20Cr vs 20CrMnTi – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
20Crと20CrMnTiは、電力伝達および機械部品で広く使用されている炭素鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、ギア、シャフト、スプライン、その他のケース硬化部品を指定する際に、よりシンプルな20Crと微合金化された20CrMnTiの間で選択を迫られることが一般的です。典型的な意思決定の文脈には、コストとコア強度および疲労抵抗のバランスを取ること、高い硬化性またはより良い粒子制御のためのグレードを選択すること、熱処理および溶接の制約を満たす鋼を選ぶことが含まれます。
主な技術的な違いは、20CrMnTiが硬化性、粒子の細化、および炭化ケースの安定性を向上させるために、追加のマンガンとチタン（およびその他の微合金化調整）を含んでいることです。これらの違いにより、20CrMnTiは、より深いケース硬化、改善されたコア特性、およびテンパー脆化に対するより良い抵抗が必要な場合に有利であり、20Crは中程度の負荷の炭化部品に対して経済的な選択肢として残ります。
1. 規格と指定
- これらのグレードが登場する一般的な国内および国際的な参照:
- GB（中国）：20Cr、20CrMnTi（中国の規格で広く使用されている指定）
- JIS（日本）：類似の化学組成を持つ炭素鋼（例：SCシリーズの同等品）
- EN（ヨーロッパ）：一部の15–20Crシリーズの炭素鋼に相当（ただし、正確なEN番号を確認）
- ASTM/ASME：焼入れおよび焼戻し用の合金鋼に関する一般仕様に含まれる炭素鋼；直接のAISI/ASTMの1対1の指定は存在しない場合があるため、クロスリファレンスが必要
- 分類：両方とも合金炭素鋼（ステンレス鋼ではなく、工具鋼でもなく、HSLAでもない）。これらは、硬い耐摩耗性の表面とより強靭な延性コアを提供するためにケース硬化用に設計されています。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、業界の説明で使用される典型的な組成範囲（wt%）を示しています。正確な範囲は標準および生産者によって異なるため、調達にはミル証明書を使用してください。
| 元素 | 20Cr（典型的なwt%） | 20CrMnTi（典型的なwt%） |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.17–0.24 |
| Mn | 0.25–0.60 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | 0.90–1.30 | 0.90–1.30 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.30 |
| Mo | ≤0.10 | ≤0.10 |
| V | —/trace | —/trace |
| Nb | —/trace | —/trace |
| Ti | —/trace（通常はなし） | 0.02–0.08 |
| B | — | — |
| N | trace | trace |
合金戦略が特性に与える影響: - 炭素：炭化を許可するために低から中程度に設定（靭性のための低コア炭素）し、硬度のために炭化後に高炭素表面を許可。 - クロム：炭化ケースの硬化性と焼戻し抵抗を改善し、耐摩耗性を助ける。 - マンガン：硬化性と引張強度を増加させる；20CrMnTiの高いMnは硬化の深さとコア強度を増加させる。 - チタン：Tiによる微合金化は粒子サイズを細かくし、窒素を結合し、炭化物/窒化物を安定させ、熱処理後の疲労抵抗と靭性を改善することができる。 - シリコン：脱酸化を助け、フェライトをわずかに強化することができる。 - 低P、S：靭性と疲労抵抗を改善するため。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造: - 炭化後（最終焼入れ前）：両グレードにおいて、炭素が豊富なオーステナイトケースを持つ低炭素フェライト/パーライトコア。 - 焼入れおよび焼戻し後（典型的な炭化経路）：表面近くに保持されたオーステナイトポケットを持つ硬化したマルテンサイトまたはベイナイトケース；焼戻された低炭素マルテンサイトまたはフェライト–パーライトコア。
