304対309S – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

304と309Sのオーステナイト系ステンレス鋼の選択は、腐食抵抗、高温性能、溶接性、コストのバランスを取る頻繁なエンジニアリングのトレードオフです。調達および製造チームは、一般的な腐食抵抗と成形性のために304を選ぶことが多い一方で、309Sは高温酸化およびスケール抵抗が主な懸念事項である場合に選ばれます。

基本的な違いは、309Sが高温安定性と酸化抵抗を向上させるために合金化されているのに対し（低炭素の高クロムおよびニッケル）、304は広範囲の腐食抵抗、成形性、コスト効率を最適化していることです。両者はオーステナイト系ステンレス鋼であるため、設計が腐食と温度の要求に直面する際によく比較されます。

1. 規格と指定

• ASTM/ASME:
• 304 — AISI/UNS S30400; ASTM A240（板/シート）、A276（棒）、A312（パイプ）範囲。
• 309S — AISI/UNS S30908; ASTM A240（グレード309S）板/シート用、A312パイプ用。
• EN（ヨーロッパ）：304はEN 1.4301/1.4306（304L）に対応; 309Sは高温グレードのEN 1.4828ファミリーの変種に大まかに対応しています（注：直接のEN名称マッピングは異なる場合があります）。
• JIS/GB：地域の規格は同等の指定を提供します（例：304のためのSUS304）。
• 分類：両者はオーステナイト系ステンレス鋼（ステンレス、腐食抵抗合金）です。炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、一般的に使用される仕様ごとの典型的な組成限界/範囲を示しています。値は商業グレードの典型的な最大値または名目範囲です。契約材料の限界については、適用される標準シートを参照してください。

合金化が挙動に与える影響： - クロム（Cr）：パッシベーションと酸化抵抗のための主要な元素。309Sの高いCrは、高温環境におけるスケール抵抗とピッティング抵抗を改善します。 - ニッケル（Ni）：オーステナイト構造を安定させ、靭性と腐食抵抗を向上させます。309Sの高いNiは、高温でオーステナイトを安定させ、熱強度を増加させます。 - 炭素（C）：309Sの低炭素（「S」グレード）は、溶接中の炭化物析出を減少させ、粒界腐食抵抗を改善します。304の最大値は高いですが、依然として制御されています。 - シリコン（Si）は高温での酸化抵抗を改善することがあります。マンガン（Mn）は脱酸化と冷間加工挙動に寄与します。 - モリブデンの不在は、どちらのグレードもMo含有グレード（例：316）と比較して塩化物によるピッティング抵抗に最適化されていないことを意味します。

3. 微細構造と熱処理応答

• 典型的な微細構造：304と309Sは、基本的に溶解アニーリング状態で完全にオーステナイトです。標準的なアニーリング条件下で室温でマルテンサイトに変化しません。
• 熱処理への応答：
• 溶解アニーリング（一般的）：約1010–1120°Cに加熱し、急冷（セクションサイズに応じて水または空気）して、延性のある再結晶したオーステナイト構造を復元します。
• どちらのグレードも、焼入れと焼戻しによって硬化しません（マルテンサイト硬化なし）。強化は冷間加工（ひずみ硬化）または合金化によって達成されます。
• 高温サービス温度では、309Sは304よりも構造的安定性を保持し、スケーリングに対して優れた抵抗を示します。感作範囲（約450–850°C）での長時間の曝露は、高炭素変種での炭化物析出を引き起こす可能性があります。309Sの低炭素は粒界感作を回避するのに役立ちます。
• 熱機械加工（冷間圧延 + アニーリング）は、両方のグレードで細粒で延性のあるオーステナイトを生成します。再結晶温度は類似していますが、309Sの組成は再結晶挙動をわずかに変化させます。

4. 機械的特性

以下は、シート/プレート製品のアニーリング状態における代表的な機械的特性範囲です。これらは典型的な値であり、実際の値は製品の形状、仕上げ、標準に依存します。

解釈： - 309Sは、合金含有量が高いため、アニーリング状態で引張強度と降伏強度がやや高くなることが一般的です（固体溶液強化）。 - 304は通常、わずかに延性が高く、成形が容易で、常温および低温で優れた靭性を持っています。 - 違いは中程度であり、設計の決定は供給者認定の試験データを使用して決定的な分析を行うべきです。

