高圧装置用材料と熱処理の論点｜炭素量・熱処理・合金元素・ステンレス鋼・低温用と高温用の鋼【甲種化学・保安】

保安管理技術の高圧装置用材料（炭素量・熱処理・合金元素・鋼種）の論点を並べた記事です。見出しが論点名なので、目次から引いてください。全体像は保安管理技術15問の攻略へ。

材料と腐食：高圧装置用材料と熱処理（この記事）｜腐食と防食

炭素鋼と炭素量 ── C量が増えると硬く強くなり、伸びとじん性は下がる
- C量による炭素鋼の区分
熱処理（焼入れ・焼戻し・焼なまし・焼ならし） ── 炉冷が焼なまし、空冷が焼ならし
- 4つの熱処理の冷やし方と目的
合金元素・低合金鋼・高張力鋼 ── 低合金鋼は添加元素の合計5%以下
ステンレス鋼 ── Moは耐孔食、低C・Ti・Nbは耐粒界腐食、二相は耐応力腐食割れ
- 改良鋼と系統
低温用材料 ── Ni量で最低使用温度が変わり、極低温は面心立方の材料
- 材料ごとの最低使用温度
高温用材料とクリープ ── 炭素鋼は350℃まで、その上はCr-Mo鋼。弱点は焼戻し脆化
- 焼戻し脆化 ── 325〜575℃で保持・徐冷すると粒界に不純物が集まる
鋳鉄 ── 片状黒鉛で硬く脆く、圧延できない
- 鋳鉄の種類
溶接性 ── C量が多いほど溶接部が硬化するので、C量の上限を決める
材料の選び方 ── 高温用は高温強度、低温用はじん性、厚板は強度とじん性

炭素鋼と炭素量 ── C量が増えると硬く強くなり、伸びとじん性は下がる

Cを増やすと硬く強く、しかし脆く：炭素量が増えると引張強さ・降伏点・硬さは上がり、伸び・絞り・靭性（吸収エネルギー）は下がる

フェライトとパーライトからなる亜共析鋼では、C量が増えると引張強さ・降伏点・硬さは上がり、伸び・絞り・じん性（吸収エネルギー）は下がります。延性から脆性に変わる遷移温度も上がります。

問われる形	正誤	ポイント
C量が増えると、引張強さ・降伏点とともに吸収エネルギーも大きくなる	×	吸収エネルギーは小さくなる（H29検定問3イ）
C量に比例して降伏点・引張強さ・じん性が上がり、伸びと硬さが下がる	×	じん性と硬さが逆（R2検定問3ロ。R3は正しい形、R6は全部逆の形）
過共析鋼では、C量が増えると網状のセメンタイトが増え、引張強さと硬さが増す	○	過共析鋼の組織はパーライト＋セメンタイト
炭素鋼はFeとCだけの合金で、Si・Mn・P・Sは含まない	×	製鋼上入るSi・Mnと、不純物のP・Sを少量含む（R2・R5検定は正しい形）

出題：検定10記述（平成28〜令和7年度）

炭素鋼の機械的性質は、主にC量で決まる。C量は通常およそ0.02〜2%
溶接性もC量で下がる（→ 溶接性）

C量による炭素鋼の区分

区分	C量	組織など
亜共析鋼	0.77%以下	フェライト＋パーライト
共析鋼	0.77%	パーライト（層状の共析組織）
過共析鋼	0.77%以上	パーライト＋セメンタイト（網状）
軟鋼（低炭素鋼）	0.18〜0.30%	C量と硬さによる分類
硬鋼（高炭素鋼）	0.50〜0.60%	同上
鋳鉄	2.14%以上	鋼ではない（→ 鋳鉄）

熱処理（焼入れ・焼戻し・焼なまし・焼ならし） ── 炉冷が焼なまし、空冷が焼ならし

冷やし方で決まる熱処理：オーステナイト域に加熱したあと、急冷が焼入れで硬化、空冷が焼ならしで結晶粒の微細化、炉冷が焼なましで軟化し、焼入れのあとは焼戻しで靭性を戻す

