SKH9対M2 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、切削、成形、耐摩耗工具用の非常に似た2種類の高速工具鋼の選択に直面することが一般的です：JIS指定の高速グレードと広く参照されるAISI/SAEグレードです。選択のジレンマは通常、供給仕様と標準遵守、ならびに加工および溶接後の要件に集中します。利用可能性、熱処理の実践、二次加工コストのトレードオフが、基本的な性能の大きな違いよりも決定を左右することがよくあります。
両方のグレードは、熱間加工された切削工具および冷間/熱間加工用途向けに設計された高速鋼です。名目上の化学組成と結果として得られる特性が密接に重なるため、頻繁に比較されます：1つは日本の国家仕様の下で提供され、もう1つは北米/国際工具鋼の慣習の下で提供されます。実際には、決定要因は実質的な金属組成の違いではなく、標準の適合性、熱処理の指示、および形状の入手可能性です。
1. 標準と指定
- AISI/SAE/ASTM: AISI/SAE M2（このタイプの高速鋼の一般的な国際参照; ASTM工具鋼データシートでよくカバーされています）。
- JIS: SKH9（同等の高速鋼の日本工業規格）。
- EN/DIN: 比較可能なEN/DIN指定が存在します（一般的にHS6-5-2または類似のEN工具鋼グレードとして提示されます; 正確なENラベルは国や特定の合金ファミリーによって異なります）。
- GB（中国）: 中国の標準は、類似の化学組成を持つ工具鋼をリストしています（異なる番号/ラベル）。
- 分類: SKH9とM2の両方は高速工具鋼（HSS）であり、すなわち、赤熱硬度、耐摩耗性、および高温での靭性のために調合された工具/合金鋼です。これらはステンレス鋼ではありません。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、各グレードの典型的な組成範囲を示しています。値は典型的な範囲として提示されています; 実際の認定分析は、調達および受け入れ試験のために製鋼所または供給者から取得する必要があります。
| 元素 | SKH9（典型、wt%） | M2（典型、wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.85–1.05 | 0.85–1.05 |
| Mn | 0.15–0.40 | 0.15–0.40 |
| Si | 0.20–0.45 | 0.20–0.45 |
| P | ≤0.03（最大） | ≤0.03（最大） |
| S | ≤0.03（最大） | ≤0.03（最大） |
| Cr | 3.5–4.5 | 3.75–4.50 |
| Ni | —（微量） | ≤0.3（微量） |
| Mo | 4.2–5.5 | 4.5–5.5 |
| V | 1.8–2.2 | 1.75–2.20 |
| Nb | —（微量） | —（微量） |
| Ti | —（微量） | —（微量） |
| B | — | — |
| N | — | — |
| W（タングステン） | 5.5–6.75 | 5.5–6.75 |
注: - 両方のグレードは、熱硬度と複雑な炭化物形成のために比較的高いWおよびMoで合金化されています; Vは、耐摩耗性を向上させる硬く安定したMC型炭化物を促進します。 - 微量元素（Nb、Ti、B、N）は通常微量レベルであり、特別なバリアント（例：粉末冶金または改良HSS）を除いて意図的に添加されることはありません。 - 合金戦略は、腐食抵抗よりも高い硬化性と安定した炭化物を強調しています：高W/Mo + Cr + Vは、耐摩耗性と赤熱硬度のために複雑なM6C/M2CおよびMC炭化物を生成します。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造: - SKH9とM2の両方は、硬い炭化物の分布を含むテンパー処理されたマルテンサイトマトリックスを発展させます：タングステンおよびモリブデンに富む複雑な炭化物（しばしばM6C/M2C型と説明される）およびバナジウムに富むMC炭化物。炭化物のサイズと分布は、溶融、凝固、および鍛造/圧延の実践に強く依存します。
