SAE1020 vs SAE1045 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
SAE1020とSAE1045は、エンジニアリング図面や調達において最も一般的に指定されるプレーンカーボン鋼の2つです。設計者や調達専門家が製造可能性とコストを必要な機械的性能とバランスさせなければならないときに、選択のジレンマが通常発生します：低炭素鋼は成形や溶接が容易ですが、中炭素鋼はより高い強度と耐摩耗性を提供しますが、より慎重な熱処理と製造管理が必要です。
この2つのグレードの主な実用的な違いは炭素含有量とその下流の影響です：SAE1045はSAE1020よりも炭素含有量が大幅に高く、延性と溶接性を犠牲にして強度と硬化性が向上します。これらのグレードは炭素鋼スペクトル上で隣接する点に位置しているため、シャフト、ギア、ファスナー、強度、靭性、コストのトレードオフを最適化する必要がある一般的な機械部品を指定する際によく比較されます。
1. 規格と指定
- SAE/AISI: SAE 1020 (AISI 1020)、SAE 1045 (AISI 1045)
- ASTM/ASME: 調達においてSAE/AISI指定で一般的に参照されます；特定の製品規格（バー、プレート、鍛造品）は、類似の化学組成を持つASTMグレードを参照する場合があります。
- EN: 一部の欧州規格では、概ね同等のEN鋼はC20（1020用）およびC45（1045用）です（指定システムは規格によって異なります）。
- JIS/GB: JISおよびGB規格は異なる命名法を使用しますが、比較可能な炭素範囲が存在します（例：JIS S20C / S45C）。
- 分類: 両方ともプレーンカーボン鋼です（合金鋼ではなく、ステンレス鋼でもなく、デフォルトではHSLAではありません）。ツール鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | SAE 1020 (典型的、wt%) | SAE 1045 (典型的、wt%) |
|---|---|---|
| C | 0.18–0.23 | 0.43–0.50 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.60–0.90 |
| Si | 0.10–0.35 | 0.10–0.35 |
| P | ≤ 0.040 (最大) | ≤ 0.040 (最大) |
| S | ≤ 0.050 (最大) | ≤ 0.050 (最大) |
| Cr | 微量 (≤0.25) | 微量 (≤0.30) |
| Ni | 微量 (≤0.25) | 微量 (≤0.30) |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | 通常は微量または指定なし | 通常は微量または指定なし |
注意： - 両方のグレードはプレーンカーボン鋼です；合金添加は最小限で主に偶発的です。SAE1045はより高い炭素と通常はより高いマンガンを含み、強度と硬化性を維持するのに役立ちます。 - 高炭素は引張強度と潜在的な硬度を増加させます；マンガンは強度と脱酸を助けますが、硬化性も増加させます。シリコンは脱酸剤であり、強度にわずかに寄与します。 - 合金戦略はシンプルです：目標強度のために炭素を制御し、合金元素に依存するのではなく、望ましい微細構造を得るために熱処理を使用します。
3. 微細構造と熱処理応答
- 圧延/焼鈍：SAE1020は通常、パーライトに対して柔らかいフェライトの割合が高いフェライト–パーライト微細構造を示します。SAE1045は炭素含有量が高いため、より多くのパーライトと少ないフェライトを示します。
- 正規化：両方のグレードは、精練されたフェライト/パーライト微細構造によって正規化に応答します；SAE1045は、正規化後にSAE1020よりも硬いパーリティックマトリックスと高い強度を発展させます。
- 焼入れと焼戻し：SAE1045はより高い硬化性を持ち、焼入れと焼戻し後にSAE1020よりも著しく高い硬度と強度を達成します。SAE1020は、炭素が低く硬化性が低いため、厚い部分で均一に硬化するのが難しいです。
- 微合金化と熱機械処理：通常、特別に注文されない限り、どちらのグレードも微合金化で供給されることはありません；熱機械処理は、両方のグレードで粒子サイズを適度に精練し、強度と靭性をわずかに改善することができますが、炭素レベルが主な要因であることは変わりません。
- 実用的な意味：SAE1045は、焼入れ–焼戻し後の引張強度と降伏強度が高くなるため、より広い熱処理調整を提供しますが、SAE1020は主に延性と成形性のために焼鈍または正規化された状態で使用されます。
4. 機械的特性
| 特性 | SAE 1020 (典型的、焼鈍/正規化範囲) | SAE 1045 (典型的、焼鈍/正規化/焼入れ範囲) |
|---|---|---|
| 引張強度 (MPa) | ~350–450 | ~500–700 (焼入れと焼戻し後に800を超えることもあります) |
| 降伏強度 (MPa) | ~250–350 | ~300–550 (熱処理による) |
| 伸び (%) | ~25–35 | ~10–20 (高強度処理では低下) |
| 衝撃靭性 | 中程度；焼鈍状態で一般的に良好な延性靭性 | 高強度条件では1020より低い；正規化時は中程度 |
| 硬度 (HB) | ~100–140 | ~150–250 (焼入れと焼戻し後に高くなる) |
注意： - 値は典型的な範囲です。実際の値は製品形状、断面サイズ、熱処理サイクルに強く依存します。 - SAE1045はほとんどの熱処理条件で大幅に強くなります；SAE1020は成形操作においてより延性があり、許容性があります。1045の強度の増加は、伸びの低下と一般的に低い焼入れ靭性のコストがかかりますが、適切に焼戻しされない限りです。 - 低温での靭性が重要な衝撃クリティカルな用途では、適切な状態の1020または良好な靭性を持つ低合金鋼が好まれるかもしれません。
