12Cr1MoV 対 10CrMo910 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

圧力部品、配管、または高温コンポーネントに適切な合金を選択することは、エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーにとって頻繁なジレンマです。決定は通常、温度能力と長期クリープ耐性を溶接性、加工の容易さ、総ライフサイクルコストとバランスさせます。12Cr1MoVと10CrMo910の両方が高温サービス用に指定されていますが、それぞれ異なる強度、靭性、高温安定性の組み合わせに最適化されています。

両者の主な実用的な違いは、持続的な高温および応力下での相対的な性能（すなわち、ボイラー/蒸気温度での長期クリープ耐性）です。この違いは、発電所やプロセスプラントの蒸気ヘッダー、再加熱器、過熱器、その他のコンポーネントを設計する際の一般的な比較を促します。

1. 規格と指定

• 12Cr1MoV: 通常、高温サービス用の発電所および配管鋼の国家規格に登場します。クリープ耐性と強度のために微合金元素が追加された低中合金フェライト鋼に分類されます。
• 10CrMo910: より高温サービス用の圧力容器およびボイラー配管規格に登場します。高温強度とクリープ耐性を改善するために特別に設計された合金フェライト鋼です。

これらの材料または近似品が参照される関連規格には、ASME/ASTM、EN、GB、JISなどの国内および国際コードが含まれます。シームレスおよび溶接製品の正確な指定と機械的要件は、規格および製品形状（パイプ、プレート、鍛造）によって異なるため、常に特定の規格シートまたは材料証明書を確認してください。

分類: - 両者は合金鋼（フェライト）であり、ステンレス鋼や工具鋼ではありません。腐食に対して免疫のある環境よりも、高温圧力用途に一般的に使用されます。

2. 化学組成と合金戦略

元素	12Cr1MoV	10CrMo910
C	低（マルテンサイトを制限し、靭性を改善するために制御）	低（溶接性と靭性のために制御）
Mn	中程度（脱酸と強度）	中程度（脱酸と強度）
Si	低–中程度（脱酸; スケールに影響）	低–中程度
P	非常に低（靭性のための不純物制御）	非常に低
S	非常に低（不純物制御; 加工性）	非常に低
Cr	中程度（酸化およびクリープ耐性を提供）	高（高温強度および酸化耐性の主要な合金元素）
Ni	通常は低/微量	低/微量
Mo	中程度（クリープ強度と炭化物安定性を改善）	中程度–高（クリープ強度と炭化物形成の鍵）
V	低（沈殿強化のための微合金）	低–中程度（クリープ耐性のための微合金）
Nb (Cb)	少量存在する可能性がある（微合金）	少量存在する可能性がある
Ti	微量/微合金（安定化のために使用される場合）	微量/微合金
B	通常は重要ではない	通常は重要ではない
N	制御（沈殿と強度に影響）	制御

説明: - 12Cr1MoVは、主な強化戦略としてクロム、モリブデン、バナジウムの組み合わせを使用しています: CrとMoは高温強度とスケール耐性を増加させ、Vは沈殿強化とクリープ耐性に寄与します。 - 10CrMo910は、クリープ耐性、酸化耐性、および高温での炭化物の長期安定性を改善するために、より高いクロムおよびモリブデン含有量を強調しています。微合金（V、Nb）および不純物と間隙元素（C、N）の厳密な制御は、微細構造を安定させ、クリープを遅らせるのに役立ちます。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造: - 両グレードはフェライト鋼であり、適切な熱処理後、組成と熱処理に応じてテンパー処理されたマルテンサイトまたはテンパー処理されたベイナイト/フェライト-パーライト微細構造を示します。 - 12Cr1MoV: 正規化およびテンパー処理または適切な溶接後熱処理（PWHT）の後、構造は一般的にテンパー処理されたマルテンサイト/フェライトであり、細かい合金炭化物とバナジウムに富む沈殿物がクリープ耐性を増加させます。 - 10CrMo910: より高い運転温度で安定したテンパー処理されたマルテンサイト/フェライト微細構造を保持するように設計されています; 炭化物（M23C6、Moに富む炭化物）および微合金沈殿物は、クリープ破壊特性を最大化するために制御されています。

