309S ステンレス鋼グレード: 組成、特性、熱処理および用途

309S ステンレス鋼はグレード 309 の低炭素バージョンで、クロム 22.0 ～ 24.0% とニッケル 12.0 ～ 15.0% を含むオーステナイト系クロムニッケル合金です。米国では UNS S30908、欧州システムでは 1.4833 に指定されており、主に最大約 1000 °C の温度の酸化性雰囲気中で連続使用するコンポーネントに対して指定されています。

規定の仕様限界は炭素です。309S の C 上限は 0.08% ですが、ストレート 309 では最大 0.20% まで許容されます。炭素が少ないと、材料を溶接したり 430 ～ 900 °C の範囲に保持したりするときに粒界での炭化クロムの析出が抑制されるため、溶接加工や熱サイクル装置には 309S が適しています。

製品の形状とグレードを混同しないでください。 309Sはシート、プレート、バー、パイプに使用される鍛造仕様です。炉のローラー、キルン プレート、熱処理治具などの鋳造部品に同じ Cr-Ni 合金系が必要な場合、鋳造工場は鍛造 309S 仕様ではなく ASTM A297 グレード HH などのグレードを鋳造するように努めます。

309S の化学組成 (UNS S30908)

309S の化学的性質は、ASTM A240 および同等の欧州仕様などの規格によって設定されています。あらゆる高温特性は以下のバランスから導き出されます。

高合金 310S (24 ～ 26% Cr、19 ～ 22% Ni) と比較して、309S は低コストのベースを提供しながら、約 1000 °C で実用的な耐酸化性を実現します。 310S に含まれる追加のニッケルにより、クリープ強度と厳しい熱サイクルに対する耐性に目に見える余裕が生まれます。そのため、動作温度が約 1000 °C を超えると 310S が 309S に置き換わる傾向があります。

機械的および物理的特性

焼きなまし状態では、309S は柔らかく、延性があり、非磁性になります。以下の値は、ホットサービス状態ではなく、製造された状態を示しています。

使用温度が 900 °C の場合、最小引張強度 515 MPa に基づいて 309S を選択しないでください。許容応力は 600 °C を超えると急激に低下し、実際の限界は正確な断面厚さの酸化速度とクリープ寿命によって設定されます。 RFQ を送信する際は、雰囲気、ピーク温度、負荷を明記してください。サプライヤーは、309S、鋳造 HH/HK グレード、または 310S アップグレードのいずれかを決定できます。

309Sと310Sおよび鋳造耐熱グレードの比較

309S に最も近い鋳物は ASTM A297 グレード HH です。これは 25Cr-12Ni 合金で、その公称組成は鍛造グレードと元素の約 96% を共有していますが、鋳物に高温クリープ強度を与えるためにより多くの炭素を含有しています。

この区別は、調達において最も一般的な混乱の原因です。ファーネスローラーの図面を送ってそこに「309S」と書くと、鋳造鋳物工場は通常、HH タイプの化学組成 (24 ～ 28% Cr、11 ～ 14% Ni、0.20 ～ 0.50% C) を提案します。これは、低炭素鍛造化学組成では、厚い耐荷重セクションに必要な鋳造微細構造と破断強度が得られないためです。最初に製品の形式を選択します。鍛造 309S では、シートまたはパイプを切断、成形、溶接できます。成形品が成形され、重量があり、温度で負荷がかかる A297 グレードを鋳造します。

炉内で荷重を受ける丸い部品の場合、通常、遠心鋳造が適切な方法です。これは、緻密で方向性のある凝固構造が生成されるためです。圧延して溶接した 309S パイプはガスダクトに使用できます。 1000 °C で自重に耐える必要があるチューブは、制御された化学反応で遠心鋳造された製品である必要があります。

遠心鋳造耐熱ステンレス鋼管 このパイプは遠心鋳造によって緻密で方向性凝固された構造を実現するために製造されており、1000 °C で自重に耐える必要があるガスダクトやチューブなど、高温で耐荷重がかかる炉コンポーネントに適しています。 製品を見る→

製造と熱処理

309S は、標準的なオーステナイト系ステンレス手順で切断、成形、機械加工、溶接できます。 1 つの重要なルールは、熱間加工を完全な溶体化焼きなましと急速冷却で終了することです。

溶体化焼鈍は、炭化クロムを溶解するのに十分な温度を保持しながら 1038 ～ 1120 °C で実行され、その後水冷または強力な空冷が行われます。このグレードは熱処理によって硬化することができません。冷間加工によって得られた剛性は単なる加工硬化であり、焼きなましによって消えます。

溶接は簡単です。適合する 309 または 309L フィラーを使用し、非常に硬いセクションを除いて予熱を避け、パス間の温度を適度に保ちます。 0.08% のカーボン キャップにより、ストレート 309 と比較して熱影響部での炭化クロムの析出が大幅に減少します。そのため、309S の溶接部は別途溶接後処理を行わずに炉の使用に入ることができます。

同じ理由が、熱処理サイクル中にワークピースを運ぶ治具にも当てはまります。トレイの設計とトレイの材質によって温度の均一性が決まります。 熱処理トレイ設計の最適化 鋳造工具を鋳造する前に鋳造工場がチェックする構造的要因について説明します。繰り返しの熱サイクルに対して、強化リブを備えた鋳造治具は薄い板金バージョンよりも優れた性能を発揮します。そのため、ほとんどのオペレーターは、連続熱処理ライン用に溶接 309S フレームワークから鋳造 HH タイプのバスケットおよびトレイに移行しています。

