1Cr13 対 2Cr13 – 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、性能とコストに大きな影響を与える小さな成分の違いを持つ密接に関連したステンレス鋼と合金鋼の選択に日常的に直面しています。耐摩耗性のマルテンサイト系ステンレス鋼で一般的に遭遇する2つのグレードは、1Cr13と2Cr13と指定されています。実際の選択のジレンマは、強度と耐摩耗性と靭性、溶接性、コストとの間のトレードオフに中心を置くことが一般的です。

これら2つの商業グレードの主な違いは、合金バランスにあります。特にクロムと炭素のレベルが異なり、硬化性、達成可能な硬度、腐食性能に違いをもたらします。両方のグレードは、バルブ、シャフト、ポンプ部品、ブレード、工具などの類似の製品ファミリーで使用されるため、エンジニアはそれらを比較して、より高い強度と耐摩耗性を優先するか、より良い靭性と加工の容易さを優先するかを決定します。

1. 規格と指定

• 類似の化学組成を持つグレードが現れる一般的な規格とクロスリファレンス：
• GB（中国）：1Cr13、2Cr13（一般的な中国の指定）
• JIS（日本）：SUS420シリーズ（マルテンサイト系ステンレス鋼）と比較される近似値
• EN / EN ISO：X12Crシリーズ（マルテンサイト系ステンレスファミリー）の一部と比較されることがあります

• ASTM/ASME：直接の1:1の同等物ではありませんが、AISI 420や他のマルテンサイト系ステンレスの仕様は機能的な比較です

• 分類：

• 1Cr13と2Cr13はどちらもマルテンサイト系ステンレス鋼（ステンレス、熱処理可能）です。彼らは伝統的な意味での低合金HSLAや工具鋼ではありませんが、硬化性のために摩耗や切削用途に使用されます。

注：正確な数値範囲と名称は国や製鋼所によって異なるため、常に供給者の材料証明書で確認してください。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、業界で使用される2つのグレードの代表的な組成範囲を示しています。これらは典型的な範囲であり、調達や設計計算のためには特定の製鋼所の仕様や規格を参照する必要があります。

元素	典型的な1Cr13（wt%）	典型的な2Cr13（wt%）
C	0.08 – 0.20	0.15 – 0.30
Mn	≤ 1.0（典型的には0.3 – 0.8）	≤ 1.0（典型的には0.3 – 0.8）
Si	≤ 1.0（典型的には0.2 – 0.8）	≤ 1.0（典型的には0.2 – 0.8）
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~12.0 – 13.5	~13.0 – 14.5
Ni	≤ 0.3	≤ 0.3
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.10	≤ 0.10
Nb / Ti / B	微量 / よく<0.03	微量 / よく<0.03
N	微量	微量

合金が特性に与える影響の説明： - 炭素は強度、硬度、耐摩耗性、硬化性を増加させますが、引き上げると延性と溶接性を低下させます。 - クロムは腐食抵抗を提供し、マルテンサイト系ステンレス鋼における硬化性と焼戻し応答に寄与します。増分の増加は、受動膜の安定性と高温硬度保持を改善します。 - マンガンとシリコンは脱酸剤であり、硬化性に影響を与えます。過剰なマンガンは靭性を低下させる可能性があります。 - 微量のマイクロ合金（V、Nb）は炭化物と結晶構造を精製し、靭性とクリープ抵抗をわずかに改善することがあります。

実際の結果：2Cr13は、より高い焼入れ硬度と耐摩耗性を提供するために指定される傾向がありますが、1Cr13はわずかに良い靭性と加工の容易さが必要な場合に選ばれます。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - アニーリング状態では、両方のグレードはフェライトと炭化物を含みます。焼入れ後、分散したクロム炭化物（M23C6、M7C3、およびC含有量や他の元素に応じたセメンタイト）を持つマルテンサイトを形成します。 - 1Cr13（低Cおよびやや低Cr）は、与えられた熱処理でより少なく、より小さな炭化物を持つマルテンサイトマトリックスを生成し、焼戻し後により良い靭性を与える傾向があります。 - 2Cr13（高Cおよびしばしば高Cr）は、マルテンサイト相の体積分率が高く、より多くの炭化物沈殿物を形成し、より高い焼入れ硬度と耐摩耗性を提供しますが、靭性は低下します。

