S7対A2 – 組成、熱処理、特性、および応用

はじめに

S7とA2は、工具、金型、衝撃用途で広く使用される2つの一般的な工具鋼です。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、タフネス、耐摩耗性、焼入れ性、コストのバランスを考慮する際に、これらの鋼をよく比較します。典型的な意思決定の文脈には、繰り返しの衝撃に耐える必要がある部品（タフネスを重視）と、鋭いエッジと耐摩耗性を保持する必要がある部品（硬度を重視）のグレード選択が含まれます。

S7とA2の主な違いは、合金戦略とタフネスと焼入れ性/耐摩耗性のバランスにあります：S7は衝撃抵抗と延性を重視し、A2は空気硬化能力と耐摩耗性を重視しますが、タフネスは若干犠牲になります。両者は熱処理によってさまざまな特性に調整できるため、強度/耐摩耗性と衝撃抵抗のトレードオフが成功するサービスライフを決定する類似の工具形状で比較されることがよくあります。

1. 規格と指定

• 一般的な規格と指定：
• AISI/SAE（クラシック）：A2、S7
• ASTM/ASME：ASTM A681（工具鋼の仕様はこれらのAISI指定を参照することが多い）；他のASTM規格は処理と試験方法を規定しています。
• EN：欧州の工具鋼の同等指定は、いくつかのシステムでEN 36xx/6xxxシリーズにあります；直接の1対1のマッピングにはクロスリファレンステーブルが必要です。

• JIS/GB：日本および中国の規格は地域の同等品を提供します；正確な化学成分と公差については地域のクロスリファレンステーブルを確認してください。

• 鋼の分類：

• A2：空気硬化型、中程度の合金工具鋼（工具鋼グループ — 通常「A」シリーズと呼ばれます）。
• S7：衝撃抵抗型工具鋼（工具鋼グループ — 「S」シリーズ）。
• A2もS7もステンレス鋼やHSLAではなく、両方とも炭素/合金工具鋼です。

2. 化学組成と合金戦略

元素	S7（典型的な範囲、wt%）	A2（典型的な範囲、wt%）
C	0.45 – 0.55	0.90 – 1.05
Mn	0.20 – 0.50	0.20 – 0.50
Si	0.20 – 1.00	0.20 – 1.00
P	≤ 0.03（最大）	≤ 0.03（最大）
S	≤ 0.03（最大）	≤ 0.03（最大）
Cr	1.30 – 2.00	3.75 – 4.75
Ni	—（通常は低い）	—（通常は低い）
Mo	0.80 – 1.50	0.90 – 1.30
V	0.10 – 0.30	0.15 – 0.40
Nb (Cb)	微量、典型的ではない	微量、典型的ではない
Ti	微量、典型的ではない	微量、典型的ではない
B	微量、典型的ではない	微量、典型的ではない
N	微量	微量

注意： - 上記の組成範囲は商業用工具鋼で使用される典型的な名目範囲です；正確な限界は供給者と規格によって異なります。常にミル証明書を確認してください。 - A2はS7よりも高い炭素と大幅に高いクロムを含んでいます。A2の高いCとCrは、マルテンサイトと安定した炭化物の体積分率を高めることで、より高い焼入れ性と耐摩耗性を促進します。S7は、タフネスを最大化し、衝撃下での脆性破壊を最小限に抑えるために、低炭素と適度な合金を使用しています。 - 両グレードのモリブデンは焼入れ性と焼戻し抵抗に寄与し、バナジウムは炭化物と粒子サイズを細かくし、耐摩耗性とタフネスを向上させます。

3. 微細構造と熱処理応答

• 典型的な微細構造：
• 焼入れ後および焼戻しされたA2：合金炭化物（Crが豊富で、MoおよびVを含む）を持つマルテンサイトマトリックス；適切にアニーリングおよび熱処理された場合、比較的細かい炭化物分散。

• 焼入れ後および焼戻しされたS7：より少なく粗い炭化物を持つ焼戻しマルテンサイトと、より多くの延性マトリックス；エネルギーを吸収するために最適化された微細構造。

