304対347 - 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
タイプ304とタイプ347は、産業で最も広く使用されているオーステナイト系ステンレス鋼の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択時に初期材料コスト、腐食抵抗（特に溶接後）、溶接性、使用中の強度のトレードオフを考慮することが一般的です。典型的な意思決定の文脈には、食品および飲料機器、化学処理ライン、建築用途、そして高温にさらされる溶接アセンブリが含まれます。
主な冶金的な違いは、タイプ347が炭素と優先的に結合する安定化元素で意図的に合金化されていることです。これにより、ゆっくり冷却または溶接中のクロムカーバイドの形成が防止されます。この安定化により、粒界クロム枯渇とそれに伴う腐食のリスクが低減されます。これが、設計者が溶接や温度暴露が懸念される場合に304と347を比較する主な理由です。
1. 規格と指定
主要な規格と一般的な国際指定：
- ASTM/ASME: タイプ304 (UNS S30400)、タイプ347 (UNS S34700)。一般的な製品仕様: ASTM A240 (板、シート)。
- EN: 1.4301 (304)、1.4550 / 1.4552は安定化グレード（347バリアント）にしばしば参照されます。
- JIS: SUS304は304に対応; SUS347は347に対応。
- GB（中国）: 0Cr18Ni9（約304）、0Cr18Ni10Nb（約347）。
分類: 両者はステンレス鋼（オーステナイト系）です。炭素鋼、合金鋼、工具鋼、またはHSLA鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、焼鈍された商業グレードの典型的な組成範囲（wt%）を示しています。範囲は一般的なASTM/EN仕様および商業慣行を反映しており、正確な限界は仕様および製品形状によって異なります。
| 元素 | 304（典型的範囲、wt%） | 347（典型的範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18–20 | 17–19 |
| Ni | 8–10.5 | 9–13 |
| Mo | ~0 | ~0 |
| V | — 微量 | — 微量 |
| Nb（ニオブ） | — 無視できる | ~0.10–1.0 |
| Ti（チタン） | — 無視できる | 特別なバリアントに小量存在することがある |
| B | — 微量 | — 微量 |
| N | ≤ ~0.10 | ≤ ~0.10 |
合金が挙動に与える影響： - クロム（Cr）は、パッシブな酸化物フィルムを形成することによってステンレス特性を提供します。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト構造を安定化させ、靭性と成形性を向上させます。 - 炭素（C）は強度を増加させますが、ゆっくり冷却されると粒界でクロムと結合してクロムカーバイドを形成し、局所的なCr枯渇を引き起こす可能性があります。 - 347のニオブ（Nb）は炭素をニオブカーバイド（NbCまたは(Nb,Ti)C）として束縛し、クロムカーバイドの沈殿を防ぎます。これが347の主な安定化戦略です。 - モリブデンが少ないか存在しないため、両グレードはMoを含むオーステナイト系よりも局所的な塩化物ピッティングに対して耐性が低くなります。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造： - 両グレードは焼鈍状態で完全にオーステナイト（面心立方）です。マトリックスは延性があり、常温および低温で高い靭性を持っています。 - 304では、感作範囲（約450–850 °C）をゆっくり冷却すると、粒界でクロムリッチカーバイド（Cr23C6）が形成され、クロム枯渇ゾーンが生じ、粒界腐食に対して脆弱になります。 - 347では、ニオブが安定したニオブカーバイドまたはカーボナイト粒子を形成し、炭素を優先的に消費し、粒界でのCr23C6の形成を防ぎます。これにより、クロムの連続性が保たれ、溶接後やゆっくり冷却後の粒界攻撃が軽減されます。
