20Cr対20CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

20Crおよび20CrMoは、トランスミッション、自動車、一般機械部品で広く使用されている低合金炭化鋼の2つです。エンジニアや調達専門家は、耐摩耗性の表面と延性、疲労抵抗性のコアを必要とする部品（例えば、ギア、シャフト、ピニオン）に対してこれらを評価することが一般的です。選択のジレンマは、通常、コストと入手可能性と、より大きなまたは高負荷の部品における深い硬化性と改善されたコア強度の必要性との間で中心となります。

主な冶金的な違いは、20CrMoにおけるモリブデンの制御された添加であり、これによりMoを含まない20Crファミリーと比較して硬化性と焼戻し軟化抵抗が向上します。両グレードは炭化鋼として設計されているため、コアの機械的特性、熱処理応答、溶接性が意味のある方法で異なるケース硬化部品を指定する際にしばしば比較されます。

1. 規格と指定

これらの鋼が現れる一般的な規格および指定ファミリーには以下が含まれます： - GB/T（中国）：20Cr、20CrMo（炭化合金鋼） - JIS（日本）：類似の炭化グレードが存在（例：Moを含む鋼のSNCM/SCMファミリー） - EN（ヨーロッパ）：おおよその同等物は16MnCr5 / 18CrNiMo7ファミリーにあります（注：直接の1対1の一致は稀です） - ASTM/ASME：正確な直接名はなし；化学組成と特性要件を一致させることによるクロスリファレンスが一般的です 分類：両者は炭化（ケース硬化）用途向けの合金鋼であり、現代的な意味でのステンレス鋼、工具鋼、またはHSLAではありません。

常に購入注文で指定された正確な規格と仕様を確認してください。組成の範囲や許容不純物レベルは規格によって異なります。

2. 化学組成と合金戦略

典型的な組成（重量％の近似範囲；正確な限界については制御規格または供給者の分析証明書を参照）：

元素	典型的な20Cr（wt%）	典型的な20CrMo（wt%）
C	0.17 – 0.24	0.17 – 0.24
Mn	0.25 – 0.65	0.30 – 0.65
Si	0.10 – 0.35	0.10 – 0.35
P	≤ 0.035（最大）	≤ 0.035（最大）
S	≤ 0.035（最大）	≤ 0.035（最大）
Cr	0.50 – 1.10	0.30 – 0.70
Ni	≤ 0.40（存在する場合）	≤ 0.40（存在する場合）
Mo	≤ 0.08（通常は最小）	0.15 – 0.30
V	≤ 0.08（微量）	≤ 0.08（微量）
Nb	≤ 0.02（微量）	≤ 0.02（微量）
Ti	≤ 0.02（微量）	≤ 0.02（微量）
B	≤ 0.001（微量）	≤ 0.001（微量）
N	通常は低い（ppm）	通常は低い（ppm）

合金戦略の概要： - 炭素は効果的な炭化を可能にするために適度に保たれています（濃縮された表面炭素プロファイルを受け入れるための低いバルクC）。 - クロムは硬化性を提供し、ある程度の焼戻し抵抗を持ち、ケース内の摩耗および擦り傷抵抗に寄与します。 - 20CrMoにおけるモリブデンは意図的な添加であり、少量でも深い硬化性を大幅に向上させ、マルテンサイト開始温度を遅らせ、重いまたは厚いセクションにおける焼戻しおよび過焼戻しに対する抵抗を改善します。 - 微合金元素（V、Nb、Ti）が微量で存在する場合、粒径を細かくし、靭性を助けることができますが、これらのグレードでは主要な硬化剤ではありません。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - 圧延または正規化後：主にフェライト + パーライト（細かいパーライトが望ましい）。 - 炭化 + 窒化後：表面ケースは高炭素マルテンサイトを形成します（炭化および窒化に応じて保持オーステナイトを伴うことが多い）；コアは硬化性および冷却速度に応じて焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトに変化します。 - 焼戻し後：ケースは炭化物を含む焼戻しマルテンサイトであり；コアは靭性を提供する焼戻しマルテンサイト/ベイナイトです。

熱処理経路がそれらに与える影響： - 正規化は粒径を細かくし、微細構造を均一化します；両グレードは同様に応答します。 - 炭化 + 窒化 + 焼戻し：このプロセスが主な使用ケースです。表面硬度はケース炭素と窒化の厳しさに依存し；コアの靭性は合金の硬化性に依存します。 - 窒化および焼戻し（炭化なし）：一部の小型部品に使用されます；20CrMoはMoによる硬化性および焼戻し抵抗のため、同じ焼戻しでより高いコア強度を達成します。 - 熱機械処理：粒子の細化と制御された圧延は両グレードの靭性を改善できます；Moの効果は大きなセクションでの深い硬化をサポートするために残ります。

モリブデンが硬化性を高め、焼戻し中の軟化を遅らせるため、20CrMoは20Crと比較して、同じ熱処理後に厚いセクションでより靭性があり、強度の高いコアを生成します。

4. 機械的特性

典型的な特性範囲（一般的な炭化 + 窒化および焼戻しプロセス後；近似）：

特性	20Cr（典型的）	20CrMo（典型的）
引張強度（コア）、MPa	700 – 950	750 – 1000
降伏強度（コア）、MPa	450 – 700	500 – 800
伸び（A5、コア）、%	10 – 18	8 – 16
衝撃靭性（シャルピーV、コア）、J	30 – 70	30 – 80
ケース硬度（HRC、表面）	58 – 62（ケース深さに依存）	58 – 62（ケース深さに依存）

