P20対2738 – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

P20と2738は、プラスチック金型および工具セクターで広く使用されている2つの鋼種です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、金型ベース、コア、キャビティ、またはインサートを指定する際に、しばしばこれらの間で決定を下さなければなりません。典型的な決定要因には、加工性とコストを硬化性、耐摩耗性、及びサイクル熱/機械負荷下での長期的な寸法安定性とバランスさせることが含まれます。

この2つのグレードの主な違いは、合金戦略と意図された性能範囲です：P20は、中程度の強度と良好な研磨性および溶接性を持つ、前硬化された加工可能な金型鋼として設計されています；2738は、より高い硬化性、耐摩耗性、及び焼戻し安定性のために最適化された、より高合金の工具/金型鋼です。両者はプラスチック金型に一般的に使用されるため、コスト、加工後の熱処理、およびライフサイクル性能のトレードオフのためにしばしば比較されます。

1. 規格と指定

• P20
• 北米では一般的にAISI/ASTM P20（金型鋼）として参照されます。EN/ISOおよび国の規格には、鋼材供給者が使用する独自の名称を通じて、同等または類似の指定が見られます。
• 低〜中程度の合金工具/金型鋼として分類されます（一般的に前硬化された状態で供給されます）。
• 2738
• 一部の供給者および国のシステムでは「2738」として参照されます（注：正確な番号システムは国やベンダーによって異なります）。通常、より高合金の金型/工具鋼グレードとして位置付けられています。
• 金型用に設計された合金工具鋼として分類され、P20よりも高い硬化性を持ちます。

注：化学組成と保証された機械的特性については、正確な規格/仕様および供給者証明書を常に確認してください。番号付けや同等物は地域や生産者によって異なります。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、各グレードの典型的な合金戦略を要約しています。エントリは、正確な量が規格や供給者によって異なることを反映するために記述的です。正確な割合については材料証明書を参照してください。

元素	P20（典型的な役割）	2738（典型的な役割）
C（炭素）	中程度：加工性、強度、研磨性のバランスが取れています	中〜高：硬度の可能性と耐摩耗性を高めます
Mn（マンガン）	中程度：脱酸、引張/衝撃支持	中程度：硬化性と強度に寄与します
Si（シリコン）	低〜微量：脱酸と強度	低〜微量：脱酸と強度
P（リン）	微量（制御された不純物）	微量（制御された不純物）
S（硫黄）	微量（自由切削グレードとして存在する場合、加工性を改善します）	微量（通常は靭性のために最小化されます）
Cr（クロム）	中程度：硬化性、耐摩耗性、焼戻し安定性を改善します	高：硬化性、耐摩耗性、焼戻し抵抗への強い寄与
Ni（ニッケル）	低からなし：主要な合金元素ではありません	一部のバリエーションで靭性のために微量存在する場合があります
Mo（モリブデン）	小〜中程度：硬化性と焼戻し抵抗を高めます	中程度〜重要：硬化性と焼戻し強度を改善します
V（バナジウム）	低（微合金化）：粒子を精製し、耐摩耗性を改善します	多くの2738バリエーションでより多く存在し、炭化物を精製し、耐摩耗性を高めます
Nb/Ti/B（微合金化）	通常は低/不在；時折、粒子制御のために微合金化されます	粒子精製と制御のために微量存在する場合があります
N（窒素）	微量	微量

合金が特性に与える影響： - 炭素および合金元素（Cr、Mo、V）は、硬化性、硬度の可能性、焼戻し安定性を制御します。合金含有量が高いほど、より高い硬化性と優れた高温焼戻し抵抗が得られますが、溶接性が低下し、コストが増加する可能性があります。 - 微合金化元素（V、Nb、Ti）は、炭化物と粒子構造を精製し、金型の長寿命のために靭性と耐摩耗性を改善します。 - 低硫黄とリンは、金型鋼の靭性と疲労寿命を維持するために必要です。

3. 微細構造と熱処理応答

P20と2738の典型的な微細構造と熱処理応答は、合金化のために異なります：

• P20
• 典型的な供給状態：中程度の硬度に前硬化されています（通常、加工および研磨に有用な範囲内）。
• 微細構造：比較的低い炭化物の個体数を持つ焼戻しマルテンサイトまたは焼戻しベイナイト；研磨性のために粒子サイズが制御されています。

