高熱環境や過酷な工業プロセスを扱う場合、標準的なステンレス鋼部品が予想以上に早く故障することがあります。これは、時間の損失、メンテナンスコストの増加、性能の問題につながります。熱と圧力の下でも強度を維持できる材料が必要です。310ステンレスの出番です。
このガイドでは、310ステンレスの特徴を説明します。このガイドでは、310ステンレスの使用方法、材質、他のステンレス鋼よりも310ステンレスを選ぶべき場合について説明します。
310ステンレス鋼とは？
310ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼である。300シリーズに属し、耐食性と優れた強度で知られる。中でも310は304や316よりも高温強度が高い。
この合金は、熱を多用する用途向けに設計されている。1000°Fを超える高温にさらされても、安定した状態を保ち、スケールに抵抗します。そのため、熱交換器、炉、熱処理装置にとって信頼できる選択肢となります。
310ステンレスのUNS番号はS31000。一般的な高性能バージョンである310S はS31008と表示される。これらの鋼種は、いくつかの工業規格で 認められている。
ASTM規格では、310がASTM A240（薄板および厚板用）やASTM A312（パイプ用）などの規格に記載されています。これらの規格は、材料が重要な用途で期待される性能を満たすことを保証するのに役立ちます。
化学組成
310ステンレスの強度と耐熱性は、その合金の組み合わせから生まれます。主な元素はクロムとニッケルで、その他数種の微量元素がその構造に寄与しています。
主要な要素
- クロム（24-26%） は耐酸化性を向上させる。安定した酸化被膜を形成し、過酷な熱環境でも表面を保護する。
- ニッケル (19-22%) は延性と靭性を高める。また、オーステナイト組織を安定化させるため、高温下でも強度を保つことができる。
マイナー要素
- マンガン（2%まで） 熱間加工を助け、靭性を向上させる。
- シリコン（最大1.5%） は耐酸化性を向上させ、強度を増す。
- カーボン（0.25%まで） は硬度と強度を高める。しかし、多量に使用すると耐食性を低下させるため、慎重に管理される。
物理的および機械的特性
310ステンレス鋼は、強度、硬度、熱的性能に優れ ています。これらの特性により、構造用と高温用の両方に適しています。
引張強度と降伏強度
310ステンレス鋼の一般的な引張強さは約75,000 psi、降伏強さは約30,000 psiです。この値は、永久変形を起こすことなく、強い引張力に耐えられることを意味します。
高温下でも、他の多くのステンレス鋼よりも強度を保持する。そのため、熱処理や熱サイクル環境において信頼性が高い。
硬度と靭性
ブリネルスケールでは、310 の硬度は約 150-190 HBW です。マルテンサイト鋼種ほど硬くはありませんが、靭性と耐摩耗性のバランスに優れています。
この合金は極低温や高温下でも強靭で割れにくい。そのため、機械的衝撃や応力がかかる可能性のある場所でも安全な選択肢となります。
密度と融点
- 密度7.9g/cm³（または0.285lb/in³）。
- 溶解範囲:2470°F～2550°F（1355°C～1400°C）の間
これらの値は、この素材が過酷な条件下でも安定しており、熱によって形状や完全性が簡単に失われないことを示している。
熱伝導率と熱膨張
- 熱伝導率:100℃で約14.2W/m・K
- (炭素鋼より低いので熱伝導が遅い）
- 熱膨張:15.9μm/m・℃前後
この低い熱伝導率は、高温システムでの熱伝導の低減に役立つ。適度な膨張率は、特に異種材料との組立て設計において考慮されなければならない。
耐腐食性
310ステンレス鋼は、酸化と熱に対する強い耐性で最もよく知られています。特に高温を伴う多くの過酷な環境で優れた性能を発揮します。
高温での耐酸化性
310ステンレス鋼は、空気中では1093°C (2000°F) までの温度で酸化しにくい。高濃度のクロムとニッケルが表面に保護酸化 層を形成します。この層は金属と酸素のさらなる反応を防ぎます。
長期間熱にさらされても、合金は構造的安定性を維持します。そのため、炉の部品やヒートシールドによく使用される。
硫黄および窒素雰囲気での性能
310は空気中や中性環境では良好な性能を示す。しかし、硫黄を多く含む雰囲気や低酸素雰囲気では耐性が低下します。硫黄は保護酸化被膜を破壊し、腐食の原因となります。
窒素が多い環境では、この材料は一般的によく持ちこたえる。しかし、硫黄と窒素の両方が豊富な環境であれば、より特殊な合金を使う方が良い。
海洋環境における制限