熱処理応答： - オーステナイト系ステンレス鋼は、フェリックまたはマルテンサイト鋼のように急冷・焼戻しによって硬化しません。溶解焼鈍（通常約1,000–1,100 °Cで急冷）は、沈殿物を溶解し、腐食抵抗を回復させます。 - 304の場合：材料が感作温度にさらされた場合は、Crカーバイドを再溶解するために溶解焼鈍を行い、その後急冷して再沈殿を避けます。 - 347の場合：安定化により、溶接後やゆっくり冷却後の感作を防ぐための溶解焼鈍の必要性が低減されますが、製造によって生じた沈殿物を清掃するためや特定の特性要件のために溶解焼鈍が依然として使用されます。 - 冷間加工は、転位密度を増加させ、著しい加工硬化を生じる可能性があります。特定の状況では、304では重い冷間変形中にひずみ誘発マルテンサイトが形成され、強度が増加しますが延性が低下します。安定化グレードはわずかに異なる加工硬化挙動を示すことがありますが、オーステナイトのままです。
4. 機械的特性
典型的な焼鈍機械的特性は、製品形状（シート、板、バー）および製造業者によって異なります。表は、一般的に供給される焼鈍状態の代表的な範囲を示しています。ユーザーは調達のために必要な機械的特性試験を指定する必要があります。
| 特性（焼鈍、典型的） | 304 | 347 |
|---|---|---|
| 引張強度（UTS） | ~480–700 MPa | ~480–700 MPa |
| 降伏強度（0.2%オフセット） | ~205–310 MPa | ~205–310 MPa |
| 伸び（50 mm中） | ~40–60% | ~40–60% |
| 衝撃靭性（シャルピー） | 優れた、低温でも靭性を保持 | 優れた、低温でも靭性を保持 |
| 硬度（ブリネル/ロックウェルB） | 中程度（焼鈍状態では柔らかい） | 304に類似 |
解釈： - 焼鈍状態では、両グレードは非常に似た機械的特性を持っています。基材はオーステナイト系ステンレス鋼であるためです。強度や靭性の違いは通常小さく、冷間加工、製造履歴、または特定の合金レベル（例：一部の347バリアントでのわずかに高いNi）によって引き起こされます。 - 加工硬化は成形操作中に強度を著しく上昇させることがあります。選択は成形スケジュールや成形後の処理を考慮する必要があります。
5. 溶接性
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接性は、一般的に高炭素鋼と比較して優れています。ただし、溶接後の感作に対する感受性は異なります。
よく使用される溶接性指数： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（多くの合金元素を含む鋼のためのより溶接に敏感な炭素当量）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 304と347の両方は低炭素含量と中程度のニッケルを持ち、一般的なプロセス（GTAW/TIG、GMAW/MIG、SMAW）で良好な溶接性を提供します。 - 304は、溶接が感作範囲を通じてゆっくり冷却する場合、粒界腐食に対して脆弱になる可能性があります。溶接後の溶解焼鈍や低炭素バリアント（304L）が一般的な対策です。 - 347の安定化元素は、炭素がクロムカーバイドではなくNbを含む沈殿物に優先的に結合されるため、溶接後の感作のリスクを低下させます。したがって、重い溶接が必要なアプリケーションや、感作範囲への長時間の曝露、または溶接後の熱処理が実用的でない場合には、347が好まれることが多いです。 - フィラー選択には注意が必要です：腐食性能を維持するために、腐食抵抗が主な要件である場合、両グレードに対してマッチングまたは低炭素フィラー金属が推奨されます。
6. 腐食と表面保護
- ステンレス鋼として、両者は腐食抵抗のためにクロムリッチな酸化物パッシブフィルムに依存しています。どちらも重要なモリブデンを含まないため、塩化物環境における局所的なピッティング耐性は、Moを含むグレード（例：316）と比較して制限されています。
- PREN（ピッティング耐性等価数）は、塩化物ピッティングに対する耐性を評価するために一般的に使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 両グレードのMoは≈0で、Nも低いため、304と347のPREN値は似ており控えめであり、両者は攻撃的な塩化物環境で慎重に使用する必要があります。
粒界腐食： - 304：ゆっくり冷却または溶接によって感作されると粒界攻撃に対して脆弱です。軽減策には304L（低炭素）の使用、溶解焼鈍、または溶接後のパッシベーションが含まれます。 - 347：ニオブによる安定化がクロムカーバイドの沈殿を防ぐため、溶接後やゆっくり冷却後の粒界腐食のリスクが大幅に低減されます。
非ステンレス鋼の表面保護はここでは適用されませんが、ステンレス表面はパッシベート（化学処理）され、酸化物フィルムの均一性を向上させ、腐食の開始を最小限に抑えることができます。
