310S対309 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、高温ステンレス鋼を指定する際に、一般的に腐食抵抗、高温強度およびクリープ抵抗、溶接性、材料コストのトレードオフに直面します。310Sおよび309（およびその「S」低炭素バリアント）は、いずれも高温サービス、炉の部品、および異種金属接合のために選ばれたオーステナイト系ステンレス鋼ですが、わずかに異なる最適化がされています。

両者の主な技術的な違いは合金バランスです：310Sは309よりもかなり多くのクロムとニッケルを含んでおり、その性能を高温酸化抵抗およびクリープ強度にシフトさせます。一方、309は良好な高温強度、スケーリング抵抗、経済性（または異種溶接の互換性）のバランスが必要な場合に選ばれることが多いです。両者は室温特性が似ているオーステナイト系ステンレス鋼であるため、選択は最も一般的に予想されるサービス温度、酸化環境、および予算によって決まります。

1. 規格と指定

• 一般的な規格：
• ASTM / ASME: A240（板/シート）、A182（いくつかのバリアントの鍛造品/パイプ継手用）、その他の製品特有の規格。
• EN: EN 10088シリーズ（指定は国ごとに異なる）。
• JISおよびGB: 同様の組成と接尾辞を持つ国の同等物（例：JIS SUS、GB/T）。
• UNS: 309/309S（例：UNS S30900 / S30908）、310S（例：UNS S31008）。
• 分類: 309および310Sはオーステナイト系ステンレス鋼（ステンレスクラス）であり、炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではありません。「S」接尾辞は、溶接中の感作を減少させることを目的とした低炭素バリアントを示します。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、商業用309（および309S）および310S（低炭素310S）の典型的な組成範囲を示しています。値はほとんどの製鋼所の仕様および規格で使用される代表的な範囲です。プロジェクト調達のためには、製品証明書を常に確認する必要があります。

元素	309 / 309S（典型的、wt%）	310S（典型的、wt%）
C	≤ 0.08（309S） / 最大約0.20（309）	≤ 0.08（低炭素310S）
Mn	1.0 – 2.0	1.0 – 2.0
Si	0.5 – 1.0	0.5 – 1.5
P	≤ 0.04 – 0.045	≤ 0.04 – 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	約22 – 24	約24 – 26
Ni	約12 – 15	約19 – 22
Mo	≤ 0.6（通常はなし）	≤ 0.6（通常はなし）
Nb / Ti / V	通常は添加されない	通常は添加されない
B	微量のみ	微量のみ
N	微量 – 0.12	微量 – 0.12

合金が性能に与える影響： - クロムは高温酸化抵抗および受動的腐食抵抗の主な寄与因子です。高いCrは高温でのスケール形成を改善します。 - ニッケルはオーステナイトマトリックスを安定させ、延性を高め、クリープおよび高温強度を改善します。310Sの高いNiは、非常に高温での優れた性能の主要な理由です。 - 炭素含有量は、溶接またはゆっくり冷却中の感作（クロムカーバイドの沈殿）に影響を与えます。低炭素「S」グレードは、溶接後の粒界腐食のリスクを減少させます。 - マンガンとシリコンは熱加工性と脱酸に寄与します；どちらのグレードもモリブデンをほとんど含まないため、ピッティングやクレバス腐食抵抗を意図していません。

3. 微細構造と熱処理応答

• 典型的な微細構造：309および310Sは、焼鈍状態で完全にオーステナイトです。粒径と析出物は、熱機械的履歴と冷却速度に依存します。
• 熱処理：
• オーステナイト系ステンレス鋼は、従来の焼入れおよび焼戻しサイクルによって硬化されません—機械的特性は冷間加工と粒構造によって設定されます。固溶焼鈍（例：1,040–1,100 °Cで急冷）は、カーバイドを溶解し延性を回復します。
• 「S」グレードの場合、固溶焼鈍と急冷はカーバイドの析出を最小限に抑え、腐食抵抗を保持します。
• 熱機械加工の影響：
• 冷間加工は強度を増加させ（加工硬化）、延性を減少させる可能性があります；両方のグレードは冷間加工に対して同様に反応します。
• 高温サービス温度では、長時間の曝露が粒成長を引き起こし、より高い炭素グレードでは粒界でのカーバイド析出を引き起こす可能性があります。310Sの高いNiおよびCr含有量は、309と比較して非常に高温での有害な微細構造変化を遅らせる傾向があります。
• 正規化/焼入れ：フェライト鋼やマルテンサイト鋼と同じ方法では適用されません；熱サイクルの制御と溶接後熱処理（PWHT）の考慮は異なります。これらのオーステナイト系グレードは靭性を保持し、硬化に抵抗します。