310ステン レス鋼は、海水や塩化物の多い環境では推奨さ れません。海水中での耐食性は316ステンレス鋼より劣ります。
海岸や水中での使用では、塩化物イオンが孔食や隙間腐食を引き起こす可能性がある。そのため、海水に近い場所での使用には限界がある。
耐熱能力
310ステンレス鋼は、高熱に長期間さらされることを想定して設計されています。その構造は、連続的な熱負荷と周期的な熱負荷の両方に対して安定したままです。
使用温度範囲
この合金は1093°C（2000°F）までの温度で優れた性能を発揮する。短時間であれば、さらに高い温度にも対応できる。しかし、長期的に使用する場合は、強度の低下を避けるために2000°F以下に保つのが最善です。
1500°F以下のような低い温度範囲では、この材料は強度と耐食性の両方を保持する。この柔軟性により、幅広い高温用途に適合する。
断続的および継続的サービスにおける性能
温度の上昇と下降を繰り返す断続的な使用でも、310 は割れやスケーリン グを起こすことなく確実に機能します。オーステナイト系構造のため、熱衝撃に強い。
連続使用において、耐酸化性と機械的強度を長期間維持します。これが、熱交換器やバーナー部品に選ばれる主な理由です。
加工と作業性
310ステンレス鋼は加工が可能だが、適切な 技術が必要である。ニッケルとクロムの含有量が高いため、機械加工や成形時の挙動に影響します。
加工性
310の加工は、304のような標準的な材種の加工よりも難しい。合金の含有量が高いため、工具の摩耗が増加します。鋭利な工具を使用し、低速で加工し、熱を抑えるためにクーラントを多量に使用してください。
アニールした状態で加工するのがベストです。そうすることで、硬化が抑えられ、表面にクラックが発生しにくくなります。
溶接性と溶接方法
310は、ほとんどの標準的な方法で良好な溶接性を示します。 ティグ, ミグそして 棒溶接（SMAW） はすべて適している。
強力な溶接継手には、310または309ステンレ スなどの溶加材を使用する。割れを防ぐには、高入熱を避け、溶接後は徐冷する。
成形と曲げ挙動
310は 形成 標準的な方法で曲げ加工を行うことができるが、低合金鋼よりも大きな力を必要とする。強度が高いため、より重い工具が必要となる。
きつい曲げの際の割れを避けるため、曲げ半径は板厚より大きくしておく。また、冷間曲げ加工が難しい場合は、厚い部分を予熱することも有効です。
切断と穴あけのヒント
には、超硬工具または高速度鋼（HSS）ビットを使用する。 掘削.ゆっくりとした速度と安定した送り圧が最も効果的である。熱がこもらないように冷却液を塗布する。
プラズマ, レーザー、 または ウォータージェット切断 は切断に適している。きれいなエッジが得られ、歪みや熱影響部の可能性が低くなる。
| プロパティ | 価値 |
|---|---|
| UNS指定 | S31000（310）、S31008（310S） |
| ASTM規格 | ASTM A240（シート/プレート）、ASTM A312（パイプ） |
| 抗張力 | 約75,000 psi |
| 降伏強度 | 約30,000 psi |
| 硬度 | 150-190 HBW（ブリネル） |
| タフネス | 低温でも高温でも高い |
| 密度 | 7.9 g/cm³ (0.285 lb/in³) |
| 融点 | 2470°F-2550°F (1355°C-1400°C) |
| 熱伝導率 | 14.2 W/m-K at 100°C |
| 熱膨張 | 15.9 µm/m-°C |
| クロム含有量 | 24-26% |
| ニッケル含有量 | 19-22% |
| マンガン含有量 | 最大2% |
| シリコン含有量 | 最大1.5% |
| 炭素含有量 | 最大0.25% |
| 耐酸化性 | 大気中最高1093°C（2000°F |
| 耐腐食性 | 大気中では良好だが、海洋や塩化物環境では制限される |
| 加工性 | 低 - 低速、鋭利な工具、クーラントが必要 |
| 溶接性 | 良好 - TIG、MIG、SMAW；310または309フィラーを使用 |
| 成形性 | 中程度 - 強い力が必要で、曲げ半径が大きい。 |
| 切断方法 | レーザー、プラズマ、ウォータージェットが望ましい |
| 一般的な用途 | 炉、マッフル、ラジアントチューブ、熱交換器、サーマルバスケット |
熱処理とアニール
熱処理 は 310 ステンレス鋼の性能を変えることができます。主に材料を軟化させ、延性を向上させ、成形や溶接後の内部応力を緩和するために使用されます。
推奨される熱処理手順
310ステンレス鋼では、焼鈍が最も一般的な熱処理で ある。この工程では、金属を1900-2100°F (1040-1150°C)まで加熱する。その後、通常は水冷または空冷によって急冷する必要があります。