熱処理挙動: - オーステナイト化: 高速鋼は、必要な炭化物分率を溶解し、所望のマトリックス炭素を溶解状態で得るために高いオーステナイト化温度を必要とします。このファミリーの典型的なオーステナイト化範囲は高く（一般的に$1180^\circ\text{C}$から$1250^\circ\text{C}$の近く）、正確な温度は供給者の熱処理チャートから取得されます。 - 窒化: マルテンサイトを形成するために油冷却またはガス冷却が使用されます; 高い合金含有量のため、保持オーステナイトは重要であり、低い保持オーステナイトが必要な場合は、通常は低温処理によって制御されます。 - テンパリング: 中間温度（ターゲット硬度に応じて$520^\circ\text{C}$–$600^\circ\text{C}$範囲でよく）での複数のテンパーサイクル（2回または3回）がマトリックスを安定させ、二次炭化物を析出させます。テンパリングスケジュールは、最終的な硬度と靭性のトレードオフを決定します。 - 正常化/アニーリング: 加工または成形のために、炭化物を球状化するために温度を保持し、ゆっくり冷却するソフトアニーリングが使用され、硬度を低下させ、加工性を向上させます。
違い: - 金属学的には、2つのグレードは非常に似た反応を示します。実際に観察される違いは、通常、特定の処理（溶融経路、鍛造/圧延、アニーリング/正常化スケジュール）およびベンダーの熱処理推奨から生じるものであり、内因的な組成の対比によるものではありません。
4. 機械的特性
高速鋼の機械的特性は熱処理に非常に強く依存するため、数値は一般的な条件の典型的な範囲として引用されるのが最適です。以下の表は、アニーリングおよび硬化・テンパー条件の代表的な範囲を示しています。
| 特性 | 典型的なアニーリング条件（代表的） | 典型的な硬化・テンパー（代表的） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | 700–1000 | 1500–2200 |
| 降伏強度（MPa） | ~400–700 | 1000–1600 |
| 伸び（%） | 8–18 | 2–8 |
| 衝撃靭性（シャルピーV、J） | 20–40（アニーリング） | 2–20（テンパリングに依存） |
| 硬度（HRC） | 28–34（アニーリング） | 60–67 HRC（高速工具条件） |
解釈: - SKH9とM2の両方は、高速工具鋼（HSS）に典型的な高いHRC値（60–67 HRC）に硬化でき、対応する非常に高い引張強度と低い延性を持ちます。 - アニーリングされた材料は加工可能であり、硬化状態よりも著しく靭性が高く、延性があります。 - 同等の熱処理条件下でのSKH9とM2の間の強度と靭性の違いは一般的に小さく、実際の性能は炭化物の分布と熱処理の実行を反映します。
5. 溶接性
比較的高い炭素および合金含有量を持つ高速鋼は、内因的に溶接が難しいか、困難です。一般的に使用される2つの組成溶接性予測因子は次のとおりです：
-
炭素当量（IIW）: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm（Dai）: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈: - SKH9とM2の両方は、炭素、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウムの含有量のために比較的高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値を生成します。これは、高い硬化性と冷間割れおよびHAZ内の脆いマルテンサイトの形成に対する感受性を示しています。 - 実際の結果: HS工具鋼の溶接には、厳格な予熱、制御されたインターパス温度、適合するフィラー材料の使用、および溶接後のテンパリングが必要です。重要な工具の場合、溶接はしばしばブレージング、機械的接合、または交換用ブランクの完全再加工を優先して避けられます。 - 溶接が必要な場合は、供給者の溶接手順仕様を参照し、完全な溶接後熱処理を伴う資格溶接を実施してください。
6. 腐食と表面保護
- SKH9もM2もステンレス合金ではありません。腐食抵抗はCr含有量によって提供されるものに限られますが、攻撃的な環境への曝露には不十分です。
- 一般的な保護戦略: 塗装、メッキ、蒸気堆積コーティング（TiN、TiAlN）、窒化、ショットピーニング、または非工具用途のための亜鉛メッキ。切削および成形工具の場合、表面工学（コーティング、表面硬化）が主な保護および摩耗延長方法です。