熱処理応答： - 一般的なルート：オーステナイト化（通常950–1050 °C、セクションサイズと組成に依存）、焼入れ（薄いセクションの場合は油または空気）、その後、目標硬度/靭性に焼戻しします。 - 正常化は結晶サイズを精製し、最終的な焼入れと焼戻しの前に加工性と靭性を改善することができます。 - 焼入れと焼戻し：焼戻し温度と時間は、強度と靭性のトレードオフを制御します。高い焼戻しは硬度を低下させますが、延性と衝撃抵抗を増加させます。 - 熱機械処理（制御された圧延 + 冷却）は、これらのステンレスマルテンサイトグレードにはあまり一般的ではありませんが、微細構造を精製し、靭性を改善することができます。

実用的な注意：2Cr13は高い炭素/硬化性を持つため、厚いセクションでは硬く脆いマルテンサイトが発生しやすく、亀裂を避けるために注意深いオーステナイト化と焼戻しサイクルが必要です。

4. 機械的特性

以下の表は、典型的な焼入れと焼戻し処理後に達成可能な特性を示しています。値はセクションサイズ、熱処理パラメータ、および正確な化学組成に強く依存します。これらの範囲は保証された最小値ではなく、ガイダンスとして扱ってください。

特性（典型的なQ&T後）	1Cr13	2Cr13
引張強度（MPa）	600 – 900	700 – 1100
降伏強度（0.2%オフセット、MPa）	300 – 700	500 – 950
伸び（%）	8 – 18	6 – 14
シャルピー衝撃（J、室温）	中程度（高め）	低め（靭性が低下）
硬度（HRC）	35 – 54（プロセス依存）	40 – 58（より高いHRCに達することができる）

解釈： - 2Cr13は、より高い炭素と硬いマルテンサイトにより、一般的により高い引張強度と硬度を達成しますが、延性と衝撃靭性の犠牲を伴います。 - 1Cr13は、より良い靭性と加工性が求められる場合に選択されることが多いです。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素当量と硬化性によって影響を受けます。高いCと高いCrは、熱影響部（HAZ）で硬いマルテンサイトを形成する傾向を高め、冷却亀裂のリスクを増加させます。

有用な経験的指標には、IIW炭素当量とPcm式が含まれます： - $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 2Cr13は、より高い炭素とやや高いクロムを持つため、炭素当量が高く、硬化性が大きいため、HAZで硬いマルテンサイトが発生する可能性が高く、亀裂を避けるために予熱、制御されたインターパス温度、および溶接後の熱処理が必要です。 - 1Cr13（低C）はより容易に溶接できますが、マルテンサイト系ステンレス鋼に適した溶接手順（予熱、低水素実践、必要に応じて溶接後の焼戻し）が依然として求められます。 - フィラー金属の使用：合致または低硬化性のフィラー線、および溶接後の加熱/焼戻しは一般的な実践です。

6. 腐食と表面保護

• 両方のグレードは、オーステナイト系グレードと比較して控えめな腐食抵抗を持つマルテンサイト系ステンレス鋼です。クロムは受動膜の形成を提供しますが、全体的なクロムが低く、結晶境界での炭化物の沈殿が炭素を局所的に枯渇させ、腐食抵抗を低下させる可能性があります。
• 典型的な環境の場合：
• 1Cr13：研磨され、パッシベートされた場合、軽度の腐食環境（大気、軽水）に対して十分です。
• 2Cr13：クロムがわずかに高い場合、ピッティング抵抗がわずかに改善されますが、炭化物の形成が増加すると、適切に熱処理され、パッシベートされない限り、実際の腐食抵抗が低下する可能性があります。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの低Mo、低Nマルテンサイトグレードには特に有用ではありませんが、式は次のとおりです：
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 1Cr13と2Cr13の場合、MoとNは無視できるため、PRENは二相または超オーステナイトグレードと比較して低くなります。
• 表面保護：亜鉛メッキ、保護コーティング、塗装、およびパッシベーションは、より高い腐食抵抗が必要な場合の一般的な戦略です。摩耗部品には、硬いクロムまたは熱スプレーコーティングがよく適用されます。

