X20CrMoV12-1 対 12Cr1MoV – 成分、熱処理、特性、および用途

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、名前は似ているが非常に異なる機能を持つ鋼材の選択に直面することがよくあります。設計が高温強度と耐摩耗性を溶接性、コスト、加工の容易さとバランスを取らなければならない場合、X20CrMoV12-1と12Cr1MoVが比較されます。典型的な意思決定の文脈には、工具や熱間加工部品の選定と、昇温サービス用の圧力容器/配管鋼の選定が含まれます。

これら2つのグレードの主な技術的な違いは、合金戦略です：1つは、硬化性、高温強度、耐摩耗性を最適化したクロム豊富な熱間加工/工具鋼として配合されているのに対し、もう1つは、圧力-温度サービスにおけるクリープ耐性と靭性のために設計された低合金Cr–Mo–V鋼です。このクロムと炭化物形成元素の違いが、対照的な微細構造、熱処理応答、溶接実践、腐食挙動、典型的な用途を生み出します。

1. 規格と指定

• X20CrMoV12-1
• EN（ヨーロッパ）熱間加工工具鋼の命名法で一般的に参照されます。他のシステム（例：AISI/UNS/Hシリーズの類似物）が存在します。
• 分類：工具/熱間加工合金鋼（マルテンサイト工具鋼ファミリー）。
• 12Cr1MoV
• 発電所および圧力容器鋼の国家規格に見られます（昇温サービスにおけるヨーロッパ、ロシア、中国の一般的な実践）。
• 分類：圧力-温度用途のための低合金フェライト-マルテンサイト/焼き戻し鋼（発電所グレード）。

注：正確なクロスリファレンスは標準機関（EN、ASTM/ASME、GOST、GB/JIS）によって異なります。調達は、必要な標準と熱処理条件を指定する必要があります。

2. 化学組成と合金戦略

以下の表は、仕様および工学的比較に一般的に使用される典型的な組成範囲（質量％）を示しています。正確な限界は特定の標準および製鋼所によって異なります。

元素	X20CrMoV12-1（典型的、wt%）	12Cr1MoV（典型的、wt%）
C	0.18 – 0.25	0.08 – 0.15
Mn	0.30 – 0.60	0.30 – 0.80
Si	0.20 – 0.60	0.10 – 0.50
P	≤ 0.03（最大）	≤ 0.025（最大）
S	≤ 0.03（最大）	≤ 0.02（最大）
Cr	11.5 – 13.0	0.9 – 1.3
Ni	≤ 0.30	≤ 0.40
Mo	0.8 – 1.2	0.4 – 0.6
V	0.30 – 0.60	0.05 – 0.15
Nb / Ti / B	通常微量/なし	微量/なし
N	微量	≤ 0.012（典型的）

合金戦略が挙動に与える影響： - X20CrMoV12-1の高クロムは炭化物形成を促進し、低クロム鋼に対して酸化および表面腐食抵抗を改善することができます。また、MoおよびVと組み合わせることで硬化性と高温強度を向上させます。 - MoおよびVは強力な炭化物形成元素であり、硬化性、焼戻し抵抗、高温強度を増加させます。工具鋼では、これらの元素が炭化物を精製し、熱硬度と耐摩耗性を向上させます。 - 12Cr1MoVは、圧力容器サービスのためにクリープ強度と靭性のバランスを取るために適度なCr、Moおよび小さなVを含み、受け入れ可能な溶接性と延性を保持します。