4. 機械的特性

焼鈍されたオーステナイト系ステンレス鋼の機械的特性は、製品形状（シート、板、パイプ）、冷間加工、および正確な化学組成に影響されます。以下の表は、焼鈍された材料の代表的な典型範囲をまとめたものです（値は示唆的であり、設計計算のためには供給者認証データを参照してください）。

特性（焼鈍、典型的）	309 / 309S	310S
引張強度（MPa）	約510 – 750	約520 – 750
降伏強度、0.2%（MPa）	約200 – 320	約200 – 320
伸び（%、50 mmで）	約35 – 55	約35 – 55
衝撃靭性（シャルピーVノッチ、J）	室温で延性；靭性を保持	室温で延性；靭性を保持
硬度（HRB）	約80 – 95	約80 – 95

解釈： - 室温では、両方のグレードは類似の強度および延性範囲を示します；違いはわずかで、両方がオーステナイトであるためです。 - 高温では、310Sは一般的に309よりもスケール抵抗およびクリープ強度を維持します。これはその高い総合CrおよびNi含有量によるものです。 - 室温での衝撃靭性は通常、両方にとって良好です；どちらのグレードも高硬度用途には選ばれません。

5. 溶接性

オーステナイト系ステンレス鋼は一般的に溶接可能であり、低炭素「S」バリアントは感作に対する抵抗を改善します。溶接性の評価には、炭素当量のような経験的指標がよく使用されます：

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

およびより詳細なPcm式：

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 309Sおよび310Sの低炭素含有量は、溶接後のクロムカーバイドの析出および粒界攻撃のリスクを減少させます；これにより、対応する高炭素グレードよりも溶接が容易になります。 - 両方のグレードは低い硬化性を持っています（オーステナイト系ステンレス鋼は冷却時にマルテンサイトを形成しません）、これにより冷間割れのリスクが最小限に抑えられます。溶接割れのリスクは、固化割れ、熱亀裂、および汚染によって支配され、マルテンサイト変態によるものではありません。 - 309は、ステンレス鋼と炭素鋼を接合するためのフィラー金属として頻繁に使用されます（その組成が両者を橋渡しするため）、一方、310Sは溶接部が優れた高温酸化抵抗を保持する必要がある場合に選ばれます。 - プレヒートおよび溶接後熱処理は、マルテンサイト変態を避けるために一般的には必要ありませんが、高温サービスおよび炭化/酸化雰囲気に対しては希釈、インターパス温度、およびフィラー選択に注意が必要です。

6. 腐食および表面保護

• ステンレスオーステナイトグレードとして、309および310Sは、非攻撃的環境で一般的な腐食抵抗を提供するクロム酸化物の受動膜を形成します。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、モリブデンおよび窒素が存在する場合の局所的なピッティング抵抗を評価するためによく使用されます：

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• 適用性：
• 309および310Sの場合、PRENは限られた有用性があります。なぜなら、両者は通常、モリブデンをほとんど含まず、低い窒素レベルしか持たないためです。したがって、塩素を含む環境でのピッティングおよびクレバス腐食に対する抵抗は、Moを含むステンレス合金（例：316、デュプレックスグレード）と比較して限られています。
• 高温酸化：
• 310Sは、より高いCrおよびNiを持ち、スケーリング抵抗が優れており、309よりも高い連続サービス温度で強度を保持します。
• 309は、中程度の高温まで良好な酸化抵抗を提供し、多くの炉および熱処理アプリケーションでより経済的である可能性があります。
• 非ステンレス部品の表面保護：これらのステンレスグレードには適用されません；攻撃的な塩素または酸性環境で使用される場合は、コーティング、クラッディング、または異なる合金を検討してください。

