0Cr13 vs 1Cr13 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
0Cr13と1Cr13は、バルブ、ポンプ、刃物、ファスナー、摩耗部品に使用されるマルテンサイト系ステンレス鋼の一般的に指定される2つのグレードです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、硬度と摩耗抵抗を靭性、溶接性、コストとバランスさせる際に、しばしばこの2つの間で選択を迫られます。典型的な意思決定の文脈には、耐腐食性シャフトの材料を選択することや、硬度（摩耗抵抗）が破壊靭性や加工の容易さと競合するバルブトリム材料を選択することが含まれます。
0Cr13と1Cr13の主な実用的な違いは、炭素レベルと炭素がマルテンサイトの硬化性に与える影響の仕方です：高炭素グレードは、靭性と溶接性を犠牲にして、熱処理後の硬度/強度と摩耗抵抗を向上させますが、低炭素バリアントは加工においてより寛容で、より良い靭性を提供しますが、最大硬度は低くなります。両者は、類似のクロムレベルを持つマルテンサイト系ステンレス鋼であるため、耐腐食性と機械的性能のバランスが求められる設計で頻繁に比較されます。
1. 規格と指定
- GB（中国）：0Cr13、1Cr13（マルテンサイト系ステンレス鋼の一般的な中国の指定）。
- JIS（日本）：類似のファミリーにはSUS410 / SUS420シリーズ（相互参照に便利）。
- EN（ヨーロッパ）：マルテンサイト系ステンレス鋼はEN 10088の各部でカバーされており、410 / 420シリーズに相当することが多い。
- ASTM/ASME：比較可能な材料はAISI分類（410、420、430など）に見られます；正確な同等性は名目化学成分と特性の相互参照を必要とします。
分類：0Cr13と1Cr13はどちらもマルテンサイト系ステンレス鋼（鉄系ステンレス、熱処理可能）です。厳密な意味ではオーステナイト系ステンレス（デュプレックスではない）でもHSLAや工具鋼でもありませんが、摩耗抵抗性、熱処理可能なステンレス特性が必要な用途で使用されます。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は商業的に使用される典型的な組成範囲を示しています；実際の限界は標準または供給者によって異なります。これらはおおよその値であり、相対的な違いを示すことを目的としています（規範的な仕様限界ではありません）。
| 元素 | 0Cr13（典型的、約） | 1Cr13（典型的、約） |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 wt%（低炭素） | 0.08 – 0.15 wt%（高炭素） |
| Mn | ≤ 1.0 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| P | ≤ 0.04 wt% | ≤ 0.04 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Cr | 12.0 – 14.0 wt% | 12.0 – 14.0 wt% |
| Ni | ≤ 0.6 wt% | ≤ 0.6 wt% |
| Mo | ≤ 0.3 wt%（しばしば不在） | ≤ 0.3 wt%（しばしば不在） |
| V | 微量 / 指定なし | 微量 / 指定なし |
| Nb, Ti, B, N | 存在する場合は微量レベル | 存在する場合は微量レベル |
合金が性能に与える影響： - 炭素：マルテンサイト鋼の主要な硬化元素。炭素が高いほど、最大達成可能な硬度と摩耗抵抗が増加しますが、靭性と溶接性は低下します。 - クロム（約12–14%）：不活性酸化物層を形成することによって耐腐食性を提供します；このレベルでは、穏やかな環境で基本的な「ステンレス」特性を提供しますが、高合金ステンレスよりもピッティング抵抗は低くなります。 - マンガンとシリコン：脱酸剤であり、硬化性にわずかに影響を与えます。 - 低NiとMo：これらのグレードでは通常最小限；Moの不在はピッティング抵抗と高温腐食抵抗を制限します。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造： - 両グレードは、組成と熱処理経路に応じて、オーステナイト化温度から急冷されるとマルテンサイトを形成します。 - 焼鈍状態では、冷却に応じてフェライト/パーライトの残存物を示すことがありますが、意図されたサービスのためには通常マルテンサイト+テンパーマルテンサイトに硬化されます。
