15CrMo 対 20CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

15CrMoおよび20CrMoは、圧力容器、発電、機械部品の用途で一般的に見られる2つのクロム–モリブデン合金鋼です。エンジニアや調達チームは、重負荷部品のための高温強度とクリープ抵抗、対して硬度と厚さ方向の強度などの要件をバランスさせる際に、しばしばこれらの間で決定を下します。典型的な決定の文脈には、部品が高温で長時間動作するかどうか（低炭素/高いテンパ安定性を好む）や、より高い焼入れ強度と硬化性が必要かどうか（高炭素グレードを好む）が含まれます。

これらのグレードの主な技術的な違いは、炭素含有量とそれに伴う硬化性およびテンパリング挙動への影響にあります：低炭素グレードは高温での靭性とサービス性が向上し、高炭素グレードは適切な熱処理後により高い強度と耐摩耗性を達成できます。両者はCr–Mo鋼であるため、中温圧力サービス部品や溶接性、熱処理応答、コストが重要な構造/機械部品の比較によく使用されます。

1. 規格と呼称

• 一般的な規格とクロスリファレンス：
• GB/T（中国）：15CrMoおよび20CrMoの呼称は、圧力容器鋼のGB規格に現れます。
• EN / DIN：類似のCr–Mo鋼はEN/DINファミリーの下に見られます（例：13CrMo4-5; 正確な同等性は化学成分と熱処理に依存します）。
• JIS（日本）およびASTM/ASME（米国）：同等または類似の目的の鋼が存在しますが、正確なグレードの一致には化学的および機械的確認が必要です。
• 分類：
• 15CrMoおよび20CrMoは合金鋼（Cr–Mo低合金鋼）であり、ステンレス鋼でも工具鋼でもなく、厳密にはHSLAではありません。これらは、圧力容器、配管、高温にさらされる機械部品にしばしば使用されます。

2. 化学組成と合金戦略

表：典型的な名目組成範囲（代表的なものであり、最終設計のために特定の規格または製鋼所証明書で確認してください）。

元素	15CrMo（典型的範囲）	20CrMo（典型的範囲）
C	0.10–0.18 wt%	0.17–0.24 wt%
Mn	0.35–0.65 wt%	0.35–0.65 wt%
Si	0.10–0.37 wt%	0.10–0.37 wt%
P	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%
S	≤ 0.035 wt%	≤ 0.035 wt%
Cr	~0.8–1.1 wt%	~0.8–1.3 wt%
Mo	~0.12–0.25 wt%	~0.12–0.30 wt%
Ni	≤ 0.30 wt%（微量）	≤ 0.30 wt%（微量）
V, Nb, Ti, B, N	通常は重要な量で添加されず、微量/微合金レベルで存在する可能性があります	同様

注： - これらの範囲は、2つのグレード名に一般的に見られる製鋼所の化学組成を示しています。特定の規格（GB/T、EN、JIS、ASTM）および熱番号が正確な限界を決定します。 - 合金戦略：CrおよびMoは硬化性、温度での強度、およびテンパリング抵抗を増加させます。炭素は焼入れ強度と硬化性を高めますが、増加すると延性/靭性と溶接性が低下します。マンガンとシリコンは脱酸剤であり、強度と硬化性に寄与します。

3. 微細構造と熱処理応答

• 圧延/正規化された微細構造：
• 正規化状態の15CrMoは、通常、比較的低い保持硬度と良好な靭性を持つテンパー処理されたフェライト–パーライトまたは細かいベイナイト微細構造であり、高温で動作する圧力部品に選ばれます。
• 20CrMoは、より高い炭素と同等のCr–Moを持ち、急冷時により細かいパーライトを形成したり、ベイナイト/マルテンサイトに変化しやすく、焼入れとテンパー後に硬度と強度が増加します。
• 熱処理の効果：
• 正規化/精製：両方の鋼は、オーステナイト化温度からの空冷による正規化に応じて、冷却速度に応じて細かいフェライト–パーライトまたはベイナイトを生成します。20CrMoは炭素含有量のためにより高い硬度を発展させる傾向があります。
• 焼入れとテンパー：20CrMoは、より高い焼入れ強度とより高いテンパー硬化強度を達成しますが、焼入れ亀裂に対してより敏感であり、溶接のための予熱およびパス間温度の厳格な管理が必要です。15CrMoは、圧力容器サービスに対して十分な強度を達成し、焼入れ感度が低下します。
• 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却は、両方のグレードの強度と靭性を向上させることができますが、低炭素グレードは一般的に高温サービスに対してより損傷耐性のある微細構造を提供します。

4. 機械的特性

表：比較特性（定性的/典型的な挙動; 正確な値は製品認証を確認してください）

特性	15CrMo	20CrMo	注
引張強度	中程度	高い	20CrMoは、より高いC/硬化性のため、焼入れおよびテンパー後により高い引張強度を達成します
降伏強度	中程度	高い	20CrMoは熱処理後により高い応力で降伏します
伸び（%）	高い（より延性）	低い（より延性が少ない）	高炭素は延性を低下させます
衝撃靭性	高温でより良い	焼入れ/テンパー時に常温で良好だが、高温では低い	15CrMoは持続的な高温靭性を意図しています
硬度（HRC/HRB）	低い（加工/成形が容易）	高い（熱処理時）	20CrMoは適切な熱処理後により高い硬度に達することができます

