H11対H13 - 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
H11とH13は、ダイキャスティング、押出し、鍛造、熱間成形などの高温での加工を必要とする産業で広く使用されている熱間加工用工具鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、耐衝撃性と熱衝撃に対する抵抗力と熱硬度、長期的な熱疲労および摩耗に対する抵抗力の間で、わずかに異なる性能のトレードオフを選択するジレンマに直面しています。この選択は、工具の寿命、メンテナンス間隔、加工パラメータ（予熱、焼戻し）、および総所有コストに影響を与えます。
H11とH13の主な技術的な違いは、高温強度と熱サイクル（熱疲労）に対する抵抗のバランスにあります。H13は、持続的な熱硬度と熱疲労抵抗が重要な場合に好まれる傾向があります。一方、H11は、わずかに高いバルク靭性と延性が必要な場合や、重い機械的衝撃下での亀裂に対する抵抗が優先される場合に選ばれることが多いです。これらの違いは、合金戦略と熱処理後の結果としての微細構造に起因しています。
1. 規格と指定
- 一般的な国際規格と指定：
- AISI/SAE: H11, H13
- DIN/EN: 1.2343 (H11), 1.2344 (H13) — 欧州文献で一般的に参照される
- JIS: SKD5, SKH?（国や正確なグレードマッピングによって異なる）
- GB（中国）: 同等の熱間加工用工具鋼の指定
-
ASTM/ASME: 関連する工具鋼の仕様および製品形状を参照
-
材料クラス：
- H11とH13は、熱間加工用途（熱間加工用工具鋼）を目的とした工具鋼です。これらはステンレス鋼やHSLAではありません。合金化され、空気または油硬化可能なクロム–モリブデン–バナジウム鋼で、熱安定性を考慮して設計されています。
2. 化学組成と合金戦略
正確な割合は規格や製造者によって異なりますが、2つのグレードは共通の熱間加工合金戦略を共有しています—中程度の炭素、重要なクロム、さらにモリブデンとバナジウムが添加され、焼戻し抵抗、硬化性、カーバイド強化を提供します。特許の数値範囲を引用しないために、以下の表では各元素の典型的な存在/役割を特徴づけています。
| 元素 | H11 — 典型的なレベル / 役割 | H13 — 典型的なレベル / 役割 |
|---|---|---|
| C（炭素） | 中程度 — マルテンサイトの硬化性と基礎強度を提供 | 中程度 — H11と類似; 硬化性と焼戻し応答を制御 |
| Mn（マンガン） | 低–中程度 — 脱酸剤、硬化性を助ける | 低–中程度 — 同様の役割 |
| Si（シリコン） | 低–中程度 — 脱酸、強度 | 低–中程度 — 同様 |
| P（リン） | 微量 — 靭性のために低く保たれる | 微量 — 低く保たれる |
| S（硫黄） | 微量 — 加工性のために制御される | 微量 — 制御される |
| Cr（クロム） | 中程度 — 硬化性、高温での酸化抵抗 | 中程度–高 — 熱硬度とスケール抵抗のための重要な要素 |
| Ni（ニッケル） | 通常は重要ではない | 通常は重要ではない |
| Mo（モリブデン） | 中程度 — 温度での強度と焼戻し抵抗を改善 | 中程度 — 熱強度とカーバイド安定性に重要 |
| V（バナジウム） | 中程度 — 摩耗抵抗と靭性のために安定したカーバイドを形成 | 中程度 — 微細なカーバイド分散と熱疲労抵抗に寄与 |
| Nb（ニオブ） | 通常は存在しない | 通常は存在しない |
| Ti（チタン） | 微量または不在 | 微量または不在 |
| B（ホウ素） | 微量（存在する場合） — 硬化性向上剤 | 微量（存在する場合） — 硬化性を改善するために微量添加可能 |
| N（窒素） | 微量 — 特定の窒化物/カーバイド特性を安定化する可能性 | 微量 |
合金化が挙動に与える影響： - 炭素は主に焼入れと焼戻し後の達成可能な硬度を設定し、硬化性に影響を与えます。炭素が高いほど、潜在的な硬度と摩耗抵抗が増加しますが、靭性と溶接性は低下します。 - クロムは硬化性、高温強度、酸化/スケール抵抗を増加させます—熱間加工にとって重要です。 - モリブデンとバナジウムは安定したカーバイドを形成し、焼戻し抵抗（高温にさらされた後の硬度の保持）を改善し、熱疲労抵抗に影響を与えます。 - バナジウムカーバイドの微細な分散は、サイクル熱負荷下での亀裂の発生と成長を妨げるのに役立ちます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - H11とH13は、分散した合金カーバイド（Cr、Mo、Vカーバイド）を持つ焼戻しマルテンサイトマトリックスを生成するように処理されます。焼入れによりマルテンサイトが生成され、焼戻しにより応力が緩和され、カーバイドが析出して安定化します。