冷却速度：焼入れ（急冷）＞焼ならし（空冷）＞焼なまし（炉冷）。 焼入れのままの鋼は硬く脆く、内部応力も残るので、圧力容器用鋼板は焼入れのあと必ず焼戻しをします。

問われる形	正誤	ポイント
オーステナイト域から静かな大気中で空冷する処理は、完全焼なまし	×	焼ならし。焼なましは炉冷（R3検定問3ハ・R6検定問3ハ）
同じ文を「焼ならし」として出したもの	○	R4検定問3ニ
焼ならしは結晶粒の微細化などが目的で、じん性を主体とした機械的性質が改善される	○	R1検定問3ロ
圧力容器用鋼板は、焼入れのあと必ず焼なましを行う	×	必ず焼戻し（H30検定問3ロ。H28は「焼入れのまま使う場合がある」で×）

出題：検定7記述（平成28〜令和7年度）

4つの熱処理の冷やし方と目的

熱処理	加熱と冷却	目的・結果
焼なまし（完全焼なまし）	オーステナイト域に加熱保持し、炉冷	軟化（柔らかい層状パーライト）
焼ならし	オーステナイト域に加熱し、静かな大気中で空冷	結晶粒の微細化・炭化物の調整・内部応力の除去
焼入れ	オーステナイト域に加熱し、急冷	マルテンサイトで著しく硬化。内部応力が残る
焼戻し	焼入れした鋼を共析変態温度以下で再加熱	硬度の調整・じん性の改善・内部応力の除去

覚え方：焼なましはゆっくり冷ましてやわらかく。焼ならしは組織を「ならす（細かくそろえる）」
焼入れと焼戻しを組み合わせた処理が調質（→ 調質高張力鋼）

合金元素・低合金鋼・高張力鋼 ── 低合金鋼は添加元素の合計5%以下

Cを増やさず合金と調質で強くする：Cを増やすと強度は上がるがじん性と溶接性が下がり、少量の合金元素と焼入れ・焼戻しなら保ったまま強くなる。低合金鋼は合金元素の合計5%以下

元素	主な働き
C	強さ・硬さが上がり、伸び・じん性・溶接性は下がる
Si	脱酸剤。適量なら延性・じん性を損なわずに強度と焼入れ性を上げる
Mn	脱酸剤。約2%以下なら降伏点・引張強さが上がり、伸び・絞り・切欠きじん性は下がらない
Ni	フェライト地の強度とじん性を上げる。多量に含む鋼は低温用
Cr	高温強度と耐酸化性。約11%以上でステンレス鋼
Mo	Crとともに高温用鋼（クリープ強度）。低合金高張力鋼にも
Al	脱酸剤。AlNで結晶粒を細かくし、低温じん性を上げる

低合金鋼は、C以外のCr・Mo・Ni・Cuなどを少量加えた鋼で、添加元素の合計が5%以下（5〜10%は中合金鋼）。調質高張力鋼はCを増やさず、合金元素と焼入れ・焼戻しで、じん性と溶接性を保ったまま強度を上げます。

問われる形	正誤	ポイント
Cr・Mo・Ni・Cuなどを少量加え、その合計が5%以下の鋼は低合金鋼	○	R1・R4・R6検定で同じ形
調質高張力鋼はC量を大きく増して強度を上げるので、じん性と溶接性の低下は前提	×	Cを増やさず合金元素＋焼入れ・焼戻し
Mnが約2%以下でも、増やせば伸び・絞り・切欠きじん性は必ず下がる	×	約2%以下では下がらない
Alは窒素を遊離させて結晶粒を粗くし、低温じん性を下げる	×	AlNをつくって細かくし、低温じん性を上げる
適量のSiは脱酸に使われ、延性・じん性を保ったまま強度を上げる	○	脱酸だけに限定しない

