X12CrMo5 対 X20CrMoV12-1 – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
エンジニアや調達の専門家は、見た目は似ているがサービスにおいて異なる役割を果たす鋼材の選択にしばしば直面します：一方は、合理的な靭性と溶接性を持ちながら、耐腐食性と高温耐性を提供します；もう一方は、高温での熱加工工具と耐摩耗性に最適化されています。選択のジレンマは通常、耐腐食性とコストのトレードオフ、または赤硬度/耐摩耗性と加工性/溶接性の間のトレードオフに集中します。
これら二つのドイツ指定鋼の本質的な違いは機能的なものであり、一方は高温および耐腐食性サービスを目的としたクロム含有マルテンサイト系ステンレス鋼であり、もう一方は高クロム、モリブデン-バナジウム合金工具鋼で、高温での赤硬度と耐摩耗性が重要です。両者は重要なクロムと合金添加物を含むため、設計者は部品が高温負荷、摩耗接触、または周期的な熱暴露を受ける場合に比較します。
1. 規格と指定
- これらの指定が現れる一般的な規格：EN / DIN（ヨーロッパ）、ISO（該当する場合）、および国の同等規格（ASTM/ASME、JIS、GB）。正確なクロスリファレンス番号は異なる場合があるため、常に供給者のミル証明書と現在の規格を確認してください。
- 材料クラス：
- X12CrMo5 — マルテンサイト系クロム合金で、工具鋼ではなく耐熱性またはマルテンサイト系ステンレス鋼に一般的に分類されます。
- X20CrMoV12-1 — 熱加工/工具鋼（高合金Cr–Mo–Vグレード）で、通常はEN/ISO規格の工具鋼（熱加工）としてリストされています。
2. 化学組成と合金戦略
| 元素 | X12CrMo5（典型的な役割） | X20CrMoV12-1（典型的な役割） |
|---|---|---|
| C | 低–中程度；マルテンサイト硬化を可能にし、溶接性と靭性を受け入れ可能な範囲に保つ | 中程度；炭化物形成を通じて高い硬化性と耐摩耗性をサポート |
| Mn | 低；脱酸とわずかな硬化性 | 低–中程度；硬化性に寄与 |
| Si | 低；脱酸剤および強度の寄与者 | 低；脱酸剤および高温強度 |
| P | 微量；靭性のために低く保たれる | 微量；靭性のために低く保たれる |
| S | 微量；加工性のために制御される | 微量；加工性のために制御される |
| Cr | 高；耐腐食性と焼戻し耐性の主成分 | 非常に高；赤硬度、耐摩耗性および炭化物形成剤の主成分 |
| Ni | 通常は最小/不在 | 通常は最小/不在 |
| Mo | 中程度；クリープおよび高温強度を改善 | 中程度–高；熱硬度と焼戻し耐性を改善 |
| V | 低または微量；炭化物/微細構造を精製 | 存在；耐摩耗性のために硬いバナジウム炭化物を形成 |
| Nb/Ti | 通常は不在または微量；存在する場合は粒子安定化 | 微量の可能性；粒子精製と炭化物制御 |
| B | 硬化性のために存在する場合は微量 | 微量の可能性；一部の溶融物における硬化性修正剤 |
| N | 非常に低；制御される | 非常に低；制御される |
注：この表は相対的な存在と冶金的役割を示しており、正確な割合ではありません。調達およびプロセス管理には、ミル証明書とEN/ASTM指定を使用して正確な組成限界を確認してください。
合金が挙動に与える影響： - クロムは耐腐食性、焼戻し耐性、および炭化物形成能力を増加させます。マルテンサイト系ステンレス鋼では不活性を与え、工具鋼では赤硬度と耐摩耗性に寄与します。 - モリブデンとバナジウムは熱硬度、焼戻し耐性、および安定した炭化物の形成を増加させ、高温での耐摩耗性を改善します。 - 炭素は達成可能な硬度と硬化性を制御しますが、上昇するにつれて溶接性と靭性を低下させます。
3. 微細構造と熱処理応答
