S7対D2 – 組成、熱処理、特性、および用途
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はじめに
S7とD2は、エンジニアや調達専門家が工具、摩耗部品、衝撃や摩耗にさらされるコンポーネントを指定する際によく比較する2つの広く使用されている工具鋼です。典型的な意思決定の文脈には、衝撃荷重に対する高い靭性と、摩耗または滑り接触に対する高い硬度と摩耗抵抗の間での選択、または加工性とコストをサービス中の性能とバランスさせることが含まれます。
主な実用的な違いは、1つのグレードが衝撃抵抗と靭性のために最適化されているのに対し、もう1つは高硬度と摩耗抵抗のために最適化されていることです。両方が冷間加工工具用途に使用されるため、設計者はS7とD2の選択時に合金成分、熱処理応答、加工性、溶接性、ライフサイクルコストのトレードオフを考慮しなければなりません。
1. 規格と呼称
- 商業的に遭遇する一般的な規格と呼称：
- AISI/SAEおよび古いASTM呼称：AISI S7、AISI D2（北米でよく使用される）。
- EN/ヨーロッパ：同等物はD2のために1.2379として示され、S型鋼のために類似のEN番号が与えられる（正確な同等物は供給者ごとに確認する必要がある）。
- JIS/GB：地域の同等物は存在するが異なる；製鋼所の証明書で確認する。
- 分類：
- S7 — 衝撃抵抗工具鋼（衝撃と衝撃に対する抵抗のために設計された合金工具鋼）。
- D2 — 高炭素、高クロムの空気硬化工具鋼（高い摩耗抵抗を持つ冷間加工工具鋼）。
- S7もD2もステンレスグレードではない（D2は高いクロムを含むが、腐食抵抗の意味でステンレスとは見なされない）。
2. 化学組成と合金戦略
以下の典型的な組成範囲は、商業データシートで見られる代表的な「典型的」wt%範囲として示されています；正確な値については常に特定の製鋼所/供給者の証明書を参照してください。
| 元素 | 典型的S7 (wt%) | 典型的D2 (wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.45–0.55 | 1.40–1.60 |
| Mn | 0.20–0.50 | 0.30–0.60 |
| Si | 0.20–0.45 | 0.10–1.00 |
| P | ≤0.030 (微量) | ≤0.030 (微量) |
| S | ≤0.030 (微量) | ≤0.030 (微量) |
| Cr | 0.80–1.50 | 11.0–13.0 |
| Ni | ≤0.30 | ≤0.40 |
| Mo | 0–0.50 (小またはなし) | 0.70–1.20 |
| V | 小 (微量–0.30) | 0.60–1.10 |
| Nb (Cb) | 通常なし | 通常なしまたは微量 |
| Ti | 通常なし | 通常なしまたは微量 |
| B | 通常なし | 通常なし |
| N | 微量 | 微量 |
合金が特性に与える影響 - 炭素：D2の高い炭素含有量は、高い体積比の硬い炭化物と非常に高い達成可能な硬度を可能にします；S7の中程度の炭素は、靭性のために硬度と延性のバランスを取ります。 - クロム：D2の大きなCr含有量は、硬化性を高め、摩耗抵抗のためにクロムに富んだ炭化物を形成します；S7の控えめなCr含有量は、過剰な炭化物形成なしに硬化性と焼戻し応答を助けます。 - モリブデンとバナジウム：D2では、MoとVが炭化物を安定させ、高温焼戻し抵抗と摩耗抵抗に寄与します。S7は、結晶粒を細かくし、硬化性を改善するために小さなMoまたはVを使用することがありますが、はるかに低いレベルで使用されます。 - 微量元素（Mn、Si）は、脱酸、硬化性、焼戻し挙動に影響を与えます。
3. 微細構造と熱処理応答
微細構造（一般的な熱処理後の典型） - S7：適切な焼入れと焼戻し後の典型的な微細構造は、比較的少数の細かい炭化物を持つ焼戻しマルテンサイトマトリックスです。S7は、靭性のために延性のあるマルテンサイトを保持するように設計されており、亀裂の発生因子として作用する大きな硬い炭化物を最小限に抑えます。 - D2：典型的な構造は、安定したクロムに富んだ炭化物（主にM7C3およびM23C6型炭化物）を含む焼戻しマルテンサイト/マトリックスです。これらの炭化物は高い摩耗抵抗を提供しますが、靭性を低下させます。