3. 微細構造と熱処理応答

• X20CrMoV12-1
• 急冷および焼戻し後の典型的な微細構造：前オーステナイト粒界および粒内に分布した合金炭化物（Cr、Mo、Vが豊富な）を持つ焼戻しマルテンサイト。
• 熱処理経路：硬化（グレードに適した高温でオーステナイト化）後、油/ガス急冷および多段焼戻し。制御された焼戻しにより、分散した炭化物を持つ焼戻しマルテンサイトマトリックスが生成され、高い熱硬度と耐摩耗性を得ます。
• 熱機械処理は炭化物分布と粒径を引き締めます。熱間加工鋼は、最終硬化前に加工のために事前硬化または軟化焼鈍状態で供給されることがよくあります。
• 12Cr1MoV
• 正規化および焼戻し後の典型的な微細構造：クリープ強度と靭性を提供するために分布したMoおよびVの微細炭化物を持つ焼戻しマルテンサイト/焼戻しベイナイト。
• 熱処理経路：粒径を精製するための正規化の後、圧力-温度サービスのために強度/靭性を調整するための焼戻し。溶接後熱処理（PWHT）が一般的に必要で、靭性を回復し、残留応力を減少させます。
• 低炭素含有量と低炭化物形成元素レベルにより、工具鋼に対してより延性があり、ノッチ耐性のあるマトリックスが得られます。

4. 機械的特性

機械的特性は熱処理、断面サイズ、最終硬度状態に大きく依存します。以下の値は、工学的比較のための代表的な典型範囲です—調達文書で必要な状態を指定してください。

特性	X20CrMoV12-1（急冷＆焼戻し、典型的）	12Cr1MoV（正規化＆焼戻し、典型的）
引張強度（MPa）	900 – 1400	480 – 650
降伏強度（0.2%オフセット、MPa）	700 – 1100	300 – 420
伸び（A%、典型的）	6 – 12	15 – 25
衝撃靭性（シャルピーV、J）	5 – 50（焼戻し/硬度に依存）	40 – 120
硬度	40 – 52 HRC（工具条件）	~180 – 240 HB (~18–24 HRC)

解釈： - X20CrMoV12-1は、硬化および焼戻しされた場合に非常に高い強度と硬度を達成します—これは、摩耗、変形、高温荷重に耐えるための工具および熱間加工部品に期待される挙動です。 - 12Cr1MoVは、典型的な正規化/焼戻し条件でより延性があり、靭性が高いため、靭性、溶接性、クリープ疲労に対する抵抗が優先される構造部品、配管、圧力容器に適しています。

5. 溶接性

溶接性は、炭素当量および硬化性合金元素の存在に依存します。以下に示す2つの一般的に使用される経験的指標があります。

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - X20CrMoV12-1：高いCr、MoおよびVは$CE_{IIW}$と$P_{cm}$の両方を上昇させ、硬化性と熱影響部（HAZ）でのマルテンサイト形成の傾向を増加させます。これにより冷却亀裂のリスクが増加し、通常は事前加熱、制御されたインターパス温度、低水素手順、および時にはPWHTが必要です。 - 12Cr1MoV：全体的な合金含有量が低いため、工具鋼よりも低い炭素当量を持ち、一般的に溶接性が良好です。それでも、昇温での使用のため、残留応力を制御し、クリープ耐性と靭性を回復するために、事前加熱およびPWHTが一般的に指定されます。 - 実用的な注意：両グレードにおいて、溶接手順の資格、正しいフィラー金属の選定、事前加熱/PWHTの指示の遵守が不可欠です。工具鋼はしばしば専門的な溶接消耗品と資格を必要とし、12Cr1MoVは確立された手順で発電所建設で一般的に溶接されます。

6. 腐食と表面保護

• どちらのグレードもオーステナイト系ステンレス鋼ではなく、腐食環境での挙動を考慮する必要があります。
• X20CrMoV12-1：約12%のCrを含み、低Cr鋼に対して昇温時の酸化抵抗が改善され、特定の環境での表面腐食抵抗が向上する可能性があります。しかし、腐食に対して無防備ではなく、表面処理、コーティング（耐熱塗料、摩耗用の窒化）、または保護雰囲気がしばしば使用されます。
• 12Cr1MoV：約1%のCrを含み、従来の腐食保護（塗装、ボイラーコーティング、陰極保護、または配管用の内部コーティング）に依存しています。その設計の焦点は、腐食抵抗よりも機械的およびクリープ性能です。
• PREN（ピッティング抵抗）は、これらの非安定化炭素含有鋼には一般的に適用されませんが、高クロム合金の局所腐食抵抗を評価する際の指標は次のとおりです：

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• 注：PRENはオーステナイト系ステンレス合金にのみ使用してください。急冷および焼戻しされた工具鋼や低合金圧力鋼には意味がありません。