この方法は延性を回復させ、加工硬化の影響を軽減するのに役立つ。スケーリングや表面酸化を避けるため、常に清浄な環境で行う必要がある。
機械的特性への影響
焼きなましは硬度を下げ、延性を高める。これにより、材料の成形、曲げ加工、機械加工が容易になる。
しかし、引張強度と降伏強度は低下する。焼鈍後の鋼材は柔軟性が増すが、強度は若干低下する。このトレードオフは、多くの成形や溶接の用途では受け入れられる。
アニーリングをいつ、何のために使うのか？
用途 アニール 重く冷たい環境での作業後、応力を軽減し、加工性を回復させる。また、溶接後に熱影響部の割れを防止するのにも役立つ。
将来の曲げ加工のために成形性を維持する必要がある部品は、アニール処理によって加工中の不要な破断や工具の摩耗を避けることができます。
表面仕上げ
について 表面仕上げ は外観と性能の両方に影響します。仕上げの違いにより、耐食性、洗浄のしやすさ、見た目の美しさを向上させることができます。
共通仕上げ（2B、BA、No.4、ミラー）
- 2Bフィニッシュ:軽い反射率を持つ滑らかで鈍い仕上げ。耐食性に優れ、工業部品によく用いられる。
- BA（ブライトアニール処理）:制御された雰囲気炉で作られる、明るく反射性のある仕上げ。きれいな外観と優れた耐食性が必要な場合に使用される。
- No.4フィニッシュ:つや消しの、方向性のある木目仕上げ。建築やキッチンでよく使われる。
- 鏡面仕上げ:光沢が強く、反射率が高い。装飾部品や洗浄が容易な表面によく使用される。
酸洗、不動態化、研磨
産業用途
310ステンレス鋼は過酷な環境用に作られています。その強度と耐熱性により、多くの高温環境および腐食環境に適しています。
熱交換器とボイラー
310 は、熱交換器やボイラーのチューブ、プレート、ヘッダーに使用されます。スケーリングに強く、熱応力下でも形状を保持します。そのため、システムの効率と安全性を長期にわたって維持することができます。
窯と炉
キルン、炉のライナー、バーナー部品において、310 は反りなく高熱に耐えます。1800°Fを超える高温に長時間さらされても、機械的強度を維持します。そのため、ダウンタイムと交換コストが削減されます。
極低温コンポーネント
310は高温用として知られていますが、極低温でも優れた性能を発揮します。凍結条件にさらされても強靭で割れにくく、ガス処理および貯蔵システムで役立ちます。
石油化学・精製設備
310 は、製油所のバーナー、配管、煙道ライナーによく使用され ます。高温ガスや腐食性化学物質が存在する環境でも酸化や浸炭に耐えます。そのため、高圧、高熱の処理ラインに適しています。
他のステンレス鋼との比較
適切なステンレス鋼の選択は、使用条件によ って異なります。ここでは、310と316や304のような一般的な鋼種との比較を示します。
| プロパティ | 310ステンレス鋼 | 316ステンレス鋼 | 304ステンレススチール |
|---|---|---|---|
| 耐熱性 | 優秀（最高2000°F / 1093°C） | 良好（最高1600°F / 871°C） | 適正（最高1500°F / 816°C） |
| 耐腐食性 | 海洋環境や塩化物環境には適さない。 | 海洋環境および塩化物を多く含む環境で優れた性能を発揮 | 一般的な環境に適している |
| 主な合金元素 | 高Cr(24-26%)、Ni(19-22%) | Cr (16-18%)、Ni (10-14%)、Mo (2-3%) | Cr (18-20%), Ni (8-10.5%) |
| 作業性 | 中庸、より強力なツールと力が必要 | 成形と溶接が容易で良い | 成形と溶接に広く使用される優れた |
| 溶接性 | 良いが、熱のコントロールが必要 | 素晴らしい | 素晴らしい |
| 料金 | 合金含有量が多いため高い | ミディアム | より低い |
| 最良の使用例 | 高温炉、キルン、熱交換器 | 船舶部品、化学処理、医療機器 | 汎用機器、流し台、電化製品 |
結論
310ステンレス鋼は、過酷な環境用に設計された 高温耐食合金です。クロムとニッケルの含有量が高いため、2000°F までの温度で優れた強度と耐酸化性を発揮します。炉、熱交換器、キルン、石油化学機器に適しています。
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ケビン・リー
レーザー切断、曲げ加工、溶接、表面処理技術を専門とし、板金加工において10年以上の実務経験があります。シェンゲンのテクニカルディレクターとして、複雑な製造上の課題を解決し、各プロジェクトにおける革新と品質の向上に尽力しています。
