2Cr13 対 3Cr13 – 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、部品のためにマルテンサイト系ステンレス鋼を指定する際に、コストと加工性を強度、耐摩耗性、耐腐食性とバランスさせるという共通の選択ジレンマに直面することがよくあります。2Cr13と3Cr13は、バルブ部品、シャフト、ファスナー、摩耗部品に頻繁に考慮される2つの密接に関連したマルテンサイト系ステンレス鋼のグレードであり、選択は通常、サービス負荷、必要な硬度、溶接性、表面仕上げのニーズに依存します。
これら2つのグレードの主な違いは、炭素戦略にあります：1つのグレードは、靭性と加工の容易さを優先するために適度な炭素レベルで設計されており、もう1つは、熱処理後の硬化性と耐摩耗性を高めるためにより高い炭素比率を含んでいます。彼らは類似のクロム含有量を共有しているため、設計者はマルテンサイト系ステンレスソリューションが必要な場合に比較しますが、強度/硬度と靭性/溶接性の間のトレードオフを考慮しなければなりません。
1. 規格と指定
- 一般的な国際的参照と同等物：
- GB（中国）：ステンレス鋼のさまざまなGB/T規格の下で2Cr13、3Cr13として指定されたグレード。
- JIS（日本）/ SUS同等物：これらのグレードは、炭素レベルに応じて、JIS/SUSマルテンサイト系ファミリー（例えば、SUS410/420付近）と大まかに同等と見なされることがよくあります。
- EN / ASTM / ASME：2Cr13/3Cr13に対する単一の1対1のENまたはASTM指定はありません。代わりに、マルテンサイト系ステンレス分類（例：EN X20Cr13同等物またはASTM A276タイプのリスト）およびサプライヤーのクロスリファレンステーブルを参照してください。
- 分類：2Cr13と3Cr13の両方はマルテンサイト系ステンレス鋼（すなわち、約12〜14％のCrを含む熱処理可能なステンレス鋼）であり、厳密な意味ではオーステナイト系ステンレス鋼、HSLA、または工具鋼ではありませんが、硬化後の特性は一部のアプリケーションで硬化工具鋼の特性に似ることがあります。
2. 化学組成と合金戦略
表：典型的な組成範囲。注：商業仕様は製鋼所や規格によって異なるため、各熱またはバーの実際の分析証明書を常に確認してください。
| 元素 | 2Cr13（典型的な範囲） | 3Cr13（典型的な範囲） |
|---|---|---|
| C（炭素） | ~0.15–0.25 wt%（中程度） | ~0.24–0.33 wt%（高め） |
| Mn（マンガン） | ≤ 1.0 wt%（通常0.3–1.0） | ≤ 1.0 wt% |
| Si（シリコン） | ≤ 1.0 wt%（脱酸剤） | ≤ 1.0 wt% |
| P（リン） | ≤ 0.03–0.04 wt% | ≤ 0.03–0.04 wt% |
| S（硫黄） | ≤ 0.03–0.04 wt% | ≤ 0.03–0.04 wt% |
| Cr（クロム） | ~12.0–14.5 wt% | ~12.0–14.5 wt% |
| Ni（ニッケル） | ≤ 0.5 wt%（通常は低い） | ≤ 0.5 wt% |
| Mo（モリブデン） | 通常はなしまたは微量 | 通常はなしまたは微量 |
| V, Nb, Ti, B, N | 通常は微量または指定なし | 通常は微量または指定なし |
戦略の説明 - クロム（Cr）：両方のグレードは、マルテンサイト系ステンレス鋼の特性である耐腐食性を提供し、急冷時にマルテンサイト微細構造の形成を可能にするために、類似のクロムを使用しています。 - 炭素（C）：主な差別化要因。3Cr13の高い炭素は、硬化性を高め、急冷/焼戻し後の達成可能な硬度を向上させ、耐摩耗性を改善しますが、低炭素の2Cr13に対して延性と溶接性を低下させます。 - 微量元素（Mn、Si、P、S）：脱酸、熱加工性、加工性のために制御されています。硫黄は自由加工バリアントで高くなることがありますが、耐腐食性と靭性を低下させます。 - 合金バランス：両方のグレードは主にCr–C鋼であるため、特性を調整するためにNi、Mo、Vの大幅な添加に依存するのではなく、炭素とクロムのバランスに依存しています。
3. 微細構造と熱処理応答
