3Cr13 対 4Cr13 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

3Cr13および4Cr13は、適度な耐腐食性と耐摩耗性、強度のバランスが求められる部品に広く使用されるマルテンサイト系ステンレス鋼のグレードです（例：カトラリー、バルブ、シャフト、ポンプ部品）。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの2つのグレードを選択する際に、機械的強度/硬化性と延性/溶接性の間でトレードオフに直面することが一般的です。

主な技術的な違いは、4Cr13の方が3Cr13よりも炭素含有量が高く、これにより硬化性、達成可能な硬度、強度が向上しますが、延性と溶接性は犠牲になります。両者は類似のクロム含有量を持つため、マルテンサイト系ステンレス鋼に対して比較可能な基本的な耐腐食性を提供しますが、処理方法と最終的な特性は主に炭素と微妙な合金の違いによって異なります。

1. 規格と呼称

• 主な呼称：中国国家（GB）命名規則—3Cr13および4Cr13。
• 分類：マルテンサイト系ステンレス鋼（ステンレス、焼入れ可能、通常はマルテンサイトに熱処理可能）。
• おおよそのファミリー同等物：これらのグレードは、AISI/UNSマルテンサイト系ステンレス鋼と同じ一般的なファミリーに位置しています（一般的に410/420シリーズと比較されます）が、規格間での1:1の対応は保証されていません—正確なマッピングについては特定の規格文書または製鋼所証明書を参照してください。
• 比較可能なステンレスマルテンサイト材料について参照すべき他の規格：ASTM/ASME（ステンレスプレート/シート用のA240ファミリー；バー用の特定のUNS番号）、JIS（SUSマルテンサイトシリーズ）、およびEN（マルテンサイト系ステンレス鋼の呼称）。適用される規格またはサプライヤーデータシートで組成および機械的特性表を常に確認してください。

2. 化学組成と合金戦略

表：典型的な化学組成範囲（wt%）。これらは仕様で頻繁に使用される代表的な範囲です；常に材料証明書から正確な組成を確認してください。

元素	3Cr13（典型的範囲）	4Cr13（典型的範囲）
C	0.18 – 0.30	0.28 – 0.40
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	12.0 – 14.0
Ni	≤ 0.6	≤ 0.6
Mo	≤ 0.1	≤ 0.1
V	≤ 0.1（通常は指定されない）	≤ 0.1
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	微量	微量

注意： - 支配的意図的合金元素はクロム（≈12–14%）で、基本的なステンレス特性を提供し、焼入れ後にマルテンサイトマトリックスをサポートします。
- 主な意図的な違いは炭素です：4Cr13は硬化性と達成可能な硬度を高めるために高い炭素で配合されています。微量元素（Mn、Si）は主に脱酸剤であり、硬化性にわずかに影響します；Mo、V（存在する場合）は硬化性と焼入れ抵抗をわずかに向上させます。Ti/Nb/Bはこれらのグレードには一般的に顕著な量では存在しません。

合金が挙動に与える影響： - 炭素：マルテンサイトと炭化物の形成を促進することにより、引張強度、硬度、耐摩耗性を増加させます；延性と溶接性を低下させます。
- クロム：耐腐食性（不活性膜）を提供し、硬化性を増加させます；クロムが低すぎると耐腐食性能が低下します。
- Mo、V：小量存在する場合、焼入れ抵抗と耐摩耗性を高めます。
- Mn/Si：脱酸、強度、靭性にわずかに影響します。

