GCr15 対 SUJ2 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
GCr15とSUJ2は、異なる国家基準の下で指定された、広く使用されている高炭素クロムベアリング鋼です。エンジニアや調達マネージャーは、高い接触疲労強度と寸法安定性が求められるローリングエレメントベアリング、シャフト、または摩耗部品を指定する際に、しばしばこれらの選択に直面します。典型的な選択のトレードオフには、コストと地域での入手可能性対仕様のトレーサビリティ、または清浄度、脱炭許容度、推奨熱処理に影響を与える可能性のある化学成分範囲や加工履歴のわずかな違いが含まれます。
実際の中心的な違いは、GCr15とSUJ2がそれぞれ中国と日本の基準で名目上同等のベアリング鋼であることですが、標準組成、許容される公差、典型的な生産/品質管理の実践が異なるため、検証なしには厳密に互換性がないということです。これがデザイナーがそれらを比較する理由です：両者はベアリングに対して比較可能な性能を提供しますが、硫黄/リンの制限、クロムとシリコンの範囲、供給者が微清浄度と熱処理を制御する方法において異なる場合があります。
1. 基準と指定
- GCr15：中国標準GB/T（ベアリング鋼の指定には一般的にGB/T 18254）。多くの用途でAISI/SAE 52100に実質的に相当しますが、GBフレームワーク内で指定されています。
- SUJ2：日本標準JIS G4805（SUJ2は高炭素クロムベアリング鋼のJIS指定です）。AISI/SAE 52100の対となるものと見なされます。
- AISI/SAE 52100：同じ機能的材料クラスのアメリカの指定として国際的なサプライチェーンでしばしば引用されます。
材料分類：GCr15とSUJ2はどちらも高炭素、クロム合金のベアリング鋼です — 技術的にはベアリング用途に最適化された高炭素合金鋼（ステンレス鋼ではなく、HSLAでもなく、従来の意味での工具鋼ではありません）。
2. 化学組成と合金戦略
表：典型的な標準組成範囲（wt%）。注：範囲は国家基準で一般的に指定されるものであり、正確な限界は改訂や調達仕様によって異なります。工場の化学組成については、現在の基準または供給者証明書を参照してください。
| 元素 | GCr15（典型的なGB範囲） | SUJ2（典型的なJIS範囲） |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 | 0.95 – 1.03 |
| Mn | 0.25 – 0.45 | 0.25 – 0.45 |
| Si | 0.17 – 0.37 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.035 (最大) | ≤ 0.035 (最大) |
| S | ≤ 0.035 (最大) | ≤ 0.035 (最大) |
| Cr | 1.40 – 1.65 | 1.30 – 1.60 |
| Ni | ≤ 0.30 (微量) | ≤ 0.30 (微量) |
| Mo | ≤ 0.10 (微量) | ≤ 0.10 (微量) |
| V, Nb, Ti, B, N | 通常は≤微量（合金として指定されていない） | 通常は≤微量（合金として指定されていない） |
合金が特性に与える影響 - 炭素（C）：主な硬化性および炭化物形成元素；高いCは高い硬化硬度と接触疲労抵抗を可能にしますが、溶接性と冷間成形性を低下させます。 - クロム（Cr）：硬化性を促進し、摩耗抵抗とローリング接触疲労性能のためにクロム炭化物を形成します。 - マンガンとシリコン（Mn, Si）：脱酸化と強度；硬化性に対して控えめに寄与します。 - SとP：不純物 — 高いレベルは加工性を改善する可能性がありますが、疲労と破壊靭性を低下させます。基準はベアリング鋼のSとPを制限して疲労寿命を保護します。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - アニーリング状態では：機械加工/成形を可能にするフェライトマトリックス内のパーライトまたは球状化炭化物。 - 焼入れと焼戻し後（ベアリング熱処理）：分散したクロム炭化物を含むテンパー処理されたマルテンサイト；正確な炭化物のサイズ、分布、およびマトリックスの保持オーステナイト含量は、加熱速度、焼入れの厳しさ、および焼戻し温度に強く依存します。
