Cr12 vs Cr12MoV – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

Cr12およびCr12MoVは、高クロム・高炭素の工具鋼で、冷間加工工具、せん断刃、パンチ、金型に広く使用されています。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、耐摩耗性（長寿命と厳密な公差のため）を優先するか、チッピングや破損に対する抵抗（衝撃や中断された切削のため）を優先するかの選択のジレンマに直面することがよくあります。これらのグレードの主な実用的な違いは、Cr12MoVにおけるMoおよびVの意図的な添加によって生じる靭性と耐摩耗性のバランスにあります。

両方の鋼は、硬い炭化物と熱処理後の高硬度を生み出すクロムに富んだ高炭素の基礎化学を共有しているため、しばしば比較されますが、合金の変動は、硬化性、二次硬化、炭化物の分散において重要な違いを生み出します。これらの要因は、使用中の性能と加工の選択を決定します。

1. 規格と呼称

Cr12およびCr12MoVまたはそれに近い同等グレードが見つかる一般的な規格と呼称：

• GB/T（中国）：Cr12は国内の呼称であり、Cr12MoVはMoおよびVを合金したバリアントです。
• EN：比較可能な工具鋼ファミリーは、合金に応じてDシリーズ（例：D2）またはXシリーズとして指定されます；同等品は化学組成で確認する必要があります。
• JIS：日本の工具鋼規格は、JSシリーズの下で類似の高クロム冷間加工鋼をリストしています；正確な化学的一致を確認してください。
• ASTM/ASME：工具鋼は、工具鋼バーおよびその他の仕様のためにASTM A600/A681の下でカバーされています — 成分によってクロスリファレンスしてください。
• 分類：Cr12およびCr12MoVは、高炭素・高クロムの冷間加工工具鋼（工具鋼ファミリー）です。これらは、腐食抵抗の観点からはステンレス鋼ではなく、HSLA構造鋼でもありません。

常に供給者の証明書で実際の化学組成と機械的特性の要件を確認して同等性を確認してください。

2. 化学組成と合金戦略

商業用Cr12およびCr12MoVグレードに一般的に指定される典型的な名目組成（wt%）。これらは製造業者が使用する代表的な範囲です；調達のために実際のミル証明書を確認してください。

元素	Cr12（典型的、wt%）	Cr12MoV（典型的、wt%）
C	1.35 – 1.65	1.35 – 1.65
Mn	0.20 – 0.60	0.20 – 0.60
Si	0.20 – 0.80	0.20 – 0.80
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	11.0 – 13.0	11.0 – 13.0
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	≤ 0.10（しばしば微量）	0.20 – 1.00
V	≤ 0.10（しばしば微量）	0.05 – 0.50
Nb	≤ 0.02	≤ 0.02
Ti	≤ 0.02	≤ 0.02
B	≤ 0.001	≤ 0.001
N	微量	微量

合金元素が特性に与える影響： - 炭素（C）：主な硬化元素；高Cは炭化物形成を通じて高硬度を促進しますが、溶接性と靭性を低下させます。 - クロム（Cr）：硬いクロム炭化物（高C鋼ではM7C3/M23C6のような）の形成を促進し、耐摩耗性を改善し、硬化性に寄与します。 - モリブデン（Mo）：硬化性を高め、炭化物マトリックスを精製し、二次硬化と高温強度を付与し、Moを含まない対照と比較して靭性を改善します。 - バナジウム（V）：非常に硬く、細かいバナジウム炭化物を形成し、粒子を精製し、耐摩耗性と耐摩耗性を改善します；粒界を固定することによって二次硬化と靭性に寄与します。 - マンガンおよびシリコン：適度な量で脱酸剤および強度/硬化性修正剤。 - P、S：脆化や加工性の問題を避けるために低く保たれます。

Cr12は、最小限のMoおよびVで耐摩耗性のためにクロム炭化物含有量を最大化するように最適化されています。Cr12MoVは、硬化性、靭性、および炭化物の分散を改善するためにMoおよびVを追加しますが、コストのわずかな増加と溶接性の低下を伴います。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - 圧延または正規化後：テンパー処理されたマルテンサイト/フェライトの混合物に分散したクロムに富んだ炭化物（Cr7C3/Cr23C6のような）および二次炭化物。Cr12は粗いクロム炭化物を示し、Cr12MoVはMoおよびVに富む沈殿物を伴うより細かく均一に分散した炭化物を示します。 - 焼入れおよびテンパー後：Cr12MoVの安定したクロム炭化物と細かいMo/V炭化物のネットワークを持つ主にマルテンサイトマトリックス。Cr12は、摩耗抵抗を最大化する大きな連続炭化物ネットワークを保持する傾向がありますが、衝撃荷重下で亀裂の発生点として機能する可能性があります。

