304L 対 347 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

ステンレス鋼304Lと347は、同じ用途で競合することが多い広く使用されているオーステナイト系グレードです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択肢の間で腐食抵抗、溶接性、ライフサイクルコストを考慮することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、粒界腐食が懸念される溶接アセンブリ、清掃性が重要な食品および製薬機器、サイクルまたは高温サービスにさらされる製造部品が含まれます。

両者の主な冶金的な違いは、溶接または熱暴露中に粒界での炭化物析出を回避するための戦略です：一方は炭化物形成を制限するために意図的に低炭素含有量を使用し、もう一方は微合金安定化（ニオブ）を使用して炭素をより安定した炭化物として束縛します。この違いは、溶接後の挙動、粒界攻撃に対する抵抗、製造における仕様に影響を与えます。

1. 規格と指定

これらのグレードの一般的な規格と指定には以下が含まれます：

• ASTM/ASME: 304L — UNS S30403 (ASTM A240, A276, A312); 347 — UNS S34700 (ASTM A240, A276, A312)。
• EN: 304L — X2CrNi18-9 / 1.4306 (約); 347 — X6CrNiNb18-10 / 1.4550 (約)。
• JIS: 304L — SUS304L; 347 — SUS347。
• GB: 304L — 06Cr19Ni10; 347は安定化バリアントで比較可能。

両者はステンレス（オーステナイト系）ステンレス鋼です。炭素鋼、工具鋼、またはHSLAグレードではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、比較のために使用される典型的な組成範囲を要約しています。値は一般的な仕様からの代表的な範囲です。特定のバッチの正確な組成については、特定の規格または製鋼所証明書を参照してください。

元素	304L（典型的範囲、wt%）	347（典型的範囲、wt%）
C	≤ 0.03	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.5–19.5	17.0–19.0
Ni	8.0–12.0	9.0–13.0
Mo	— (微量/痕跡)	— (微量/痕跡)
Nb (Nb+Ta)	— (痕跡)	0.10–1.0
Ti	—	— (一部の安定化バリアントは他のグレードでTiを使用しますが、347はNb安定化です)
B	痕跡	痕跡
N	≤ 0.10	≤ 0.10

合金が特性に与える影響： - クロム（Cr）は、受動的なCr酸化物フィルムを通じて一般的な腐食抵抗を提供します。 - ニッケル（Ni）はオーステナイト相を安定化し、靭性と成形性を提供します。 - 低炭素（304L）は、熱暴露中に粒界でのクロム炭化物（$\text{Cr}_{23}\text{C}_6$）析出の傾向を減少させ、溶接後の腐食抵抗を保持します。 - ニオブ（347）は、安定したニオブ炭化物（$\text{NbC}$）を形成し、炭素を優先的に消費することで、クロム炭化物の析出を防ぎ、炭素レベルが低炭素グレードよりも高くても粒界腐食抵抗を維持します。

3. 微細構造と熱処理応答

304Lと347は、焼鈍状態で完全にオーステナイトです。従来の熱処理によって硬化されることはなく（急冷および焼戻し法による熱処理はできません）、主な微細構造の考慮事項は以下の通りです：

• 304L：焼鈍された微細構造は単相オーステナイトであり、低炭素のため焼鈍/溶接温度から冷却時に非常に低い炭化物析出があります。感作範囲（約425–850 °C）での長時間の暴露中に、いくつかの炭化物析出が発生する可能性がありますが、その速度は大幅に低下します。
• 347：焼鈍された微細構造も単相オーステナイトであり、Nbは固溶体または炭素トラップとして機能する微細な$\text{NbC}$粒子として存在します。溶接中、ニオブはクロム炭化物ではなく安定したニオブ炭化物の形成を促進し、感作を減少させます。

