25# vs 35# – 組成、熱処理、特性、および応用
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はじめに
エンジニアや調達チームは、コスト、加工性、機械的性能のバランスを取る必要があるシャフト、ピン、ブッシング、一般的な構造部品の炭素鋼を指定する際に、頻繁に25#と35#のどちらかを選択します。典型的な意思決定の文脈には、大型製作物の成形や溶接を優先するか、より高い静的または動的荷重を支える部品において鍛造/熱処理された強度を優先するかが含まれます。
この2つのグレードの主な違いは炭素含有量と、それに伴う強度と延性のバランスです：高炭素グレードは、延性や一部の溶接性を犠牲にして、より高い強度と硬度の可能性を示します。両者は同様の製品形態で広く使用されるプレーンカーボン鋼であるため、設計者は直接比較し、追加の強度（および潜在的に熱処理）が成形性、靭性、製造の複雑さにおけるトレードオフを正当化するかどうかを判断します。
1. 規格と指定
- 一般的な国内および国際標準システムは、同等のプレーンカーボン鋼を参照する場合がありますが、文字通りの指定「25#」および「35#」は中国の材料命名法で最も一般的に見られます。
- 典型的な関連標準ファミリー：
- GB（中国）：25#、35#（プレーンカーボン鋼）
- ASTM/ASME：成分/特性による比較可能なプレーンカーボン鋼グレード（文字通りの「#」指定ではなく）
- EN：炭素および引張要求に基づいて選択されたEN 10025/10083ファミリーまたはEN同等の鋼
- JIS：C含有量および機械的特性に基づいてリストされた日本のプレーンカーボン鋼の同等物
分類：25#と35#はどちらもプレーンカーボン鋼（非合金）です。標準形態ではステンレス鋼、HSLA鋼、または工具鋼ではありません。特性を変更するために熱処理を適用できますが、基本的な分類は変更されません。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | 典型的な25#（定性的） | 典型的な35#（定性的） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 低い炭素含有量（名目上約0.2–0.3%）—標準によって典型的な範囲は異なる | 高い炭素含有量（名目上約0.3–0.4%）—標準によって典型的な範囲は異なる |
| Mn（マンガン） | 低から中程度（脱酸、強度） | 低から中程度、しばしば同様またはわずかに高く、硬化性を制御 |
| Si（シリコン） | 小さな脱酸剤の添加 | 小さな脱酸剤の添加 |
| P（リン） | 制御された不純物（低く保たれる） | 制御された不純物（低く保たれる） |
| S（硫黄） | 制御された不純物（自由切削バリアントでは高くなる場合がある） | 制御された不純物 |
| Cr、Ni、Mo、V、Nb、Ti、B、N | 標準の25#/35#では通常意図的に添加されない；微量が存在する場合がある | 25#と同様—これらは特に合金バリアントとして生産されない限り合金鋼ではない |
注意： - 最も重要な組成の違いは炭素です。MnとSiの小さな調整は引張特性と脱酸に影響を与えます。他の合金元素は通常、標準の25#/35#には存在しません；存在する場合は、異なる指定グレードを示します。 - これらのグレードの合金戦略は最小限です：化学組成をシンプルに保ち、不純物を制御し、特定の特性向上が必要な場合にのみ熱処理または微合金化を使用します。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造： - 両グレードは、圧延または正規化された状態では通常、フェライト-パーライトの微細構造を持ちます。パーライトの体積分率は炭素含有量に応じて増加します。 - 25#: 高いフェライト分率、冷却に応じて粗い/細かいパーライト、一般的に圧延状態でより延性があり靭性が高い。 - 35#: より高いパーライト分率と、冷却を加速するために処理された場合にはより細かいパーライトを持ち、正規化された状態でより高い強度と硬度を得る可能性があります。
熱処理応答： - 正規化：粒構造を精製し、より均一なフェライト-パーライト分布を生成します。両グレードは正規化に良く反応します；35#はより高い炭素含有量のため、25#よりも高い正規化強度を達成します。 - アニーリング：両グレードの加工性または成形性を改善し、25#は完全アニーリング後に35#に対してより延性が高くなります。 - 硬化および焼戻し：両者は硬化可能ですが、硬化性は合金鋼に対して制限されています。35#は高い炭素含有量により、硬化後の硬度が高くなりますが、焼戻しを慎重に行わないと、硬化による亀裂のリスクが高まり、靭性が低下します。 - 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却により強度と靭性が向上しますが、劇的な硬化性の変化には、標準の25#/35#には存在しない合金添加が必要です。
4. 機械的特性
| 特性 | 25# | 35# | 比較コメント |
|---|---|---|---|
| 引張強度 | 中程度 | 高い | 35#は高いCと高いパーライト含量により強い |
| 降伏強度 | 中程度 | 高い | 高い炭素が35#の降伏を上げる |
| 伸び（延性） | 高い（より延性） | 低い（より延性が低い） | 25#はより良い伸びと成形性を持つ |
| 衝撃靭性 | 一般的に常温で良好 | 熱処理されていない場合、通常25#より低い | 高いCは靭性を低下させ、特に硬化後または冷たい条件で顕著 |
| 硬度 | 低い | 高い | 35#は同様の条件でより高い硬度を達成する |
解釈： - 35#は同等の熱機械状態でより強く/硬い選択肢です；25#は成形または動的荷重を受ける部品に対して、より良い延性と通常より良い衝撃抵抗を提供します。 - 高い靭性と大きな塑性変形が必要な部品には、25#が一般的に好まれますが、35#に対して後処理（例：焼戻し）が計画されている場合を除きます。