熱処理応答： - オーステナイト化（マルテンサイト系ステンレスに典型的）：均一なオーステナイトを形成するために適切な温度で溶解処理を行い、その後マルテンサイトを得るために急冷します。 - テンパリング：脆さを減少させ、靭性を改善し、最終的な硬度を設定します。高温でのテンパリングは硬度を低下させ、延性を向上させます。 - 正常化と急冷：正常化は、重要度の低い部品の粒径を改善するために使用されることがあります；高い強度や摩耗抵抗が必要な場合は、完全な急冷+テンパリングが使用されます。
相対的な応答： - 1Cr13（高炭素）は、急冷後の硬度が高く、保持される硬度範囲を高くすることができます；強度と靭性を調整する際にテンパリング温度に対してより敏感です。 - 0Cr13（低炭素）は、同じ熱処理で低い硬度のマルテンサイトを発展させ、非常に注意深いテンパリングを必要とする脆いマルテンサイト構造を形成する可能性が低くなります—これにより靭性が向上し、急冷/テンパリングサイクル中の亀裂のリスクが減少します。
熱機械処理： - 鍛造と制御された圧延の後に適切な熱処理を行うことで、微細構造を改善し、どちらのグレードでも靭性を向上させることができます；ただし、高炭素の1Cr13はより硬化しやすく、したがって断面厚さと冷却速度に対してより敏感です。
4. 機械的特性
機械的特性は熱処理に強く依存します。絶対値（テンパリングによって変動する）ではなく、以下の表は業界で使用される典型的な急冷およびテンパリング条件に対する相対的な傾向を比較しています。
| 特性 | 0Cr13 | 1Cr13 |
|---|---|---|
| 引張強度 | 中程度 | 高い |
| 降伏強度 | 中程度 | 高い |
| 伸び（延性） | 高い（より延性） | 低い（延性が低い） |
| 衝撃靭性 | 良好（靭性が高い） | 低い（同等の硬度で靭性が低下） |
| 硬度（急冷/テンパー後） | 中程度の最大 | より高い最大達成可能 |
説明： - 1Cr13は、炭素が増加することで、急冷およびテンパリング後により高い強度と硬度を許可します；これにより、摩耗抵抗が重要な場合に好まれます。 - 0Cr13は、同じ名目処理に対してより良い靭性と延性を提供します。これは、低炭素が脆いマルテンサイトと保持応力の傾向を減少させるためです。 - 熱処理とテンパリングのレジメンを選択することで、どちらのグレードでも硬度と靭性をトレードオフできます；1Cr13はより広い硬度の範囲を提供しますが、脆化を避けるためにより注意深い熱処理が必要です。
5. 溶接性
マルテンサイト系ステンレス鋼の溶接性は、炭素含有量、全体的な硬化性、およびオーステナイト領域を広げる元素の存在によって支配されます。
定性的評価に役立つ主要な炭素等価式： - 炭素等価（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm式： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈（定性的）： - 1Cr13は炭素含有量が高いため、0Cr13に対して高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を示し、冷間亀裂、熱影響部（HAZ）でのマルテンサイト形成、そして水素誘起亀裂の傾向を高めます。 - 0Cr13は低炭素であるため、従来のフィラー金属を使用して溶接しやすく、前加熱/溶接後熱処理（PWHT）プロトコルが必要であり、より攻撃的な前加熱が必要ありません。 実用的なガイダンス： - 両グレードとも、厚い部品や重要なアセンブリを溶接する際には、前加熱とPWHTが一般的に必要です。1Cr13の場合、高い前加熱と制御されたインターパス温度、より厳格なPWHTがHAZ硬度を低下させ、亀裂のリスクを減少させます。 - フィラー金属の選択：望ましい特性に応じて、互換性のあるマルテンサイト系またはオーステナイト-フェライト系フィラーを使用します；オーステナイト系フィラーはHAZの亀裂リスクを最小限に抑えることができますが、局所的に腐食および機械的特性を変化させます。
6. 腐食と表面保護
0Cr13と1Cr13は、約12–14%のクロムを含むため、ステンレスです。これは多くの雰囲気で不活性フィルムの形成をサポートします。しかし、彼らの耐腐食性は中程度であり、高合金ステンレス（例：304/316）よりも著しく低いです。
- 一般的な腐食：軽度の腐食環境（空気、水）では十分ですが、保護措置なしで塩素が豊富な環境やピッティング環境には推奨されません。
- ピッティングおよび隙間抵抗：限られた—Mo含有量は通常低いか不在であるため、一般的なピッティング抵抗等価数（PREN）は低く、これらのグレードにはあまり適用されません。
