回復し、カーバイドを溶解させ、耐食性と延性を最大化します。 - 正常化はオーステナイト系ステンレス鋼に対する標準的な処理ではありません。高温オーステナイト範囲と安定性により、従来のフェライト/パーライト変態は適用できません。 - 急冷および焼戻しはオーステナイト系グレードには関連しません。冷却時にマルテンサイトに変態しないためです。冷間加工および時効は析出挙動に影響を与える可能性があります。 - 溶接およびゆっくり冷却: 高炭素の316は、制御なしで溶接された場合、感作に対してより敏感です—結晶境界でのクロムカーバイドの析出。低炭素の317Lはカーバイドの析出を最小限に抑え、そのため溶接後の粒界腐食に対しても敏感ではありません。 - 熱機械加工（冷間加工、アニーリングサイクル）は、転位密度、降伏強度/強度に影響を与え、特定のオーステナイト系配合におけるひずみ誘発マルテンサイトに対する感受性に影響を与える可能性があります（安定化または窒素合金バリアントではあまり懸念されません）。

4. 機械的特性

典型的な機械的アニーリング状態の値; 正確な値は製品形状、厚さ、および特定の規格に依存します。

特性（アニーリング）	316（典型的範囲）	317L（典型的範囲）
引張強度（MPa）	~480–620	~480–620
降伏強度 0.2%（MPa）	~170–310	~170–300
伸び（%）	~40–60	~40–60
衝撃靭性（シャルピー、J）	高い、低温でも靭性を保持	高い、低温でも靭性を保持
硬度（HBまたはHRC）	低から中程度（アニーリング）	低から中程度（アニーリング）

解釈: - 実際には、316と317Lはアニーリング状態で広く似た機械的特性を持っています。両者はオーステナイト系ステンレス鋼であるためです。317Lの低炭素限界からの違いは引張特性に対してはわずかです。316は炭素が上限にある場合、わずかに高い強度を示すことがありますが、これは感作リスクの増加を伴います。 - 両グレードは、常温および零下温度で延性があり靭性があります（オーステナイト系ステンレス鋼は優れた衝撃靭性で知られています）。

5. 溶接性

オーステナイト系ステンレス鋼は、安定したオーステナイト構造と適切な手順を使用した場合の脆性相の不在により、一般的に優れたから非常に良好な溶接性を持っています。重要なポイント: - 炭素含有量: 317Lの低炭素限界は、溶接後のクロムカーバイドの析出および粒界腐食のリスクを減少させます。316は溶接可能ですが、重要な用途では低炭素バリアント（316L）や溶接後の固溶アニーリングが必要な場合があります。 - 硬化性: オーステナイト系グレードはマルテンサイトを形成するという意味での硬化性が低いです。水素誘発亀裂は典型的な溶接失敗モードではありませんが、熱入力やインターパス温度に注意することで結晶成長を制御できます。 - 微合金化: NbやTiのような元素が存在する場合（安定化グレード）、安定したカーバイドとして炭素を束縛することで感作を減少させますが、316/317Lには一般的ではありません。

有用な経験的溶接性指数（定性的解釈用）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈: - 両方の式は、炭素と合金化が硬化性と溶接リスクを高めることを示しています。317Lは低炭素であるため、計算された指数は一般的に、より高炭素の316に比べて溶接が容易で、粒界腐食のリスクが低いことを予測します。 - 実際には、低熱入力、推奨されるフィラー金属（Ni-Cr-Mo合金の一致または過剰一致）、および高炭素バリアントを使用する際には重要なサービスのために溶接後の固溶処理を考慮してください。

6. 腐食と表面保護

ステンレスの挙動: - ステンレスグレードの場合、局所腐食耐性はPRENのような指数で定量化されます: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - 典型的な組成範囲を使用すると、317Lは通常、より高いMo（およびしばしば比較可能なN）により、316よりも高いPRENを持ち、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優れた耐性を示します。 - 316は良好な一般的耐食性（酸化環境および多くの還元環境）を提供し、応力腐食割れおよびクレバス腐食に対して合理的に耐性がありますが、317Lよりも攻撃的な塩素環境におけるピッティングには一般的に耐性が低いです。

非ステンレス鋼: - ここでは適用されません。亜鉛メッキや塗装は炭素鋼および合金鋼の標準的な保護ですが、ステンレス鋼では不活性膜が保護メカニズムとなるため使用されません。