熱処理挙動 - S7：従来の焼入れと焼戻しサイクルに良く反応します。通常、適切なオーステナイト化温度から油焼入れされ、その後靭性を最適化するために目標硬度まで焼戻しされます。硬化前の正規化は、大きなセクションのために結晶粒を細かくし、微細構造を均一化するために使用されます。 - D2：空気硬化（高合金）工具鋼であり、通常は予熱され、その後オーステナイト化温度から単一または複数段階の空気焼入れが行われます。高いCrとCのため、D2は硬い炭化物の高い体積を発展させ、水/油焼入れグレードと比較して高い硬度を達成し、歪みを減少させます。二重焼戻しまたは超低温処理が、残留オーステナイトを減少させ、硬度を安定させるために使用されることがあります。
熱機械加工 - S7は、衝撃用途のために衝撃靭性を改善するために、制御された鍛造と正規化から利益を得ます。 - D2は、炭化物分布を制御するために正確な熱処理から利益を得ます；熱処理前の厳しい変形は、粗い炭化物を避けるために注意深い回復/再結晶化ステップを必要とします。
4. 機械的特性
工具鋼の機械的特性は、熱処理に強く依存します。以下の表は、この依存性を反映するために、絶対値ではなく典型的な比較範囲を示しています。
| 特性 | S7（典型的な条件範囲） | D2（典型的な条件範囲） |
|---|---|---|
| 硬度 (HRC) | ~45–56 (焼戻しに依存) | ~56–64 (達成可能なピーク硬度が高い) |
| 引張強度 (MPa) | 中程度から高い（熱処理済み） | 高い（硬度に依存） |
| 降伏強度 (MPa) | 中程度 | 同等の硬度で高い |
| 伸び (%) | 高い（より良い延性） | 低い（延性が少ない） |
| 衝撃靭性 (Jまたはft·lb) | 比較的高い（衝撃用に設計されている） | 低から中程度（炭化物による靭性の低下） |
解釈 - 強度と硬度：D2は一般的に高い硬度を達成し、したがって高い摩耗抵抗を持つ；S7はピーク硬度が低いが、強度と延性のより良いバランスを提供します。 - 靭性と延性：S7は、同等の熱処理された硬度の下でD2よりも著しく靭性が高く、延性があるため、衝撃やショック荷重が主要な破壊モードである場合にS7が好まれます。 - 摩耗対破壊：D2は豊富な炭化物のおかげで、摩耗および接着摩耗に対してかなり優れていますが、衝撃や引張過負荷の下で脆性破壊に対してはより敏感です。
5. 溶接性
溶接性は、炭素当量、硬化性、および溶接中の亀裂の感受性に依存します。
有用な溶接性指標（定性的な使用のみ）： - 炭素当量 (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (溶接研究所): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈 - S7：中程度の炭素と全体的な合金含有量が低いため、多くの場合D2よりも低い炭素当量を持ち、したがってS7は一般的に予熱と溶接が容易です（適切な手順で）。ただし、溶接手順は、基材が熱影響部で硬いマルテンサイトを形成する可能性があるため、亀裂を避けるためにインターパス温度、予熱、および溶接後の熱処理を制御する必要があります。 - D2：高炭素および高クロムは高い炭素当量を生成し、熱影響部で硬く脆い微細構造を形成する強い傾向を生み出します。D2は溶接が難しいと見なされており、一般的な実践は、可能な限り溶接を避けるか、専門的な手順（広範な予熱、低熱入力、溶接後の焼戻し）を使用するか、またはブレージングや機械的接合を代わりに使用することです。
要するに、S7はD2よりも溶接性が高いが、両方とも制御された手順を必要とし、D2はしばしば溶接に代わる接合戦略を必要とします。
6. 腐食と表面保護
- S7もD2も腐食抵抗性のステンレス鋼ではありません。D2は高いクロム（≈12%）を含み、低クロム鋼と比較して一般的な大気腐食に対する抵抗が改善されますが、攻撃的な環境では依然として腐食します。
- 保護方法：サービス寿命と外観のために、両方のグレードは一般的に塗装、メッキ、リン酸処理、または亜鉛メッキなどの表面保護を受けます（部品の形状と必要な公差に応じて）。湿気や腐食性環境での工具には、表面コーティング（PVD、CVD、摩耗/腐食保護のための窒化）を適用するか、ステンレス鋼を使用する方が望ましい場合があります。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの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： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標はステンレス合金に使用され、D2またはS7工具鋼の腐食性能を意味のある形で予測するものではありません。
