321対347H – 成分、熱処理、特性、および用途

イントロダクション

ステンレス鋼321と347Hの選択は、高温または腐食性環境で作業するエンジニア、調達マネージャー、製造プランナーにとって一般的な決定ポイントです。トレードオフは通常、熱暴露下での耐腐食性、溶接性と加工の容易さ、長期的な高温強度、ライフサイクルコストに焦点を当てています。

これら2つのオーステナイト系安定化ステンレス鋼の主な違いは、高温での炭化物析出に対する安定化戦略にあります：1つのグレードはチタン安定化されており、もう1つはニオブ安定化されており、高温強度を向上させるために高炭素バリアントが提供されています。この違いは、熱サイクル後の粒界間攻撃に対する抵抗、クリープおよび破壊挙動を支配し、炉のハードウェア、ボイラーおよび過熱器のチューブ、化学プラントのコンポーネントの選択に影響を与えます。

1. 標準と指定

• 一般的な標準と指定：
• ASTM/ASME: 321（通常はASTM A240 / ASME SA240として示される）、347H（ASTM A240 / ASME SA240の高炭素バリアントの347）
• EN: 321の同等品はX6CrNiTi17-12または類似の形で現れます；347/347Hバリアントはコロンビウム/ニオブ安定化されたENグレードにマッピングされています
• JIS/GB: 国家標準は対応する指定と組成帯を提供します
• 分類：
• 321と347Hはどちらもオーステナイト系ステンレス鋼（ステンレスファミリー）です。
• これらは炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではなく、高温用に設計されたステンレス（耐腐食性）合金です。

2. 化学組成と合金戦略

2つのグレードは同じオーステナイトマトリックス化学（オーステナイト安定化ニッケルおよびクロムベースの組成）を共有していますが、安定化元素と炭素制御が異なります。

表：元素の存在/役割（定性的）

元素	321	347H	役割 / 注記
C（炭素）	低炭素オーステナイト	高炭素バリアント（H）	炭素はクリープ強度と析出挙動に影響を与えます
Mn（マンガン）	存在（微量）	存在（微量）	オーステナイト安定化剤、熱加工に影響を与えます
Si（シリコン）	存在（微量）	存在（微量）	脱酸剤、特性に対する影響は微小
P（リン）	微量制御	微量制御	靭性のための不純物制御
S（硫黄）	微量制御	微量制御	加工性に影響を与えます；低く保たれます
Cr（クロム）	主要な合金元素	主要な合金元素	主な耐腐食性の寄与者
Ni（ニッケル）	主要な合金元素	主要な合金元素	オーステナイトを安定化し、延性と靭性を改善します
Mo（モリブデン）	通常は最小/不在	通常は最小/不在	これらのグレードの設計機能ではありません
V（バナジウム）	ここでは安定化剤ではありません	ここでは安定化剤ではありません	これらのグレードでは一般的に使用されません
Nb（ニオブ / コロンビウム）	主要な安定化剤としては使用されません	安定化剤として存在します	Nb-炭窒化物を形成し、炭化物と粒界を固定します
Ti（チタン）	安定化剤として存在します	少量のみ存在する場合があります	Ti-炭窒化物を形成し、クロム炭化物の析出を防ぎます
B（ホウ素）	微量がある場合	微量がある場合	設計の推進要因ではありません
N（窒素）	低レベル	低レベル	強度とピッティング抵抗にわずかに影響を与えます

説明 - 両方の合金はクロム-ニッケルオーステナイト系ステンレス鋼です。クロムは一般的な耐腐食性のための不活性膜を形成し、ニッケルはオーステナイト相を安定化し、靭性を改善します。 - 321は安定化剤としてチタンを使用します：チタンは優先的にチタン炭化物/窒化物を形成し、炭素を固定し、長時間の熱暴露中に粒界でのクロム炭化物の析出を防ぎます。 - 347Hは安定化剤としてニオブ（コロンビウム）を使用し、高温強度とクリープ抵抗を向上させるために高炭素バリアント（「H」）で供給されます。ニオブはチタンと同様の安定化作用を持ちますが、高炭素と組み合わせることで長期的な高温強度に特に効果的です。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造 - 常温では、両方のグレードは単相オーステナイト（面心立方）であり、合金添加物と安定化剤は微細な炭化物/窒化物として存在します。 - 安定化析出物：321はチタン炭窒化物を示し、347Hはニオブ炭窒化物を示します。これらの析出物は通常微細で、粒界や粒内に分布しています。

