10# vs 20# – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
10#と20#は、製造および建設において広く使用されているプレーンカーボン鋼のグレードであり、中国および地域のサプライチェーンで頻繁に指定されます。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、コスト、溶接性、成形性、強度のトレードオフを考慮しながら、どちらを選択するかを検討します。典型的な意思決定の文脈には、部品が高い延性と容易な接合を必要とするか（低炭素オプションを支持）または高い強度と耐摩耗性を必要とするか（高炭素オプションを支持）が含まれます。
これらのグレードの主な技術的な違いは炭素含有量です：低炭素グレードは、優れた溶接性と成形特性を持つ柔らかく延性のある材料を生成し、高炭素グレードは、延性と溶接の容易さを犠牲にして強度と硬化性を向上させます。両者は類似の微量元素を持つプレーンカーボン鋼であるため、機械加工性、熱処理応答、コストのバランスを取る必要がある部品の比較によく使用されます。
1. 規格と指定
- GB（中国）：10#と20#は、中国の規格における従来のプレーンカーボン鋼の指定（GB/T製品仕様書でよく使用される）です。
- JIS（日本）：JISの同等の名目グレードは、数値の炭素ベースの名前を使用します（例：S10C、S20Cは一般的な比較可能なグレードです）。
- ASTM/ASME：米国の規格は一般的にA36、A106、またはSAEグレードの命名法を使用します；直接の一対一の同等物は常に存在するわけではなく、ASTMグレードは単純な「10#」の命名ではなく、機械的特性の要件を指定します。
- EN（ヨーロッパ）：ENグレードは、化学的および機械的要件によって鋼を分類します（例：C10、C20は概念的に比較可能ですが、相互参照が必要です）。
- 分類：10#と20#は両方ともプレーンカーボン鋼です（合金鋼ではなく、ステンレス鋼でもなく、HSLAでもなく、工具鋼でもありません）。製造においては、通常、低炭素（10#）および中低炭素（20#）鋼として使用されます。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | 10#の典型的な範囲（約） | 20#の典型的な範囲（約） |
|---|---|---|
| 炭素（C） | 0.06–0.12 wt% | 0.17–0.24 wt% |
| マンガン（Mn） | 0.25–0.60 wt% | 0.25–0.65 wt% |
| シリコン（Si） | 0.02–0.35 wt% | 0.02–0.35 wt% |
| リン（P） | ≤ 0.035 wt%（最大） | ≤ 0.035 wt%（最大） |
| 硫黄（S） | ≤ 0.035 wt%（最大） | ≤ 0.035 wt%（最大） |
| クロム（Cr） | 通常≤ 0.30 wt% | 通常≤ 0.30 wt% |
| ニッケル（Ni） | 通常≤ 0.30 wt% | 通常≤ 0.30 wt% |
| モリブデン（Mo） | 通常≤ 0.08 wt% | 通常≤ 0.08 wt% |
| バナジウム（V） | 微量（あれば） | 微量（あれば） |
| ニオブ（Nb） | 微量（あれば） | 微量（あれば） |
| チタン（Ti） | 微量（あれば） | 微量（あれば） |
| ホウ素（B） | 通常添加されない | 通常添加されない |
| 窒素（N） | 微量 | 微量 |
注：これらは従来の商業用10#および20#プレーンカーボン鋼の典型的な組成範囲です；製品規格および製造業者はわずかに異なる限界を指定する場合があります。両グレードの合金戦略は、合金元素の低レベルに焦点を当てています：炭素は主に強度と硬化性を支配し、マンガンは強度と脱酸を修正し、シリコンは脱酸剤であり、強度をわずかに増加させます。
合金が特性に与える影響： - 炭素：引張強度、硬度、硬化性の主な制御因子；炭素が高いほど強度と耐摩耗性が増しますが、延性と溶接性が低下します。 - マンガン：引張強度、硬化性、引張靭性を増加させます；硫黄の有害な影響を軽減します（MnSを形成します）。 - シリコン：わずかな固溶体強化と脱酸剤；過剰なSiは一部のプロセスで表面品質を損なう可能性があります。 - 微量元素（Cr、Ni、Mo）：少量存在する場合、硬化性と強度をわずかに増加させますが、これらのグレードの特徴ではありません。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - 10#：圧延または正規化された状態では、微細構造は主にフェライトであり、パーライトの細かい分散があります。低炭素含有量はパーライトの割合を制限し、中程度の冷却速度後に大きな量のマルテンサイトを防ぎます。 - 20#：高い炭素含有量は、圧延状態でのパーライトの割合を大きくし、より速い冷却または急冷の下でマルテンサイトまたはベイナイトを形成する可能性を高めます。