加工ルート： - 正常化はオーステナイト系グレードには一般的でも必要でもありません — 溶解焼鈍（通常1010–1150 °C）後に急速冷却を行い、腐食抵抗を回復し、望ましくない析出物を溶解します。 - 冷間加工は、両グレードの強度をひずみ硬化によって増加させ、腐食挙動に影響を与える可能性があります（冷間加工は塩素環境での応力腐食割れの感受性を高める可能性があります）。 - 意味のある急冷および焼戻し応答はありません；強化は作業硬化または合金選択によって行われます。

4. 機械的特性

典型的な機械的特性は、製品形状（板、シート、棒）、冷間加工状態、および仕様によって制御されます。以下の表は、一般的な製品形状（例：板/シート）の代表的な焼鈍値を示し、相対的な挙動を示します。保証された値については、関連する規格を常に参照してください。

特性（焼鈍）	304L（典型的）	347（典型的）
引張強度（MPa）	485–620	485–620
降伏強度 0.2% オフセット（MPa）	170–310	170–310
伸び（A%）	40–60%	40–60%
衝撃靭性（J、室温）	一般的に高い；ノッチ靭性は優れています	一般的に高い；304Lと同様
硬度（HRB）	≤ 95（焼鈍）	≤ 95（焼鈍）

解釈： - 焼鈍状態では、両グレードは非常に似た強度、延性、および靭性を持っています。これは、オーステナイトマトリックスを共有しているためです。機械的特性の違いは、ほとんどの構造用途において無視できるものです。 - 強度の違いは通常、熱処理ではなく冷間加工によって達成されます。

5. 溶接性

304Lと347は、標準的な手法が守られる場合、高い溶接性があると考えられています。主要な溶接の考慮事項：

• 304Lの低炭素含有量は、溶接中の熱影響部（HAZ）でのクロム炭化物析出のリスクを最小限に抑えます。これにより、特別な手順なしで溶接後の感作を避ける必要がある場合に304Lが好まれる選択肢となります。
• 347のニオブ安定化は、炭素含有量が高くても感作に対して強固にします — ニオブは炭素を$\text{NbC}$として束縛し、クロム炭化物の形成を防ぎます。
• 両グレードは、適切なフィラー金属（例：304Lには308L/309；サービスに応じて316L/347互換フィラー）を使用して、一般的なプロセス（GMAW、GTAW、SMAWなど）で溶接できます。

有用な溶接性指数（定性的解釈のみ）：

• 炭素当量（IIW）： $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ 低い$CE_{IIW}$は、フェライト鋼における硬化性の低下と冷間割れのリスクの低下と相関します；オーステナイト系ステンレス鋼にとって、この指標はそれほど重要ではありませんが、混合合金の評価には依然として使用されます。

• Pcm（脱炭および溶接割れリスク指標）： $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ ステンレスグレードでは、ニオブが$P_{cm}$をわずかに増加させますが、安定化グレードでは炭素の化学的ロックによってこれが補償されます。これらの式を定性的に解釈してください：304Lは本質的に低いCを持ち、したがって感作リスクが低い；347の安定化は、溶接後の粒界炭化物による腐食に対して同様または優れた抵抗を提供します。

6. 腐食と表面保護

オーステナイト系ステンレス鋼として、両グレードは腐食抵抗のために連続したクロムリッチな受動膜に依存しています。

• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、MoとNが存在する場合のピッティング抵抗を評価するために一般的に使用されます： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ 304Lと347は、Mo含有量が無視でき、Nが低いため、PREN値は控えめです；したがって、PRENはこれらの2つのグレードをMo含有グレード（例：316L）と区別するのに限られた使用価値があります。

粒界腐食： - 304L：低炭素は粒界での$\text{Cr}_{23}\text{C}_6$の形成を最小限に抑え、溶接後の粒界腐食に対する感受性を低下させ、溶接後の熱処理を必要としません。 - 347：ニオブ安定化は、$\text{NbC}$を優先的に形成することでクロム炭化物の形成を防ぎ、炭素含有量が高い場合や冷却が遅い場合でも粒界攻撃に対して強固な抵抗を提供します。

