GCr18 vs GCr18Mo – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
GCr18およびGCr18Moは、高炭素クロムベアリング/合金鋼で、ローリング要素、シャフト、耐摩耗部品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、これらの選択肢を選ぶ際に、疲労寿命、耐摩耗性、硬化性、溶接性、コストのトレードオフを考慮することが一般的です。典型的な意思決定の文脈には、深部ベアリング用のグレード選定、全体硬化とケース硬化を必要とする部品の設計、または大きな断面で信頼性高く生産できる材料の選定が含まれます。
主な冶金的な違いは、GCr18Moにモリブデンを意図的に添加して、通常のGCr18と比較して硬化性と耐摩耗性、焼戻し抵抗を向上させることです。このため、両グレードは、断面サイズ、熱処理応答、サービス摩耗が重要な設計および製造において比較されます。
1. 標準および指定
- 一般的な国内および国際的な同等物および標準：
- GB（中国）：GCr18、GCr18Mo（ベアリング/合金鋼の中国国家命名法）。
- EN（ヨーロッパ）：100Cr6 / 1.3505（GCr18に対して密接に関連）に関連し、モリブデンを含むバリアントは、修正された1.3505グレードまたは特定のEN指定の下で指定される場合があります。
- AISI/SAE：52100 / SAE 52100はGCr15/100Cr6に類似しています。GCr18は化学組成と用途においてこれらのベアリング鋼と比較されることが多いですが、正確な同等性は限界に依存します。
- JIS（日本）：JISには類似のベアリング鋼が存在しますが、直接の1対1の指定マッピングには組成表の確認が必要です。
- 分類：
- GCr18およびGCr18Moは、通常、ステンレス鋼やHSLA構造鋼ではなく、ベアリング/工具/耐摩耗鋼として使用される高炭素クロム含有合金鋼です。
2. 化学組成および合金戦略
以下の表は、代表的なGCr18およびGCr18Moの配合に対する典型的な元素範囲を示しています。正確な限界は標準、製造者、および熱処理仕様によって異なります。ユーザーは、調達のためにミル証明書または適用される標準を確認する必要があります。
| 元素 | 典型的なGCr18（wt.%） | 典型的なGCr18Mo（wt.%） |
|---|---|---|
| C | 0.95 – 1.05 | 0.95 – 1.05 |
| Mn | 0.20 – 0.40 | 0.20 – 0.40 |
| Si | 0.10 – 0.40 | 0.10 – 0.40 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| Cr | 1.30 – 1.70 | 1.30 – 1.70 |
| Ni | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| Mo | ≤ 0.03 | 0.10 – 0.30 |
| V | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Nb/Ti/B/N | コード/トレースレベル | コード/トレースレベル |
注意： - 炭素は、高硬度と耐摩耗性を実現するために高く設定されています。 - クロムは、硬化性、耐摩耗性、および炭化物形成を提供します。 - GCr18Moのモリブデンは、硬化性と焼戻し抵抗を高めるために少量添加され、焼戻し応答を改善し、大きな断面での脆い急冷微細構造のリスクを減少させます。 - 微量元素（V、Nb、Ti）は、通常、供給者の慣行に応じて、トレース量または意図的な微合金としてのみ存在します。
合金が特性に与える影響： - CとCrは、達成可能な硬度と炭化物構造を制御します。Cが高いほど硬度は増しますが、溶接性は低下します。 - 1.3–1.7%のレベルのCrは、二次硬化と耐摩耗性に寄与しますが、鋼をステンレスにすることはありません。 - Moは硬化性を高め、焼戻し抵抗を高め（高い焼戻し温度で硬度を保持）、ローリング接触疲労寿命を改善することができます。 - MnとSiは脱酸剤であり、硬化性と強度にわずかに寄与します。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造と加工の影響：
- 圧延/正規化後：
-
両グレードは、アニーリングの実践に応じて、パーライトまたは球状化炭化物マトリックスを示します。正規化/精製サイクルは、次の急冷および焼戻し処理に適した細かいパーライトと保持された炭化物を生成します。
-
急冷および焼戻し：
