P20対NAK80 - 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

P20とNAK80は、プラスチック射出成形およびダイキャスト金型に広く使用されている金型および工具鋼です。エンジニア、調達チーム、製造計画者は、これらの選択時に、部品の総コスト、工具寿命、表面仕上げ、メンテナンスのトレードオフを考慮することが一般的です。典型的な選択の文脈には、大量生産用のコスト効果の高い材料を選ぶ（靭性と加工性が優先される場合）ことと、高光沢または腐食に敏感な部品用のステンレス対応の金型鋼を選ぶ（表面仕上げとパッシベーションが重要な場合）ことが含まれます。

多くの設計決定を促進する主な実用的な違いは表面特性です：NAK80は、高光沢プラスチック部品のために優れた表面仕上げの保持、耐腐食性、磨かれた外観を提供するように設計されていますが、P20は、手頃な価格、加工性、一般的な靭性のために最適化されたより従来のプレハード鋼です。これらは重複する用途領域（型ベース、キャビティ、コアインサート）を占めているため、設計者は最終的な部品の美観、金型のメンテナンス、および生産環境の制約について日常的に比較します。

1. 規格と呼称

• P20
• 一般的な呼称：AISI/SAE P20、DIN 1.2312（近似同等物）、さまざまなサプライヤーの商標名（プレハード金型鋼）。
• 分類：合金工具鋼、通常はプレハード状態で供給されます。
• NAK80
• 一般的な呼称：いくつかの日本およびグローバルサプライヤーによって使用される商標名（NAK80）；時にはマルテンサイト系ステンレス金型鋼グレードとして参照されることがあります。
• 分類：マルテンサイト系ステンレス工具/金型鋼（ステンレス金型鋼）。

ミル証明書や購入注文で確認すべき適用規格には、金型鋼に関するASTM/ASME仕様および工具およびステンレス工具鋼に関する関連国際規格（EN、JIS、GB）が含まれます。サプライヤー固有の呼称および証明書を常に確認してください。商標名は生産者間で異なるマッピングがされるためです。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、サプライヤーのデータシートで広く引用されている代表的な名目組成範囲を示しています。これらの値は典型的な範囲を意図しており、調達時には特定のミル証明書を常に確認してください。

元素	P20（典型的名目範囲、wt%）	NAK80（典型的名目範囲、wt%）
C	0.25–0.35	0.03–0.12
Mn	0.35–0.60	0.10–0.60
Si	0.20–0.35	0.10–0.80
P	≤0.03	≤0.025
S	≤0.03	≤0.020
Cr	1.30–1.60	11.0–13.5
Ni	0.30–0.60	1.0–4.0
Mo	0.30–0.50	0.30–0.60
V	微量–少量	微量
Nb (Cb)	—	微量
Ti	—	微量
B	—	微量
N	—	微量（ステンレスバリアントにおいて）

合金が特性に与える影響： - 炭素：主な硬化性および強度の寄与者。P20の高炭素（ステンレス低炭素バリアントに対して）は、焼入れ/焼戻し後の高い硬度と耐摩耗性をサポートしますが、溶接中のHAZ亀裂リスクを高めます。NAK80は、腐食抵抗をバランスさせ、過度の脆さを避けるために炭素を低く保たれることがよくあります。 - クロムおよびニッケル：NAK80では、上昇したCrおよびNiがステンレス/パッシブ特性を提供し、耐腐食性および磨きやすさを改善します。P20では、適度なCrおよびNiが硬化性および強度を改善しますが、ステンレス特性は付与しません。 - モリブデンおよびバナジウム：硬化性、二次硬化、クリープ抵抗、および炭化物の安定性を改善します — 両グレードにとって耐摩耗性を高めるのに有益です。 - その他の微合金（Nb、Ti、B）：粒子サイズを精製し、析出を制御します；ステンレス工具鋼では、特性を制御するために微量で存在することがよくあります。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造（典型的）： - P20：細かい合金炭化物（Cr/Mo炭化物）を含むテンパー処理されたマルテンサイト。通常、正規化およびテンパー処理された状態でプレハード供給され（例：~28–32 HRC）、加工性と靭性のために最適化された微細構造です。 - NAK80：クロムリッチ炭化物を含むマルテンサイト系ステンレスマトリックスおよび磨かれたときのパッシブなクロム酸化物表面層；通常、磨きおよび耐腐食性に適したプレハード状態で製造されます。

