60Si2Mn 対 55CrSi – 成分、熱処理、特性、および用途

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、高い強度、疲労耐性、予測可能な熱処理応答を提供する高炭素スプリング鋼の中から選択することがよくあります。このクラスで一般的に比較される2つのグレードは60Si2Mnと55CrSiです。選択のジレンマは、通常、厚いセクションの硬化性、達成可能な強度と疲労寿命、溶接性と加工の容易さ、材料コストの間のトレードオフに関するものです。

これらのグレードの主な違いは合金戦略にあります：1つは高炭素レベルでの強度と弾性を高めるためにシリコン-マンガン化学を強調し、もう1つは硬化性と焼戻し抵抗を高めるためにシリコンとクロムを組み合わせています。このため、両者はスプリング、ファスナー、高ストレス部品の比較にしばしば用いられ、機械的性能と製造性の両方が重要です。

1. 規格と指定

• 業界で遭遇する一般的な規格と指定：
• GB（中国）：60Si2Mn、55CrSi（中国の規格およびサプライチェーンで一般的に使用される名称）。
• EN/ISO：スプリング鋼の比較可能なEN鋼グレードには60Si2Mnの同等品やSAE/ASTMの類似品（例：SiCrスプリング鋼用のSAE 9254/55）が含まれますが、正確な相互参照は仕様の詳細に依存します。
• JIS：JISスプリング鋼（例：SUP9/SUP10ファミリー）は、一部の用途で機能的な同等品として使用されることがあります。
• ASTM/ASME：これらの商業スプリング鋼に対する単一のASTM普遍的指定はありません。供給は通常、顧客特有または国家基準によって管理されます。
• 分類：
• 60Si2Mnと55CrSiの両方は高炭素合金スプリング鋼（非ステンレス）です。これらは従来の意味での工具鋼、ステンレス鋼、またはHSLAではありません。

2. 化学組成と合金戦略

注：組成は規格と供給者によって異なります。以下の表は、正確な仕様限界ではなく、合金戦略を示すための典型的な組成範囲（おおよそ）を示しています。

元素（％）	60Si2Mn（典型的範囲）	55CrSi（典型的範囲）
C	0.56–0.64	0.50–0.60
Mn	0.50–1.00	0.30–0.80
Si	1.60–2.00	0.90–1.50
P	≤ 0.03（最大）	≤ 0.03（最大）
S	≤ 0.03（最大）	≤ 0.03（最大）
Cr	≤ 0.25（微量）	0.80–1.30
Ni	≤ 0.30（微量）	≤ 0.30（微量）
Mo	—	≤ 0.10（微量）
V, Nb, Ti	—（通常は不在）	—（通常は不在）
B, N	—	—

合金効果： - 炭素は主な硬化元素です：Cが高いほど、焼入れと焼戻し後の達成可能な硬度と強度が上昇しますが、溶接性と延性は低下します。 - シリコンは強度、弾性、およびスプリング性能を向上させ、フェライトを安定させ、一部の焼戻しで靭性を改善することができます。 - マンガンは硬化性と引張強度を改善し、脱酸剤として機能します。 - クロムは硬化性と焼戻し抵抗を高め、厚いセクションや高いサービス温度にとって重要です。 - 微量元素とP/Sの厳格な管理は疲労寿命を改善し、内包物を減少させます。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造と熱処理挙動は合金バランスのために異なります： - 60Si2Mn（Si–Mn優勢）： - 正常化状態：中程度の強度のために主にパーライト/フェライト構造。 - 焼入れと焼戻し後：所望の硬度に焼戻されたマルテンサイトマトリックス；シリコンレベルはスプリング用途の弾性特性を保持するのに役立ちます。 - 厚さ感度：中程度；マンガンはある程度の硬化性を提供しますが、クロムほど効果的ではないため、厚い部品は調整しない限り不完全な硬化を示すことがあります。 - 55CrSi（Cr–Si優勢）： - 正常化状態：冷却に応じてパーライト + フェライト。 - 焼入れと焼戻し後：焼戻しされたマルテンサイト；クロムは硬化性を高め、厚いセクションでのマルテンサイト変態をより均一に促進します。 - 焼戻し抵抗：Crによって改善され、高温焼戻し時の強度保持が向上し、時間の経過とともに軟化に対する抵抗が改善されます。

加工ルート： - 正常化/粒子サイズの精製：両者は良好に反応しますが、正常化温度の選択は炭素含有量とセクションサイズに依存します。 - 焼入れと焼戻し：スプリング鋼に一般的です。焼入れ媒体、オーステナイト化温度、および焼戻しプロファイルが最終的な硬度と靭性を制御します。 - 熱機械加工（ワイヤーまたはスプリングコイリング用）：制御冷却と冷間加工、さらに応力緩和焼戻しが標準です。

4. 機械的特性

機械的特性は熱処理とセクションサイズによって大きく異なります。以下の表は、スプリングおよび高強度用途のための業界典型的な焼入れと焼戻しサイクル後に達成可能な典型的な範囲を示しています。

特性	60Si2Mn（典型的）	55CrSi（典型的）
引張強度（MPa）	900–1600（焼戻しに依存）	900–1700（厚いセクションで優れた性能）
降伏強度（MPa）	700–1400	700–1450
伸び（％）	6–18（高強度時は低下）	6–18（同様の範囲）
衝撃靭性（J、シャルピー）	高硬度状態では低から中程度；焼戻しで改善	同様の傾向；Crは同等の硬度で保持靭性を改善できる
硬度（HRC）	~30–65（焼戻しに依存）	~30–65（Crにより厚い部品で維持可能）