出題：検定9記述（平成28〜令和7年度）

引張強さ490MPa以上の鋼を高張力鋼、焼入れ・焼戻し（調質）で590MPa以上を得た鋼を調質高張力鋼と呼ぶ
Cr-Mo鋼の使い方と弱点（焼戻し脆化）は「高温用材料とクリープ」へ（→ 高温用材料とクリープ）

ステンレス鋼 ── Moは耐孔食、低C・Ti・Nbは耐粒界腐食、二相は耐応力腐食割れ

Moは孔食、C対策は粒界腐食：SUS304にMoを足したSUS316・317は耐孔食性・耐酸性、Cを減らした304L・316LとTi・Nbを足した321・347は耐粒界腐食性

Mo ＝耐孔食性・耐酸性（SUS316・317）／低炭素（304L・316L）・Ti（321）・Nb（347）＝耐粒界腐食性。 二相ステンレス鋼は、オーステナイト系の弱点である応力腐食割れへの抵抗を高めた鋼です。

問われる形	正誤	ポイント
耐酸性・耐孔食性を上げたのがSUS304L、耐粒界腐食性を上げたのがSUS316	×	逆（R4検定問3ホ。R3・R5は添加元素で入れ替えた形）
Moを加えて耐酸性・耐孔食性を改善したのがSUS321・SUS347	×	321・347はTi・Nbで耐粒界腐食性（R1検定問3ホ）
二相ステンレス鋼は、オーステナイト系の耐粒界腐食性を改善した鋼	×	改善したのは応力腐食割れへの抵抗（H28検定問3ホ。H30は正しい形）
ステンレス鋼はCrを約11%以上含み、Fe-Cr系とFe-Cr-Ni系に大別される	○	R2・R6検定

出題：検定9記述（平成28〜令和7年度）

粒界腐食は、溶接などの熱でCr炭化物が粒界に出て、その周りのCrが不足して起こる（鋭敏化）。低炭素化は炭素を減らし、Ti・Nbは炭素を先に炭化物として固定する（→ 粒界腐食）
割れる環境と3条件は応力腐食割れの章（→ 応力腐食割れ）

改良鋼と系統

鋼種・系統	改良点・組織	何に強いか
SUS304	基本の18Cr-8Ni（オーステナイト系）	耐食性・加工性・溶接性。高温材・低温材にも
SUS316・SUS317	Niを増やしMoを添加	耐酸性・耐孔食性
SUS304L・SUS316L	低炭素化（C≦0.03%）	耐粒界腐食性（316Lは耐孔食性も）
SUS321・SUS347	Ti・Nb添加（安定化）	耐粒界腐食性
フェライト系（SUS405・430）	Fe-Cr系。高温でもフェライト	塩化物による応力腐食割れは起こりにくい
マルテンサイト系（SUS410）	Fe-Cr系。焼入れでマルテンサイト	焼入れ後に焼戻しして使う
二相系（SUS329J4Lなど）	オーステナイト相とフェライト相を半分ずつ	耐応力腐食割れ性

オーステナイト系は面心立方で、通常は磁性をもちません（変形させた部分が磁性を示すことはある）。

低温用材料 ── Ni量で最低使用温度が変わり、極低温は面心立方の材料

液化ガスの沸点と使える鋼の下限：アルミキルド鋼は−60℃、3.5%Ni鋼は−110℃、9%Ni鋼は−196℃まで。メタンは9%Ni鋼かステンレス鋼、水素はステンレス鋼

低温用Ni鋼はNiの添加量によって最低使用温度が異なります（2.5%Ni鋼−70℃、3.5%Ni鋼−110℃、9%Ni鋼−196℃）。鋼には限度があるので、極低温では遷移温度をもたないオーステナイト系ステンレス鋼やAl・Al合金を使います。

問われる形	正誤	ポイント
低温用Ni鋼はNi量で最低使用温度が変わり、オーステナイト系ステンレス鋼は極低温でも使われる	○	R2検定問3ホ
9%Ni鋼は面心立方の材料と同じく、−250℃でも使える	×	最低使用温度は約−196℃（→ 低温脆性）

