20CrMo 対 30CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途
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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、重要な機械部品のために合金鋼を選択する際に、強度、靭性、コスト、製造性の間でトレードオフに直面することが一般的です。20CrMoと30CrMoは、疲労抵抗と通過硬化または表面硬化能力が重要なギア、シャフト、構造部品のためによく比較される2つのクロム–モリブデン合金鋼です。
これらのグレードの主な違いは、名目上の炭素含有量とそれに伴う設計の重点にあります：1つのグレードは、延性と靭性を改善し、溶接性を向上させるために低炭素で配合されています；もう1つは、より高い焼入れ強度と熱処理後に達成可能な硬度を得るために高炭素です。クロムとモリブデンの含有量は類似しているため、設計者は通常、必要な強度/靭性のバランスと下流の加工制約に基づいて選択します。
1. 規格と名称
- これらの名称が現れる一般的な国際および地域の規格と名称：
- GB/T（中国）：20CrMo、30CrMo（国内規格でよく使用される）
- EN（ヨーロッパ）：同等物は通常EN 10083シリーズまたは1.xxxx番号で表現されます；直接の1対1の名称は異なる場合があります
- JIS（日本）：類似の合金鋼が存在しますが、異なるコードの下にあります
- ASTM/ASME：AISI/SAEシリーズ（例：AISI 4135/4140ファミリー）に含まれる合金鋼は、類似の化学組成を持ちますが、異なる名称です
- 分類：20CrMoと30CrMoの両方は合金鋼（低合金、Cr–Mo鋼）です。厳密にはステンレス鋼、工具鋼、またはHSLAではなく、焼入れ・焼戻しまたはケース硬化部品のためのエンジニアリング合金鋼としてよく使用されます。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、両グレードの典型的な組成傾向を示しています。実際の範囲は規格や生産者によって異なるため、調達や設計計算の際は常にミル証明書を確認してください。
| 元素 | 典型的な20CrMo（wt%） | 典型的な30CrMo（wt%） | 役割 / コメント |
|---|---|---|---|
| C | 0.17–0.24 | 0.27–0.34 | 炭素は主に硬化能力、強度、硬度の能力を制御します。30CrMoはより高いCを持ち、より高い焼入れ硬度を実現します。 |
| Mn | 0.35–0.70 | 0.40–0.70 | マンガンは硬化能力と引張強度を改善します。 |
| Si | ≤0.35 | ≤0.35 | 脱酸のためのシリコン；少量はフェライトを強化し、焼戻しに影響を与えます。 |
| P | ≤0.025（最大） | ≤0.025（最大） | リンは残留不純物であり、脆化を避けるために低く保たれます。 |
| S | ≤0.025（最大） | ≤0.025（最大） | 硫黄は加工性のために制御され、熱脆性を避けるために低く保たれます。 |
| Cr | 0.80–1.20 | 0.90–1.30 | クロムは硬化能力、強度、耐摩耗性を向上させます。 |
| Ni | ≤0.30（しばしばゼロ） | ≤0.30（しばしばゼロ） | ニッケルはこれらのグレードではほとんど重要ではありません。 |
| Mo | 0.15–0.30 | 0.15–0.30 | モリブデンは硬化能力と高温強度を向上させます。 |
| V | 微量–少量 | 微量–少量 | バナジウムは、いくつかの溶融物において微量で存在し、粒子の細化に寄与することがあります。 |
| Nb, Ti, B | 微量（微合金化されている場合） | 微量（微合金化されている場合） | 標準の20/30CrMoでは微合金化はまれですが、粒子サイズの制御に使用されることがあります。 |
| N | 微量 | 微量 | 窒素は残留物として存在し、少量で靭性に影響を与えます。 |
合金化が性能に与える影響： - 炭素：強度と達成可能な硬度の主要な要素；高炭素はより高い焼入れ硬度を可能にしますが、溶接性と延性を低下させます。 - クロムとモリブデン：両方とも硬化能力（焼入れ時のマルテンサイト変態の深さ/範囲）、焼戻し抵抗、および高温での強度を向上させます。 - マンガンとシリコン：硬化能力と強度を助けます；シリコンはまた、表面処理の炭化にも寄与します。 - 微量の微合金元素は、以前のオーステナイトの粒子サイズを細化し、強度の大幅な増加なしに靭性を改善することができます。
