316Ti 対 321H – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

316Tiと321Hは、耐食性と高温性能の組み合わせが求められる場所で使用されるオーステナイト系ステンレス鋼です。これらの間での選択は、耐食性、高温強度、溶接性、ライフサイクルコストのバランスを取るエンジニアや調達チームにとって繰り返し直面するジレンマです。316Tiは、感作に対する耐性を向上させるためにチタンで安定化されたモリブデンを含むグレードであり、321Hは、高温でのクリープと強度を向上させるために高炭素で提供されるチタン安定化クロムニッケルグレードです。これらの違いにより、両グレードは重複するが異なるサービスエンベロープに魅力的です。316Tiはピッティング耐性と一般的な耐食性が優先され、321Hは高温酸化環境での長期的な安定性とクリープ耐性が重要です。

1. 規格と指定

これらのグレードが見られる一般的な国際規格と指定：

• ASTM/ASME: A240（板、シート、ストリップ）、A312（パイプ）、A403（フィッティング） — 316Tiおよび321/321Hバリアントが指定されています。
• EN: EN 1.4571（316Ti）、EN 1.4878（321H）相当が欧州規格で使用されています。
• JIS: JIS G4303/G4313ファミリーには、地域指定を持つ安定化オーステナイトが含まれています。
• GB（中国）: GB/T規格は、316Tiおよび321Hに相当するステンレスグレードをリストしています。

分類： - 316Tiと321Hはどちらもステンレス鋼（オーステナイト系）です。炭素鋼、合金鋼、工具鋼、またはHSLAではありません。

2. 化学組成と合金戦略

表：典型的な組成範囲（重量パーセントで表現）。値は仕様や製品形状によって異なります。表は、規格で一般的に引用される代表的な範囲を示しています。正確な組成については、関連する規格または製鋼所証明書を常に確認してください。

元素	316Ti（典型的な範囲）	321H（典型的な範囲）
C	≤ 0.08（低炭素に制御）	~0.04–0.10（321の高炭素バリアント）
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~16–18	~17–19
Ni	~10–14	~9–12
Mo	~2.0–3.0	≤ 0.5（通常はなし）
V	微量または指定なし	微量または指定なし
Nb	—（主要な安定化剤ではない）	—（Tiが安定化剤；Nbは関連グレードで時々使用される）
Ti	制御された添加（≥ 5 × C、最大約0.7）	制御された添加（≥ 5 × C、最大約0.7）
B	微量	微量
N	微量から小さな添加が可能	微量

合金戦略に関する注記： - 316Ti：316ファミリーに基づいており、クロム、ニッケル、モリブデンが優れた一般的およびピッティング耐食性を提供します。チタンが添加され、炭素を安定化させ、感作範囲（約450–850 °C）でのクロムカーバイドの析出を避けるために炭素-チタン沈殿物を形成します。 - 321H：321（Ti安定化のCr-Ni）から派生していますが、クリープ強度と持続的な高温特性を改善するために高炭素で提供されます。321Hのチタンは炭素を結びつけ、感作を減少させながら、クリープ強度のために高いCを保持します。

合金効果： - クロムは不活性化と一般的な耐食性を提供します。 - ニッケルはオーステナイト構造を安定化させ、靭性を向上させます。 - 316Tiのモリブデンは局所的な腐食（ピッティング/クレバス）に対する耐性を高めます。 - チタンは自由炭素を結びつけ、溶接後や感作温度への曝露後の粒界腐食を防ぎます；321Hでは高炭素が高温での強度を増加させますが、感作を防ぐためには適切なチタン含有量が必要です。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - 両グレードは、熱履歴に応じて分散したカーバイドまたは金属間化合物を持つ完全なオーステナイト状態です。 - チタンは、クロムカーバイドの形成に先行してTiCまたはTi(C,N)沈殿物を優先的に形成し、粒界でクロムを溶解状態に保ちます。

