GCr15 対 100Cr6 – 成分、熱処理、特性、および用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
はじめに
GCr15および100Cr6は、世界中でローリングエレメントベアリング、ボール、ローラー、レース、およびその他の耐摩耗部品に使用される、工業的に重要な高炭素クロムベアリング鋼の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、ベアリング部品、高摩耗部品、またはレガシーアセンブリの材料を指定する際に、これらの間で選択を行うことがよくあります。一般的な決定要因には、地域の基準や仕様との互換性、必要な製品形状での入手可能性、熱処理の実践、耐摩耗性、靭性、製造性のバランスが含まれます。
化学的および冶金的に機能が同等であるにもかかわらず、一方の指定は国家/地域の標準システムに基づいているのに対し、もう一方は別の国際/欧州標準に従っています。これにより、発注コード、文書、および時にはバッチトレーサビリティやサプライチェーンのロジスティクスに違いが生じます。両方のグレードは高い硬度とローリング疲労抵抗に最適化されているため、設計、調達、または認証の際に直接比較されることがよくあります。
1. 標準および指定
- GCr15: ベアリング鋼のためのGB/T標準の下で一般的に引用される中国の標準指定。他の場所で標準化されたベアリング鋼と同等の用途。
- 100Cr6: EN諸国および国際的に広く使用されるクロムベアリング鋼の欧州/EN指定; AISI 52100のEN等価物として扱われることが多い。
- 一般的に遭遇する関連標準および指定システム:
- EN（欧州）: 100Cr6
- GB（中国）: GCr15
- AISI/SAE: 52100（一般的に使用される参照）
- JIS（日本）: SUJ2（類似の組成/タイプ）
- 分類: 両方とも高炭素クロムベアリング鋼（ステンレスではない）。高硬度とローリング接触疲労抵抗に最適化された高炭素合金工具/ベアリング鋼として分類される。
2. 化学組成および合金戦略
以下の表は、各元素の典型的な組成範囲と合金の意図をまとめたものです。両方のグレードは同じ組成ファミリーに設計されており、違いは主に指定と基準によって指定された公差にあります。
| 元素 | 典型的な範囲 (GCr15) | 典型的な範囲 (100Cr6) | 役割 / 効果 |
|---|---|---|---|
| C | 0.95–1.05 wt% | 0.95–1.05 wt% | マルテンサイトと高硬度のための高炭素; 耐摩耗性と強度を向上させるが、延性と溶接性を低下させる。 |
| Mn | 0.25–0.45 wt% | ≤0.45 wt% | 脱酸剤および強化剤; 硬化性を適度に改善する。 |
| Si | 0.15–0.35 wt% | ≤0.35 wt% | 脱酸剤、強度と硬度をわずかに改善する。 |
| P | ≤0.025 wt% | ≤0.025 wt% | 不純物; 脆化を避けるために低く保たれる。 |
| S | ≤0.025 wt% | ≤0.025 wt% | 不純物; 自由切削グレードはSを上昇させるが、ベアリンググレードはSを低く保ち、 inclusionを避ける。 |
| Cr | 1.30–1.65 wt% | 1.30–1.65 wt% | 硬化性と炭化物形成のための重要な合金元素; 耐摩耗性とローリング疲労抵抗を改善する。 |
| Ni, Mo, V, Nb, Ti, B | 微量または低限度に制御 | 微量または低限度に制御 | 意図的な主要添加物ではない; 微量は基準に従って制御される場合がある。 |
| N | 微量 | 微量 | 制御されている; これらのグレードの設計要素ではない。 |
合金が特性に与える影響: - 炭素とクロムが一緒に、耐摩耗性とローリング接触疲労強度を提供する分散した炭化物（主にセメンタイトとクロム強化炭化物）を持つテンパー処理されたマルテンサイトマトリックスの形成を可能にします。 - クロムは硬化性と炭化物の安定性を向上させます; また、わずかな耐腐食性にも寄与しますが、ステンレス鋼のレベルには達しません。 - 他の合金元素の比較的低いレベルは、化学をシンプルに保ち、予測可能な熱処理応答と微細構造を維持します。
3. 微細構造および熱処理応答
