SUP9 vs SUP10 – 成分、熱処理、特性、および用途
共有
Table Of Content
Table Of Content
はじめに
SUP9およびSUP10は、重加工、機械部品、熱処理部品で頻繁に考慮される密接に関連した構造用炭素鋼グレードです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択時に、溶接性、靭性、加工性、達成可能な強度のトレードオフを一般的に考慮します。主な実用的な違いは、SUP9と比較してSUP10の炭素含有量が意図的にわずかに増加していることで、これにより一部の延性と溶接性を犠牲にしながら、硬化性と強度が向上します。これらの2つのグレードは、設計者が部品の荷重耐性と耐摩耗性を加工の容易さや熱処理コストとバランスさせなければならない場合によく比較されます。
1. 規格と指定
- 類似のグレードファミリーが現れる典型的な規格：ASTM/ASME（炭素鋼および低合金鋼）、EN（欧州構造用および焼入れ焼戻し鋼）、JIS（日本工業規格）、GB/T（中国規格）。
- 分類：SUP9およびSUP10は、非ステンレスの炭素鋼または低合金鋼（工具鋼やオーステナイト系ステンレス鋼ではない）です。一般的に、強度/靭性を制御するために正規化、焼入れ＆焼戻し、またはその他の熱処理が行われる部品向けの炭素鋼または低合金鋼として位置付けられています。デフォルトでは高ニッケルステンレスグレードや微量合金を含むHSLAではありませんが、特定のミルバリアントには微量合金添加が含まれる場合があります。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | SUP9（典型的な戦略） | SUP10（典型的な戦略） |
|---|---|---|
| C（炭素） | SUP10に対して低い炭素；靭性と溶接性のバランスを目指す | 強度/硬化性を高めるためにSUP9より高い炭素 |
| Mn（マンガン） | 中程度 — 脱酸剤および強度寄与 | 硬化性と強度を維持するために同様またはわずかに調整 |
| Si（シリコン） | 脱酸剤；通常は低から中程度 | 同様 — 主に脱酸の役割 |
| P（リン） | 制御された低不純物レベル | 制御された低不純物レベル |
| S（硫黄） | 低く保たれる；自由加工バリアントには加工性硫化物添加が存在する場合がある | 低く保たれる；同様のアプローチ |
| Cr（クロム） | しばしば最小または不在；存在する場合は、硬化性のための少量 | 同様の少量が存在する場合がある；主な強化合金ではない |
| Ni（ニッケル） | 通常は不在または微量 | 通常は不在または微量 |
| Mo（モリブデン） | 通常は微量；合金バリアントで硬化性を高めるために使用される | 硬化性を高めるために一部の供給者に小量が存在する場合がある |
| V、Nb、Ti（微量合金） | しばしば指定されない；微量合金バリアントに存在する場合がある | 靭性を改善するために一部のバリアントに低レベルの添加が可能 |
| B（ホウ素） | 通常は指定されない | 通常は指定されない |
| N（窒素） | 低い；制御されている | 低い；制御されている |
注：合金スイートの根本的な違いではなく、SUP10の設計アプローチは、熱処理後に達成可能な硬度と引張強度を高めるために炭素含有量を増加させつつ、比較的単純な合金レシピを保持することです。MnとSiは、脱酸と強度制御のために従来通り使用されます。微量合金（V、Nb、Ti）は、過剰な炭素なしで靭性を調整するために特定のミル製品に現れる場合があります。
合金が特性に与える影響： - 炭素：硬度と焼入れマルテンサイトの割合の主な決定因子；炭素が高いほど強度が増加するが、延性と溶接性が低下する。 - マンガンとモリブデン：硬化性と強度を高める；冷却速度に対する感度を緩和する。 - 微量合金元素（V、Nb、Ti）：粒子を細かくし、析出強化を増加させ、大きな炭素増加なしで靭性を改善することができる。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - SUP9（低炭素）：正規化状態では、冷却に応じて比較的粗いパーライトを伴うフェライト-パーライトマトリックスを形成する傾向がある。焼入れ＆焼戻し後は、中程度の硬化レベルで焼戻しマルテンサイト/ベイナイト微細構造が期待される。 - SUP10（高炭素）：圧延または正規化状態ではより多くのパーライト；焼入れ時には、比較的冷却速度でより高い割合のマルテンサイトが形成され、より高い硬度と強度を生み出す。
