100Cr6 対 100CrMnSi6-4 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
100Cr6および100CrMnSi6-4は、高炭素クロム含有鋼であり、耐摩耗性、転がり接触疲労寿命、寸法安定性が重要な場所で広く使用されています。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、ベアリング、シャフト、ピン、または摩耗部品を指定する際に、接触疲労と摩耗に最適化されたクラシックな高硬度ベアリング鋼を選択するか、改善された靭性と加工の容易さのために最大硬度をいくらか犠牲にするより合金化された高炭素グレードを選択するかの選択に直面することが一般的です。主な技術的な違いは、100Cr6が耐摩耗性のために高い焼入れ性とマルテンサイト微細構造を発展させるように配合されたクラシックな高クロムベアリング鋼であるのに対し、100CrMnSi6-4は、焼入れ性、靭性、加工性のバランスを取るために追加のマンガンとシリコン（および変更されたCrレベル）を使用していることです。
1. 規格と指定
- 100Cr6
- EN指定: EN 100Cr6（年次名）
- 一般的な同等品: AISI/SAE 52100（ベアリング鋼）
- 分類: 高炭素クロムベアリング鋼（炭素鋼、合金鋼）
- 100CrMnSi6-4
- いくつかのヨーロッパおよびサプライヤーカタログで使用される典型的な商業指定（形式は約1.00% CとCr、Mn、Siレベルを示す）
- 分類: 高炭素、クロムマンガンシリコン合金鋼（ベアリング、ピン、摩耗部品用途を目的とした炭素/合金鋼）
注意: - これらはステンレス鋼ではなく、溶接および腐食の考慮において炭素/合金鋼として扱われます。 - 正確な指定の範囲と同等品は国やサプライヤーによって異なるため、常に標準文書またはメーカーのデータシートを確認してください。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、商業材料データシートおよび標準で遭遇する典型的な組成範囲を示しています。常に正確なサプライヤーまたは標準証明書と照合してください。
| 元素 | 100Cr6（典型的範囲） | 100CrMnSi6-4（典型的範囲） |
|---|---|---|
| C | 0.95–1.05 wt% | ~0.95–1.05 wt% |
| Mn | 0.25–0.45 wt% | ~1.0–1.7 wt% |
| Si | 0.10–0.40 wt% | ~0.20–0.6 wt% |
| Cr | 1.30–1.65 wt% | ~0.7–1.4 wt% |
| P | ≤0.03–0.04 wt% | ≤0.03–0.04 wt% |
| S | ≤0.03–0.04 wt% | ≤0.03–0.04 wt% |
| Ni | 通常≤0.30 wt% | 通常≤0.30 wt% |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | 微量または意図的に添加されていない | 微量または意図的に添加されていない |
合金が特性に与える影響: - 炭素: 主な強化要素で、マルテンサイトと高硬度を可能にしますが、溶接性と延性を低下させます。 - クロム: 焼入れ性、耐摩耗性、焼戻し抵抗を増加させます; 低合金鋼では適度な耐腐食性があります。 - マンガン: 焼入れ性と引張強度を増加させ、脱酸を改善します; 100CrMnSi6-4の高いMnは、100Cr6に対して焼入れ性と靭性を向上させます。 - シリコン: 脱酸剤であり、強度と焼戻し抵抗を改善することもできます; 100CrMnSi6-4では高いSiが強度をサポートします。 - 硫黄とリン: 脆化を避け、疲労寿命を保持するために制御された低レベルです。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造と一般的な熱処理経路への応答:
- 100Cr6
- 焼きなまし状態: 加工性を最大化するためにフェライトマトリックス内に球状化した炭化物（セメンタイト）。
- 焼入れと焼戻し後: 主にマルテンサイトで、細かく分散した炭化物粒子とセクションサイズおよび焼入れの厳しさに応じた一部の残留オーステナイト。高硬度と転がり接触疲労抵抗のために最適化されています。
-
正規化後の焼入れ: より細かい前オーステナイト粒径を得て、与えられた硬度に対して靭性を改善しますが、依然として高硬度に最適化されています。
-
100CrMnSi6-4
- 焼きなまし: 加工用の球状化した炭化物; 高いMnおよびSi含有量は炭化物の形態に影響を与える可能性があります。