熱処理および加工効果： - 典型的なオーステナイト化温度でのアニーリング（固溶処理）後、急冷することで、両材料は延性のある単相オーステナイト微細構造に戻ります。 - 316Tiの場合、標準の固溶アニーリングは以前のカーバイド析出を排除します；Ti-C沈殿物は、炭素に対してTiが十分であれば安定します。 - 321Hは通常、固溶アニーリング状態で供給されます；高炭素は高温での長時間曝露時により大きな析出強化を提供し、クリープ強度を向上させます。 - 正常化、焼入れおよび焼戻しは、フェリティック/パールitic鋼と同じ意味でオーステナイト系ステンレス鋼には適用されません；機械的特性は主に冷間加工、固溶アニーリング、およびサービス温度での加熱/析出効果によって達成されます。 - 熱機械加工（冷間加工 + アニーリング）は、ひずみ硬化を介して強度を増加させることができます；約500–800 °Cの長時間のサービス曝露は、チタンが不十分な場合、靭性と耐食性に影響を与える複雑なカーバイドおよび金属間化合物の析出を引き起こす可能性があります。

4. 機械的特性

機械的特性は製品形状（シート、板、パイプ）、熱処理、および試験規格に依存します。以下の表は、絶対的な数値ではなく、定性的な比較記述を提供します—正確な数値については製鋼所証明書を参照してください。

特性	316Ti（アニーリング、典型的な挙動）	321H（アニーリングまたは安定化）
引張強度	中程度 — オーステナイト316ファミリーと一致	高温でのC強化により類似またはやや高い
降伏強度	中程度 — 良好な延性	高温での降伏強度がやや高い；室温での降伏強度は316Tiと類似
伸び	高い（良好な延性と成形性）	良好だが、高炭素または冷間加工されている場合はやや減少する可能性がある
衝撃靭性	室温で高い；良好な低温靭性	室温で良好；高温でも靭性を保持するが、長時間の曝露は析出が発生した場合に靭性に影響を与える可能性がある
硬度	低から中程度（柔らかく、延性があり、冷間加工しやすい）	同等；高炭素は硬度をわずかに増加させる可能性がある

解釈： - 室温では、両グレードはオーステナイト系ステンレス鋼の特性である延性と靭性を示します。 - 321Hの高炭素と安定化戦略は、高温でのクリープと強度保持において優位性を与え、316Tiはモリブデンのおかげで局所的な腐食に対してやや優れた耐性を提供します。

5. 溶接性

オーステナイト系ステンレス鋼の溶接性は一般的に良好です；ここで重要な2つの側面は、感作/粒界腐食への感受性と、溶接近くの冷間加工/硬化効果です。

主要な溶接性指標： - 炭素当量（IIW式）は、溶接における硬化傾向を評価するのに役立ちます： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - クロム当量またはPcm式も、溶接亀裂感受性を評価するために使用されます： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 316Ti：一般的に優れた溶接性。低炭素とチタン安定化により、溶接後の粒界腐食のリスクが低下します。モリブデンは溶接性を深刻に損なうことはありませんが、稀な状況で低融点相を形成する傾向を高めます；標準的なフィラー金属と熱入力の制御により問題を回避できます。 - 321H：溶接可能ですが、高炭素は理論的な炭素当量を高め、厚いセクションでの制御された熱入力と潜在的な溶接後処理の必要性を増加させます。チタン安定化はクロムカーバイドの形成を軽減しますが、炭素含有量が意図的に高い場合（321Hのように）、Ti:C比の制御が重要です。薄いセクションでは事前加熱は通常不要ですが、重いセクションやサイクル高温サービスでは、溶接手順の資格付与が推奨されます。

全体的に：両グレードは標準的な手順で溶接可能と見なされます；316Tiは、腐食耐性が主な懸念である場合、追加の制御が少なくて済むため、しばしばより簡単と見なされますが、321Hは厚いセクションや溶接後の熱処理およびクリープ性能が重要なアプリケーションで使用される場合は注意が必要です。

6. 腐食と表面保護

• ステンレスグレードの場合、腐食性能は主にクロム含有量とモリブデンおよび窒素の存在によって決まります。
• PREN（ピッティング耐性等価数）は、ピッティング耐性を比較するのに役立ちます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• PRENの適用：316Tiはモリブデン含有量から利益を得ており、典型的な組成で321Hよりも高いPRENを示します；321HのMoの欠如は、塩素環境でのピッティング耐性を低下させます。

非ステンレス鋼： - 両グレードがステンレスであるため、ここでは適用されません。代替の炭素鋼を使用する場合は、コーティング（亜鉛メッキ、塗装、ライニング）が必要です。