典型的な微細構造と応答: - アニーリング/球状化状態: 鋼は、加工の容易さのために球状化/ソフトアニーリングされた微細構造で供給または処理されることがよくあります。微細構造は、球状の炭化物（球状化セメンタイト/クロム炭化物）を含むフェライトで構成されています。 - 窒化状態: オーステナイト化および窒化（これらのグレードでは一般的に油冷却）後、マトリックスは細かく分散した炭化物を持つマルテンサイトに変化します。高炭素含有量のため、完全なマルテンサイトを得るために急速な冷却が使用されます。 - テンパー状態: テンパリングは脆さを低下させ、硬度を調整します; テンパリング温度と時間が最終的な硬度/靭性のバランスを制御します。テンパリングは二次硬化現象を制限するため（高合金鋼とは異なり）、ローリング疲労寿命に最適化されたテンパー処理されたマルテンサイトとテンパー処理された炭化物を生成します。
熱処理経路の影響: - 正常化は粒子サイズを精製する可能性がありますが、通常はベアリング部品に単独で使用されません。 - 球状化アニーリング（ソフトアニーリング）は、加工を最大化するために加工前に使用されます。 - 窒化およびテンパーは、必要な硬度と疲労寿命を達成するための最終部品の標準的な経路です。高炭素レベルのため、急速冷却と適切なテンパリングが重要です—不適切な窒化は保持オーステナイトや亀裂を生じる可能性があります。 - バー生産のための熱機械処理は、ベアリングの疲労寿命に重要なインクルージョンの形態と清浄度に影響を与える可能性があります。
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、絶対的な単一値ではなく、比較的な記述子と典型的な硬度範囲を示しています。
| 特性 | GCr15 | 100Cr6 | ノート |
|---|---|---|---|
| 引張強度 | 硬化時に高い | 硬化時に高い | 両方とも窒化およびテンパー後に高い引張強度を達成します; 大きさはテンパリングに依存します。 |
| 降伏強度 | 高い（硬化状態でUTSに近い） | 高い（硬化状態でUTSに近い） | 非常に硬いマルテンサイト鋼では降伏はあまり意味がありません; 弾性限界は比例限界に近づきます。 |
| 伸び（延性） | 硬化状態で低い（通常は一桁%） | 硬化状態で低い（通常は一桁%） | 両方ともベアリング鋼の硬度レベルで延性が低下します。 |
| 衝撃靭性 | 高硬度で制限される; テンパリングで増加 | 高硬度で制限される; テンパリングで増加 | 靭性は硬度とのトレードオフ; 設計は疲労と衝撃のためのプラトーをバランスさせる必要があります。 |
| 硬度 | 典型的なサービス硬度範囲: ~58–66 HRC（テンパリングによって変動） | 典型的なサービス硬度範囲: ~58–66 HRC（テンパリングによって変動） | 両方ともローリング接触の耐摩耗性のために高いHRCに硬化されます。 |
どちらが強い/靭性がある/延性があるか: - 実際の使用において、両方のグレードは本質的に同じ強度と硬度レベルに熱処理されることができます。靭性と延性は、選択されたテンパリング温度と冶金的品質（インクルージョン、偏析）によって主に調整され、小さな指定の違いによってではありません。
5. 溶接性
GCr15および100Cr6は、高炭素含有量とクロムの組み合わせにより、溶接が難しいと考えられています。硬化性が高いと、熱影響部（HAZ）に硬いマルテンサイト微細構造が形成されるリスクが高まります。
リスクを評価するために使用される一般的な溶接性指数: - 炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（国際溶接性指数）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈（定性的）: - 両方のグレードは、~1.0 wt% Cおよび~1.4 wt% Crのため、通常は比較的高い炭素当量値を示します。高い$CE_{IIW}$または$P_{cm}$値は、前加熱、制御されたインターパス温度、低水素消耗品、そして多くの場合、HAZをテンパーするための溶接後熱処理（PWHT）の必要性を示します。 - 溶接が避けられない場合、最良の実践は、ソフト（球状化）状態で溶接するか、専門のフィラー金属と制御された手順を使用し、その後テンパーPWHTを行うことです。
6. 腐食および表面保護
- GCr15も100Cr6もステンレス鋼ではなく、ステンレスグレードと同等の耐腐食性を提供しません。控えめなクロム含有量は主に硬化性と炭化物形成のためであり、連続的なパッシブフィルム形成のためではありません。
- 典型的な保護戦略:
- 表面コーティング: 亜鉛メッキ、電気メッキ、または専門の耐摩耗コーティング。
- 一時的保護のための塗装、ラッカー、または保存油。