熱処理ルート: - 正規化およびテンパー処理: 両グレードは、粒子サイズを精製するために正規化に応じ、次に強度と靭性の望ましい組み合わせを生成するためにテンパー処理を行います。 - 急冷およびテンパー処理: 製品形状および必要な機械的特性に応じて選択的に使用されます; ただし、多くの圧力鋼は、歪みを減らすために厳しい急冷ではなく制御された正規化に依存しています。 - 熱機械加工: 微細制御（制御された圧延 + 加速冷却）は、粒子サイズと沈殿物分布をさらに精製し、靭性とクリープ能力を改善できます—より高級な10CrMo910バリアントでより頻繁に活用されます。

PWHT: - 溶接後熱処理は、両グレードにとって重要であり、硬度ピークを鈍化させ、靭性を回復し、沈殿物を安定させます。PWHTサイクルは、テンパー脆化や過度のテンパー処理を避けるために、コードおよび厚さに応じて選択されます。

4. 機械的特性

特性	12Cr1MoV（定性的）	10CrMo910（定性的）
引張強度	常温および適度に高い温度で中程度から高い	常温で高く、高温での保持が優れている
降伏強度	中程度	中程度から高く、温度での保持が良好
伸び（延性）	適切に熱処理された場合、良好な延性	良好な延性; 高クリープ強度に最適化されるとやや低くなる可能性がある
衝撃靭性	良好、特に制御された熱処理で	良好だが、クリープを目的とした組成と熱処理は、低温靭性を高温安定性と引き換えにする可能性がある
硬度	中程度（テンパー状態）	中程度から高め（クリープ耐性を目指したテンパー状態）

解釈: - 10CrMo910は、高温でより長い時間にわたってより高い応力を維持するように設計されているため、その強度保持とクリープ破壊挙動は通常、12Cr1MoVの高温領域でのそれを超えます。常温条件では、両グレードは標準要件に従って処理された場合、比較可能な静的強度と靭性要件を満たすことができます。 - 12Cr1MoVは、常温靭性と加工の容易さの良好なバランスを提供することが多く、極端な長期クリープ耐性が主要なドライバーでない場合に魅力的です。

5. 溶接性

溶接性の考慮は、炭素当量と微合金に依存します。一般的に使用される2つの経験的指標:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈: - 両鋼は、溶接性と靭性を保持するために炭素を低く保っています。10CrMo910の高いCrとMoは、硬化性を高め、低合金鋼と比較して溶接性指数を上げ、冷間割れや水素助長割れを避けるために、より慎重な予熱、インターパス温度制御、およびPWHTを必要とします。 - 12Cr1MoVは、比較的低い高強度合金含有量と微合金の意図的な制御により、通常は溶接が容易ですが、圧力保持溶接にはPWHTが必須です。 - 両グレードに対して: コード/標準の溶接手順に従い、水素を制御し、適切な予熱とPWHTを適用し、クリープ強度保持のために指定されたフィラー金属を使用してください。

6. 腐食および表面保護

• これらはフェライト合金鋼であり、ステンレスグレードではありません; 湿潤または腐食性環境における腐食耐性は、ステンレス鋼と比較して限られています。
• 一般的な保護戦略: 塗装、高温コーティング、熱噴霧; 常温露出には、従来の表面処理（プライマー + 塗料）または亜鉛メッキ（可能な場合）を使用します。高温蒸気側サービスでは、内部酸化耐性は表面コーティングではなく、クロムおよびモリブデン合金によって提供されます。
• PREN式は、これらの非ステンレス、低窒素フェライト合金には適用できません:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• 注: PRENはステンレス鋼のランク付けに役立ちます; 12Cr1MoVや10CrMo910のような炭素/合金鋼には適用しないでください。

