GCr9 対 GCr15 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

GCr9およびGCr15は、転がり接触部品、精密シャフト、および一部の工具用途で一般的に指定されるクロム含有炭素鋼の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、製造を容易にする低コストで延性の高いグレードを選ぶか、優れた耐摩耗性と荷重容量を提供する高炭素・高硬度のグレードを選ぶかという選択のジレンマに直面することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、ベアリングおよびシャフト設計、摩耗部品の仕様、使用寿命と製造の難易度のトレードオフが含まれます。

これら2つのグレードの主な違いは、相対的な炭素およびクロム含有量にあります：1つのグレードは、硬化性と耐摩耗性を高めるために高い炭素およびクロム含有量で配合されているのに対し、もう1つは、靭性を改善し加工を容易にするために比較的低いレベルを持っています。両者はしばしば類似の部品ファミリーに使用されるため、組成、熱処理応答、機械的性能、溶接性、およびコストの直接比較が正しい材料選択にとって不可欠です。

1. 標準および指定

• 一般的な標準およびクロスリファレンス：
• GB（中国）：GCr9、GCr15（業界で一般的に使用される中国国家標準の指定）
• JIS（日本）：類似のベアリング鋼はJIS標準（例：SUJシリーズ）で参照されることが多いですが、直接の1対1のクロスオーバーは検証が必要です。
• ISO / EN：ベアリング鋼は通常100Cr6（EN）として指定され、化学成分および特性においてGCr15 / AISI 52100と広く同等です。
• ASTM/ASME：同等の材料は通常、GCr命名法ではなくSAE/AISI番号（例：AISI 52100）を介して指定されます。
• 材料分類：
• GCr9およびGCr15は、ベアリングおよび耐摩耗部品に一般的に使用される高炭素クロム合金炭素鋼です。これらはステンレス鋼でもHSLAでもなく、硬化性と耐摩耗性を向上させるためにクロム添加によって合金化されています。

2. 化学組成および合金戦略

以下の表は、これらのグレードにおいて産業実践で見られる典型的な名目範囲を示しています。値は指標的なものであり、調達のためには常に製鋼所の証明書および適用標準で確認してください。

元素（wt%）	GCr9（典型的範囲）	GCr15（典型的範囲）
C	0.80 – 0.95	0.95 – 1.05
Mn	0.20 – 0.50	0.25 – 0.45
Si	0.10 – 0.35	0.15 – 0.35
P	≤ 0.030	≤ 0.025
S	≤ 0.030	≤ 0.025
Cr	0.80 – 1.20	1.30 – 1.65
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	≤ 0.08	≤ 0.08
V, Nb, Ti	微量/熱に依存（通常≤ 0.05）	微量/熱に依存（通常≤ 0.05）
B, N	微量	微量

合金が特性に与える影響： - 炭素：焼入れ後に達成可能な硬度と耐摩耗性の主な決定要因。炭素が高いほど強度と硬度が増しますが、延性と溶接性は低下します。 - クロム：硬化性を高め、耐摩耗性および焼戻し抵抗に寄与します。中程度のクロムレベル（GCr15のように）は、断面厚さを通じて均一な硬化をサポートします。 - マンガンおよびシリコン：脱酸剤および強度の寄与者；それらは硬化性を適度に増加させます。 - 不純物（P、S）：脆化および加工性の問題を避けるために低く保たれます；硫黄は自由加工バリアントのために限られた量で意図的に存在する場合があります。

