321対347 – 組成、熱処理、特性、および用途
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はじめに
タイプ321およびタイプ347は、腐食抵抗性、成形性、高温安定性が求められるエンジニアリングシステムで広く使用されるオーステナイト系クロムニッケルステンレス鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、腐食性能、加工挙動、温度における長期安定性、コストのバランスを取る際に、しばしばこれらの間で選択を行います。
両グレードの主な技術的な違いは、炭化物安定化元素の選択です：タイプ321はチタン（Ti）で安定化されており、タイプ347はニオブ（コロンビウム、Nb）で安定化されています。この違いは、各グレードが450〜850 °Cでの溶接や使用中にクロム炭化物の析出（感作）にどのように抵抗するかを制御し、特に高温またはサイクル用途における長期安定性に影響を与えます。
1. 規格と指定
- ASTM/ASME: A240 / SA-240（板およびシートに一般的）。
- UNS: 321 = UNS S32100; 347 = UNS S34700。
- EN: 321 / 347の同等品は存在しますが、EN番号を確認してください（例：321の場合はEN 1.4541など、現在のクロスリファレンスを確認）。
- JIS / GB: 日本および中国の規格には、類似の安定化オーステナイトがあります。正確な指定については、地元のクロスリファレンス表を確認してください。
分類: 321および347は、ステンレス鋼（オーステナイト系、焼鈍状態では非磁性）です。これらは炭素鋼、合金炭素工具鋼、またはHSLA鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
表 — 典型的な名目組成範囲（重量パーセント）。値は、焼鈍された商業的に指定された材料に対して示唆的です。正確な限界については、特定の規格または供給者のミル証明書を参照してください。
| 元素 | 典型的範囲 – タイプ321 | 典型的範囲 – タイプ347 |
|---|---|---|
| C（炭素） | ≤ 0.08（最大） | ≤ 0.08（最大） |
| Mn（マンガン） | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si（シリコン） | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P（リン） | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S（硫黄） | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr（クロム） | ~17.0–19.0 | ~17.0–19.0 |
| Ni（ニッケル） | ~9.0–13.0 | ~9.0–13.0 |
| Mo（モリブデン） | 0（通常） | 0（通常） |
| V（バナジウム） | 微量のみ | 微量のみ |
| Nb（ニオブ / コロンビウム） | 最小/微量 | 通常存在（安定剤） |
| Ti（チタン） | 存在（安定剤）、制御された量 | 最小/微量 |
| B（ホウ素） | 微量のみ | 微量のみ |
| N（窒素） | 少量（例：~0.10典型） | 少量（例：~0.10典型） |
注意: - 321は、TiC/Ti(C,N)としてCを固定するために、炭素に対して相対的にサイズを持つチタン添加物を使用します。規格は通常、Ti ≥ 5 × Cを実用的な最大値まで要求します。 - 347は、同じ目的のためにNbC/Nb(C,N)を形成するためにニオブ（しばしば自然不純物として少量のタンタルを含む）を使用します。仕様の限界と典型的なNb含有量は、規格および製品形態によって異なります。 - どちらのグレードも通常は重要なモリブデンを含まない; それらはMoを含むデュプレックスまたはスーパーオーステナイト系ファミリーではありません。
合金が特性に与える影響: - クロムは一般的なパッシブフィルムの腐食抵抗を提供します。 - ニッケルはオーステナイト相を安定化し、靭性と成形性を向上させます。 - チタンまたはニオブは、安定した炭化物および炭窒化物を形成することにより感作を防ぎ、感作温度にさらされる際にクロムがCr-炭化物として結晶粒境界に固定されるのを保護します。 - 小さなN添加は、間隙強化を通じて強度を増加させます。
3. 微細構造と熱処理応答
- 微細構造（焼鈍）：両グレードは完全にオーステナイトで、面心立方（FCC）マトリックスを持っています。安定化炭化物/窒化物（321ではTiC/TiN、347ではNbC/Nb(C,N)）が存在し、一般的には結晶粒境界および結晶内に分布した微細析出物として存在します。
