20# 対 45# – 組成、熱処理、特性、および応用

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、シャフト、ギア、ファスナー、一般的な機械部品のためにプレーンカーボンスチールを指定する際に、20#と45#の間で頻繁に選択を行います。この決定は通常、製造可能性（溶接性、成形性、機械加工）、必要な機械的性能（強度、硬度、靭性）、およびコスト制約のバランスを取ります。

この2つ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機械的挙動および熱処理反応の違いです。45#は20#よりもかなり多くの炭素を含んでいるため、熱処理後により高い強度と硬化性を達成しますが、延性を犠牲にし、溶接や一部の成形操作に対してより要求が厳しくなります。これらのトレードオフにより、2つのグレードは異なるアプリケーションクラスや加工ルートに対して補完的になります。

1. 規格と指定

• 中国 GB/T: 20# および 45#（一般的に使用される国内指定）。
• JIS: S20C (≈ 20#) および S45C (≈ 45#)。
• AISI/ASTM: AISI 1020 (≈ 20#) および AISI 1045 (≈ 45#)。
• EN: C20 および C45 (EN 10083ファミリー; 詳細な仕様は製品形状と熱処理に依存)。

分類: 20#および45#はプレーンカーボンスチール（非合金/低合金カーボンスチール）であり、ステンレス、HSLA、または工具鋼ではありません。用途に応じて、熱間圧延、正規化、焼きなまし、または焼入れ・焼き戻しの状態で一般的に供給されます。

2. 化学組成と合金戦略

表: 20#および45#の典型的な化学組成範囲（wt%）。値は仕様比較に使用される代表的な範囲であり、正確な化学組成については実際のサプライヤーの証明書を参照する必要があります。

元素	20# (典型的なwt%)	45# (典型的なwt%)
C	0.17–0.24	0.42–0.50
Mn	0.25–0.60	0.50–0.80
Si	0.03–0.35	0.15–0.35
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	≤ 0.25 (微量)	≤ 0.30 (微量)
Ni	≤ 0.30 (微量)	≤ 0.30 (微量)
Mo	≤ 0.08 (微量)	≤ 0.08 (微量)
V	≤ 0.03 (微量)	≤ 0.03 (微量)
Nb	≤ 0.03 (微量)	≤ 0.03 (微量)
Ti	≤ 0.03 (微量)	≤ 0.03 (微量)
B	≤ 0.001 (希少)	≤ 0.001 (希少)
N	≤ 0.012 (典型)	≤ 0.012 (典型)

合金戦略と効果: - 炭素 (C) は主な強度と硬化性の制御要素です。Cが高いほど、焼入れ後に達成可能な硬度と強度が増加しますが、延性と溶接性が低下します。 - マンガン (Mn) は硬化性と引張強度を増加させ、硫黄脆化に対抗します。45#は通常、強度と硬化性を向上させるためにより高いMnを含んでいます。 - シリコン (Si) は脱酸剤であり、強度にわずかに寄与します。 - 微量合金元素 (Cr, Ni, Mo, V) は通常、これらのグレードでは最小限ですが、存在する場合は硬化性、強度、時には靭性を増加させます。

3. 微細構造と熱処理反応

• 20#: 一般的な圧延または正規化状態では、微細構造は主にフェライト + パーライト（冷却と正規化に応じて粗いまたは細かい）。低炭素含有量はより大きなフェライト比率と比較的低いパーライト含有量をもたらします。正規化/精製はパーライト間隔を減少させ、均一性と強度をわずかに改善します。
• 45#: 圧延または正規化状態では、微細構造はフェライト + パーライトで、20#と比較してパーライト比率が高く、インターデンドリック間隔が細かいです。より高い炭素とMnのため、45#はより高い硬化性を持ち、焼入れ時にマルテンサイトまたはベイナイトを形成し、その後焼き戻しを行うことで、著しく高い強度と耐摩耗性を持つ焼入れ・焼き戻し微細構造（焼き戻しマルテンサイト）を生成できます。