熱処理応答と経路： - 正常化：焼入れ前に粒構造を精製し、重いセクションを均質化するために使用されます。均一な硬度応答を生成するのに役立ちます。 - 焼入れ：典型的な焼入れ媒体は油または制御されたガスです; オーステナイト化温度と冷却速度が最終的なマルテンサイトの割合と保持されたオーステナイトを制御します。両グレードは亀裂を避けるために慎重な制御が必要です。 - 焼戻し：サービス温度に合わせた温度での複数の焼戻しサイクルが、硬度、靭性、熱安定性の望ましいバランスを生成します。焼戻しはマルテンサイトを安定化させ、合金カーバイド（Mo、V、Cr）を析出させます。 - 熱機械加工：鍛造と制御された圧延の後に正常化を行うことで、粒サイズを精製し、靭性を改善できます; 両方の鋼はこのような経路に対して良好に反応しますが、硬化性を維持するために制御された冷却が必要です。
比較ノート： - H13の合金バランスは、高温での硬度を保持するように最適化されており（より良い焼戻し抵抗）、そのカーバイド分布は熱疲労と摩耗に対する抵抗を好みます。 - H11は、良好な熱強度を維持しながら、バルク靭性と延性にわずかに調整されています; その微細構造は、重い衝撃の熱間鍛造ダイにおけるより高い破壊靭性のために調整される可能性があります。
4. 機械的特性
正確な特性は熱処理、セクションサイズ、焼戻し温度に強く依存します。以下の表は、典型的な焼入れおよび焼戻しされた熱間加工条件下での定性的な比較特性を示しています。
| 特性 | H11 | H13 |
|---|---|---|
| 引張強度 | 高い（良好な強度） | 高い（H11と同等; 高温でより高い硬度を保持可能） |
| 降伏強度 | 高い | 高い; 高温での保持がわずかに良好 |
| 伸び（延性） | わずかに高い（より延性） | わずかに低い（靭性はあるが硬度に最適化されている） |
| 衝撃靭性 | 通常は良好（重い衝撃下での亀裂伝播に抵抗） | 非常に良好（サイクル熱負荷に設計されている）、ただしバルク靭性ではH11よりわずかに低い可能性がある |
| 硬度（焼戻し後の室温） | 高い（調整可能） | 高い — 合金化により高温でより高い硬度を保持することが多い |
解釈： - H13は一般的に高温での硬度保持が優れており、熱疲労と熱摩耗に対する非常に良好な抵抗を提供します。H11はわずかに良好なバルク破壊靭性と延性を提供し、機械的衝撃や壊滅的な亀裂のリスクが高い場合に魅力的です。
5. 溶接性
熱間加工用工具鋼の溶接性は、低合金鋼に比べて制限されています—亀裂を避け、必要な特性を回復するために、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（PWHT）が通常必要です。
重要な要素： - 炭素と効果的な硬化性は、冷間亀裂に対する感受性を制御します。両グレードは中程度の炭素と重要な合金を持ち、「注意を払えば溶接可能」と見なされます。 - 微合金化（Mo、V、Cr）は硬化性を増加させ、HAZでのマルテンサイト形成のリスクを高めます; これは、適切な予熱とPWHTがない場合に亀裂のリスクを増加させます。 - 修理溶接のために、適合または過剰適合のフィラー金属と適切なPWHTの使用が一般的です。
溶接性評価のための有用な経験則： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（炭素-マンガン当量および溶接亀裂感受性の予測因子）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的な解釈： - 高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値は、硬く亀裂が発生しやすいマルテンサイトHAZのリスクが高いことを示し、したがってより厳格な予熱およびPWHTの要件を示します。H11とH13の両方は、合金含有量のために通常、中程度から高い予熱と溶接後の焼戻しが必要です。
6. 腐食と表面保護
- H11もH13もステンレス鋼ではなく、腐食抵抗はステンレスグレードと比較して制限されています。保護のための一般的な方法には、塗装、溶剤ベースのコーティング、亜鉛メッキ（部品形状に適した場合）、または局所的な表面処理が含まれます。
- 寿命と腐食/摩耗抵抗を向上させるための表面工学オプション：
- ニトライディングまたはフェリティックニトロカーバリゼーション（工具鋼の場合は過焼戻しを避けるために慎重なプロセス制御が必要）。
- 工具表面のためのハードクロムメッキまたはPVD/CVDコーティング（付着と摩耗を減少させる）。