- 感作抵抗：安定剤は優先的に炭化物を形成します。これにより、結晶粒境界でのクロム枯渇ゾーンが防止され、450〜850 °Cにさらされた後の粒間腐食から保護されます。
- 熱処理応答：
- 焼鈍（典型的）：~1010〜1150 °Cでの溶解焼鈍の後、オーステナイト構造を保持し、望ましくない析出物を溶解するために急冷します。
- 正規化/焼入れおよび焼戻し：これらはオーステナイト系ステンレス鋼の標準的な経路ではありません — マルテンサイト鋼のように焼入れと焼戻しによって硬化しません。熱機械処理は結晶粒サイズとテクスチャに影響を与えますが、高温挙動は主に化学的安定化によって支配されます。
- 高温サービス：高温での長時間の曝露中に、Ti安定化された321は複雑なTi豊富な析出物を形成する可能性があり、Ti/C比が不十分であるか、長時間の曝露がある場合、二次的なクロム炭化物の析出が発生する可能性があります。Nb安定化された347は、長時間の高温サービス中に強度を維持し、結晶粒境界のクロム枯渇に対してより良い抵抗を示す傾向があるため、347（および高炭素含有の347Hバリアント）は、長期間の高温運転に指定されることがよくあります。
4. 機械的特性
表 — 常温での焼鈍材料の典型的な機械的特性範囲（示唆的; 製品形態および仕様が保証値を決定します）。
| 特性（焼鈍） | タイプ321（典型的） | タイプ347（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ~520–750 | ~520–750 |
| 降伏強度、0.2%オフセット（MPa） | ~205–310 | ~205–310 |
| 伸び（%） | ~40–60 | ~40–60 |
| 衝撃靭性（シャルピーV、室温） | 良好、高靭性 | 良好、高靭性 |
| 硬度（HRB） | ~70–95 | ~70–95 |
解釈: - 焼鈍状態での常温において、321および347の機械的特性は非常に似ています。安定化元素は、環境条件下での静的引張/降伏強度および延性に対してわずかな影響しか持ちません。 - 高温および長時間の曝露時に、347（ニオブ安定化）は延性およびクリープ抵抗の保持が優れていることがあり、ニオブ炭化物はより安定しており、特定のサービス条件下で粗大化する可能性が低いためです — これは特に長期間の高温サービスおよびサイクル熱曝露に関連しています。
5. 溶接性
- 321および347は、オーステナイト系ステンレス鋼に典型的な良好な溶接性を持っています：低炭素含有量と安定剤の存在により、溶接後の粒間攻撃のリスクが低減されます。
- 重要な溶接の考慮事項：
- 適切なフィラーの選択と溶接手順は、熱亀裂を避け、必要に応じてデルタフェライトを制御するために重要です。
- 安定剤と炭素の比率およびプロセス制御が正しい場合、粒間腐食を避けるために、溶接後の焼鈍は通常必要ありません。
- 重要な溶接性指数（例 — 定性的に使用）：
- 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- クロム当量（Pcm） — 溶接亀裂感受性推定器： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- 定性的解釈：
- 両グレードは、低Cおよび安定化のため、一般的な溶接において良好なスコアを得ています。347のニオブは$P_{cm}$項に現れ、感作に対する抵抗に寄与しながら、溶接の凝固挙動にわずかに影響を与える可能性があります。実際には、溶接性の違いは小さく、適切なフィラー金属（通常は指定された308/309ファミリーのフィラーを使用）を選択し、熱入力を制御することが、Ti対Nbの選択よりも影響を与えます。
- 修理溶接や繰り返し熱サイクルが発生する製造においては、安定化炭化物の長期安定性が重要な場合、347が好まれることがあります。
6. 腐食および表面保護
- 一般的な腐食：両グレードはクロム豊富なパッシブフィルムを形成し、多くの環境で304に似た腐食抵抗を示します。どちらもMoを含まないため、塩素環境でのピッティング抵抗はMoを含むグレードほど高くありません。
- 粒間腐食：両者はそれぞれの安定剤によって感作に対して安定化されています。ただし、炭素含有量に対する正しい安定剤レベルと制御された処理が必要です。
- PRENの使用：ピッティング抵抗当量数は、MoおよびNがピッティング抵抗を提供する場合に一般的に使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 321および347（Mo ~ 0）の場合、PRENは主にCrおよびNによって駆動されるため、控えめです。PRENは、両者がMoを欠いているため、これらの2つのグレードを区別するための価値は限られています。