出題：検定1記述（平成28〜令和7年度）

材料ごとの最低使用温度

材料	最低使用温度の目安	結晶構造
アルミキルド鋼（SLA材）	−60℃	体心立方（鋼）
2.5%Ni鋼	−70℃	体心立方（鋼）
3.5%Ni鋼	−110℃	体心立方（鋼）
9%Ni鋼	−196℃（液化天然ガス貯槽）	体心立方（鋼）
オーステナイト系ステンレス鋼	極低温でも脆性を示さない	面心立方
Al・Al合金	極低温でも脆性を示さない（空気液化分離装置など）	面心立方

使用最低温度は板厚や設計基準でも変わるので、表は目安
低温用鋼は、C量を減らす、焼ならしやAl添加で結晶粒を細かくする、Niでフェライト地のじん性を上げる、で遷移温度を下げている
体心立方の鋼がなぜ低温で脆くなるかは「低温脆性」の章で扱う

関連：低温貯槽のロールオーバー

高温用材料とクリープ ── 炭素鋼は350℃まで、その上はCr-Mo鋼。弱点は焼戻し脆化

Cr-Mo鋼の弱点は焼戻し脆化：325〜575℃で長く使うとP・As・Sbなどの不純物が粒界に集まり、停止して常温に戻ったときに靭性が低く割れやすい

一般的な（中常温用の）炭素鋼の使用最高温度は、クリープが問題にならない350℃です。それより高温では、Cr（高温強度・耐酸化性）とMo（クリープ強度）を加えたCr-Mo鋼などを使います。

問われる形	正誤	ポイント
Cr-Mo鋼は、Crが低温じん性を、Moが常温の延性を高めるので低温容器に使う	×	Cr＝高温強度・耐酸化性、Mo＝クリープ強度。高温設備用（H28・R3検定は正しい形で出題）
Cr鋼は高温強度が高く耐酸化性が良いので、Moと組み合わせて400〜650℃で使われる	○	R3検定問3ニ
中常温用の炭素鋼は350℃を上限の目安とし、それより高温ではクリープを考える	○	R7検定問2ハ
Cr-Mo鋼の焼戻し脆化は、P・As・Sbが粒内に均一に固溶することで防がれる	×	不純物が粒界に偏析して起こる（R7検定問2ニは正しい形）

出題：検定4記述（平成28〜令和7年度）

クリープ：ある温度以上で、一定の応力のもとでもひずみが時間とともに大きくなり、最後は破断する現象
2.25Cr-1Mo鋼（SCMV4）は高温クリープ特性に優れ、高温の反応器に多く使われる。Crが5%以上の鋼種は耐酸化性に重きを置く
Cr-Mo鋼は高温高圧の水素による損傷（水素侵食）への抵抗が高い（→ 水素侵食と水素脆化）

焼戻し脆化 ── 325〜575℃で保持・徐冷すると粒界に不純物が集まる

Cr-Mo鋼を325〜575℃で保持または徐冷すると脆くなります。P・As・Sbなどの不純物が粒界に偏析するためで、鋼中のSi・Mnは脆化を促進します。2.25Cr-1Mo鋼（SCMV4）とSCMV5の感受性が高く、大型反応器の極厚肉のCr-Mo鋼では、これらの不純物を規制して使うことがあります。国試でも腐食の問で、Cr-Mo鋼の長所（高温クリープ特性）と焼戻し脆化への注意が正しい記述として出ています（R2国試問3ニ）。

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鋳鉄 ── 片状黒鉛で硬く脆く、圧延できない

鋳鉄は片状黒鉛が割れの起点：ねずみ鋳鉄は片状の黒鉛の先端が切り欠きになり引張で割れて圧延できず、球状黒鉛のダクタイル鋳鉄は切り欠き効果が減り延性がある

鋳鉄はCを2.14%以上含むFe-C系合金です。最も一般的なねずみ鋳鉄は黒鉛が片状なので硬くて脆く、鋼のような圧延などの加工はできません。一方、融点が低く溶けたときの流動性が良いので、鋳物は作りやすい。

