12Cr1MoV 対 15CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、圧力機器、配管、および高温アプリケーションのコンポーネントを指定する際に、密接に関連する低合金鋼の間で選択を迫られることがよくあります。典型的な選択のジレンマは、強度と高温クリープ耐性を溶接性、加工の容易さ、コストとのバランスを取ることに関するものです。一般的な比較は、ボイラー、圧力容器、および熱にさらされる構造部品に使用される12Cr1MoVと15CrMoの間で行われます。

これら2つの鋼の主な違いは、合金戦略にあります：1つのグレードは、硬化性と高温強度を高める強力な炭化物形成微合金元素を含んでいるのに対し、もう1つは、よりシンプルな組成と加工の容易さのために配合されています。この違いは、機械的性能、溶接手順、および高温サービスへの適合性におけるトレードオフを引き起こします。

1. 規格と指定

• 12Cr1MoV
• 圧力容器およびボイラー鋼に関する国家規格に一般的に登場します（例えば、さまざまな中国および東欧の規格）。これは、高温サービス用に設計された低合金鋼（圧力/ボイラー鋼）として分類されます。
• 15CrMo
• ボイラーおよび圧力容器用の低合金鋼に関する伝統的な欧州および国際規格に登場します（歴史的にEN/BS関連の指定で）。これは、低合金の耐熱鋼グレードでもあります。

両者の分類：低合金（フェライト系）圧力/ボイラー鋼（ステンレスではなく、工具鋼でもなく、現代の微合金の意味でのHSLAでもありませんが、微合金元素が存在する可能性があります）。

2. 化学組成と合金戦略

2つのグレードは異なる合金戦略を使用しています：1つは、高温強度とクリープ耐性を改善するために微合金元素（炭化物/窒化物形成剤）の少量添加を強調し、もう1つは、良好な靭性と加工の容易さのために最適化されたシンプルなクロム–モリブデン合金です。

表 — 合金元素の定性的存在 | 元素 | 12Cr1MoV（定性的存在） | 15CrMo（定性的存在） | |---|---:|---:| | C（炭素） | 低から中程度（強度を制御） | 低から中程度 | | Mn（マンガン） | 存在（強度/靭性の助け） | 存在 | | Si（シリコン） | 少量存在（脱酸） | 少量存在 | | P（リン） | 残留/制御（低く保たれる） | 残留/制御（低く保たれる） | | S（硫黄） | 微量/制御 | 微量/制御 | | Cr（クロム） | 中程度（酸化と強度を改善） | 中程度（主な合金元素） | | Ni（ニッケル） | 一般的に不在または微量 | 一般的に不在または微量 | | Mo（モリブデン） | 存在（クリープ強度と硬化性を改善） | 存在（ただし、より重合金グレードより通常は低い含有量） | | V（バナジウム） | 小さな微合金添加（炭化物/窒化物を形成） | 通常は不在または微量 | | Nb（ニオブ） | 通常は不在または微量 | 通常は不在または微量 | | Ti（チタン） | 微量の可能性あり（脱酸/安定化） | 微量の可能性あり | | B（ホウ素） | 一般的ではない | 一般的ではない | | N（窒素） | 微量（微合金炭化物/窒化物形成に影響） | 微量 |

合金が特性に与える影響 - クロムとモリブデンは高温強度、クリープ耐性、硬化性を高めます。また、含有量が重要な場合、溶接性をわずかに低下させます。 - バナジウム（およびニオブなどの他の微合金元素）は、微細な炭化物/窒化物の析出物と結晶粒の細化を通じて強化に寄与します。これにより、降伏強度とクリープ耐性が向上しますが、溶接中の熱影響部（HAZ）でのマルテンサイト形成のリスクが増加します。 - 炭素は基準強度と硬化性を制御します。これらのグレードでは、溶接性と靭性を保持するために低から中程度に保たれています。 - マンガンとシリコンは主に脱酸剤であり、強度と靭性にわずかに寄与します。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造 - 両方のグレードは、正規化または正規化および焼きなましされた状態で供給されるとき、フェライト–パーライトまたは正規化されたフェライト微細構造です。典型的な圧力容器鋼の場合、目標微細構造は、熱処理と冷却速度に応じて、焼きなましされたベイナイトまたは細粒のフェライト/パーライト構造です。 - 12Cr1MoVは、微合金（バナジウム）とモリブデンのため、より細かい析出物を生成し、急冷された領域でより細粒の焼きなましマルテンサイト/フェライト構造を発展させる傾向があります。これにより、強度が向上し、クリープ耐性が改善されます。 - 15CrMoは、通常、適度な高温での靭性を最適化した従来の焼きなましフェライト/パーライト微細構造を持っています。

