L390対L415 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、鋼材のグレードを選択する際にしばしばトレードオフに直面します。高い強度は、加工や溶接の容易さとしばしば対立し、より良い溶接性は達成可能なピーク強度や耐摩耗性を制限する可能性があります。L390とL415は、設計者が提供される強度と加工の便利さをバランスさせる低合金構造鋼および工具型鋼のスペクトルで隣接する位置を占めているため、多くの選択会話でペアになっています。
これら2つのグレードの主な実用的な違いは、最大達成可能な強度/硬化性と溶接/加工の容易さとのトレードオフです。L415は、通常、より高い厚さ方向の強度と硬化性が必要な場合に指定される一方、L390は、溶接性、靭性、より簡単な熱処理が優先される場合に好まれます。命名規則や正確な化学組成は標準や供給者によって異なる場合があるため、ユーザーは特定の購入に対して製鋼所の証明書と適用される標準を確認する必要があります。
1. 標準と指定
- 両グレードに対して確認すべき一般的な標準：EN（欧州規格）、ASTM/ASME（アメリカ）、JIS（日本）、およびGB（中国）などの国家標準。すべての標準が正確なL390/L415ラベルを使用するわけではなく、これらは商業名または同等の標準番号にマッピングされた商標名である場合があります。
- 分類：
- L390 — 低合金構造鋼またはエンジニアリング鋼として一般的に扱われ、バランスの取れた靭性と中程度の強度が必要なナイフ/工具/成形用途で使用されることがあります。
- L415 — 通常、より高強度の低合金鋼またはより高い硬化性のバリアントであり、より大きな引張/降伏強度または深い硬化が必要な場合に使用されます。
- タイプ：どちらもステンレスグレードではありません（供給者の仕様で明示的に指定されている場合を除く）；どちらも従来の工具鋼やステンレス鋼ではなく、低合金またはマイクロ合金鋼です。問題のグレードが合金構造鋼、工具鋼のバリアント、または特定の製鋼所からの特別な製品であるかを確認してください。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、典型的な合金戦略を定性的に要約しています。正確な組成は仕様や製造者によって異なります。調達または設計のためには、実際の材料仕様書と製鋼所の試験証明書を参照してください。
| 元素 | 典型的なレベル（相対的） | 機能的役割と効果 |
|---|---|---|
| C（炭素） | L390：低〜中程度 | 強度と硬化性を提供します。炭素が高いほど強度と硬度が増しますが、溶接性と靭性が低下します。 |
| C（炭素） | L415：中程度〜高い | 炭素の増加は、より高い焼入れ強度と硬度をサポートします。溶接にはより厳密な管理が必要です。 |
| Mn（マンガン） | L390：中程度 | 強度と硬化性を改善します。脱酸と引張特性に寄与します。 |
| Mn | L415：中程度〜高い | 高いMnは硬化性と引張強度をサポートします。予熱しないと冷間割れのリスクが増加する可能性があります。 |
| Si（シリコン） | 両方：低〜中程度 | 脱酸剤；強度にわずかに寄与します。過剰なSiは一部のフィラー金属の溶接性を低下させる可能性があります。 |
| P（リン） | 両方：制御された低 | 不純物 — 脆化を避けるために低く保たれます。 |
| S（硫黄） | 両方：制御された非常に低 | 不純物 — 低く保たれます。自由切削グレードはより高いSを持つ場合があります（ここでは典型的ではありません）。 |
| Cr（クロム） | L390：低〜中程度 | 硬化性、強度、耐摩耗性を増加させます。少量の添加物は焼入れ応答を改善します。 |
| Cr（クロム） | L415：中程度〜高い | 硬化性と高いテンパ強度を促進します。高い量では溶接性が低下します。 |
| Ni（ニッケル） | L390：低い可能性あり | 存在する場合、靭性と延性を改善します。 |
| Ni（ニッケル） | L415：低〜中程度 | 高強度で靭性が必要な場合に使用されます。 |
| Mo（モリブデン） | L390：低い | 高温での硬化性と強度保持を増加させます。 |
| Mo（モリブデン） | L415：中程度 | 硬化性を高め、より高い焼入れ強度を可能にします。適切な予熱がないと、溶接性が低下する可能性があります。 |
| V/Nb/Ti（マイクロ合金化） | L390：マイクロ合金化の可能性あり | 粒子の細化と析出強化；過剰な炭素なしで靭性と強度を改善します。 |
| V/Nb/Ti | L415：マイクロ合金化の可能性あり | 降伏強度を増加させ、粒子サイズを制御するために使用されます。制御された靭性でより高い強度を達成するのに役立ちます。 |
| B（ホウ素） | 両方：微量、存在する場合 | 非常に小さな添加物は硬化性を強く増加させます。存在する場合、溶接性に顕著な影響を与える可能性があります。 |
