15CrMo 対 12Cr1MoV – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
エンジニアや調達専門家は、圧力機器、配管、および高温サービス用のコンポーネントを設計する際に、15CrMoと12Cr1MoVの選択に直面することがよくあります。選択のジレンマは、通常、高温強度とクリープ抵抗、溶接性と溶接後処理の要件、材料コストと入手可能性の間のトレードオフに集中します。
これらの2つのCr–Mo系鋼の主な冶金的な違いは、モリブデンとバナジウムの相対的な存在と役割です：1つのグレードは主にクロム–モリブデン強化に依存し、もう1つは粒子サイズを細かくし、析出強化を提供するために制御されたバナジウム添加を含みます。両者は高温用途向けの低合金フェライト鋼であるため、ボイラー、圧力容器、熱交換システムでの使用が比較されることが多く、強度、靭性、加工性のバランスが求められます。
1. 規格と指定
両方のグレードは、圧力および高温用途に使用される低合金フェライトCr–Mo鋼に属します。さまざまな国内および国際システムの下に現れます。正確な化学的および機械的制限については、特定の規格を参照してください。
- 同等または関連するCr–Mo鋼が現れる一般的な標準システム：
- ASME/ASTM（アメリカ） — 圧力容器および配管材料（熱処理および溶接手順の資格のためのP番号グループ）
- EN（ヨーロッパ） — ボイラーおよび圧力容器に使用される低合金鋼のEN指定
- GB（中国） — Cr–Mo鋼の国家グレードおよび同等物
- GOST（ロシア/旧ソ連） — 12Cr1MoVはGOST指定の下で一般的に見られます
- JIS（日本） — 圧力機器カテゴリにおける関連するCr–Mo鋼
分類：15CrMoと12Cr1MoVの両方は低合金合金鋼（ステンレスではない）であり、通常、高温サービス向けの耐熱性フェライト/パーライト鋼として分類され、構造用の工具鋼やHSLAとは異なります。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、一般的な元素の典型的な存在を定性的に要約しています。正確な組成制限については、適用される規格または材料証明書を参照してください。
| 元素 | 15CrMo（定性的） | 12Cr1MoV（定性的） |
|---|---|---|
| C | 低（靭性と溶接性のために制御） | 低（靭性と溶接性のために制御） |
| Mn | 中程度（脱酸と強度） | 中程度 |
| Si | 微量–中程度（脱酸） | 微量–中程度 |
| P | 残留（低く保たれる） | 残留（低く保たれる） |
| S | 残留（低く保たれる） | 残留（低く保たれる） |
| Cr | 主な合金元素（高温酸化と強度を改善） | 主な合金元素（同様の役割） |
| Ni | 通常は最小/不在 | 通常は最小/不在 |
| Mo | 存在（硬化性とクリープ強度を提供） | 存在—クリープ抵抗を支えるために同様または高いレベルで制御されることが多い |
| V | 不在または非常に低い | 制御された量で存在（粒子細化と析出強化のための微合金化） |
| Nb | 不在/微量 | 不在/微量 |
| Ti | 存在する場合は微量（脱酸/析出） | 存在する場合は微量 |
| B | 一部のバリアントで微量 | 一部のバリアントで微量 |
| N | 残留 | 残留 |
合金戦略の説明： - クロムは酸化抵抗を高め、高温強度に寄与します。 - モリブデンは硬化性を高め、高温でマトリックスを強化し、クリープと軟化に対する抵抗を改善します。 - バナジウムは微合金化添加物として使用されると、前オーステナイト粒子サイズを細かくし、強度とクリープ抵抗を高める安定した炭化物/窒化物を形成します。特に焼戻し後に効果があります。バナジウムは焼戻し挙動にも影響を与え、高温での粒界分離を減少させることができます。 - 炭素とマンガンは、必要な基礎強度を提供しつつ、溶接性を受け入れ可能な範囲に保つようにバランスが取られています。
3. 微細構造と熱処理応答
Cr–Mo鋼の典型的な微細構造は、納入状態および熱処理後に、熱処理経路に応じて予測可能なフェライト/パーライトまたは焼戻しマルテンサイト/ベイナイトパターンに従います。
- 正規化後：両方のグレードは、冷却速度と組成に応じて、焼戻しマルテンサイト/ベイナイトまたは細かいフェライト-パーライトの混合物を示すことが一般的です。正規化は粒子サイズを細かくし、微細構造を均一化します。
