20＃対25＃ – 組成、熱処理、特性、および応用

はじめに

20#と25#は、一般的な工学、シャフト、ファスナー、溶接構造物で頻繁に使用されるプレーンカーボンスチールを特定するために、いくつかの地域標準（特に中国のGB/GB/T実践）で使用される2つの一般的な指定ラベルです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、コストが低く、より延性のある材料と、より高い強度と耐摩耗性を提供するやや高炭素グレードの間で選択のジレンマに直面することがよくあります。選択は通常、必要な荷重容量、成形または溶接のニーズ、加工性、およびコスト制約によって駆動されます。

20#と25#の主な違いは、炭素含有量とその炭素の違いによる冶金的な結果です。これらは強度、延性、硬化性を制御します。2つのグレードは化学的に単純（低合金またはプレーンカーボンスチール）であるため、設計者は強度と靭性のトレードオフを製造の容易さとバランスさせる部品の材料を指定する際に直接比較します。

1. 標準と指定

• GB / GB/T（中国）：20#（一部の文脈では20Gとも書かれる）、25#（25Gなど） — 一般的な構造および機械用途に使用されるプレーンカーボンスチール。
• JIS（日本）：正確な化学組成と意図された用途に応じてJIS-SCまたはSCrグレードに相当しますが、直接の1対1のマッピングは正確ではありません。
• ASTM/ASME（アメリカ）： “#” 表記の直接的なASTMグレードはありません。比較可能なスチールは、正確なCおよびMnレベルと特性要件に応じてA36やAISI 1020/1025などの低炭素の軟鋼です。
• EN（ヨーロッパ）：機械的特性レベルに応じてS235/S275ファミリーなどの非合金構造鋼に相当するグレード。
• 分類：20#と25#は、典型的な実践においてプレーンカーボンスチール（非ステンレス、非高強度低合金）です。標準的な形状では工具鋼、ステンレス鋼、またはHSLAではありません。

2. 化学組成と合金戦略

元素	典型的な20#（おおよその範囲）	典型的な25#（おおよその範囲）
C（炭素）	0.17 – 0.24 wt%	0.22 – 0.30 wt%
Mn（マンガン）	0.25 – 0.60 wt%	0.25 – 0.70 wt%
Si（シリコン）	≤ 0.35 wt%（通常は0.02–0.30）	≤ 0.35 wt%（通常は0.02–0.30）
P（リン）	≤ 0.035 wt%（最大）	≤ 0.035 wt%（最大）
S（硫黄）	≤ 0.035 wt%（最大）	≤ 0.035 wt%（最大）
Cr（クロム）	通常は≤ 0.30 wt%	通常は≤ 0.30 wt%
Ni（ニッケル）	微量 / 指定なし	微量 / 指定なし
Mo, V, Nb, Ti, B, N	標準グレードでは意図的に添加されていない; 微量レベルの可能性あり	20#と同じ

注：値は一般的なGBスタイルの仕様および製 mill 実践で見られる典型的な範囲です。正確な限界や追加元素は、標準、製 mill、および製品が鍛造、熱処理、または特別なサービスを意図しているかどうかによって異なります。

合金が特性に与える影響 - 炭素：強度と硬度の主な制御因子。炭素が高いほど引張強度と降伏強度、硬度が上がりますが、延性と溶接性が低下します。 - マンガン：硬化性、引張強度を改善し、鋼を脱酸します。Mnはまた、硫黄の脆化をある程度相殺します。 - シリコン、Cr、Ni、Mo：少量存在する場合、硬化性と靭性を修正します。これらのグレードでは通常低レベルであり、主要な硬化戦略ではありません。 - 不純物（P、S）：靭性と疲労抵抗を保持するために低く保たれます。硫黄は、意図的に自由切削バリアントで高められた場合、加工性を改善することがあります。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な圧延後の微細構造： - 20#：主にフェライトと分散したパーライト。低炭素レベルは、より大きなフェライトマトリックスの割合と、より柔らかく、より延性のある微細構造を意味します。 - 25#：20#と比較してパーライトの割合が増加し、同様の条件で冷却されたときにより細かい層状構造を生成します。変形後の転位密度が高くなります。

熱処理応答： - 正常化：両グレードは正常化に応じて粒子の細化を示します。25#は、正常化後に20#と比較してパーライトの体積割合が高く、やや高い強度を生成します。 - 焼入れと焼戻し：両者は低合金のプレーンカーボンスチールであるため、硬化性は限られています。25#は、同等の焼入れの厳しさの下で20#よりも高い硬度を達成しますが、どちらも合金添加なしでは中程度の合金鋼の硬化性を達成しません。 - 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却は、強度を増加させ、微細構造を細化することができます。25#は通常、このような処理を通じてより高い強度レベルに達しますが、延性が若干失われます。

4. 機械的特性

特性	典型的な20#（圧延後/正常化後）	典型的な25#（圧延後/正常化後）
引張強度（MPa）	~350 – 500 MPa（典型的な作業範囲）	~400 – 560 MPa（平均して高い）
降伏強度（MPa）	~215 – 315 MPa	~245 – 370 MPa
伸び（%）	~26 – 40%	~18 – 30%（20#に対して減少）
衝撃靭性（J、定性的）	一般的に良好な常温; 25#よりも低温靭性が良好	常温で良好; 同様に処理された状態で20#よりも低い
硬度（HB）	~110 – 160 HB	~130 – 180 HB