熱処理応答： - 正規化：粒子を精製し、一部の炭化物を溶解するのに役立ちます；機械加工やさらなる処理の前に有用です。 - 硬化（オーステナイト化および焼入れ）：Cr12ファミリーの工具鋼の典型的なオーステナイト化温度は高く（例：セクションサイズと組成に応じて1000–1050°Cの範囲）、最大の二次硬化のために炭化物を実用的に溶解します；供給者のガイダンスを確認してください。急速な焼入れ（油または中断された油）はマルテンサイトを生成します；合金成分は保持オーステナイトと硬化性を制御します。 - テンパー：保持オーステナイトを減少させ、二次硬度を発展させ（特にMoを含むグレードで）、応力を緩和するために複数のテンパー段階で実施されます。Cr12MoVは、Mo/V炭化物のためにしばしばより強い二次硬化を示し、これによりテンパー後にわずかに良い靭性/硬度のバランスが可能になります。

熱機械加工（制御圧延、鍛造）は靭性と炭化物の均一性を改善でき、特にCr12MoVにとってその合金を利用して精製された炭化物を得るのに有益です。

4. 機械的特性

適切な焼入れおよびテンパー後の典型的な機械的特性の範囲；値は熱処理レシピ、セクションサイズ、および供給者によって異なります。設計のためにミル試験報告から値を確認してください。

特性	Cr12（典型的範囲）	Cr12MoV（典型的範囲）
引張強度（MPa）	900 – 1800	1000 – 2000
降伏強度（MPa）	700 – 1500	800 – 1700
伸び（%）	2 – 10	2 – 12
衝撃靭性（J、シャルピー）	低から中程度；テンパーで改善される	中程度；同等の硬度に対して一般的にCr12より高い
硬度（HRC）	55 – 62（全体硬化）	55 – 62（全体硬化）；大きなセクションで硬度をより良く保持できる

説明： - 強度と硬度は主に炭素とマルテンサイトマトリックスによって駆動されます；両方のグレードは同様のピーク硬度に達することができます。Cr12MoVは、MoおよびVのおかげで、より良い靭性と全体硬化を提供しながら、比較可能な硬度を達成することがよくあります。 - 靭性：Cr12MoVは、同等の硬度で通常より靭性が高い（脆くない）です。これは、Moが硬化性を高め、Vが炭化物と粒界を精製し、亀裂の伝播の傾向を減少させるためです。 - 延性：両方とも高硬度で低延性の工具鋼ですが、Cr12MoVは特定の処理でわずかに高い伸びを提供することができます。

5. 溶接性

高炭素・高クロム工具鋼の溶接性は一般的に難しいです。主な要因：高炭素含量、炭化物ネットワーク、および硬化性。

溶接性と予熱要件を評価するための業界の公式： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - より詳細なパラメータ（Pcm）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈： - 両方の公式は、硬化性と冷間亀裂の傾向に対するC、Cr、Mo、およびVの影響を示しています。値が高いほど、予熱、制御された熱入力、および溶接後の熱処理が必要であることを示します。 - Cr12（高CおよびCrを含む）は、通常、かなりの予熱と溶接後のテンパーを必要とします；厳格な手順なしでは溶接性は悪いです。 - Cr12MoVは、MoおよびVを追加することで硬化性を高め、CE/Pcm値をさらに上昇させる可能性があり、亀裂リスクの観点で溶接性を悪化させる可能性がありますが、制御された溶接手順と同等またはわずかに低い硬化性のフィラー金属を使用し、冷却速度を減少させるために予熱し、局所的な溶接後のテンパーを行うことで受け入れ可能な接合部を生成できます。 - 最良の実践：可能な限り溶接を避け、機械的な固定またはブレージングを好む。溶接が必要な場合は、材料供給者からの溶接手順仕様（WPS）を参照し、資格試験を実施してください。

6. 腐食と表面保護

Cr12もCr12MoVも一般的な意味でステンレスではありません；それらのクロム含量は、普通の炭素鋼と比較して腐食抵抗をわずかに改善しますが、ステンレス合金に匹敵するパッシベーションを提供しません。