熱処理応答： - P20： - プレハード供給可能；硬化およびテンパー処理された場合、焼入れおよびテンパーサイクルはテンパー処理されたマルテンサイトを生成します。正規化は粒子サイズを精製します。 - 硬度および耐摩耗性のために、窒化処理が一般的に適用されます；窒化挙動は合金化された窒化物形成元素（例：V、Cr）に依存します。 - NAK80： - 熱処理は硬度とステンレス特性のバランスを取ることを目的としています。典型的なルートには、溶解アニーリングおよび焼入れの後のテンパー処理が含まれます；感受性を避け、耐腐食性を保持するために慎重な制御が必要です。 - ステンレス特性は高温処理を複雑にします；熱処理温度範囲は炭素合金鋼とは異なり、脱炭および酸化を避けるために真空または制御された雰囲気が必要な場合があります。

熱機械処理は粒子サイズおよび炭化物の分布に影響を与える可能性があります；両鋼において、より厳密なプロセス制御がより良い磨きやすさおよびより均一な硬度をもたらします。

4. 機械的特性

以下の表は、一般的に供給されるプレハード状態および熱処理状態の典型的な特性範囲を示しています。正確な数値についてはサプライヤーの証明書で確認してください。

特性	P20（典型的）	NAK80（典型的）
引張強度 (MPa)	800–1100	700–1000
降伏強度 (0.2%オフセット, MPa)	600–900	500–850
伸び (%)	10–18	8–18
衝撃靭性 (シャルピー, J)	中程度（テンパーに依存）	中程度から良好（状態に依存）
硬度 (HRC)	28–32（プレハード）、より高く熱処理可能	30–36（プレハードステンレスバリアント）

解釈： - 強度：P20は比較可能なプレハード状態で通常、より高い名目強度を提供しますが、これは高い炭素およびその合金混合に起因します；ただし、熱処理により差が狭まることがあります。 - 靭性/延性：両グレードは硬度と靭性のトレードオフがあります；P20の配合は一般的な靭性と加工性を優先する傾向がありますが、NAK80は磨きやすさと耐腐食性のバランスを取っています。 - 硬度範囲は重なります；選択されたグレードは、必要な耐摩耗性および最終的な表面仕上げの目標に合致するべきです。

5. 溶接性

溶接性は炭素当量および合金含有量に依存します。炭素当量の公式を使用することで、HAZ亀裂の感受性および予熱/後熱の要件を評価するのに役立ちます。

一般的な公式： - IIW炭素当量（定性的ガイド）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 国際溶接電気技術炭素当量（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：高い炭素およびMo/Crの存在は、低炭素鋼に対して炭素当量の数値を上昇させ、適切な予熱および溶接後のテンパー処理が使用されない限り、HAZ硬化および冷間亀裂の感受性を高めます。P20は通常、制御された溶接手順または互換性のある低水素フィラー金属の使用を必要とします。 - NAK80：マルテンサイト系ステンレス鋼として、NAK80のCrおよびNi含有量は溶接性の挙動を変化させます；ステンレスマルテンサイトは、予熱されず、インターパス温度および冷却速度が制御されない場合、HAZおよび溶接金属の亀裂が発生しやすくなります。ニッケルは溶接性をある程度改善しますが、ステンレスマトリックスは慎重なフィラー選択を必要とし、しばしば靭性および耐腐食性を回復するための溶接後熱処理が必要です。 - 実際には：両グレードは溶接可能ですが、溶接計画（予熱、インターパス温度、溶接後テンパー処理）および認定されたフィラー金属が不可欠です。外観が重要な表面の場合、溶接された部分は避けるか、研磨して再仕上げする必要があります。

6. 腐食および表面保護

• P20：ステンレスではありません。湿気や腐食性環境が存在する場合、表面腐食保護が通常必要です。一般的な保護には：
• 完成した表面への塗装、メッキ、または局所コーティング（PVD/CVD）。
• 金型には亜鉛メッキは一般的ではなく、むしろ窒化処理や表面コーティング（TiN、CrN）が使用され、耐摩耗性を高め、腐食ピッティングの発生を減少させます。
• NAK80：磨かれ、維持されると、P20と比較してパッシブ性および腐食抵抗が改善されたマルテンサイト系ステンレス鋼です。ステンレス特性を示すために、PREN（ピッティング抵抗等価数）などの腐食指数がオーステナイトおよびデュプレックスグレードに一般的に使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• 注：PRENはNAK80のようなマルテンサイト系ステンレス金型鋼には直接適用されませんが、この公式はCr/Mo/N含有量がピッティング抵抗にどのように相関するかを示しています。NAK80のクロム含有量と表面仕上げが、サービス中の汚れや腐食に対する優れた抵抗の主な要因です。
• 実際の結果：湿気や腐食性環境で運用される高光沢プラスチック部品および金型に対して、NAK80は汚れやメンテナンスの必要性を減少させます；P20は表面品質を維持するために保護戦略（コーティング、制御された環境）が必要です。

