310S対309S - 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

オーステナイト系ステンレス鋼の310Sおよび309Sは、高温性能、耐食性、溶接性、材料コストのバランスを求める設計者にとってしばしば比較検討される鋼種です。典型的な適用例としては、酸化やスケール抵抗が重要視される炉関連ハードウェアや熱処理用治具、熱サイクルおよび腐食環境にさらされる排気・煙道部品、変形や割れリスクを最小化する必要がある溶接組立品などがあります。

これら2つの鋼種の主な実務上の違いは合金設計にあり、クロムとニッケルのバランスが異なることで、高温酸化耐性や高温での延性、コストに明確な差が生じます。両者ともオーステナイト系ステンレス鋼で基本化学組成が類似しているため、高温用途や耐食性と成形性を同時に要求される場合の材料選定で比較されることが多いです。

1. 規格および呼称

• 主な規格：
• ASTM/ASME：ASTM A240 / ASME SA-240（鋼板、鋼板材）
• EN：EN 10088シリーズ（化学成分に基づく同等品が一般的に対応付けられる）
• JIS/GB：日本・中国のローカル規格に対応呼称あり（同等表を参照）
• UNS：UNS S31008（310S）、UNS S30908（309S） — 登録団体により命名規則が異なる
• 分類：
• 310Sと309Sは共にステンレス鋼（オーステナイト系）に分類される。
• 炭素鋼、HSLA鋼、工具鋼、焼入れ焼戻し合金鋼ではない。

2. 化学成分と合金設計方針

以下の表は、工業仕様書や材料データシートで一般的に示される代表的な組成範囲（質量％）を示しています。あくまで代表値であり、調達時には該当規格や製鋼証明書をご確認ください。

元素	310S（代表値、質量％）	309S（代表値、質量％）
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	24 – 26	22 – 24
Ni	19 – 22	12 – 15
Mo	≈ 0	≈ 0
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	≤ 0.10	≤ 0.10

補足： - 「S」グレードは溶接後の感応化および粒界腐食を抑制するための低炭素仕様です。具体的な炭素限度は規格や製品形状により異なります。 - 両鋼種ともモリブデンをほぼ含まず、クロムとニッケルの添加によりオーステナイト基体の安定化を図っています。

合金元素の特性への影響： - クロム（Cr）：酸化および一般腐食耐性および高温でのスケール抵抗性に寄与する主要元素。クロム含有量が高いほど受動被膜の安定性と高温酸化抵抗性が向上。 - ニッケル（Ni）：オーステナイトの安定化剤であり、延性、靭性、熱サイクル耐性を改善。ニッケル含有量の増加は一部の条件でシグマ相生成の抑制にもつながる。 - 炭素（C）：強度を高めるが450〜850 °Cの範囲で感応化および炭化物析出のリスク増大。低炭素「S」鋼は溶接後の粒界腐食の低減に効果的。 - 微量元素（Mn, Si）：強度や耐酸化性（Si）、脱酸・加工性（Mn）に寄与。

3. 微細組織と熱処理の反応

微細組織： - 310S、309Sはともに通常の工業的温度範囲でアニーリング状態において完全なオーステナイト組織を示す。面心立方晶（FCC）のオーステナイト基体は低温でも優れた靭性と良好な成形性を有する。 - いずれも通常の焼入れ焼戻しによる硬化は困難であり、冷間加工により強度を向上させることが一般的。

熱処理の反応： - 1010～1120 °C付近での固溶化焼なまし後の急冷により延性を回復し、析出物を溶解させる。具体的な温度と保持時間は製品形状により異なる。 - フェライト含有がほぼないため、焼きなましや時効処理による強度増加は期待できない。 - 中間温度域（約450〜850 °C）で高炭素含有材では粒界にクロム炭化物が析出し感応化および粒界腐食の原因となるため低炭素「S」グレードでそのリスクを大幅に軽減可能。 - 高温域における熱サイクルで高クロムかつ中程度ニッケルの一部ステンレス鋼ではシグマ相生成が促進されることがある。滞留時間を管理し長期曝露を避けることでリスク低減可能。310Sは高ニッケル含有により多くの実用環境下でシグマ相生成リスクが比較的低いが、長期使用時は評価が必要。

4. 機械的性質

機械的特性は製品形態（板、鋼板、棒鋼）、冷間加工の程度、熱履歴により大きく影響される。多くの工業規格ではアニーリング状態における最低値を規定しており、調達の際は下記のような一般的な最低値または代表的範囲を参考にします。

特性（室温、焼なまし）	310S（代表値）	309S（代表値）
引張強さ（MPa）	最低 約515；代表範囲 515–690	最低 約515；代表範囲 515–690
0.2%降伏強さ（MPa）	最低 約205	最低 約205
伸び（50 mm、%）	約40%（製品形態依存）	約40%（製品形態依存）
衝撃靱性	一般に高く、低温でも良好な靱性を保持	同様に高い。低温靱性も良好
硬さ（HB）	焼なまし硬さは典型的に約70〜95 HB（冷間加工により変動）	310Sとほぼ同様

解説： - アニーリング状態では両者ともオーステナイト構造であり、機械的性質はほぼ同等で、最低保証値も似通っている。延性や靱性の違いはごく微細で、高温下ではNiやCrの含有比によりクリープ耐性や構造安定性に差が表れることがある。 - 冷間加工により両者とも強度および硬さは上昇し、加工硬化挙動は双方ともオーステナイトを維持するため大きくは異ならない。

