SAE1010 vs SAE1020 – 成分、熱処理、特性、および用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
はじめに
SAE1010とSAE1020は、製造、機械加工、構造用途で広く使用されている低炭素鋼の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、強度、延性、成形性、コスト、溶接やケースハードニングなどの下流プロセスをバランスさせる際に、しばしばこれらの間で選択を行います。典型的な意思決定の文脈には、成形の容易さと溶接性（低炭素）を優先するか、強度と耐摩耗性（高炭素）を優先するか、または部品が表面硬化を受けるか、圧延/焼鈍状態のままであるかが含まれます。
これらのグレードの根本的な違いは炭素含有量です：SAE1010はSAE1020よりもかなり少ない炭素を含んでいます。その単一の組成変化が微細構造のバランス、機械的特性、加工応答を変化させるため、設計や製造の決定において頻繁に直接比較されます。
1. 規格と指定
- SAE/AISI: SAE1010、SAE1020（古い文献では一般的にAISI 1010 / 1020として参照されます）。
- ASTM/ASME: これらの鋼は一般的な炭素鋼製品仕様（例：冷間圧延用のASTM A1008、熱間圧延コイル用のASTM A1011、製品形状に応じたさまざまな構造/製品仕様）に含まれます。
- EN: EN 1.03xxシリーズの低炭素鋼に相当します（例：1.0337は1010に近似；1.0332/1.0422は1020のバリエーションに相当する場合があります—正確な同等物は製品仕様と公差に依存します）。
- JIS/GB: 低炭素軟鋼グレードのローカル同等物が存在します；グレード名ではなく化学成分と機械的要件を一致させます。
- 分類: 両者はプレーンカーボン鋼（非合金、非ステンレス）です。HSLA、工具鋼、またはステンレス鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | SAE1010（典型的な範囲、wt%） | SAE1020（典型的な範囲、wt%） |
|---|---|---|
| C（炭素） | 0.08 – 0.13 | 0.18 – 0.23 |
| Mn（マンガン） | 0.30 – 0.60 | 0.30 – 0.60 |
| Si（シリコン） | ≤ 0.30 | ≤ 0.30 |
| P（リン） | ≤ 0.04 | ≤ 0.04 |
| S（硫黄） | ≤ 0.05 | ≤ 0.05 |
| Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N | 通常≤ 0.03（微量または不在） | 通常≤ 0.03（微量または不在） |
注意： - これらは、一般的なスタンピング、成形、機械加工用に製造されたプレーンSAE 1010およびSAE 1020鋼の代表的な組成帯です。製品特有の化学成分—例：冷間圧延、冷間引抜き、またはケースハードニングバリエーション用—は、より厳しいまたは修正された限界を持つ場合があります。 - 両グレードの合金戦略は意図的に最小限です：炭素は強度と硬化性を調整し、マンガンは強度と脱酸を助けるために維持され、シリコン、リン、硫黄は加工性のために制御されます。
合金が特性に与える影響： - 炭素：強度と硬度の主な制御（炭素が多い→強度/硬度が高く、延性が低く、硬化性が高い）。 - マンガン：強度を上げ、硬化性と脱酸を改善；過剰なMnはCEを上げ、溶接性に影響を与える。 - シリコン：中程度の強度増加と脱酸剤として機能。 - 微量のマイクロ合金（存在する場合）は、粒径と靭性に影響を与える可能性がありますが、標準の1010/1020の特徴ではありません。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - SAE1010：焼鈍または正規化状態では、この合金は主にフェライトで構成されており、少量のパーライトを含みます。低炭素含有量は、主に柔らかく延性のあるフェライトマトリックスを生成し、限られたパーライトの強化をもたらします。 - SAE1020：同様の熱履歴（焼鈍/正規化）の下で1010よりも高いパーライトの割合を含み、より強いが延性の低い微細構造—フェライト + より多くのパーライトを生成します。
