20CrMnTi 対 20CrNiMo – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
20CrMnTiと20CrNiMoの選択は、ギア、シャフト、および高負荷機械部品のケース硬化鋼を指定するエンジニア、調達マネージャー、製造プランナーにとって一般的なジレンマです。典型的な選択のトレードオフには、コスト対通過硬度、溶接性対コア靭性、加工性対摩耗および疲労下でのサービス寿命が含まれます。
これら2つのグレードの根本的な違いは、合金戦略にあります：1つはマイクロ合金化と最適化されたマンガン/クロムバランスに依存して浸炭と靭性制御を支援し、もう1つはニッケルとモリブデンを追加して硬化性を高め、コア強度と疲労抵抗を改善します。両方とも浸炭（ケース硬化）鋼として使用されるため、設計者が摩耗抵抗性のある表面と延性で靭性のあるコアのバランスを必要とする際に一般的に比較されます。
1. 規格と指定
- いずれのグレードを指定する際に確認すべき一般的な規格：GB/T（中国）、EN/ISO、JIS（日本）などの国内および国際規格、およびASTM/ASMEによって管理される業界材料リストで、同等品が必要です。
- 分類：
- 20CrMnTi — ケース硬化合金鋼（マイクロ合金化された浸炭グレード）。
- 20CrNiMo — ニッケルとモリブデンを含むケース硬化合金鋼（より高い硬化性の浸炭グレード）。
- 注：正確な化学的限界と許容差は、調達に使用される特定の規格またはミルデータシートに対して確認する必要があります。「20CrMnTi」や「20CrNiMo」といった名称は一般的な商業/GBスタイルの指定であり、ENやJISにおいて地域の同等品が存在する場合があります。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | 20CrMnTi（相対レベル） | 20CrNiMo（相対レベル） | コメント |
|---|---|---|---|
| C | 中程度（浸炭表面用に設計） | 中程度（浸炭表面用に設計） | 両方とも浸炭の基礎として~0.18–0.25%の名目炭素を持ち、コア炭素は中程度に保たれています。 |
| Mn | 中程度 | 中程度 | マンガンは両方の硬化性と引張強度を向上させます；レベルは浸炭鋼用にバランスされています。 |
| Si | 低い | 低い | シリコンは脱酸剤であり、わずかな強度の増加を提供します；浸炭用に低く保たれています。 |
| P | 非常に低い（不純物） | 非常に低い（不純物） | リンは靭性のために低レベルに制御されています。 |
| S | 非常に低い（不純物） | 非常に低い（不純物） | 硫黄は、自由切削グレードが指定されている場合を除いて低く保たれています（ここでは典型的ではありません）。 |
| Cr | 低–中程度 | 低–中程度 | クロムは両方のケース硬化性と摩耗抵抗に寄与します。 |
| Ni | 微量/なし | 存在（中程度） | 20CrNiMoのニッケルはコアの靭性と硬化性を高めます。 |
| Mo | 微量/なし | 存在（少量） | モリブデンは20CrNiMoの硬化性と焼戻し抵抗を改善します。 |
| V | 微量 | 微量 | バナジウムは一部のバッチで不純物またはマイクロ合金化として微量存在する場合があります。 |
| Nb | 微量 | 微量 | ニオブはどちらのグレードにおいても決定的な特徴ではありません。 |
| Ti | マイクロ合金 | 微量/なし | 20CrMnTiは、粒子の細化と炭窒化物のためのマイクロ合金添加物としてチタンを含んでいます。 |
| B | 微量 | 微量 | ホウ素は、硬化性を高めるために一部の鋼のバリアントに微量存在する場合があります—ミル仕様を確認してください。 |
| N | 制御（低） | 制御（低） | 窒素は窒化物形成を制限し、靭性を維持するために制御されています。 |
合金化が性能に与える影響 - 20CrMnTiのチタンは窒素と炭素を結合（TiN/TiC）し、前オーステナイトの粒子サイズを細化し、ケースの疲労寿命と寸法安定性を改善します。これは、熱処理中の粒成長を制御するのに特に有用です。 - 20CrNiMoのニッケルとモリブデンは硬化性を高め、与えられた急冷に対してより深い硬化を可能にし、焼戻し後のコア強度と靭性を改善します。Moはまた、焼戻し抵抗を高め、高温での硬度を維持するのに役立ちます。 - 両方のグレードのクロムは、浸炭と急冷後に硬く、摩耗抵抗性のあるケースを達成するのを助けます。
3. 微細構造と熱処理応答
両方のグレードの典型的な処理ルートは、浸炭（ガス、パック、または真空）の後、急冷と焼戻しを行い、硬いマルテンサイトまたはベイナイトのケースと、より靭性のある焼戻しコアを生成します。
