NAK80 対 S136 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

NAK80とS136は、射出成形および工具産業で広く使用されている2つの金型鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、腐食環境、高光沢仕上げ、または長寿命が求められる部品の金型を設計する際に、これらのグレードの間での選択に直面することが一般的です。この選択は、腐食抵抗性、研磨性、硬化性、靭性、コスト、そして下流の加工ニーズのバランスを取ることが多いです。

両者の主な実用的な違いは、合金と加工の重点にあります：一方は、腐食攻撃に対する高い抵抗性と成形プラスチックにおける優れた研磨性を主に最適化しているのに対し、もう一方は、重負荷の金型用途に対して改善された機械的強度と靭性を持つ腐食抵抗の異なるバランスを提供します。両者は、基準、化学組成、微細構造および熱処理応答、機械的挙動、溶接性、腐食特性、加工特性、用途、および購入に関する考慮事項についてここで議論されます。

1. 基準と指定

• 遭遇する一般的な基準と商業指定：
• S136：ヨーロッパおよび世界中で使用されるマルテンサイト系ステンレス金型鋼としてしばしば参照される（S136指定または同等品の下で複数の製造者によって一般的に販売される）。
• NAK80：主にアジアおよび特定の製造者によって国際的に使用される商業用ステンレス金型鋼の指定；時には単一の国際基準指定としてではなく、製品文献に記載されることがある。
• 同等品および仕様を確認するために参照すべき典型的な標準ファミリーには、以下が含まれます：
• ASTM / ASME（工具鋼およびステンレス工具鋼の仕様）
• EN（欧州鋼鉄標準の名称および同等品）
• JIS（日本工業規格；一部の商業グレードは日本に由来する）
• GB（中国の国家基準は同等のステンレス金型鋼をリストすることがある）
• 分類：
• NAK80とS136の両方はステンレス工具/金型鋼（マルテンサイト系ステンレス金型鋼）であり、すなわち、単純な炭素鋼やHSLA鋼ではなく、腐食抵抗性の化学組成を持つ工具鋼です。

2. 化学組成と合金戦略

注意： - 正確な定量組成は製造者によって異なり、各熱のミル証明書で確認する必要があります。この表は、特定の重量パーセンテージではなく、典型的な存在と合金戦略を報告しています。 - 合金戦略の概要：両グレードは、腐食抵抗を提供するために主にクロムに依存しています。一部の製造者からのNAK80バリアントは、機械加工性と通過硬化を維持しながら腐食抵抗を改善するために、窒素と慎重にバランスを取った合金化を強調しています。S136は、高い腐食抵抗と研磨性のために設計されており、しばしば汚れや錆を最小限に抑える必要がある金型環境に最適化されています。

3. 微細構造と熱処理応答

• 典型的な加工後の微細構造：
• 両グレードは、適切な熱処理後にマルテンサイト系ステンレス鋼です。焼鈍状態では、一般的に機械加工に適した柔らかいフェライト/部分的に焼鈍された微細構造です。
• 熱処理の経路と応答：
• 焼鈍：機械加工のために組成を柔らかくし、安定化させるために行われます；グレードと正確な焼鈍サイクルに応じて、比較的柔らかいフェライト/パーライトまたはテンパー処理されたマルテンサイトを生成します。
• 硬化（溶解処理/オーステナイト化および急冷）：両グレードは、炭化物を溶解するためにグレード特有の温度でオーステナイト化され、その後マルテンサイトを形成するために急冷されます。炭化物の分布と保持されたオーステナイトは、合金化（Cr、Mo、N）によって影響を受けます。
• テンパリング：目標硬度と靭性を達成するために複数のテンパリングサイクルが使用されます；テンパリングは内部応力を減少させ、靭性を調整しますが、いくつかの硬度を犠牲にします。
• 合金化の影響：
• クロムとモリブデンは炭化物を安定化させ、テンパリング抵抗に影響を与えます；高いCr含量は腐食抵抗をサポートしますが、研磨性に影響を与える炭化物のサイズと分布にも影響を与える可能性があります。
• 窒素（存在する場合）は、固体溶液強化と窒化物析出を通じて硬度と腐食抵抗を増加させることができ、慎重に使用すれば保持されたオーステナイトを減少させることもできます。
• 加工に関する考慮事項：
• オーステナイト化温度、急冷の厳しさ、テンパリングスケジュールの制御は、必要な硬度、均一性、研磨性の組み合わせを生成するために重要です。
• 電気スラグ再溶融（ESR）または真空溶融プロセスは、S136および高級NAK80にしばしば使用され、研磨および腐食特性に重要な清浄性と細かい炭化物分布を確保します。

4. 機械的特性

解釈： - 両グレードは、射出金型に適した類似の硬度範囲に熱処理することができます；ただし、合金化の微妙な違いにより、NAK80バリアントは一部のテンパリング条件下でわずかに高い靭性を提供できる一方、S136は腐食抵抗と表面仕上げが最も重要な場合に一般的に使用されます。 - 正確な機械的指標はミルの化学組成と選択された熱処理スケジュールに依存します；特定の引張、降伏、衝撃値については供給者のデータシートを参照してください。