その他の保護： - 非ステンレスの保護戦略が使用される場合（ここでは一般的ではありません）、塗装や亜鉛メッキなどのコーティングはこれらのグレードには通常適用されません；ステンレス鋼は通常、受動化処理（硝酸またはクエン酸）や機械的研磨によって受動膜を回復します。

7. 製造、加工性、および成形性

• 成形性：両グレードは、オーステナイト構造のため、焼鈍状態で非常に成形性が高いです。深絞りや複雑な曲げが一般的です。
• 加工性：オーステナイト系ステンレス鋼は、一般的に炭素鋼よりも加工が難しいです（作業硬化の傾向と熱伝導率の低下）。304Lと347は類似の加工性を持ちます；347はNb炭化物のために工具に対してやや厳しい場合がありますが、違いは控えめです。
• 表面仕上げ：両者は良好に研磨されます；347は、攻撃的な熱暴露後にやや異なる炭化物関連の表面特性を発展させることがあります。
• 製造後の処理：製造/溶接後の受動化または酸洗いが推奨され、表面のクロム酸化物を回復し、外部の汚染物を除去します。

8. 典型的な用途

304L – 典型的な用途	347 – 典型的な用途
食品加工機器、乳製品、醸造、台所用品（溶接が一般的で清潔さが重要な場所）	化学処理機器および熱交換器で、サービスにはサイクルまたは高温および溶接アセンブリが含まれます
簡単な清掃と腐食抵抗が必要な製薬および医療部品	排気システム、航空機ダクト、熱サイクル後の性能を向上させる安定化が必要な産業用オーブン部品
軽度の腐食環境での建築トリム、タンク、および配管	圧力容器、高温蒸気ライン、および感作リスクにさらされる溶接アセンブリ

選択の理由： - 初期材料コストを最小限に抑え、特別な安定化なしで溶接後の腐食抵抗を最大化することが望ましい場合は304Lを選択してください（例：食品、製薬）。 - 溶接部品が長時間の熱暴露を受ける場合や、材料が感作リスクにさらされ、安定化（ニオブ）がより予測可能な長期性能を提供する場合は347を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：347は通常、ニオブの追加と時にはより厳しい仕様管理のために304Lよりもわずかに高く設定されています。ただし、プレミアムは控えめであり、市場条件や製品形状によって異なります。
• 入手可能性：両者は、シート、板、チューブ、棒の形状で世界中で広く入手可能です。304/304Lはより一般的で、さまざまな種類とボリュームで在庫されており、特定のサイズのリードタイムを短縮できます。347は圧力および高温用途向けに一般的に在庫されていますが、特定の形状や仕上げには長いリードタイムがかかる場合があります。

10. まとめと推奨

属性	304L	347
溶接性	優れた（低Cは感作を最小限に抑える）	優れた（Nb安定化は感作を最小限に抑える）
強度–靭性	類似；両者ともオーステナイトで延性がある	類似；高温でのわずかな利点
コスト	低い（一般的に）	高い（ニオブ合金コスト）

304Lを選択する場合： - 食品、製薬、または一般用途向けに信頼性のある溶接後の腐食抵抗を持つ低炭素オーステナイトステンレスが必要な場合。 - コストと広範な入手可能性が主な懸念事項であり、サービス温度が溶接後の感作を引き起こすほど高くない場合。

347を選択する場合： - 設計に長時間の熱暴露、サイクル、または高温にさらされる重要な溶接アセンブリが含まれている場合、粒界腐食に対する安定化が重要です。 - 低炭素に依存するのではなく安定化戦略（ニオブ）を好む場合、または材料調達がわずかに高コストの安定化合金を受け入れられる場合。

結論として：304Lと347は、重複する機械的特性を持つ実績のあるオーステナイト系ステンレス鋼ですが、異なる感作防止アプローチがあります。最終的な選択は、溶接手順、サービス温度履歴、腐食環境（塩素、硝酸、硫化物）、および調達制約を考慮する必要があります。重要な用途の場合は、製鋼所証明書を要求し、必要に応じて代表的なサービス条件での資格溶接および腐食試験を実施してください。