7. 加工性、切削性、成形性

• X20CrMoV12-1
• 軟化焼鈍状態での切削性は合理的ですが、工具グレード鋼は硬い炭化物のためにより摩耗性があります。硬化後の最終加工は困難で、炭化物工具と慎重な送りが必要です。
• 硬化状態での成形および曲げは制限されます。熱間または冷間成形は、通常、硬化前に行われます。
• 表面研削および精密加工は一般的で、熱処理と変形制御が重要です。
• 12Cr1MoV
• 正規化/焼戻し条件での成形、曲げ、切削が工具鋼よりも容易です。
• 標準の高速鋼または炭化物工具での良好な切削性；高クロム工具鋼よりも摩耗性が低いです。
• 発電所材料に精通した加工工場では、溶接および溶接後熱処理が一般的です。

8. 典型的な用途

X20CrMoV12-1（工具/熱間加工）	12Cr1MoV（圧力/容器）
熱間工具：押出成形金型、ダイキャストインサート、鍛造および熱間剪断ブレード	ボイラー配管、蒸気管、ヘッダー、昇温で運転する圧力容器
熱間加工金型および熱硬度と耐摩耗性を必要とする部品	タービンケース、火力発電所用の配管、高温構造部品
成形プロセスでの高い摩擦およびサイクル熱負荷にさらされる部品	クリープ耐性と靭性が重要なボイラーおよび熱交換器部品

選定の理由： - 摩耗、持続的な昇温硬度、高局所荷重下での塑性変形抵抗が優先される場合は工具鋼を選択してください。 - 溶接性、靭性、圧力-温度サービスにおけるクリープおよびサイクル熱負荷下での長期強度が必要な場合は12Cr1MoVを選択してください。

9. コストと入手可能性

• X20CrMoV12-1：一般的に、合金含有量（Cr、Mo、V）が高く、特殊な加工が必要なため、キログラムあたりのコストが高くなります。工具鋼のバー、プレート、プリフォームは専門のサプライヤーから良好に入手可能ですが、大きな鍛造品や特殊なサイズはリードタイムが長くなる場合があります。
• 12Cr1MoV：通常、コストが低く、発電業界向けのパイプ、プレート、鍛造材料として広く入手可能です。ボイラーおよび圧力容器グレードのサプライチェーンは、世界中で成熟しています。

製品形状の考慮事項： - 工具鋼は通常、バー、プレート、事前硬化ブロックまたは鍛造ブランクとして供給されます。加工余裕と熱処理サイクルを計画する必要があります。 - 12Cr1MoVは、加工およびPWHTのために正規化状態でプレート、パイプ、シームレスチューブとして一般的に供給されます。

10. まとめと推奨

基準	X20CrMoV12-1	12Cr1MoV
溶接性	中程度から困難（高合金、高CE）	良好（低CE; ただしPWHTが必要なことが多い）
強度 - 靭性のバランス	高硬度＆強度; 低延性（硬化状態）	中程度の強度; 高い延性と靭性
コスト	高い（特殊合金、炭化物含有量）	低い（一般的な圧力容器グレード）

結論 — 簡潔なガイダンス： - 高い硬化性、昇温硬度、耐摩耗性および熱疲労に対する抵抗を持つ熱間加工/工具鋼が必要な場合はX20CrMoV12-1を選択してください — 例えば、熱間押出成形金型や鍛造金型、熱間剪断部品など。材料コストが高く、特殊な加工および厳格な熱処理/溶接手順が必要です。 - クリープ耐性、靭性、良好な溶接性（PWHTあり）が優先される昇温で運転する圧力容器、配管、構造部品の用途の場合は12Cr1MoVを選択してください — 例えば、ボイラー、蒸気ライン、発電所部品など。より良い加工経済性と広い入手可能性が期待できます。

最終的な注意：調達および工学図面で、正確な標準、必要な熱処理条件、寸法公差、溶接/PWHT手順を常に指定してください。重要な部品については、認定された化学分析および機械試験報告書を要求し、意図された接合ジオメトリおよびサービス温度に対して溶接手順を資格付けしてください。