高温サービスにおける 321 対 347 ステンレス鋼の安定化グレードの比較- - 知識

オーステナイト系ステンレス鋼 (304 や 316 など) が次の温度にさらされると、425度および870度長期間にわたって炭化クロムが粒界に析出する-と呼ばれる現象感作。これにより、クロムの粒界領域が枯渇し、耐食性が破壊されます。

安定したグレードでこの問題を解決強力な炭化物形成元素 (321 ではチタン、347 ではニオブ) を添加することで、炭化クロムが形成される前に炭素を「閉じ込め」ます。その結果、溶接後や高温に長時間さらされた後でも、材料は耐食性を維持します。

次のように考えてください。304 が通常の錠だとすると、321 と 347 は、何年も使用しても動かなくなることのないデッドボルトが追加された錠です。

321 vs 347 Stainless Steel

なぜ特に 321 と 347 を比較するのでしょうか?どちらも ASME セクション VIII、ASTM A240、および EN 10088 で指定されているオーステナイト系安定化グレードです。これらは、製油所、石油化学プラント、発電所、航空機の排気システムにおける高温用途で最も一般的な 2 つの選択肢です。しかし、これらは、材料コスト、溶接の信頼性、長期的な完全性に影響を与える、微妙だが重要な点で異なります。

結論 -機器が 500 度を超えて動作し、現場で溶接される場合、321 と 347 のどちらを選択するかは、最も重要な重要な決定の 1 つとなります。

どちらのグレードも 304 と同じ 18-Cr / 10-Ni ベースで製造されています。主な違いは次のとおりです。安定化要素：321はチタン（Ti）を使用。 347はニオブ（Nb、コロンビウムとも呼ばれる）を使用しています。

テーブル：表 1 - 化学組成の比較 (出典: ASTM A240 / A240M‑24)

元素(重量%)	321 / 321H (UNS S32100)	347 / 347H (UNS S34700)	意義
カーボン(C)	0.08 以下 (H: 0.04 ～ 0.10)	0.08 以下 (H: 0.04 ～ 0.10)	C が高いほどクリープ強度が=高くなります
クロム(Cr)	17.0–19.0	17.0–19.0	耐食性+耐酸化性
ニッケル(Ni)	9.0–12.0	9.0–13.0	オーステナイトの安定性 + 靭性
チタン(Ti)	5×C 以上 (最小 0.20)	-	スタビライザー (321 のみ)
ニオブ(Nb)	-	10×C 以上 (最小 0.32)	スタビライザー (347 のみ)
マンガン(Mn)	2.00以下	2.00以下	脱酸素剤
シリコン（Si）	0.75以下	0.75以下	高温酸化
リン(P)	0.045以下	0.045以下	不純物（控えめに保つ）
硫黄(S)	0.030以下	0.030以下	不純物（控えめに保つ）
窒素(N)	0.10以下	0.10以下	強化するがCを修正する

出典: ASTM A240 / A240M‑24: 圧力容器および一般用途向けのクロムおよびクロムニッケルステンレス鋼のプレート、シート、およびストリップの標準仕様。

なぜ単なる「低炭素」ではなく、Ti や Nb - なのでしょうか?

You might ask: "Why not just use 304L (extra‑low carbon)?" The answer: at high temperatures (>500 度）、304L であっても長期使用中に最終的には過敏になります。安定化は永続的です。Ti と Nb は炭化クロムよりも安定した炭化物を形成するため、炭素がクロムと反応することはありません。

チタンとニオブの比較

チタン（321年中）安いですそして機械加工が少し簡単になります。ニオブ (347年中)溶接アーク内でより安定します（「焼き切れる」ことはありません）、長期使用中の「過老化」に耐える、より温度安定性の高い炭化物を形成します。

重要なポイント -347 中の Nb は NbC (炭化ニオブ) を形成し、約 900 度まで微細に分散したままになります。 321 の TiC は、過熱すると溶解して炭化クロムとして再析出する可能性があります -。これは、650 度を超える長期使用では微妙ですが現実的なリスクです。

321 と 347 の室温特性は、ベースマトリックスが同じ 18-Cr / 10-Ni オーステナイトであるため同一です。安定化元素 (Ti、Nb) は、周囲温度では最小限の影響を及ぼします。

テーブル：表 2 - 室温での機械的特性 (出典: ASTM A240‑24; Outokumpu 2024)

財産	321 (焼きなまし)	347 (焼きなまし)	試験規格
引張強さ(MPa)	515–730	515–655	ASTM A240
降伏強さ @ 0.2% (MPa)	205 以上	205 以上	ASTM A240
50mmでの伸び(%)	40以上	40以上	ASTM A240
硬度（ブリネル、HB）	217以下	217以下	ASTM A240
硬度（ロックウェルB）	95以下	95以下	ASTM E18
衝撃靱性 @ -196 度 (J)	32 以上	32 以上	ASTM A370
弾性率 (GPa)	193	193	-
ポアソン比	0.29	0.29	-