熱処理応答： - アニーリング/フルアニーリング：両グレードは柔らかくなり、残留応力を減少させ、粗いフェライト-パーライト混合物を生成します。10#は低炭素のため、より簡単かつ迅速に柔らかい状態に達します。 - 正規化：圧延状態と比較して、より細かいフェライト-パーライト微細構造と改善された靭性を生成します；両グレードに利益をもたらしますが、20#は高炭素のため、より高い正規化強度を得ます。 - 急冷および焼戻し（Q&T）：20#はQ&Tにより多く反応します。高炭素とわずかに高い硬化性により、急冷後の高強度マルテンサイト構造の発展が可能になります。10#は硬化性が限られており、高硬度のマルテンサイトを均一に生成することはより困難であり、通常はコスト効果がありません。 - 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却は、両グレードの強度を増加させることができます；炭素含有量が強度と靭性の達成可能な組み合わせを決定します。
4. 機械的特性
| 特性（典型的、加工依存） | 10#（約の範囲） | 20#（約の範囲） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ~320–470 | ~380–540 |
| 降伏強度（MPa） | ~140–310 | ~200–370 |
| 伸び（%） | ~20–40 | ~12–30 |
| 衝撃靭性（シャルピーVノッチ、J） | 一般的に低温で10#の方が高い（加工依存） | 同じ処理で10#より低いが、加工によって改善可能 |
| 硬度（HBまたはHRC） | 名目条件で低い（柔らかい） | 名目条件で高い（硬い） |
注：値は示唆的であり、製品形状（板、バー、ロッド）、厚さ、熱機械履歴に強く影響されます。一般的に、20#は高い炭素含有量と大きなパーライト割合のため、引張強度と降伏強度が高く、10#は同様に加工された場合、より大きな延性を提供し、通常は優れた低温靭性を示します。
解釈： - 強度：20# > 10#は高炭素と増加したパーライト/微細構造強化による。 - 靭性/延性：10# > 20#は比較条件下で、低炭素が脆い相を減少させ、より多くのフェライトを許可するため。 - 硬度/耐摩耗性：20#は通常硬く、最小限の熱処理後に摩耗しやすい部品に適しています。
5. 溶接性
カーボン鋼の溶接性は主に炭素含有量、等価炭素（硬化性）、および残留元素に依存します。一般的に使用される2つの経験的指標は、IIW炭素等価とPcmパラメータです：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 10#は炭素が低いため、$CE_{IIW}$と$P_{cm}$が低く、一般的に優れた溶接性を示し、適切な手順を使用した場合、低い予熱要件と最小限の冷却亀裂のリスクを示します。 - 20#は炭素が高く、$CE_{IIW}$と$P_{cm}$が増加し、熱影響部（HAZ）でのマルテンサイト硬化のリスクを高めます。厚いセクションや拘束されたジョイントの場合、予熱、制御されたインターパス温度、および適切な溶接後熱処理（PWHT）が推奨される場合があります。 - 微合金化と高マンガンは硬化性にわずかに影響します；ただし、これらのプレーンカーボングレードは、炭素含有量とセクション厚さによって決定される溶接手順を大幅に変更するほどの合金を含むことは稀です。
ベストプラクティス：厚いセクションの20#には低い熱入力と制御された冷却を使用し、炭素等価の閾値を超えた場合は溶接手順仕様に従って予熱またはPWHTを指定します。
6. 腐食と表面保護
- 10#と20#はどちらも非ステンレスのカーボン鋼であり、内因性の腐食抵抗は限られており、グレード間で類似しています。選択は腐食環境での保護措置の必要性を前提とすべきです。