注：これらは熱間圧延または正常化条件の代表的な範囲です。特定の値は正確な化学組成、断面厚さ、および熱的/機械的処理に依存します。25#は一般的に高炭素と増加したパーライトのために強度と硬度が高く、20#は比較可能な条件で一般的により延性と靭性があります。

5. 溶接性

プレーンカーボンスチールの溶接性は主に炭素含有量と硬化性によって制御されます。炭素が高いほど、熱影響部（HAZ）で硬く脆いマルテンサイトが形成されるリスクが高まり、冷間割れに対する感受性が増します。

有用な評価式（定性的ガイダンス）： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（より保守的）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈： - 20#（低炭素）は通常、25#よりも低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値を示し、溶接性が容易で、予熱要件が減少し、HAZ割れのリスクが低下します。 - 25#（高炭素）は、特に厚い部品において、より注意深い溶接実践を必要とすることが多いです — 予熱、制御されたインターパス温度、および重要な用途での溶接後の熱処理。 - 微合金化は、合計合金含有量が低くても硬化性を高めることができます。両グレードは一般的にプレーンカーボンであるため、合金効果はHSLA鋼と比較して制限されています。

6. 腐食と表面保護

• 20#も25#もステンレスではなく、腐食抵抗はステンレス鋼と比較して類似しており、劣っています。保護戦略には、塗装/コーティング、熱浸漬亜鉛メッキ、電気メッキ、油塗布、または腐食防止プライマーが含まれます。
• 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が、ステンレス比較のための式は： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 選択の注意：腐食抵抗が必要な場合は、コスト最適化されたカーボンスチールではなく、ステンレスグレードまたは腐食抵抗合金を指定することが正しいアプローチです。長期的または過酷な環境での性能が必要な場合、20#や25#にコーティングを施すことに頼るべきではありません。

7. 加工、加工性、成形性

• 成形と曲げ：20#は降伏強度が低く、伸びが高いため、成形操作においてより許容度が高いです。スプリングバックが少なく、形成力が低いのが典型的です。
• 冷間加工：25#は作業硬化が早く、より高い成形力と厳密な工具制御が必要になる場合があります。
• 加工性：25#の炭素とパーライト含有量が増加すると、通常、強度と硬度が増加します。加工性は微細構造と硫黄/リンレベルに依存します。一般的に、25#は同じ条件下で20#よりもわずかに加工が難しい（切削力が高く、工具の摩耗が早い）ことがあります。
• 表面仕上げ：両グレードは表面研磨、ポリッシュ、またはメッキが可能です。25#の高硬度は、より攻撃的な研磨工具の選択を必要とする場合があります。

8. 典型的な用途

20#（一般的な用途）	25#（一般的な用途）
構造部品、小口径パイプ、延性と溶接性が優先される一般的な製造	シャフト、アクスル、スタッド、ボルト、および高い強度または耐摩耗性が必要な部品
機械フレーム、溶接アセンブリ、一般目的の鍛造品	中程度の負荷のギアおよび軽負荷の摩耗部品（合金化が必要ない場合）
低コストの製造部品、塗装またはコーティングされたコンポーネント	熱処理または作業硬化後に高い硬度が必要なコンポーネント

選択の理由： - 成形、溶接、延性、コストが主な懸念事項である場合は20#を選択してください。 - より高い強度、摩耗抵抗の中程度の増加、または高い荷重容量が必要な小さな断面が重要であり、制御された溶接実践を実施できる場合は25#を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：20#は一般的に25#よりもトンあたりのコストがわずかに低く、炭素が低いためです（生産コストの違いは小さいですが、市場価格は通常低炭素グレードを優遇します）。コスト差は控えめです。
• 入手可能性：両グレードは、GB/中国鋼が販売されている地域で、バー、プレート、シート、鍛造品として広く入手可能です。20#は一般目的の在庫により一般的に在庫されている場合があります。25#は機械用途に一般的に入手可能です。
• 製品形状：丸棒、熱間圧延プレート、溶接パイプが一般的です。リードタイムと入手可能性は、製 mill の生産優先順位と地域の需要に依存します。

10. まとめと推奨

属性	20#	25#
溶接性	良好（低炭素、容易）	中程度（高炭素、より注意）
強度–靭性のバランス	低強度でより良い靭性/延性	高い強度、20#に対して低い延性
コスト	低い / 経済的	わずかに高い

次の条件に該当する場合は20#を選択してください： - 設計が良好な溶接性と高い延性を要求する場合（例：広範な溶接構造、複雑な成形）。 - コスト感度と製造の容易さが優先事項である場合。 - 部品が衝撃荷重を受けるか、単純なカーボンスチール用途でより良い低温靭性が必要な場合。

次の条件に該当する場合は25#を選択してください： - 中程度の合金鋼に移行せずに高い強度または硬度が必要な場合。 - コンポーネントのサイズや形状が、重量の増加を制限しながら高い荷重運搬能力を要求する場合。 - 製造計画に制御された溶接手順（予熱、適切な消耗品）が含まれているか、部品が目標特性を達成するために熱処理/焼戻しされる場合。

結論として、20#と25#の選択は主に炭素含有量のトレードオフです：延性と溶接性を犠牲にして、適度に高い強度と硬度を得ることができます。両方の高い強度と信頼できる靭性が必要な重要な用途では、単に炭素を増やすのではなく、文書化された特性を持つエンジニアリングされた中程度の合金グレードまたはHSLA材料を指定することを検討してください。