出典: Outokumpu: ステンレス鋼ハンドブック - 高温における特性 (2024)。

これがデザインにとって何を意味するか:周囲温度の配管または機器の場合、321 と 347 は機械的に交換可能です。この選択は、温度が約 400 度を超える場合、または溶接が必要な場合にのみ重要になります。

これはこの記事の最も重要なセクションです。高温用途の材料を選択する前に、この文書をよくお読みください。

どちらのグレードも、空気中で最大 870 度まで保護 Cr₂O₃ スケールを形成します。これを超えるとスケールの剥離と酸化が促進されます。347にはわずかなエッジがありますこれは、Nb で安定化された微細構造が、長時間暴露後の粒界酸化に対してより耐性があるためです。

テーブル：表 3 - 高温酸化に関するガイダンス (出典: Nickel Institute Publication 9004; ATI 321/347 Datasheet 2025)

温度（度）	321 - 酸化速度	347 - 酸化速度	おすすめ
650以下	無視できる	無視できる	どちらのグレードでも
650–800	< 0.1 mm/year	< 0.1 mm/year	どちらのグレードでも
800–900	0.1～0.5mm/年	0.08～0.4mm/年	347 preferred for >10年寿命
900–950	>0.5 mm/年 (局所的)	0.4～0.6mm/年	347のみ。に制限する<5 years
> 950	推奨されません	推奨されません	310S または RA253MA を使用してください

出典: ニッケル協会: ステンレス鋼の高温特性 (Publication 9004、2023)。 ATI (Allegheny Technologies) 321/347/348 技術データシート (2025)。

クリープというのは、サイレントキラー高温機器の場合、室温での耐力の 40% のみで動作するパイプでも、100,000 時間 (約 11.4 年) 後にクリープが原因で破断する可能性があります。

高校生向けの例え: クリープは、プラスチックの定規を一晩机の上に曲げて放置したようなものです - 折れることはありませんが、まっすぐに戻ることはありません。高温では金属も同じことをしますが、負荷がかかります。

テーブル：表 4 - ASME 許容応力と推定 100,000 時間クリープ破断強度 (出典: ASME セクション II‑D 2023、tubingchina.com クリープデータ 2024)

温度	設計ストレス (321)	設計ストレス (347)	100,000 時間の破断応力 (321)	100,000 時間の破断応力 (347)
500 度 (932 度 F)	117MPa	117MPa	～95MPa	～100MPa
550 度 (1022 度 F)	105MPa	107MPa	～65MPa	～72MPa
600 度 (1112 度 F)	52MPa	55MPa	～38MPa	～44MPa
650 度 (1202 度 F)	32MPa	35MPa	～20MPa	～25MPa
700 度 (1292 度 F)	18MPa	21MPa	～10MPa	～13MPa
750 度 (1382 度 F)	10MPa	12MPa	～5MPa	～7MPa

出典: ASME ボイラーおよび圧力容器規定、セクション II‑D (2023 年版)。クリープ破断曲線: TubingChina.com - TP321/347 Mechanical Properties (2024)。

クリープ結論-600 ～ 700 度では、347スチール ASME コードに基づく 321 よりも 10 ～ 20% 高い許容応力を提供します。 20 年の耐用年数を想定して設計された新しい炉の対流セクションの場合、これによりチューブの壁の厚さを最大 1 ～ 2 mm 減らすことができ、重量とコストを節約できます。-。

オーステナイト系ステンレス鋼を 500 ～ 850 度に長時間さらすと、析出する可能性があります。シグマフェーズ(硬くて脆い金属間化合物). 321 は一般に影響を受けにくいto sigma formation because Ti restricts chromium mobility. 347, with higher Cr and Nb, has a slightly higher risk - but this is only a concern for very long exposures (>50,000 h) 650 度以上。

テーブル：表 5 - 熱老化リスクの比較 (出典: NACE MR0103; ASM ハンドブック Vol. 13C 2023)

危険因子	321	347	緩和
シグマフェーズ（650度、10,000時間）	低い	適度	制御%Ni < 11; 321Hを使用
Carbide coarsening (>700度）	適度	低い	安定化されたHグレードを使用
時効後の衝撃靱性	より良い保持	やや低め	シャルピー試験を指定する

出典: NACE MR0103/ISO 15156 - H₂S を含む環境で使用する金属。 ASM ハンドブック Vol. 13C: 特定の産業における腐食 (2023)。