3. 微細構造と熱処理応答
一般的な熱処理プロセスに対する典型的な微細構造と応答：
- 圧延/正規化後：
- 20CrMo：冷却に応じてテンパー処理されたベイナイトを伴うフェライト–パーライトマトリックス；正規化後の細かい粒子は靭性を改善します。
- 30CrMo：より高いパーライト比と細かい炭化物分布；正規化の粒子サイズ制御は良好な靭性を得るために重要です。
- 焼入れと焼戻し：
- 両グレードはオーステナイト化温度から焼入れ時にマルテンサイトを形成します；焼戻しはマルテンサイトをテンパー処理されたマルテンサイト/テンパー処理されたベイナイトに変換し、最終的な強度–靭性のバランスを決定します。
- 30CrMoは、より高い炭素のために同等の焼戻し温度でより高い硬度と引張強度に達します；ただし、焼戻しが最適化されていない場合、テンパー脆性に対してより敏感になる可能性があります。
- ケース炭化（表面硬度が必要な場合）：
- 両方は炭化されたケースの下でコア鋼として使用できます。20CrMoはコア炭素が低いため、30CrMoと比較してより靭性があり、延性のあるコアを生成します。
- 熱機械処理：
- 制御された圧延と加速冷却は、靭性が改善されたベイナイトまたは細かくなったマルテンサイト微細構造を生成できます；微合金化添加物が存在する場合、粒子の細化を助けます。
4. 機械的特性
機械的特性は熱処理に大きく依存します。以下の表は、エンジニアリング設計で使用される焼入れ＆焼戻し条件の一般的な典型的範囲を示しています；テストされたミルレポートで確認してください。
| 特性 | 典型的な20CrMo（Q&T） | 典型的な30CrMo（Q&T） | ノート |
|---|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ~700–950 | ~800–1100 | 30CrMoは同等の焼戻しでより高い究極強度を生成する傾向があります。 |
| 降伏強度（MPa） | ~450–700 | ~500–850 | 高炭素は30CrMoのQ&T後の降伏を高めます。 |
| 伸び（%） | ~10–18% | ~8–15% | 20CrMoは一般的により大きな延性を提供します。 |
| 衝撃靭性（シャルピーVノッチ） | 良好から非常に良好（熱処理とノッチ温度に依存） | 良好ですが、同等の強度レベルでは通常20CrMoより低い | 靭性は粒子サイズ、焼戻し、清浄度に依存します。 |
| 硬度（HRCまたはHB） | Q&T後は中程度から高い；ケース部品のためにコア硬度が制御されます | より高い達成可能な硬度；焼入れ亀裂に対してより敏感 | 硬度のトレードオフは加工性と耐摩耗性に影響を与えます。 |
説明： - 30CrMoは、より高い炭素含有量がマルテンサイトの割合と硬度を増加させるため、ほとんどの比較可能な焼入れ・焼戻し条件で強度が高くなります。 - 20CrMoは、比較可能な強度レベルで通常より靭性があり、保守的な熱処理で良好な靭性を達成しやすいです。
5. 溶接性
溶接性は、合金含有量による炭素当量と硬化能力によって大きく左右されます。
定性的評価に使用される一般的な炭素当量の式： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ およびより保守的なパラメータ： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈（定性的）： - 30CrMoは炭素が高いため、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の値は一般的に20CrMoより高く、硬く脆い熱影響部位や冷間亀裂のリスクが高いことを示します。30CrMoには、より頻繁に予熱と制御されたインターパス温度が必要です。 - クロムとモリブデンは、両方のグレードで同様に硬化能力を増加させるため、溶接手順はマルテンサイト形成を促進する合金化に対処する必要があります。 - 20CrMoは炭素が低いため、通常は溶接が容易ですが、重要な高強度アプリケーションで使用される場合は、予熱/溶接後熱処理（PWHT）からも利益を得ます。
6. 腐食と表面保護
- 20CrMoも30CrMoもステンレスグレードではなく、腐食抵抗は限られており、他の低合金鋼と同等です。
- 典型的な保護戦略：
- 表面コーティング：熱浸漬亜鉛メッキ、塗装システム、粉体コーティング、または特殊な耐腐食コーティング。