解釈： - 圧力容器サービスを目的とした比較可能な熱処理条件（テンパー条件）では、15CrMoは通常、サービス温度でより延性と靭性のある応答を提供し、20CrMoはより高い焼入れ強度と耐摩耗性が必要な場合に使用できます。 - 設計者は、サービス環境に合わせて熱処理を調整する必要があります：クリープ抵抗のためには、テンパリング安定性と低炭素が望ましい場合があり、より高い降伏/引張強度を必要とする荷重支持部品には、より高い炭素/硬化性が優先される場合があります。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素当量と合金に依存します。広く使用される2つの経験的指標は：

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

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： - 20CrMoは炭素含有量が高いため、同じMn、Cr、Moのレベルであれば、一般的に15CrMoよりも高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を持ち、適切な予熱と溶接後熱処理（PWHT）が適用されない限り、HAZ硬化および冷却亀裂に対する感受性が高くなります。 - 15CrMoの低炭素は重い予熱の必要性を低下させ、より寛容な溶接方法を可能にしますが、圧力容器サービスのためには、残留応力を緩和し、HAZをテンパーするためにPWHTがしばしば必要です。 - 両方のグレードには硬化性を高めるCrおよびMoが含まれており、溶接手順（予熱、パス間、PWHT）は圧力用途のためにコード（例：ASME Section IX）に従って認定される必要があります。

6. 腐食および表面保護

• 15CrMoも20CrMoもステンレス鋼ではなく、両方とも腐食性環境での表面保護が必要です。
• 典型的な保護：塗装、工業コーティングシステム、亜鉛メッキ（設計温度とサービスに適している場合）、またはより攻撃的な環境のための耐腐食合金によるクラッディング。
• PRENはこれらの非ステンレス低合金鋼には適用されませんが、ステンレス合金の腐食抵抗について議論する際には次の式を使用します：

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

• 高温酸化/スケール抵抗のためには、CrおよびMoの含有量が役立ちますが、真の腐食抵抗（塩化物、酸性媒体）にはステンレス合金または表面クラッディングが必要です。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：15CrMo（低炭素）は、同様の熱処理条件下で20CrMoよりも一般的に加工が容易です。20CrMoの高い硬度は切削力と工具摩耗を増加させます。
• 成形/曲げ：15CrMoは高い延性のため、冷間成形および曲げに対してより耐性があります。20CrMoは成形前により小さな曲げ半径またはアニーリング/正規化が必要な場合があります。
• 仕上げ：表面研削、ポリッシング、ショットブラストは類似していますが、20CrMoの高い硬度は、より攻撃的な工具や遅い送り速度を必要とする場合があります。
• 溶接および製造：両方のグレードは、圧力用途で使用される場合、通常、予熱およびPWHTを必要とします。程度と温度は炭素当量と厚さに依存します。

8. 典型的な用途

表：典型的な使用例

15CrMo	20CrMo
中程度の高温用のボイラーおよび圧力容器部品	より高い焼入れ/テンパー強度を必要とする機械シャフト、スタッド、ボルト、および荷重支持部品
高温での靭性が必要な発電所の配管およびフィッティング	熱処理後により高い強度または耐摩耗性が必要なギア、重負荷カップリング、および構造部品
クリープ抵抗とテンパ安定性が重要な熱交換器チューブ、ヘッダー、およびフランジ	適切な熱処理後にサイクル機械負荷にさらされるプレスフィットまたはシュリンクフィット部品

選択の理由： - 持続的な温度性能、延性、および低水素亀裂リスクのある溶接性が優先される場合は15CrMoを選択してください（圧力容器および配管）。 - より高い強度、硬度、および耐摩耗性が必要で、制御された熱処理が可能な場合は20CrMoを選択してください。

9. コストと入手可能性

• 原材料コスト：両方ともCr–Mo合金鋼であり、材料コストの違いはわずかで、主に地元の供給、形状（板、棒、チューブ）、および加工要件によって決まります。
• 加工コスト：20CrMoは、より厳格な熱処理/溶接管理と、より高い硬度がターゲットの場合、より高い加工コストを伴う可能性があります。
• 入手可能性：両方のグレードは、多くの産業市場で一般的な製品形態（板、棒、シームレスチューブ）で広く入手可能です。特定の熱処理条件や大口径圧力材料の認証はより制限される場合があり、長いリードタイムが必要です。

10. まとめと推奨

表：高レベルの比較

属性	15CrMo	20CrMo
溶接性	良好（低いCE）	より厳格な予熱/PWHTが必要（高いCE）
強度–靭性のバランス	良好な靭性、中程度の強度	より高い強度が達成可能、硬化時に低い延性
コスト（材料 + 加工）	低から中程度	中程度から高い（熱処理に依存）

推奨： - 中程度の高温サービス、圧力容器部品、または長期的なテンパ安定性、靭性、およびより寛容な溶接性が重要な配管が必要な場合は15CrMoを選択してください。 - より高い厚さ方向の強度または硬化性が必要な機械部品、ギア、シャフト、またはより高い硬度と強度レベルに焼入れおよびテンパーされる部品が必要で、熱処理および溶接手順を制御できる場合は20CrMoを選択してください。

最終的な注意：必要な機械的特性、熱処理条件、および製鋼所証明書の化学組成を、アプリケーションに対する適用されるコードまたは仕様と照らし合わせて確認してください。溶接された圧力機器については、適用される設計コード（ASME、EN、GB/T）に従い、計算された炭素当量と厚さに基づいて溶接手順およびPWHT要件を検証してください。