12Cr1MoV 対 T12 – 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、強度、靭性、加工性、耐摩耗性のバランスを取る必要がある部品を設計する際に、低合金の高温鋼と高炭素工具鋼の間で選択を迫られることがよくあります。この選択のジレンマは、通常、高温強度と溶接性と耐摩耗性および達成可能な硬度とのトレードオフに焦点を当てており、各材料に対する適切な熱処理と製造ルートが関与しています。

高レベルで見ると、12Cr1MoVは高温サービス（圧力容器、ボイラー部品）用に設計された低合金のCr–Mo–V構造鋼であり、一方T12（工具の命名法で使用される）は、硬化と耐摩耗性に最適化された高炭素の高合金工具鋼を示します。根本的な違いは目的に基づいています：12Cr1MoVは、圧力/温度環境におけるクリープ抵抗、靭性、加工性に特化しており、T12は工具用途における高硬度と耐摩耗性に特化しています。これらの異なる設計目標が、なぜ比較されるのかを説明しています：同じ部品の形状は、極端な耐摩耗性が必要な場合は工具鋼で、靭性、溶接性、熱安定性が最も重要な場合は低合金構造鋼で実現できることがあります。

1. 規格と指定

• 12Cr1MoV：ボイラーおよび圧力容器鋼の国家規格に一般的に見られます（例：GB/中国、ENの同等物は異なる名前の下に存在する場合があります）。低合金耐熱/圧力容器鋼（非ステンレス）として分類されます。
• T12：さまざまな規格（工具鋼ファミリー）で工具グレードとして登場します。管轄によってTシリーズの指定はDIN、JIS、または独自の工具鋼製品名にマッピングされます。工具鋼（高炭素、硬化と耐摩耗性のために合金化された）として分類されます。

分類の概要： - 12Cr1MoV — 低合金構造/耐熱鋼。 - T12 — 工具鋼（高炭素、耐摩耗/硬度重視）。

調達のためには、特定の規格またはサプライヤー証明書から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。

2. 化学組成と合金戦略

表：代表的な組成範囲（wt%）。これらはエンジニアリングの議論における典型的な比較範囲です。調達または設計計算のためには、正確な仕様または材料証明書を参照してください。

元素	12Cr1MoV（代表的）	T12（代表的な工具鋼）
C	0.08–0.18	0.7–1.4
Mn	0.3–0.7	0.2–1.0
Si	0.15–0.40	0.1–0.5
P	≤0.03	≤0.03
S	≤0.03	≤0.03
Cr	0.9–1.3	0.5–5.0（いくつかの工具鋼ではしばしば高い）
Ni	≤0.5	≤1.0（変動あり）
Mo	0.2–0.6	0.1–3.0（工具鋼ファミリーによる）
V	0.03–0.15	0.1–1.0（工具鋼はしばしばVを炭化物形成に使用）
Nb (Cb)	微量/≤0.05	微量/≤0.1
Ti	微量	微量
B	微量	微量
N	微量	微量

注意： - これらの範囲は説明的であり、材料証明書の代わりにはなりません。特定のT12バリアントの組成は、タングステン、モリブデン、またはクロム工具鋼の派生物であるかどうかによって大きく異なる場合があります。 - 12Cr1MoVは、工具鋼に典型的な高炭化物含量を生成することなく、高温強度と焼入れ安定性を高めるために、制御された量のCr、Mo、および少量のVを使用します。 - T12の組成は、高炭素および炭化物形成元素（V、W、Mo、Cr）を強調し、硬い炭化物の細かい分散を生成し、焼入れおよび焼戻し後に高硬度を提供します。

合金化が性能に与える影響： - 炭素は硬化性と達成可能な硬度を高めますが、炭素が増加するにつれて溶接性と延性が低下します。 - CrとMoは硬化性、高温強度、焼戻し抵抗に寄与します。Crはまた、高温での酸化抵抗を改善します。 - Vは粒子サイズを細かくし、耐摩耗性のために硬い炭化物を形成します。12Cr1MoVの小さなVは高温クリープ強度を助けますが、工具鋼の大きなVは耐摩耗性に寄与します。

