100Cr6 対 100CrMo7 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
100Cr6および100CrMo7は、ローリングエレメントベアリング、シャフト、およびその他の摩耗に重要なコンポーネントに一般的に使用される高炭素クロム含有鋼の2つです。エンジニア、調達マネージャー、および製造プランナーは、これらの選択肢を選ぶ際に、コスト、硬化性、靭性、および加工の複雑さのトレードオフを定期的に検討します。典型的な意思決定の文脈には、より高い通過硬化および高温強度がわずかに高い合金コストおよび熱処理管理を正当化するか、またはベースライングレードのよりシンプルな化学が確立されたベアリングプラクティスにとって好ましいかどうかが含まれます。
これら2つのグレードの主な冶金的な違いは、100CrMo7にモリブデンを意図的に添加して硬化性と焼戻し抵抗を改善することです。この単一の合金変更は、熱処理応答、昇温時の保持機械的特性、そして、より少ない程度で溶接性とコストを変化させます。これらの理由から、これらのグレードはコンポーネント設計で頻繁に比較されます。
1. 規格と指定
- 100Cr6
- 一般的な国際的同等物: EN指定 100Cr6（材料番号 1.3505）、ISOベアリング鋼; 米国の命名法ではAISI 52100にしばしば一致します。
- カテゴリ: 高炭素クロムベアリング鋼（工具/ベアリング鋼ファミリー）。
- 100CrMo7
- EN指定: 100CrMo7（合金ベアリング鋼の欧州規格で使用）。
- カテゴリ: 高炭素クロムモリブデンベアリング/合金鋼（合金ベアリング/工具鋼）。
これらが現れる関連規格: EN（欧州）、ISO（ベアリング鋼規格）、およびさまざまなメーカーの仕様。これらはステンレス鋼ではなく、硬化および焼戻しを目的とした高炭素合金鋼です。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、これらのグレードに一般的に使用される仕様で引用される典型的な組成範囲（wt%）を示しています。正確な限界は規格および供給者によって異なります。認証された限界については、特定の規格シートを参照してください。
| 元素 | 100Cr6（典型的wt%） | 100CrMo7（典型的wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 | 0.95 – 1.05 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.25 – 0.45 |
| Si | 0.10 – 0.40 | 0.10 – 0.40 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | 1.30 – 1.65 | ~0.8 – 1.4 |
| Ni | ≤ 0.30（微量） | ≤ 0.30（微量） |
| Mo | ≤ 0.08（微量） | 0.10 – 0.30 |
| V | 通常 ≤ 0.05 | 通常 ≤ 0.05 |
| Nb, Ti, B | 通常 ≤ 微量レベル | 通常 ≤ 微量レベル |
合金戦略が性能に与える影響: - 炭素（約1.0%）は、高い硬化性と急冷および焼戻し後に達成可能な硬度の基盤を提供します。これは摩耗抵抗の主な要因です。 - クロム（約1–1.6%）は硬化性を高め、炭化物の形成に寄与し（疲労および摩耗抵抗を改善）、制御された場合には結晶粒を細かくします。 - モリブデン（100CrMo7に適度なレベルで存在）は、重量あたりの硬化性をより効果的に高め、焼戻し抵抗を改善し（焼戻し後の強度保持を高め）、与えられたコア硬度目標に対してより遅い急冷速度を許可することにより急冷亀裂のリスクを減少させます。 - マンガンとシリコンは脱酸剤として存在し、強度/硬化性をサポートします。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造: - 圧延/正規化後: 両グレードは、冷却速度および前処理に応じて、パーライトまたはフェライト-パーライトの微細構造を示します。 - 急冷および焼戻し後: クロムリッチ炭化物の集団を持つマルテンサイトマトリックス。100Cr6は通常、細かく均等に分布したクロム炭化物を形成します。100CrMo7は、マトリックスおよび炭化物へのモリブデンの分配を伴う類似の炭化物化学を示し、炭化物を安定化させ、焼戻し応答を細かくします。