- 急冷と焼戻し：より高い強度とクリープ抵抗の要件に対して、マルテンサイトを形成するために急冷し、その後焼戻しを行うことで、焼戻しマルテンサイト/ベイナイトが生成されます。モリブデンとバナジウムは焼戻し抵抗に影響を与えます—Moは軟化を遅らせ、Vは転位運動とクリープを妨げる安定した析出物を形成します。
- 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却により、細粒のフェライトとベイナイトを生成し、硬度を過度に上げることなく靭性と強度を改善できます。バナジウム微合金化は、制御された冷却中に細かい炭化物/窒化物を析出させることで熱機械経路に良く反応します。
- 溶接後熱処理（PWHT）：両方のグレードは、圧力容器サービスのために、熱影響部（HAZ）を焼戻し、残留応力を減少させるためにPWHTを必要とすることが一般的です。MoとVの存在は焼戻しの動力学を変化させます—PWHTの温度と時間は、材料標準および設計コードに従うべきです。
4. 機械的特性
正確な機械的値は、標準、製品形状、および熱処理に依存します。以下の表は、比較的定性的な機械的特性を示しています。
| 特性 | 15CrMo | 12Cr1MoV |
|---|---|---|
| 引張強度 | 中程度から高い（焼戻し後） | 中程度から高い；同様の熱処理下でしばしば比較可能またはわずかに高い |
| 降伏強度 | 中程度 | 比較可能またはわずかに高い（微合金化と析出強化による） |
| 伸び（延性） | 良好（成形および溶接に適している） | 良好だが、より高い析出強化が使用される場合はわずかに低くなる可能性がある |
| 衝撃靭性（常温/低温） | 適切な熱処理で良好 | 良好；バナジウムと細粒が高温での靭性保持を改善する可能性がある |
| 硬度（焼戻し後） | 中程度 | 中程度；サービス中の軟化に対する抵抗が高い可能性がある |
解釈： - 12Cr1MoVのバナジウムによる微合金化は、特に適切な熱処理後に、Vを欠く単純なCr–Mo鋼と比較して、高温でのクリープ抵抗と強度–靭性バランスを改善します。 - 15CrMoは多くの標準的な高温用途で良好に機能し、より単純な化学組成のため、溶接や加工に対してより寛容である可能性があります。
5. 溶接性
Cr–Mo鋼の溶接性は、炭素当量と硬化性に依存します。定性的評価のために一般的に使用される2つの方程式は次のとおりです：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
および
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈（定性的）： - MoとVが高いと、$(Cr+Mo+V)$項が増加し、計算された硬化性指数が上昇し、溶接実践が調整されない場合、HAZの硬化と冷間割れのリスクが高まることを示します。 - 両方のグレードは、通常、圧力容器サービスのために制御された予熱と必須のPWHTを必要とします。12Cr1MoVは、バナジウムと制御されたMoのため、脆化を避け、HAZの望ましい焼戻しを達成するために、溶接およびPWHTスケジュール中により厳格な熱管理を要求する可能性があります。 - 管轄コードによって指定された適切な溶接消耗品、中間パス温度、およびPWHT手順が不可欠です。15CrMoは、より単純な微合金成分のためにやや寛容である可能性がありますが、多くのサービス条件でPWHTを必要とします。
6. 腐食と表面保護
- 15CrMoも12Cr1MoVもステンレス鋼ではなく、腐食抵抗は合金（Cr、Mo）と表面状態が提供するものに限られます。腐食環境に対する選択には、コーティングや陰極保護が必要です。
- 典型的な保護戦略：塗装、エポキシコーティング、炉適用ライニング、熱スプレーコーティング、またはサービス温度と設計に適合する場合の亜鉛メッキ（亜鉛メッキは多くの高温用途には不適切であることに注意）。
- PRENはこれらの非ステンレスCr–Mo鋼には適用されませんが、参考のためにPRENの公式は次のとおりです：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