- 非ステンレス鋼の表面保護：ここでは適用されません — 両者はステンレスです。ただし、強化された保護が必要な場合（塩素サービス、海水）、Moを含むまたはデュプレックスステンレス鋼やコーティングを検討してください。
7. 加工、機械加工、および成形性
- 機械加工性：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。321および347はこの点で304に似ています。機械加工戦略（剛性のあるセットアップ、鋭い工具、高い正のラケ、重い冷却剤）は同様に適用されます。
- 347は、より高いNb炭化物含有量が一部のフィードで工具摩耗を増加させる場合、わずかに加工が難しいかもしれませんが、実際には違いは小さいです。
- 成形性：両者は焼鈍状態で優れた冷間成形性および深絞り特性を示します。スプリングバックおよび加工硬化挙動は比較可能です。
- 表面仕上げおよび研磨：両者は良好に研磨され、ほとんどの表面処理を受け入れます。腐食抵抗が高い場合は、溶接部をパッシベートする必要があります。
8. 典型的な用途
表 — 各グレードの典型的な用途および選択理由。
| タイプ321（Ti安定化） | タイプ347（Nb安定化） |
|---|---|
| 短期間の高温にさらされる炉および熱交換器部品 | 高温での長期安定性が求められるボイラー、スーパーヒーター、熱交換器 |
| 熱サイクルおよび短時間の変動が一般的な航空機および自動車の排気部品 | 感作範囲近くでの長期曝露が予想される化学プロセス機器 |
| 膨張継手、ベローズ、オーブンライナー | 長期間のクリープ性能および粒境析出の低減が重要な溶接組立および容器 |
| 中程度の期間に良好な高温酸化抵抗が求められるファスナーおよびトリム | 長期間の曝露を考慮した化学プラント配管および炉の構造部品 |
選択理由： - 一般的な曝露が時折または短時間の高温変動を含む場合、またチタン安定化が期待される熱サイクルに対して効果的な場合は321を選択してください。 - 高温での長期曝露や感作温度範囲での長期サービスがニオブ炭化物の安定性を要求する場合は347を選択してください（347Hバリアントは、より高い炭素含有量により高いクリープ/強度が求められる場合に指定されることがあります）。
9. コストと入手可能性
- コスト：347は、ニオブがチタンよりも高コストの合金添加物であるため、頻繁に321よりもわずかに高価です。市場価格はニオブ原材料のコストに応じて変動します。
- 入手可能性：両グレードは主要な製鋼所からシート、板、チューブ、バーの形態で広く入手可能です。321は、航空宇宙および産業用途で長い間一般的な合金であったため、歴史的に非常に広範な入手可能性があります。347および347Hは十分に供給されていますが、特定の製品形態や特別なテンパーでの入手可能性はより制限されることがあり、リードタイムがわずかに長くなることがあります。
- 調達アドバイス：購入注文書に正確なUNS/ASTMグレードおよび製品形態を指定してください。リードタイムやコストが重要な場合は、ミル在庫を確認するか、エンジニアリングの承認を得て代替品を検討してください。
10. まとめと推奨
表 — 簡単な比較（定性的）。
| カテゴリ | タイプ321 | タイプ347 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 非常に良好（安定化） | 非常に良好（安定化） |
| 強度–靭性（常温） | 同等 | 同等 |
| 長期高温安定性 | 良好（短から中程度の曝露） | より良好（長時間の曝露 / クリープ抵抗） |
| 腐食（一般） | 304に似ている; 感作に対して安定化 | 304に似ている; 感作に対して安定化 |
| コスト | 低い（一般的に） | わずかに高い（一般的に） |
| 入手可能性 | 非常に良好 | 非常に良好、特別な形態の場合はリードタイムが長くなることがあります |
結論： - 一般的な腐食抵抗が優れ、良好な溶接性を持ち、サービスに熱サイクルや短時間の高温曝露が含まれる場合は、安定化されたオーステナイト系ステンレス鋼が必要な場合はタイプ321を選択してください。321は、炉部品、膨張継手、およびチタン安定化が適切に機能するアプリケーションに一般的に選ばれます。 - 高温での長期曝露、感作範囲近くでの長期サービス、または長期クリープおよび粒境安定性が重要な場合は、タイプ347を選択してください。347（または347Hは高温強度のために）は、ニオブ炭化物の安定性が測定可能なライフサイクルの利点を提供する場合に好まれますが、コストはわずかに高くなります。
最終的な実用的な注意：特定のASTM/UNS/EN限界を常に確認し、重要なプロジェクトのためにミル証明書を要求してください。重要な高温または腐食性環境の場合は、アプリケーション特有の腐食試験を実施し、材料選定および溶接/製造手順を検証するために冶金学者に相談してください。