NAK80 対 P20 – 成分、熱処理、特性、および用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
はじめに
NAK80とP20は、射出成形および工具産業で最も一般的に指定される金型鋼の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、コア/キャビティインサート、ホットランナーコンポーネント、プロトタイプ工具のための鋼を選択する際に、しばしばそれらのトレードオフを考慮します。典型的な意思決定の文脈には、コストと加工性に対する表面仕上げと研磨性のバランスを取ることや、標準的な機械的性能と改善された耐腐食性の間で選択することが含まれます。
実際の中心的な違いは、NAK80が高い研磨性と環境腐食に対する改善された耐性のために最適化された低炭素、ニッケル含有の事前硬化金型鋼であるのに対し、P20は良好な加工性、一様な硬化性、広範な入手可能性のために開発されたクロム-モリブデン合金金型鋼であることです。この違いは、仕上げ、加工、および長期的な部品性能における選択を促進します。
1. 規格と指定
- P20:
- 一般的な指定: AISI/UNS（しばしばAISI P20として参照される）、DIN/ENの同等物が工具鋼リストに存在し、さまざまな国家規格（例: 金型鋼を参照するJIS/GBリスト）。
- 分類: 合金工具鋼 / 事前硬化金型鋼。
- NAK80:
- プラスチック金型産業で広く使用される独自/商業グレード名（NAK80の指定の下で複数の製鋼メーカーによって販売される）。
- 分類: 低炭素および高ニッケル含有の事前硬化金型/工具鋼で、研磨可能で耐腐食性の金型鋼として販売される。
注: どちらのグレードも厳密な意味でのステンレスグレードではありません（すなわち、両者はオーステナイト系ステンレスファミリーには含まれません）が、NAK80のニッケル含有量は従来のP20に対して改善された耐腐食性を提供します。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、商業データシートで報告されている典型的な組成範囲を示しています。組成は供給者によって異なるため、特定のロットについては常にミル証明書で確認してください。
| 元素 | 典型的な組成（wt%） — NAK80（約） | 典型的な組成（wt%） — P20（約） |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 0.25 – 0.35 |
| Mn | 0.20 – 0.80 | 0.40 – 0.80 |
| Si | 0.10 – 0.40 | 0.10 – 0.40 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 0.8 – 1.6 | 1.2 – 1.8 |
| Ni | 2.5 – 4.5 | 0.2 – 0.8 |
| Mo | 0.2 – 0.6 | 0.1 – 0.4 |
| V | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
| Nb (Cb) | ≤ 0.03 | 微量/− |
| Ti | 微量/− | 微量/− |
| B | 微量/− | 微量/− |
| N | 微量/− | 微量/− |
合金が挙動に与える影響: - 炭素: P20の炭素が多いほど、硬化後の強度ポテンシャルが高くなりますが、研磨性が低下し、仕上げを複雑にし、予熱/制御された手順なしで溶接亀裂のリスクが増加します。 - ニッケル: NAK80の高いニッケルは、靭性、延性、環境腐食に対する耐性を改善し（高光沢研磨に好適な微細で安定した微細構造に寄与します）、より優れた特性を提供します。 - クロムとモリブデン: 両方のグレードには、硬化性、焼戻し抵抗、耐摩耗性を提供するためにCrとMoが含まれています。P20のバランスは加工性と通過硬化を優先し、NAK80のCr/Moは表面仕上げと腐食挙動を補完するためにニッケルと調整されています。 - 微量合金元素（V、Nb、Ti）: 粒子サイズと析出挙動を制御するために低レベルで存在し、研削性、靭性、焼戻し応答に影響を与えます。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造: - P20: 事前硬化（供給時）状態のP20は、一般的に焼戻しマルテンサイトと焼戻しベイナイトを含み、炭化物の割合が比較的高く（炭素が多いため）、マトリックス全体に分布しています。従来の焼入れと焼戻しサイクルの後、P20は合金炭化物を含むマルテンサイト微細構造を達成します。 - NAK80: 炭素が低くニッケルが高いNAK80は、事前硬化状態で焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトマトリックスを示し、炭化物が少なく、より細かいです。ニッケルは、より靭性があり延性のあるマトリックスを安定させ、鏡面仕上げに問題となる粗いクロム炭化物の形成を減少させます。