3. 微細構造および熱処理応答

両グレードの典型的な微細構造および熱処理挙動：

• 圧延/焼鈍状態：
• 両グレードは焼鈍状態でフェライト-パーライトの微細構造を示します。GCr15は炭素が高いため、パーライトの割合が高く、炭化物が細かくなります。
• 正規化：
• 正規化は粒子サイズを精製し、炭化物を均一化します。GCr15は、炭素およびクロム含有量が高いため、次の硬化時に細かいマルテンサイトを発生させる傾向があります。
• 焼入れおよび焼戻し：
• オーステナイト化および焼入れ後、両グレードはマルテンサイトを形成しますが、GCr15は高い硬化性（より深いマルテンサイト形成）および高い焼入れ硬度を達成します。焼戻しは硬度を低下させ、靭性を改善します；焼戻し応答は異なり、GCr15はより強い炭化物の安定性により、同等の焼戻し温度でより高い硬度を保持します。
• 熱機械処理：
• 制御された圧延および加速冷却により、より細かい炭化物と改善された靭性を生成できます。両グレードに利益がありますが、GCr15の炭素およびクロム含有量が大きいため、粗いマルテンサイトや残留オーステナイトを避けるための冷却速度に対する感度が増加します。

4. 機械的特性

機械的特性は熱処理によって大きく変化します。以下の表は、ベアリングおよび硬化シャフト用途で使用される代表的な処理後の範囲をまとめています。これらの値はあくまでガイダンスとして使用し、サプライヤーデータで確認してください。

特性（典型的範囲、硬化/焼戻し）	GCr9	GCr15
引張強度（MPa）	1,200 – 2,200	1,400 – 2,400
降伏強度（MPa）	900 – 1,800	1,100 – 2,000
伸び（%）	2 – 12	1 – 8
シャルピー衝撃靭性（J）	8 – 35	5 – 25
典型的硬度（HRC）	56 – 64	58 – 66

解釈： - 強度と硬度：GCr15は通常、より高い炭素およびクロムにより、より高い硬度と引張強度を達成します。これにより、より大きなマルテンサイトの割合と硬い炭化物が可能になります。 - 靭性と延性：GCr9は、比較的同等の硬度レベルでより靭性があり、延性が高い傾向があります。これは、炭素および合金含有量がやや低いため、マルテンサイトの脆性および亀裂発生の傾向が低下するためです。 - 選択の意味：転がり要素接触において最大の耐摩耗性と荷重支持が必要な場合、GCr15が好まれます。衝撃抵抗が高いか、溶接後の靭性が容易に必要な部品には、GCr9が有利かもしれません。

5. 溶接性

溶接性は主に炭素当量および硬化性を高める合金元素によって影響を受けます。2つの一般的な指標は、IIW炭素当量およびPcm式です：

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - 高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値は、冷却亀裂のリスクが高く、予熱/溶接後熱処理（PWHT）の必要性が増し、溶接後の靭性が低下することを示します。 - GCr15は、炭素およびクロムが高いため、通常GCr9よりも高い炭素当量を持ち、したがって予熱および慎重なPWHTなしでは厚いセクションでの溶接が難しくなります。 - GCr9は比較的溶接が容易ですが、脆いマルテンサイトを熱影響部で避けるために水素制御、予熱、および焼戻しを考慮する必要があります。 - 実用的なガイダンス：重要または高硬度の部品の場合、可能な限り溶接を避け、機械的な固定を使用するか、局所的な熱処理を許可するように設計してください。溶接が必要な場合は、制御された予熱、低水素電極/ワイヤ、およびPWHTのレジームを指定してください。

6. 腐食および表面保護

• GCr9およびGCr15はどちらもステンレス鋼ではなく、合金化学だけでは重要な耐腐食性を提供しません。表面保護戦略は一般的で、以下が含まれます：
• 電気めっき（例：亜鉛）、一般的な大気保護のための熱浸漬亜鉛メッキ、変換コーティング、およびエポキシや塗料などの有機コーティング。
• 摩耗が重要な部品には、薄い硬いコーティング（窒化、PVD/CVDコーティング）が表面寿命を改善し、基材が靭性を提供します。
• PRENはステンレス鋼に使用され、これらの炭素-クロム鋼には適用されません；例として：

