MS1200 vs MS1500 – 構成、熱処理、特性、および応用

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、高強度鋼を指定する際に、材料の強度と製造性の間でトレードオフに直面することがよくあります。MS1200およびMS1500グレードは、荷重支持能力、耐摩耗性、サイズ/重量の最適化が重要なアプリケーションで頻繁に比較されます。たとえば、高強度ファスナー、シャフト、工具、セキュリティコンポーネントなどです。典型的な意思決定の文脈には、与えられた荷重に対して最小の断面積を達成するための溶接性と靭性のバランスを取ることや、購入コストを抑えることとサービス寿命を延ばすことの選択が含まれます。

これら2つのグレードの主な技術的対比は、目標機械的強度と、それを達成するために必要なマルテンサイト微細構造および硬化性です。MS1500は、MS1200よりも高い究極の強度と大きな硬化性を持つように設計されており、これが化学組成、熱処理、靭性、加工挙動に影響を与えます。本記事では、標準、化学組成、微細構造および熱処理応答、機械的特性、溶接性、腐食保護、加工挙動、アプリケーション、コスト、最終的な推奨フレームワークにわたって2つのグレードを比較します。

1. 標準と指定

MS1200およびMS1500は、引張強度がそれぞれ約1200 MPaおよび1500 MPaの高強度マルテンサイト鋼または焼入れ焼戻し鋼を示すために使用される機能的/記述的なグレード名です。これらはASTM AISI番号のような普遍的な標準指定ではなく、これらの名前で供給される材料はしばしば独自のものであったり、国家標準にマッピングされていたりします。購入者やエンジニアが同等品を指定する際に参照すべき一般的な標準および分類システムには以下が含まれます：

• ASTM/ASMEファミリー（例：組成と処理に応じたASTM A564/A572/A514内の焼入れ焼戻し合金）
• EN（例：焼入れ焼戻し合金鋼のためのEN 10083ファミリー、高強度鋼のためのEN 10269）
• JIS（さまざまな高強度焼戻し鋼）
• GB（焼入れ焼戻し鋼および高強度構造鋼のための中国国家標準）

分類：MS1200およびMS1500は、いずれも高強度マルテンサイト/焼入れ焼戻し鋼（微合金化に応じた合金鋼/HSLAのサブセット）です。高Cr/Niで明示的に合金化され、ステンレスとして指定されない限り、ステンレスグレードではありません。

2. 化学組成と合金戦略

以下は、典型的な組成範囲と戦略の実用的な比較です。これらの範囲は例示的なものであり、正確な値については常に製鋼所の証明書や工場仕様を確認してください。

元素	MS1200（典型的、wt%） — 目安	MS1500（典型的、wt%） — 目安
C	0.18 – 0.30	0.25 – 0.45
Mn	0.30 – 1.20	0.30 – 1.50
Si	0.15 – 0.60	0.15 – 0.60
P	≤ 0.025（最大）	≤ 0.025（最大）
S	≤ 0.010（最大）	≤ 0.010（最大）
Cr	0.30 – 1.50	0.50 – 2.00
Ni	0 – 1.00	0 – 2.00
Mo	0.05 – 0.50	0.10 – 0.80
V	微量–0.20	微量–0.30
Nb	微量（≤0.05）	微量（≤0.05）
Ti	微量（≤0.05）	微量（≤0.05）
B	微量（ppm）	微量（ppm）
N	微量（ppm）	微量（ppm）

合金戦略と効果： - 炭素：主な硬化性および強度の寄与者；MS1500の炭素が高いほど、達成可能な引張強度が増加しますが、溶接性と延性が低下します。 - Mn、Cr、Mo、Ni：硬化性と焼戻し抵抗を増加させ、厚いセクションでの深い硬化性を促進します。MS1500は一般的に高強度マルテンサイトマトリックスを厚いセクションで実現するために、より高い合金化を持っています。 - 微合金化（V、Nb、Ti、B）：粒子の細化、析出強化、制御された靭性を可能にします；強度と靭性のバランスを取りながら炭素を最小限に抑えるために使用されます。 - 硫黄とリンは、靭性と疲労寿命を維持するために制御されます。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - 両グレードは、焼入れ後にマルテンサイトマトリックスを生成するように設計されています；焼戻しマルテンサイトは、強度と靭性のバランスを取るために制御された炭化物/析出物の分布を持つことが目標です。 - MS1200は、低い硬化性合金パッケージと従来の焼入れ焼戻しサイクルで特性セットを達成することが一般的です。その結果、微合金化された場合には、分散した遷移炭化物またはナノ析出物を持つ細かい焼戻しマルテンサイトが得られます。 - MS1500は、より大きな断面を通じてマルテンサイトを生成するために高い硬化性を必要とします；そのため、焼戻し前に未焼戻しマルテンサイトの割合が高くなる傾向があり、（過焼入れされた場合）焼戻しが不十分であれば、保持オーステナイトや脆いマルテンサイトに対してより敏感になる可能性があります。