解釈： - 両グレードは、焼入れと焼戻し時に非常に高い引張強度に達することができます；違いはしばしば用途と形状に依存します。 - 55CrSiは一般的に高い硬化性と厚いセクションでのより一貫した特性を提供し、大きな部品の完全硬化が必要な場合に好まれます。 - 60Si2Mnは、ワイヤー、小径スプリング、および小さなセクションで非常に高い弾性と疲労性能が要求される部品に効果的です。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素当量と硬化性によって決まります。一般的に使用される2つの指標はIIW炭素当量とPcm（航空/製造指標）です：

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - Cが高く、CE/Pcmの値が高いほど、冷間割れの感受性が高まり、予熱/溶接後の熱処理が必要になります。 - 60Si2Mnは通常、シリコンがやや高く、炭素は同等または高いですが、クロムは少ないため、硬化性は中程度です。小さな部品の場合、厳格な管理（予熱、低水素電極）で溶接が可能です。高硬度スプリング鋼の場合、局所的なアニーリングと焼戻しが適用されない限り、溶接は一般的に避けられます。 - 55CrSiは、クロムのため、特定の炭素含有量に対して通常より高いCEを持ち、より高い硬化性を示します。これにより、厚いセクションでの溶接性がより困難になります。硬いマルテンサイトの熱影響部（HAZ）が形成される可能性があります。予熱とPWHTが一般的に必要であり、多くの用途では溶接よりも機械的接合や冷間成形が好まれます。

6. 腐食と表面保護

• 60Si2Mnも55CrSiもステンレスではありません。腐食抵抗は限られており、表面保護に依存します：
• 一般的な保護には、亜鉛メッキ、電気メッキ、リン酸塩コーティング、塗装、またはポリマーコーティングが含まれます。
• コーティングが性能に影響を与えるスプリング用途では、ステンレスの代替品や保護設計機能を考慮する必要があります。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）はステンレス合金に適用されます：

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• PRENは、これらの非ステンレススプリング鋼には適用されません。なぜなら、彼らのCrレベルと合金設計は受動的な腐食保護を生成するには不十分だからです。

7. 加工、機械加工性、成形性

• 機械加工性：
• 両グレードの高炭素および高硬度は、硬化状態での機械加工性を低下させます。予硬化旋削は制限されており、適切な工具と速度を使用し、重加工前に硬度を下げるための焼戻しが標準です。
• 60Si2Mnは、クロム含有量が低いため、アニーリングまたは正常化状態でわずかに加工しやすいかもしれません。
• 成形性：
• 冷間成形とコイリング：両者はスプリング成形用に設計されています；60Si2Mnは高い弾性のため、小径スプリングに広く使用されています。
• 曲げと冷間ヘッディング：アニーリング状態で行われ、高硬度時の成形は避けるべきです。
• 表面仕上げ：
• 疲労部品には研削とショットピーニングが一般的です；両鋼は疲労寿命を改善するためにショットピーニングに良く反応します。

8. 典型的な用途

60Si2Mn（一般的な用途）	55CrSi（一般的な用途）
高弾性コイルスプリング（小径）、小部品用のサスペンションスプリング、スプリングワイヤー、軽負荷トーションスプリング	重負荷コイルスプリング、リーフスプリング、ショックアブソーバースプリング、大径サスペンションおよび振動スプリング
高い弾力性を必要とする精密スプリングと小型機械部品	完全硬化と焼戻し強度が必要なより重く、厚い部品
高疲労環境での高炭素ワイヤーと小型ファスナー	優れた硬化性、より強靭なHAZ性能、より良い焼戻し抵抗を必要とする部品

選択の理由： - 荷重の大きさ、部品の形状（セクションの厚さ）、必要な疲労寿命、完全硬化が必須かどうかに基づいて選択します。60Si2Mnは小さな高弾性部品に対してコスト効率が良く、55CrSiは均一な硬化と焼戻し抵抗が重要な大きな高ストレス部品に好まれます。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト：
• 60Si2Mnは、重要なクロム添加がなく、スプリング鋼として広く生産されているため、通常、キログラムあたりのコストが低くなります。
• 55CrSiは、クロム含有量とスプリング用途に必要なより厳格な管理のため、やや高価です。
• 入手可能性：
• 両グレードは、スプリング鋼の供給者を通じて、棒、ワイヤー、バーの形態で一般的に入手可能です；地域の生産と標準使用（例：55CrSiは厚い部品が必要な自動車サプライチェーンでより一般的かもしれません）に依存します。

10. まとめと推奨

属性	60Si2Mn	55CrSi
溶接性	小部品に対しては良好（管理が必要）	高い硬化性のため、より困難
強度–靭性	小セクションでの高強度；優れた弾性	厚い部品での同等または高い強度；改善された焼戻し抵抗
コスト	低い	高い

結論としての推奨： - 60Si2Mnを選択する場合： - 小セクションのスプリングやワイヤーで高い弾性限界と疲労性能が必要な場合。 - 小型部品のコスト感度と高い生産量が重要な場合。 - 厚いセクションの完全硬化が必要なく、溶接が最小限または管理されている場合。 - 55CrSiを選択する場合： - 部品が大きな断面を持つか、セクション全体で均一な硬化が必要な場合。 - 改善された焼戻し抵抗と焼戻し後または高温への曝露後の特性保持が必要な場合。 - アプリケーションがやや高い材料コストを許容し、溶接/熱処理手順を安全のために管理できる場合。

両材料はスプリングおよび高強度部品設計において実績のある作業馬です。最終的な選択は、セクションの厚さ、必要な焼戻しプロファイル、疲労および疲労亀裂発生要件、溶接や表面仕上げなどの下流の加工制約によって決まるべきです。