熱処理効果: - 正規化（Ac3以上からの空冷）は粒子を精製し、均一なフェライト-パーライト構造を生成します。両方のグレードが恩恵を受けますが、強度の増加は45#でより顕著です。 - 焼入れと焼き戻しは、45#に高強度と疲労抵抗を達成するために一般的に適用されます。20#は硬化性が限られており、焼入れは低いマルテンサイト含有量を生成し、限られた利益をもたらします。 - 焼きなまし（完全焼きなまし）は、機械加工や成形のために材料を柔らかくします。20#は容易に焼きなましされます。焼きなましされた45#は機械加工可能ですが、正規化された20#よりも高い強度を持ちます。

4. 機械的特性

表: 一般的な状態による典型的な機械的特性範囲（代表的な範囲; 正確な値は製品形状と熱処理に依存）。

特性	20# (焼きなまし/正規化)	45# (焼きなまし/正規化/焼入れ–焼き戻し)
引張強度 (MPa)	≈ 350–550 (焼きなまし→正規化)	≈ 500–900 (焼きなまし→QT)
降伏強度 (MPa)	≈ 200–350	≈ 300–700
伸び (A%)	≈ 20–30%	≈ 10–25% (硬化に伴い減少)
衝撃靭性 (シャルピーV)	中程度—正規化時に室温で良好	適切に焼き戻しされた場合は良好; 硬化状態では焼き戻しされていない場合は低下
硬度 (HBまたはHRC)	≈ 120–200 HB (焼きなまし→正規化)	≈ 150–300 HB (焼きなまし→QT; 焼き戻しに依存)

解釈: - 45#は、適切な熱処理後に達成可能な引張強度と硬度が大幅に高く、炭素と硬化性が高いためです。 - 20#は成形においてより延性があり、許容度が高いです; 20#の伸びと靭性は、比較可能な加工に対して一般的に高いです。 - 衝撃靭性は加工に大きく依存します—焼入れ後の適切な焼き戻しが45#にとって脆い挙動を避けるために重要です。

5. 溶接性

プレーンカーボンスチールの溶接性は、炭素含有量と合金元素によって炭素等価指標を通じて強く影響されます。一般的な指標:

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

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

定性的解釈: - 20#（低C）は通常、低い炭素等価を持ち、低い予熱で良好な溶接性を提供し、熱影響部（HAZ）での水素亀裂や硬いマルテンサイト形成のリスクが限られています。標準的な厚さの下では、通常の条件での溶接後熱処理（PWHT）はほとんど必要ありません。 - 45#（高Cおよびやや高いMn）は、より大きな炭素等価をもたらします; 溶接手順はしばしば予熱、制御されたインターパス温度、および特に厚いセクションや拘束されたジョイントに対するPWHTの考慮を必要とします。適切な溶接管理が使用されない場合、HAZの硬化と冷却亀裂の可能性が増加します。

溶接実践: - CE/Pcmガイダンスに従って、適切な予熱/PWHTを使用し、マッチしたフィラー金属を使用してください。 - 45#で作られた重要な溶接アセンブリの場合、低水素電極を使用し、HAZを焼き戻して残留応力を減少させるためにPWHTを実施することを検討してください。

6. 腐食と表面保護

• 20#および45#はどちらも非ステンレスのプレーンカーボンスチールであり、固有の腐食抵抗を持ちません。典型的な保護方法には、環境やサービス寿命の要件に応じて、塗装、粉体塗装、油塗布、リン酸塩処理、亜鉛メッキ（熱浸漬または電気メッキ）が含まれます。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス合金に使用され、プレーンカーボンスチールには適用されません。ステンレス評価のための例の式:

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

• 腐食に敏感な環境では、20#/45#の代わりに保護コーティングを選択するか、ステンレスまたは腐食抵抗合金を検討してください。

7. 加工、機械加工、成形性

• 成形と曲げ: 20#は強度が低く延性が高いため、冷間成形と曲げが容易です。45#はより多くの力を必要とし、広範な成形の前に焼きなましが必要な場合があります。
• 機械加工: 両方のグレードは焼きなまし状態で良好に機械加工されます。焼きなまし状態の45#は予測可能に機械加工され、より高い炭素がチップ形成を改善するため、特定の旋削/研削操作でより良い表面仕上げを生み出すことができます。ただし、硬いまたは焼入れ・焼き戻しされた45#はより難しく、工具の摩耗が早くなります。一般的な機械加工では20#が低い工具摩耗を提供します。
• 表面仕上げ: 45#は焼入れと焼き戻しの後、厳しい公差に硬化され、研削されることができます（例: シャフトや摩耗面用）。20#は高い硬度要件と結びつかない厳しい公差が必要ない場合に適しています。
• 冷間加工: 20#は45#と比較して、より深い冷間引き抜きや冷間ヘッディングに耐えますが、45#は焼きなましされていない場合に亀裂が生じる可能性があります。

8. 典型的な用途

20# – 典型的な使用	45# – 典型的な使用
一般的な構造部品、冷間ヘッディングファスナー、溶接アセンブリ、低負荷シャフト、軽負荷用の車軸、成形可能なスタンプ部品	シャフト、車軸、ギア、焼入れ・焼き戻し強度を必要とする機械部品、コネクティングロッド、ピン、高い硬度と疲労抵抗が必要な摩耗部品
製作フレーム、溶接性と成形性が優先される一般目的の鍛造品	動力伝達用の熱処理部品、軽負荷用のクランクシャフト、硬化されたダウエルピンおよびベアリングシート

選択の理由: - 溶接性、成形性、低コストが優先され、強度要件が中程度の場合は20#を選択してください。 - より高い引張強度、硬度、または疲労寿命が必要で、部品がこれらの特性を達成するために熱処理される場合は45#を選択してください。

9. コストと入手可能性

• 両方のグレードは、バー、プレート、鍛造品で広く入手可能なコモディティスチールです。20#は通常、炭素含有量が低く、多くの用途に対して処理が簡単なため、原材料コストが最も低くなります。
• 45#は、主に炭素が高く、熱処理および研削仕上げ製品での使用がより頻繁であるため、やや高い価格帯になります。部品の総コストは、必要な熱処理と機械加工を考慮する必要があります—45#から作られた部品は、しばしば追加の加工コスト（焼入れ、焼き戻し、研削）が発生します。
• 標準的な形状のリードタイムは一般的に短いですが、特殊な形状や特定の熱処理はリードタイムを延ばす可能性があります。

10. まとめと推奨

表: 簡単な比較

属性	20#	45#
溶接性	優れた（低C、低CE）	中程度から困難（高C、高CE）
強度–靭性のバランス	中程度の強度、より高い延性/靭性	達成可能な強度が高く、硬化した場合は延性が低下
コスト	低い原材料コスト; より簡単な加工	やや高い材料コスト; より高い加工コストが多い

最終的な推奨: - 良好な溶接性と成形性が必要で、中程度の強度が十分で、コスト感度が高い場合、または部品が最小限の予熱とPWHTで溶接される場合は20#を選択してください。 - 部品が焼入れと焼き戻しによって達成可能なより高い強度、硬度、または疲労抵抗を必要とし、より厳しい溶接管理、予熱、および可能なPWHTまたは追加の機械加工操作を受け入れられる場合は45#を選択してください。

結論: 常にサプライヤーからの実際の化学および機械証明書を確認し、炭素等価および部品の形状に基づいて溶接手順を確認してください。重要な部品については、選択したグレードが機能的およびライフサイクル要件を満たすことを確認するために、最終製造ルートを代表する熱処理試験と機械試験を実施してください。