解釈： - 炭化によって達成可能な表面硬度は、表面炭素がケース硬度を制御するため、両グレードで類似しています。 - 20CrMoは一般的にコア強度が高く、焼戻し抵抗が改善されます（焼戻し中の強度の低下が少ない） — 特に大きな断面にとって重要です。これにより、20CrMoはより深い硬化性と高いコア特性が必要な場合に好まれます。 - 延性と靭性は強度とトレードオフの関係にあり；具体的な内容は熱処理とセクションサイズに強く依存します。

注：上記の値は代表的な範囲です；常に機械的特性要件を特定の規格または試験証明書と照合してください。

5. 溶接性

溶接性は、バルク炭素当量、合金元素、およびセクションの厚さによって決まります。一般的に使用される2つの予測指標は：

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

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： - 20Crと20CrMoの両方は、適度な炭素と低から中程度の合金を持ち；計算された$CE$および$P_{cm}$は通常、厚いセクションに対して予熱と制御されたインターパス温度を必要とする範囲にあります。 - 20CrMoにおけるMoの存在は硬化性を高め、そのため20Crに対して熱影響部（HAZ）における冷却亀裂のリスクを増加させます。したがって、20CrMoはしばしばより保守的な溶接手順（厚いセクションでの高い予熱、溶接後の焼戻し）を必要とします。 - 適切な手順を用いた薄いセクションでは、両者は適切なフィラー金属とプロセス制御で溶接可能です。重要な部品には、溶接が必要な場合、溶接後の熱処理（PWHT）が推奨されることが多いです。

常に供給者の化学組成に対して関連する$CE$または$P_{cm}$を計算し、溶接手順仕様（WPS）に従ってください。

6. 腐食および表面保護

20Crも20CrMoもステンレスではなく、腐食抵抗は類似しており、限られています。典型的な保護方法： - 表面仕上げ：塗装、粉体コーティング、または変換コーティング。 - 亜鉛メッキ：部品の形状や寸法の許容に応じて可能。 - 接触面用の腐食防止剤または潤滑剤。

PRENなどのステンレス性指数は、これらの非ステンレス合金鋼には適用されません。腐食抵抗が主要な要件である場合は、コーティングに依存するのではなく、ステンレスまたは腐食抵抗合金を選択してください。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：両グレードは圧延状態で低合金鋼に典型的な適度な加工性を提供します；熱処理および炭化後は加工性が悪化します。
• 成形性：成形操作は、両グレードの低炭素、前炭化状態で行われます。20CrMoは微合金化または高い硬化性が流動応力を変える場合、わずかに異なる成形性を示すことがありますが、実際の違いは小さいです。
• 研削および仕上げ：仕上げ部品（炭化 + 研削）は比較可能です；20CrMoのコアセクションは、より高い強度レベルに焼戻しされると研削が難しくなる場合があります。

大量生産の場合、モリブデンの追加が工具の摩耗や研削サイクル時間に与える影響を考慮してください。

8. 典型的な用途

20Cr（典型的な用途）	20CrMo（典型的な用途）
小型から中型のギア、ピニオン、スプライン（薄いセクション）	重負荷のギア、大型ピニオン、シャフト（厚いセクション）
中程度の負荷用のシャフト、アクスル	自動車用クランクシャフト、重-dutyトランスミッションギア
小型スプロケット、炭化ケースを必要とするファスナー	高ストレスファスナー、スタッド、およびより高いコア強度を必要とする部品
農業機器部品	大きな断面でのサイクル負荷にさらされる部品

選択の理由： - 薄いから中程度の断面部品に対して、製造コストと標準的な炭化性能が十分な場合は20Crを選択してください。 - より深い硬化性、より良い焼戻し抵抗、およびより高いコア強度が必要な場合は20CrMoを選択してください — 特に重い疲労または衝撃負荷を受ける大きなギアや部品に対して。

9. コストと入手可能性

• コスト：20CrMoはモリブデンの添加とやや複雑な溶解/分析管理のため、一般的に20Crよりも高価です。
• 入手可能性：両者はGB/JIS規格を使用する市場で一般的です；製品形態（バー、プレート、鍛造、リング）による入手可能性は地域の製鉄所に依存します。20CrMoの大きな断面の鍛造品はリードタイムや最小注文数量がある場合があります。
• 調達のヒント：正確な化学限界と熱処理要件を指定してください；製鉄所の試験報告書（MTR）を要求し、Moを含むグレードのリードタイムを確認してください。

10. 概要と推奨

側面	20Cr	20CrMo
溶接性	良好（低い硬化性リスク）	中程度 — より注意深い予熱/PWHTが必要
強度–靭性バランス（処理後のコア）	薄い/通常のセクションに良好	厚い/重負荷セクションに優れた
コスト	低い	高い

次の条件に該当する場合は20Crを選択してください： - 従来のケース深さとコア靭性が十分な小型から中型のセクション用のコスト効果の高い炭化鋼が必要です。 - 溶接またはより簡単な熱処理手順が好まれ、セクションサイズが中程度です。

次の条件に該当する場合は20CrMoを選択してください： - コンポーネントが大きな断面、深いケース要件、または非常に高いコア強度/靭性の要求を持っています。 - 設計が重負荷部品のサービス中の焼戻し抵抗の改善と軟化リスクの低減を求めており、プロジェクトがやや高い材料コストとより制御された製造/溶接手順を受け入れることができます。

最終的な注意：これらの推奨は一般的なものです。常に制御規格、供給者の化学組成、および期待される熱処理サイクルを確認してください。重要な部品については、代表的な材料の機械試験と溶接が必要な場合の完全な溶接手順の資格確認で選択を検証してください。