9Cr18と9Cr18Mo - 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

9Cr18と9Cr18Moの選択は、摩耗抵抗、高硬度、およびある程度の耐腐食性能を必要とする部品のマルテンサイト系ステンレス鋼を指定するエンジニア、調達マネージャー、製造プランナーにとって一般的な決定です。典型的な決定の文脈には、耐腐食性とコストのバランス、硬化性と最終硬度と溶接性のバランス、摩耗寿命と加工の容易さのバランスが含まれます。

主な冶金的な違いは、9Cr18Moにおけるモリブデンの意図的な添加です。この合金の変更は、局所的な腐食に対する抵抗を高め、全体的なマルテンサイト系ステンレス鋼の挙動を大きく変えることなく硬化性を改善します。両グレードは高炭素、高クロムのマルテンサイト系ステンレス鋼であるため、ナイフブレード、バルブ、ベアリング、摩耗部品など、硬度と表面の耐腐食性が重要な用途で頻繁に比較されます。

1. 規格と指定

• 探すべき一般的な地域規格と指定：
• GB（中国）：9Cr18および9Cr18Moとラベル付けされたグレードは、中国の国家および産業カタログに掲載されています。
• EN / ISO：正確な1:1のマッピングはありません；これらのグレードは通常、特許または国家のマルテンサイト系ステンレス鋼の変種として扱われます（AISI 440シリーズに類似のものがあります）。
• JIS（日本）/ ASTM / ASME：類似の化学成分はAISI/ASTMのマルテンサイト系ステンレス鋼ファミリー（例えば、AISI 440A/B/C）に見られるかもしれませんが、正確な指定と公差の違いにはクロスリファレンスが必要です。
• 材料タイプ：9Cr18と9Cr18Moはどちらもマルテンサイト系ステンレス鋼（高炭素、高クロム）です。これらはHSLAでも典型的な炭素鋼でもなく、クロム含有量によってステンレスですが、オーステナイト系ではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、これらのグレードに対するエンジニアリングガイダンスとして使用される典型的な組成範囲（wt%）を示しています。調達の決定には、実際のミル証明書と適用される規格を参照する必要があります；組成は生産者や特定のサブグレードによって異なります。

元素	9Cr18（典型的な範囲、wt%）	9Cr18Mo（典型的な範囲、wt%）
C	0.80 – 1.05	0.80 – 1.05
Mn	≤ 1.00	≤ 1.00
Si	≤ 1.00	≤ 1.00
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	16.0 – 19.0	16.0 – 19.0
Ni	≤ 0.6	≤ 0.6
Mo	≤ 0.25（しばしば≈0）	0.2 – 1.0（典型的には≈0.3–0.8）
V	≤ 0.2	≤ 0.2
Nb/Ti/B	微量/制御	微量/制御
N	微量	微量

注意： - これらの範囲は指標的なものであり、供給者はより厳しい公差を提示する場合があります。 - 定義的な違いはMoです；9Cr18Moは、ピッティング抵抗と硬化性を向上させるために意図的にMoを含んでいます。 - 高炭素（約0.8–1.0%）と高クロム（約16–19%）は、それぞれマルテンサイトの硬化性と表面の耐腐食性を促進します。

合金が特性に与える影響： - 炭素は、焼入れ/焼戻し後に達成可能な硬度と強度を制御します；炭素が高いほど、硬度と摩耗抵抗が高くなりますが、溶接性と靭性が低下します。 - クロムは耐腐食性（パッシベーション）を提供し、硬化性に寄与します。 - モリブデンは、ピッティングおよびクレバス腐食に対する抵抗を高め、硬化性と焼戻し時の二次硬化を改善します。また、摩耗抵抗のために炭化物の化学組成を精製することもできます。 - 微量元素（V、Nb、Ti）は、 inclusionの挙動と炭化物の安定性を制御するために存在する場合があり、靭性や研削特性に影響を与える可能性があります。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - 両グレードは、オーステナイト化温度から適切に焼入れされた後にマルテンサイトを形成するように設計されており、クロムリッチな炭化物（例えば、M23C6、M7C3）は、正確な化学組成と熱処理によって異なります。 - 9Cr18Moでは、炭化物にMoが含まれており、9Cr18と比較してサイズ、分布、安定性が変化します。