この記事で覚えていることが 1 つだけある場合は、次のことを思い出してください。321 を適切に溶接するのは 347 - よりも難しいのは、母材の金属が難しいためではなく、チタンは溶接アークを越えて移行しません。

チタンの焼損問題

321 を Ti 含有フィラー (ER321) で溶接すると、チタンの最大 50 ～ 70% がアークで失われます。結果：溶接デポジットが適切に安定しなくなり、使用中に熱影響部 (HAZ) が敏感になる可能性があります。

たとえて言えば、暴風雨の最中にフェンスを塗装しようとしているようなものです - チタンが本来の役割を果たせる前に「洗い流されて」しまいます。

溶接のベストプラクティス -ベースメタルが 321 の場合でも、ほとんどの製造業者は ER347 (ニオブ含有) フィラーメタルを使用します。 ER347 の Nb は、321 ベースメタルと 347 ベースメタルの両方を完全に安定化します。 API 582 と ASME BPVC セクション IX はどちらもこの慣行を承認しています。

溶接消耗品の概要

テーブル：表 6 - 溶接消耗品の選択 (出典: AWS A5.4 / A5.9; API 582 2024)

卑金属	推奨フィラー（SMAW）	推奨フィラー（GTAW/GMAW）	なぜ
321	E347‑XX	ER347	Tiは燃え尽きます。 Nbは溶接部を安定させます
321H	E347‑XX	ER347	同じ理由です。クリープ用Hグレード
347	E347‑XX	ER347	Nbは完璧に転送します
347H	E347‑XX	ER347	高温用Hグレード。強さ
321 を 347 に溶接	E347‑XX	ER347	共通分母=Nb

溶接後熱処理 (PWHT)

321でも347でもない必要 PWHT to restore corrosion resistance (that's the whole point of stabilization). However, stress‑relief PWHT may still be needed for: • Thick‑walled pressure vessels (ASME requires it >38 mm (一部の例外を除く) • 苛性酸またはポリチオン酸で使用する機器 • 極低温で使用する (靭性を確保するため)

テーブル：表 7 - PWHT ガイドライン (出典: ASME BPVC Section VIII Div.1 UCS-56)

状態	321 PWHT	347 PWHT	注記
溶接後（現場）	不要	不要	安定したグレード
ストレスリリーフ (ASME VIII)	600 ～ 700 度、1 時間/インチ	600 ～ 700 度、1 時間/インチ	腐食用のオプション
PWHTによる感作リスク	低い	より低い	347 もっと寛容に

321 と 347 は基本組成が同じであるため、ほぼ同じ物性を持っています。小さな違いは、Ti と Nb の原子量によって生じます。

テーブル：表 8 - の物理的特性の比較 (出典: ASM ハンドブック Vol. 1、Outokumpu 2024)

財産	321	347	なぜそれが重要なのか
密度 (kg/m3)	7930	7960	重量の計算
熱膨張（μm/m・度、0～500度）	16.5	16.5	熱膨張によるパイプ応力
熱伝導率（W/m・K、100度）	16.3	16.3	熱伝達装置
熱伝導率（W/m・K、500度）	21.5	21.5	-
電気抵抗率（μΩ・m、20度）	0.72	0.73	-
磁性？	いいえ (オーステナイト系)	いいえ (オーステナイト系)	PMトレーサーチェック
融解範囲（度）	1400–1425	1400–1425	溶接予熱

どちらのグレードも 304 と同様にほとんどの腐食性媒体に耐性があります。安定化により主に保護されます。粒界腐食(IGC) 溶接後。特定の環境での比較は次のとおりです。

テーブル：表 9 - 選択した環境における耐食性 (出典: NACE MR0103; Outokumpu Corrosion Tables 2024)

環境	321	347	勝者
粒界腐食（溶接部）	良い (ティ)	より良い (注意)	347
ポリチオン酸（製油所の停止）	許容できる	素晴らしい	347 (API 571)
塩化物SCC（60度以下）	抵抗する	抵抗する	両方（304と同じ）
Chloride SCC (>60度）	貧しい	貧しい	2205 二重通信を使用する
硝酸(HNO₃)	素晴らしい	素晴らしい	両方
硫酸（H₂SO₄、希）	公平	公平	アロイ20を使用
苛性アルカリ (NaOH、< 50%)	250度までOK	250度までOK	両方
大気腐食	良い	良い	両方

ポリチオン酸応力腐食割れ (PASCC)

製油所の水素化処理装置が停止されて空気にさらされると、鋼鉄表面の硫黄化合物が水分と反応して生成します。ポリチオン酸(H₂S₄O₆)。この酸は、鋭敏化したステンレス鋼に急速な粒界亀裂を引き起こします。

API 571 (損傷メカニズム)このサービスでは (321 ではなく) 347 を明示的に支持します。 Nb の安定化により、シャットダウン中の PASCC に対する耐性がより確実になります。