熱処理経路が各グレードに与える影響: - 正常化：両グレードは正常化に応じて、細かく均一なフェライト–パーライト微細構造を持つ；20CrMnTiのTi含有量は正常化時の粒子細化を改善する。 - 炭化 + 焼入れ + 焼戻し（標準経路）：両方ともこの経路のために設計されている。20Crは標準負荷のギアに対して適切なケースと延性コアを生成する。20CrMnTiは、より高いMnとTiにより、より深い硬化性を達成し、一般的に焼戻し後により強靭なコアを持つ；また、疲労抵抗を改善するために、より細かい前オーステナイト粒子サイズを維持する。 - 炭化なしの焼入れおよび焼戻し：これらの低炭素鋼には典型的ではない、なぜなら基準炭素が低いため；微合金化の利点はあまり活用されない。 - 熱機械処理：微合金化された20CrMnTiは、制御された圧延から利益を得て、さらに粒子を細かくし、靭性を改善する；20Crは微合金化効果からの利益が少ない。
4. 機械的特性
機械的特性は、特定の熱処理スケジュール（ケース深さ、焼入れの厳しさ、焼戻し温度）に強く依存します。以下の表は、典型的な炭化および焼入れ/焼戻し条件下でのグレードを定性的に比較しています。
| 特性 | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| 引張強度（熱処理後） | 中程度（ケース支配の表面強度） | 高い（改善されたコアおよび貫通硬化） |
| 降伏強度（コア） | 中程度 | 高い（より良いコア硬化性） |
| 伸び（延性、コア） | 典型的な中程度の熱処理でより良い延性 | 高度に硬化した場合はわずかに延性が低下するが、粒子細化により靭性がより良く保持される |
| 衝撃靭性（コア） | 良好から中程度 | 同等の強度に対して改善された靭性、Tiの粒子細化による |
| 硬度（表面ケース） | 高い（炭化後に達成可能） | 同様の表面硬度が達成可能；負荷下でケースの完全性をより良く維持する傾向がある |
説明: - 20CrMnTiは、同じ炭化および焼入れ後に一般的に高いコア引張強度と降伏強度を達成します。なぜなら、より高いMnが硬化性を増加させ、Tiが粒子サイズを細かくするからです。その結果、高負荷部品に対してより良い耐荷重能力と疲労性能が得られます。 - ケース硬化によって達成可能な表面硬度は、同一の炭化サイクルが使用される場合、両者で比較可能です。なぜなら、表面炭素がマルテンサイトの硬度を決定するからです。ケースの完全性、保持されたオーステナイトの安定性、および焼戻しに対する抵抗において違いが現れます。
5. 溶接性
溶接性は主に炭素当量と硬化性に依存します。2つの一般的な指標:
IIW炭素当量の表示式: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Pcmの表示式: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的な解釈: - 20Cr：中程度のCE；合理的な予熱と制御された冷却により冷間割れを回避できる。典型的な実践は、高度に炭化された状態での溶接を避けるか、必要に応じて溶接後の熱処理（PWHT）を行うことです。 - 20CrMnTi：高いMn（$CE_{IIW}$を増加させる）およびTiのような微合金化元素が局所的な微細構造および熱影響部位での硬化の可能性に影響を与えるため、わずかに高い溶接性リスクがあります。$P_{cm}$はTiを溶接性リスクの要因として示しています。実際には、両方のグレードの溶接には予熱、低いインターパス温度、および適切なフィラー材料が必要です；機能がケース特性に依存する場合、炭化された表面の溶接は一般的に避けられます。 - 実用的な注意：炭化された表面の修理は厳格な手順に従うべきです（硬化したケースを削り出す、局所的に予熱する、互換性のある溶接金属を使用する、PWHTを行う）、設計者は溶接が性能を損なう場合、ボルト接合または鍛造接合を指定することがよくあります。
6. 腐食および表面保護
- 20Crと20CrMnTiはどちらも非ステンレス合金鋼であり、攻撃的な環境に対して固有の腐食抵抗を提供しません。
- 一般的な保護戦略：適切な場合に塗装、油塗り、リン酸塩処理、黒酸化、亜鉛メッキ（熱浸漬または電気）を行います。重負荷の炭化部品の場合、接触面でのコーティングの破損や水素脆化のリスクがあるため、亜鉛メッキは一般的に避けられます。
- 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；参考のために： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ ただし、これはステンレス合金にのみ適用されます—20Cr/20CrMnTiの選択には使用しないでください。
