347/347H 耐熱ステンレス鋼：エッセンシャルガイド

347耐熱ステンレス鋼 (S34700)は、粒界腐食に対す る卓越した耐性で有名な高安定オーステナイト系 ステンレス鋼種です。この合金は、特にクロム炭化物の析出が一般的に発生する800-1500°F (427-816°C) の臨界温度範囲において、厳しい条件下でも構造的完全性と耐食性を維持します。

347ステンレス鋼の優れた安定性は、その入念に設計された成分、特に安定化元素としてのチタンの添加に起因する。チタンは炭素と優先的に結合してチタン炭化物を形成し、粒界におけるクロム炭化物の形成を効果的に防止する。安定化として知られるこのメカニズムは、クロムを固溶体で保持するため、高温に長時間さらされた後でも合金の耐食性を維持する。

高温用途では、347耐熱ステンレス鋼は、その 優れた機械的特性により大きな利点を発揮する。非安定化鋼種に比べ、優れたクリープ強 度、耐熱疲労性、寸法安定性を示す。これらの特性は、高温で作動する熱交換器、炉部品、化学処理装置の部品に特に適している。

広く使用されている304オーステナイト系ステン レス鋼と比較すると、347は高温での延性お よび耐応力破断性が著しく向上している。この強化された性能は、熱サイクルを伴 う用途や、高温に長期間さらされることが 予想される用途では極めて重要である。延性が向上することで、成形性が向上し、熱膨張および熱収縮サイクル中の割れのリスクが低減する。

347は最大限の耐食性を必要とする高温用途に適した選択であるが、304L (304の低炭素変種)もまた、特定のそれほど厳しくない環境で鋭敏化と粒界腐食を軽減するために使用できることは注目に値する。しかし、304Lは347に比べて、その高温強度を制限する可能性が安定化ではなく、減少した炭素含有量を通じてこれを実現しています。

I.一般的な特徴

合金321 (UNS S32100)は、非常に安定したオーステナ イト系ステンレス鋼で、特にクロム炭化物の析出 が一般的に発生する臨界温度範囲800-1500°F (427-816°C) において、粒界腐食に対する卓越した耐性で有名である。この安定性は、炭化チタンを優先的に形成するチタンの戦略的添加によって達成され、それによって粒界におけるクロムの枯渇を防ぎます。

これに比べ、347耐熱ステンレス鋼は、コロンビウム（ニオブ）とタンタルの添加によって安定性を維持している。両元素は強力な炭化物形成剤として機能し、鋭敏化に対して合金を効果的に安定させる。

321および347耐熱ステンレス鋼は、800-1500°F (427-816°C) 範 囲の高温環境での長期使用に適した材料である。そのユニークな組成は、高温に長時間曝される用途に理想的である。溶接または短時間の加熱のみを伴う、あまり要求の厳しくない用途では、304Lは、感作への感受性を低減し、その低い炭素含有量により、適切な代替となり得る。

高温作業における321および347の優位性は、耐食性にとどまらず、強化された機械的特性にも及んでいる。これらの合金は、304および304Lグレードと比較して著しく改善された耐クリープ性および応力破断特性を示す。この優れた性能により、321および347は、米国機械学会（ASME）が定めるボイラーおよび圧力容器の厳しい規制に適合しながら、高温での高い応力に耐えることができる。

その結果、321および347耐熱ステンレ ス鋼の最大許容使用温度は、304および304L鋼 種の800°F (426°C)を大幅に上回る1500°F (816°C)に達する。この温度範囲の拡大は、高温工業プロセスにおける安定化合金の適用範囲を大幅に拡大する。

さらに高い高温強度を必要とする用途には、合 金321と347の高炭素バージョンがあり、それぞ れUNS S32109とS34709として指定されている。これらの鋼種は、標準鋼種に比べ延性は若干低下するものの、高温での耐クリープ性と強度がさらに向上しています。

II.化学組成

ASTM A240およびASME SA-240：

III.耐食性

1.均一腐食

合金321および347は、不安定なニッケルクロム合金304と同様の一般腐食に対する抵抗能力を有する。クロム炭化物度の温度範囲での長時間の加熱は、過酷な腐食媒体中での合金321および347の耐食性に影響を与える可能性がある。

ほとんどの環境において、両合金の耐食性はほぼ同等であるが、強酸化性環境における焼鈍合金321の耐食性は、焼鈍合金347の耐食性より若干劣る。

従って、347合金は水環境およびその他の低温条件下で優れている。800°F～1500°F（427℃～816℃）の温度に曝されると、合金347に比べて合金321の耐食性は著しく低下します。