- 基礎微細構造：製造された状態および溶液処理された状態では、両方のグレードは通常オーステナイトまたは部分的にオーステナイトであり、製造履歴に応じて異なります。適切な急冷後、マルテンサイトを形成します。
- 炭素の影響：
- 2Cr13（中程度の炭素）：高炭素グレードと比較して、急冷後の四方晶性が低く、初期硬度が低いマルテンサイト微細構造を生成します。焼戻しは、過度の脆さのリスクを減らしながら、強度と靭性のバランスを生み出します。
- 3Cr13（高炭素）：熱処理後に硬いマルテンサイトの体積分率が高く、保持された炭化物が多くなり、急冷および焼戻し後の硬度が高くなりますが、適切に焼戻ししないと焼戻し脆化の感受性が高まります。
- 熱処理ルート：
- アニーリング/ソフトアニーリング：加工のために硬度を下げるために使用されます。両方のグレードはソフトアニーリングに良く反応しますが、3Cr13は同等のアニーリングサイクルであっても2Cr13よりも硬くなります。
- 急冷および焼戻し：グレード特有の温度（一般的にCr13型鋼の950〜1020 °C範囲、サプライヤーに相談）でオーステナイト化し、急冷（セクションサイズと合金に応じて油/空気）し、目標硬度に焼戻します。3Cr13は炭素のため、与えられた焼戻し温度でより高い硬度を達成します。
- 正規化および熱機械的：正規化は粒子サイズを精製し、靭性を改善できます。重い合金化または高炭素は、過度の硬化性と急冷時の亀裂を避けるためにより注意深い制御を必要とします。
4. 機械的特性
表：比較機械的特性傾向（値は熱処理に依存し、範囲は指標です）。
| 特性 | 2Cr13（典型的） | 3Cr13（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度 | 中程度-高（熱処理に依存） | 高い（硬化後により高いUTSに達することができる） |
| 降伏強度 | 中程度 | 高い |
| 伸び（延性） | より良い延性/伸び | 2Cr13に対して伸びが減少 |
| 衝撃靭性 | 一般的に高い（より良い靭性） | 硬化時の衝撃靭性が低い |
| 硬度（HRCまたはHB） | 焼戻し後の最大硬度が低い | 焼戻し後の達成可能な硬度が高い |
説明 - 強度対延性：3Cr13の高い炭素は、マルテンサイト化した後に引張強度と降伏強度を上昇させますが、延性と衝撃靭性の代償を伴います。2Cr13は、よりタフな挙動を必要とするアプリケーションに対して、よりバランスの取れた特性セットを提供します。 - 注：正確な値はオーステナイト化温度、急冷媒体、セクションサイズ、焼戻しスケジュールの関数であり、常にサプライヤーの特性データを使用し、重要なアプリケーションでは資格試験を実施してください。
5. 溶接性
溶接性は主に炭素含有量、合金化（Cr、Mn、Mo、V）、およびセクションの厚さによって影響を受けます。高炭素は、熱影響部（HAZ）における硬く脆いマルテンサイトのリスクを高め、予熱/後熱の必要性を増加させます。
有用な定性的指標： - 炭素等価（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm式（ステンレス鋼に実用的）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈 - 3Cr13は高炭素のため、2Cr13よりも高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を示し、HAZで硬く冷裂しやすい微細構造を形成する傾向が高いことを示唆しています。予熱、制御されたインターパス温度、および溶接後の焼戻し（PWHT）は3Cr13にとってより重要です。 - 2Cr13は標準的な工場の実践においてより溶接しやすく、一般的なフィラー金属や溶接プロセスに対してより適応性がありますが、両方のグレードは構造的または圧力を受ける溶接に対して慎重な制御と適切なフィラー材料のマッチングを必要とする場合があります。
6. 腐食と表面保護
- 腐食挙動：両方のグレードはクロムが約12〜14.5％のマルテンサイト系ステンレス鋼です。オーステナイト系グレード（例：304/316）と比較して、限られた耐腐食性を提供します。局所的な腐食（ピッティング、クレバス）抵抗は限られており、特に塩素環境では制限されています。