実用的な注記： - 316Ti：モリブデン強化のピッティング耐性と感作を防ぐためのTi安定化により、塩素を含む環境（海水、化学プロセス流）に好まれます。 - 321H：クリープ耐性と高温腐食/酸化に対する耐性が優先される高温酸化環境（排気システム、ヒーター、ボイラー）により適しています；攻撃的な塩素環境には最適ではありませんが、保護されている場合は使用可能です。

7. 加工、機械加工、および成形性

• 機械加工：オーステナイト系ステンレス鋼は一般的にフェリティック鋼よりも粘着性が高く、加工硬化しやすいです。316Tiと321Hは同様に加工されますが、321Hの炭素増加は工具との相互作用をわずかに改善する可能性がありますが、局所的に加工硬化を増加させる可能性もあります。
• 成形性：両グレードはアニーリング状態で良好に成形されます；316Tiは通常、炭素が低いため成形性がやや優れていますが、モリブデンの存在は成形を妨げません。321Hは成形可能ですが、プロセスはスプリングバックやひずみ硬化の挙動を考慮する必要があります。
• 表面仕上げ：両者は標準的な研磨、ポリッシング、およびパッシベーション処理を受け入れます。パッシベーションの化学物質とパラメータは他のオーステナイト系グレードと同じですが、特に溶接後の腐食耐性を確認することが推奨されます。
• 冷間加工：冷間変形は強度を増加させますが、延性を低下させます；最終アニーリングは成形性と耐食性を回復するために使用される可能性があります。

8. 典型的な用途

316Ti — 典型的な用途	321H — 典型的な用途
塩素にさらされる化学プロセス機器、腐食環境での熱交換器、タンクおよび配管、ピッティング耐性が重要な製薬機器	排気スタック、炉およびボイラー部品、高温プロセス配管、耐熱フィッティング、持続的な高温曝露とクリープ耐性が必要な航空機およびエンジン排気
腐食耐性と清掃性が必要な食品および飲料機器	石油化学/産業用ヒーターの高温構造部品および膨張継手

選択の理由： - 塩素や攻撃的なプロセス流体によるピッティングやクレバス腐食が主な懸念であり、溶接されたアセンブリが粒界腐食を避ける必要がある環境では316Tiを選択してください。 - 持続的な高温サービスでクリープ強度、酸化抵抗、および長期的な寸法安定性が最大のピッティング耐性よりも重要な場合は321Hを選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：316Tiは、モリブデン含有量とチタン添加のため、通常は未安定化の316および一部の321バリアントに対してプレミアムを要求します。321Hのコストは熱処理、高炭素含有量、および市場の入手可能性に影響されます；Moが欠如しているため、316Tiよりも原材料の合金コストが低くなる可能性がありますが、特殊な供給や製品形状が価格に影響を与えることがあります。
• 入手可能性：両者は主要なステンレス鋼メーカーから一般的な製品形状（シート、板、パイプ、チューブ、バー、フィッティング）で広く入手可能です。316Tiはプロセス産業で普及しており、321Hは高温合金が在庫されている場所で一般的に入手可能です。大口径、重いセクション、または特殊な仕上げ/トレーサビリティ要件には長いリードタイムが必要な場合があります。

10. 概要と推奨

基準	316Ti	321H
溶接性	非常に良好 — チタン安定化により感作リスクが低下	良好 — 高炭素は熱入力とTi:C制御に注意が必要
強度–靭性	室温での良好な組み合わせ；中程度の高温強度	長時間の曝露に対してより良好な高温強度/クリープ
コスト	高い合金コスト（Mo）だが広く在庫されている	同等または低い合金コスト；高温形状の特殊需要は入手可能性を変える可能性がある

推奨： - 塩素を含むまたは攻撃的な化学環境での腐食耐性が主な要件であり、溶接後に腐食耐性を維持し、良好な一般的機械的特性を必要とする場合は316Tiを選択してください。 - コンポーネントが長時間高温にさらされるアプリケーションで、クリープ耐性、酸化抵抗、および長期的な寸法安定性が優先され、塩素環境でのピッティングが主要な破損モードでない場合は321Hを選択してください。

最終的な注記：両材料は重要ですが異なるニッチに役立ちます。調達文書で正確な合金、製品形状、熱処理、および受入試験を指定し、製鋼所証明書を要求してください。重要な溶接アセンブリや長期的な高温サービスの場合は、一般的なグレード選択に依存するのではなく、アプリケーション固有の評価（溶接手順の資格付与、腐食試験、クリープ寿命の推定）を実施してください。