熱処理応答: - 正常化: 両方の鋼は、粒子サイズを精製するために正常化に応じますが、NAK80は通常、後加工の歪みを最小限に抑えるために真空処理され、事前硬化されて供給されます。高い研磨を目的としたNAK80部品には正常化はあまり一般的ではありません。 - 焼入れと焼戻し: P20は、より高い硬度レベルに熱処理されるように設計されており（生産金型のために事前硬化状態で供給されることが多い）、P20を硬化させるには、保持オーステナイトと炭化物の溶解を管理するためにオーステナイト化温度に注意が必要です。NAK80の低炭素含有量は最大硬化硬度を制限しますが、より寛容な焼戻し応答と研磨のためのより良い寸法制御を提供します。 - 熱機械処理: 構造鋼と比較して金型鋼の文脈では通常適用されません。両方のグレードは、最終特性のために熱処理を制御することに依存しています。
4. 機械的特性
値は熱処理と供給者によって大きく異なります。表は、商業データでよく見られる代表的な供給状態の範囲を示しています。
| 特性 | NAK80（典型的な事前硬化状態） | P20（典型的な事前硬化状態） |
|---|---|---|
| 引張強度 (MPa) | ~800 – 1,200 | ~800 – 1,100 |
| 降伏強度 (0.2%オフセット, MPa) | ~600 – 900 | ~550 – 850 |
| 伸び ( % ) | ~8 – 15 | ~8 – 15 |
| 衝撃靭性 (J, シャルピーVノッチ) | 中程度から良好（供給者依存） | 中程度（熱処理に依存） |
| 硬度 (HRC) | ~28 – 36（事前硬化） | ~28 – 34（事前硬化） |
解釈: - 強度: 供給された写真では、両者ともに類似の引張/降伏範囲を提供できます。P20の高い炭素は、完全に焼入れされ焼戻しされた場合にわずかに高い硬化ポテンシャルを与えますが、NAK80の合金は商業的な事前硬化状態で比較可能な引張値を生み出します。 - 靭性と延性: NAK80は、一般的にニッケルと低炭素のために比較可能な硬度でより良い靭性と延性の破断傾向を示し、脆い炭化物を減少させ、衝撃抵抗を改善します。 - 硬度: 両者は金型生産に最適化された類似の事前硬化範囲で提供されます。完全硬化後に達成可能な最大硬度は、P20の方が高いことが一般的ですが、これは仕上げ性においてトレードオフを伴います。
5. 溶接性
溶接性の考慮は、炭素当量と微量合金に依存します。
2つの一般的な測定: - IIW炭素当量: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - デアデン–ベネット / Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈: - P20は通常、炭素含有量が高く、$CE_{IIW}$と$P_{cm}$を増加させ、水素誘発冷却亀裂のリスクを高め、重要な工具修理や厚いセクションのために予熱、インターパス温度管理、及び溶接後の熱処理を必要とします。 - NAK80の低炭素と高ニッケルは、硬く脆い溶接熱影響部の傾向を減少させ、ニッケルは靭性と熱勾配に対する耐性を改善し、NAK80を溶接や局所修理に対してより寛容にします。それでも、金型の精度要件や感作/汚染の可能性のため、溶接は計画され、検証されるべきです（必要に応じてフィラー選択やPWHTを含む）。 - 両方のグレードは、低水素消耗品、推奨される場合の予熱、およびパラメータを確立するための試行溶接から利益を得ます。高精度の金型では、仕上げ面での溶接は避けられることが多く、再加工/研磨が行われます。
6. 腐食と表面保護
- NAK80もP20も、長期浸漬腐食耐性のために設計されたステンレス鋼シリーズではありません。しかし、NAK80の高いニッケル含有量は、P20と比較して穏やかな腐食環境（湿気、軽度の攻撃的な成形雰囲気、繰り返しの清掃）に対して明らかに優れた耐性をもたらします。
- 腐食耐性が必要な場合、両方の鋼は通常、表面処理で保護されます:
- 摩耗と腐食保護のための電気メッキ（ニッケル、硬クロム）。
- 化学的または物理的なパッシベーションは、ステンレス鋼のようには適用されません。
- 工具保管における定期的なメンテナンスと乾燥/乾燥剤管理は、錆を軽減します。
- PREN（ピッティング耐性等価数）は、ステンレスグレードにのみ関連します。情報提供のために: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数は、マーケティングされた金型鋼であるNAK80やP20には適用されません（それらは重要な窒素含有量を持つクロム豊富なステンレスグレードではありません）。