- 非ステンレスの考慮事項：部品がステンレスである必要がない場合や腐食環境で使用される場合は、保護コーティング（ステンレスに通常使用されない亜鉛メッキの代わりに、メッキ、パッシベーション、またはポリマーコーティングを検討）を適用するか、より高いCr/Cr–Moステンレスグレードを指定する方が適切かもしれません。
- PREN（オーステナイト/デュプレックスグレード用；マルテンサイトCr13鋼にはあまり有益ではありませんが、完全性のために提供）： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 明確化：PRENは、MoとNが大きく変動するオーステナイト/デュプレックスステンレス鋼のピッティング抵抗をランク付けするために主に使用されます。2Cr13/3Cr13にとって、MoとNは通常最小限であるため、PRENは限られた有用性があります。
7. 製造、加工性、成形性
- 加工性：高炭素および硬い微細構造は加工性を低下させます。アニーリング状態では、両方のグレードは合理的に加工可能ですが、2Cr13は一般的に3Cr13よりも加工しやすいです。自由加工バリアント（SまたはSeを追加したもの）が存在する場合がありますが、耐腐食性/靭性を犠牲にします。
- 成形性：低炭素の2Cr13は、より良い冷間成形性と曲げ性を提供します。3Cr13は、特に硬化している場合、延性が低く、中間アニーリングなしで成形するのには適していません。
- 研削および仕上げ：3Cr13の熱処理後の高い硬度は、研削および仕上げをより手間のかかるものにしますが、仕上げ面の耐摩耗性を向上させます。表面仕上げの要件と公差は選択に影響を与えます：タイトな仕上げと高い摩耗が必要な場合、3Cr13はより高い加工コストを正当化するかもしれません。
8. 典型的な用途
表：グレードごとの典型的な使用。
| 2Cr13（一般的な用途） | 3Cr13（一般的な用途） |
|---|---|
| 靭性と溶接性が重要なバルブステム、ポンプシャフト、ファスナー | 高い硬度と耐摩耗性を必要とする摩耗部品、切削エッジ、小型シャフトおよびベアリング |
| 中程度の耐腐食性を必要とする汎用マルテンサイト部品 | 耐摩耗性のために硬化される部品（例：せん断刃、小型工具） |
| フィレット溶接または工場製造が必要な部品 | 最小限の溶接後の操作が期待される最終硬度に製造された部品 |
選択の理由 - サービスが中程度の強度、より良い靭性、より寛容な製造/溶接を要求する場合は2Cr13を選択してください。 - 高い急冷/焼戻し硬度と耐摩耗性が優先され、製造が制御または最小化できる場合は3Cr13を選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：3Cr13は、一部の市場では炭素管理が厳しく、追加の加工（例：より高い硬度への急冷/焼戻し）のためにわずかに高い原材料コストがかかる場合があります。ただし、価格差は通常、高合金ステンレスグレードと比較して控えめです。
- 製品形状による入手可能性：両方のグレードは、地域の製鋼所からバー、ワイヤー、鍛造品、スタンプ部品として一般的に入手可能ですが、国や製鋼所のプログラムによって入手可能性は異なる場合があります。調達マネージャーは、リードタイムを確認し、サプライヤーが必要な熱処理および検査証明書を提供できるかどうかを確認する必要があります。
10. まとめと推奨
まとめ表（定性的）：
| 属性 | 2Cr13 | 3Cr13 |
|---|---|---|
| 溶接性 | より良い（低炭素） | より難しい（高炭素） |
| 強度–靭性バランス | 靭性と延性に偏ったバランス | より高い強度と硬度に偏ったバイアス |
| コスト（典型的） | わずかに低いか同等 | わずかに高い加工コストの可能性 |
結論と推奨 - 靭性、溶接性、合理的な耐腐食性をバランスさせたマルテンサイト系ステンレスが必要な場合は2Cr13を選択してください。 - 急冷および焼戻し後の達成可能な硬度と耐摩耗性が主な要件であり、溶接/製造を最小化または制御できる場合は3Cr13を選択してください。
最終的な注意：両方のグレードは熱処理に強く反応します。サービス中の性能は、選択されたオーステナイト化および焼戻しの実践によって、名目上の組成と同じくらい決まります。常にサプライヤーの材料証明書で機械的、腐食、溶接性の性能を検証し、重要なアプリケーションでは溶接手順の資格試験およびコンポーネントレベルのテストを実施してください。