熱処理と加工応答： - 焼鈍/正規化：両者は同様に反応します—焼鈍は柔らかくし、延性を改善します；正規化は粒構造をわずかに精製しますが、硬化性は低いままです。 - 突然冷却と焼戻し：両者は低い硬化性を持ち、通常の断面サイズでは効果的に全体硬化できません。1020の高い炭素含有量は、急冷と焼戻し後に得られる硬度を1010よりもやや高くしますが、どちらのグレードも全体硬化が必要な場合には理想的ではありません。 - 炭素化/ケースハードニング：1010および1020のような低炭素鋼は、延性のあるコアを持つ硬い摩耗面を提供するためにケースハードニング（炭素化）できます；1020は、処理後のコア強度をより良くサポートするため、より広く炭素化されることがよくあります。 - 熱機械加工と冷間加工：冷間加工は、両者の転位密度と降伏/引張強度を増加させます；1010は一般的に亀裂が発生する前により大きな成形を受け入れます。
4. 機械的特性
表：焼鈍/正規化状態の典型的な機械的特性範囲（代表的な帯；特性は製品形状や熱/機械加工によって異なります）。
| 特性 | SAE1010（典型的、焼鈍/正規化） | SAE1020（典型的、焼鈍/正規化） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | ~300 – 450 | ~400 – 550 |
| 降伏強度（0.2%オフセット、MPa） | ~180 – 350 | ~250 – 400 |
| 伸び（% in 50 mm or 2 in.） | ~30 – 40 | ~20 – 30 |
| 衝撃靭性（シャルピーV、定性的） | 一般的に低温で高い（より延性） | 同様の条件下で1010よりも低い（より多くのパーライトが靭性を低下させる） |
| 硬度（HB） | ~70 – 120 | ~100 – 160 |
解釈： - SAE1020は一般的に強度が高く、より高い硬度を達成できますが、これは高い炭素含有量から生じるパーライトの割合が大きいためです。SAE1010はより延性があり、多くの加工条件下で成形性と衝撃性能が優れています。正確なトレードオフは加工（冷間加工、熱処理、表面硬化）に大きく依存します。
5. 溶接性
溶接性の考慮は炭素含有量と有効硬化性に依存します。炭素等価式の使用は、溶接性の定性的な指標を提供します。
一般的な炭素等価式： - IIW炭素等価： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 国際溶接複合パラメータ： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - 1010の低い絶対炭素は、1020よりも低い$CE_{IIW}$と$P_{cm}$を与え、より良い内在的溶接性と溶接熱影響部（HAZ）における脆いマルテンサイトのリスクを低下させます。 - 高炭素のSAE1020は、硬化性をわずかに増加させ、そのためHAZ硬化と拘束または不適切な予熱/後熱手順下での冷間亀裂のリスクを高めます。 - 両グレードは、標準的な予防策が守られている場合、一般的な溶接プロセス（MIG、TIG、SMAW）で容易に溶接可能と分類されます。1020の場合、厚いセクションや高い拘束がある場合には、予熱または制御された熱入力が使用されることがあります。 - フィラー金属の選択と溶接後の熱処理は、グレード名だけでなく、部品の形状、拘束、サービス要件に基づいて行うべきです。
6. 腐食と表面保護
- SAE1010もSAE1020もステンレスではなく、両者は一般的な大気腐食に対して脆弱であり、腐食環境では表面保護が必要です。
- 一般的な保護戦略：熱浸漬亜鉛メッキ、電気メッキ、変換コーティング、有機コーティング（塗料、粉体コーティング）、および制御された環境シーリング。選択はサービス環境とライフサイクルコストに依存します。
- PREN（ピッティング耐性等価数）はプレーンカーボン鋼には適用されません；PREN式： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ はステンレス合金に関連し、10xx炭素鋼を評価するために使用すべきではありません。
7. 製造、機械加工、成形性