熱処理経路と応答： - アニーリング/正規化：焼戻しマルテンサイトまたは球状化炭化物を生成します；最終硬化前の加工に有用です。正規化は、以前のオーステナイトの粒径を精製し、温度に応じていくつかの炭化物を溶解します。 - 焼入れ＆焼戻し：高硬度と摩耗抵抗を達成するための標準的な経路です。オーステナイト化（典型的な温度は供給者のデータに依存）、マルテンサイトを形成するために焼入れし、選択した温度で焼戻しして硬度と靭性を交換します。 - 9Cr18Moは一般的にわずかに高い硬化性を達成し、厚いセクションでより均一なマルテンサイト構造を生成します。 - 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却は微細構造を精製し、靭性を改善することができます；モリブデンはそのような処理下での硬化性を保持するのに役立ちます。

影響： - 9Cr18Moは、改善された硬化性により、大きな断面での不完全な変態（保持オーステナイト）に対してより少ない傾向があります。 - 9Cr18Moの炭化物化学組成は、腐食環境でより安定していることが多いです。

4. 機械的特性

機械的特性は熱処理に強く依存します。以下の表は、仕様比較に使用される典型的な焼入れ＆焼戻し後の範囲を示しています（調達のためにミルテスト証明書を参照してください）。

特性	9Cr18（典型的な範囲）	9Cr18Mo（典型的な範囲）
引張強度（MPa）	900 – 1600	900 – 1650
降伏強度（MPa）	600 – 1400	600 – 1450
伸び（%）	6 – 18	6 – 18
衝撃靭性（J、シャルピー）	低–中程度；焼戻しに依存	同等またはわずかに改善（厚いセクションでのより良い厚み方向の靭性）
硬度（HRC）	48 – 63（焼戻しに依存）	48 – 63（Moのために同じ焼戻しで同等またはわずかに高い値を達成可能）

説明： - 両グレードは完全に硬化すると非常に高い硬度と引張強度に達することができます；Moからの硬化性の小さな増加は、厚いセクションでの強度を維持するのに役立ちます。 - 靭性は焼戻しの実践と炭化物の分布によって駆動されます；モリブデンはしばしば靭性をわずかに改善し、いくつかの条件で焼戻し脆化のリスクを低下させます。 - 伸びは高炭素によって制限されます；両者は低炭素ステンレス鋼よりも延性が低いです。

5. 溶接性

高炭素マルテンサイト系ステンレス鋼の溶接性は、その炭素含有量と硬化性のために困難です。

関連する予測式： - 炭素当量（IIW）：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（冷間割れの感受性を予測するため）：
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈（定性的）： - 両グレードは低炭素鋼に対して高い$CE_{IIW}$と$P_{cm}$を持ち、HAZでのマルテンサイト形成の高い傾向と、予熱と制御冷却なしでの冷間割れのリスクを示しています。 - 9Cr18Moは、追加されたMoにより、$(Cr+Mo+V)/5$項からの炭素当量の寄与がわずかに高くなります；しかし、Moは硬化性も改善し、硬く脆いHAZのリスクを増加させる可能性があります。実際には、両者の溶接手順には、予熱、インターパス温度制御、低水素消耗品、およびサービス要求に応じた靭性を必要とする場合の焼戻しが必要です。 - 多くの用途では、加工と機械的固定またはブレージングが使用され、溶接を避けます。溶接が必要な場合は、エッジの準備、予熱、およびPWHTを指定する必要があります。

6. 腐食と表面保護

非ステンレスとステンレスの注意： - 両グレードはCr含有量によってステンレスですが、塩素環境においてオーステナイト系またはデュプレックスステンレス鋼と同じ程度の耐腐食性はありません。

ピッティング抵抗予測（PREN）： - PRENが有用な合金の場合：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - 適用：PRENは主にオーステナイト系およびデュプレックスステンレス鋼に使用されます。9Cr18および9Cr18Moのようなマルテンサイト鋼に対して、PRENは相対的なピッティング抵抗の指標を提供することができます；Mo項はPRENを大幅に増加させるため、9Cr18Moは同じCr含有量で9Cr18よりも局所的な腐食（特にピッティングおよびクレバス）に対して優れた抵抗を示します。

実用的なガイダンス： - 9Cr18は、軽度の腐食性雰囲気で良好な一般的な耐腐食性を提供し、刃物や摩耗部品にそのまま使用されることが一般的です。 - 9Cr18Moは、塩素を含む環境におけるピッティング、クレバス攻撃、および応力腐食割れに対する抵抗を改善し、塩や酸性媒体への表面露出が予想される場合に価値があります。 - 攻撃的な環境では、パッシベーション処理、表面コーティング（例：電解研磨、変換コーティング）、または一般的な耐腐食性が高いステンレスファミリーの指定を検討してください。 - コーティングによる腐食保護が選択された場合：亜鉛メッキは、摩耗を目的とした硬化したマルテンサイト系ステンレス部品には通常使用されません；塗料、変換コーティング、または薄いメッキ層が一般的な保護により一般的です。

