微細部品のステンレス鋼 303と316Lの比較:被削性、耐食性、コスト
微細部品の大半は、2種類のステンレス鋼でカバーできます。303は快削の選択肢です。316Lは、耐食性が求められる用途、医療用、流体に触れる用途の選択肢です。図面に「ステンレス鋼」としか書かれていなければ両者は同じに見えますが、価格、バリ、切削速度、使える場所には大きな隔たりがあります。早い段階でどちらにするかを決め、図面にグレードと規格を書いておけば、見積が推測に頼る事態を避けられます。微細加工の材料のガイドでは、両者をほかの金属や樹脂との関係の中で位置づけています。
成分とその働き
どちらも、不動態皮膜のために約17〜19パーセントのクロムを含むオーステナイト系ステンレス鋼です。違いは数値としては小さく、効果としては大きなものです。
| 元素 | 303 (UNS S30300) | 316L (UNS S31603) | 効果 |
|---|---|---|---|
| クロム | 17〜19パーセント | 16〜18パーセント | 不動態皮膜、全面腐食に対する耐性 |
| ニッケル | 8〜10パーセント | 10〜14パーセント | オーステナイトの安定性、靭性 |
| モリブデン | 微量〜0.6パーセント | 2〜3パーセント | 孔食とすきま腐食に対する耐性 |
| 硫黄 | 0.15パーセント以上 | 0.03パーセント以下 | 303では切りくずを砕く、孔食に弱い |
| 炭素 | 0.15パーセント以下 | 0.03パーセント以下 | 316Lの低炭素が鋭敏化を抑える |
目安となる一般的な規格の範囲です。証明書と規格が優先されます。
決定的な違いは硫黄です。303では、硫黄が硫化マンガンの介在物を作り、切りくずを砕いて摩擦を減らします。316Lでは、耐食性と靭性を保つために硫黄を低く抑えており、そのため金属は粘りが出ます。
微細なスケールでの加工時の挙動
| 特性 | 303 | 316L |
|---|---|---|
| 被削性指数(快削鋼を基準とした相対値) | 約75パーセント | 約35〜45パーセント |
| 切りくずの形状 | 短く、砕ける | 長く、糸状で、粘る |
| バリの大きさ | 中程度 | 大きく、強靭 |
| 加工硬化 | 低い | 高い |
| 旋削径の一般的な公差 | ±0.005 mm | ±0.005〜±0.01 mm |
| 相対的な加工の手間(真鍮 = 1.0) | 1.5〜2 | 2〜3 |
目安となる一般的な値です。実際の手間は形状と数量によって異なります。
⌀0.5 mmでは、違いは一目瞭然です。303のピンは、短い切りくずと控えめなバリでスイス型旋盤から出てきます。同じ形状の316Lのピンは、送りを下げ、より鋭い工具を使い、より多くのバリ取りを行う必要があり、小径のドリルやタップも多く折れます。微細加工部品のコストのガイドでは、これが価格にどう反映されるかを示しています。
耐食性と、それぞれを使える場所
耐孔食性は、耐孔食指数(PREN)で比較されることがよくあります。おおよそ、クロムに3.3倍のモリブデンと窒素の項を加えたものです。この尺度では、316Lは約24〜26、303は約18で、316Lのほうが塩化物、食塩水、洗浄剤にはるかに強くなります。
303の硫化物の介在物は孔食の起点にもなるため、湿気が多い、塩分がある、滅菌される環境では、316Lなら腐食しない場所で303の部品が腐食することがあります。
| 用途 | 303 | 316L |
|---|---|---|
| 乾燥した機械部品、一般的な金物 | よい選択 | 使えるが、コストが高い |
| 屋内の電子機器、コネクタ、治具 | よい選択 | 使える |
| 食品接触 | ルールと表面状態による | 一般的な選択 |
| 海洋または塩化物にさらされる環境 | 不向き | 一般的な選択 |
| 分析機器・医療機器の流体経路 | 推奨されない | 一般的な選択 |
| インプラント | インプラントの規格では認められない | ASTM F138グレード、一般的 |
目安となる一般的な指針です。お使いの規格と規制当局に確認してください。
インプラントや長期の人体接触については、規格がASTM F138準拠の316L棒材、または記載されたほかのグレードを、証明書とトレーサビリティ付きで指定しています。303はその中に含まれません。インプラントではない医療器具のルールは様々ですので、グレードを変更する前に薬事部門に確認してください。
表面仕上げと不動態化
どちらのグレードも、遊離鉄を除去してクロム酸化皮膜を回復するため、加工後に不動態化処理を行います。ASTM A967または同様の規格に基づく不動態化が一般的です。303では、硫化物が表面に露出しているため、不動態化が孔食を防ぐ保証にはなりません。メーカーは、それらを侵さないよう、より穏やかな処理を使うこともあります。電解研磨は316Lで一般的で、1面あたり5〜25 μmを除去するため、公差でその分を見込む必要があります。エッジへの影響は、微細部品のバリ取りに関する別のガイドで扱っています。
仮の例
⌀0.8 mm、長さ12 mmのセンサピンが、習慣で316Lで図面化されていました。乾燥したハウジングの中にあり、人体との接触はなく、塩化物にさらされることもありません。図面には、直径に±0.005 mm、1か所の横穴にバリ上限20 μmが指定されています。