• 熱処理経路と効果：

• A2は一般的にオーステナイト化した後、空気冷却（空気硬化）され、必要な硬度に焼戻しされます。空気硬化は歪みを減少させ、中程度の断面サイズの均一な硬化を促進します。A2の高い炭素/Crは、焼入れおよび焼戻し後の最終硬度と耐摩耗性を高めます。
• S7は通常、断面サイズに応じて油焼入れまたは空気/油焼入れされ、その後、所望のタフネスを達成するために焼戻しされます。製造業者は、タフネスと保持強度のバランスを取るために焼戻しサイクルを推奨することがよくあります。S7は、焼入れおよび焼戻し後により多くのタフネスを保持するように配合されています。
• 正規化：両グレードは、微細構造を均一化し、内部応力を減少させるために、機械加工前に正規化またはアニーリングサイクルの恩恵を受けます。熱機械処理と制御された鍛造は、粒子サイズを細かくすることでS7の衝撃性能を向上させます。
• 焼戻し応答：
• A2は、CrとMoによる炭化物の安定化が強いため、S7と比較して高い焼戻し温度でより高い硬度を保持する傾向があります。
• S7は、タフネスのために最適化された合金設計により、同等の硬度レベルでより高い衝撃エネルギーを達成します。

4. 機械的特性

特性	S7（典型的、熱処理済み）	A2（典型的、熱処理済み）
引張強度（約）	900 – 1,500 MPa（焼戻しに依存）	1,200 – 1,900 MPa（焼戻しに依存）
降伏強度（約）	700 – 1,200 MPa	1,000 – 1,600 MPa
伸び（%）	6 – 15%（タフネスのために焼戻しすると高くなる）	4 – 12%（高硬度で低くなる）
衝撃タフネス（シャルピー）	高い — 同等の硬度でA2よりも大幅に高いことが多い	中程度 — 両者が同じ硬度のときはS7よりも低い
硬度（HRC、T&T後）	通常40 – 55 HRCが達成可能	通常50 – 62 HRCが達成可能

注意： - 特性は熱処理に強く依存します：高い焼戻しは硬度を減少させ、タフネスを増加させます。上記の値は業界で遭遇するおおよその範囲であり、特定の熱処理サイクルに対して供給者データで検証する必要があります。 - どちらが強い/タフ/延性があるか：A2はより高い硬度と引張強度を達成でき（エッジ保持と耐摩耗性が向上）、S7は同等の強度レベルでより良い衝撃タフネスと延性を提供し、衝撃荷重下での壊滅的な失敗の可能性を低くします。

5. 溶接性

• 溶接性の要因：炭素当量と合金成分が亀裂の傾向と予熱/溶接後熱処理の必要性を決定します。
• 一般的な溶接性の公式：
• IIW炭素当量を使用： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• より包括的なPcm： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• 解釈：
• A2の炭素と合金含有量が高いため、S7に対して$CE_{IIW}$と$P_{cm}$が増加し、マルテンサイト形成と溶接時の水素/凝固亀裂の感受性が高くなります。したがって、A2は通常、より注意深い予熱、インターパス温度管理、溶接後の焼戻しが必要です；限られた厚さでは、マッチしたフィラー金属とPWHTが必要な場合があります。
• S7は、炭素とCrが低いため、A2よりも良好な溶接性を示すことが多いですが、工具鋼に対する標準的な注意が必要です（基材の清掃、熱入力の制御、予熱、溶接後の応力緩和焼戻し）。両者は低合金鋼ほど溶接に優しくありません。

6. 腐食と表面保護

• S7もA2もステンレス鋼ではなく、両者は攻撃的な環境で一般的およびピッティング腐食に対して感受性があります。
• 典型的な保護措置：
• 塗装、油塗布、リン酸塩コーティング、亜鉛メッキ（適切な場合）を使用して部品を保護することが一般的です。亜鉛メッキは、寸法公差や切削エッジが重要な完成品の工具には適さない場合があります。
• 腐食抵抗が必要な環境では、A2やS7ではなく、ステンレス工具鋼やステンレス合金を選択してください。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は非ステンレス工具鋼には適用されませんが、参考のために： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• A2とS7にとって、PRENは意味のある指標ではありません。なぜなら、彼らはステンレス鋼のように保護的な不活性膜を形成するように設計されていないからです。