微細構造の挙動： - ケース：浸炭と急冷の後、両方の合金は高炭素マルテンサイトケースを発展させます（しばしば所望の硬度に焼戻しされます）。クロムと表面炭素濃度はケース硬度と摩耗抵抗を制御します。 - コア：ニッケルとモリブデンを含む20CrNiMoは、同様の急冷条件下でより高い硬化性を達成し、したがってより靭性で高強度のコアを実現します。20CrMnTiは、衝撃靭性と疲労亀裂停止が優先される場合に有利な、やや柔らかく、より延性のあるコアを生成することがよくあります。 - Tiの役割：20CrMnTiのチタンは、粒界を固定し、高温処理中のオーステナイト粒の粗大化を減少させる微細な炭窒化物を形成します。これにより、焼戻しマルテンサイトのパケットサイズが細化され、疲労強度と焼戻し脆化に対する抵抗が改善される可能性があります。
熱処理の影響： - 正常化：浸炭および鍛造操作の前に、前オーステナイト粒構造を均一化し、細化するために使用されます。両方のグレードは、最終浸炭サイクルの前に正常化から利益を得ます。 - 浸炭 + 急冷 + 焼戻し：主要な産業ルート。20CrNiMoは、より高い硬化性のおかげで、同じ浸炭スケジュールでより深い効果的なケース深度を達成できます；20CrMnTiは、延性コアを持つ安定した摩耗抵抗性の薄から中程度のケースに最適化されています。 - 熱機械処理：圧延、制御された圧延、または鍛造の後、適切な熱処理を行うことで、靭性と疲労寿命がさらに改善されます—マルテンサイト/ベイナイト構造と炭化物分散はプロセス制御によって調整できます。
4. 機械的特性
| 特性 | 20CrMnTi（典型的な挙動） | 20CrNiMo（典型的な挙動） |
|---|---|---|
| 引張強度（コア、焼戻し後） | 中程度 | 高い（Ni/Moによる） |
| 降伏強度（コア） | 中程度 | 高い |
| 伸び（延性） | 良好（より延性のあるコア） | やや低い（より高い強度） |
| 衝撃靭性（コア） | 良好から非常に良好 | 非常に良好から優れた（Niが靭性を改善） |
| 硬度（浸炭および焼戻し後のケース） | 高い表面硬度が達成可能 | 高い表面硬度が達成可能；コア硬度はNiMoのために高い |
解釈 - 20CrNiMoは、適切に熱処理された場合、通常、より高いコア強度と比較可能またはやや改善された靭性を示します。これは、ニッケルとモリブデンが焼戻し挙動と硬化性を改善するためです。 - 20CrMnTiは、ケースの安定性、疲労抵抗、および延性コアを強調します；チタンによる粒子サイズの制御は、循環接触応力下での疲労寿命を助けます。 - 絶対的な特性は、浸炭深度、急冷の厳しさ、および焼戻し温度に依存します—グレード名だけに頼るのではなく、必要な部品性能を満たすためにこれらのプロセスパラメータを指定してください。
5. 溶接性
浸炭鋼の溶接性は、炭素当量と硬化性を高める合金元素の存在によって影響を受けます。一般的に使用される2つの経験的指標は：
-
炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm（伊藤および修正された式）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 20CrMnTi：中程度の炭素とマイクロ合金化されたTiは中程度の炭素当量を生成します。Tiは安定した沈殿物を形成することができます；過剰なチタンや不適切な熱処理は局所的な硬度やHAZ感受性を引き起こす可能性があります。適切なフィラー金属と厚いセクションのためのPWHTを組み合わせた予熱と制御されたインターパス温度は標準的な予防策です。 - 20CrNiMo：追加のNiとMoは硬化性を高め、より単純な浸炭鋼に対して炭素当量指数を上昇させます。これにより、適切な予熱、インターパス制御、および溶接後の熱処理が使用されない限り、溶接HAZの硬化と冷間割れのリスクが増加します。低水素消耗品を使用し、必要な靭性に合わせてフィラー金属をマッチさせてください。
一般的な推奨：両方の鋼に対して、溶接は理想的には正常化/アニーリングされた材料で行われるべきであり、予熱とPWHTは厚さと計算された$CE_{IIW}$/$P_{cm}$値によって決定され、ミルおよび溶接手順仕様を参照する必要があります。
6. 腐食と表面保護
- 20CrMnTiと20CrNiMoはどちらも非ステンレス合金鋼です。大気中または軽度の攻撃的環境における腐食抵抗は限られており、通常はコーティングと設計によって管理されます：
- 表面保護オプション：ホットディップ亜鉛メッキ（高温使用には制限あり）、電気メッキ、リン酸塩 + 塗装、粉体塗装、変換コーティング、またはスライディングアプリケーションにおける摩耗抵抗性オーバーレイ。