熱処理挙動: - 正規化は、両グレードの結晶粒サイズを改善し、微細構造を均一化します。 - 硬化（オーステナイト化の後に急冷）は、微細構造をマルテンサイトに変換します。モリブデンが有効な硬化性を高めるため、100CrMo7は、与えられた断面および急冷の厳しさに対して、100Cr6よりも深いコア硬度を達成します。 - 焼戻しはマルテンサイト強度を低下させる一方で靭性を改善します。100CrMo7のモリブデンは焼戻し抵抗を高め、同じ焼戻し温度で100CrMo7は100Cr6よりもやや高い強度/硬度を保持し、高温焼戻し温度での軟化が少なくなります。 - 熱機械処理（制御圧延および加速冷却）は、両グレードの炭化物およびマルテンサイトをさらに細かくすることができます。モリブデン含有合金は、改善されたコア硬化性のために厚いセクションでより多くの利益を得ます。
4. 機械的特性
機械的特性は、熱処理（硬度目標）および断面サイズに強く依存します。以下の表は、ベアリング用途に典型的な硬化および焼戻し条件の代表的な特性範囲を示しています。
| 特性 | 100Cr6（典型的、焼戻し/硬化） | 100CrMo7（典型的、焼戻し/硬化） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ~1000 – 2200（硬度に依存） | ~1100 – 2300 |
| 降伏強度（MPa） | ベアリング鋼では常に指定されない; 引張強度よりも低いと推定される | 同等の硬度でわずかに高い（Moによる） |
| 伸び（%） | 5 – 15（硬度が増すにつれて減少） | 5 – 15（類似の範囲） |
| 衝撃靭性（シャルピー、J） | 非常に高い硬度では低下; 焼戻し条件では中程度 | 通常、より良い通過硬化のおかげで、同じコア硬度の大きなセクションで靭性がわずかに高い |
| 硬度（HRC） | 通常、ベアリングレース/ボール用に58 – 66 HRC | 通常、58 – 66 HRC; 大きなセクションでコア硬度を達成しやすい |
解釈: - 強度と硬度は、両方が完全に硬化されている場合に比較可能ですが、100CrMo7はしばしば大きな部品で同等またはわずかに高いコア硬度を達成します。これは硬化性の向上によるものです。 - 与えられた表面硬度での靭性は、100Cr6よりも100CrMo7の方が厚いセクションで良好である可能性があります。これは、急冷がそれほど厳しくない場合、コアが軟らかく延性がある可能性が低いためです。 - 脆性は高炭素のため、両グレードで制限されています。設計者は、延性破壊モードを期待して薄いセクションを過剰に設計することを避けるべきです。
5. 溶接性
溶接性は、ほぼ1%の炭素含有量と重要な硬化性のため、両グレードで制限されています。予熱および溶接後の熱処理（PWHT）が一般的に必要です。
有用な炭素等価式: - 国際溶接協会の炭素等価: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ - デアデンおよびオニールのPcm式: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈: - 両グレードは高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値を生成します。これは高い炭素および合金化によるものであり、注意深い管理なしでは高い亀裂リスクを示します。 - 100CrMo7は通常、モリブデンのために硬化性の観点でわずかに高いスコアを持ちます。これは、同じ溶接手順が使用される場合、溶接熱影響部での冷却亀裂の感受性が高くなる可能性があります。したがって、100CrMo7は一般的に100Cr6と比較して、より保守的な予熱および遅い冷却または必須のPWHTを必要とします。 - 修理や溶接製作の場合は、代替設計（機械的固定、ろう付け）や、資格のある溶接工によって行われる専門的な溶接手順を検討してください。
6. 腐食および表面保護
100Cr6および100CrMo7はどちらもステンレス鋼ではありません。彼らのクロム含有量（≈1–1.6%）は、ステンレスの特性を付与するには不十分です。業界で使用される腐食保護戦略には以下が含まれます: - 表面コーティング: 電気メッキ（亜鉛、ニッケル）、工具用の物理蒸着、変換コーティング。 - 亜鉛メッキ（形状が許可され、Znコーティングが受け入れられる部品用）。 - ベアリングおよびシャフト用の塗装および油/グリース潤滑。 - 攻撃的な環境との接触の場合、窒化またはケース硬化および犠牲的コーティングがサービス寿命を延ばすことができます。
PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレス鋼には適用されません。腐食抵抗が主要な設計ドライバーである場合は、ステンレスベアリンググレードに切り替え（その後、例えば $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ を使用して評価）を行うべきであり、100Cr6または100CrMo7に依存しようとするべきではありません。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性: アニーリング状態（軟らかい）では、両グレードは同様に加工されます。高炭素含有量および炭化物の存在は、低炭素鋼に対して加工性を低下させます。工具（炭化物インサート、剛性セットアップ、適切な切削速度）および頻繁な工具交換は、硬化部品に一般的です。
- 成形性: 鋼が完全にアニーリングされたが、まだ炭素が豊富な状態では冷間成形が制限されます。最終熱処理の前に熱間成形または鍛造が一般的です。硬化状態での曲げおよびスタンピングは推奨されません。
- 仕上げ: ベアリング表面のために研削および超仕上げが標準です。100CrMo7の炭化物の安定性は、研削中に100Cr6に対して工具摩耗をわずかに増加させる可能性がありますが、サービス寿命において利益が得られます。
8. 典型的な用途
| 100Cr6（典型的な用途） | 100CrMo7（典型的な用途） |
|---|---|
| 一般産業用途のローリングエレメントベアリング（ボール、ローラー、レース） | より大きなセクションまたはより深いコア硬度が必要なベアリングおよびベアリングコンポーネント |
| 表面硬度および摩耗抵抗が主な精密部品のシャフト、スピンドル | より重いシャフト、大型ローラー、および改善された通過硬化および焼戻し抵抗が必要なコンポーネント |
| 小〜中サイズのギアおよび工具インサート（適切な熱処理を伴う） | より高い動作温度またはサイクル荷重にさらされる部品で、焼戻し軟化抵抗が有益な場合 |
| 制御された環境での高摩耗ピンおよびブッシング | 厚いセクションが極端な急冷の厳しさなしに均一な硬度を達成しなければならないコンポーネント |
選択の理由: - 小〜中の部品で、適切に制御された急冷条件が必要な表面およびコア特性を経済的に達成できる場合は100Cr6を選択してください。 - 部品の形状やサービスの要求が、より大きな通過硬化、改善された焼戻し抵抗、または大きなセクションでのわずかに良い靭性を必要とする場合は100CrMo7を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト: 100CrMo7は、モリブデン含有量のため、通常100Cr6よりも1キログラムあたり高価です。小ロット購入では差はわずかですが、大量生産では重要になる可能性があります。
- 入手可能性: 100Cr6（AISI 52100）は、世界中で最も広く入手可能なベアリング鋼の1つで、バー、リング、および完成したボールで供給されます。100CrMo7は広く入手可能ですが、一部の市場や製品形態ではそれほど普及していない場合があります。特定のバーサイズや特殊鍛造品にはリードタイムがあるかもしれません。
- 製品形態: 両方ともバー、リング、および鍛造品として入手可能です。専門の供給者は、疲労に重要なベアリング用の真空脱ガス、高清浄度のバリアントを提供します。
10. まとめと推奨
まとめ表（定性的）:
| 属性 | 100Cr6 | 100CrMo7 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 中程度から悪い; 高い予熱/PWHTが必要 | やや悪い; 高い硬化性が亀裂リスクを増加させる |
| セクションでの強度–靭性 | 高い表面硬度; コア硬度は急冷に依存 | 比較可能な表面硬度; より良い通過硬化および焼戻し抵抗 |
| コスト | 低い | 高い（Moによる） |
結論としての推奨: - 標準的な急冷プラクティスが必要な表面およびコア硬度を確実に生産する小〜中の部品に対して、確立されたコスト効果の高いベアリング鋼が必要な場合は100Cr6を選択してください。これは多くのローリングエレメント用途の業界の作業馬です。 - コンポーネントが厚いまたは大きい場合、より均一なコア硬度が必要な場合、または改善された焼戻し抵抗およびわずかに高い保持強度が有利な温度および焼戻し条件で動作する場合は100CrMo7を選択してください。そして、材料コストのわずかな増加および厳格な熱処理/溶接管理が許容される場合です。
最終的な注意: 正確な選択は、部品の形状、予想されるサービス荷重、必要な疲労寿命、および利用可能な熱処理および仕上げ能力に対して検証されるべきです。重要な部品については、供給者から認証された化学および機械試験報告書を要求し、代表的なサンプルで疲労試験を検討してください。