7. 加工性、機械加工性、成形性
- 加工性：
- S7：炭化物含有量が低いため、焼鈍状態でD2よりも加工が容易です。硬化前に良好に加工され、最終公差のためには硬化後の加工または研削が必要です。
- D2：焼鈍状態での加工性は良好ですが、高クロムおよび炭化物形成元素のために多くの低合金鋼よりも悪い；硬化状態ではD2は加工が難しく、一般的に切削ではなく研削が必要です。
- 成形性と曲げ：
- 両方のグレードは焼鈍時に加工可能ですが、硬化後の冷間成形はどちらにも実現不可能です。S7の焼戻し状態での高い延性は、成形操作中の亀裂に対してより良い余裕を与えます。
- 仕上げ：
- D2は通常、最終形状のために研削が必要であり、硬い炭化物のためにホイールのドレッシングがより頻繁に必要になることがあります。
- S7は工具に対してあまり摩耗せず、より容易に仕上げられます。
8. 典型的な用途
| S7 – 典型的な用途 | D2 – 典型的な用途 |
|---|---|
| 衝撃工具：チゼル、ドリフト、ハンマーヘッド、スパードビット、衝撃荷重にさらされるパンチ | 冷間加工金型：ブランキングおよびピアシング金型、シアーブレード、スリッターナイフ |
| 高い靭性を必要とする工具：ロックドリルビット、冷間成形工具、リベット工具 | 摩耗が重要な工具：摩耗材料切断のための金型、摩耗が支配する成形操作 |
| 溶接またはブレージングで再加工または修理が容易なコンポーネント | 高硬度と摩耗抵抗が寿命を延ばす長期使用の工具とカッター |
| 良好な衝撃抵抗と合理的な摩耗を必要とする汎用工具 | 持続的なエッジ保持を必要とする精密工具およびシアー用途 |
選択の理由 - 部品が繰り返し衝撃、衝撃、曲げを受ける場合、またはサービス中の靭性と修理可能性が必要な場合はS7を選択してください。 - 表面およびエッジの摩耗抵抗が破壊モードを支配し、高硬度が許容できる場合（部品が溶接されるのではなく研削される場合）はD2を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：D2は、より高い合金（Cr、Mo、V）とより厳しい加工のため、通常S7よりも質量あたりのコストが高いですが、工具寿命の延長がダウンタイムと交換頻度を減少させる場合、ライフサイクルコストはD2に有利になることがあります。
- 入手可能性：両方のグレードは、工具鋼供給業者からバー、プレート、および予硬化フラットストックで広く入手可能です。D2は工具用の予硬化ストリップやブランクで一般的であり、S7は衝撃抵抗コンポーネント用のバーや丸型サイズで一般的に在庫されています。
- 製品形状：複雑または大きな部品の場合、リードタイムと原材料の形状（鍛造対バー）がコストに大きく影響する可能性があります。
10. まとめと推奨
まとめ表
| 特性 | S7 | D2 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好（中程度；制御が必要） | 不良（高CE；溶接が難しい） |
| 強度–靭性バランス | 高い靭性、良好な衝撃抵抗 | 高い硬度と摩耗抵抗、低い靭性 |
| コスト | 中程度 | 高い（高い合金含有量） |
結論と推奨 - S7を選択する場合： - あなたの主要な破壊モードが衝撃、ショック、または脆性破壊であり、ずれ、衝撃荷重、または時折の過負荷に耐えるグレードが必要です。 - 修理可能性（溶接/ブレージング）と熱処理後の取り扱いの容易さを重視します。 - 短時間の高ストレスイベントに対して強度と延性のバランスが必要です。
- D2を選択する場合：
- あなたの主なニーズが摩耗、滑り摩耗、または冷間加工工具におけるエッジ保持であり、摩耗条件下での長い工具寿命が最優先です。
- 研削または非溶接修理を指定する準備ができており、溶接を避けるか熱入力を最小限に抑えるように製造を制御できます。
- ライフサイクルコストが、長いサービス寿命と引き換えに初期の材料および加工コストを高くすることを支持します。
最終的な注意：最適な選択は文脈に依存します。期待される荷重タイプ（衝撃対摩耗）、許容されるメンテナンス/修理戦略、寸法公差アプローチ（機械加工対研削）、および環境曝露を指定して、選択された鋼とその熱処理ルートが機能要件と一致することを確認してください。最終仕様の前に、供給者の製鋼所証明書または材料規格で化学的および機械的特性を常に確認してください。