5. 溶接性
溶接性は主に炭素含有量、合金の組み合わせ、および断面の厚さに依存します。25#や35#のようなプレーンカーボン鋼の場合、炭素等価指数が広く使用され、予熱/後熱の必要性を推定します。
一般的な炭素等価式： - 国際的なガイダンスの例を表示： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 冷間亀裂感受性を予測するために使用されるより詳細な式： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 35#はより高い$C$を持つため、計算された$CE_{IIW}$および$P_{cm}$は25#よりも高くなり、熱影響部（HAZ）での硬化傾向が増し、水素助長冷間亀裂のリスクが高まります。したがって、35#は通常、より保守的な溶接手順を必要とします：予熱、制御されたインターパス温度、低水素電極、および厚さと拘束が重要な場合の後溶接熱処理。 - 25#は低い$C$を持つため、溶接に対してより寛容であり、中程度の厚さの場合は予熱なしで接合が容易であり、一般的に水素制御が少なくて済みます。
6. 腐食と表面保護
- 25#と35#はどちらも非ステンレスの炭素鋼であり、腐食保護のためにコーティングやバリアに依存しています。一般的な戦略：
- 屋外構造部品のためのホットディップ亜鉛メッキ。
- 大気保護のための塗装システム（エポキシプライマー、ポリウレタン上塗り）。
- 埋設または浸漬用途におけるカソード保護またはコーティング。
- PRENのようなステンレス指標はプレーンカーボン鋼には適用されません。例として、PRENは： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ しかし、これはステンレス合金にのみ関連し、25#も35#もPRENで評価されるべきではありません。
- 選択の注意：腐食抵抗が主要な設計要因である場合、25#や35#に頼るのではなく、ステンレス鋼または腐食抵抗合金を選択してください。
7. 製造、加工性、成形性
- 成形性と曲げ：25#は延性が高いため、冷間で曲げやすい；35#はスプリングバックしやすく、推奨半径を超えて曲げると亀裂が生じる可能性があります。
- 加工性：受け取った状態では、25#は柔らかいときに加工条件が容易になります；ただし、わずかに高い炭素は一部の操作でチップ形成を改善することがあります。一般的に、高炭素の35#はより高い切削力を必要とし、硬化状態では工具寿命が短くなる可能性があります。
- 切削、研削、仕上げ：両者は標準的な加工慣行に応じますが、35#の硬化または焼戻しされたものに対する操作は、より高強度の鋼に対して計画されるべきです（遅い速度、硬い工具、冷却剤）。
- 表面処理（メッキ、コーティング）は両グレードで同様に機能しますが、溶接やコーティングのための表面準備は、より高強度の硬化表面でより重要になる可能性があります。
8. 典型的な用途
| 25# — 典型的な用途 | 35# — 典型的な用途 |
|---|---|
| 成形と溶接が重要な低から中強度のシャフト、ピン、ボルト、一般的なフィッティング | より高い熱処理強度を必要とするシャフト、車軸、ギア、ジャーナルピン、および部品 |
| プレス加工および曲げ部品、構造ブラケット、農業機器 | 焼入れ/焼戻しされる部品またはサービス中により高い耐摩耗性を必要とする部品 |
| コストが低く、溶接が容易な一般的な製造 | 強度の向上がより複雑な加工を正当化する小型の高負荷部品または鍛造品 |
選択の理由： - 溶接性、延性、成形の容易さが重要であり、極端な強度が必要ない場合は25#を選択してください。 - より高い基準強度または硬化性が必要で、設計が延性の低下や追加の熱処理/溶接制御を許容できる場合は35#を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：両者は商品炭素鋼であり、25#は通常、炭素含有量が低く、処理制約が少ないため、35#よりもわずかに安価です。価格差は通常、合金鋼や特殊鋼に対しては小さいです。
- 入手可能性：両グレードは一般的な製品形態（バー、プレート、ビレット、鍛造品）で広く入手可能であり、「#」指定が一般的な地域では特にそうです。標準の熱間圧延または正規化製品のリードタイムは一般的に短く、焼入れおよび焼戻しされた納品は長くなります。
- 調達の注意：購入文書に必要な熱処理および機械的特性を指定してください；プレーン指定のみでは、納入特性に変動が生じる可能性があります。
10. 概要と推奨
| 指標 | 25# | 35# |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（低いCE傾向） | 低い（高いCE；より多くの溶接制御が必要） |
| 強度–靭性バランス | 低い強度、より良い靭性/延性 | 高い強度、延性/靭性が低下（焼戻ししない限り） |
| コスト | わずかに低い | わずかに高い |
推奨： - 良好な成形性、容易な溶接、圧延状態でのより良い衝撃抵抗が必要で、部品が高強度や重い後処理を必要としない場合は25#を選択してください。 - 基準となる高い引張/降伏強度が重要である場合、または部品が指定された耐摩耗性や強度目標を達成するために熱処理される場合、適切な溶接および製造制御を適用できる場合は35#を選択してください。
実用的なガイダンスの結論： - 大きな板厚の溶接製作物や水素亀裂のリスクを最小限に抑える必要がある場合は、デフォルトで低炭素の25#を使用するか、35#が必要な場合は予熱/後熱手順を指定してください。 - 硬化されるか、サイクリック荷重下で運転される機械加工部品には、定義された焼入れおよび焼戻しスケジュールを持つ35#を検討するか、高性能が必要な場合は優れた硬化性と靭性を持つ低合金鋼を評価してください。 - 「25#」と「35#」の納入間での曖昧さを避けるために、調達文書に正確な材料標準、必要な機械的特性、および熱処理や検査要件を常に指定してください。