- 注：浸炭後のプロセスと表面仕上げはコーティングの付着性と腐食抵抗に影響を与えます—清掃、中和、および応力緩和の実践が重要です。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス鋼に適用され、これらの非ステンレスケース硬化鋼には適用されません： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 部品が腐食性媒体にさらされる場合は、保護設計とコーティングを使用してください；摩耗と腐食の組み合わせには、表面工学（ハードクロム、窒化、PVD/CVDコーティング、または犠牲ゾーン用の腐食抵抗合金）を検討してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：
- アニーリングまたは正常化された状態では、20CrMnTiは一般的に20CrNiMoよりも加工が容易です。後者のNi/Mo含有量は作業硬化を引き起こし、加工性を低下させる傾向があります。
- 両方のグレードは、可能な限り浸炭前に許容値まで加工されるべきです；熱処理後の最終研削またはラッピングは寸法と表面仕上げを達成します。
- 成形性：
- 両方のグレードは、柔らかいまたは正常化された状態で成形（曲げ、圧延）できます。浸炭と急冷の後、成形性は本質的に失われます；加工と仕上げは事前に完了する必要があります。
- 表面仕上げ：
- 浸炭後の研削とポリッシングは、厳しい公差とギア歯のフランクに必要です。20CrMnTiの炭化物沈殿物（例：TiC）は、切削工具の摩耗にわずかに影響を与える可能性があります。
8. 典型的な用途
| 20CrMnTi — 典型的な用途 | 20CrNiMo — 典型的な用途 |
|---|---|
| 疲労寿命が重要で、ケースの安定性が必要なギア、ピニオン、およびスプロケット | 深い硬化ケースと高いコア強度を必要とする高負荷ギア、大型シャフト、および部品 |
| 転がり接触疲労にさらされるシャフトおよびアクスル | 高ストレスの伝達部品、重機械および高い通過硬度を必要とする風力発電部品 |
| コストと加工性が重要な小型から中型の浸炭部品 | より厚い効果的なケースまたは高いコア強度が合金コストを正当化する部品 |
| 粒子細化による疲労抵抗の改善が必要な用途 | ニッケルモリブデンの靭性が有利な厳しい循環荷重または衝撃下で動作する部品 |
選択の理由： - 疲労抵抗、制御されたケース冶金、および典型的な浸炭部品のための低い合金コストを優先する場合は20CrMnTiを選択してください。 - より深いケースや高いコア強度/靭性が必要な場合、特に大きな断面や高持続荷重にさらされる部品には20CrNiMoを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：20CrNiMoは、ニッケルとモリブデンの含有量のため、一般的に20CrMnTiよりも高価です。価格差は市場の金属価格と注文量に依存します。
- 入手可能性：両方のグレードは、ケース硬化鋼を生産する製鋼所からバー、鍛造、リングの形で商業的に一般的です；地域の供給は異なる場合があります。20CrMnTiは多くの製鋼所で標準的な提供品であることが多いですが、20CrNiMoは注文生産または重工業にサービスを提供する地域での標準的な高硬化グレードとして生産される場合があります。
10. 概要と推奨
| 側面 | 20CrMnTi | 20CrNiMo |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好から中程度（中程度のCE；Tiの影響に注意） | 中程度（高いCE；より厳しい予熱/PWHTが必要） |
| 強度–靭性（コア） | 良好な靭性、中程度の強度 | 熱処理時に高いコア強度と優れた靭性 |
| コスト | 低い（一般的に） | 高い（Ni、Moによる） |
次の条件に該当する場合は20CrMnTiを選択してください： - ギア、ピニオン、中型シャフトなどの部品に対して、良好な疲労抵抗と延性コアを持つ経済的な浸炭グレードが必要です。 - 柔らかい状態での加工性と安定した、細かく整えられたケース微細構造が優先されます。
次の条件に該当する場合は20CrNiMoを選択してください： - 大きな断面部品や重負荷のトランスミッションで、より深い効果的なケース深度や高いコア強度を達成するために、より高い硬化性が必要です。 - アプリケーションが焼戻しに対する高い抵抗と優れたコア靭性を要求する場合、追加の材料コストがあっても選択してください。
最終的な注意：両方のグレードは、適切な浸炭スケジュール、急冷の厳しさ、および焼戻しのレジームと組み合わせることで信頼性のある性能を発揮します。必要なケース深度、コア硬度/靭性の目標、および予想されるサービス荷重を指定して、冶金学者や鋼材供給者が部品性能とコスト目標を満たすために正確な合金と熱処理サイクルを推奨できるようにしてください。