熱処理と加工応答 - オーステナイト系ステンレス鋼は一般的に急冷によって硬化しません；強度調整は冷間加工または固溶アニーリングによって行われます。 - 固溶アニーリングの後に急冷を行うと、析出物が溶解し、正しく行えば耐腐食性が回復します。 - 安定化グレードの場合、安定化剤は溶接や徐冷中に炭素を固定し、クロム炭化物の析出（感作）のリスクを減少させます。 - 347Hは高炭素とニオブを持ち、長時間の高温暴露下でより良いクリープ抵抗を保持し、粒界の安定性を維持するように設計されています；ただし、溶接手順は依然として熱サイクルを制御して望ましくない析出物を避ける必要があります。

プロセス効果 - 正常化はこれらのオーステナイト系グレードの標準的な実践ではありません；アニーリング（固溶処理）が通常の熱処理プロセスであり、製造後の構造を回復します。 - 熱機械加工（チューブや鍛造の制御された圧延）は主に粒サイズとクリープ強度に影響を与えます；両方のグレードは再結晶化と粒成長の観点で同様に応答しますが、347Hの析出挙動は高温でのクリープ抵抗を改善します。

4. 機械的特性

表：常温および高温サービスにおける定性的比較

特性	321	347H	注記
引張強度（常温）	類似	類似	両方はオーステナイト系ステンレス鋼の典型的な常温引張特性を持っています
降伏強度	比較可能	高温でわずかに高い	347Hの高炭素とNb析出物が高温強度を改善します
伸び / 延性	良好、より高い延性	良好、321に対してわずかに減少した延性	347Hの高炭素は延性をわずかに低下させます
衝撃靭性	常温で優れています	常温で優れています	両方は良好な靭性を維持します；冷間加工後は注意深い制御が必要です
硬度	アニーリング状態で類似	類似（冷間加工された場合はわずかに高いかもしれません）	両方のグレードで冷間加工により硬度が増加します

解釈 - 常温では機械的特性は広く類似しており、両方はオーステナイト系ステンレス鋼の特性である良好な靭性と延性を提供します。 - 長期的な高温サービスでは、347Hは通常、高炭素とニオブ安定化析出物による引張/降伏保持とクリープ抵抗が優れています。

5. 溶接性

溶接性は製造とサービスの信頼性にとって重要です。

要因 - 321と347Hは一般的に標準的なオーステナイト系ステンレス溶接技術によって溶接可能と見なされますが、安定化戦略と炭素含有量は感作や二次相への感受性に影響を与えます。 - 321の低炭素はクロム炭化物の形成傾向を減少させ、チタン安定化は感作を防ぐのに役立ちます。347Hのニオブ安定化と高炭素は、ニオブが効果的に炭素を固定し、局所的なクロム枯渇ゾーンを避けるために溶接熱サイクルに注意が必要です。

一般的な溶接性指数（解釈用） - 炭素当量（IIW形式）は、硬化性/溶接亀裂リスクを評価するために定性的に使用されることが多いです： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - ステンレス鋼用のより詳細なパラメータ： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈（定性的） - 両方のグレードは、フェライト/急冷鋼に対してこれらの指数で中程度の値を示します；水素助長冷間亀裂にはなりにくいですが、不適切なフィラーや熱入力が使用されると、固化亀裂や有害な金属間化合物の形成が見られることがあります。 - オーステナイト系ステンレス鋼には一般的に予熱は必要ありませんが、溶接後の熱処理とフィラー選択は安定化効果を維持するために選択する必要があります：321の場合、溶接金属のチタン対炭素比が適切であることを確認してください；347Hの場合、ニオブ安定化を考慮し、局所的な枯渇を防ぐフィラーと手順を選択してください。

6. 腐食と表面保護

一般的な腐食 - 321と347Hはクロムに依存して不活性酸化膜を形成します；多くの大気や穏やかな化学環境で良好な一般的な耐腐食性を提供します。

粒界腐食と高温感作 - 安定化剤（321のTiと347HのNb）は、感作温度範囲にさらされる際に粒界でのクロム炭化物の析出を防ぐために特に含まれており、粒界腐食への感受性を減少させます。 - 347Hのニオブ安定化は高炭素含有量と組み合わさることで、ボイラーや過熱器のアプリケーションで一般的な長時間の高温暴露および熱サイクル中の粒界攻撃に対する抵抗を改善します。