合金347は主に高温用途に使用され、低温での粒界腐食を防ぐために強い耐鋭敏化性が要求される。

2.粒界腐食

合金304のような不安定なニッケルクロム鋼は粒界腐食の影響を受けやすく、合金321と347はこの問題に対処するために開発された。

不安定なクロム・ニッケル鋼を800°F～1500°F (427°C～816°C) の温度環境に置くか、この温度範囲で徐冷すると、炭化クロムが粒界に析出する。

腐食性の強い媒体にさらされると、これらの粒界が最初に腐食し、金属の性能を弱め、完全な崩壊につながる可能性がある。

有機媒体や腐食性の弱い水溶液、牛乳などの乳製品、大気中では、炭化物の析出があっても粒界腐食はほとんど見られない。

いつ 溶接 薄鋼板の場合、800°F～1500°F (427°C～816°C) の温度に短時間曝されるため粒界腐食の可能性が低く、不安定な鋼種が適している。

有害な炭化物の析出の程度は、800°F～1500°F (427°C～816°C) の温度と腐食媒体に曝される時間によって異なる。

厚板の溶接では、加熱時間が長くなるにもかかわ らず、炭素含有量が0.03%以下の不安定なL 級では、炭化物の析出が不十分で、この鋼種の脅威となる。

安定化処理された321および347ステンレ ス鋼の鋭敏化腐食および粒界腐食に対する強 い耐性は、下表 (硫酸銅-硫酸銅-16%硫酸試験 (ASTM A262, Practice E))で実証されている。

試験前に、製鋼所焼鈍済みサンプルは1050°F（566℃）で48時間の鋭敏化熱処理を受ける。

240時間後 アニール 1100°Fで処理した場合、合金347 試料は粒界腐食の兆候を示さず、このような熱条件に曝されても鋭敏化しなかったことを示している。Alloy321試料の腐食速度が低いことから、粒界腐食には耐えたものの、このような条件下での耐食性はAlloy304Lよりも優れていたことが示唆される。

この試験の環境では、これらの合金はすべて、標準的な合金304ステンレス鋼よりも著しく優れた性能を示した。

一般的に、合金321および347は、焼鈍処理を行 うことができない重荷重溶接機器や、800°Fから 1500°F（427℃から816℃）の範囲で作動または徐冷 する機器の製造に使用される。

様々な使用条件下で得られた経験から、ほとんどの用途で粒界腐食が発生する可能性を予測するのに十分なデータが得られている。に掲載された当社の見解の一部もご覧ください。 熱処理 セクションを参照されたい。

3.応力腐食割れ

合金 321 および 347 オーステナイト系 ステンレス鋼は、合金304 ステンレス鋼と同様に、ハロゲン化物中で の応力腐食割れに敏感である。これは、ニッケル含有量が類似し ているためである。応力腐食割れの発生条件は以下の通り：

(1)ハロゲン化物イオン（通常は塩化物）への暴露

(2) 残留引張応力

(3) 120°F (49°C) を超える環境温度。

成形加工での冷間変形や溶接加工での熱サイクルは、応力を発生させる。冷間変形の後にアニール処理または応力除去熱処理を行うことで、応力レベルを下げることができる。

安定化合金321および347は、不安定な合金の粒界腐食を引き起こす可能性のある応力除去加工に適している。

合金321および347は、合金304のような不安定 なオーステナイト系ステンレス鋼にポリチオニ ック酸応力腐食を引き起こす環境で特に有用で ある。不安定なオーステナイト系ステンレ ス鋼は、鋭敏化を引き起こす温度に曝され ると、結晶粒界にクロム炭化物を析出する。

硫黄を含む環境で室温まで冷却すると、硫化物（通常は硫化水素）が蒸気や酸素と反応してポリチオン酸を生成し、鋭敏化した粒界を腐食する。

ポリチオン酸応力腐食割れは、硫化物が多く存在する製油所環境において、応力腐食および粒界腐食の条件下で発生する。

安定化合金321と347は、加熱操作中の鋭敏化に対する耐性に より、ポリチオン酸応力腐食割れの問題を解決する。運転条件が鋭敏化を引き起こす可能性がある場合、これらの合金は鋭敏化に対する最適な耐性を得るために熱的に安定化された条件下で使用されるべきである。

4.孔食／隙間腐食

塩化物イオンを含む環境での安定した合金321および347の耐孔食性および耐隙間腐食性は、クロム含有量が類似しているため、ステンレス鋼合金304または304Lの耐孔食性および耐隙間腐食性とほぼ同じである。

一般に、不安定で安定した合金の場合、水環境中の最大塩化物含有量は、特に隙間腐食が存在する場合、100ppmである。塩化物イオンの含有量が高くなると、隙間腐食や孔食を引き起こす可能性がある。

より高い塩化物含有量、より低いpH、および/またはより高い温度の過酷な条件では、合金316のようなモリブデン含有合金の使用を考慮すべきである。安定した合金321と347は100時間の5%塩水噴霧試験(ASTM B117)に合格しており、試験サンプルに錆や変色は見られません。