加工ルートとその影響： - 正常化：以前のオーステナイトの粒径を細かくします；最終焼入れ前に靭性をわずかに改善するために有用です。 - 焼入れと焼戻し：高い硬度とローリング接触疲労寿命を提供するための標準的なルート。典型的な処理：組成に適した範囲でオーステナイト化（過度の粒成長を避けるための注意深い制御）し、その後オイルまたはポリマーベースの焼入れを行いマルテンサイト構造を得て、目標の硬度/靭性バランスを得るために焼戻しします。 - 誘導硬化またはケース硬化：硬い表面と靭性のあるコアが必要な部品に対して、GCr15/SUJ2は化学的に全体硬化グレードであることに注意してください；誘導硬化は局所的な表面硬度に一般的に使用されます。 - 熱機械処理：現代の制御された圧延と加速冷却により、細かい粒と制御された炭化物分布が達成できます；供給者間の製造実践の違いが微清浄度と包含形態に影響を与える可能性があります。
微細構造応答におけるGCr15とSUJ2の違いは微妙であり、主にわずかな組成の窓の違いと供給者の熱処理実践から生じるものであり、根本的に異なる合金システムからではありません。
4. 機械的特性
表：典型的な特性（典型的な熱処理後の代表的な範囲）。値は指標的であり、実際の特性は正確な化学組成、熱サイクル、部品の形状、焼入れ/焼戻しに依存します。
| 特性 | GCr15（典型的、焼入れ＆焼戻し / 全体硬化） | SUJ2（典型的、焼入れ＆焼戻し / 全体硬化） |
|---|---|---|
| 引張強度 (MPa) | ~1200 – 2100 | ~1200 – 2100 |
| 降伏強度 (MPa) | 硬化状態で常に指定されるわけではない；通常は高く、材料状態に依存 | GCr15に類似 |
| 伸び (A%) | ~4 – 18（硬度＆焼戻しに依存） | ~4 – 18（硬度＆焼戻しに依存） |
| 衝撃靭性 (Charpy) | 硬化時は低から中程度；焼戻しで改善 | GCr15に匹敵；供給者の加工が結果に影響 |
| 硬度 (HRC) | 一般的なベアリング硬度範囲 58 – 65 HRC（表面/全体） | 一般的なベアリング硬度範囲 58 – 65 HRC |
解釈 - 強度と硬度：両グレードは適切に熱処理されると高い硬度と接触疲労強度に達するように設計されています；名目上の引張/硬度範囲は類似しています。 - 靭性/延性：両者は高硬度で靭性が低下します；HRCを低く焼戻すことで靭性が改善されますが、接触疲労抵抗が一部犠牲になります。 - GCr15とSUJ2の間で観察される小さな機械的特性の違いは、通常、正確な炭素またはクロム含量、包含の清浄度、供給者の熱処理実践の違いから生じるものであり、根本的な合金化学の違いからではありません。
5. 溶接性
高炭素および合金含有量により、両グレードは焼入れ状態での溶接が難しいです。主要な溶接性の考慮事項： - 炭素レベル：高いCは、溶接後の熱影響部位（HAZ）で硬く脆いマルテンサイトのリスクを高め、冷間割れの感受性を増加させます。 - 硬化性：CrとMnは硬化性を高めます；組み合わせ効果が大きいほど、予熱と溶接後の熱処理の必要性が高まります。
定性的評価のための有用な業界の公式： - 炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（溶接亀裂傾向）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - GCr15とSUJ2は、炭素とクロムのために比較的高い$CE_{IIW}$と$P_{cm}$を示し、制御なしでは溶接性が限られることを示しています。 - ベストプラクティス：可能な限りアニーリング状態で溶接し、マルテンサイトへの急冷を避けるために予熱を使用し、HAZの幅を制御するために熱入力を制限し、可能な場合はPWHT（溶接後熱処理）を適用します。重要なベアリング表面については、機械的接合を好むか、溶接設計を代替接合または加工に置き換えます。
6. 腐食と表面保護
- GCr15もSUJ2もステンレスではありません。クロム酸化物含有量（約1.3–1.6%）は、ステンレスの特性を提供するには不十分です。
- 標準的な保護方法：塗装、油塗り、錆防止コーティング、腐食抵抗が必要な部品のための亜鉛メッキ。亜鉛メッキや一部のコーティングは寸法公差や表面処理に影響を与える可能性があるため、精密ベアリング表面にはコーティング後の研磨やラッピングが必要になる場合があります。