- 典型的な硬化：オーステナイト化（例：780–840°C、断面および仕様に応じて）し、特定の形状のために油/急冷または空気/急冷を行います。次の焼戻しは、分散したクロム炭化物を含む焼戻しマルテンサイトを生成します。
- GCr18：小さな断面で高い硬度と細かい炭化物分布を達成しますが、大きな断面では不完全な変態（軟らかいコア）や急冷亀裂のリスクが高くなります。
-
GCr18Mo：Moは硬化性を高め、大きな断面でより全体硬化したマルテンサイト構造を促進します。Moはまた、焼戻し抵抗をシフトさせるため、焼戻し硬度が高い焼戻し温度でより良く保持されます。
-
熱機械加工：
- 熱機械的に制御された加工と熱間圧延は、以前のオーステナイト粒子サイズに影響を与えます。細かいオーステナイト粒子は靭性を改善し、必要なオーステナイト化温度を低下させます。Moは、粗い断面で靭性を保持するのを助け、硬化性を改善します。
要約すると、両グレードの微細構造制御は、分散したクロム炭化物を含むマルテンサイトマトリックスを達成することに焦点を当てています。GCr18Moは、大きな断面および高い焼戻し温度に対してより寛容です。
4. 機械的特性
機械的特性は、正確な熱処理に強く依存します。以下の表は、ベアリング/摩耗用途に使用される典型的な急冷および焼戻し後の範囲を示しています。これらは保証された値ではなく、代表的な値として扱ってください。
| 特性 | 典型的なGCr18（急冷および焼戻し） | 典型的なGCr18Mo（急冷および焼戻し） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 900 – 1800（熱処理依存） | 900 – 1900（全体硬化した断面で高い） |
| 降伏強度（MPa） | 600 – 1600 | 600 – 1650 |
| 伸び（%） | 4 – 12（高硬度で低下） | 4 – 12 |
| 衝撃靭性（J、シャルピー） | 非常に高い硬度で低下；焼戻しで改善 | 一般的に類似または大きな断面でわずかに改善される |
| 硬度（HRC） | 58 – 66（ベアリング硬度範囲） | 58 – 66（Moグレードで焼戻し後により良く保持される） |
解釈： - ピーク硬度と引張強度は主に炭素と熱処理によって制御されます。両グレードは小さな部品で類似のピーク硬度を達成します。 - GCr18Moは硬化性が改善されているため、大きな部品では、同じように処理された通常のGCr18と比較して、より高いコア硬度と強度を達成できます。 - 靭性の違いは用途と処理に依存します。Moは、より均一なマルテンサイト応答を可能にし、焼戻し微細構造の安定性を向上させることで、重い断面で靭性を改善できます。
5. 溶接性
高炭素、高硬度鋼の溶接性は、高炭素等価と熱影響部（HAZ）で硬く脆いマルテンサイトを形成する傾向があるため、慎重な制御が必要です。
一般的に使用される溶接性指数： - 炭素等価（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - GCr18およびGCr18Moはどちらも高炭素であり、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$の値は、重要な用途に対して予熱、制御されたインターパス温度、および溶接後の熱処理を必要とするのに十分高くなります。 - Moの存在は、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$をわずかに増加させます。言い換えれば、GCr18Moは、予防策なしで溶接された場合、GCr18よりもHAZの硬化および亀裂リスクにわずかに敏感です。 - 小さな修理や非重要な接合部には、マッチング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、HAZ内のマルテンサイトを焼戻すためにPWHT（溶接後熱処理）を行います。 - 溶接を最小限に抑える必要がある場合、機械的接合または組立フィットへの機械加工が好まれます。
6. 腐食および表面保護
- GCr18およびGCr18Moはどちらもステンレス鋼ではなく、彼らのクロム含有量は水性環境でのパッシベーションを提供するには不十分です。
- 典型的な表面保護戦略：
- 保護コーティング：塗装、メッキ（亜鉛、ニッケル）、またはリン酸塩コーティング。
- 特定の成形または構造部品には亜鉛メッキが選択肢ですが、亜鉛メッキ後の熱処理は一般的ではありません。