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 成形性および曲げ：両方のグレードは非常に延性が高く、焼鈍状態で優れた成形性を示します。典型的なシート成形操作は簡単ですが、高い加工硬化のためにスプリングバックを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炭素鋼よりも機械加工が難しいです。309および310Sは急速に加工硬化し、熱伝導率が低いため、剛性のあるセットアップ、鋭い工具、および制御されたフィード/レートが必要です。310Sは、いくぶん延性が高く、いくつかの条件で機械加工がやや容易かもしれませんが、どちらも簡単に加工できるとは分類されません。
• 表面仕上げ：両方とも標準的なステンレス仕上げおよび研磨を良好に受け入れます。加工中に汚染（鉄の付着）を避けるために注意が必要で、これが腐食抵抗を損なう可能性があります。
• 溶接加工：サービス条件に適したフィラー金属を使用してください；異種接合には309フィラーを選択し、高い酸化抵抗が必要な場合は310/310Sフィラーを選択してください。

8. 典型的な用途

309 / 309S（一般的な用途）	310S（一般的な用途）
サイクル加熱にさらされる炉の部品およびライニング	炉の要素および連続高温サービス（ヒーター、マッフル）
熱処理用の治具およびリトルト	高温プロセス容器およびダクト（酸化雰囲気）
ステンレス鋼と炭素鋼を接合するための溶接フィラー	最高の実用温度までの高温腐食/酸化抵抗部品
排気システムおよび産業炉ハードウェア	高Ni/Crが必要な熱交換器および燃焼機器
膨張継手および煙道ライナー	高温でのガラスおよび石油化学プロセス機器

選択の理由： - コストと良好な高温性能が必要だが、最大サービス温度が中程度で、炭素鋼に頻繁に接合する場合は309を選択してください。 - アプリケーションが高い持続温度での優れた長期的なスケーリング抵抗およびクリープ性能を必要とし、予算が高い合金コストを許容する場合は310Sを選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト：310Sは、ニッケルおよびクロム含有量が高いため、一般的に309よりも高価です。ニッケルの価格変動は310Sの価格に大きく影響する可能性があります。
• 入手可能性：両方のグレードは広く生産され、シート、板、パイプ、チューブ、バーで入手可能です。310Sの特定の特殊製品形状や非常に大きなサイズは、製鋼所の在庫や市場条件に応じて309よりも長いリードタイムが必要な場合があります。
• 調達のヒント：材料コストに敏感なプロジェクトの場合、310Sの運転温度での高い性能がライフサイクルコスト（長寿命、交換の減少）をもたらし、初期の材料コストの増加を相殺するかどうかを評価してください。

10. まとめと推奨

特性	309 / 309S	310S
溶接性	ステンレス溶接に優れ；異種接合用の好ましいフィラー	優れた；低炭素Sグレードは感作を減少させる
強度–靭性（RT）	良好、他のオーステナイト系と同様	良好、室温で同様；優れた高温クリープ/スケール抵抗
コスト	低い	高い

最終的な推奨： - 310Sを選択してください。設計が高温酸化抵抗およびクリープ性能の最良のオーステナイト系を必要とする場合、またはオーステナイト温度範囲の上限での酸化スケール抵抗が重要な場合は、連続または長時間のサービスでの使用を考慮してください。 - 309（または309S）を選択してください。コスト効果の高いオーステナイト系ステンレス鋼が必要で、良好な高温強度、異種金属溶接（例：炭素鋼または低合金鋼への接合）への頻繁な互換性、および中程度の高温サービスに対する適切なスケーリング抵抗を提供する場合。

重要なコンポーネントについては、正確な合金仕様および製鋼所の試験証明書を常に確認し、意図された環境およびサービス温度に対するクリープ破壊限界、酸化試験結果、および溶接フィラーの互換性について、ラボまたはベンダーデータを考慮してください。