熱処理応答： - 正常化：両グレードの以前のオーステナイト粒子サイズを細化するのに効果的です；準備段階として使用されますが、目標強度に達するには単独では不十分です。 - 焼入れ＆焼戻し（Q&T）：両者の標準的なルートです。MS1500は、通常、望ましい靭性を高強度で達成するために、より高い焼入れの厳しさと長時間/制御された焼戻しを使用します。焼戻し温度の選択は重要です：高い焼戻しは強度を低下させますが、靭性と延性を改善します。 - 熱機械制御加工（TMCP）：主に板/ストリップ生産で使用され、過剰な炭素や合金化なしで細粒微細構造と改善された靭性を達成します；バランスが強調されるMS1200の同等品でより一般的です。

4. 機械的特性

典型的な使用中の特性範囲（目安；製鋼所/試験証明書で確認）：

特性	MS1200（典型的）	MS1500（典型的）
引張強度（UTS）	約1100 – 1300 MPa	約1400 – 1600 MPa
降伏強度（0.2%オフセット）	約900 – 1100 MPa	約1200 – 1400 MPa
伸び（A%）	約8 – 12%	約6 – 10%
衝撃靭性（シャルピーV、室温または指定）	幅広く変動：通常は中程度（焼戻しに応じて20–60 J）	通常は低い；焼戻しおよびセクションの厚さに応じて5–30 Jになることがあります
硬度	約30 – 45 HRC（または焼戻しに応じて250–450 HB）	約42 – 55 HRC（または380–550 HB）

解釈： - 強度：MS1500は設計上、高強度（約+20–30% UTS）であり、より高い炭素と合金化、さらに厳しい硬化を通じて達成されます。 - 靭性と延性：MS1200は、通常、同様の焼戻し条件下で優れた靭性と延性を提供します。これは、低い炭素および合金含有量と微細構造の制御によるものです。MS1500は、許容可能な靭性を維持するために慎重な焼戻しと合金調整が必要です；多くの場合、非常に高い強度を達成するために靭性が犠牲にされます。 - 疲労性能：微細構造、残留応力、表面仕上げ、熱処理に依存します。MS1200は、MS1500が特に最適化されていない限り、疲労強度とノッチ感度のバランスが良いことが多いです（例：ショットピーニング、圧縮表面残留物）。

5. 溶接性

溶接性は、炭素含有量、硬化性、微合金化に依存します。定性的評価に使用される一般的な指標には、IIW炭素当量およびPcm式が含まれます：

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

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

定性的解釈： - MS1500は、通常、より高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値を持ち、これはより高い炭素および合金元素によるものです；これにより、硬く脆い熱影響部（HAZ）や亀裂のリスクが増加します。MS1500には、前加熱、制御されたインターパス温度、低熱入力溶接手順、および溶接後熱処理（PWHT）が頻繁に必要です。 - MS1200は、低い炭素および合金含有量により、比較的溶接が容易ですが、依然として厚いセクションや重要なアプリケーションではHAZの脆化を避けるために前加熱およびPWHTが必要になることがあります。 - 安全性が重要なアプリケーションや高サイクルアプリケーションで使用される場合、マッチングまたはオーバーマッチのフィラー金属、制御された冷却速度、および認定された溶接手順の使用が両者にとって必須です。

6. 腐食および表面保護

• MS1200およびMS1500は本質的にステンレスではなく、腐食抵抗は炭素/低合金鋼のものです。表面保護戦略には、サービス環境に応じて、亜鉛メッキ、塗装、粉体塗装、メッキ、または腐食防止被覆が含まれます。
• PRENなどのステンレス関連の指標は、特定のグレードがステンレスとして合金化され、認証されない限り適用されません。完全性のために、PRENは以下のように計算されます：