製油所の推奨事項 -お使いの装置に水素化処理、改質、または水素化分解サービスが表示される場合は、- 347 (または 347H) を指定してください。ここで 321 を使用することは受け入れられていますが、リスクがより高い代替手段です。

テーブル：表 12 - コスト比較 (2025 年の市場参照、元中国工場情報源) (出典: JN Alloy 内部コストベンチマーク 2025、Sandmeyer Steel 価格リスト 2025)

原価要素	321	347	違い
基材（プレート、$/kg）	$3.20–3.80	$3.50–4.20	347 +9–10%
シームレスパイプ 4" Sch 40 ($/m)	$85–105	$95–120	347 +12%
溶接パイプ ($/m)	$55–70	$62–78	347 +10%
溶接消耗品（$/kg）	ER347: 18 ～ 22 ドル	ER347: 18 ～ 22 ドル	同じ（ER347を使用）
加工費（指数）	100 (ベースライン)	105–110	347 やや硬め
取り付け工賃	同じ	同じ	-
期待寿命延長（年）	-	+3 ～ +8 年	高温サービス
計画外のシャットダウンのリスク	適度	低い	347 リスクが低い

ライフサイクルコスト (LCC) に関する洞察

一般的な製油所ヒータープロジェクト (6 インチパイプ 500 m、650 度) の場合: •321素材コスト: ~$68,000 • 347 の材料コスト: ~$76,000 (+$8,000) • 321 による計画外のシャットダウンのリスク: イベントごとに推定 200 万から 500 万ドル • 347 による確率の減少: ~60–80% →347=を使用した場合の期待値は 8,000 ドルの投資に対し、120～400 万ドルのリスク削減となります。

費用の判定 -347 の材料費プレミアムは、失敗の経済的リスクと比較すると無視できます。ダウンタイムのコストが 10 万ドルを超えるプロジェクトの場合、321 ではなく 347 が経済的に合理的な選択です -。

A: 周囲温度、非溶接用途の場合 - はい。高温または溶接用途では、- no. 347 はクリープ強度と溶接 HAZ 安定性を向上させます。特定の設計温度については、必ず ASME B31.3 またはセクション VIII を参照してください。

Q2: なぜ製造業者は 321 であっても常に ER347 フィラーを推奨するのですか?

A: チタンは溶接アーク全体に確実に移行しないためです。Ti が焼き切れて、溶接部が不安定になります。 ER347 (ニオブ含有) は、321 ベースメタルと 347 ベースメタルの両方を完全に転写し、安定させます。これは業界標準の慣行 (AWS A5.4) です。

Q3: 321 および 347 の最高使用温度は何度ですか?

A: 断続的なサービス:最大 870 度 (321) / 900 度 (347)。継続的なサービス:limit to 750°C for long design life (>20年）。 800 度を超える場合は、310S または RA253MA (高温合金) の使用を検討してください。

Q4: 高温での使用では 347 が常に 321 より優れていますか?

A: いいえ。航空排気ガス (周期 400 ～ 750 度、振動疲労駆動) の場合、成形、機械加工が容易で、約 0.4% 軽いため 321 が好まれることがよくあります。製油所/石油化学 (定常 600 ～ 800 度) の場合は、347 の方が優れています。

Q5:「H」グレード(321H/347H)とは何を意味しますか?

A: "H"=高炭素(0.04 ～ 0.10%、非 H グレードでは 0.08% 以下)。炭素量が増えると、高温クリープ強度が向上します。 550 度を超えるサービスについては、常に H グレードを指定します(321H または 347H)。

Q6: 321 または 347 は高温の塩化物を含む環境で使用できますか?

A: いいえ。すべての 300 シリーズオーステナイト鋼と同様、321 および 347 は、約 60 度を超えると塩化物応力腐食割れ (Cl-SCC) が発生しやすくなります。塩化物を含む高温での使用には、二相 2205 またはスーパーオーステナイト 254 SMO を使用してください。

Q7: 347 は圧力容器建設用に ASME によって承認されていますか?

A: はい。347 および 347H は ASME セクション II‑D にリストされており、許容応力は最大 900 度 F (482 度 )、外挿により最大 ~1200 度 F (650 度 ) となります。セクション VIII Div.1 設計チャートには両方のグレードが含まれています。

Q8: 現場でパイプが 321 か 347 かをどのように識別すればよいですか?

A: PMI (ポジティブマテリアル識別)蛍光 X 線 (XRF) を使用することが唯一の信頼できる方法です。 Ti (チタン) は XRF によって明確に検出できます。 Nb (ニオブ) も検出可能ですが、より高感度の機器が必要になる場合があります。視覚的な識別は不可能です - 両方のグレードは同一に見えます。