熱処理応答 - 正規化：両方の鋼は、結晶粒の細化と靭性の向上に応じて正規化に反応します。12Cr1MoVの微合金元素は、適切な正規化サイクルの下で細粒を安定させるのに役立ちます。 - 急冷と焼きなまし：両方とも急冷と焼きなましが可能ですが、より重合金グレードのバナジウムと高い硬化性の存在は、過度のHAZ硬度を避け、必要な靭性を達成するために急冷の厳しさと焼きなましの慎重な制御を必要とします。 - 熱機械処理：12Cr1MoVは、微合金析出物が結晶粒境界を固定するのに役立つため、制御された圧延/熱機械処理からより多くの利益を得ます。これにより、温度での強度と靭性が向上します。

4. 機械的特性

定性的に比較可能な機械的特性を提供することで、誤解を招く正確な数値を避けつつ、違いを明確にします。

表 — 比較機械的挙動（定性的） | 特性 | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | 引張強度 | より高い傾向（微合金とMoによる） | 中程度 | | 降伏強度 | より高い傾向 | 中程度 | | 伸び（延性） | 良好、重合金/過焼きなましの場合は15CrMoよりやや低い可能性あり | 良好、通常は標準状態でより延性がある | | 衝撃靭性 | 適切な熱処理で良好；HAZ条件に敏感 | 一般的に非常に良好、同じ溶接実践の下でしばしば優れたHAZ靭性 | | 硬度 | 急冷と焼きなまし後により高い硬度に達する可能性あり | 比較条件下で低い |

説明 - 12Cr1MoVは、微合金と高いモリブデンを通じて高温強度とクリープ耐性を提供するように設計されています。したがって、適切な熱処理後に通常はより高い引張強度と降伏強度を達成します。 - 15CrMoは、微合金添加が少ないため、加工と溶接が容易であり、多くの加工シナリオでわずかに良好な延性とHAZ靭性を保持する傾向があります。 - 実際の機械的値は、正確な仕様、熱処理経路、および製品形状に依存します。エンジニアは、保証された最小値のために供給者のミル証明書を参照する必要があります。

5. 溶接性

溶接性は、炭素当量、硬化性を高める合金元素、および安定した炭化物/窒化物を形成する微合金元素によって支配されます。

定性的解釈のための有用な経験的指標 - 炭素当量（IIW式）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 溶接亀裂感受性のための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 - $CE_{IIW}$または$P_{cm}$の値が高いほど、硬化性が高く、予熱、制御されたインターパス温度、および溶接後熱処理（PWHT）の必要性が増します。 - 12Cr1MoVは、モリブデンとバナジウムのために通常はより高い$CE$/$P_{cm}$の寄与をもたらすため、溶接手順はHAZ硬化性の増加を考慮する必要があります：圧力容器の製造には、予熱、制御された熱入力、およびPWHTが一般的に必要です。 - 15CrMoは、微合金元素が少ないため、通常は計算されたCEおよびPcm値が低く、溶接中に一般的により許容度が高いですが、厚い部品や圧力機器には予熱とPWHTが依然として指定されることが多いです。

実用的なガイダンス - 圧力機器に使用される両方のグレードは、通常、靭性を回復し、残留応力を緩和するために、適格な溶接手順とPWHTを必要とします。 - どちらかを選択する際には、必要なPWHTサイクルの複雑さと溶接生産性を考慮してください。重合金鋼は、より厳密な制御を要求します。

6. 腐食と表面保護

• 12Cr1MoVも15CrMoもステンレスではなく、腐食抵抗は低合金フェライト鋼のそれです。腐食が懸念される場合は、保護コーティングや陰極保護の必要性を想定して選択するべきです。
• 典型的な保護措置：塗装システム、エポキシ/フェノールコーティング、クラッディング（溶接オーバーレイ）、または環境条件に適した場合の熱浸漬亜鉛メッキ。
• 完全に非ステンレス鋼の場合、PRENは適用されません。ただし、モリブデンが特別な環境で局所的な腐食抵抗に寄与する合金鋼の場合、PREN指数は、鋼が重要なクロムとモリブデン、測定可能な窒素を含む場合にのみ関連します — 標準の12Cr1MoVまたは15CrMoグレードには当てはまりません。
• 高温での酸化抵抗が重要な場合、より高いCrおよびMo含有量（より重合金グレードのように）は、より良い性能を発揮しますが、これらの鋼は依然としてステンレス鋼や高温合金の代替品ではありません。

