20R対20MnR – 成分、熱処理、特性、および用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
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、コスト、成形性、機械的性能のバランスを取る低合金炭素鋼の選択を頻繁に行います。調達や設計で遭遇する2つのグレードは20Rと20MnRです。典型的な意思決定の文脈には、強度、靭性、硬化性、溶接性のトレードオフが重要な鍛造または機械加工部品のベース材料を選択することが含まれます。例えば、シャフト、スタッド、ギア、溶接構造部品などです。
これらのグレードの主な工学的区別は、一方が本質的にプレーンな低炭素鋼であり、もう一方が意図的にマンガンを合金添加して硬化性と強度を高めていることです。これにより延性の大きな犠牲を伴わずに、熱処理応答、機械的特性、およびさまざまな製造ルートへの適合性に影響を与えます。これがデザイナーが一般的に比較する理由です。
1. 規格と指定
- 同様の指定グレードが現れる一般的な標準システム：
- GB/T（中国） — 20、20Mn、20R、20MnRなどのグレードが国内の実務やサプライヤーカタログで使用されています。
- EN（ヨーロッパ） — 大まかに比較可能なENグレードには、1.0xxxまたは1.1xxxファミリーの鋼（例：EN C20、C20E）や低合金鋼（例：20Mn相当）が含まれます。
- JIS（日本）およびASTM/ASME（米国）は常に同じ数値ラベルを使用するわけではありませんが、同等の鋼は存在します（例：プレーンな0.20%C鋼のAISI 1020）。
- 分類：
- 20R — 低炭素構造鋼（プレーン炭素鋼）、一般的な構造部品や機械加工部品に使用されます。
- 20MnR — 低合金炭素鋼（炭素 + マンガン）、マンガン強化構造鋼として分類され、時には厚いセクションでの硬化性や強度の向上のために指定されます。
- 注：サフィックス「R」は、特定の処理（例：リムド、圧延、または精製グレード）を示すためにサプライヤーまたは国の指定に現れることがあります。調達が正確な特性を必要とする場合は、常に製鋼所からの正確な標準と証明書を確認してください。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、典型的な組成特性を要約しています。これらは、2つのグレードの対比を示すために使用される代表的な業界範囲です。設計や調達の際には、製鋼所の証明書または適用される標準からの正確な組成を常に使用してください。
| 元素 | 20R（典型的特性） | 20MnR（典型的特性） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 低炭素含有量 — 名目上約0.17–0.24 wt% | 低炭素含有量 — 同様の名目炭素だが、炭化/硬化性のために制御される場合がある |
| Mn（マンガン） | 低から中程度のMn（強度/脱酸役割） | 高いMn含有量（強度と硬化性のための主要な合金元素） |
| Si（シリコン） | 小さな脱酸剤添加 | 同様の低Si; 処理のために制御される |
| P（リン） | 低く保たれる（不純物制限） | 低く保たれる（不純物制限） |
| S（硫黄） | 低い（延性を改善） | 低い（靭性のためにより厳しく制御される場合がある） |
| Cr、Ni、Mo、V、Nb、Ti、B、N | 一般的に最小限または微量レベル、指定されない限り | 一般的に最小限、意図的に添加されたMnを除く; 一部のバリアントには微合金化が存在する場合がある |
合金戦略が性能に与える影響： - 炭素は主に強度と硬化性を制御します。両方のグレードは良好な成形性と溶接性のために低炭素です。 - 20MnRのマンガンは引張強度、硬化性（厚いセクションでのマルテンサイト/ベイナイト形成能力を速い冷却で向上させる）を増加させ、適切に熱処理されると靭性にも寄与します。 - 他の合金元素および微量元素（Si、S、P）は、延性、機械加工性、成形性のバランスを取るために制御されます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造と処理が各グレードに与える影響：
- 20R:
- 圧延または正規化：主にフェライトと分散したパーライト — 成形および機械加工に適した柔らかく延性のあるマトリックス。