3. 微細構造と熱処理反応

両方のグレードは、マルテンサイト微細構造に熱処理されるように設計されています。典型的な冶金的経路と反応：

• 供給時（焼鈍または正規化）：炭素レベルに応じて、フェライト/パーライトといくつかの炭化物。3Cr13は、同じ処理状態の4Cr13と比較して、通常はより柔らかいマトリックスと細かい炭化物分布を持ちます。
• 焼入れと焼戻し：マルテンサイト構造と望ましい硬度/靭性のバランスを発展させるための標準的な経路。
• オーステナイト化（類似のマルテンサイト系ステンレス鋼の典型的範囲：980–1050 °C）して、炭化物を溶解し均一なオーステナイトを形成します。
• 焼入れしてオーステナイトをマルテンサイトに変換します。高炭素（4Cr13）は、硬いマルテンサイトと保持された炭化物の割合を高めます；4Cr13は通常、同じ焼入れで3Cr13よりも高い硬度を達成します。
• 目標の硬度/靭性のトレードオフに応じて、150–650 °Cで焼戻しします。焼戻しは硬度を低下させますが、靭性を改善します；4Cr13は疲労抵抗を保持し、過度の脆さを避けるためにより注意深い焼戻しが必要です。
• 正規化：粒径を精製し、偏析を減少させることができます；必要に応じて焼戻しを行います。
• 熱機械処理：冷間加工とその後の焼戻しは、転位密度と最終的な強度に影響を与えます；4Cr13は高いCのため、冷間加工による硬化に対してより敏感です。

微細構造の結果： - 3Cr13：炭素含有量が低いマルテンサイト — 硬度はやや低く、同等に焼戻しされた場合、延性と靭性が向上します。 - 4Cr13：炭素含有量が高いマルテンサイト — 硬度と耐摩耗性が高く、適切に熱処理されない場合、脆いマルテンサイトと炭化物ネットワークのリスクが高くなります。

4. 機械的特性

表：典型的な焼入れ＆焼戻し処理後の機械的特性範囲（注：値は参考値です；サプライヤーデータで確認してください）。

特性	3Cr13（典型的）	4Cr13（典型的）
引張強度（MPa）	600 – 900	800 – 1100
降伏強度（0.2%オフセット、MPa）	350 – 650	550 – 900
伸び（%）	10 – 20	6 – 15
衝撃靭性（J、シャルピーVノッチ）	中程度（焼戻しによって変化）	低い（同じ硬度で）
硬度（HRC、焼戻し後）	HRC 38 – 52	HRC 45 – 58

解釈： - 4Cr13は、より高い炭素とわずかに大きな硬化性により、3Cr13よりも高い強度と硬度レベルに達することができます。
- 3Cr13は、同等の焼戻し条件下でより靭性があり、延性が高い傾向があります；4Cr13は、耐摩耗性と静的強度を高めるために延性と靭性をトレードオフします。
- 衝撃靭性は焼戻しに大きく依存します；衝撃や衝撃に対する抵抗が必要な用途では、適切な焼戻しが重要であり、3Cr13は通常、より広い靭性ウィンドウを提供します。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素と硬化性によって影響を受けます。高炭素は熱影響部（HAZ）でのマルテンサイト形成のリスクを高め、亀裂の傾向を増加させ、予熱および溶接後熱処理（PWHT）が必要になります。

有用な予測式（定性的解釈のみ）： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（溶接性指数）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的ガイダンス： - 4Cr13はCが高いため、計算された$CE_{IIW}$および$P_{cm}$は通常3Cr13よりも高く、溶接性が低く、HAZの硬化および冷間亀裂の可能性が高いことを示します。
- ベストプラクティス：予熱を制御し、インターパス冷却速度を制限し、適切なフィラー金属（炭素が一致またはわずかに低いもの）を使用し、必要に応じてHAZマルテンサイトを焼戻すためにPWHTを適用します。3Cr13は従来の溶接慣行に対してより寛容ですが、厚い部品や拘束条件では予熱が必要な場合があります。

6. 腐食と表面保護

• 両方のグレードはステンレスマルテンサイト系（≈12–14% Cr）であり、保護的な不活性層を形成し、普通の炭素鋼よりも優れた耐腐食性を持ちますが、オーステナイト系（304/316）やデュプレックスグレードに比べて攻撃的な媒体では劣ります。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの低Mo、低Nマルテンサイト系ステンレス鋼には一般的に有用ではありません。完全性のために： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• これらのグレードではMoとNが通常ゼロに近いため、PREN値はデュプレックスやオーステナイト合金と比較して低くなります；したがって、これらのグレードは軽度の腐食環境（大気、軽度の酸性/アルカリ性、限られた塩素曝露）には適していますが、コーティングや陰極保護なしで重度の塩素を含む媒体には適していません。
• 非ステンレスの比較物に対する表面保護は適用されません；これらのステンレスマルテンサイト系に対して一般的な保護手段には、製造後のパッシベーション、電気メッキ、制御された研磨、塩素やピッティングリスクが重要な場合のサービス中の保護コーティング（有機塗料、犠牲コーティング）が含まれます。