7. 製造、加工性、成形性
- 成形性：両グレードは焼鈍状態で非常に成形性が高く、深絞り、曲げ、複雑な形状に使用されます。304は成形に広く使用され、347も同様に成形されますが、わずかに高い合金含量が成形性にわずかに影響を与えることがあります。
- 加工硬化：オーステナイト系ステンレス鋼は急速に加工硬化します。工具と成形シーケンスは、スプリングバックと増加する力を考慮する必要があります。
- 加工性：両グレードは炭素鋼よりも加工が難しいです。典型的な加工性は自由切削鋼の約40–60%です。304は加工硬化のためにわずかに加工性が低下することがあります。剛性のある工具、カーバイドインサート、低切削速度、ポジティブレイクジオメトリの使用が推奨されます。
- 仕上げ：両者は良好な表面仕上げを持ち、高い美観に磨くことができます。電解研磨とパッシベーションは腐食抵抗と外観を改善します。
- 溶接と成形のシーケンスは、感作を引き起こす可能性のある繰り返しの熱サイクルを最小限に抑えるように計画する必要があります（304にとっては懸念ですが、347では軽減されます）。
8. 典型的な用途
| タイプ304 – 典型的な用途 | タイプ347 – 典型的な用途 |
|---|---|
| 食品加工機器、キッチン用品、シンク、建築トリム | 航空機および排気部品、炉部品、高温溶接アセンブリ |
| 高塩素条件にさらされない化学および製薬機器 | 溶接とゆっくり冷却が行われる化学プロセス機器; サイクル温度下の熱交換器 |
| 装飾的および建築的ファサード | ボイラー管、過熱器チューブ、および感作に対する安定化が必要な用途 |
| ファスナー、ボルト、一般的な製造 | 自動車の排気マニホールドおよび他の高温溶接部品 |
選択の理由： - 一般的な腐食抵抗、低コスト、塩化物ピッティングや溶接後の感作が主な懸念でない場合、または低炭素バリアント（304L）や溶接後の溶解焼鈍が使用できる場合は304を選択してください。
- 溶接部品がゆっくり冷却される場合、高温で運用される場合、または感作に関連する粒界腐食を避ける必要がある場合は347を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：347は、ニオブの添加としばしば高いニッケル含量のため、通常304よりも高価です。価格は市場のニッケルおよびニオブの供給、製品形状、加工によって異なります。
- 入手可能性：304は多くの製品形状（シート、板、チューブ、バー、ワイヤー）で最も広く入手可能なステンレス鋼の1つです。347は一般的に入手可能ですが、304ほど普及していません。特定の製品形状や厳しい公差の製品ではリードタイムがやや長くなる場合があります。
- 調達のためには：必要なグレード、製品形状、表面仕上げ、および熱処理や試験要件（例：PMI、腐食試験）を指定して、調達の遅延を避けてください。
10. まとめと推奨
まとめ表（定性的）：
| 基準 | 304 | 347 |
|---|---|---|
| 溶接性（一般） | 優れた; 低Cまたは溶接後処理がない限り感作に対して脆弱 | 優れた; 安定化により感作に対する抵抗が向上 |
| 強度–靭性（焼鈍） | 良好、典型的なオーステナイト特性 | 焼鈍状態で304に類似 |
| 溶接による粒界腐食に対する抵抗 | 軽減策なしでは中程度 | 溶接/ゆっくり冷却された部品に対して優れた |
| コスト | 低い（より経済的） | 高い（安定剤および時には高いNiのため） |
| 入手可能性 | 非常に高い | 高いが304ほど普及していない |
結論 — 実用的なガイダンス： - 304を選択する場合： - 一般的な腐食抵抗、食品加工、建築部品、または溶接が制限されているか、304L/溶解焼鈍オプションが受け入れ可能な場合に、汎用性が高くコスト効果のあるオーステナイト系ステンレス鋼が必要です。 - 局所的な塩化物ピッティングが深刻でなく、必要に応じて溶接後の熱処理が実行可能な場合。
- 347を選択する場合：
- 部品が重く溶接され、感作温度を通じてゆっくり冷却される場合、またはカーバイドの沈殿が懸念される高温で運用される場合。
- 溶接構造において、溶接後の溶解焼鈍なしで良好な粒界腐食抵抗が必要な場合。
最後の注意：両材料は堅牢なエンジニアリング選択肢です。重要なアプリケーションの場合は、正確な材料規格を指定し、組成と機械試験結果を示す製造業者のミル証明書を要求し、最終選択の前に代表的な条件下での実験室試験（例：腐食試験、溶接試験）を考慮してください。