5. 溶接性

310Sおよび309Sは標準的な溶接手法（SMAW、GMAW、GTAW）で容易に溶接可能とされます。主な溶接に際する留意点は以下の通りです： - 「S」低炭素グレードは溶接後のクロム炭化物析出を抑え、感応化による粒界腐食のリスクを低減。 - オーステナイト組織のためヒートアフェクテッドゾーン（HAZ）で硬脆なマルテンサイトが生じず、マルテンサイト系鋼で問題になる冷割れリスクはない。 - 一方で、オーステナイトは高熱膨張率かつ熱伝導率が低いため、溶接歪みや残留応力が大きく、拘束の強い溶接部位では縮み割れが発生する可能性がある。

参考となる溶接性指標： - 炭素当量（IIW式）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - ピッティング腐食当量（溶接組成評価および耐性判断用）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解説： - 両鋼種とも低炭素かつ高ニッケル含有（特に310S）であるため、硬化やHAZでの割れ発生リスクは低く溶接性は良好。 - 310Sはより高いニッケル含有により一部条件下で固化割れに対する抵抗性が向上し、オーステナイト組織の安定性も高い。ただし、合金成分の増加により熱歪みや歪み発生リスクはわずかに上昇。 - 予熱は通常不要であり、通常使用環境において残留応力解除のための後熱処理も稀。感応化やシグマ相発生が懸念される使用温度域では冶金的ガイダンスに従うことが望ましい。

6. 耐食性および表面保護

• 310Sおよび309Sはともに受動性のクロム酸化被膜を形成し、酸化性環境下での耐食性を示します。両者ともモリブデンフリーの組成であるため、塩素イオンによるピッティング耐性は特化されておらず、一般的な耐食性はクロムと窒素の効果に依存します。

PREN（ピッティング耐性等価数）の使用はMoフリー材種にはあまり有益ではありませんが、以下の式は参考になります： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 両者ともMo ≈ 0のため、PRENの差はCrとNによって決まります。310Sは一般にCrがわずかに高いため、Nが同程度の場合には局部腐食抵抗で若干の優位性があります。

高温における酸化およびスケーリング：310SはCrとNiの含有量が高いため、309Sに比べて連続的な高温酸化雰囲気（炉、キルンライナー）での耐酸化性および寿命が優れています。

ステンレス鋼が不要またはコストが制約となる場合は、従来の鋼材表面保護（溶融亜鉛めっき、塗装、クラッディング）が使用されます。これらの方法は、高温酸化環境でステンレス鋼が選定される場合には適していません。

7. 製造加工性および成形性

• 成形性：両鋼種とも焼なまし状態で高い成形性を有します。310Sはニッケル含有量が高いため延性が向上しやすく、複雑な成形や深絞り加工に有利ですが、実際の差異は通常わずかです。
• 切削加工性：オーステナイト系ステンレスは加工硬化が速いため、フェライト系に比べ切削性は一般に劣ります。309Sと310Sは切削挙動が類似しており、適切な工具形状、剛性の高いセットアップ、および制御された送り速度が重要です。
• 切断および溶接ヒューム：高合金ステンレスの溶接では合金元素のヒュームが多く発生するため、適切な排気設備と個人防護具の着用を徹底してください。
• 表面仕上げ：研磨や酸洗・パッシベーション処理は両者とも効果的です。冷間加工は表面硬化を引き起こし、焼なまし材より研磨がやや困難になる場合があります。

8. 代表的な用途

310S（主な用途）	309S（主な用途）
炉部品および熱処理装置（リトルト、マッフル、放射管）	炉ライニング、バーナ部品、溶接トランジションピース
高温酸化雰囲気下のプロセス機器および熱交換器	中程度の高温および熱サイクルを受ける建築用または構造用付帯部品
酸化抵抗が重要な高温化学処理装置	排気システム、スタック部品、高温耐力とコストのバランスを求められる用途
連続運転用の断熱支持ハードウェア	わずかに低いNi含有量が許容される熱衝撃耐性を要するクラッディング・オーバーレイ

選定のポイント： - 310Sは高温酸化抵抗、連続使用時の長寿命、高温下での高い強度・延性を重視する場合に選択してください。材料費は高めです。 - 309Sは性能を保ちつつ購入コストを抑えたい場合、中程度の温度変動や頻繁な熱サイクル環境に適しています。

9. コストと入手性

• 相対コスト：310SはNi含有量が多いため一般的に309Sより高価です。ニッケル価格の変動がコスト差に影響します。
• 入手性：両鋼種とも一般的な製品形状（板材、鋼板、鋼管、丸棒）で広く流通しています。特殊サイズや重量物は納期が長くなる場合がありますが、310/310Sは高温用途で非常に一般的なため納期遅延は通常管理可能ですが市場状況に依存します。

10. まとめと推奨事項

まとめ表（定性的）:

項目	310S	309S
溶接性	良好（低炭素が有利）	良好（低炭素が有利）
強度–靭性（高温）	優（高Ni・Crによる安定）	良好（室温は同等、高温はやや劣る）
コスト	高め（Ni多）	低め（Ni少）

結論 — 実務上の指針： - 以下の場合は310Sを選択してください： - 高温連続使用における優れた耐酸化・スケール耐性が必要な用途 - 高温での延性・安定性を重視する場合 - ライフサイクルコストが初期材料費上昇を正当化する場合 - 以下の場合は309Sを選択してください： - 中程度の高温環境、熱サイクルを伴う、若干低い高温性能許容可能な場合 - 初期材料コストや入手性が重要な場合 - 良好な溶接性、成形性と適度な高温強度のバランスが求められる場合

最終注意点：310Sおよび309Sはいずれも堅牢なオーステナイト系ステンレス選択肢です。安全性が重要な長期高温用途では、最終選定に際し設計環境データ、関連するASTM/ENの材料証明書、サプライヤーデータシート、および必要に応じて酸化試験、クリープ試験、溶接手順認証などの実験室試験による性能検証を必ず行ってください。