7. 製造、加工性、成形性

• 加工性：高炭素の4Cr13は、焼鈍状態で硬くなり、工具の摩耗を増加させる傾向があります；ただし、焼鈍状態では両方のグレードが適切な工具と速度で合理的に加工されます。硬化した4Cr13は、柔らかくしないと加工が難しくなります。
• 成形性：3Cr13は、炭素が低いため、4Cr13よりも冷間成形性と曲げ性が優れています；深絞りや厳しい成形は、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して両方に制限されます。
• 研削、研磨、表面仕上げ：4Cr13の高い硬度は、サービス中の耐摩耗性を向上させますが、より積極的な仕上げ操作が必要になる場合があります。最終加工/仕上げの前に熱処理と焼戻しを行うことが推奨され、歪みを避けることができます。
• 熱処理による歪み：両方のグレードは、焼入れおよび焼戻し操作中に歪みが生じやすいです；慎重な固定、徐々に冷却、適切な加工許容が必要です。

8. 典型的な用途

3Cr13 – 典型的な用途	4Cr13 – 典型的な用途
バランスの取れた靭性と耐腐食性が必要なナイフブレードやカトラリー	高い刃保持力と耐摩耗性が求められる切削工具やナイフ
中程度の摩耗要求を持つポンプシャフト、バルブ部品	摩耗しやすい部品、ローラー、ピン、高硬度が必要な部品
自動車のトリム、ファスナー、成形が必要なフィッティング	小ロットのベアリング部品、摩耗ピン、硬化シャフト
溶接/修理性が要素となる一般的なマルテンサイト系ステンレス部品	全体硬化と高い静的強度が主な要件となる部品

選択の理由： - 刃保持力、高硬度、耐摩耗性が主な要件の場合は4Cr13を選択し、延性、衝撃抵抗、加工/溶接の容易さが重要な場合は3Cr13を選択します。コストの考慮や表面仕上げの要件も決定に影響を与えます。

9. コストと入手可能性

• コスト：4Cr13は、より高い炭素含有量と高い硬度特性を達成し制御するために必要な処理のため、通常3Cr13よりもわずかに高く価格設定されています；ただし、価格差は高合金グレード（例：Moを含むマルテンサイト系またはオーステナイト系）と比較して控えめです。
• 入手可能性：両方のグレードは、確立されたステンレス鋼供給チェーンがある地域で広く入手可能です（シート、バー、ストリップ、ブランク）。製品形状（バー、プレート、ストリップ）および仕上げ（冷間圧延、焼鈍、硬化）は、リードタイムとコストに影響を与えます。大量調達の場合、意図した機械的特性を確保するために、製鋼所証明書と炭素含有量のバッチテストを確認してください。

10. まとめと推奨

表：迅速な比較要約

属性	3Cr13	4Cr13
溶接性	良好（低炭素）	低い（高炭素、HAZリスクが高い）
強度–靭性バランス	中程度の強度でより良い靭性	高い強度と硬度、低い靭性
コスト	やや低い	やや高い

結論と実用的な推奨： - より良い延性と溶接性、加工の容易さ、やや低いコストが必要な場合は3Cr13を選択してください—衝撃抵抗、修理性、または中程度の耐摩耗性が必要な部品に適しています。 - より高い硬度、耐摩耗性、静的強度が優先され、刃保持力や摩耗に対する耐性が重要で、より厳密な熱処理制御が受け入れられる場合は4Cr13を選択してください；脆さを避けるために溶接手順、予熱、焼戻しにより注意が必要です。

最終的な注意：正確な選択は、サプライヤーの製鋼所証明書、部品の形状、溶接中の拘束条件、および特定のサービス環境（腐食性媒体、温度、循環荷重）に対して検証されるべきです。重要な用途の場合は、材料試験報告書（組成、硬度、引張、衝撃データ）を要求し、シリアル生産の前に資格試験（溶接試験、熱処理試験）を実施してください。