- PRENは適用できません：PREN公式 $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ はステンレス鋼にのみ関連し、GCr15やSUJ2のような高炭素ベアリング鋼には意味がありません。
7. 製造、加工性、成形性
- 加工性：アニーリング/球状化状態で最良；両者はアニーリング時に容易に加工できます。硬化状態では研削、ホーニング、または研磨加工が必要であり、硬化表面の従来の旋削は制限されます。
- 成形性：硬化状態では延性が低い；成形作業は最終硬化前に行うべきです。アニーリングされた材料の冷間成形は可能ですが、スプリングバックと必要な最終寸法を考慮する必要があります。
- 表面仕上げ：ベアリング用途では、必要な表面粗さと形状を達成するために研削、スーパーフィニッシング、またはラッピングが必要です — 両グレードは微細構造と包含サイズが類似している場合、同様に反応します。
- 清浄度と包含形態の供給者間の違いが、研磨/ホーニングの効率と慣らし運転性能に影響を与える可能性があります。
8. 典型的な用途
| GCr15の用途 | SUJ2の用途 |
|---|---|
| 中国および地域市場で製造されたローリングベアリング（いくつかのタイプ） | 日本およびJIS仕様に従った輸出市場で製造されたローリングベアリング |
| 工作機械、自動車、産業機器用のベアリングリング、ボール、ローラー、シャフト | JISトレーサビリティが必要な精密シャフトおよび部品用のベアリングリング、ボール、ローラー |
| 地元でのGCr15の供給が経済的な場合、高接触疲労寿命を必要とする精密部品 | JIS認証、文書化された熱処理サイクルが必要な精密部品、または顧客が明示的にSUJ2を指定する場合 |
選択の理由 - 顧客または国際プロジェクトによって要求される仕様に基づいて選択します：図面や調達文書がSUJ2またはGCr15を明示的に示している場合は、指定された基準に従ってください。 - 摩耗とローリング接触寿命については、化学成分と熱処理が同等であれば、両者は同様に機能します。重要または高価値の部品については、製鋼証明書、包含分析、および熱処理記録を要求してください。
9. コストと入手可能性
- 入手可能性：GCr15は中国で広く生産されており、国内および地域市場で容易に入手できます。SUJ2はJIS管理の下で生産され、日本および一部の国際サプライチェーンで一般的です。AISI/SAE 52100は北米および世界的に一般的に入手可能です。
- コスト：相対的なコストは地域の生産と規模の経済に依存します。GCr15は強力な中国の生産がある市場でよりコスト競争力があるかもしれません；SUJ2はJISトレーサビリティ、特定の熱処理、または文書が必要な場合にプレミアムを要求するかもしれません。
- 製品形態：両者はバー、リング、鍛造ブランク、完成部品として入手可能です。リードタイムと最小注文数量は供給者や形態によって異なる場合があります。
10. まとめと推奨
表：迅速な比較（定性的）
| 基準 | GCr15 | SUJ2 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 不良（高C） | 不良（高C） |
| 強度–靭性（硬化） | 高強度、高HRCでの靭性低下 | GCr15に類似 |
| コスト（典型的な地域） | 中国/地域市場でしばしば低い | JIS認証が必要な場合はしばしば高い |
| 入手可能性（地域） | 中国で優れた | 日本/JISサプライチェーンで優れた |
結論と実用的な推奨 - 中国または近隣地域で部品を調達する場合、コスト効果が優先される場合はGCr15を選択してください。ただし、購入者がGB標準の文書を受け入れることが条件です。GCr15は、高炭素クロムベアリング鋼が設計に求められ、地元の供給、価格、リードタイムが重要な要素である場合に適しています。 - JIS材料指定、供給者のトレーサビリティが厳密に求められる場合、またはエンドユーザーが明示的にSUJ2を要求する場合はSUJ2を選択してください。調達または品質システムがJIS証明書を必要とする場合や、以前の供給履歴がSUJ2を使用しており、互換性を避ける必要がある場合は、SUJ2が好ましいかもしれません。
最終的な注意：重要なベアリング部品については、常に必要な硬度範囲、熱処理手順、表面仕上げ、脱炭限度、および必要な製鋼/熱処理証明書を指定してください。GCr15とSUJ2は多くのベアリング用途で機能的に同等ですが、互換性は分析証明書と代表的な機械試験または供給者の資格を通じて検証する必要があります。