S136対420 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
S136と420は、硬度、研磨性、そしてある程度の耐腐食性が求められる部品に頻繁に考慮されるマルテンサイト系ステンレス鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、耐腐食性、表面仕上げ、コスト、製造可能性のバランスを取る際に、専門の金型グレードステンレス（S136）と汎用のマルテンサイト系ステンレス（420）との間で決定を下すことが一般的です。
両者の主な実用的な違いは、合金成分と加工の意図にあります：S136は金型用途のために高い表面仕上げ、低い不純物含有量、改善された耐腐食性を実現するように配合され、加工されています。一方、420は、単純な硬化可能なステンレス特性が低コストで許容される場所で使用されるより広範なファミリーのマルテンサイト系ステンレスです。これらのファミリー（マルテンサイト系ステンレス）の類似性と、成分管理や加工の違いが一般的な比較の基盤となっています。
1. 規格と呼称
- S136
- 単一の国際的なASTM/ISOの標準番号ではなく、ヨーロッパおよび国際的な工具鋼供給者によって使用される商業的な金型鋼の呼称（しばしば金型鋼のカタログに掲載されている）。
- 耐腐食性のあるステンレス工具/金型鋼（マルテンサイト系ステンレス、工具鋼ファミリー）として分類される。
- しばしば、事前硬化した板、ブロック、または研磨された金型部品として供給され、工具鋼供給者の基準（独自の呼称）で参照される。
- 420
- AISI/SAE 420として多くの仕様で標準化され、ASTM製品基準（例えば、ステンレスバー/ロッドのASTM A276）に含まれる。
- ENおよびJISの下でも、類似の化学組成を持つマルテンサイト系ステンレスグレードとして現れる。
- マルテンサイト系ステンレス鋼（硬化可能なステンレス）として分類される。
分類の概要： - S136：ステンレス工具鋼（マルテンサイト系）、工具/金型グレード、商業的呼称。 - 420：ステンレス鋼、マルテンサイト系、標準化されたAISI/ASTMグレード。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | 典型的な420（AISI/ASTMの典型的な説明） | 典型的なS136（商業的金型鋼の特徴） |
|---|---|---|
| C | 0.15–0.40%（硬化性、強度） | 比較的高い制御されたC（硬度/研磨性の最適化）—供給者特有 |
| Mn | ≤ ~1%（脱酸と強度） | 低Mn（清浄性と耐腐食性のために最小化） |
| Si | ≤ ~1%（脱酸） | 低Si（研磨性と表面品質を助けるために制御） |
| P | ≤ ~0.04%（不純物） | 非常に低いP（耐腐食性と研磨性のために制御） |
| S | ≤ ~0.03–0.04%（不純物） | 非常に低いS（加工性を改善するための代替案には微合金化が含まれる場合がある） |
| Cr | ~12–14%（ステンレスの挙動、硬化性） | 類似のCr（耐腐食性を提供）；成分は細かく制御される |
| Ni | 通常は低いかゼロ（マルテンサイト系） | 通常は最小限または欠如（マルテンサイトの反応を維持）；一部の商業的バリアントには微量のNiが含まれる場合がある |
| Mo | 420には通常存在しない | 一部のS136バリアントには小さなMo添加が含まれる場合があり、局所的な耐腐食性を改善するために不純物管理が厳格に行われる |
| V | 微量から低（標準420の主要な合金元素ではない） | 工具鋼バリアントにおいて炭化物/粒子を精製するために小量存在する場合がある |
| Nb/Ti/B | 通常は存在しない（微量を除く） | 供給者によって特殊なS136の溶融物における粒子と不純物を制御するために微量使用される場合がある |
| N | 低（マルテンサイト系ステンレス） | 低；デルタフェライト/窒化物が研磨性に影響を与えないように制御される |
注記： - S136は、不純物（P、S）と非金属不純物の厳格な管理の下で製造され、指定されている。その合金戦略は、炭化物の均一な分布と低い偏析を最適化し、研磨性と表面全体の一貫した耐腐食性を向上させることを強調している。 - 420は、経済的な硬化性と耐腐食性を提供するために、より単純な合金バランスを使用している；420ファミリーの炭素含有量の広範な範囲は、異なるサブグレード（例：420A、420B、420Cバリアントは歴史的にCによって異なる）を生み出す。
3. 微細構造と熱処理反応
- 典型的な微細構造：
