H13対H11 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

H13とH11は、産業で最も広く使用されている熱間加工用工具鋼の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、通常、高温、サイクル熱衝撃、摩耗に耐える必要がある金型、熱間鍛造工具、押出し工具、または射出成形ハードウェアを指定する際にH11とH13を比較検討します。選択のジレンマは、通常、高温強度と熱間硬度と、厳しい機械的衝撃下での破壊靭性および衝撃/欠けに対する抵抗とのトレードオフに関するものです。

これらのグレードの主な実用的な違いは、高温強度と靭性のバランスにあります：H13は、熱間硬度、焼戻し抵抗、熱疲労抵抗が主な要件である場合（例：ダイキャスティング、押出し）に一般的に指定され、一方H11は、衝撃や間欠的な高ストレス負荷下でのバルク靭性の向上がより重要な場合に選ばれます。両者は、類似の基礎化学組成を持つ熱間加工用工具鋼ですが、モリブデンと加工のわずかな違いが、サービス中の異なる機械的挙動をもたらします。

1. 規格と呼称

• 一般的な規格と呼称：
• ASTM/ASME: A681（Hシリーズを含むAISI/UNS工具鋼を指定）
• EN: EN X40CrMoV5-1（H13相当）およびH11バリアントの類似EN番号
• JIS: SKD61（H13の近似相当）およびH11と比較されることのあるSKD5/SKD9バリアント
• GB（中国）: 比較可能な呼称がよく使用される（例：H13/H11の直接呼称が一般的）
• 分類：
• H13とH11は、両方とも熱間加工用工具鋼（合金工具鋼）に分類されます。これらはステンレス鋼やHSLAではなく、高温工具用に設計された炭素合金工具鋼です。

2. 化学組成と合金戦略

商業的に指定されたH13およびH11の典型的な組成範囲（wt%）（一般的なデータシートおよび規格からの代表的な範囲；正確な値は規格および供給者によって異なる）：

合金が特性に与える影響： - 炭素とクロムは主に硬化性、マルテンサイト硬化能力、焼戻し応答を確立します。 - モリブデンは硬化性、焼戻し抵抗（赤硬度）を増加させ、高温強度に寄与します — H13（より高いMo）が優れた熱間硬度と熱疲労抵抗を示す主な理由です。 - バナジウムは析出強化（VC）を促進し、二次硬化および摩耗抵抗に寄与します。 - シリコンは高温での強度と酸化抵抗を改善します。 - Mn、P、S、および微量の微合金元素の低レベルは靭性と清浄度を制御します。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - アニーリングまたは正規化された状態では、両方のグレードは、細かい合金炭化物（CrおよびVを含む炭化物）を持つ焼戻しマルテンサイト/フェライトマトリックスを示します。炭化物の分布と体積比はC、Mo、Vの影響を受けます。 - 十分に高いオーステナイト化温度（これらのグレードでは一般的に1000–1050 °C）から急冷し、その後焼戻しを行った後、微細構造は合金炭化物を含む焼戻しマルテンサイトであり、過焼戻しまたはゆっくり冷却された場合は残留オーステナイトが存在する可能性があります。

一般的な熱処理プロセスがそれらに与える影響： - 正規化：粒構造を精製します；最終硬化の前に行い、微細構造を均一化し、偏析を除去します。 - 急冷および焼戻し：両者は従来の急冷および焼戻しサイクルに良く反応します。H13の高いMoは硬化性を増加させ、焼戻し抵抗を高めます（高い焼戻し温度での保持硬度）。H11はわずかに低いMoを持ち、比較可能な硬度に達する傾向がありますが、最適化された焼戻し後にわずかに高い保持靭性を示すことがあります。 - 熱機械加工：正規化の前に鍛造および制御された圧延を行うことで、粗い炭化物を破壊し、前のオーステナイト粒サイズを精製することで靭性を向上させることができます。これは、大型金型鍛造や重い工具に頻繁に使用され、破壊抵抗を最大化します。

性能への影響： - H13の微細構造は、より多くのMoが高い赤硬度と高温サービス温度での軟化抵抗をサポートします。 - H11の微細構造は、靭性と亀裂伝播抵抗を最大化するために（焼戻しおよび熱機械加工を通じて）調整可能です。

4. 機械的特性

典型的な急冷および焼戻し後の特性範囲（値は焼戻しレベルおよび供給者によって異なる；引用された範囲は一般的なH.T.条件の代表的なものです）：

解釈： - 強度：両方のグレードは、適切な熱処理後に同様の高強度を達成できますが、H13は高温での保持強度が必要な場合に一般的に選択されます。 - 靭性：H11は、比較可能な硬度条件で、通常、やや高いバルク靭性と衝撃抵抗を示します。この違いは、工具が重い衝撃負荷や繰り返しの機械的衝撃に対して設計されている場合に拡大します。 - 延性：比較可能；H11は、焼戻しおよび加工に応じて破断時の伸びでわずかな利点を示すことがあります。