- 腐食許容：腐食が懸念される場合、ケース硬度および疲労要件に適合する表面処理を選択してください（例：デュプレックスシステム、最終研削前に適用される薄いセラミックコーティングは、検証されたプロセスのみで）。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：両グレードは、正規化またはアニーリング状態で比較的加工しやすいです。20CrMnTiは、より高いMnおよびTi炭化物/窒化物の存在により、わずかに加工が難しい場合がありますが、実際の違いは控えめです。
- 硬加工：炭化および焼入れ後、両グレードはケースの仕上げのために研削または硬加工技術を必要とします。ケース硬化された表面は最終寸法に研削されるべきです；適切な工具を使用した硬い旋削は生産で可能です。
- 成形性および曲げ：低炭素基準状態（炭化前）では、両者は同様に成形されます。炭化後の成形は推奨されません。
- 熱処理による歪み：20CrMnTiの高い硬化性は、制御されない場合に焼入れによる歪みのリスクを増加させる可能性があります；ジオメトリと治具の設計、焼入れ媒体の選択、および焼戻しの実践が重要です。
8. 典型的な用途
| 20Cr（一般的な用途） | 20CrMnTi（一般的な用途） |
|---|---|
| 中程度の負荷のギア、ピニオン、スプライン | 重負荷のギア、大型ピニオン、および高負荷伝達シャフト |
| 一般機械用のシャフトおよびアクスル | より深いケースおよび高いコア強度を必要とする部品（風力ギアボックスシャフト、重車両ギア） |
| 軽負荷のスプロケット、カムシャフト | 動的負荷および疲労にさらされる部品で、粒子細化が有益な場合 |
| 一般的な炭化ファスナーおよびスリーブ | 高疲労炭化部品および安全クリティカルなドライブトレイン部品 |
選択の理由： - コスト感度が重要で、負荷サイクルが中程度の場合は20Crを選択してください—延性コアを持つ適切なケース硬度を低い材料コストで提供します。 - より深い硬化性、より良いコア強度、改善された疲労寿命、および細かい微細構造が必要な場合は20CrMnTiを選択してください。ただし、材料コストが高く、熱処理の管理がより厳格である可能性があります。
9. コストと入手可能性
- コスト：20Crは通常、合金添加物が少なく、溶融/処理制御が簡単であるため、より経済的な選択肢です。20CrMnTiは、追加のMnおよびTi微合金化およびより厳密な処理制御のためにプレミアムがかかります。
- 入手可能性：両グレードは、重機械製造が盛んな地域で鍛造、バー、およびブランクを供給する製鋼所によって一般的に生産されています。20Crは標準バーおよび鍛造ストックでより広く入手可能であり、20CrMnTiは微合金化された炭素鋼を供給する製鋼所またはディストリビューターからの注文が必要な場合があります。
- 製品形状：両者はバー、鍛造品、および機械加工されたブランクとして入手可能です。トレーサビリティを確保するためにミル証明書および熱処理条件を指定してください。
10. まとめと推奨
まとめ表（定性的）：
| 属性 | 20Cr | 20CrMnTi |
|---|---|---|
| 溶接性 | 中程度（高度に合金化された鋼より良好） | わずかに低い（高いCEおよび微合金含有量） |
| 強度–靭性バランス | 標準負荷に対して適切 | 同様のケース硬度に対して改善されたコア強度と靭性 |
| コスト | 低い | 高い |
推奨： - 20Crを選択する場合： - アプリケーションが中程度の負荷および疲労要求に対して標準の炭化鋼を必要とする。 - コストと広範な入手可能性が優先される。 - ケース深さの要件が浅から中程度であり、従来の熱処理で十分である。 - 20CrMnTiを選択する場合： - 部品がより深い硬化性、より高いコア強度、または優れた疲労抵抗を必要とする。 - 粒子細化および改善された焼戻し抵抗が重要である（例：高サイクル疲労部品）。 - より良い性能のためにわずかに高い材料コストを受け入れ、熱処理（焼入れ、焼戻し）を正確に制御できる。
最終的な注意：調達および図面において、必要な炭化ケースの深さ、表面硬度、コア硬度/靭性、および溶接後の熱処理または表面保護を常に指定してください。各ロットのミル証明書および熱処理記録を確認してください：実際の性能は、名目上のグレード名だけでなく、提供される正確な化学組成と処理経路の厳格さに主に依存します。