- 両グレードは、適切な焼入れ後にマルテンサイト系ステンレス鋼です。微細構造は主にマルテンサイトで構成され、さまざまな量と形態のクロム炭化物が含まれています。
- S136：細かく均一なマルテンサイトを得るために製造され、熱処理され、大きな一次炭化物のレベルが低く、二次炭化物の分布が制御されています。粉末冶金または精製された溶融プロセスが供給者によって使用され、偏析を減少させ、研磨後に優れた表面仕上げを実現します。
-
420：鍛造または従来の溶融；マルテンサイトマトリックスと、非常に制御された金型鋼に比べて粗い分布のクロム炭化物。炭化物の数は炭素含有量と熱履歴に強く依存します。
-
熱処理反応：
- 両グレードは、オーステナイト化、焼入れ、焼戻しに反応します。硬度、強度、靭性は炭素含有量、オーステナイト化温度、焼入れ媒体、焼戻しのレジメに強く依存します。
- S136は、事前硬化および表面仕上げされた状態で一般的に供給され、低温または極低温処理および焼戻しサイクルを受け入れ、耐腐食性を保持し、工具の変形を最小限に抑えるように最適化されています。
-
420は、異なる用途のために広範な硬度範囲に熱処理されます：機械加工用の低炭素バリアントは中程度の硬度のために、焼入れと焼戻し後の高硬度のための高炭素バリアント。
-
正規化/熱機械処理：
- S136は、保持されたオーステナイトを減少させ、炭化物を精製するために制御された正規化および潜在的に低温処理の恩恵を受けます。
- 420は、最終硬化前に機械加工性を改善するために正規化/アニーリングされる場合があります。
4. 機械的特性
| 特性 | S136（典型的な挙動） | 420（典型的な挙動） |
|---|---|---|
| 引張強度 | 完全に熱処理されたときに高い（金型における高硬度と圧縮強度のために設計されている） | 炭素含有量と熱処理に応じて中程度から高い |
| 降伏強度 | 硬化状態で高い | 中程度から高い |
| 伸び（%） | 硬化状態で低い（非常に高い硬度で脆い） | 同じ硬度であれば、低炭素バリアントの場合は比較的またはわずかに高い延性 |
| 衝撃靭性 | 高硬度で中程度から低い；最適化されたバリアントと焼戻しが靭性を改善 | 変動；低炭素420は高C高硬度バリアントよりも靭性が良い傾向がある |
| 硬度（HRC） | 高い表面硬度と耐摩耗性のために設計されている（工具用に硬化、焼戻しされた状態で一般的に供給される） | 広い硬度範囲；炭素に応じてかなり硬化できる |
説明： - S136は、慎重に制御された炭化物によって高い表面硬度と表面の完全性を達成し、耐摩耗性と研磨性を改善しますが、極端な硬度に押し上げられるとバルク靭性が低下する可能性があります。 - 420の特性は炭素グレードによってより変動します。低炭素420は中程度の硬度でより延性があり、靭性が高い；高炭素420は硬度においてS136に近づきますが、より大きな炭化物が現れ、表面仕上げが予測不可能になる可能性があります。
5. 溶接性
溶接性は、炭素含有量、硬化性（Crおよび合金化）、不純物/微合金含有量に依存します。定性的な解釈に役立つ2つの一般的な経験的指標があります：
-
国際溶接協会の炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
ディアーデンおよびオニール型パラメータ（$P_{cm}$）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的な解釈： - 高い炭素と高いクロムは、硬化性と熱影響部（HAZ）での亀裂のリスクを増加させます。S136は、高硬度のために最適化されており、しばしば高い有効炭素と細かい炭化物の数を持つため、一般的に低炭素420バリアントよりも溶接が難しいです。 - 420の溶接性はサブグレードによって異なります：低炭素420は比較的溶接しやすい；高炭素420およびS136は、HAZの亀裂や過剰なマルテンサイト形成を避けるために、予熱、制御されたインターパス温度、および溶接後の熱処理を必要とします。 - さらに、S136の厳格な清浄性と低不純物戦略は、溶接が局所的に表面状態を変化させ、溶接近くの耐腐食性を低下させる可能性があることを意味します。溶接および後処理が慎重に行われない限り。
6. 腐食と表面保護
- マルテンサイト系ステンレス鋼の場合、一般的な耐腐食性は主にクロム含有量と表面状態から来ています。S136も420も、塩素が豊富な環境にさらされた場合、オーステナイト系またはデュプレックスステンレス鋼のピッティング耐性を提供しません。
- PREN（ピッティング耐性等価数）は、ステンレスグレードのピッティング耐性を評価するために一般的に使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- PRENの適用：