| N（窒素） | 両方：制御された | 合金/トランプ元素 — 靭性と窒化物形成挙動のために制御されます。 |
合金が特性に与える影響：硬化性を高める元素（Cr、Mo、Mn、B、時にはNi）は、焼入れ中により深いマルテンサイト変態を可能にし、したがって厚いセクションでの厚さ方向の強度を高めます。マイクロ合金化元素（V、Nb、Ti）は、非常に高い炭素なしで細粒強化と良好な靭性を可能にし、強度対靭性比を改善します。しかし、より高い硬化性と炭素当量は一般的に溶接性を低下させ、割れを避けるために予熱/インターパス要件を増加させます。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な微細構造：
- L390：正規化または焼入れ・テンパーサイクル後、L390は、マイクロ合金化された場合、比較的細かい前オーステナイト粒を持つテンパーマルテンサイトまたはベイナイトマトリックスを示す傾向があります。これにより、バランスの取れた靭性と中程度の強度が得られます。
- L415：焼入れ後、特に厚いセクションや硬度を高めるために焼入れされた場合、より高い割合のマルテンサイトまたは低温ベイナイトを形成する傾向があります。前オーステナイト粒サイズの制御とテンパーが、受け入れ可能な靭性を得るために重要です。
- 熱処理経路と効果：
- 正規化：両グレードは、前オーステナイト粒サイズを細化するために正規化から利益を得ます。L390は靭性が改善されることで良好に応答します。L415は、後のテンパー後により高い強度を示します。
- 焼入れ＆テンパー：高強度を得るための主要な経路。L415は通常、設計強度に達するためにより攻撃的な焼入れ媒体または遅いテンパーを必要とします。テンパーは靭性を回復するために必要です。
- 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却により、高強度と良好な靭性を持つ細かいベイナイトまたはマルテンサイト-ベイナイト微細構造を生成でき、重い焼入れ/テンパーサイクルよりも良好な溶接性を可能にすることがよくあります。
- 実用的な注意：硬化性が増すにつれて、溶接後の熱処理（PWHT）および予熱要件が、水素助長冷間割れを避けるためにより重要になります。
4. 機械的特性
以下の表は、期待される特性傾向を比較しています。実際の値は熱処理、製品形状、供給者によって異なります。設計検証には製鋼所の試験報告書を使用してください。
| 特性 | L390（典型的な傾向） | L415（典型的な傾向） |
|---|---|---|
| 引張強度 | 中程度から高い | より高い（達成可能な最大値が高い） |
| 降伏強度 | 中程度 | より高い |
| 伸び（延性） | 良好から中程度 | 低い（ピーク強度で延性が低下） |
| 衝撃靭性 | 良好（特にテンパー後） | 良好から中程度；高い硬度レベルでは低下する可能性があります |
| 硬度（HRCまたはHB） | テンパー後の中程度の範囲 | 焼入れ＆テンパー後に達成可能なより高い硬度 |
説明：L415のより高い合金含有量および/または炭素当量は、設計者がより高い引張強度および降伏強度に達することを可能にしますが、これらの利点はしばしば延性と溶接性の犠牲を伴います。L390は、より良い靭性と変形性を維持しながら合理的な強度のバランスを強調します。
5. 溶接性
溶接性は、炭素含有量、炭素当量（硬化性）、およびマイクロ合金化元素の影響を受けます。相対的な挙動を解釈するために役立つ2つの一般的な予測式があります：
-
IIW炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
冷間割れ感受性のためのPcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈（定性的）： - L390：低〜中程度の$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値は、一般的に標準的な消耗品での溶接が容易であり、予熱が少なくて済むことを示します。低い炭素と制限された合金化は、接合設計を簡素化し、必要なPWHTを減少させます。 - L415：より高い合金化と炭素は$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を上昇させ、水素助長および硬化関連の割れに対する感受性を高めます。L415の溶接には、通常、制御された予熱、低水素消耗品、インターパス制御、および時にはPWHTが必要です。
実用的なガイダンス：両グレードについて、供給者の溶接手順に従ってください；指定されている場合はPWHTを実施してください。望ましい強度と延性に合わせた水素制御電極またはフィラー金属を使用してください。通常のショッププラクティスで限られた予熱能力で溶接を行う必要がある場合、L390が通常は安全な選択となります。
6. 腐食と表面保護
- L390もL415も本質的にステンレスではなく、腐食抵抗は炭素/低合金鋼の典型的なものであり、露出した環境では表面保護が必要です。