5. 溶接性

• 304と309Sの両方は、標準のオーステナイト系フィラー金属で容易に溶接できます。309Sは、より高いCr/Niバランスのため、異種鋼の接合や高温サービスのためのフィラーまたはオーバーレイとして頻繁に使用されます。
• 溶接亀裂および熱亀裂の感受性は、両方のグレードで一般的に低いですが、フィラーの選択、ジョイント設計、熱入力が重要です。
• 炭素管理（309Sの低C）の使用は、溶接後の感作および粒界腐食のリスクを減少させます。
• 一般的な溶接性指数：
• 炭素当量（IIW）：
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• 溶接性のより広範な予測のため：
  $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• 定性的解釈：両方のグレードは、マルテンサイト鋼または高強度低合金鋼と比較して低い炭素当量を持っているため、予熱や特別な溶接の注意が必要になることはほとんどありません。重要な厚肉または周期的に応力がかかる溶接の場合は、溶接手順仕様を参照し、フィラー金属のマッチングを検討してください（例：304を高合金鋼に接合するためのER309L）。

6. 腐食および表面保護

• ステンレスの挙動：両者はステンレス（保護的なCrリッチ酸化物を形成します）が、環境や温度条件が相対的な性能を決定します。
• PREN（ピッティング抵抗用）は、主にMoとNが重要な寄与をする場合に適用されます。参考のため：
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Moは通常不在で、Nは低いため、304と309SのPREN値は控えめです。どちらもMo含有グレードと比較して厳しい塩化物ピッティングに最適化されていません。
• 相対的な腐食挙動：
• 304：常温の多くの水性環境で優れた一般的な腐食抵抗（食品加工、一般的な化学曝露）。
• 309S：高温での酸化およびスケーリングに対する優れた抵抗（炉部品、高温スタック）。一部の高温ガス腐食環境では、309Sが304を上回ります。
• 非ステンレスの表面保護：これらのグレードには適用されませんが、摩耗や美観の理由で追加のコーティングや塗装が望まれる場合を除きます。ステンレスでない鋼の場合、亜鉛メッキや塗装が選択肢となりますが、304/309Sの場合は、パッシブフィルムを維持し、汚染物質（例：塩化物）を避けることに重点が置かれます。

7. 加工、機械加工、および成形性

• 成形性：304は309Sよりもわずかに延性が高く、成形が容易であるため、深絞りや曲げがより容易です。309Sはより厳しい曲げ半径とより多くの力を必要とする場合があります。309Sのタイトな成形用途では、成形前のアニーリングが一般的な慣行です。
• 機械加工性：両者はフリーカット鋼よりも機械加工が難しいです。304は309Sよりもやや加工しやすいですが、工具、速度、送りを調整する必要があります。重-duty切削液とカーバイド工具の使用が推奨されます。
• 仕上げ：両者はさまざまな表面仕上げ（明るいアニーリング、酸洗い、パッシベーション）を受け入れます。溶接されたアセンブリは、腐食抵抗を回復するために通常酸洗いとパッシベーションが必要です。

8. 典型的な用途

選択の理由： - 一般的な腐食抵抗、成形、表面仕上げ、低コストが主な要件である場合は304を選択してください。 - 持続的な高温酸化抵抗、スケール抵抗、または高合金システムへの溶接が必要な場合は309Sを選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：309Sは、一般的に304よりも高クロムおよびニッケル含有量が高いため、一般的に高価です。市場価格はニッケルのコストによって変動します。
• 入手可能性：304は普遍的で、さまざまな製品形状（シート、プレート、コイル、チューブ、棒、ワイヤー）で入手可能です。309Sは広く入手可能ですが、仕上げ/グレードの組み合わせが少なく、時にはゲージや特殊形状が少ない場合があります。
• リードタイム：304は生産量が多いため、リードタイムが短いことが多いです。309Sの大口または特殊注文については、早めに供給者に相談してください。

10. 要約と推奨

推奨： - コスト効果が高く、成形性が高く、広範囲の腐食抵抗を持つステンレス鋼が必要な場合は304を選択してください（例：食品加工、貯蔵タンク、建築用途）。 - 持続的な高温、攻撃的な酸化環境が関与する場合、または高合金材料への接合のためのフィラー/オーバーレイが必要な場合は309Sを選択してください。特にスケール抵抗と高温強度が成形の容易さやコストよりも優先される場合。

結論：両方のグレードはオーステナイト系ステンレス鋼であり、重複する能力を持っています。仕様は、実際のサービス温度、腐食性種、加工方法、および供給者認定の材料試験報告に基づいて最終決定されるべきです。