フェライト系（SUS430）とマルテンサイト系（SUS410）の溶接性と予熱条件

フェライト系（SUS430）とマルテンサイト系（SUS410）の溶接性と予熱条件：割れ防止の冶金学と実務対策

フェライト系（SUS430）とマルテンサイト系（SUS410）の溶接性と予熱条件：割れ防止の冶金学と実務対策

ステンレス鋼の調達や製缶・溶接加工の現場において、オーステナイト系（SUS304やSUS316など）の扱いに慣れた技術者ほど、400系ステンレス鋼（SUS430、SUS410など）の溶接で思わぬトラブルに直面するケースが多い。

「SUS304と同じ感覚でTIG溶接したら、ビード端部からピキッと割れが入った」
「熱影響部（HAZ）がガラスのように硬くなり、少しの曲げでポキリと折れた」

こうした現場の悲鳴は、フェライト系やマルテンサイト系ステンレス鋼が持つ独自の冶金学的特性を無視したことに起因する。本稿では、400系ステンレス鋼の溶接における組織変化のメカニズムから、JIS規格に基づく実務的な予熱条件、溶接条件、そして具体的なトラブルシューティングまで、現場のプロが押さえるべき全知見を網羅的に解説する。

1. 基礎知識：400系ステンレス鋼の組織と溶接性のメカニズム

400系ステンレス鋼は、主成分としてニッケル（Ni）をほとんど含まず、クロム（Cr）を主たる合金元素とする鉄-クロム系（Fe-Cr）合金である。JIS G 4303やJIS G 4304に規定される代表的な鋼種の化学成分と機械的性質を以下に示す。

【表1】代表的な400系ステンレス鋼の化学成分（JIS規格値・代表例）と機械的性質

| 鋼種記号 | 系統 | C (%) | Cr (%) | 引張強さ (N/mm²) | 伸び (%) | 組織的特徴 |
| :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— |
| SUS430 | フェライト系 | 0.12以下 | 16.00～18.00 | 450以上 | 20以上 | 常温で安定したフェライト単相組織 |
| SUS410 | マルテンサイト系 | 0.08～0.15 | 11.50～13.50 | 410以上（焼鈍）
750以上（調質） | 20以上（焼鈍）
15以上（調質） | 熱処理によりマルテンサイトに変態する |

フェライト系（SUS430）の溶接性メカニズムと脆化要因

SUS430は、室温から高温（融点直前）まで基本的にフェライト単相組織を維持する。オーステナイト系のように高温から低温への冷却時にマルテンサイト変態を起こさないため、硬化性自体は低い。しかし、溶接時には以下の深刻な問題が発生する。

1. 高温結晶粒の著しい粗大化
溶接時の高熱により、溶接熱影響部（HAZ）の結晶粒が著しく成長・粗大化する。結晶粒が粗大化した領域は、常温での靭性（耐衝撃性）と延性が著しく低下する（粒界脆化）。
2. 475℃脆化とσ（シグマ）相脆化

475℃脆化: 400℃〜500℃の温度域に長時間保持、あるいはこの温度域を徐冷されると、Crが局所的に濃縮・析出（スピノーダル分解）し、硬くもろくなる。
σ相脆化: 550℃〜800℃に加熱されると、Fe-Crの金属間化合物（σ相）が析出し、靭性が著しく損なわれる。

3. 鋭敏化と耐食性の低下
800℃〜1000℃に加熱された際、炭素がクロムと結合して炭化物（$Cr_{23}C_6$）として粒界に析出する。その結果、粒界近傍にクロム欠乏層が形成され、応力腐食割れや粒界腐食の起点となる。

マルテンサイト系（SUS410）の溶接性メカニズムと硬化割れ

SUS410は、炭素を含有し、熱処理によって高強度を得る鋼種である。溶接時において、この特性が最大の仇となる。

1. 高温域からの急速冷却によるマルテンサイト変態
溶接熱により、HAZは1000℃以上のオーステナイト単相領域に加熱される。その後の冷却過程において、炭素量に応じた硬い「マルテンサイト組織」へ変態する。これが「硬化」のメカニズムである。
2. 低温割れ（遅れ破壊）の発生
マルテンサイト変態に伴う体積膨張と、組織自体の高硬度化（HV 400〜500超）、さらに溶接部に残留する水素が相乗作用を引き起こし、溶接後数時間から数日経ってから低温割れ（冷間割れ）が発生する。特に拘束度が高い構造物や板厚が厚い場合、割れリスクは極めて高くなる。

2. 現場での実践：溶接手順・条件とトラブル対策

400系ステンレス鋼の溶接を成功させるためには、母材の特性に応じた厳密な施工管理が不可欠である。

SUS430（フェライト系）の溶接施工要領

入熱管理（低入熱・パス間温度の厳守）

結晶粒の粗大化を防ぐため、「低入熱・ビードは細く・多層盛りが基本」となる。大電流・低速度の溶接は厳禁である。

TIG溶接条件の目安（板厚 3mm の場合）:
溶接電流: $100 \sim 130\text{A}$
アーク電圧: $11 \sim 14\text{V}$
溶接速度: $150 \sim 200\text{mm/min}$
パス間温度: $150^\circ\text{C以下}$ に厳しく管理する。
溶接材料の選定

共金溶接（SUS430母材に対してYSUS430など）を行うと、溶接金属の靭性が著しく低下する。そのため、実務では靭性と延性に優れたオーステナイト系溶加棒（Y309系やY309L系）を選定するのが定石である。これにより、溶接金属側にニッケルが供給され、組織の安定化と靭性確保が図れる。