7. 加工性、切削性、成形性

• 切削と加工：
• 2Cr13（より高い硬度の可能性）は、一般的に工具に対してより摩耗性が高く、硬化状態での加工が難しいです。アニーリング状態での加工は工具の摩耗を減少させます。
• アニーリング状態の1Cr13はより容易に加工されます。硬化後は両方とも炭化物工具と剛性のあるセットアップが必要です。
• 成形と曲げ：
• 材料が硬化すると冷間成形は制限されます。成形前のアニーリングは標準的な実践です。
• 仕上げ：
• 両方のグレードは研磨およびポリッシュが可能ですが、2Cr13はより高い硬度と炭化物含有量のため、より攻撃的な研磨が必要になる傾向があります。
• 熱処理の歪みと亀裂のリスクは、焼入れ中の2Cr13で高く、治具と制御された冷却が歪みの管理に役立ちます。

8. 典型的な用途

1Cr13の典型的な用途	2Cr13の典型的な用途
シャフト、バルブ部品、ポンプ部品、中程度の摩耗ブレード、靭性と合理的な腐食抵抗が必要な一般的なハードウェア	摩耗部品、リーフスプリング、高荷重シャフト、切削要素、より高い焼入れ硬度と耐摩耗性が必要な部品
ファスナー、ボルト、および加工の容易さが重視される中程度の負荷の部品	軽負荷用の工具と金型、摩耗抵抗が優先される高接触応力にさらされる部品

選択の理由： - 設計が靭性、容易な加工/溶接、低コストでの中程度の腐食抵抗を重視する場合は1Cr13を選択してください。 - より高い焼入れ硬度、耐摩耗性、および摩耗や接触疲労にさらされる部品のためのより高い引張強度が主な要件であり、特定の熱処理と溶接後の手順を実施できる場合は2Cr13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、両者の基本的な材料コストは類似しており、クロム含有量の違いは控えめです。2Cr13は、炭素/クロム範囲の厳密な管理と追加の加工（例：高硬度への焼戻し）の可能性により、わずかに高くなることがあります。
• 入手可能性：両者はマルテンサイト系ステンレス鋼が生産される地域で一般的です。特定の製品形状（バー、鍛造品、プレート、精密研削材）は製鋼所によって異なります。特別な化学組成、特別なサイズ、または認定ロットの場合、リードタイムが長くなることがあります。
• プロセスコスト：2Cr13の加工と溶接は、予熱/溶接後の熱処理と追加の加工時間により、部品の総コストを増加させる可能性があります。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）

属性	1Cr13	2Cr13
溶接性	良好（低C、低CE）	より要求される（高C、高CE）
強度–靭性のバランス	靭性と延性にバランスが取れている	より高い強度と硬度、靭性が低下
コスト（材料 + 加工）	低から中程度	中程度から高い（加工による）

推奨： - 強度とより良い靭性、容易な溶接と加工、コスト効率の良い加工をバランスさせたマルテンサイト系ステンレス鋼が必要な場合は1Cr13を選択してください。たとえば、軽度の環境で腐食抵抗が必要なシャフト、バルブ、一般的な部品などです。 - より高い焼入れ硬度、耐摩耗性、および摩耗や接触疲労にさらされる部品のためのより高い引張強度が優先される場合は2Cr13を選択してください。厳格な熱処理管理、より要求される溶接手順、および潜在的に高い加工コストに対応できる場合に限ります。

最終的な実用的アドバイス：常に正確な製鋼所/試験証明書の化学組成と必要な熱処理を指定し、サービス条件が重要な生産ロットでのアプリケーション特有のテスト（硬度、衝撃、腐食）を実施してください。