- 焼入れと焼戻し：低Mnのため硬化性が限られる; 表面および薄いセクションは硬化可能だが、厚いセクションは非常に速い冷却なしでは高いマルテンサイト分率を発展させない。
-
正規化は均一性を改善し、粒子サイズを精製し、強度と靭性にわずかな改善をもたらします。
-
20MnR:
- 圧延または正規化：20Rよりも高いパーライトの体積分率を持つフェライト; 微細構造は硬く、納入状態では変形しにくい。
- 焼入れと焼戻し：高い硬化性により厚いセクションでの深い硬化が可能; 適切なT/Tサイクルを使用すると、20MnRはより高い強度レベルと好ましい靭性を達成できます。
- 熱機械処理（制御圧延）は、強度と靭性のバランスを改善した精製されたフェライト/パーライトまたはベイナイト微細構造を生成できます。
実用的な意味：20MnRは焼入れ/焼戻しに対してより良い応答を示し、同等の熱処理条件で20Rよりも大きな断面でより高い強度を提供します。
4. 機械的特性
代表的な機械的特性の対比が定性的に示され、エンジニアが選択に一般的に使用する典型的な範囲が示されています。正確な設計数値には製鋼所の証明書または試験報告を使用してください。
| 特性 | 20R（典型的） | 20MnR（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（Rm） | 中程度（例：正規化状態での低から中程度の数百MPa範囲） | 同等の熱処理で20Rより高い; Mnと硬化性によって増加 |
| 降伏強度（Rp0.2） | 中程度 | 20Rより高い |
| 伸び（%） | 良好な延性 | 強度が同等である場合、パーライト/強度が高いためわずかに低い延性 |
| 衝撃靭性（シャルピー） | 一般的に良好、特に正規化時 | 適切に熱処理されると同等またはそれ以上になる可能性がある; Mnは微細構造が制御されているときに靭性を改善できる |
| 硬度（HRC/HB） | 圧延/正規化状態では低い | Mnによる焼入れと焼戻し後または圧延時に達成可能な硬度が高い |
どちらが強いか、靭性があるか、延性があるか、そしてその理由： - 強度：20MnRは通常、同じ熱処理のためにより高い強度（引張および降伏の両方）を提供します。マンガンはより硬いパーライト/ベイナイト微細構造を促進し、硬化性を高めます。 - 靭性：適切な処理を行うことで、20MnRは20Rの衝撃靭性に匹敵するかそれを超えることができます。ただし、不適切な熱処理や過剰な冷却速度は高Mn鋼を脆くする可能性があります。 - 延性：20Rは、硬い成分の割合が低いため、アニーリング/正規化状態でより延性がある傾向があります。
5. 溶接性
溶接性は炭素当量と微合金化の影響を受けます。2つの一般的に使用される経験則は、定性的な解釈に役立ちます。評価のために適用可能な形式をここに挿入してください。
IIW炭素当量の表示形式： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
いくつかの仕様で使用されるより包括的なパラメータ： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 20R：低いMnと低いCは比較的低い炭素当量値を与えます → 一般的に良好な溶接性、低い冷却亀裂のリスク、薄いセクションのための最小限の予熱が必要です。 - 20MnR：高いMnは20Rと比較して$CE_{IIW}$と$P_{cm}$を増加させ、厚いセクションや高い拘束溶接において熱影響部（HAZ）での硬化帯形成や水素助けの亀裂のリスクを示します。予熱と制御されたインターパス温度、適切なフィラー金属、溶接後熱処理（PWHT）がリスクを軽減できます。 - 微合金化元素（存在する場合）や残留応力も溶接性に影響を与えます。常に実際の認証化学に対して炭素当量を計算し、溶接手順仕様（WPS）に従ってください。
6. 腐食と表面保護
- 20Rも20MnRもステンレス鋼ではありません。腐食抵抗は低炭素鋼に典型的であり、露出した環境に対して表面保護が必要です。