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

これはオーステナイト/デュプレックスステンレス鋼にのみ適用され、特別に配合されない限り、MS1200/MS1500のような焼入れ焼戻しマルテンサイト鋼には適用されません。

• 摩耗または腐食摩耗条件の場合、表面硬化（窒化、炭化）、ハードフェイシング、または腐食防止オーバーレイを検討してください。

7. 加工、機械加工、および成形性

• 機械加工：MS1500は硬く、切削に対してより研磨性があります；工具はより堅牢でなければなりません（例：炭化物/PCD/CBN工具）、低速、高剛性、慎重なチップ制御が必要です。MS1200は加工が容易ですが、低炭素鋼と比較しても硬化した工具と最適化されたパラメータが必要です。
• 成形性および曲げ：MS1200は冷間成形性が優れています；MS1500は延性が低下し、より大きな曲げ半径が必要で、時には温間成形や前後の熱処理が必要です。
• 研削、EDM、および仕上げ：MS1500は硬度が高いため、研磨および研削に対してより高い要求があります；EDMはMS1500の工具および金型作業に一般的に使用されます。
• ファスナーのねじ切りおよび冷間成形：MS1200は、いくつかのねじ形成能力が必要な場合に一般的に使用されます；MS1500ファスナーは通常、注意深いプロセス制御で鍛造され、焼入れ/焼戻しされます。

8. 典型的な用途

MS1200 — 典型的な用途	MS1500 — 典型的な用途
靭性とある程度の延性が要求される高強度構造部品（シャフト、クロスメンバー）	最小断面が重要な超高強度コンポーネント（セキュリティボルト、特殊ファスナー、アーマーインサート）
中程度の負荷の冷間成形ファスナーおよび高強度ボルト	非常に高い硬度が要求される冷間加工金型、パンチ、および摩耗部品
良好な疲労寿命が要求される油圧ピストンロッド、ピン、およびアクスル	鉱業/防衛における高負荷、低変形コネクタおよび高ストレスピン
強度と製造性のバランスが要求される自動車部品	非常に高い静的強度が要求される特殊スプリングおよびコンポーネント（しばしば表面処理付き）

選択の理由： - 強度、靭性、加工コストのバランスが求められ、適度な断面厚さが使用できるアプリケーションにはMS1200を選択してください。 - 断面積を最小限に抑えることや荷重能力を最大化することが重要で、靭性や加工に対する追加の対策が受け入れられる場合にはMS1500を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：MS1500は、より高い合金含有量、厳しい加工管理、低い生産量のため、一般的にキログラムあたりのコストが高くなります。表面仕上げ、特別な熱処理、および追加の検査は、ライフサイクルコストを増加させます。
• 入手可能性：MS1200の同等品は、より広範なサプライヤーベースからバー、プレート、鍛造品として一般的に在庫されています。MS1500スタイルの材料は、より頻繁に注文生産され、限られた製品形態（バー、特殊鍛造、小さなプレートロット）で入手可能であり、リードタイムが長くなる場合があります。

10. まとめと推奨

属性	MS1200	MS1500
溶接性	良好–中程度（MS1500よりも溶接が容易）	難しい（より高い前加熱/PWHTおよび手順管理）
強度–靭性のバランス	良好なバランス；許容可能な靭性を得るのが容易	非常に高い強度；特別に処理されない限り靭性は通常低い
コストと入手可能性	低コスト；広い入手可能性	高コスト；より限られた入手可能性

結論と実用的な推奨： - 靭性、溶接性、低い総コストの合理的なバランスを持つ高強度材料が必要な場合はMS1200を選択してください。MS1200は、構造部品、一般用途の高強度ファスナー、およびある程度の延性と容易な加工が要求される部品に適したデフォルトです。 - 最高の静的強度または最小断面が要求され、厳しい加工管理（前加熱/PWHT）、高い材料コスト、および限られた入手可能性を受け入れられる場合はMS1500を選択してください。MS1500は、特殊な高負荷コネクタ、セキュリティハードウェア、および重量を強度に置き換えることが主要な設計ドライバーであるコンポーネントに適しています。

常にサプライヤーの製鋼所証明書を確認し、購入文書に必要な靭性と溶接手順を指定し、設計コードおよびサービス条件に応じて熱処理および溶接後熱処理を指定してください。材料選択は、部品レベルの試験（機械試験、サービス温度での衝撃試験、適用可能な疲労試験）および重要なアプリケーションのための金属工学および溶接の専門家との相談によって検証されるべきです。