標準処理後の典型的な微細構造： - X12CrMo5：焼鈍/正規化状態では、処理に応じてフェライト/パーライトまたは柔らかいマルテンサイトマトリックスを生成します。焼入れと焼戻し後には、細かく分散した炭化物を含む焼戻しマルテンサイトを形成します；合金化と冷却に応じて、いくつかの残留オーステナイトが発生する可能性があります。 - X20CrMoV12-1：焼鈍状態では、焼戻しマルテンサイトに加えて、合金炭化物（Cr豊富な炭化物とバナジウム炭化物）の重要な集団を含みます。熱加工鋼の適切な焼入れと焼戻し後には、安定した硬い炭化物を持つ焼戻しマルテンサイトマトリックスが靭性と赤硬度の組み合わせを提供します。
熱処理がそれぞれに与える影響： - 正規化/精製：両グレードは、粒子サイズを精製するために正規化から利益を得ます；工具鋼の炭化物分布はより重要であり、通常は制御された冷却サイクルを必要とします。 - 焼入れ＆焼戻し：両者は焼入れと焼戻しサイクルに応答します。X20CrMoV12-1は、赤硬度を保持するために高い焼戻し温度をターゲットにして、通常はより高い最終硬度に硬化されます；焼戻しはMo/V炭化物による安定した二次硬化を生成します。X12CrMo5は、サービスのために靭性と硬度のバランスを取るために焼戻しされ、硬化および焼戻し状態またはクリープ用の析出強化グレードとして使用されることがあります。 - 熱機械処理：より低い合金レベルでの強度と靭性の組み合わせが必要な鋼に一般的に適用されます；工具鋼の場合、炭化物形態を最適化するための制御された鍛造と熱処理が標準です。
4. 機械的特性
| 特性 | X12CrMo5（典型的な挙動） | X20CrMoV12-1（典型的な挙動） |
|---|---|---|
| 引張強度 | 中程度 — 多くの高温構造部品に十分 | 高い — 工具における高い引張および圧縮応力に設計されています |
| 降伏強度 | 中程度 | 高い |
| 伸び | 高い（比較条件下でより延性） | 低い（硬度/耐摩耗性とのトレードオフ） |
| 衝撃靭性 | 適切に焼戻しされた場合、一般的により良い靭性 | 低い；工具鋼は耐摩耗性と熱硬度のためにいくらかの靭性を犠牲にします |
| 硬度（硬化/焼戻し） | 中程度から高い（サービス依存） | 通常は高い達成可能な硬度と高温での保持硬度 |
説明：X20CrMoV12-1は、高温での強度と耐摩耗性のために最適化されており、したがって、より高い合金含有量と炭化物形成元素により、適切な熱処理後により高い硬度と強度を達成します。X12CrMo5は、酸化/腐食に対する抵抗と靭性を維持するように設計されており、多くの焼戻し条件でより良い延性と衝撃特性を提供します。
5. 溶接性
溶接性は、炭素当量の概念と合金含有量を使用して評価する必要があります。一般的に使用される二つの経験的表現：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈（定性的）： - より高い計算された $CE_{IIW}$ または $P_{cm}$ は、冷却亀裂のリスクが増加し、予熱、インターパス温度制御、および溶接後の熱処理の必要性が高まることを示します。 - X12CrMo5は、通常、重合金工具鋼よりも低い炭素当量値を示し、比較的良好な溶接性を持ちます；マルテンサイト系の挙動は、亀裂を避け、焼戻しを回復するために制御された加熱とPWHTを必要とします。 - X20CrMoV12-1は、より高いCr、Mo、およびVを含み、一般的により高い硬化性とより高い炭素当量を持ち、溶接がより要求されます：予熱、低水素実践、およびPWHTが一般的に必要です。溶接フィラーの選択は、必要なサービス温度、望ましい靭性、および焼戻し脆化への感受性を考慮する必要があります。
6. 腐食と表面保護
- X12CrMo5：クロムを含むマルテンサイト系ステンレス鋼であるため、普通の炭素鋼と比較して測定可能な耐腐食性を提供します。その不活性な挙動はクロム含有量と熱処理に依存します；多くの環境では、コーティングなしでより良く機能しますが、攻撃的な媒体に対しては保護コーティングやパッシベーションが必要な場合があります。