両方のグレードで見積を取るメーカーは、303のほうが約30〜40パーセント速く切削でき、バリも小さく、追加のバリ取り工程も不要だと気づくかもしれません。これらを合わせると、1個あたりの価格がおよそ4分の1から3分の1下がる可能性があります。この判断はメーカーが行うものではありません。設計技術者が、環境が乾燥していること、腐食がリスクにならないこと、顧客の仕様が316Lを要求していないことを確認する必要があります。それらが満たされるなら、節約は無償で得られます。満たされないなら、316Lの価格は単に機能のためのコストです。
実際のコスト比較
303と316Lのコスト差には、複数の要因があり、そのすべてが棒材にあるわけではありません。
| コスト項目 | 303 | 316L |
|---|---|---|
| 棒材 | 低い | 高い、ニッケルとモリブデン |
| 切削速度とサイクルタイム | 高速、短い | 低速、長い |
| 工具摩耗と折損 | 少ない | 中程度〜多い |
| バリ取り | 軽い | 重い、別工程になることが多い |
| 検査と不良 | バリ起因の不良が少ない | 多い |
| 証明書と不動態化 | 標準 | 医療用ではより厳格なことが多い |
目安となる一般的な関係です。実際の数値は部品によって異なります。
⌀1 mm、長さ10 mmの部品は、同じ数量で316Lのほうが303より、形状によって30〜100パーセント高くなることがあります。試作数量では、絶対額での差は小さく、数量が増えると予算を支配します。同じ図面、同じ数量で両方のグレードの見積を依頼し、設計チームと相談して決めてください。
置き換えのリスク
費用を抑えるために316Lから303に切り替えるのはよくあることで、ときにうまくいきません。
- 顧客または規制の仕様がグレードを指定している。 変更には承認が必要で、承認なしの置き換えは不適合になりえます。
- 腐食が遅れて現れる。 ベンチ試験に合格した部品が、湿気や塩分のある環境で数か月使われたあとに孔食を起こすことがあります。
- 磁性の変化が製品に影響する。 切削した303は想定より磁性を帯びることがあり、センサの近くでは問題になります。
- めっきや不動態化の挙動が異なる。 303の硫化物の介在物は、不動態化とめっきの密着に影響します。
- ロットの混在。 両方のグレードが同じメーカーにあると、部品が混ざる可能性があります。マーキング、容器の分離、証明書の確認で防げます。
変更が現実的で承認されている場合は、新しいグレードと規格を図面に明記してください。そうでなければ、機能が求めるグレードを維持してください。
選び方
- まず機能。 部品は、湿気、塩分、滅菌、人体接触のある環境にありますか。それなら316Lです。
- 規格。 顧客、医療、食品の規格がグレードを指定していますか。
- コスト圧力。 どちらにも当てはまらないなら、両方で見積を取って比較します。
- 棒材。 スイス型加工には、どちらのグレードでもh6またはh7の研削棒材を使います。
- 仕上げ。 不動態化または電解研磨と、その規格です。
- 証明書。 ロットまでの材料証明書と、必要なトレーサビリティです。
一般的な数値は公差と材料のリファレンスに載っています。図面が固まったら、RFQを送信してください。Micropartzは、ステンレスを微細なスケールで加工している最大3社のメーカーとマッチングし、24営業時間以内にご返信します。
よくあるご質問
303は医療用部品に使えますか。
インプラントや長期の人体接触には、通常は使えません。303は硫黄を含む快削材で、インプラントの規格には316Lなどのグレードが指定されています。インプラントではない、短時間の接触を伴う器具では、製品や規制によってルールが異なります。品質部門や薬事部門に確認してください。
316Lは、なぜ微細加工のコストが高くなるのですか。
316Lは粘り強く、加工硬化し、粘りのある切りくずと大きなバリを生みます。工具の摩耗が速く、サイクルタイムが長くなり、バリ取りにも手間がかかります。ニッケルとモリブデンのため、棒材自体も高価です。303に対して1.3〜2倍のコスト比が一般的です。
303は磁性がありますか。
303も316Lもオーステナイト系で、名目上は非磁性です。冷間加工や切削でどちらもわずかに磁性を帯びることがあり、303のほうがやや強くなります。部品が非磁性を保つ必要がある場合は、透磁率の上限を指定してください。
被削性を高めた316Lはありますか。
被削性を高めるため、硫黄などを管理して添加した316Lを提供する製鋼所もあります。ただし、インプラントの規格や特定の耐食性の要求を満たさない場合があります。置き換える前に、証明書と仕様を確認してください。
参照した規格・資料
- Wikipedia: 316 stainless steel
- ASTM F138, Wrought 18Cr-14Ni-2.5Mo Stainless Steel Bar and Wire for Surgical Implants (UNS S31673)
- ASTM A582, Free-Machining Stainless Steel Bars
このガイドの数値は、目安となる一般的な値です。実際の値は、図面、材料証明書、マッチングしたメーカーによって決まります。