PRENが適用できない場合: - PRENは、MoおよびNが局所腐食に大きく影響するオーステナイトおよびデュプレックスステンレス鋼に適用されます。単純な炭素鋼や局所的な攻撃によって無視される均一腐食メカニズムに支配される環境には意味がありません。

7. 加工、機械加工、および成形性

• 成形性: 両グレードはアニーリング状態で非常に成形性が高く（深絞り、曲げ）、オーステナイトの延性により、スプリングバックはフェライト鋼よりも高く、工具設計に考慮する必要があります。
• 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、炭素鋼よりも機械加工性が劣ります。317Lのようにモリブデンが高いと、機械加工性がわずかに低下し、工具の摩耗が加速する可能性があります。ポジティブレイク工具、剛性のあるセットアップ、および適切な切削速度と送りを使用してください。
• 表面仕上げ: 両方とも標準的なステンレス研磨、パッシベーション、および電解研磨処理を受けます。317Lは、最高のピッティング耐性が必要な場合、より慎重なパッシベーション制御を要求することがあります。
• 接合および成形: 317Lの低炭素は溶接加工の結果を改善します。重い冷間加工操作の場合は、延性を回復するために必要に応じてアニーリングを行ってください。

8. 典型的な用途

316 – 典型的な用途	317L – 典型的な用途
化学プロセス機器（あまり攻撃的でない化学）	塩素が豊富またはより攻撃的な環境での化学プロセス機器
海洋用フィッティングおよび海水関連部品（多くの一般的な用途）	塩素を含むブラインや酸を扱う熱交換器、配管、および機器で、ピッティング耐性が強化される必要がある
食品加工機器および貯蔵容器	カーバイド析出に対する溶接感受性を持つ製薬および高純度環境
建築要素、ファスナー	局所腐食が主要な懸念事項である淡水化およびオフショアプロセスシステム

選択の理由: - 良好な一般的耐食性、入手可能性、低い材料コストが主な場合は316を選択してください。これは、厳しく攻撃的でない多くの海洋および化学環境に適しています。 - 攻撃的な塩素環境、高濃度の酸化アニオンを含むサービス、または溶接されたアセンブリが溶接後の熱処理なしでピッティング/クレバス腐食に対する耐性を保持する必要がある場合は317Lを選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト: 317Lは通常、モリブデンの含有量が高く、ニッケルの含有量がわずかに高いため、316よりも高価です。このプレミアムはMoの市場変動に伴い増加します。
• 入手可能性: 316は幅広い製品形状（シート、プレート、パイプ、バー、フィッティング、ファスナー）でより広く在庫されています。317Lは広く入手可能ですが、一般的ではなく、特殊な製品形状や仕上げの場合、長いリードタイムや最小注文数量がより可能性があります。
• 調達: 大規模プロジェクトの場合、コストの違いは重要である可能性があります。腐食性サービスにおけるライフサイクルコストや潜在的な交換またはメンテナンスに対して材料のプレミアムをバランスさせてください。

10. 概要と推奨

概要表（定性的）

属性	316	317L
溶接性	良好（厚い部分での感作を避けるための注意が必要）	優れた（低Cが感作リスクを減少させる）
強度–靭性	良好な延性と靭性; アニーリング状態で類似	類似の延性と靭性; 機械的特性は比較可能
耐食性（ピッティング/クレバス）	良好な一般的耐性; 中程度から良好な局所耐性	高いMoおよびCrによる優れた局所（ピッティング/クレバス）耐性
コスト	低い（より一般的）	高い（プレミアム合金）

推奨事項: - コスト効果が高く、一般的な耐食サービス用の広く入手可能なオーステナイト系ステンレス鋼が必要な場合は316を選択してください。塩素曝露が中程度で、加工/溶接が制御可能または溶接後の処理が可能な場合に適しています。 - 攻撃的な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優れた耐性が要求される場合、または溶接構造が広範な溶接後の熱処理なしで感作を回避する必要がある場合は317Lを選択してください—サービス寿命の向上のために高い材料コストを受け入れます。

結論: 調達文書では、常に正確なグレード、製品形状、表面仕上げ、および適用される規格を指定してください。製造所試験証明書を要求し、重要な用途のために腐食試験やエンジニアリング評価を考慮してください。サービス環境と加工慣行は長期的な性能に強く影響します。