- X20CrMoV12-1：工具鋼であるため、ステンレスグレードではなく、腐食環境ではコーティング（窒化、摩耗用のPVD/CVDコーティング）、塗装、またはメッキ（いくつかの形状では亜鉛メッキが可能ですが、工具表面には適さない場合があります）などの保護措置が必要です。
- 腐食指数が関連する場合（ステンレス合金）、PRENを使用してピッティング抵抗を比較します：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
この指数は、主に摩耗/熱硬度のために設計された工具鋼には適用されません。
7. 加工、加工性、および成形性
- 加工：X20CrMoV12-1は、安定した炭化物と高い硬度のため、硬化状態での加工が難しい；焼鈍状態では、高合金鋼のように加工されますが、良好な工具と冷却が必要です。X12CrMo5の加工性は中程度であり、高合金工具鋼よりも良好なことが多く、特に柔らかい条件下で。
- 成形/曲げ：X12CrMo5は焼鈍状態でより良い成形性を持ち、X20CrMoV12-1は硬化状態での厳しい成形を意図しておらず、通常は最終熱処理の前に近似最終形状に熱加工または鍛造されます。
- 表面仕上げ：両者は研削および仕上げが可能です；工具グレード鋼は硬い炭化物を扱うために特別な研削が必要なことが多く、ステンレスのようなグレードは熱の色合いを避け、耐腐食性を保持するために注意が必要です。
8. 典型的な用途
| X12CrMo5（一般的な用途） | X20CrMoV12-1（一般的な用途） |
|---|---|
| 中程度の耐腐食性を持つ高温構造部品（バルブ、炉部品、高温酸化にさらされるシャフト） | 熱加工工具：高温と摩耗にさらされるダイ、ダイキャスティング金型、押出し金型、鍛造金型 |
| 靭性と高温強度のバランスが必要な部品 | 赤硬度と耐摩耗性が重要なインサート、工具部品 |
| 溶接および溶接後の焼戻しが使用される部品 | 工具鋼ブロックから機械加工され、サービス用に熱処理された部品 |
選択の理由： - 腐食抵抗、加工の容易さ、より良い延性/靭性が優先される場合は、マルテンサイト系クロム合金を選択してください。 - 摩耗抵抗、赤硬度、周期的な熱的/機械的負荷下での寸法安定性が主な要求である場合は、Cr–Mo–V工具鋼を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：X20CrMoV12-1のような工具鋼は、通常、マルテンサイト系ステンレス鋼よりもキログラムあたりのコストが高く、より高い合金含有量（Mo、V）とより専門的な加工が必要です。工具鋼はまた、加工コスト（熱処理、研削）が高くなります。
- 入手可能性：X12CrMo5および類似のグレードは、大手ディストリビューターによってバー、プレート、パイプの形で一般的に在庫されています；工具鋼は入手可能ですが、通常はより限られた製品形態（工具ブランク、鍛造ブロック、プレート）であり、注文生産または専門の工具鋼供給者から調達されることがあります。
10. 概要と推奨
| 基準 | X12CrMo5 | X20CrMoV12-1 |
|---|---|---|
| 溶接性 | 良好から中程度（マルテンサイト系ステンレスの実践にはPWHTが必要） | 難しい—予熱、低水素実践、PWHTが必要 |
| 強度–靭性バランス | 中程度の強度でより良い延性/靭性 | 高い強度と硬度、低い延性/靭性 |
| コスト | 低から中程度 | 高い |
推奨： - 酸化または軽度の腐食性高温環境にさらされる部品に対して、より寛容な加工と全体的な靭性を持つ耐腐食性、耐熱性のマルテンサイト鋼が必要な場合は、X12CrMo5を選択してください。 - 高い耐摩耗性、赤硬度、周期的な熱的および機械的負荷下での寸法安定性が要求されるサービス条件の場合は、X20CrMoV12-1を選択してください。工具の寿命と性能によって正当化される高い材料および加工コストが必要です。
最終的な注意：両グレードは、設計、加工、および調達のために、標準またはベンダーデータシートから正確な化学的および機械的要件を指定する必要があります。サービス条件が厳しい場合は、ミル証明書を使用し、事前資格溶接試験を実施してください。