3. 微細構造と熱処理応答

• 12Cr1MoV：
• 正規化+焼戻し状態の典型的な微細構造：焼戻しバイナイト/焼戻しマルテンサイトで、クリープ特性を安定させる微細な沈殿物（Mo、V炭化物、およびおそらくクロム炭化物）が含まれています。
• 熱処理応答：正規化の後に焼戻しまたは応力除去、さらに溶接後熱処理（PWHT）が標準です。微合金化とCr–Mo含量が焼戻し抵抗とクリープ強度を制御します。

• 熱機械処理（制御圧延）は、粒子サイズを細かくし、靭性をさらに改善できます。

• T12：

• 硬化状態の典型的な微細構造：高密度の硬い炭化物（VC、Mo/W炭化物、クロム炭化物は正確な合金化に依存）を持つマルテンサイトマトリックス。
• 熱処理応答：機械加工のためのアニーリング（軟化）状態の後、オイルまたは空気で焼入れし、必要な硬度/靭性のバランスを達成するために複数回焼戻しを行います。工具鋼は、過度の粒成長なしに十分な炭化物を溶解するために、正確なオーステナイト化温度制御を必要とすることがよくあります。
• 焼戻しは最終硬度を制御し、安定した高硬度を達成するために二次硬化が使用されることがあります。

4. 機械的特性

表：典型的な機械的特性（範囲は熱処理に強く依存します）。

特性	12Cr1MoV（正規化/焼戻し）	T12（アニーリング対硬化）
引張強度（MPa）	~500–750	アニーリング：~700–900; 硬化：>1000–2000+
降伏強度（MPa）	~300–500	アニーリング：~400–700; 硬化：変動あり、しばしば高い
伸び（%）	12–20	アニーリング：8–18; 硬化：通常低い（1–8）
衝撃靭性（シャルピー）	中程度から高い（熱処理に依存）	アニーリング：中程度; 硬化：特別に靭性を持たない限り低い
硬度（HRC）	~200–260 HB (~20–25 HRC)	アニーリング：~180–250 HB; 硬化：55–65 HRC（工具サービス）

解釈： - 硬化状態のT12は、12Cr1MoVよりもはるかに硬く、耐摩耗性がありますが、延性と衝撃靭性を犠牲にします。 - 12Cr1MoVは、高温でのクリープと靭性に最適化されたバランスの取れた特性を提供し、加工と溶接においてより寛容です。 - 特性の数値は、正確な化学成分と熱処理に強く依存します — 設計には常にサプライヤー証明書を使用してください。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素当量と合金含量に依存します。役立つ経験則には以下が含まれます：

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

および

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

定性的解釈： - 12Cr1MoV：中程度の炭素と制御された合金化により、中程度の炭素当量が得られます。適切な予熱、制御された熱入力、および水素割れを避け、靭性を回復するために圧力を受ける高温サービスのために必須のPWHTを行うことで、溶接性は許容されます。 - T12：高炭素および重要な炭化物形成剤により、高炭素当量と低い溶接性が生じます。溶接は一般的に専門家によるものを除いて推奨されず、必要な場合は厳格な予熱、インターパス温度制御、溶接後熱処理、およびしばしば特殊なフィラー金属が必要です。硬化した工具鋼の修理溶接は困難です。

6. 腐食と表面保護

• 12Cr1MoVも典型的なT12工具鋼もステンレスではなく、腐食抵抗は限られています。
• 12Cr1MoV：~1%のCrとMoは、控えめな高温酸化抵抗を提供し、高温でのスケーリングを防ぐのに役立ちます。大気中または湿潤な腐食には、一般的に表面保護（コーティング、塗料、クラッディング、または陰極保護）が必要です。
• T12：豊富な炭化物を持つ高炭素工具鋼は腐食抵抗を提供せず、湿気の多い環境で錆びやすく、通常は腐食保護（オイル、コーティング、メッキ）が必要です。
• 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。ステンレス材料の場合、指数は：