- 潤滑および排水設計は、腐食による摩耗を減少させるためにローリング接触に一般的です。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレスベアリング鋼には適用されません。なぜなら、PRENはステンレスの腐食抵抗を評価するために使用されるからです： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- サービスが腐食抵抗と摩耗/疲労性能の両方を必要とする場合は、耐腐食合金（ステンレスベアリング鋼）を使用してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：
- 高炭素および高硬度能力により、両グレードは硬化状態での加工が難しくなります。工具寿命を改善するために、アニーリングまたは球状化条件が加工に使用されます。
- GCr18Moは、焼戻し/硬化状態ではMo強化効果によりわずかに加工が難しくなる可能性がありますが、前加工条件では差は小さいです。
- 冷間成形および曲げ：
- 硬化状態では好ましくなく、成形は柔らかいアニーリング状態で行われます。
- 高炭素含有量は、亀裂なしでの深絞りや広範な成形を制限します。
- 研削および仕上げ：
- 両者は硬化後の精密研削に良く反応します。炭化物の分布と保持されたオーステナイトは、研削挙動と最終的な寸法安定性に影響を与える可能性があります。
- 熱処理に関する考慮事項：
- 加工のための球状化アニーリング：切削力を減少させ、エッジのチッピングを防ぎます。
- 制御された急冷媒体、焼戻しスケジュール、および応力緩和は、歪みを最小限に抑えるために重要です。
8. 典型的な用途
| GCr18（典型的な用途） | GCr18Mo（典型的な用途） |
|---|---|
| 精密ローリングベアリングおよびボール（小〜中サイズ） | 大きな断面が全体硬化を必要とするベアリングおよびシャフト |
| 精密機械で使用されるベアリングリング、ローラー、およびレース | 重い断面のローラー、大きなベアリングリング、および重いローリング接触疲労にさらされる部品 |
| コストが重要な小〜中サイズの部品における摩耗部品 | 改善された焼戻し抵抗と硬化性が寿命を延ばす摩耗部品およびシャフト |
| 高い表面硬度を必要とする工具部品（小さな部品） | 高温で動作する部品または焼戻し後に硬度をより良く保持する必要がある部品 |
選定の理由： - GCr18は、標準的な急冷および焼戻し処理で必要な硬度と疲労寿命を経済的に達成できる小〜中断面のベアリングおよび摩耗鋼に適しています。 - GCr18Moは、断面サイズ、予想される運転荷重、またはより高い焼戻し温度が全体硬化の改善、焼戻し後の保持硬度の向上、またはモリブデンが提供する摩耗およびローリング接触疲労寿命のわずかな改善を必要とする場合に選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：
- GCr18は、モリブデンという高コストの合金元素が含まれていないため、通常GCr18Moよりも安価です。
- GCr18Moの追加コストは、硬化性、廃棄物の削減、または性能向上がライフサイクルの節約をもたらす場合に正当化されます。
- 入手可能性：
- 両グレードは、特殊鋼サプライヤーを通じて、ベアリング鋼製品形状（バー、リング、シート、鍛造ブランク）で一般的に入手可能です。
- 厳密な公差のMo含有バリアントや特定の熱処理の場合、リードタイムがわずかに長くなる可能性があります。注文時にミル証明書と熱処理を指定してください。
10. 要約と推奨
| 属性 | GCr18 | GCr18Mo |
|---|---|---|
| 溶接性 | 不良から制限（予熱/PWHTが必要） | わずかに劣る（高い硬化性） |
| 強度–靭性バランス | 高硬度が達成可能；靭性は断面/HTに依存 | より良い全体硬化により重い断面で類似または改善される |
| コスト | 低い | 高い（Moによる） |
推奨： - 小〜中断面のベアリング/摩耗鋼が必要で、標準的な急冷および焼戻し処理で必要な硬度と疲労寿命を達成する場合はGCr18を選択してください。 - コンポーネントが大きな断面で、断面全体でより均一な硬化が必要で、焼戻し抵抗が改善される必要がある場合、またはモリブデンが提供する摩耗およびローリング接触疲労寿命のわずかな改善が利益となる場合はGCr18Moを選択してください。
最終的な実用的な注意： - 購入注文時に正確な化学限界、熱処理スケジュール、および受入試験（硬度、微細構造、非破壊試験）を必ず指定してください。 - 溶接されたアセンブリや重要な疲労部品の場合、HAZの脆さやサービス障害を避けるために、予熱、インターパス温度、および必要なPWHTを定義するために冶金プロセスエンジニアを早期に関与させてください。