- ローリングエレメントの場合、腐食と摩耗を最小限に抑えるための表面潤滑と適切なシーリングが不可欠です。
- PRENはこれらの炭素クロムベアリング鋼には適用されませんが、参考のためにステンレス合金に使用されるPREN式は次の通りです: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- この指数は、パッシブフィルムを形成するステンレス合金にのみ適用してください; GCr15/100Cr6には意味がありません。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性: 材料がソフトアニーリングまたは球状化状態で供給されるときが最良です。硬化状態では、加工が難しく、研削または研磨プロセスが使用されます。プレハード（アニーリング）ストック操作には、炭化物工具と適切な速度/送りが必要です。
- 成形性: 曲げおよび成形はソフト状態で行うべきです。硬化状態での冷間成形は、特定のプロセスを除いて推奨されません。
- 仕上げ: 精密研削およびラッピングは、ベアリング部品に必要な形状と表面仕上げを達成するために一般的です。表面の完全性（研削焼けの回避）は、疲労性能にとって重要です。
- 表面処理: 誘導硬化またはケース硬化は、通し硬化されたベアリング鋼には一般的ではありませんが、特定の設計には局所的な誘導硬化が使用されることがあります; ほとんどのベアリング部品は通し硬化され、研削されます。
8. 典型的な用途
| GCr15（一般的な用途） | 100Cr6（一般的な用途） |
|---|---|
| ベアリングリング、ボール、ローラー（自動車、工業用） | ベアリングリング、ボール、ローラー（自動車、工業用） |
| 精密シャフトおよびスピンドル | 精密シャフト、スピンドル、およびベアリング部品 |
| 通し硬化およびローリング疲労抵抗が必要な摩耗部品 | EN/ISO文書に指定された摩耗部品およびコンポーネント |
選択の理由: - 両方のグレードは、ローリング接触疲労抵抗、高硬度、および摩耗性能のために選ばれます。選択は、主に仕様（地域標準の好み）、サプライチェーン、文書要件、およびトレーサビリティによって駆動され、主要な冶金的な違いによってではありません。
9. コストおよび入手可能性
- コスト: 両方のグレードの材料コストは、組成が類似しているため、広く比較可能です。価格は市場条件、合金元素のコスト、および加工（バー、リング、完成部品）に依存します。
- 入手可能性: 入手可能性は地域市場にマッピングされる傾向があります—100Cr6は欧州およびEN標準に従うサプライヤーの間で普及しており、GCr15は中国およびGB標準を使用する地域で一般的に供給されています。両方とも世界中で生産され、バー、リング、シート（制限あり）、および完成部品で入手可能です。
- 製品形状はリードタイムとコストに影響を与えます—精密リング、キャリブレーションボール、またはカスタム熱処理部品は、より長いリードタイムと加工プレミアムを伴います。
10. まとめと推奨
| 基準 | GCr15 | 100Cr6 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 難しい（前加熱/PWHTが必要） | 難しい（前加熱/PWHTが必要） |
| 強度–靭性（HTターゲット） | 高強度; 靭性はテンパリングに依存 | 高強度; 靭性はテンパリングに依存 |
| コスト/入手可能性 | 競争力がある; GB標準を使用する市場での強い地域的な入手可能性 | 競争力がある; EN/ISO市場での強い地域的な入手可能性 |
推奨: - 供給チェーン、検査および調達が中国のGB標準に沿っている場合、またはGCr15が標準指定である市場でローカルに認証された材料と短いリードタイムが必要な場合は、GCr15を選択してください。 - プロジェクトまたはアセンブリが欧州/EN仕様に従っている場合、EN文書との一貫性が必要な場合、またはサプライヤーの認証とトレーサビリティがEN/AISIの等価物に基づいて整理されている場合は、100Cr6を選択してください。
最終的な注意: 冶金的にGCr15と100Cr6は同じ機能的役割を果たします。実際の決定要因は、仕様の互換性、文書およびトレーサビリティ、そして製造またはメンテナンス操作で使用される特定の熱処理/加工経路です。重要なベアリングまたは疲労に敏感な部品については、ローカルグレード指定に関係なく、熱処理サイクル、硬度目標、インクルージョンの清浄度、および後処理検査を指定して、互換性を確保してください。