- 一般的な保護：
- 大気腐食保護のための熱浸漬亜鉛メッキ、亜鉛スプレー、またはメタライジング。
- 建築用または軽度の露出のための塗料、エポキシコーティング、または粉体コートシステム。
- 海洋または非常に腐食性の環境のための陰極保護および特殊コーティング。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、グレードが明示的にステンレスでない限り適用されません。参考のために、PRENは： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ しかし、この指数はステンレス合金にのみ適用されます。L390/L415は従来の炭素鋼保護戦略で扱うべきです。
7. 加工性、機械加工性、および成形性
- 切断と機械加工：
- L390：通常、正規化/テンパー状態での機械加工が容易です。低い硬度と炭素は工具寿命とスループットを助けます。
- L415：高硬度または焼入れ状態で供給される場合、機械加工がより困難になる可能性があります。柔らかい状態での前加工や、カーバイド工具と適切な送りを使用することが推奨されます。
- 成形と曲げ：
- L390：より良い成形性、正規化またはテンパー条件での割れ前の許容曲げ減少が高いです。
- L415：高強度テンパーが存在する場合、成形がより制限されます。冷間成形にはアニーリングまたは特殊工具が必要になる場合があります。
- 溶接と溶接後の仕上げ：
- L390：溶接後の研磨、仕上げが容易です。
- L415：テンパー効果を避け、特性を維持するために追加のPWHTと慎重な研磨が必要になる場合があります。
8. 典型的な用途
| L390 — 典型的な用途 | L415 — 典型的な用途 |
|---|---|
| バランスの取れた強度と靭性が必要な構造部品（中程度のシャフト、ブラケット、フレーム） | 高強度構造部品（重-dutyシャフト、摩耗しやすい部品、高負荷フィッティング） |
| 溶接の容易さと靭性が優先される製作された溶接アセンブリ | より高い引張/降伏強度または深い熱処理浸透が必要な部品（厚いセクション） |
| 良好な機械加工性と合理的な耐摩耗性が必要な機械部品 | 焼入れ＆テンパー後により高い硬度または耐摩耗性が必要な部品 |
| 製作後のコーティングまたは亜鉛メッキが計画されている用途 | 設計者がより高い強度のためにより厳しい溶接管理を受け入れる用途 |
選択の理由：製作、靭性、または複雑な溶接が避けられない仕事にはL390を選択してください。より高い静的強度、耐摩耗性、またはより大きな荷重支持能力を要求し、製作環境がより厳しい溶接および熱処理管理を受け入れられる場合にはL415を選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：L415は通常、合金含有量と処理（例：特殊な熱処理）が高い場合、トンあたりのコストが高くなります。L390は、超高強度が必要でない用途に対してよりコスト効果が高い傾向があります。
- 製品形状による入手可能性：両グレードは、専門の製鋼所やサービスセンターからプレート、バー、鍛造形状で一般的に入手可能ですが、リードタイムは地域の需要や特定の熱処理または認証が必要かどうかによって異なります。標準の在庫管理は、より一般的な構造合金に傾く傾向があります。特殊な高強度バリアントは、製鋼所の生産や熱処理の遅延を必要とする場合があります。
- 調達のヒント：必要な熱処理、硬度または機械的目標、必要な材料試験（UT、MT、PMI、MTC）を事前に指定して、価格やリードタイムの驚きを避けてください。
10. 要約と推奨
要約表（定性的）：
| 基準 | L390 | L415 |
|---|---|---|
| 溶接性 | より良い（容易、低い予熱） | より要求される（高い予熱/PWHT） |
| 強度–靭性のバランス | バランスが取れている；中程度の強度で良好な靭性 | より高い達成可能な強度；ピーク硬度で靭性が低下する可能性がある |
| コスト | 一般的に低い | 一般的に高い |
| 機械加工性/成形性 | より良い | 高強度状態ではより制限される |
| 典型的な製作の複雑さ | 低い | 高い（より厳しい管理が必要） |
推奨： - 比較的良好な溶接性、容易な機械加工と成形、そして標準的な溶接手順で製作された構造物や部品に対して健全な靭性を持つバランスの取れたエンジニアリング鋼が必要な場合はL390を選択してください。 - より高い引張または降伏強度、厚いセクションでの深い硬化、またはより大きな耐摩耗性が主な要件であり、製造計画がより制限された溶接手順、予熱/PWHT、および潜在的に高い材料コストを受け入れられる場合はL415を選択してください。
最終的な注意：L390およびL415という用語は、供給者や標準によって異なる使われ方をすることがあります。最終的な設計または調達の前に、材料仕様書および製鋼所の試験証明書で正確な化学組成、機械的特性要件、および指定された熱処理経路を確認してください。