- 極端な摩耗または酸化抵抗のための熱スプレーコーティング。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、実際の選択において非ステンレスのH11/H13には関連しません： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数はステンレス合金に適用されます; H11/H13の典型的なCrレベルは、腐食抵抗性ステンレス鋼として分類するには不十分です。
7. 加工性、機械加工性、および成形性
- 機械加工性：
- 焼鈍/仕上げ前の状態では、両グレードはカーバイド工具を使用して合理的に加工できます; 熱処理後（硬化状態）には機械加工性が悪化します。
- H13は、焼戻し抵抗のある微細構造により、微細なバナジウムカーバイドのために工具に対してやや摩耗性が高くなる可能性があります。
- 研削およびEDM：
- 両方は、硬い工具のための電気放電加工（EDM）に良好に反応しますが、EDM熱影響部位後に特性を回復するためにその後の焼戻しが必要です。
- 成形性：
- 冷間成形は制限されています; 熱間成形と制御された鍛造がバー/鍛造加工で一般的です。H11は、最終熱処理前により多くの延性が必要な場合に好まれることがあります。
- 表面仕上げ：
- 両方は従来の研削、ポリッシング、およびコーティングを受け入れます; 残留応力を避けるために表面を慎重に準備し、熱疲労亀裂を促進しないようにします。
8. 典型的な用途
| H11 — 典型的な用途 | H13 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 重い機械的衝撃と破壊靭性が主な懸念事項である熱間鍛造ダイ（大型ドロップ鍛造ダイ、アップセットダイ） | 持続的な熱硬度と熱疲労抵抗が重要なダイキャスティングダイ、押出し工具、熱間成形ダイ |
| 良好な靭性を必要とする特定のパンチおよびせん断用途 | 熱間加工用パンチおよびコア、サイクル熱負荷にさらされるダイキャスティングコア |
| 延性と衝撃抵抗が壊滅的な破壊のリスクを減少させるインサート | 高温で連続的に動作し、繰り返し熱サイクルにさらされる工具および金型 |
選択の理由： - 高い表面温度、繰り返しの熱サイクル、摩耗性接触を伴う用途ではH13を選択してください—H13の焼戻し抵抗とカーバイド構造は、熱疲労と摩耗の下での寿命を改善します。 - 機械的衝撃、重い総荷重、または壊れやすい破壊を避けるためにわずかに大きな延性/靭性が必要な場合はH11を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：
- H11とH13はどちらも商品熱間加工用工具鋼であり、価格は世界の合金市場によって異なります。H13は世界中でより一般的に使用されており、スケールとサプライチェーンの成熟により、一部の市場ではわずかに経済的である可能性があります。
- 特殊なバリアントや真空溶融プレミアムバーは、いずれのグレードのコストを増加させます。
- 製品形状による入手可能性：
- 両方は主要な鋼材ディストリビューターからバー、プレート、鍛造品、および事前硬化した工具ブランクとして容易に入手可能です。H13は、産業での入手可能性が広く、サプライヤーや溶接/熱処理のノウハウのエコシステムが大きい傾向があります。
10. まとめと推奨
| 基準 | H11 | H13 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好 — 予熱とPWHTが必要 | 良好 — 同様の要件、硬化性のためにしばしばわずかに敏感 |
| 強度–靭性バランス | より良いバルク靭性と延性 | 高温での硬度と強度の保持が優れている; 熱疲労抵抗が優れている |
| コスト / 入手可能性 | 良好 | 非常に良好（世界的にやや一般的） |
推奨： - 高いサービス温度、繰り返しの熱サイクル（熱疲労）、または優れた熱摩耗抵抗が必要な場合はH13を選択してください（例：ダイキャスティング、押出し、熱間成形）。 - 機械的衝撃や重い衝撃荷重に対するより高いバルク破壊靭性と延性を優先する場合はH11を選択してください（例：重い衝撃を受ける大型鍛造ダイ）、およびわずかに低い高温硬度が許容される場合。
最終的な実用的ノート：重要な工具の場合は、明確な熱処理手順（予熱、オーステナイト化、焼入れ媒体、焼戻しスケジュール）を指定し、セクション厚さの影響を考慮し、メンテナンス（再調整、溶接手順）を熱処理業者およびサプライヤーと計画してください。初期の故障モード（熱疲労亀裂対機械的破壊）の試運転と監視は、特定のプロセスにおけるグレード選択を検証するために不可欠です。