• 熱処理応答：P20は、急冷および焼戻しに応答します；適切にオーステナイト化され、焼戻しされると、多くのプラスチック金型アプリケーションに適した硬度と靭性のバランスを達成します。完全硬化に伴う歪みを避けるために、前硬化状態で使用されることが多いです。

• 2738

• 典型的な供給状態：使用に応じて前硬化またはアニーリング/正規化された状態で供給されることができます；より高い硬度レベルに成功裏に硬化されるように設計されています。
• 微細構造：急冷および焼戻し後、2738は、耐摩耗性と焼戻し抵抗を改善する合金炭化物（Cr、Mo、V炭化物）の分散した個体数を持つ焼戻しマルテンサイトを示す傾向があります。
• 熱処理応答：合金含有量が高いほど、硬化性が増し、高温サービス温度でより安定した焼戻し抵抗を提供します。オーステナイト化と急冷のパラメータが適切であることが、残留オーステナイトを避け、炭化物の分布を最適化するために重要です。

一般的な加工ルートの影響： - 正規化/精製サイクルは、粒子サイズを改善し、次の硬化への応答を向上させます。 - 急冷および焼戻しは、最高の硬度と最良の耐摩耗性を生み出します—2738は、合金含有量のため、同じ処理でより高い最終硬度を達成します。 - 前硬化された納品（P20に一般的）は、加工後の熱処理の必要性と歪みのリスクを減少させます。

4. 機械的特性

正確な機械的特性は、熱処理と供給者の保証に大きく依存します。以下の表は、典型的なアプリケーション関連の特性についての比較的質的な記述を示しています。

特性	P20（典型的な状態）	2738（典型的な状態）
引張強度	中程度 — ほとんどの射出成形および圧縮金型に適しています	高い — より大きな荷重と耐摩耗性のために設計されています
降伏強度	中程度	高い
伸び（延性）	高い/良好 — 加工および研磨をサポートします	硬化時のP20より低い — 硬度とのトレードオフ
衝撃靭性	良好（特に前硬化または焼戻し状態で）	良好から中程度 — 高硬度レベルでは低くなる可能性があります
硬度（供給時/硬化後）	中程度（加工可能な前硬化状態）	急冷および焼戻し後に達成可能な高い硬度

解釈： - 2738は、より高い合金化と硬化性のため、熱処理後に一般的により高い強度と硬度を持つことができ、耐摩耗性を改善しますが、延性が低下し、溶接や修理が複雑になる可能性があります。 - P20は、加工性、研磨性、作業可能な靭性の間でより良い妥協を提供するため、完全硬化なしで仕上げられ、使用される大きく複雑なプラスチック金型に一般的に使用されます。

5. 溶接性

溶接性は、炭素含有量、合金化、および硬化性に依存します。一般的に使用される2つの経験的指標は、IIW炭素等価とPcm式です：

• IIW炭素等価： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm式（予熱および溶接手順の要件を評価するために使用）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

質的解釈： - 低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値は、溶接性が容易で、水素誘発冷却亀裂のリスクが低いことを示します。 - P20：中程度の炭素と合金化を持つため、P20は一般的により良い溶接性を持ち、修理溶接や改造が予想される場合に選択されることが多いです。予熱および注意深い溶接後の熱処理は、供給者の推奨に従って適用する必要があります。 - 2738：高いCr/Mo/Vおよび高い有効炭素等価は、硬化性を高め、制御された予熱およびPWHTなしでは亀裂の感受性を高めます。2738の溶接には、より厳格な手順が必要で、しばしばインターパス温度制御および溶接後の焼戻しが必要です。

推奨事項： - 常に供給者の溶接ガイドラインを要求し、資格のある溶接手順（予熱、インターパス、PWHT、消耗品の選択）に従ってください。 - 疑問がある場合は、実験室での溶接試験とHAZでの硬度チェックを行うことをお勧めします。