問われる形	正誤	ポイント
ねずみ鋳鉄は流動性がよく、鋼と同じように圧延して板材にできる	×	硬く脆く圧延できない（R2検定問3ニ・R7検定問2ロ）
鋳鉄は融点が低く、溶けたときの流動性が良いので鋳物を作りやすい	○	鋳造しやすさと塑性加工のしやすさは別の性質

出題：検定2記述（平成28〜令和7年度）

鋳鉄の種類

鋳鉄	黒鉛	特徴
ねずみ鋳鉄	片状	C量3.2〜3.8%。最も一般的。硬く脆い
球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）	球状（Mgを微量添加）	焼なましで強度が高く、伸びが20%くらいのものもある
可鍛鋳鉄	白鋳鉄を焼なまし	粘り強さを与え、脆さを除いたもの

鋳鉄は、毒性ガス・可燃性ガスを扱う耐圧部品としての使用に制限がある
黒鉛を析出させるため、鋳鉄には2〜3%のSiを加える

溶接性 ── C量が多いほど溶接部が硬化するので、C量の上限を決める

C量が多いほど溶接部が硬くなる：溶接の急熱急冷による硬化はC量が多いほど大きいので、溶接構造用炭素鋼はC量の上限を約0.2〜0.3%とし、内圧容器の溶接部は0.35%未満に限る

要因	溶接への影響
C量	多いほど急熱急冷で硬化し、溶接部のじん性・延性・耐割れ感受性が下がる
JISなどの溶接構造用炭素鋼	C量の上限を約0.2〜0.3%に規定
一般則例示基準	内圧容器の溶接部に使う炭素鋼はC 0.35%未満
Mn	溶接熱影響部の硬さを上げ、低温割れ感受性を大きくする傾向
Cr（Cr-Mo鋼）	溶接熱影響部を硬化させ、耐割れ感受性が劣化する

炭素鋼は溶接の急熱急冷で硬化し、じん性が下がります。この傾向は主にC量で決まるので、溶接構造用の炭素鋼はC量の上限を決めて溶接性を確保します。

問われる形	正誤	ポイント
溶接構造用炭素鋼は、C量の下限を高く決めて溶接部の硬化を抑える	×	決めるのは上限
炭素鋼は溶接の急熱急冷で硬化してじん性が下がる傾向があり、主に鋼中のC量に影響される	○	R4検定問3ハ

出題：検定4記述（平成28〜令和7年度）

冷却速度が速いとマルテンサイト組織になり、非常に硬いが脆い。溶接部の急冷はこれと同じ方向に働く
C量を増やさずに強度を上げたいときは、合金元素と調質を使う（→ 合金元素・低合金鋼・高張力鋼）

材料の選び方 ── 高温用は高温強度、低温用はじん性、厚板は強度とじん性

用途	最適化の目標	代表的な鋼
高温用	高温強度（クリープ）	Mo鋼・Cr-Mo鋼
常温・中温	軟鋼を出発点に成分と熱処理で調整	軟鋼・Si-Mn鋼・C-Mn鋼
低温用	じん性	アルミキルド鋼・Ni鋼
厚板・高圧	強度とじん性	焼入れ・焼戻しした鋼（Si-Mn系高張力鋼・Mn-Mo-Ni鋼など）

鋼材は用途に応じて、高温用は高温強度の向上、低温用はじん性の確保、厚板は強度とじん性の確保を目標に、製鋼方法・化学成分・熱処理が最適化されています。

問われる形	正誤	ポイント
用途別の鋼材は、高温用ではじん性、低温用では強度だけを主な目標に最適化される	×	逆。高温＝高温強度、低温＝じん性（R7検定問2イ。H29は正しい形）
厚板では、強度とじん性の確保を目標に成分と熱処理が選ばれる	○	板厚が厚いと冷却速度が遅く、強度を得にくい

出題：検定3記述（平成28〜令和7年度）