- 焼入れと焼戻し後: マルテンサイトマトリックスで、比較可能な熱処理のために若干高い残留オーステナイトを持つ可能性がありますが、高いMnは大きなセクションでの焼入れ性を改善し、靭性を向上させます。
- 熱機械処理: 増加したMnとSiにより、大きな断面への焼入れ性が向上します; 選択された焼戻しサイクルは、衝撃抵抗を必要とする部品に対して100Cr6よりも強い靭性/硬度のバランスを生み出すことができます。
実用的な考慮事項: - 両グレードは、広範な加工の前に一般的に球状化されます。 - 低温処理は、両鋼の残留オーステナイトを減少させ、硬度と寸法安定性を改善することができます。 - 焼戻し温度の選択は重要です: 高い焼戻しは硬度を下げますが、靭性を増加させます。
4. 機械的特性
値はプロセスおよびセクションに依存します。以下の表は、ベアリング/摩耗用途で使用される完全に熱処理された（焼入れおよび焼戻しまたは通し焼入れ）条件の典型的な特性ウィンドウを示しています。
| 特性 | 100Cr6（典型的、熱処理済み） | 100CrMnSi6-4（典型的、熱処理済み） |
|---|---|---|
| 引張強度（UTS） | ~1200–2200 MPa | ~1100–2000 MPa |
| 降伏強度（0.2%証明） | ~900–1700 MPa | ~800–1500 MPa |
| 伸び（A） | ~1–6%（高硬度での低延性） | ~2–8%（比較可能な硬度でのやや高い延性） |
| シャルピー衝撃靭性 | 低から中程度; 硬度とセクションに大きく依存; 多くの場合5–30 J | 中程度; 同様の硬度で100Cr6よりも通常高い |
| 硬度（HRC） | 一般的なベアリング: HRC 58–66 | 硬度範囲は通常HRC 56–64 |
解釈: - 100Cr6は、より高い最大硬度と優れた転がり接触摩耗抵抗を達成するように最適化されています。これは靭性と延性を犠牲にする可能性があります。 - 100CrMnSi6-4は、より高いMnおよびSiを持ち、より厚いセクションでの焼入れ性を改善し、通常は同様の硬度レベルでより良い靭性を提供するため、衝撃抵抗や大きな断面が必要な場合に好まれます。
5. 溶接性
溶接性は主に炭素当量と微合金化によって制御されます。定性的な解釈に役立つ2つの一般的に使用される経験的指標があります:
-
炭素当量（IIW）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm（多くの合金元素を含む鋼に有用な溶接性指数）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈: - 両鋼は高炭素（≈1.0% C）であるため、溶接性は予熱と制御された手順なしでは悪いか、限界的です。 - 100CrMnSi6-4は、より高いMnおよびSiの寄与があり、低Mn鋼に対して$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を増加させます; これは通常、予熱と制御された冷却なしで溶接された場合、硬く脆いマルテンサイトや水素亀裂に対してより敏感にします。 - 100Cr6の適度なCrも焼入れ性を高めます; 両グレードは通常、予熱、低水素消耗品、および溶接後の熱処理を必要とします。ほとんどのベアリング用途では、可能な限り溶接は避けられ、機械的接合またはソリッドからの加工が好まれます。
6. 腐食と表面保護
- 100Cr6も100CrMnSi6-4もステンレスではありません。標準的な炭素鋼の腐食挙動を期待してください。
- 典型的な保護:
- 一般的な大気腐食保護のための亜鉛メッキ（熱浸漬または電気）。
- 塗料の付着性を改善するためのリン酸塩コーティングまたはパッシベーション層。
- 亜鉛メッキが実用的でない移動部品用の塗料、粉体コーティング、または油/グリース。
- 攻撃的な環境にある部品には、ステンレスグレードまたは特殊コーティング（ハードクロム、PVD/DLC、熱スプレー）を検討する必要があります。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの低合金炭素鋼には適用されません: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数はステンレス合金に関連しており、重要なMoやNを欠き、パッシブなステンレスフィルムを形成しない100Cr6/100CrMnSi6-4には使用すべきではありません。
7. 製造、加工性、成形性
- 加工性:
- 焼きなまし/球状化状態では、両グレードは受け入れ可能に加工されます; 100CrMnSi6-4（より高いMnおよびSiを含む）は、適切に球状化されていない場合、やや硬く加工される可能性がありますが、加工性を改善するように設計できます。
- 硬化状態では、両者は難しく、通常は従来の加工よりも研削を必要とします。
- 成形性:
- 高炭素含有量は冷間成形を制限します; これらの鋼は通常、焼きなまし状態で熱成形または鍛造され、その後熱処理されます。
- 表面仕上げ:
- 研削および超仕上げは、ベアリングレースおよび転がり要素の標準です。
- 生産加工には炭化物工具と冷却剤の制御が必要です。
8. 典型的な用途
| 100Cr6（一般的な用途） | 100CrMnSi6-4（一般的な用途） |
|---|---|
| 高硬度と転がり接触疲労寿命が要求される深溝ベアリング、ローラーベアリング、ボールおよびレースウェイ | 改善された靭性または大きな断面の焼入れ性が必要なシャフト、ピン、ブッシング、摩耗ストリップ、およびベアリング |
| モーター、ギアボックス、工作機械の精密ベアリング部品 | 冷間加工工具、高負荷ピン、衝撃/摩耗にさらされる部品で中程度の耐腐食性 |
| 小径ボール、ニードルローラー、精密リング | より厚いセクションでの焼入れ性を助ける高Mn/Siを含むバーまたは鍛造品から加工された部品 |
選択の理由: - 最大の転がり接触疲労抵抗、摩耗硬度、および繰り返し接触荷重下での寸法安定性が主な要件である場合は100Cr6を選択してください。 - 厚いセクション、高い衝撃靭性、または焼きなまし状態でのやや良好な加工性が優先される場合は100CrMnSi6-4を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト:
- 100Cr6は広く標準化され、大量生産されており、通常は商品形態（バー、リング、完成したベアリング）でよりコスト効果が高いです。
- 100CrMnSi6-4は、サプライヤーのボリュームや合金レベルに応じてkgあたりのコストがわずかに高くなる可能性がありますが、標準的なバー形態で生産される場合は価格が競争力があります。
- 入手可能性:
- 100Cr6（EN/AISI-52100同等品）は、バー、リング、ブランク、およびベアリング部品の形で多くの製鋼所から世界中で入手可能です。
- 100CrMnSi6-4の入手可能性は地域のサプライヤーに依存します; 特殊なバーサプライヤーやベアリング部品メーカーによって在庫されることがありますが、ベアリングカタログにおける100Cr6ほど普及していません。
- 製品形態:
- 両者は一般的に鍛造ブランク、旋盤バー、および熱処理されたリングとして供給されます; 100Cr6はベアリング消耗品のためのより大きな商品供給があります。
10. 概要と推奨
概要表（定性的）
| 特性領域 | 100Cr6 | 100CrMnSi6-4 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 悪い（高C、焼入れ性） | 悪い（高C、Mn/Siの増加によりCEが上昇） |
| 強度–靭性バランス | 最高の硬度と耐摩耗性; 比較的低い靭性 | 比較可能な硬度での靭性が向上; 大きなセクションでの焼入れ性が改善 |
| コスト | 一般的に低く、ベアリング部品に広く入手可能 | 比較的高いか、やや高い; 入手可能性はより変動的 |
最終的な推奨: - 次の条件に該当する場合は100Cr6を選択してください: - 設計が高硬度でのピーク転がり接触疲労寿命と最大耐摩耗性を要求する場合（例: 精密ベアリング、小型高速ローラー、ボールおよびレースシステム）。 - 部品が通し焼入れを達成するのに十分薄いか、制御された焼入れ手順によって製造される場合; そして溶接は避けるべきです。 - 次の条件に該当する場合は100CrMnSi6-4を選択してください: - より良い靭性/硬度の妥協、大きなセクションでの焼入れ性の改善、または衝撃荷重にさらされるピン、シャフト、または部品のためのやや加工しやすい処理が必要な場合。 - バーまたは鍛造ブランクから加工する予定で、100Cr6が完全に硬化しない可能性がある厚い断面での性能向上が必要な場合。
結論のメモ: 両鋼は、適切な用途にマッチし、熱処理、表面仕上げ、および保護措置が適切に指定されている場合に非常に優れた性能を発揮します。重要な部品については、購入注文に正確な組成と熱処理の実践を指定し、製鋼所の証明書を要求し、溶接または厳しいサービスが予想される場合は、予熱、溶接後の熱処理、および検査基準を定義するために金属技術者や熱処理専門家に相談してください。