• 表面保護のオプション：電気メッキ、熱浸漬亜鉛メッキ（熱処理の変化により工具鋼には制限があります）、塗装、粉体塗装、および表面寿命と腐食保護を改善するためのPVD/CVD、硬いクロムメッキ、または窒化処理などの用途特有のコーティング。
• 熱化学処理：窒化処理は、特定の工具鋼グレードの表面硬度と摩耗性能を改善できますが、望ましい寸法と引張特性に対して評価する必要があります。
• PREN公式は、これらの非ステンレス工具鋼には適用できません： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ PRENの使用は、腐食抵抗性ステンレス鋼に対してのみ意味があります；Cr12ファミリー鋼においては、表面保護とコーティングがサービス腐食性能を決定します。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：アニーリングされた状態では、両方のグレードは加工可能ですが、高炭素と硬い炭化物のために低合金鋼よりも難しいです。Cr12MoVは、細かいMo/V炭化物のためにわずかに加工性が低いかもしれません；炭化物工具、高い切削速度、および剛性のあるセットアップを使用してください。粗加工は通常、アニーリング状態で行われます。
• 研削および仕上げ：両方とも硬い炭化物に適した研磨剤を必要とします；Cr12の粗い炭化物は、工具が最適化されていない場合にチャタリングを引き起こす可能性があります。
• 成形および曲げ：高炭素および炭化物含量のために冷間成形性は限られています；成形は通常アニーリング状態で行われるか、回避されます。熱成形は可能ですが、再加熱と完全な熱処理が必要です。
• 熱処理の考慮事項：硬化およびテンパー中の歪みリスクは、注意深い固定具と加工余裕を必要とします。

8. 典型的な用途

Cr12（一般的な用途）	Cr12MoV（一般的な用途）
せん断刃、ギロチン刃	衝撃と摩耗にさらされる重-dutyパンチおよび金型
スリッターナイフ、冷間せん断工具	全体硬化と靭性が必要なプログレッシブダイコンポーネント
研磨材料用のプラスチック金型キャビティ	中断された切削を伴う高負荷のブランクおよびトリミング金型
中程度の衝撃露出を持つ摩耗プレート	チッピングに対する耐性を改善し、大きなセクションでの寿命を延ばす必要がある工具

選択の理由： - 最大の摩耗抵抗とコスト効果が重要で、荷重が主に連続的（滑りまたは安定した摩耗）で衝撃やショックが限られている場合はCr12を選択してください。 - より高い衝撃、中断された切削、大きな断面サイズで全体硬化が重要な場合、またはわずかに高い靭性と亀裂伝播に対する抵抗が必要な場合はCr12MoVを選択してください。

9. コストと入手可能性

• 相対コスト：Cr12は、モリブデンと重要なバナジウムがないため、一般的にCr12MoVよりもコストが低いです。MoおよびVはより高価な合金元素であり、生産コストを増加させます。
• 入手可能性：両方のグレードは、工具鋼メーカーやサービスセンターから一般的な製品形状（丸棒、平棒、プレート、硬化およびテンパー処理されたブロック）で広く入手可能です。Mo/VなしのCr12バリアントは、商品バッチでわずかに普及しており、安価かもしれません；Cr12MoVは、特別なサイズや熱処理状態のために在庫計画が必要かもしれません。
• 製品形状：バー、プレート、および事前硬化されたブロック；鍛造およびアニーリングされたブランクは両方に利用可能で、リードタイムは熱処理および加工サービスに依存します。

10. 概要と推奨

特性	Cr12	Cr12MoV
溶接性	悪い；厳格な予熱/後熱が必要	悪いから中程度；慎重な制御が必要で、CEによって悪化する可能性があるが、亀裂リスクを減少させる方法を提供
強度–靭性バランス	高硬度と耐摩耗性；低靭性	同様のピーク硬度だが、靭性と全体硬化が改善される
コスト	低い	高い

推奨： - 研磨滑り摩耗、細刃切削、または衝撃荷重が限られ、溶接を避ける必要がある場合は、コスト効果が高く、耐摩耗性の高い冷間加工工具鋼としてCr12を選択してください。 - 中断された切削、より高い衝撃またはショック荷重、大きな断面サイズで全体硬化が重要な場合、または重要な表面硬度を犠牲にすることなく靭性のより良いバランスが必要な場合は、Cr12MoVを選択してください — より高い材料コストとより注意深い熱処理および溶接手順の必要性を受け入れます。

最終的な実用的な注意：常に供給者のミル証明書で化学組成と熱処理の実践を確認し、重要な工具のために試験熱処理とサービステストを実施し、特定のバリアント（例：正確なMoおよびVレベル）をアプリケーションのニーズに合わせるために鋼の製造者のデータシートを参照してください。