5. 溶接性

溶接性は、炭素当量および硬化性および冷間割れに対する感受性への合金の寄与によって決まります。

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（割れ傾向に対してより敏感）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - H13とH11は、硬化性を高める中程度の炭素と重要な合金（Cr、Mo、V）を持っているため、未焼戻しの状態では両方とも中程度の難易度で溶接されると考えられています。割れを避けるために、予熱、インターパス温度管理、および溶接後の熱処理（PWHT）が通常必要です。 - H13の高いMoとしばしばわずかに高いCEは、熱影響部（HAZ）での硬化および割れに対してわずかに感受性を高める傾向があるため、溶接実践はより保守的である必要があります（高い予熱、制御された冷却、PWHT）。 - H11は、わずかに低いMo含有量を持ち、溶接がわずかに容易ですが、依然として工具鋼に対する標準的な注意（予熱、低熱入力、PWHT）および一致したまたは特別なフィラー金属の使用が必要です。

6. 腐食および表面保護

• H13もH11もステンレスではなく、湿気の多いまたは腐食性の環境で腐食の影響を受けます。典型的な保護方法には以下が含まれます：
• 塗装またはポリマーコーティング
• 化学的パッシベーション（これらの合金鋼に対しては効果が限られています）
• 局所的な亜鉛メッキは、コーティングが公差や性能に影響を与える可能性があるため、工具には一般的ではありません。
• 表面工学（窒化、PVDコーティング、セラミックまたはDLCコーティング）は、表面の摩耗および腐食抵抗を改善するために一般的に使用されます。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、ステンレス合金に対してのみ意味があります；例えば： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数はH11/H13には適用されません。なぜなら、これらは非ステンレスの工具鋼だからです。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：
• アニーリング状態では、両方のグレードは標準の高速鋼またはカーバイド工具で加工可能です。H13は、わずかに高いMoとより多くの二次炭化物を持ち、工具に対してわずかに摩耗性が高く、同等の条件下でH11に比べて工具寿命を短くする可能性があります。
• 硬化すると、両方とも加工が難しく、EDM、研削、および研磨加工が一般的な仕上げ方法です。
• 成形性：
• 熱間成形（鍛造）は、大型金型の標準的な実践です。両者は、適切な温度とひずみ速度が使用されると、熱間加工に良く反応します。
• 冷間成形は、炭素含有量と割れのリスクのために制限されています。
• 仕上げ：
• 両方とも表面硬化処理（窒化、選択的領域の誘導硬化）およびPVD/CVDコーティングを受け入れます。H13の優れた焼戻し抵抗は、高温で使用されるコーティングのためのわずかに良いプラットフォームを提供します。

8. 典型的な用途

選択の理由： - 繰り返し高温にさらされ、熱サイクルおよび軟化抵抗（焼戻し抵抗）が主な懸念事項である場合はH13を選択してください。 - 重い機械的衝撃、大きな断面が内部応力にさらされる場合、またはバルク破壊靭性を最大化することが優先される場合はH11を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：H13は世界中で広く生産され、在庫されています；その高いモリブデン含有量は、H11よりもkgあたりわずかに高価にする可能性がありますが、価格は供給者および市場に依存します。H11は、在庫および地元の供給がそれを支持する場合、わずかに安価である可能性があります。
• 製品形状による入手可能性：
• バー、ブロック、プレート、鍛造品、および事前硬化プレートは、両方のグレードで一般的に入手可能です。H13はおそらく世界中で最も一般的に在庫されている熱間加工グレードであるため、リードタイムや形状のバリエーションはH13の方が良いことが多いです。
• 大型カスタム鍛造品の場合、供給のリードタイムは、基材グレードよりも熱処理および鍛造工場に依存します。

10. まとめと推奨

推奨事項： - H13を選択する場合： - あなたの工具が高温で長時間運転し、良好な赤硬度と熱軟化に対する抵抗が必要な場合（例：ダイキャスティング、押出し、熱間せん断）。 - 熱疲労とサイクル加熱下での軟化抵抗が主な破損モードである場合。 - H11を選択する場合： - 工具または金型が重い機械的衝撃、衝撃、または脆性破壊とチッピングを防ぐことが主な懸念である場合（大型鍛造金型、衝撃にさらされる工具）。 - 破壊靭性と修理の容易さを、最大の高温での硬度保持よりも優先する場合。

最終的な注意：いずれのグレードの実際の性能は、供給の品質、清浄度、以前の熱機械加工、および正確な熱処理スケジュールに大きく依存します。重要な工具の場合は、調達文書に必要な靭性、許容される硬度範囲、および溶接後の熱処理の実践を指定し、鋼の供給者と相談して、ミル認証およびアプリケーションに合わせた推奨熱サイクルを取得してください。