7. 加工、機械加工性、成形性

• 機械加工性：
• S7（アニーリング/正規化された状態）は、炭素と焼入れ性が低いため、通常A2よりも加工が容易です。硬化すると、両者とも加工が難しくなります；加工はアニーリング状態で行うべきです。
• A2は、炭化物含有量が高く、硬度の可能性が高いため、切削エッジがより早く鈍くなる傾向があり、より堅牢な工具が必要になる場合があります。
• 成形性と曲げ：
• どちらのグレードも重要な冷間成形には最適化されておらず、通常は最終形状に鍛造または機械加工されます。A2の高い焼入れ性は、熱処理後の成形に対する耐性が低くなることを意味します。
• 仕上げ：
• 研削とEDMは一般的な仕上げ方法です。A2は耐摩耗性のため、鋭いエッジを生成するために研削に良く反応します；S7は厳密な公差で研削できますが、過熱によってタフネスが低下しないように注意が必要です。

8. 典型的な用途

A2（空気硬化工具鋼）	S7（衝撃抵抗工具鋼）
摩耗抵抗とエッジ保持が重要なブランキング、成形、剪断用の金型	衝撃を受けるチゼル、冷間成形金型、パンチなどの衝撃工具
寸法安定性が求められる冷間加工工具（例：一部の金型、ブローチ）	ハンマーおよびドライバー部品、重-dutyパンチ、スラグ
摩耗抵抗とエッジ保持が優先されるナイフおよび切削工具	鍛造、スタンピング、高衝撃環境での工具および部品
空気硬化が歪みを減少させる精密工具	衝撃荷重が支配し、壊滅的な破壊を避ける必要がある大断面工具

選択の理由： - A2は、空気硬化能力により、焼入れ後の高いエッジ保持、耐摩耗性、寸法安定性が求められる用途に選択してください。 - S7は、繰り返しの衝撃や衝撃が主要な失敗モードであり、タフネス/延性が最も重要な場合に選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：
• A2は、炭素とクロムの含有量が高く、合金バランスが異なるため、通常は基本的な低合金鋼よりも中程度に高いコストがかかります；S7と比較して、A2は合金含有量が高く、空気硬化工具鋼の一般的な需要により、同程度またはやや高価になる場合があります。
• S7は、供給者や市場によっては同程度またはやや安価である場合があります；特殊なバーや大きな断面は価格に影響を与える可能性があります。
• 入手可能性：
• A2とS7は、商業用工具鋼製品形状（丸棒、平棒、プレート、ブロック）で広く入手可能です。A2はその広範な使用のために一般的に在庫されています；S7も一般的ですが、大きな断面や特別な条件の入手可能性を確認してください。

10. まとめと推奨

属性	S7	A2
溶接性	良好（低いCEだが、注意が必要）	低い（高いCE、厳格な予熱/PWHTが必要）
強度–タフネスのバランス	高いタフネス、中程度の強度	高い硬度と強度、中程度のタフネス
コスト	中程度（一般的に入手可能）	中程度–高い（広く在庫あり）

推奨： - 衝撃に耐え、壊滅的な脆性破壊なしに衝撃を吸収し、衝撃パンチ、チゼル、ハンマー、大断面金型などの用途において衝撃に対する抵抗が優先される工具鋼が必要な場合は、S7を選択してください。 - 焼入れ後の優れたエッジ保持、耐摩耗性、寸法安定性が必要な場合（空気硬化）、精密ブランキング金型、切削工具、硬度と耐摩耗性がサービスライフを支配する工具などにはA2を選択してください。

最終的な注意：両グレードは、硬度とタフネスの間の望ましいトレードオフを達成するために、熱処理サイクルの慎重な選択が必要です。重要な部品については、供給者の材料証明書を検証し、追跡可能な熱処理記録を要求し、フルスケールの調達前にアプリケーション固有の試験（硬度、衝撃、微細構造チェック）を実施してください。