有用な腐食指数（該当する場合）： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - 0Cr13と1Cr13は、MoとNが無視できるため、PRENは主にクロムによって駆動され、デュプレックスまたはオーステナイト系ステンレスと比較して控えめになります。
軽度の環境に対する表面保護： - 亜鉛メッキ：ステンレス鋼では一般的ではなく、代わりに低コストの炭素鋼に使用できます。 - 塗装、メッキ：美観と保護が必要な場合に追加の腐食保護のために一般的です。 - パッシベーション：化学的パッシベーション（硝酸またはクエン酸）は、製造後に不活性層を回復/最適化できます。
明確化：PRENは、顕著なMoおよびNを含むステンレスグレードにとって意味があります；これらのマルテンサイト系グレードにとってPRENは単に彼らの限られたピッティング抵抗を強調するものです。
7. 加工性、切削性、および成形性
- 切削性：高炭素の1Cr13は一般的に硬く、急冷状態での加工が難しくなります。切削性は、焼鈍または低硬度のテンパー範囲でより良好です。0Cr13は、同様の熱処理硬度が必要な場合に加工が容易です。
- 研削および仕上げ：1Cr13の高い硬度は、研磨仕上げをより困難にし、工具の摩耗を増加させます；0Cr13はより寛容です。
- 成形性および曲げ：低炭素の0Cr13は、軟化（焼鈍）状態でより良い成形性とスプリングバック特性を持っています。一般的に、マルテンサイト系ステンレス鋼はオーステナイト系グレードほど成形性が高くありません。
- 表面仕上げおよびエッチング：両方の鋼は一般的なステンレス仕上げに応じます；ただし、製造後に腐食抵抗を回復するために、溶接後の研削およびパッシベーションがしばしば必要です。
8. 典型的な用途
| 0Cr13（低炭素） | 1Cr13（高炭素） |
|---|---|
| 改善された靭性と溶接性が優先されるバルブ本体およびトリム | 高い硬度が必要な刃物の刃、切削エッジ、シャフトなどの摩耗抵抗部品 |
| 定期的なPWHTを伴う中程度の腐食サービスにおけるシャフト、ファスナー、ポンプ部品 | 硬度/摩耗抵抗が重要なボールベアリングケージ、バルブシート、シールリング |
| 製造の容易さが重要な一般用途の構造用ステンレス部品 | 摩耗にさらされる工具、摩耗プレート、および部品で高い硬度が必要 |
選択の理由： - 溶接性、靭性、延性がピーク硬度よりも重要な場合は0Cr13を使用します；動的荷重がかかる部品や溶接後の性能が重要な場合に好まれます。 - 最大達成可能な硬度と摩耗抵抗が主要な要因であり、厳格な熱処理と溶接管理が許容される場合は1Cr13を使用します。
9. コストと入手可能性
- コスト：1Cr13と0Cr13は、一般的に基本材料コストが類似しています。クロム含有量が合金価格を支配するため、1Cr13は仕上げ硬度が仕上げ作業を減少させる場合、単位処理コストがわずかに安くなることがありますが、追加の溶接および熱処理管理が全体の部品コストを増加させる可能性があります。
- 入手可能性：両グレードは広く生産されており、GBおよび同等の仕様に基づいて製造される地域でプレート、バー、鍛造形態で入手可能です。特定の製品形状、厳密な組成管理、または特殊な熱処理状態がリードタイムに影響を与える可能性があります。
10. まとめと推奨
まとめ表（定性的）
| 特性 | 0Cr13 | 1Cr13 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（1Cr13よりも良い） | 普通から悪い（より厳格な前加熱およびPWHTが必要） |
| 強度–靭性のトレードオフ | 靭性にバランス | より高い強度/硬度にバランス |
| コスト（材料のみ） | 同等 | 同等 |
結論 — アプリケーションのニーズに基づいて選択： - 動的荷重がかかる部品や製造の簡便さが重要な場合は、改善された溶接性、より高い靭性、より良い延性が必要な場合は0Cr13を選択してください。 - より高い熱処理後の硬度と摩耗抵抗が必要で、脆化やHAZの亀裂リスクを管理するために厳格な熱処理と溶接管理を適用できる場合は1Cr13を選択してください。
仕様および調達に関する最終的な注意： - 常に供給者の認定された化学分析および熱処理状態を要求してください；購入注文に必要な機械的特性および熱処理/テンパリングレジメンを指定してください。 - 溶接アセンブリの場合、前加熱、インターパス制御、消耗品、およびPWHT要件を詳細に記載した溶接手順仕様（WPS）を提供し、失敗の結果が重大な場合はNDT/検査を考慮してください。