- S136と420の両方において、MoおよびNの含有量が低いため、PREN値は控えめです；S136の清浄な表面と制御された化学組成は、研磨後およびあまり攻撃的でない媒体において、一般的な420よりも優れた局所的な耐腐食性能をしばしばもたらします。
- 非ステンレスの代替品/保護：
- いずれのグレードに対しても、耐腐食保護を強化する必要がある場合は、表面処理を検討してください：無電解ニッケル、硬クロムメッキ（環境/規制の制約に注意）、窒化（摩耗用、限られた腐食利益）、パッシベーション、またはバリアコーティング（塗料、ポリマーコーティング）。
- これらのマルテンサイト系が提供する以上の環境耐性が必要な場合は、オーステナイト系ステンレス、デュプレックス、またはNiベースの合金を検討してください。
7. 加工、機械加工性、成形性
- 機械加工性：
- 低炭素420バリアントは、アニーリング状態での機械加工が容易です。S136は、より高い炭素と硬化可能な性質、供給された状態での潜在的な高硬度のために、機械加工が難しい場合があります；多くのS136プレートは事前硬化されて供給され、従来の機械加工よりもEDMや研削が必要な場合があります。
- 成形性：
- 両合金は、硬化時に冷間成形性が制限されます。アニーリング状態では、420は合理的に成形できます；S136の成形性は供給者の焼戻しに依存しますが、主に金型製造を対象としています。
- 表面仕上げ：
- S136は、研磨性と高光沢の表面仕上げのために最適化されており、低い不純物含有量と細かい炭化物の分散に注意が払われています。
- 420は研磨可能ですが、特別に処理されない限り、S136に比べて一貫した鏡面仕上げを生産することが少ないです。
8. 典型的な用途
| S136（金型グレードステンレス） | 420（マルテンサイト系ステンレス） |
|---|---|
| 鏡面研磨されたキャビティを持つ高品質のプラスチック射出金型 | カトラリー、外科用器具（一部のバリアント）、シャフト、バルブ部品 |
| 持続的な研磨と中程度の耐腐食性が求められる金型 | ファスナー、ポンプ部品、ステンレスと硬度が必要な構造部品 |
| ダイキャストインサート、表面仕上げと耐腐食性が重要な冷間加工工具 | コストと入手可能性が選択を左右する汎用の硬化部品 |
選択の理由： - 金型キャビティにおいて表面仕上げ、研磨保持、一貫した耐腐食性が最も重要な場合はS136を選択してください。 - 優れた研磨性がそれほど重要でないコスト効果の高い硬化ステンレス部品が必要な場合は420を選択してください。
9. コストと入手可能性
- 420：バー、ロッド、プレート、シートで世界中に広く入手可能；標準化された冶金と広範な供給基盤により、一般的にコストが低い。
- S136：工具鋼供給者およびディストリビューターから入手可能な専門の金型鋼；通常、kgあたりのコストが高く、大きな寸法や特定の表面仕上げに対してはリードタイムが長くなる場合があります。S136は、工具用途に価値を追加する事前硬化および事前研磨された形式で提供されることが多いです。
10. 概要と推奨
| 属性 | S136 | 420 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 中程度から難しい（制御が必要） | 変動 — 低Cバリアントは容易 |
| 強度–靭性（供給された状態） | 高硬度と強度；靭性は焼戻しに依存 | 変動；低Cグレードは中程度の強度でより良い靭性を提供 |
| コスト | 高い（専門的、制御された加工） | 低い（標準化され、広く入手可能） |
結論と推奨： - S136を選択する場合： - あなたの用途が金型や工具のために鏡面品質の研磨、一貫した表面の完全性、改善された局所的な耐腐食性を必要とする場合。 - あなたがより高い材料コストと、潜在的により制限された加工（EDM、研削、専門的な溶接/溶接後処理）を受け入れる場合。 - 420を選択する場合： - あなたが優れた研磨性やトップクラスの金型耐腐食性が必要でない一般部品のためのコスト効果の高い硬化可能なステンレス鋼が必要な場合。 - あなたが多くの製品形態での広範な入手可能性と、より低炭素バリアントのための容易な従来の機械加工が必要な場合。
最終的な注意：両グレードは、特定のサブグレード、供給者の加工（例：事前硬化対アニーリング）、および意図された熱処理スケジュールに注意して選択する必要があります。重要な工具や高表面仕上げの部品については、選択した合金バリアントに合わせた熱処理レシピ、納入条件、および溶接/修理の推奨事項について鋼供給者に相談してください。