この指数はオーステナイト系ステンレス鋼用に設計されており、フェライト系Cr–Mo鋼の腐食抵抗を意味のある形で予測するものではありません。代わりに、腐食許容値と保護システムは、環境（酸化、硫化、塩素含有など）および運転温度に基づいて選択されます。
7. 加工、機械加工性、および成形性
- 機械加工性：バナジウムおよび高Mo含有量は、硬い炭化物を促進することにより機械加工性を低下させる可能性があります；15CrMoは、特定の条件下で加工が容易である可能性があります。工具および切削パラメータは、合金および熱処理条件を考慮する必要があります。
- 成形性：低合金鋼として、両方のグレードは適切な焼戻し範囲内で標準的な成形操作（曲げ、圧延）を許可します。強度が増加するにつれて冷間成形の制限が増加します；厚いセクションの成形には予熱が推奨される場合があります。
- 表面仕上げ：両方とも従来の機械加工および表面処理を受け入れます；研削および研磨の挙動は、典型的な中程度の合金鋼の実践に従います。
- 加工中の熱入力：過度の硬化や粒成長を避けるために熱入力を制御します。コードで要求される場合はPWHTを使用します。
8. 典型的な用途
| 15CrMo — 典型的な用途 | 12Cr1MoV — 典型的な用途 |
|---|---|
| 中温蒸気サービス用のボイラー管およびヘッダー | 改善されたクリープ抵抗を必要とする高温ボイラーおよび配管コンポーネント |
| コスト効果のあるCr–Moが許容される圧力容器コンポーネント | 長期間の高温強度が必要な発電所および石油化学プラントのコンポーネント |
| 中温での石油およびガス用のパイプおよびフィッティング | 長期的なクリープ荷重にさらされる過熱器および再加熱器の管、ヘッダー |
| 高温にさらされるが、厳しいクリープにはさらされない構造部品 | 粒子の安定性とクリープ抵抗が重要なタービンケースおよびコンポーネント |
選択の理由： - コスト、加工の容易さ、標準的な圧力-温度使用が十分な場合は15CrMoを選択します。 - 長期的な高温強度、クリープ抵抗、サイクル荷重下での粒子の安定性が優先される場合は12Cr1MoVを選択します。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：12Cr1MoVは、化学的制御が厳格で、微合金化添加物があり、しばしばより厳しい加工および検査が必要なため、一般的により単純なCr–Moグレードに対してプレミアムを要求します。15CrMoは、多くの標準的な高温業務に対してコスト効果の高い選択肢です。
- 入手可能性：両方のグレードは、化石燃料および熱電力産業が確立されている地域で、一般的にプレート、鍛造リング、バー、およびチューブで入手可能です。地域の需要とローカル標準化がリードタイムに影響を与えます—必要な特定の製品形状と熱処理での入手可能性を確認してください。
- 調達のヒント：材料証明書と熱処理記録を要求し、置き換えの問題を避けるために、管轄圧力機器コードに従って必要なPWHTと試験を指定してください。
10. 概要と推奨
| 基準 | 15CrMo | 12Cr1MoV |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（標準PWHT実践；やや寛容） | 良好だが、より要求が厳しい（高い硬化性は慎重な予熱/PWHTを必要とする） |
| 高温での強度–靭性 | 多くのサービスに対して十分 | VおよびMoの効果により、より良いクリープ抵抗と長期強度 |
| コスト | 低い（一般的によりコスト効果が高い） | 高い（微合金化と性能のプレミアム） |
推奨事項： - 標準的な圧力容器または配管用途が中程度の高温で運転され、コスト、加工の容易さ、標準的なPWHT実践が主な要因である場合は15CrMoを選択してください。 - 優れた長期的なクリープ抵抗、粒子の安定性、および持続的な荷重または繰り返しの熱サイクル下での高温強度が要求される場合は12Cr1MoVを選択してください—たとえこれが材料および加工コストを増加させ、より厳格な溶接およびPWHT管理を必要とする場合でも。
最終的な調達ノート：常に正確なグレード指定と機械的/化学的制限を参照された標準およびプロジェクトコードに対して検証してください。重要な高温または長期間のサービスの場合、クリープ破壊データ、完全なミル証明書を要求し、コードで要求される溶接手順および溶接後処理を通じてカスケードして、選択したグレードがサービス要件を満たすことを確認してください。