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

しかし、これは12Cr1MoVやT12には適用されません。

7. 製造、加工性、成形性

• 12Cr1MoV：
• 正規化/焼戻し状態での良好な成形性と溶接性。標準的な手法で圧延および成形が可能です。
• 加工性は低合金鋼の典型的なもので、工具鋼よりも容易です。

• 最終特性のための熱処理は、標準的な圧力容器製造手法（正規化、焼戻し、PWHT）と互換性があります。

• T12：

• アニーリング状態での加工性は合理的ですが、高炭素および合金化のために低合金鋼よりも遅くなります。
• 成形は制限されます：高い硬化性と高炭素により、硬化状態での冷間成形や曲げが困難です。成形はアニーリング状態で行うか、特別な方法によって行う必要があります。
• 工具形状を得るために研削および仕上げが一般的であり、炭化物含量は研磨技術を必要とします。

8. 典型的な用途

表：各グレードの典型的な用途。

12Cr1MoV	T12
ボイラーおよび圧力容器部品、蒸気配管、ヘッダー	ダイ、パンチ、シェアブレード、冷間加工工具
クリープ抵抗を必要とする高温構造部品	切削工具、耐摩耗部品（高硬度が必要な場合）
タービンケース、蒸気配管、過熱器チューブ（許可されている場合）	工具インサート、押出しまたは引き抜きダイ（小型サイズで）
溶接製造およびPWHTを必要とする部品	小型、精密工具、硬度とエッジ保持が主な場合

選択の理由： - 高温強度、靭性、溶接性、コスト効果のある製造が主な場合は12Cr1MoVを選択してください。 - 耐摩耗性と最大硬度が最も重要な要件であり、溶接/成形の制約を管理できる場合はT12を選択してください。

9. コストと入手可能性

• 12Cr1MoV：一般的に、電力および石油化学産業向けにプレート、パイプ、鍛造品で入手可能です。コストは中程度であり、大量の構造および圧力容器材料の規模の経済により、コスト効果があります。
• T12：工具鋼は通常、バー、ブロック、または事前硬化したブランクとして販売されます。大きなプレートサイズでの入手可能性は限られており、合金化および加工のためにkgあたりのコストが高くなります。特別な熱処理は、完成した工具部品の全体的なコストを増加させます。
• 調達の注意：カスタマイズされた熱処理を伴う工具鋼バッチのリードタイムは長くなる可能性があります。12Cr1MoVは、標準製品形態での調達が一般的に容易です。

10. まとめと推奨

表：迅速な比較概要。

基準	12Cr1MoV	T12
溶接性	良好（予熱/PWHTあり）	不良（特別な手順が必要）
強度–靭性バランス	クリープ/靭性に最適化	硬度/耐摩耗に最適化; 硬化時の靭性は低い
コスト（材料 + 加工）	中程度	高い（材料 + 熱処理/仕上げ）

結論 — 選択ガイダンス： - 良好な高温強度、信頼できる溶接性（PWHTあり）、靭性と製造性のバランスを持つ構造または圧力容器鋼が必要な場合は12Cr1MoVを選択してください。典型的な使用例には、結合と熱安定性を必要とするボイラー、蒸気配管、圧力部品が含まれます。 - 最大硬度と耐摩耗性が主な要件であり、限られた溶接性、高い単位材料コスト、特殊な熱処理と仕上げが必要な場合はT12を選択してください。

最終的な推奨：部品の機能的優先事項（温度と圧力対耐摩耗性とエッジ保持）、必要な結合および製造方法、総ライフサイクルコスト（メンテナンスと交換を含む）に基づいて最終選択を行ってください。重要な用途の場合は、正確な規格を指定し、製 mill/test証明書を要求し、試験および資格のある手順で溶接手順と熱処理を検証してください。