シールドガスの選定

純Ar（アルゴン）ガスを使用するが、裏面側も確実にバックシールド（Arガスパージ）を行い、酸化を完全に防止すること。

SUS410（マルテンサイト系）の溶接施工要領

予熱の必須化と温度管理

マルテンサイト変態時の急冷と硬化割れを防ぐため、予熱（Preheat）とパス間温度の維持が絶対に必要である。

予熱温度の目安: 母材の炭素量（C量）と板厚に依存するが、一般的に $200^\circ\text{C} \sim 300^\circ\text{C}$ に設定する。低炭素タイプ（C 0.08%以下）であれば $150^\circ\text{C}$ 前後でも対応可能だが、高炭素側では $300^\circ\text{C}$ 以上の予熱が必要となる。
後熱（PWHT：溶接後熱処理）の実施

溶接直後のHAZはマルテンサイト化により非常に硬くてもろいため、そのままでは実用に耐えない。溶接完了後、冷却させずに（または冷却後速やかに）焼戻し（Tempering）を行う。

PWHT条件の目安: $650^\circ\text{C} \sim 750^\circ\text{C}$ に加熱し、一定時間保持（板厚1mmあたり約1〜2分、最低でも30分以上）した後、炉冷または空冷する。これにより組織が軟化し、残留応力が除去されるとともに、耐割れ性と延性が回復する。

現場で頻発するトラブルと具体的対策

# トラブル1：SUS430の曲げ試験でビード近傍（HAZ）から破断する

原因: 過大な入熱による結晶粒の粗大化、あるいは475℃脆化域での冷却遅延。
対策:

1. 溶接電流を下げ、ウィービング幅を狭くする（ストリンガービードの徹底）。
2. 冷却速度を速める（ただし急冷しすぎないよう、空冷や銅製裏当て金の活用）。
3. 母材の受入検査時に結晶粒度を確認し、必要に応じて焼鈍材を使用する。

# トラブル2：SUS410の溶接数時間後に表面に亀裂（割れ）が走る

原因: 予熱不足による硬化組織の生成、残留応力、拡散性水素による低温割れ。
対策:

1. 予熱温度を厳守する（赤外線温度計やサーモクレヨンで母材温度を常時確認）。
2. 低水素系の溶接材料（被覆アーク溶接の場合、使用前に必ず乾燥を行う）を選定する。
3. 溶接後、直ちに $650^\circ\text{C}$ 以上の後熱処理（PWHT）ラインへ投入する。

3. 専門的知見：JIS/ISO規格と冶金学的アプローチ

ここからは、調達担当者や製造責任者が知っておくべき、規格の裏付けと高度な冶金学的考察を解説する。

炭素当量（$C_{eq}$）による硬化性と溶接性の評価

マルテンサイト系ステンレス鋼（SUS410など）の溶接性を定量的に評価するため、炭素当量（Carbon Equivalent: $C_{eq}$）の概念が用いられる。JIS Z 3110などで規定されるDearden-O’Neill式やIІW（国際溶接学会）の式を応用し、合金元素の影響を換算する。

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

SUS410（C: 0.08〜0.15%, Cr: 11.5〜13.5%）の場合、この $C_{eq}$ 値は高くなりやすい。一般的に $C_{eq}$ が 0.40% を超える材料は、溶接割れ感受性が高いと判断され、厳格な予熱（通常 $200^\circ\text{C}$ 以上）とパス間温度管理がJISおよびISO標準で義務付けられる。

シェフラの組織図（Schaeffler Diagram）を用いた組織予測

オーステナイト系以外のステンレス鋼を含め、溶接金属の組織を予測する上で最も強力なツールがシェフラの組織図（Schaeffler Diagram）である。

横軸: ニッケル当量（$Ni_{eq} = \%Ni + 30 \times \%C + 0.5 \times \%Mn$）
縦軸: クロム当量（$Cr_{eq} = \%Cr + \%Mo + 1.5 \times \%Si + 0.5 \times \%Nb$）

フェライト系やマルテンサイト系の母材に対し、オーステナイト系溶加棒（例：SUS304系母材に対する308系、あるいは400系に対する309系）を溶かし込んだ際、希釈（Dilution）によって溶接金属がどの組織領域（マルテンサイト、フェライト、オーステナイト、またはその二相領域）に落ちるかをこの図から読み解く。

400系母材の溶接において、共金溶接（母材と同じ成分のワイヤ）を使用すると、冷却時に脆いマルテンサイトや粗大なフェライトが出現しやすいため、シェフラ図上で「オーステナイト＋フェライト」の安全領域（あるいは完全にオーステナイト化する領域）に入るような溶加棒（例: AWS A5.4 / A5.9 の ER309L など）を選択することが、実務的な冶金学的アプローチの基本となる。

4. 総括（調達・営業・現場へのアドバイス）

ステンレス鋼の加工・調達において、SUS304と同一視して「400系も同じステンレスだから」という認識で設計・施工を行うことは、致命的な品質不良（溶接割れ、強度の著しい低下）を招く直結の要因となる。

SUS430（フェライト系）は、低入熱・多層盛りを徹底し、必要に応じてオーステナイト系溶加棒（309系）を選定することで靭性を確保する。
SUS410（マルテンサイト系）は、適切な予熱（$200^\circ\text{C}$〜）と、溶接直後の後熱処理（PWHT：$650^\circ\text{C}$〜焼戻し）をセットで計画に組み込む。

設計段階からこの冶金学的特性を織り込み、適切な調達仕様書と溶接施工要領書（WPS）を整備することこそが、トラブルフリーの金属加工を実現する唯一にして最大の要諦である。