7. 加工性、機械加工性、成形性
- 加工性:
- P20: 歴史的に加工性が好まれています。高い炭素含有量、予測可能な炭化物分布、確立された工具パラメータにより、P20は最終熱処理前にフライス加工、ドリル加工、EDMが簡単です。炭化物形成元素と微細構造は、標準の高速工具と互換性があります。
- NAK80: ニッケルの作業硬化傾向とより強靭なマトリックスのために、場合によってはP20よりも加工がやや難しいですが、現代の工具と切削パラメータが違いを軽減します。NAK80は、高品質の炭化物工具と調整された送りを使用すると良好に加工されます。
- EDMおよび表面仕上げ:
- 両方の鋼はEDMに適しています。NAK80は、粗い炭化物が少なく、微細なマトリックスのおかげで、優れた鏡面仕上げとエッジの完全性を提供します—光学面や光沢のあるプラスチック部品にとって重要です。
- 成形性/曲げ:
- ブロック状で使用される金型鋼として、成形は主要な懸念ではありませんが、厚いセクションや溶接クリッピングの場合、NAK80は高炭素の代替品よりも変形と修理溶接に耐えます。
- 表面仕上げ:
- NAK80は、微小ピッティングや「オレンジピール」の傾向が低い高研磨グレード（RAおよび鏡面仕上げ）用に設計されています。P20は高光沢に研磨できますが、より多くの修正研削とパッシベーションが必要になる場合があります。
8. 典型的な用途
| NAK80 | P20 |
|---|---|
| 鏡面仕上げと腐食耐性（湿気/清掃露出）が優先される高光沢射出金型のキャビティとコア | コストと広範な加工性が優先される一般目的の射出金型ベース、インサート、およびコア/キャビティ |
| 頻繁な研磨と化粧品表面品質が要求される小〜中規模の生産金型 | 標準的な性能と広範な入手可能性が必要な大規模生産金型、プロトタイプ、および金型 |
| 表面の腐食/欠陥に対する抵抗が重要なホットランナーコンポーネント、繊細な光学部品、および薄壁成形インサート | 構造金型コンポーネント、サポート、および製造後に重加工/熱処理される部品 |
| 繰り返しの表面再研磨を伴う頻繁なメンテナンスサイクルが必要な金型 | 焼入れ/焼戻し後に高い最終硬度が必要で、熱処理後の加工が計画されている金型 |
選択の理由: - 金型ライフサイクル全体で表面仕上げ、腐食耐性、最小限の研磨作業が主な要件である場合はNAK80を選択してください。 - コスト、標準化された加工、最大硬化性または高い最終硬度がより重要な場合はP20を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト: P20は、合金化が簡単で生産量が広いため、一般的にkgあたりのコストが低くなります。NAK80は、合金含有量（特にニッケル）、真空溶融、および研磨可能な金型鋼としてのマーケティングのために通常プレミアムがかかります。
- 入手可能性: P20は、多くのミルサイズと形状（ブロック、プレート、事前硬化プレート）で広く在庫されています。NAK80は広く入手可能ですが、供給者や地域の在庫によっては非常に大きなセクションでのリードタイムが長くなるか、入手可能性が制限される場合があります。
- 製品形状: 両者は事前硬化プレート、ブロック、時には通過硬化バーとして入手可能です。NAK80は、表面品質を保持するために事前硬化状態で指定されることが一般的です。
10. まとめと推奨
| 基準 | NAK80 | P20 |
|---|---|---|
| 溶接性（定性的） | 優れた（低C、高Ni） | 良好から中程度（高C → より多くの溶接注意） |
| 強度–靭性バランス | 比較可能な硬度で優れた靭性 | 良好な強度ポテンシャル; 靭性は熱処理に依存 |
| コスト | 高い（プレミアム合金、仕上げ在庫） | 低い（コモディティ金型鋼） |
NAK80を選択する場合: - 鏡面仕上げ/研磨性と化粧品部品の品質が重要です。 - 金型が湿気、定期的な清掃、または軽度の腐食環境にさらされ、メッキなしで改善された腐食耐性が必要です。 - 金型上での頻繁な再研磨と長い化粧品寿命が期待され、仕上げサイクルを最小限に抑えたい場合。
P20を選択する場合: - 予算と材料の入手可能性が主な制約です。 - 幅広い成形アプリケーションに適した、よく理解され、加工が容易な金型鋼が必要です。 - より高い硬化性またはより高い硬度に焼入れ/焼戻しするオプションが必要で、表面の化粧品要件が中程度であるか、コーティング/メッキで対処される場合。
最終的な注意: 生産の決定においては、ミル証明書を取得し、比較し、供給者の推奨する加工および熱処理の実践を確認し、試行加工/研磨を実施し、必要に応じて溶接試験を行ってください。実際の部品性能は、特定の合金熱、セクションサイズ、および適用された熱的および機械的処理ステップに依存します。