熱処理経路： - 正規化：粒子を細かくし、フェライト-パーライトを生成する；SUP10の高い炭素は、同じ冷却経路でSUP9よりも硬い正規化構造をもたらす。 - 焼入れ＆焼戻し：両方のグレードは、急速冷却時にマルテンサイトを形成することで応答する。SUP10は、焼入れ後の硬度が高く、脆さを減少させながら高い強度を保持するための焼戻しスケジュールが必要である。焼戻しレシピは、脆化ゾーンを避けるために増加した炭素を考慮する必要がある。 - 熱機械的加工：制御された圧延またはTMCPによる加速冷却は、細かいベイナイトまたはマルテンサイト-フェライトの混合物を生成することができる。どちらのグレードの微量合金バリアントは、より細かい粒子サイズで靭性を改善できる。
冶金的な意味： - 高い炭素はMs（マルテンサイト開始）温度感度を高め、焼入れ後の潜在的な硬度を上昇させるが、焼戻しが不十分な場合は脆いマルテンサイト微細構造のリスクも高まる。 - 硬化性を高める合金元素（Mn、Mo）は、非常に速い冷却の必要性を減少させるが、溶接性を維持するためにバランスを取る必要がある。
4. 機械的特性
| 特性 | SUP9（一般的な期待） | SUP10（一般的な期待） |
|---|---|---|
| 引張強度 | 中程度 — 延性との良好なバランス | 高い — 熱処理後の最大引張能力が増加 |
| 降伏強度 | 中程度 | 高い |
| 伸び（延性） | SUP10に比べて高い延性 | 炭素とマルテンサイトの割合が増加するため、伸びが低い |
| 衝撃靭性 | 低炭素による同等の強度での優れたノッチ靭性 | 焼入れレベルが等しい場合、焼戻しまたは合金化されない限り、衝撃靭性が低下 |
| 硬度（焼入れ後の潜在能力） | 達成可能な最大硬度が低い | 達成可能な硬度が高い；耐摩耗性の潜在能力が増加 |
説明： SUP10における炭素駆動の増加は、同様の熱処理条件下での潜在的な引張強度と降伏強度を高めます。トレードオフは、焼戻し、微量合金、または溶接後の熱処理を使用して脆さを軽減しない限り、延性と靭性が低下することです。したがって、材料選択は静的強度と動的靭性の間の必要なバランスを考慮する必要があります。
5. 溶接性
溶接性の考慮事項は、炭素含有量、硬化性、およびppmレベルの微量合金に重点を置いています。
有用な指標： - 炭素当量（IIW）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（他の合金効果を含む鋼用）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
定性的解釈： - SUP10の高い炭素は、SUP9に対して$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を増加させ、冷間割れの感受性が高く、予熱要件が大きく、制御されたインターパス温度が必要であることを示します。 - 硬化性バランスを維持するために炭素とともにMn/Moが増加すると、これらの元素が炭素当量指標をさらに引き上げるため、溶接性に対する影響が増幅される可能性があります。 - 実際の軽減策：予熱および制御されたインターパス温度、低水素溶接プロセス、溶接後の熱処理（PWHT）、および靭性要件に合わせて設計されたフィラー金属。
全体的に：SUP9は一般的に溶接が容易で、比較可能な部品形状に対してSUP10よりも厳しい予熱/PWHTを必要としません。
6. 腐食および表面保護
- SUP9およびSUP10はどちらも非ステンレスの炭素鋼であり、腐食抵抗のために表面保護に依存しています。
- 典型的な保護戦略：熱浸漬亜鉛メッキ、亜鉛電気メッキ、有機コーティング（塗料、エポキシ）、および特殊な変換コーティング。長期的な耐候性が必要な部品には、デュプレックスシステム（亜鉛メッキ + 塗装）が一般的です。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は、通常の炭素鋼には適用されません： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指標はステンレス合金に適用されます；SUP9/SUP10のCrおよびMo含有量は低いか不在であるため、腐食抵抗は内因的な合金化ではなくコーティングによって供給される必要があります。