5. 溶接性

• 溶接性に影響を与える要因：炭素当量、硬化性を増加させる合金元素（Cr、Mo、V）、および窒素や炭化物形成剤の存在。
• 溶接性を評価するための役立つ公式（数値的ではなく定性的に解釈する）：
• $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• 定性的解釈：
• NAK80とS136の両方は、単純な炭素鋼に対して硬化性を増加させる合金化を持つステンレス工具鋼であるため、亀裂を避けるために通常、予熱、インターパス温度制御、および溶接後のテンパリングが必要です。
• 一部のNAK80バリアントにおける窒素は、凝固挙動を変化させ、ポロシティを促進することで溶接を複雑にする可能性があります；高いCrおよびMoを含むS136は、熱影響部でマルテンサイト硬化を起こす可能性があります。
• 重要な金型の場合、溶接は通常最小限に抑えられます；必要な場合は、マルテンサイト系ステンレス工具鋼用に設計された一致したフィラー金属を使用し、供給者が推奨する予熱および溶接後の熱処理手順に従ってください。

6. 腐食および表面保護

• ステンレス金型鋼の場合、固有の腐食抵抗はクロム（および時にはMo、N）から得られます。指標の使用：
• 沈殿抵抗等価数（PREN）はオーステナイト系ステンレスに有用ですが、方向性の洞察を与えるために使用できます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 解釈：PRENはオーステナイト系グレードに最も適用されます；マルテンサイト系ステンレス金型鋼の場合、この公式は方向性の指標を提供しますが、サービス腐食挙動の決定的な予測因子ではありません。
• 非ステンレスの代替品：
• 非ステンレス工具鋼が選択された場合、標準的な腐食保護には亜鉛メッキ、塗装、メッキ、または局所的なコーティングが含まれます。NAK80やS136のようなステンレス金型鋼の場合、表面の不活性化により、多くの成形環境で犠牲的保護の必要性が減少します。
• 実用的な注意：
• S136は、特に水冷金型や腐食性プラスチックまたは腐食性成形メディアを生産する金型において、長期的な汚れや軽度の腐食環境に対する抵抗が必要な場合にしばしば選ばれます。
• 表面仕上げと微細構造の清浄性（低い非金属包含物）は、腐食抵抗と光沢にとって重要です；ESRまたは真空処理された鋼はここで優れています。

7. 加工、機械加工性、および成形性

• 機械加工性：
• 両グレードは焼鈍状態で合理的に機械加工されます；ただし、ステンレスマルテンサイト工具鋼は作業硬化する可能性があり、適切な工具、フィード、およびスピードが必要です。
• 高精度加工には炭化物工具と安定した機械設定が推奨されます。
• 成形性：
• これらのグレードは通常、広範な成形には使用されません；焼鈍状態での曲げは可能ですが、スプリングバックやエッジクラックに注意が必要です。
• 仕上げ：
• ミラー仕上げへの研磨は一般的な要件です；S136は、清浄な微細構造と細かい炭化物サイズで生産された場合、優れた研磨性のためにしばしば選ばれます。
• 表面処理（窒化、クロムメッキ）は、摩耗および腐食のニーズに応じて使用されることがあります；窒化挙動は基材の化学組成（Nの存在および拡散挙動）に依存します。

8. 典型的な用途

選択の理由：主な要件—荷重および摩耗抵抗対最大の腐食抵抗と研磨性に基づいて選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：
• 両者は特殊なステンレス工具鋼であり、一般的に従来の金型鋼（例：P20）よりも高価です。相対的なコストは市場、ミル、および加工（ESR/真空溶融はコストを増加させる）によって異なります。
• S136は、特にESRまたは真空精製材料として供給される場合、一般的なステンレス工具鋼に対して価格スペクトルの高い方に位置することが多いです。
• NAK80の価格は製造者、窒素添加、および加工に依存します；他のステンレス金型鋼と競争力がある場合もありますが、正確なコストは供給者に確認する必要があります。
• 製品形態による入手可能性：
• 両者は主要な工具鋼供給者からブロック、プレート、バー、および事前硬化プレートで入手可能です；リードタイムはミルによって異なり、製品がESRまたは特別処理されているかどうかによっても異なります。
• グローバルな入手可能性は一般的に良好ですが、大きなセクションや特定の加工条件（事前硬化および研磨されたプレート）を調達するには、長いリードタイムが必要な場合があります。

10. 概要と推奨

推奨： - 高負荷、繰り返しの機械的ストレスにさらされる金型や、窒素強化金属が性能に利益をもたらす場合に、腐食抵抗と改善された機械的強度および靭性のバランスを提供するステンレス金型鋼が必要な場合はNAK80を選択してください。 - 汚れに対する最大の抵抗、優れた研磨性、および高光沢で腐食に敏感な金型用途（たとえば、表面の外観と長期的な腐食抵抗が重要な化粧品、医療、または水冷金型）の実績が優先される場合はS136を選択してください。

結論として：NAK80とS136は、腐食抵抗のある金型用途においてどちらも強力な候補です。正しいグレードは、サービス環境（腐食性曝露、冷却媒体）、必要な表面仕上げ、荷重および摩耗条件、加工制約の具体的な相互作用に依存します。常にミル証明書、供給者の熱処理推奨を確認し、重要な性能や資格が必要な場合は試験加工を行ってください。