しかし、これらの合金が海洋塩水噴霧に曝されると、孔食、隙間腐食、激しい変色が発生する可能性がある。合金321と347を海洋環境に曝すことは推奨されない。

IV.高温耐酸化性

321と347の耐酸化性は、他の18-8オーステナ イト系ステンレス鋼と比較できる。試料は高温実験室雰囲気に曝される。

高温環境から取り出したサンプルの重量を定期的に測定することで、スケール形成の程度を予測することができる。試験結果は、2つの異なる試験サンプルの最小値を平均した重量変化（ミリグラム／平方センチ）で表される。

321と347の主な違いは、その微妙な合金添加物にあるが、これは抗酸化特性には影響しない。

したがって、これらの試験結果は両グレードを代表するものである。ただし、酸化速度は暴露環境や製品形態などの固有の要因によって影響を受ける。

従って、これらの結果は、単にこれらのグレードの抗酸化の典型的な値とみなすべきである。

V.物理的性質

合金321と347の物理的性質は非常に似ており、実際、同一とみなすことができる。表中の値は両合金に適用されます。

適切な焼きなまし処理により、合金321および347ステンレス鋼は主に以下を含む。 オーステナイト とチタン炭化物またはニオブ炭化物を含む。ミクロ組織には少量のフェライト相が現れる場合と現れない場合がある。1000°F～1500°F（593℃～816℃）の温度に長時間さらされると、少量のシグマ相が形成されることがある。

熱処理では、安定化合金321および347ステンレ ス鋼を硬化させることはできない。

金属の全体的な熱伝導率は、金属の熱伝導率だけでなく、他の要因にも依存する。

多くの場合、これには膜冷却係数、スケール、金属の表面状態が含まれる。ステンレス鋼は表面が清浄に保たれているため、熱伝導率が高い金属よりも熱伝導が良い。

磁気

安定化合金321および347は一般に非磁性である。焼鈍状態での透磁率は1.02以下である。透磁率は成分により変化し、冷間加工により増加する。フェライトを含有する溶接部の透磁率は、 わずかに高い。

VI.機械的特性

1.室温での延性

安定した合金321と347のクロム・ニッケルレベルの焼鈍状態（2000°F[1093°C]、空冷）での最小機械的特性は、下表の通りである。

2.高温での延性

高温における合金 321 及び 347 の典型的な機械的性質は下表の通りである。1000°F(538°C)以上の温度環境では、これらの安定した合金の強度は不安定な304合金のそれよりも著しく高い。

高炭素合金321Hと347H (UNS32109とS34700)は、1000°F (537°C)以上の環境でより高い強度を持つ。347H合金のASME最大許容設計応力データは、この材種の強度が低炭素合金347よりも高いことを示しています。

合金321Hは、セクションVIIIでの使用は許可され ておらず、セクションIIIの用途では、800°F (427°C) 以下の温度に制限されている。

3.クリープと応力破断特性

ステンレス鋼合金321および347の代表的なクリープおよび応力破断データは下表の通りである。高温における安定合金のクリープおよび応力破断強度は、不安定合金304および304Lのそれよりも高い。

合金321および347の優れた性能は、一般的に見られるボイラーや圧力容器のような高温で作動する圧力部品に適している。

4.衝撃強度

321合金も347合金も、屋内であろうと氷点下の環境であろうと、優れた衝撃靭性を示す。

所定の試験温度に1時間放置した焼鈍後の合金347のシャルピーV衝撃試験を次のグラフに示します。合金321の状況は347と同様です。

5.疲労強度

実際、その 疲労強度 は、腐食環境、表面仕上げ、製品形状、平均応力などの要因に影響される。

このため、すべての使用条件下での疲労強度値を正確な数値で表すことは不可能である。合金321と347の疲労限度は、引張強さの約35%である。

VII.処理

溶接

オーステナイト系ステンレス鋼は、最も扱いやすい鋼種とされている。 合金鋼 を溶接することができ、抵抗溶接だけでなく、すべての溶融物質で溶接することができる。

オーステナイト系ステンレス鋼を溶接する場 合、2つの要素を考慮しなければならない。

溶接中、合金321と347の安定化元素を維持することは極めて重要である。321合金のチタンは消耗しやすく、347合金のニオブは失われやすい。石油やその他の汚染源からの炭素元素や空気からの窒素元素を避けることが必要である。

したがって、安定した合金の溶接であろうと不安定な合金の溶接であろうと、清浄度と不活性ガス保護は維持されなければならない。

いつ 溶接金属 オーステナイト組織では、作業中に割れが発生しやすい。このため、合金321および347は、亀裂感受性を最小にするため、再凝固時に少量の第二鉄塩を添加する必要がある。ニオブを含むステンレス鋼は、チタンを含むステンレス鋼よりも熱間割れを起こしやすい。

合金321や347のような安定した鋼の溶接に は、適合溶加材を使用することができる。合金347のマッチング・フィラーメタルは、以下の用途にも使用できます。 溶接合金 321.