例のPREN式（通常はこれらのグレードには適用されません）： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 機械加工性：両方の鋼は、正規化または焼きなましされた状態で合理的に機械加工可能です。12Cr1MoVのわずかに高い硬度と析出強化は、15CrMoに対して工具寿命を短くする可能性があります。
• 成形性：15CrMoは、よりシンプルな微細構造と供給状態でのわずかに低い降伏強度のため、冷間成形や曲げがわずかに容易です。
• 接合と加工：12Cr1MoVは、MoとVからの高い硬化性のため、熱入力と水素制御（クリーンな電極、予熱）の厳密な制御が必要です。PWHTおよび機械的特性に適合した適格なフィラー金属の使用が不可欠です。
• 表面仕上げ：両方とも、コーティングのための標準的な研削、機械加工、および表面準備を受け入れます。微合金鋼の炭化物析出物は、仕上げ作業に影響を与える局所的な硬度を引き起こす可能性があります。

8. 典型的な用途

表 — グレード別の典型的な使用 | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---| | 高温ボイラー管およびヘッダーで、強化されたクリープ耐性が必要な場合 | 中温サービス用のボイラーおよび圧力容器配管 | | 高温での長期強度が必要な圧力容器コンポーネント | 製造の容易さが優先される一般的な圧力容器シェル、フランジ、およびフィッティング | | 微合金による粒子安定性とクリープ耐性の向上が有益なコンポーネント | 頻繁な溶接と良好なHAZ靭性および容易な資格が必要なアプリケーション | | より高い温度/圧力で運転される蒸気配管およびヘッダー（仕様に応じて） | 低から中温用の経済的な配管および構造部品 |

選択の理由 - 高温での設計寿命、クリープ強度、粒子安定性が最も重要で、プロジェクトの予算と溶接管理が厳格な手順に対応できる場合は、より重合金のグレードを選択してください。 - 製造速度、低い溶接感受性、コスト効率がより重要で、サービス温度が中程度の場合は、シンプルなクロム–モリブデン合金を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：一般的に、追加の微合金元素（バナジウム、やや高いMo）を含むグレードは、合金元素のコストと処理管理が厳しい可能性があるため、シンプルなクロム–モリブデングレードよりもトンあたりのコストが高くなります。
• 入手可能性：両方のグレードは、ボイラー/圧力容器市場向けに標準的な製品形状（板、パイプ、鍛造品）で一般的に生産されています。入手可能性は地域によって異なります — 地元の製鉄所やディストリビューターでリードタイムを確認してください。標準的な形状とサイズは、いくつかの市場でシンプルな15CrMoバリアントの方が入手しやすいです。

10. まとめと推奨

表 — 簡潔な比較 | 基準 | 12Cr1MoV | 15CrMo | |---|---:|---:| | 溶接性 | 良好 — より厳格な予熱/PWHT制御が必要 | 良好 — 溶接に対してより許容度が高い | | 強度–靭性バランス | より高い高温強度；適切な熱処理で良好な靭性 | 良好な靭性と延性；中程度の強度 | | コスト | 高い（微合金と加工による） | 低い（より経済的） |

推奨 - 12Cr1MoVを選択する場合：コンポーネントがより高い温度または長いクリープ寿命を維持する必要があり、より良い粒子安定性と高い長期強度が必要で、より厳格な溶接手順、予熱、およびPWHTを実施できる場合。 - 15CrMoを選択する場合：アプリケーションが中温の圧力機器または配管であり、製造速度、容易な溶接性、および低い材料コストが主な要因であり、設計が微合金鋼の強化されたクリープ強度を要求しない場合。

最終的な注意：プロジェクトの仕様およびミル証明書に対して正確な化学的および機械的要件を常に確認してください。溶接手順の資格、PWHTスケジュール、および機械的受け入れ基準は、選択されたグレード、厚さ、および意図されたサービス温度に基づいて確立する必要があります。