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• GCrグレードはクロムが控えめで（ステンレスの閾値を大きく下回る）、このファミリーの腐食選択に対してPREN値は意味を持ちません。腐食の軽減はコーティングと環境管理に依存するべきです。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：
• GCr15の高炭素および硬化性の増加は、通常、正規化または硬化状態での加工性を低下させます。硬化したGCr15の旋削、フライス加工、およびドリル加工には、カーバイド工具および剛性のあるセットアップが必要であるか、または柔らかい（焼鈍）状態で行い、その後仕上げ熱処理を行います。
• GCr9は炭素がやや低いため、同様の条件で加工が容易であり、硫黄またはリンが調整された自由加工バリアントで入手可能な場合があります（ただし、これは疲労に悪影響を及ぼします）。
• 成形性および冷間加工：
• 両グレードは焼鈍状態で成形可能ですが、比較的高い炭素含有量のため、深絞りはこれらの鋼には一般的ではありません。曲げおよび成形には焼鈍材料が必要であり、スプリングバックを考慮する必要があります。
• 表面仕上げ：
• ベアリング部品の研削および研磨は標準です。GCr15は、転がり接触用途において高い硬度および厳しい幾何学的公差のため、より細かい研削が必要です。

8. 典型的な用途

GCr9 – 典型的な用途	GCr15 – 典型的な用途
シャフト、ピン、小型ローラー、軽負荷のブッシング、ある程度の延性が必要な摩耗部品	転がりベアリングリングおよびボール、高負荷シャフト、精密ローラー、高い表面硬度が必要な耐摩耗部品
中程度の耐摩耗性が十分な一般用途の硬化部品	高負荷ベアリング、レースウェイ、および優れた耐摩耗性と寸法安定性が必要な精密部品
加工が容易または高い衝撃耐性が有利な部品	サイクリック接触および高い接触応力下での長寿命が要求される用途

選択の理由： - 運用負荷、接触応力、および期待される寿命に合った硬度と靭性の組み合わせを持つグレードを選択してください。製造制約を考慮してください：複雑な加工や溶接が必要な場合、GCr9は処理コストを削減する可能性があります；最大の疲労/摩耗寿命が最優先の場合、GCr15がより良い選択である可能性が高いです。

9. コストおよび入手可能性

• 相対コスト：
• GCr15はベアリング用途向けに大量生産されており、炭素およびクロム含有量の増加により原材料コストはわずかに高く、加工コスト（研削、熱処理）は最終的な硬度要件が高いため高くなる可能性があります。
• GCr9は通常、トンあたりのコストがやや低く、加工および焼戻しが容易なため、二次加工コストが低くなる可能性があります。
• 入手可能性：
• GCr15（および100Cr6 / AISI 52100のような同等品）は、世界中の多くの製鋼所および専門サプライヤーからバー、リング、ベアリンググレードの形状で入手可能です。
• GCr9は地域的に広く入手可能であり、商品バーの形状で入手可能ですが、完成したベアリング部品の入手はGCr15よりも一般的ではありません。

10. まとめと推奨

基準	GCr9	GCr15
溶接性	良好（低炭素当量）	低い（高炭素およびCr、予熱/PWHTが必要）
強度 – 靭性のバランス	同等の硬度でより延性/靭性が高い	達成可能な硬度と強度が高く、靭性が低い
コスト	低から中程度	中程度から高い

結論としての推奨： - GCr9を選択する場合：合理的な耐摩耗性とより良い靭性、加工の容易さ（加工または限られた溶接）が必要な場合、またはコストと加工の柔軟性が主な考慮事項である場合。 - GCr15を選択する場合：アプリケーションが最大の接触硬度、耐摩耗性、および荷重容量を要求し（例：転がりベアリング、高ストレスレースウェイ）、厳格な熱処理、研削、および溶接管理を受け入れることができる場合。

最終的な注意：材料選択は常に部品設計荷重、熱処理能力、製造ルート、およびサプライヤーの認証（化学および機械試験報告書）に対して検証されるべきです。重要な部品については、選択された熱処理および表面仕上げを反映した疲労、摩耗、および残留応力分析を実施してください。