これらの安定した合金は、他のステンレ ス鋼や炭素鋼に添加することができる。合金309 (23% Cr-13.5% Ni)またはニッケルベースのフィラーメタルがこの目的に使用できる。

熱処理熱処理

321および347合金の焼鈍温度範囲は1800～2000°F (928～1093℃)である。焼鈍の主な目的は合金の軟質性と延性を高めることですが、粒界腐食を引き起こすことなく、800～1500°F（427～816℃）の炭化物析出範囲内で応力を除去することもできます。

この温度範囲での長時間の加熱は、合金の一般耐食性を多少低下させますが、合金321および347は、800～1500°F（427～816℃）の温度範囲で数時間焼鈍すれば応力が緩和され、一般耐食性は著しく低下することはありません。

強調しておくが、800～1500°F (427～816°C) の範囲内の低温焼鈍では粒界腐食は発生しない。

最適な延性を得るには、1800～2000°F（928～1093℃）の高めの焼鈍温度を使用することを推奨する。

これらのニッケル基ステンレス鋼を、炭化クロムの析出を最大限防止する必要のある機器に加工する場合、コロンビウムの安定性はチタンの安定性とは異なることを認識しなければならない。これらの理由から、合金321を使用する場合、安定性と保護という結果はそれほど明白ではない。

最大限の耐食性が要求される場合は、321合金に安定化焼鈍処理を施す必要がある。1550～1650°F（843～899℃）の温度範囲で5時間以内の加熱が必要で、加熱時間は板厚に依存する。

この温度範囲は、炭化クロム生成のための温度範囲を超え、以前に生成した炭化クロムを分解・溶解させるのに十分な温度でもある。

さらにこの温度では、チタンは炭素と結合して無害な炭化チタンを形成することができる。その結果、クロムは還元されて固溶体に戻り、炭素はチタンと結合して無害な炭化物を形成せざるを得なくなる。

コロンビウム含有安定化合金347は、このような追加処理を必要としないことが多い。

酸化性環境で熱処理が完了した後、焼鈍面 に形成された酸化物を、硝酸とフッ化水素酸 の混合液などの酸洗液で除去する。酸洗後、ステンレス鋼表面は、残留酸 性溶液を洗い流すために十分に洗浄されなけれ ばならない。

これらの合金は熱処理によって硬化させることはできない。

IX.清潔さ

ステンレス鋼は、標準的な使用条件下であ っても、製造から最終使用までのライフサイク ルを通じて、表面清浄度を維持することが極め て重要である。この習慣は、素材固有の耐食性と美観を 保つために不可欠である。

溶接工程では、酸化を最小限に抑えるため、不活性ガス・シールド技術が採用される。溶接後は、専用のステンレス・スチール・ブラシ を使用して、酸化物やスラグを除去することが不 可欠である。炭素鋼ブラシの使 用は厳禁である。炭素鋼の粒子がステンレ ス鋼表面に付着し、局部腐食を引き起こす可 能性があるからである。重要な用途や高性能の環境では、酸化物 やスラグを徹底的に除去し、最適な耐食性を 確保するために、溶接部を特殊な酸洗液 (通常、硝酸とフッ化水素酸の混合液) で処理する必要がある。

化学処理後は、ステンレス鋼の表面を脱イオン水で入念にすすぎ、酸性の残留物をすべて除去し、孔食や応力腐食割れの発生を防ぐ必要がある。

環境要因はメンテナンス要件に大きく影響する。内陸部では、軽工業用途では一般に最小限の維持管理ですむ。加圧水による定期的な洗浄が必要なのは、汚染物質が蓄積しやすい遮蔽された場所や奥まった場所だけかもしれません。しかし、重工業の場 合は、蓄積された微粒子を除去するために、 定期的かつ徹底的な洗浄を行うことを強く推奨 する。

設計段階で清浄度を考慮することで、メンテナンスが大幅に容易になります。丸みを帯びたフィレット、余裕のある内部半径、継ぎ目のない構造を特徴とする機器は、洗浄工程を簡素化するだけでなく、電解研磨などの表面処理の効果を高め、耐食性と洗浄性をさらに向上させることができます。

提供された参考データは代表的な分析結果を示すものであり、最終製品に関する確定的な仕様や絶対的な限界値として解釈されるべきものではないことに留意することが重要である。材料特性は、特定の製造バッチ、加工方法、および意図された用途によって異なる場合があります。重要な用途に関する正確な組成および機械的特性データについては、常にメーカーの認定材料試験報告書を参照してください。