井戸型炉用の積み重ね可能な熱処理バスケット 熱処理中に部品を整理するために設計されたこの積み重ね可能なバスケットは、炉の容量と空気の流れを改善し、均一な加熱と一貫した結果を保証します。鋳造 HH タイプのバスケットが溶接板金バージョンよりも優れた性能を発揮する連続熱処理ラインに特に適しています。 製品を見る→

一般的な高温用途

309S は、約 1000 °C までのクリーンな酸化雰囲気、および溶接または冷間成形で製造できるコンポーネント向けのデフォルトの経済的なステンレスです。

• 熱処理設備: 850 ～ 1000 °C で動作するトレイ、バスケット、レトルト、およびマッフル。
• 炉内部構造物: ラジアントチューブ、バーナーノズル、燃焼室、耐火アンカー。
• ロータリーキルン用のキルンハードウェア: キルン家具、キルン口および尾部保護プレート、および耐熱シールストリップ。
• 廃棄物発電および発電装置: ボイラーコンポーネント、空気予熱器セクション、およびスートブロワーランス。
• 石油化学プラントのコンポーネント: サーモウェル、エアマニホールド、触媒サポートグリッド、反応器内部構造。

2 つのアプリケーション制限を覚えておく価値があります。約 500 °C を超える硫黄含有雰囲気では、309S のニッケルが硫化されやすいため、別の合金ファミリーが必要になる場合があります。 1000 °C 近くの強い熱サイクル下では、薄い鍛造ライナーは、設計されたリブを備えた鋳造コンポーネントの前に歪みます。そのため、ファーネス ローラーやキルンの保護プレートは、シートから製造されるのではなく、ほとんどの場合鋳造されます。

遠心鋳造炉用耐熱ローラー このローラーは、高温と回転応力に耐えられるよう耐熱合金から設計されており、遠心鋳造炉内で信頼性の高い動きを実現します。リブを備えた鋳造設計により、薄い鍛造ライナーよりも優れた耐熱衝撃性が得られ、要求の厳しい用途での耐用年数が延長されます。 製品を見る→

309S コンポーネントの指定方法: 調達に関する考慮事項

最も有用なステップは、すべての RFQ で製品の形式と管理基準を明記することです。 「309S 鋳造」のリクエストは技術的に曖昧であり、比較できない見積もりが作成されます。

• 鍛鋼板およびシートの場合は ASTM A240、溶接パイプの場合は ASTM A312 または A358、鋳造品の場合は ASTM A297 を指定してください。
• 実際の熱分析を依頼し、工場試験証明書のクロム、ニッケル、カーボンの値を確認してください。
• 鋳物の場合は、装入化学物質、鋳造ルート、および鋳造所で使用される鋳造後の熱処理手順を確認してください。
• デューティ サイクル (ピーク温度、大気組成、滞留時間、周期周波数) を送信します。
• 900 °C を超える重要な耐荷重部品の場合は、室温の引張値ではなく、クリープ破断データまたは文書化されたサービス履歴が必要です。

同じ Cr-Ni 合金族の鍛造品と鋳造品の両方を扱うサプライヤーは、推測に頼ることなく、デューティ サイクルを適切な製品形式に変換できます。私たちの 耐熱合金鋼鋳造工場 は、キルン、炉、熱処理ライン向けにここで説明する鋳造グレードを製造しており、鍛造 309S コンポーネントが荷重ケースに適切なソリューションではない場合には、鋳造化学薬品を推奨できます。

309Sに関するよくある質問

309と309Sの違いは何ですか？

炭素制限のみ。 309 では最大 0.20% の炭素が許容されます。 309S の上限は 0.08% です。炭素が少ないため、430 ～ 900 °C の範囲での溶接および使用中に炭化クロムの析出が制限されます。そのため、溶接および熱サイクル装置には 309S が推奨されます。

309Sは鋳物に使用できますか?

309S は正式には鍛造品の名称です。鋳造部品の場合、鋳造工場は同じ Cr-Ni ベースの ASTM A297 グレード、通常は 1000 °C 付近でグレード HH (0.20 ～ 0.50% C の 25Cr-12Ni) を使用します。 「309S 鋳造」図面を提出した場合、鋳物工場が HH タイプの化学的性質を提案し、代替品について説明することを期待してください。

309Sと310Sではどちらが高温に優れていますか?

310S。クロム (24 ～ 26%) とニッケル (19 ～ 22%) が多いと、酸化スケールがより安定し、クリープ強度が向上するため、約 1000 °C 以上または厳しい熱サイクル下で仕様化されています。 309S は、その定格内で清浄な酸化空気において価値のある選択肢であることに変わりはありません。

309S は溶接後に焼き鈍しが必要ですか?

ほとんどの高温サービスでは、いいえ。炭素含有量が低いため、熱影響部の感作が抑えられます。溶接部が水性の腐食性媒体にも面している場合は、1038 ～ 1120 °C での完全溶体化焼き鈍しとそれに続く急速冷却を指定できます。

309Sは磁性を持っていますか?

オーステナイトグレードで予想されるように、焼きなまし状態では本質的に非磁性になります。冷間加工によりわずかな磁気が発生する可能性がありますが、炉や窯の用途では重大な影響を受けることはほとんどありません。