- 成形性：SAE1010は低炭素で柔らかいフェライトマトリックスを持ち、バネ戻りが少なく、亀裂のリスクが低いため、曲げ、スタンピング、冷間成形が容易です。SAE1020は成形性が低く、厳しい成形にはより大きな曲げ半径や中間焼鈍が必要になる場合があります。
- 機械加工性：高炭素は一般的に工具寿命をある程度改善しますが、硬い材料は異なる切削を行います；ただし、1020のやや高い強度と硬度は、1010と比較して切削力と工具摩耗を増加させる可能性があります。高ボリュームの機械加工では、工具とフィードは特定の製品条件（焼鈍対冷間引抜き）に最適化する必要があります。
- 表面仕上げ：両者は標準的な仕上げ操作（研削、研磨、メッキ）を受け入れます。硬い表面と延性のあるコアが必要な場合、ケースハードニング（炭素化）は魅力的な選択肢です；1020は、プロセス後に1010よりもわずかに強いコアを生成することがよくあります。
8. 典型的な用途
| SAE1010 – 典型的な用途 | SAE1020 – 典型的な用途 |
|---|---|
| 冷間成形部品、深絞り部品、小型スタンピング、ワイヤー製品、リベット、そして高い延性と成形性が必要な低強度構造部品 | シャフト、ピン、車軸、ギア（低負荷）、ファスナー、スタッド、一般目的の機械加工部品、炭素化されたケースハードニングブランク |
| 機械的負荷が限られた装飾的または塗装された部品 | 加工状態またはケースハードニング後に高い強度または優れた耐摩耗性が必要な部品 |
| 最大の溶接性が求められる広範な溶接を伴う製造アセンブリ | 摩耗抵抗を得るために表面硬化（炭素化）される部品で、より強いコアを持つ |
選択の理由： - 成形、冷間加工、または薄いセクションでの最大の溶接性が主な場合は1010を選択します。これにより、亀裂のリスクが最小限に抑えられ、製造が簡素化されます。 - 基材の強度と耐摩耗性（またはケースハードニングの効果）がより重要であり、追加の機械加工努力や熱処理の制御が許容される場合は1020を選択します。
9. コストと入手可能性
- コスト：両グレードは商品としての低炭素鋼であり、大量に生産されています。価格差は最小限であり、主に市場の変動によって駆動され、内在的なグレードコストによるものではありません。SAE1020は、やや高い炭素と高強度製品形状のための加工により、一部の製品形状で小さなプレミアムがかかる場合がありますが、これは一般的には重要ではありません。
- 入手可能性：両者は熱間圧延、冷間圧延、冷間引抜き、板、棒、コイル形状で広く入手可能です。地域の供給は製鉄所の製品ラインと規格に依存します；調達は、ミスマッチを避けるために正確な化学成分と機械的特性の要件を指定する必要があります。
10. まとめと推奨
まとめ表（定性的/相対的）：
| 特性 | SAE1010 | SAE1020 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた（最低CE） | 非常に良い（1010よりも高いCE；場合によっては予熱が推奨される） |
| 強度–靭性バランス | 低い強度、高い延性/靭性 | 高い強度、低い延性（より多くのパーライト） |
| コスト | 非常に似ている；広く商品価格 | 非常に似ている；一部の供給形状でわずかに高い |
推奨： - 次の条件に該当する場合はSAE1010を選択してください： - 部品が広範な冷間成形、深絞り、または高い延性を必要とする。 - 溶接の簡便さとHAZ硬化リスクの最小化が優先される。 - 表面硬度が必要ない、または部品が摩耗にさらされるのではなく、接合/仕上げされる。
- 次の条件に該当する場合はSAE1020を選択してください：
- 加工状態でより高い基材強度と耐摩耗性が必要です。
- 部品がケースハードニング（炭素化）または延性コアを持つ中程度の表面摩耗に意図されています。
- 設計に対してわずかに高い剛性と延びの低下が許容されます。
最後の注意：SAE1010とSAE1020の選択は、要求される製品形状における指定された機械的特性と予想される製造ルート（成形、溶接、熱処理）に基づいて行うべきです。性能の余裕が狭い場合は、正確な化学成分と機械試験結果を持つ製鉄所の証明書を要求し、選択したグレードの成形、溶接、仕上げの挙動を検証するために試作を検討してください。