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 機械加工性: 両グレードは、正規化/テンパー処理された状態で他の合金鋼と同様に加工されます。加工パラメータは、クリープ耐性のために最適化された合金における硬い沈殿物分布を考慮する必要があります。
• 成形性: 両者は、適切なプロセスが使用される限り、常温で成形および曲げることができます; 成形性は、より高いテンパー処理温度およびより高強度の加工ルートで低下します。
• 表面仕上げと研削: 高Cr/Mo鋼（10CrMo910バリアント）の炭化物に富む微細構造は、工具に対してより摩耗性が高くなる可能性があります; それに応じてドレッシングおよび切削パラメータを制御してください。
• 加工ノート: 厚いセクションおよび高合金バリアントは、硬いゾーンを避け、PWHTの効果を確保するために厳格な熱制御を必要とします。

8. 典型的な用途

12Cr1MoV	10CrMo910
優れた常温靭性と良好な長期強度が必要な中高温セクションの給水加熱器、配管およびフィッティング	長期クリープ強度が重要な高温領域の過熱器および再加熱器のチューブ、蒸気配管およびヘッダー
中程度の蒸気温度のシステムにおけるボイラーコンポーネントおよびコスト効果の高い加工が優先される場合	クリープ寿命と酸化耐性が優先される高圧、高温発電所の配管およびコンポーネント
昇圧設計温度ではないが高温で運転するプラントの圧力容器およびバルブ	より高い合金含有量がサービス寿命を改善する超超臨界または先進的蒸気サイクルのコンポーネント

選択の理由: - 設計温度と応力、さらに必要なクリープ破壊寿命が材料要件を高いCrおよびMo含有量および沈殿物の厳密な制御に向けて押し上げる場合は10CrMo910を使用してください。 - 運転温度が高いが、最適化された微合金が低い材料コストで十分な寿命を提供する範囲内である場合は12Cr1MoVを使用してください。

9. コストと入手可能性

• コスト: より高いCrおよびMo含有量を持つ材料（10CrMo910）は、一般的に低合金グレード（12Cr1MoV）よりもキログラムあたりのコストが高く、合金元素の価格と加工要件によって駆動されます。
• 入手可能性: 両グレードは、発電および石油化学産業が大きい地域で、標準製品形状（パイプ、プレート、鍛造）で一般的に入手可能です。特定の製品形状および認証（圧力配管対ボイラー管）の入手可能性は、地域の製鉄所および在庫業者によって異なります。
• 調達のヒント: 総設置コストには、溶接手順、PWHTサイクル、検査、および予想されるサービス寿命を含める必要があります; 10CrMo910の高い取得コストは、より長いメンテナンス間隔と少ない交換によって相殺される可能性があります。

10. まとめと推奨

属性	12Cr1MoV	10CrMo910
溶接性	良好（容易だが、PWHTが必要）	良好だが、より要求が厳しい（高い硬化性; 厳格な予熱/PWHT）
強度–靭性	バランスが取れている; 良好な常温靭性	高い高温強度とより良い長期クリープ保持
コスト	低い	高い

結論とガイダンス: - 設計が高温で運転されるが、クリープ寿命が制限要因となる蒸気/ボイラー温度の高い端ではない場合は12Cr1MoVを選択してください; 加工の容易さ、低い材料コスト、および良好な常温靭性が優先される場合、12Cr1MoVはしばしば適切です。 - コンポーネントがより高い蒸気温度、より高い持続応力にさらされる場合、または延長されたクリープ破壊寿命と改善された酸化耐性が必要な場合は10CrMo910を選択してください; 材料の利点を実現するために、より厳格な溶接およびPWHT手順に投資してください。

最終ノート: 常に適用される材料規格、プロジェクトの設計コード、およびベンダー製鋼所証明書を参照して、正確な化学的および機械的要件を確認してください。寿命や長期クリープ寿命が重要な場合は、材料供給者からクリープ破壊曲線、長期特性データ、および推奨される溶接/PWHT手順を要求し、グレード名だけに頼るのではなく、エンジニアリングレベルの寿命評価を実施してください。