- 典型的な緩和策：亜鉛メッキ、保護コーティング（塗料、粉体塗装）、メッキ、または用途特有の阻害剤。屋外構造部品には、ホットディップ亜鉛メッキまたは堅牢な塗装システムが一般的です。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）はプレーンカーボン鋼には適用されず、ステンレスグレードに関連します：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 腐食許容、陰極保護、およびコーティングシステムの選択は、10#と20#の間の小さな組成の違いではなく、環境、期待される寿命、および検査体制に基づくべきです。
7. 加工、機械加工性、および成形性
- 切断と機械加工：20#は硬く、通常はより高い切削力を必要とし、10#に対して工具寿命を短くする可能性があります。ただし、低炭素範囲では差はわずかです；工具戦略と速度は、炭素含有量の増加に応じて調整する必要があります。
- 成形と曲げ：10#は高い延性のため、冷間成形、深絞り、およびタイトな半径の曲げに優れています。20#はスプリングバックが起こりやすく、より大きな曲げ半径またはより多くの力を必要とします。
- 接合と締結：10#はスレッドを冷間成形するのが容易で、溶接による接合も簡単です；20#はより高強度の締結を可能にしますが、重要な高強度用途では接合後の熱処理が必要になる場合があります。
- 表面仕上げ：両グレードは典型的な仕上げ操作（研削、研磨、コーティング）を受け入れます；20#はより高い加工硬化を示す可能性があり、非常にタイトな公差の最終仕上げ品質に影響を与えます。
8. 典型的な用途
| 10#（低炭素） | 20#（高炭素） |
|---|---|
| 冷間成形部品、一般構造部品、自動車内パネル、軽いブラケット、延性と溶接性が重要な溶接製作アセンブリ | シャフト、アクスル、スタッド、ボルト（より高い強度または耐摩耗性が必要な場合）、より高い荷重要件を持つ構造部材、硬化鋼の恩恵を受ける機械部品 |
| 低応力シャフト、リベットまたはボルト接続、低圧配管（非重要） | 強度を増加させるために熱処理を意図した部品（急冷/焼戻しまたは正規化） |
| 引き抜きワイヤー、成形チューブ、重要な成形を必要とするファスナー | 摩耗しやすい部品（適切な熱処理後）、中強度の鍛造部品 |
選択の理由： - 成形、溶接、表面仕上げの容易さが優先され、強度要件が控えめな場合は10#を選択してください。 - より高い製造時強度や熱処理による強度の増加の可能性が必要な場合は20#を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：両グレードは商品プレーンカーボン鋼であり、最も低コストのオプションの一つです。10#は通常、低炭素とやや単純な加工のためにわずかに安価ですが、市場価格は鋼鉄ミルの製品ミックスと需要によって支配され、内因的なグレードコストではありません。
- 入手可能性：両者はバー、ロッド、プレート、ワイヤー形状で広く入手可能です。10#と20#はGB/JIS命名法を使用する地域で広範なサプライチェーンを持っています。標準サイズのリードタイムは通常短いですが、特殊な形状（大径、タイトトレランスバー、または認定ミルテストレポート）はコストとリードタイムを増加させる可能性があります。
10. 概要と推奨
| 属性 | 10# | 20# |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた（低いCE） | 良好から中程度（厚いセクションでは予熱/PWHTが必要） |
| 強度–靭性のバランス | 低い強度、高い延性/靭性 | 高い強度、特別に処理されない限り延性が低い |
| 相対コスト | わずかに低いか同等 | わずかに高いか同等 |
推奨： - 10#を選択する場合は、優れた成形性、容易な溶接、高い延性、HAZ亀裂のリスクが低い、または溶接後の処理が望ましくないコストに敏感な大量製造が必要です。 - 20#を選択する場合は、より高い製造時の引張強度と降伏強度、改善された耐摩耗性、または部品をより高い強度レベルに熱処理するオプションが必要で、製造計画が予熱、制御された冷却、またはPWHTを考慮している必要があります。
最終的な注意：材料選択は部品の形状、セクションの厚さ、期待されるサービス荷重、接合方法、および必要な製造後の熱処理を考慮する必要があります。疑問がある場合は、グレード名だけでなく、材料特性要件（引張、降伏、伸び、靭性）と製造制約を指定し、重要な用途にはミル証明書や適格な金属データを参照してください。