7. 加工性、機械加工性、および成形性
- 加工性：SUP10の高い硬度と炭素含有量は工具の摩耗を増加させ、より遅い送り速度やより堅牢な工具グレードを必要とする場合があります。SUP9は一般的に、特にアニーリングまたは正規化状態で加工が容易です。
- 成形性：SUP9の高い延性は、亀裂なしで成形操作（曲げ、深絞り）に適しています。SUP10は成形においてあまり寛容ではなく、中間アニーリングが必要な場合があります。
- 切削および仕上げ：SUP10は高硬度に熱処理された場合、摩耗に対する耐性が高く、摩耗しやすい部品に好まれますが、仕上げ操作はより困難です。
- 全体的に：供給条件（アニーリング、正規化、焼入れ＆焼戻し）を選択して、下流の成形および機械加工プロセスに適合させます。
8. 典型的な用途
| SUP9 — 典型的な用途 | SUP10 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 溶接性と靭性が優先される構造部品（製作フレーム、一般機械部品） | より高い強度/硬度と耐摩耗性が必要な部品（ギア、ピン、高負荷を受けるシャフト） |
| 熱処理前に良好な成形性または複雑な加工が必要な部品 | 焼入れ＆焼戻し後により高い引張強度が必要な熱処理部品 |
| コストと加工の容易さが重要な中程度の負荷のファスナー、ブラケット、支持具 | ベアリングハウジング、中程度の摩耗機械インターフェース、焼戻し焼入れ部品 |
選択の理由： - 製作の複雑さ、溶接性、ノッチ靭性が重要で、設計が絶対的に最高の硬化強度を要求しない場合はSUP9を選択します。 - 設計が熱処理後のより高い強度、耐摩耗性、またはより小さな部品サイズを要求し、高強度が断面サイズや重量を減少させる場合はSUP10を選択します。
9. コストと入手可能性
- コスト：SUP10は通常、追加の熱処理と高炭素バリアントに必要な厳密な管理によって、同等またはわずかに高い材料コストを伴います。SUP10が溶接のためにより厳しいPWHTや特別なフィラー金属を必要とする場合、ライフサイクルの製作コストが上昇します。
- 入手可能性：両方のグレードは、一般的な鋼材供給者から標準製品形態（バー、プレート、鍛造品）で一般的に入手可能です。SUP9バリアントは一般的な構造用途のためにより広く在庫されている可能性があります；SUP10は特定の熱処理条件での注文生産が必要な場合や、特別な化学組成や微量合金が要求される場合は、より長いリードタイムが必要です。
- 調達の注意：いずれのグレードを指定する際にも、化学組成、硬度、熱処理条件を確認するためにミル証明書と熱処理記録を要求してください。
10. 概要と推奨
| 属性 | SUP9 | SUP10 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 優れた — 炭素当量が低い | 中程度から低い — 高いCE、予熱/PWHTが必要 |
| 強度–靭性バランス | バランスが取れている — より良い延性とノッチ靭性 | 高い強度の可能性 — 焼戻しがない限り延性が低下 |
| コスト（材料 + 加工） | 低から中程度 | 中程度から高い（加工/熱処理/溶接） |
推奨： - 溶接と加工が容易で、完成部品において良好な靭性と成形性が必要な場合、または製作コストと複雑さを最小限に抑えることが優先される場合はSUP9を選択してください。 - 設計がより高い焼入れ焼戻し強度や耐摩耗性のためのより高い表面硬度を要求し、厳しい溶接管理と適切な焼戻し/PWHT処理を受け入れられる場合はSUP10を選択してください。
最終的な実用的ガイダンス： - 必要な供給条件（アニーリング、正規化、焼入れ＆焼戻し）と目標機械的特性を指定し、グレード名だけでなく、供給条件を明確にしてください。ベンダーに認証された組成および硬度/衝撃試験記録を要求してください。溶接が必要な場合は、製作仕様に予熱およびPWHTの指示を含め、亀裂リスクを軽減するためにフィラー金属および水素管理を指定することを検討してください。