- メッキ：摩耗と軽度の腐食保護が必要な部品のため。
- 設計上の考慮事項：排水、隙間回避、海洋または攻撃的な環境での犠牲アノード。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレスグレードにのみ意味があり、これらのCr–Mo合金鋼には適用されません： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標は、20CrMo/30CrMoのような非ステンレス鋼には使用すべきではありません。
7. 製造、加工性、成形性
- 加工性：
- 20CrMo（低C）は通常、30CrMoよりも加工が容易で、工具寿命が長いですが、両方とも合金化のために同等のRUの炭素鋼よりも加工が難しいです。
- より高い硬度レベル（焼入れまたは完全に焼戻しされていない）は加工性を低下させ、工具の摩耗を増加させます。
- 成形性：
- 20CrMoは炭素が低く、延性が高いため冷間成形が容易ですが、30CrMoは許容範囲が狭く、より高い成形力や温間成形が必要になる場合があります。
- 表面仕上げ：
- 両方は適切な焼戻し後に研削、研磨、表面処理に良く反応します；炭化後の低温焼戻しはギア表面に一般的です。
- 重要な製造ノート：溶接または熱処理されたアセンブリの場合、インターパス温度、予熱、およびPWHTの制御が亀裂を最小限に抑え、所望の靭性を達成するために不可欠です。
8. 典型的な用途
| 20CrMo — 一般的な用途 | 30CrMo — 一般的な用途 |
|---|---|
| 重負荷シャフト、通過靭性コアが必要な鍛造品 | 高強度シャフト、ギア、およびより高い焼入れ硬度が必要な部品 |
| 靭性コアを持つケース硬化部品（例：ピニオン、小型ギア） | 高強度ファスナー、コア強度が強調される焼入れギア |
| 良好な溶接性と靭性が必要な構造ブロックおよび部品 | より高い静的負荷を受ける部品またはより高い焼戻し抵抗が必要な部品 |
| 加工性と延性が重要な一般的な機械部品 | より高い耐摩耗性またはより高い運転応力が要求される部品 |
選択の理由： - 靭性、延性、溶接性、溶接後の特性が優先される場合、または炭化されたケースの下で延性コアが必要な場合は20CrMoを選択してください。 - より高い強度またはより高い焼入れ硬度が必要な場合、設計と製造が厳格な溶接および熱処理の管理を受け入れられる場合は30CrMoを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 原材料コスト：両グレードは合金元素（Cr、Mo）が類似しているため、原鋼のコスト差はわずかです；30CrMoは、より高い炭素含有量が下流の熱処理要求や潜在的な厳しい加工管理に影響を与えるため、トンあたりわずかに高くなる可能性があります。
- 熱処理および加工コスト：30CrMoは、より厳格な予熱/PWHTや、管理されていない場合の焼入れ亀裂への感受性が高いため、しばしばより高いプロセスコストが発生します。また、焼戻しサイクルが長くなることもあります。
- 製品形状による入手可能性：両方は主要なサプライヤーからバー、鍛造品、プレート、リングの形状で広く入手可能です；リードタイムは必要な熱処理と認証に依存します。
10. まとめと推奨
| 属性 | 20CrMo | 30CrMo |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れている（低CE） | 劣る（高CE） |
| 強度–靭性バランス | 同等の強度でより延性/靭性がある | より高い達成可能な強度と硬度、低い延性 |
| コスト（材料 + 加工） | 中程度 | 加工によるわずかに高い全体コスト |
推奨： - より良い溶接性、より高いコア靭性、より簡単な製造、および焼入れ関連の亀裂に対する安全なマージンが必要な場合は20CrMoを選択してください—延性コア、簡単な溶接手順、または中程度の強度レベルでの疲労抵抗が必要な部品に典型的です。 - より高い焼入れ・焼戻し強度またはより高い最終硬度（摩耗または荷重の理由で）が必要な場合、そして制御された溶接手順、適切な予熱/PWHT、および厳格な熱処理管理を指定できる場合は30CrMoを選択してください。
最終ノート：常に正確な規格、必要な熱処理条件、および受入試験基準を指定してください。ミル証明書を確認し、重要な部品については、設計仮定を検証するために、機械試験（引張、CVN）、硬度マップ、および正確な熱処理バッチの破壊靭性データを要求してください。