- PRENはこれらの非ステンレス工具鋼には適用されませんが、明確にするためにステンレス腐食指数は次のとおりです: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 腐食抵抗が主要な要件である場合は、腐食抵抗性グレード（ステンレス工具鋼または他の合金）を使用してください。そうでない場合は、HSSをコーティングと制御された保管で保護してください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性: アニーリング（軟らかい）状態では、両方のグレードは粗加工および仕上げ操作に対して合理的に加工可能です。硬化状態では、研削およびEDMが成形の一般的な方法です。
- 切削および研削: 高い合金含有量と硬い炭化物は、切削/研削工具の摩耗を増加させます; 高い生産性のために適切な場合はダイヤモンドまたはCBNを使用してください。
- 成形性: 冷間成形は制限されています; 熱間成形または加工ブランクが標準的な実践です。アニーリングされた材料の曲げ/成形は可能ですが、炭素/合金含有量が増加するにつれてスプリングバックおよび亀裂のリスクが増加します。
- 表面仕上げ: 磨きおよびコーティングの付着は、制御された炭化物分布と良好な熱処理実践から利益を得ます。
8. 典型的な用途
| SKH9（JIS） — 典型的な用途 | M2（AISI/SAE） — 典型的な用途 |
|---|---|
| 国内/地域供給チェーンにおける高速切削工具: ドリル、タップ、ミリングカッター、リーマー、ブローチ | HS切削工具のグローバル生産: ツイストドリル、エンドミル、タップ、ブレード、ギアカッター |
| 日本の仕様が必要な工具ブランクおよびシャンク | 国際的または北米の仕様が必要な標準化された工具 |
| 地元調達および仕様遵守が優先される冷間加工および一部の熱間加工切削 | 広範な産業用途、アフターマーケット工具ブランク、および浸炭HSS用途; PMバリアントを含む多くの形態で入手可能 |
選択の理由: - 両方のグレードは耐摩耗性と熱硬度のために選ばれます。地元の入手可能性、必要な認証（JIS対AISI/ASTM）、および下流のベンダーがどちらの仕様で材料を期待しているかに基づいて選択してください。 - 極端な摩耗または特殊な特性が必要な場合は、粉末冶金HSSまたは炭化物代替品を検討してください。
9. コストと入手可能性
- コスト要因: タングステンおよびモリブデンの市場価格、生産方法（従来の鋳造対粉末冶金）、および認証/トレーサビリティ要件。
- 入手可能性: M2は国際的に確立され、広く国際的なディストリビューターによって在庫されています; SKH9はJISが調達基準である地域で一般的であり、国内製鋼所によって好まれることがあります。
- 製品形態: 両方ともバー、ブランク、および工具鋼プレートとして入手可能です; PM-M2（粉末冶金）バリアントは価格プレミアムを要求しますが、靭性の向上と均一な炭化物分布を提供します。
10. 概要と推奨
概要表（定性的）:
| 基準 | SKH9 | M2 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 悪い; 予熱/溶接後のテンパリングが必要 | 悪い; 予熱/溶接後のテンパリングが必要 |
| 強度–靭性（HT条件） | 高い硬度と耐摩耗性; HSSに典型的な靭性 | 高い硬度と耐摩耗性; HSSに典型的な靭性 |
| コスト & 入手可能性 | JISを使用する地域で容易に入手可能; 地域的に競争力のある価格設定 | 国際的に広く入手可能; HSSの標準参照グレード |
推奨: - 日本の国家基準への準拠が必要な場合、JIS指定を指定する供給チェーン内で調達する場合、または供給者がプロセスに適した熱処理および認証を提供する場合はSKH9を選択してください。 - 幅広い下流の入手可能性、標準のAISI/ASTM文書、およびグローバルディストリビューターからの調達の容易さが必要な場合はM2を選択してください。M2は、国境を越えた調達や複数の供給源が重要な場合にしばしば好まれる選択肢です。
締めくくりのメモ: 金属学的にはSKH9とM2は本質的に同等の高速鋼であり、サービス中の性能の違いは通常、熱処理、炭化物制御、製造経路、および表面処理によって駆動され、根本的に異なる化学組成によるものではありません。重要な工具用途の場合は、製鋼所の証明書を取得し、供給者の熱処理指示を要求し、必要に応じて硬度、微細構造、および靭性試験で実際のバッチ性能を確認してください。