- 典型的な保護方法：塗装、コーティング、熱浸漬亜鉛メッキ、電気メッキ、またはサービス環境と設計寿命に応じた犠牲的腐食保護。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は非ステンレス低合金鋼には適用されません。ステンレス合金にのみ以下を使用してください： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 選択ガイダンス：腐食抵抗が重要な要因である場合は、適切な保護コーティングを指定するか、20R/20MnRの代わりに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、機械加工性、成形性
- 機械加工性：
- 20R：アニーリング/正規化状態で一般的に良好な機械加工性; 低いMnと低い硬度が切削を容易にします。
- 20MnR：強度が高く微細構造が硬いため、機械加工性がわずかに低下します; アニーリングまたは適切な焼戻し後に機械加工性が改善されます。
- 成形性と冷間加工：
- 20R：より高い延性のため、曲げ、深絞り、冷間成形に適しています。
- 20MnR：多くの構造用途に対して成形性は十分ですが、厳しい成形にはより大きな曲げ半径や中間アニーリングが必要な場合があります。
- 表面仕上げ：
- 両方とも標準的な仕上げ方法（研削、研磨、ショットピーニング）を受け入れますが、より高い強度（20MnR）は工具の摩耗と成形に必要なエネルギーを増加させます。
8. 典型的な用途
| 20R — 典型的な用途 | 20MnR — 典型的な用途 |
|---|---|
| 一般的な構造部品、シャフト、ピン、スタッド、軽負荷の機械加工部品、コストと成形性が主な関心事である溶接フレーム | より高い強度/硬化性を必要とするシャフトやアクスル、より深い硬化が必要なギア、焼入れおよび焼戻しされた部品、耐摩耗性構造部品 |
| 良好な延性と溶接の容易さを強調する用途 | 強度の向上、より良い硬化性、または制御された熱処理が性能を改善する用途 |
選択の理由： - 設計が成形性、溶接性、低材料コストを優先し、必要な強度レベルが控えめまたは簡単な加工で達成可能な場合は20Rを選択してください。 - 厚いセクションでのより高い納入強度やより良い硬化性が必要な場合、または焼入れと焼戻し処理がより高い性能目標を達成することを意図している場合は20MnRを選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：20MnRは、意図的に高いマンガン含有量と追加の処理管理の可能性のため、通常はプレーンな20Rよりもわずかに高価です。正確なプレミアムは地域の製鋼所の提供や市場条件によって異なります。
- 入手可能性：両方のグレードは、地域の製鋼所やディストリビューターから一般的にプレート、バー、鍛造品で入手可能ですが、特定の製品形状（例：大きな鍛造品、特定の熱処理）での認証された20MnRの入手可能性はプレーンな20Rよりも制限される場合があります。リードタイムは形状、サイズ、熱処理によって異なる場合があります。
10. まとめと推奨
| 属性 | 20R | 20MnR |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（低いCE） | 中程度 — より多くの溶接管理が必要（高いCE） |
| 強度–靭性バランス | 中程度の強度、良好な延性 | 適切に熱処理されると良好な靭性を持つより高い達成可能な強度 |
| コスト | 低い | 中程度（20Rより高い） |
推奨： - 一般的な構造部品、機械加工部品、または重いセクションの硬化性が必要ない溶接アセンブリのために、コスト効果が高く、容易に機械加工および成形できる鋼が必要な場合は20Rを選択してください。 - アプリケーションが改善された硬化性、より高い納入強度、または厚いセクションでの焼入れと焼戻しによってより高い強度を達成する能力を必要とする場合は20MnRを選択してください。例えば、アクスル、ギア、または通し硬化や高い疲労抵抗が重要な部品です。
最終的な注意： - 製鋼所の試験証明書に記載された正確な化学および機械的仕様を常に確認し、購入注文に関連する標準を指定してください。 - 溶接構造物や重要な部品の場合は、認証された化学を使用して適用可能な炭素当量（例：$CE_{IIW}$または$P_{cm}$）を計算し、資格のある溶接手順に従ってください。 - 腐食、疲労寿命、または破壊靭性が設計要件の主要な要因である場合は、材料の適格性試験を実施するか、これらの特性に特に指定された材料を選択してください。