腐食指数の使用 - ピッティング抵抗等価数（PREN）は、塩化物環境におけるピッティング抵抗を評価するために関連します： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - 321と347Hの場合、PRENは限られた有用性があります。これらのグレードは主に高いピッティング抵抗のために設計されていないため（Moが不足）、PRENはデュプレックスまたは高Moオーステナイト/フェライトに対してより意味があります。

非ステンレス代替品の表面保護 - ここでは適用されません（両方ともステンレスです）。非ステンレス鋼の場合、保護には亜鉛メッキ、塗装、またはメッキが含まれます。

7. 製造、加工性、および成形性

• 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と347Hの両方は鋭い工具、剛性のあるセットアップ、および適切な切削パラメータを必要とします。347H（高炭素）は321よりもわずかに加工しにくいかもしれませんが、違いはわずかです。
• 成形性と曲げ：両方はアニーリング状態で非常に成形可能です。321は低炭素含有量のためにわずかに優れた成形性を示すかもしれませんが、347Hの高炭素および析出物構造は材料を硬化させる可能性があります。
• 表面仕上げ：両方は類似の仕上げおよび研磨プロセスを受け入れます；溶接後の酸洗いおよびパッシベーション処理は、クロム豊富な不活性膜を回復するために標準です。

8. 典型的な用途

321 – 典型的な用途	347H – 典型的な用途
航空機および自動車システムの排気部品および熱交換器	化石燃料および原子力プラントのボイラー管、過熱器および再加熱器のチューブ
中程度の高温および腐食性雰囲気にさらされる化学プロセス機器	長期的なクリープ抵抗を必要とする高温炉ハードウェアおよび配管
安定化が望まれる食品加工機器および熱処理治具	感作リスクが高い石油化学高温配管および容器部品
チタン安定化がよく理解されている航空宇宙およびエンジン部品	ニオブ安定化が粒界の完全性を保持する長期間の熱サイクルにさらされるコンポーネント

選択の理由 - 一般的な高温耐腐食性と良好な溶接性が必要で、コストや成形の容易さが優先される場合は321を選択してください。 - サービスが粒界腐食（感作）とクリープ抵抗が主な懸念事項である高温での長時間の暴露を含む場合は、347Hを選択してください。若干高い材料コストが許容される場合。

9. コストと入手可能性

• コスト：321は一般的に入手可能で、347Hよりも通常は安価です。ニオブ合金の高炭素安定化グレードは特殊品であり、より高価な合金および加工管理を使用します。
• 入手可能性：321はプレート、シート、バー、および溶接/シームレスチューブで広く在庫されています。347Hは標準製品形態で入手可能ですが、一部の市場地域や大口径のシームレス製品ではあまり一般的ではないかもしれません — リードタイムや最小注文が長くなることがあります。
• 調達ノート：購入注文で正確なグレードと安定化要件（Ti対Nb、炭素範囲）を指定して、347の非Hバリアントや未安定化グレードを受け取らないようにしてください。

10. まとめと推奨

表：定性的な要約

基準	321	347H
溶接性	良好 — Ti安定化で制御が容易	良好 — Nb安定化とフィラー選択に注意が必要
強度–靭性（高温）	中程度の温度で良好	より良い高温強度とクリープ抵抗
コスト	一般的に低い / 広く入手可能	一般的に高い / 特殊グレード

結論（推奨） - 321を選択する場合： - アプリケーションが中程度の高温で時折熱サイクルを伴い、良好な一般的耐腐食性と製造の容易さが必要です。 - コスト、成形性、および容易に入手可能な製品形態が重要です。 - 347Hを選択する場合： - サービスが長期的な高温暴露、長期的なクリープ応力、または感作と粒界腐食のリスクがある繰り返しの熱サイクルを含む場合。 - 高温での機械的特性保持と粒界の安定性が重要であり、より高い材料コストとやや厳しい溶接/製造管理を受け入れることができる場合。

最終的な実用的ノート - 長期間の高温サービスにさらされる重要なコンポーネントについては、安定化グレード、必要な製造後の熱処理（ある場合）、溶接フィラーの組成、および検査基準を指定してください。設計および調達の際に金属学および溶接工学を早期に関与させることで、高価な現場での故障や再製造を回避できます。