5. 溶接性
- 炭素含有量と硬化性が溶接性を支配します。高炭素は、冷間割れや熱影響部でのマルテンサイト形成のリスクを増加させます。
- 炭素等価式は定性的評価に一般的に使用されます。例の指標：
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- 解釈（定性的）：SAE1020は低い$CE$と$P_{cm}$を持ち、標準的な手順で容易に溶接されます。SAE1045は炭素含有量が高く、したがって高い$CE/P_{cm}$を持ちます — 通常、前加熱、制御されたインターパス温度、そして重要な接合部のために焼後熱処理が必要です。これにより水素誘発割れやHAZ硬化を軽減します。
- 実用的なガイダンス：1045の厚い部分には低水素電極、制御された前加熱、焼戻しを使用してください；1020の場合、標準的な溶接消耗品と手順が通常は十分です。
6. 腐食と表面保護
- SAE1020もSAE1045もステンレスではありません；一般的な大気腐食に対して感受性があり、腐食が懸念される場合は表面保護が必要です。
- 典型的な保護：溶剤洗浄、プライマー/塗料システム、リン酸処理、熱浸漬亜鉛メッキ、電気メッキ（適切な場合）、または保護コーティング（ポリマー/エポキシ）。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）はプレーンカーボン鋼には適用されません；これはステンレス鋼に使用されます：
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 選択の注意：腐食環境では、炭素鋼の化学組成に依存するのではなく、ステンレス鋼や耐腐食コーティングを検討してください。
7. 製造、加工性、成形性
- 成形性：SAE1020はより延性があり、冷間操作で曲げ、引き、成形が容易です。SAE1045は高強度条件では成形性が制限され、成形中に割れやすくなります。
- 加工性：SAE1045は強度と硬度が高いため、一般的にSAE1020よりも加工が難しいです。しかし、どちらのグレードも自由切削性ではなく、特別な自由切削バリアントが指定されない限り、加工性評価は中程度です。
- 研削と仕上げ：1045は工具摩耗が高く、1020と同様の工具寿命を達成するために、より堅牢な工具または低い切削速度が必要です。
- 表面硬化：SAE1045は、シャフトやギアなどの部品の耐摩耗性と疲労寿命を向上させるために、浸炭、誘導硬化、通過硬化処理に良好に応答します；1020は低炭素のため、重要なケース硬化には適していません。
8. 典型的な用途
| SAE 1020 | SAE 1045 |
|---|---|
| 一般目的の構造部品、冷間成形部品、溶接アセンブリ、低強度シャフト、ハウジング、成形性/溶接性が優先される一般的な製造 | シャフト、車軸、ギア（中程度のサービス）、ピン、ボルト（より高い強度が必要）、スプロケット、より高い強度または硬化可能な表面が必要な機械加工部品 |
選択の理由： - 成形、溶接、コスト管理の容易さが主な要因であり、サービス荷重が中程度の場合は1020を選択してください。 - コンポーネントの強度、耐摩耗性、熱処理による高硬度の達成が必要な場合は1045を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：SAE1020は炭素含有量が低く、処理要求が簡単なため、一般的にSAE1045よりも1キログラムあたりのコストが低いです；市場価格は地域の供給と製鋼の変動に応じて変動します。
- 入手可能性：両方のグレードは、バー、プレート、コイルの形状で世界中で一般的に入手可能です。SAE1020はシートおよび構造製品に非常に一般的であり、SAE1045はシャフト、バー、鍛造品のために広く在庫されています。
- 製品形状：1045は通常、熱間圧延バーおよび鍛造ブランクとして供給され、熱処理後の特性が必要な場合に指定されることが多いです。1020は冷間成形および溶接アセンブリで頻繁に使用されます。
10. 概要と推奨
| 特性 | SAE1020 | SAE1045 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 高い（溶接が容易） | 中程度から低い（前加熱/制御が必要） |
| 強度–靭性バランス | 強度が低く、焼鈍状態で延性/靭性が高い | 強度の可能性が高く、高強度で延性が低い |
| コスト | 低い | 高い |
次の条件に該当する場合はSAE1020を選択してください： - 中程度の荷重に対して容易に溶接可能で成形可能、経済的な鋼が必要です。 - 部品が重要な冷間成形を受けるか、製造状態で良好な延性と靭性が必要です。 - 大きな溶接構造物やアセンブリが最小限の前加熱と簡単な溶接手順を必要とします。
次の条件に該当する場合はSAE1045を選択してください： - 設計がより高い静的強度、より良い耐摩耗性、または部品が表面硬化または通過硬化される必要があります。 - 中程度の負荷の回転部品（シャフト、車軸、ギア）を製造しており、より高い引張強度と硬度が必要です。 - 溶接パラメータを制御できるか、溶接が機械加工/アセンブリおよび熱処理に優先される場合。
最終的な注意：材料選択は常にコンポーネントの設計荷重、疲労要件、接合方法、意図された熱処理、表面処理、およびコスト制約に対して検証されるべきです。重要または安全関連のコンポーネントについて疑問がある場合は、グレード名に依存するのではなく、特性（例：最小引張/降伏、硬度、または靭性）を指定することを検討し、適切な手順を確立するために熱処理および溶接の専門家に相談してください。