7. 加工、機械加工性、および成形性

• 機械加工性：高炭素マルテンサイト系ステンレス鋼は、硬化状態での加工が難しいです。加工は通常、アニーリング状態で行われます。炭化物のサイズと分布は研削および工具寿命に影響を与えます；9Cr18MoのMo含有炭化物は、わずかに異なる工具の考慮が必要な場合があります。
• 成形性：硬化状態では制限されます。曲げや成形は、割れを避けるためにアニーリングまたは正規化状態で行うべきです。成形後の熱処理および焼入れ/焼戻しサイクルは一般的です。
• 表面仕上げ：両者は明るい仕上げに研磨できます；9Cr18Moは、炭化物の分布とわずかに高い硬化性により、より細かいエッジと研磨を保持する可能性があります。
• 加工のための熱処理の考慮事項：成形のためにアニーリングし、その後硬化/焼戻しします。溶接後の急冷を避ける；制御冷却とPWHTが推奨されます。

8. 典型的な用途

9Cr18（一般的な用途）	9Cr18Mo（一般的な用途）
ナイフおよびブレード鋼（カトラリー）	湿気や塩分のあるサービスでのピッティング抵抗が重要なナイフブレードおよびカトラリー
ボールベアリング、ポンプ用摩耗リング（あまり攻撃的でない流体中）	塩素を含む流体にさらされるバルブ、ポンプ部品
バルブシート、トリミング部品	より高い厚み方向の硬度を必要とする部品（厚いセクション）
外科用器具（滅菌腐食が制限される場合）	塩素に断続的にさらされる化学産業部品
スプリングおよび小さな摩耗部品（高硬度が必要な場合）	局所的な腐食抵抗が改善された高摩耗部品

選択の理由： - コスト感度と一般的な耐腐食性が許容できる場合、また用途が主に摩耗または硬度駆動であり、環境が穏やかな場合は9Cr18を選択してください。 - 同じ硬度/摩耗特性が必要ですが、環境に塩素や酸性条件が含まれる場合、または厚いセクションが均一な特性を達成するために改善された硬化性を必要とする場合は9Cr18Moを選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト：9Cr18は通常、追加の合金元素（Mo）とやや複雑な冶金のため、9Cr18Moよりも安価です。コストの違いはMo含有量、市場のMo価格、およびミル処理に依存します。
• 入手可能性：両グレードは、専門のステンレス鋼ミルおよびディストリビューターからバー、プレート、ストリップの形で一般的に入手可能です。9Cr18は商品マルテンサイトグレードとしてより広く在庫されています；9Cr18Moは、一部の市場で注文生産されるか、Mo含有マルテンサイト系ステンレス鋼の需要がある場所で在庫されることがあります。
• 製品形状：バー、鍛造品、ブランク、および精密ストリップ/フラットストックが一般的です。完成した硬化またはアニーリング状態はリードタイムに影響を与えます。

10. 概要と推奨

概要表（定性的評価：良好 / 中程度 / 不良）

指標	9Cr18	9Cr18Mo
溶接性	中程度–不良	中程度–不良（予熱/PWHTが必要）
強度–靭性（HT後）	高強度、中程度の靭性	高強度、厚いセクションでの靭性がわずかに改善
局所的な腐食抵抗	中程度	より良い（ピッティング/クレバス抵抗が改善）
コスト	低い	高い
入手可能性	広く入手可能	広く入手可能だが、時にはより専門的

推奨： - 比較的穏やかな環境での高硬度と摩耗抵抗を必要とするコスト効果の高いマルテンサイト系ステンレス鋼が必要な場合、または部品の形状が薄く均一であるため、標準的な硬化が許容される特性を生成する場合は9Cr18を選択してください。 - 塩素曝露や局所的な腐食リスクのある環境で部品が動作する場合、または厚いセクションが均一なマルテンサイト変態と機械的特性を達成するために改善された硬化性を必要とする場合は9Cr18Moを選択してください。

最終的な調達ノート：購入注文には、正確な組成範囲、製品形状、および熱処理状態を常に指定してください。ミル証明書を要求し、必要に応じて溶接手順仕様（予熱およびPWHTを含む）および重要な用途のための腐食試験またはパッシベーション記録を要求してください。