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 加工性：
• P20：プレハード状態での良好な加工性；厳しい公差に容易に加工でき、EDMにも適しています。炭化物工具および標準的な冷却剤の使用で十分です。
• NAK80：ステンレス工具鋼として一般的に良好な加工性ですが、作業硬化傾向およびステンレス合金の挙動により、最適化された工具形状、切削速度、および冷却剤が必要です。適切な工具を使用すれば、達成可能な表面仕上げは優れています。
• 成形性および曲げ：両者は工具鋼であり、軟鋼に対して限られた延性があります。成形は通常、最終的な硬化/テンパー処理の前に行われます。硬化後の重い成形は避けてください。
• 表面仕上げおよび研磨：
• これは重要な差別化要因です。NAK80は、ステンレスマトリックスおよび細かい炭化物分布により、鏡面仕上げにより容易に磨かれ、高光沢の外観を保持します。P20は良好な仕上げに磨くことができますが、汚れや酸化に対してより敏感であり、高光沢仕上げを維持するために追加のコーティングやメンテナンスが必要です。

8. 典型的な用途

P20 — 典型的な用途	NAK80 — 典型的な用途
非重要な表面外観の一般目的の射出金型キャビティおよびコア	光学、医療、消費者部品用の高光沢射出金型キャビティ
コストと加工性が優先される大型金型ベースおよび構造部品	腐食に弱い工具（湿気のある環境）または長期間の磨き保持が必要な金型
迅速な加工およびEDMが必要なプロトタイプおよび低〜中ボリューム生産	表面仕上げおよび部品の美観が優先される多成分金型
耐摩耗性のためにその後の窒化処理またはPVDコーティングが必要な工具	ステンレス性能がメンテナンスおよび汚れを減少させる精密金型

選択の理由： - 最終的な部品の外観が重要でない場合や、コーティング/窒化処理が適用できる場合は、コスト、入手可能性、および加工性のバランスを考慮してP20を選択してください。 - 高光沢部品、汚れの減少、工具内での腐食抵抗が必要な場合は、NAK80を選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：
• P20は、合金含有量が低く、広範な商品供給があるため、通常NAK80よりも1キログラムあたりのコストが低くなります。大規模な金型や予算制約がある場合には、コスト効果の高い選択肢です。
• NAK80は、合金含有量（Cr、Ni）が高く、ステンレス特性のための処理が必要なため、プレミアム価格が設定されています；材料コストが高くなることが予想され、熱処理や仕上げのための処理コストも高くなることがあります。
• 入手可能性：
• P20は、多くのサプライヤーからプレハードプレート、ブロック、バーで広く入手可能であり、金型工場で一般的です。
• NAK80は広く生産されていますが、非常に大きなプレートサイズや非標準寸法での入手可能性はP20よりも制約される場合があり、厚さや仕上げ要件によってリードタイムが長くなることがあります。

10. まとめと推奨

まとめ表（定性的）：

属性	P20	NAK80
溶接性	制御があれば良好；高いCEは注意が必要	難しい；ステンレス溶接手順およびPWHTが必要なことが多い
強度–靭性のバランス	プレハード状態で強くて靭性がある	良好なバランスだが、磨きおよび腐食抵抗に最適化されている
コスト	低い（より経済的）	高い（プレミアムステンレス合金）

推奨： - 次の条件に該当する場合はP20を選択してください： - 予算と迅速な加工/EDMのターンアラウンドが優先される。 - 部品が高光沢仕上げを必要としないか、保護/コーティングされている。 - 大型金型ベースや重い加工が必要な部品。 - 次の条件に該当する場合はNAK80を選択してください： - 高い表面仕上げ、磨き保持、腐食抵抗が重要である（光学、医療、高光沢消費者部品）。 - 汚れやすい材料や湿気のある生産環境に対して工具のメンテナンスを減少させたい。 - プレミアムコストが再加工の減少、磨き寿命の延長、または成形部品の外観品質の向上によって正当化される。

最終的な注意：材料選択は、サプライヤーのデータシートを比較し、予想されるプロセス条件下でのサンプル磨きテストを実施し、溶接/修理手順および表面処理を考慮することで検証されるべきです。表面仕上げや腐食抵抗が部品の受け入れを促進する場合、最終材料および磨きレジメンでの試作工具が強く推奨されます。