6. 腐食および表面保護

• P20も2738もステンレス鋼ではありません。腐食抵抗が懸念される場合、両者とも表面保護が必要です。
• 典型的な保護：
• 塗装、メッキ（ニッケル、クロム）、および腐食を遅らせ、耐摩耗性を改善するための適切な表面仕上げ（研磨、窒化）。
• ハードクロムまたは窒化は、適切な場合に表面硬度を高め、耐摩耗性/耐腐食性を改善することができます。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、ステンレスグレードにのみ適用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標は、P20や2738には適用されません。なぜなら、これらはステンレス合金ではないからです。腐食性または湿気の多い環境にさらされる金型には、ステンレス工具鋼を検討するか、保護表面処理を適用してください。

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 加工性
• P20：一般的に前硬化状態で加工が容易で、良好な表面仕上げと研磨性を持ちます。高合金工具鋼に比べて、切削力が低く、工具寿命が長いです。
• 2738：硬化時は硬度と炭化物のために加工が難しく、通常は柔らかい状態で加工され、熱処理後に研削/研磨で仕上げられます。
• 成形性/曲げ
• 両グレードは鋼ですが、低炭素構造鋼と比較して曲げや成形は制限されます。硬化部品の冷間成形は一般的に推奨されず、複雑な特徴には加工およびEDMが好まれます。
• 研削/EDM/研磨
• 2738の炭化物含有量は、細かい研磨をより困難にする可能性がありますが、サービス中の耐摩耗性を向上させます。
• P20は良好に研磨され、表面仕上げとミラーポリッシュが優先される場合に好まれます（例：光学または化粧品プラスチック部品）。

8. 典型的な用途

P20	2738
一般的な射出金型ベース、大型多キャビティ金型、研磨性と加工速度が優先されるプロトタイプおよび生産金型	高い耐摩耗性と耐久性が求められるコア、キャビティ、インサート；研磨性プラスチックや長期生産用の工具
金型プレート、適度な硬度で十分なキャビティ、溶接修理が必要な場合	高い熱サイクルと耐摩耗性にさらされる高負荷金型コンポーネント
柔らかい成形や軽い摩耗用のダイコンポーネント	焼硬化後および高い焼戻し抵抗が必要なインサートやコア

選択の理由： - 加工の容易さ、研磨性、低コストが優先され、サービス条件が金型に重い摩耗や極端な熱サイクルを課さない場合はP20を選択してください。

高い耐摩耗性、上質な焼戻し温度、または長いライフサイクルが高い材料および加工コストを正当化する場合は2738を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト
• P20：通常、材料コストが低く、加工コストも低い（一般的に前硬化された状態で供給され、硬化および歪み制御の費用を削減します）。
• 2738：合金含有量が高いため、キログラムあたりのコストが高く、通常は制御された熱処理とより複雑な仕上げが必要で、総コストが上昇します。
• 入手可能性
• 両グレードは金型鋼供給者から一般的に入手可能ですが、特定の製品形状（プレート、バー、前硬化ブロック）やリードタイムは地域や在庫レベルによって異なります。
• P20は金型ベースの在庫サイズでより普及している傾向があります；2738は特定のサイズでの注文が必要な場合や、通し硬化処理のために追加のリードタイムが必要な場合があります。

10. まとめと推奨

まとめ表（質的）

属性	P20	2738
溶接性	良好	中程度 → 制御された手順が必要
強度–靭性のバランス	中程度の強度 / 良好な靭性	高い強度 / 高硬度での低い延性
コスト（材料および加工）	低い	高い

結論としての推奨： - P20を選択する場合： - アプリケーションが良好な加工性と研磨性を必要とする場合。 - 修理/溶接が容易なコスト効果の高い前硬化金型プレートが必要な場合。 - サービス条件が中程度の摩耗を伴い、最高の硬度が必要ない場合。

• 2738を選択する場合：
• コンポーネントが高い硬化性、優れた耐摩耗性、および長期生産用の焼戻し安定性を必要とする場合。
• より集中的な熱処理、厳格な溶接管理、およびわずかに高い材料コストを受け入れて、工具寿命を延ばすことができる場合。

最終的な注意：材料の選択は、供給者の認証された化学および機械データ、意図された熱処理サイクル、予想される負荷および環境、予測されるメンテナンス/修理戦略に対して確認する必要があります。重要な金型については、加工時間、熱処理、表面仕上げ、予想されるサイクル数、およびダウンタイムリスクを含むライフサイクルコスト分析を実施し、最も経済的かつ信頼性の高い選択を行ってください。