5115スティール: 特性と主要な用途

5115鋼は中炭素合金鋼に分類され、主に優れた硬化性と強度で知られています。クロムなどの主要な合金元素を含み、腐食抵抗と硬化性を向上させ、モリブデンは高温での強度と靭性を改善します。5115鋼の典型的な組成には、約0.15%の炭素、0.5%のクロム、0.2%のモリブデンが含まれ、これらはさまざまな用途における機械的特性と性能に寄与します。

特性と性質

5115鋼は、良好な耐摩耗性、高引張強度、高いストレス耐性によって特徴付けられます。高強度と靭性が求められる用途、たとえばギア、シャフト、および動的荷重にさらされるその他の部品にしばしば使用されます。

利点：
- 高強度：高荷重用途に適しています。
- 良好な靭性：衝撃荷重下でも性能を維持します。
- 硬化性：所定の硬度レベルを達成するために熱処理できます。

制限：
- 溶接性：中程度; 亀裂を避けるために溶接中の慎重な制御が必要です。
- 腐食抵抗：合金成分により改善されますが、ステンレス鋼ほどの腐食抵抗はありません。

歴史的に、5115鋼は自動車や機械製造など、強度と靭性のバランスが有利なため、さまざまな産業で利用されてきました。

代替名、規格、および同等物

規格機関	指定/グレード	原産国/地域	備考
UNS	G51150	アメリカ	AISI 5150に最も近い同等物
AISI/SAE	5115	アメリカ	中炭素合金鋼
ASTM	A29/A29M	アメリカ	合金鋼の一般規格
EN	1.7035	ヨーロッパ	微小な組成差
JIS	SCr415	日本	特性は類似していますが、用途は異なります

上記の表は、5115鋼に関するさまざまな規格と同等物を示しています。特にG51150とAISI 5150は密接に関連していますが、特定の用途における性能に影響を与える可能性のある組成のわずかな違いがある場合があります。たとえば、1つのグレードに追加の合金元素が存在することで、靭性や硬化性などの特定の特性が向上することがあります。

主要な特性

化学組成

元素（記号と名称）	割合範囲（%）
C（炭素）	0.13 - 0.18
Cr（クロム）	0.40 - 0.60
Mo（モリブデン）	0.15 - 0.25
Mn（マンガン）	0.60 - 0.90
Si（シリコン）	0.15 - 0.40
P（リン）	≤ 0.035
S（硫黄）	≤ 0.040

5115鋼の主要な合金元素には以下が含まれます：
- クロム（Cr）：硬化性と腐食抵抗を向上させます。
- モリブデン（Mo）：特に高温で強度と靭性を改善します。
- マンガン（Mn）：硬化性と強度を増加させ、鋼の熱処理に対する反応を改善します。

機械的特性

特性	状態/温度	典型的な値/範囲（メートル法 - SI単位）	典型的な値/範囲（インチ法）	試験方法の参照規格
引張強度	焼きなまし	620 - 850 MPa	90 - 123 ksi	ASTM E8
降伏強度（0.2%オフセット）	焼きなまし	350 - 550 MPa	51 - 80 ksi	ASTM E8
伸び	焼きなまし	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
硬度（ロックウェルC）	焼き入れ＆焼きなまし	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
衝撃強度	-40°C	27 J	20 ft-lbf	ASTM E23

5115鋼の機械的特性は、高強度と靭性が求められる用途に適しています。引張強度と降伏強度は、大きな荷重に耐える能力を示し、伸びの割合は良好な延性を示し、破断せずに変形することを可能にします。

物理的特性

特性	状態/温度	値（メートル法 - SI単位）	値（インチ法）
密度	-	7.85 g/cm³	0.284 lb/in³
融点	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
熱伝導率	20°C	45 W/m·K	31 BTU·in/(hr·ft²·°F)
比熱容量	-	0.46 kJ/kg·K	0.11 BTU/lb·°F
電気抵抗率	-	0.00065 Ω·m	0.0004 Ω·in

5115鋼の密度は、その体積あたりの質量を示し、重量に敏感な用途にとって重要です。融点は高温に関わるプロセスにとって重要で、熱伝導率と比熱容量は熱伝達に関わる用途において重要です。

腐食抵抗

腐食性物質	濃度 (%)	温度 (°C/°F)	抵抗評価	備考
塩化物	3-5%	25°C/77°F	普通	ピッティング腐食のリスク
硫酸	10%	20°C/68°F	悪い	推奨されません
海水	-	25°C/77°F	普通	中程度の抵抗

5115鋼は、特に塩化物を含む環境において中程度の腐食抵抗を示しますが、ピッティングに対して感受性があります。304や316などのステンレス鋼と比較すると、5115鋼の抵抗は制限されており、腐食の多い環境にはあまり適していません。

対照的に、304ステンレス鋼は広範囲の腐食性物質に対して優れた抵抗を提供し、316ステンレス鋼はクロム含有量により、塩化物環境での性能を向上させています。

耐熱性

特性/制限	温度 (°C)	温度 (°F)	備考
最大連続使用温度	400°C	752°F	高温用途に適しています
最大間欠的使用温度	500°C	932°F	短期間の曝露のみ
スケーリング温度	600°C	1112°F	高温での酸化リスク

高温環境下での5115鋼は、強度と靭性を維持し、高温を扱う用途に適しています。ただし、400°Cを超える温度に長時間曝露されると、酸化やスケーリングが起こる可能性があり、その整合性が損なわれることがあります。

加工特性

溶接性

溶接プロセス	推奨被覆金属（AWS分類）	典型的なシールドガス/フラックス	備考
MIG	ER70S-6	アルゴン + CO2	予熱を推奨
TIG	ER80S-Ni	アルゴン	溶接後の熱処理が必要

5115鋼の溶接性は中程度で、亀裂のリスクを最小限に抑えるために、予熱が必要です。溶接後の熱処理は、応力を和らげ、溶接部の靭性を改善するためにしばしば必要です。

切削性

切削パラメータ	5115鋼	AISI 1212	備考/ヒント
相対切削性指数	60	100	5115は1212よりも切削性が低い
典型的な切削速度（旋盤加工）	30 m/min	50 m/min	より良い性能のために工具を調整

5115鋼の切削性は中程度であり、最適な結果を得るためには適切な工具と切削速度が必要です。相対切削性指数は、5115が優れた切削性を持つAISI 1212と比較して、切削性が低いことを示します。

成形性

5115鋼は、冷間および熱間成形プロセスを可能にする優れた成形性を示します。亀裂のリスクを大きく取らずに曲げたり成形したりできますが、過度の加工硬化を避けるためには注意が必要です。

熱処理

処理プロセス	温度範囲 (°C/°F)	典型的な浸漬時間	冷却方法	主な目的 / 期待される結果
焼なまし	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2時間	空気	軟化、延性向上
焼入れ	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30分	油または水	硬化
焼きなまし	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1時間	空気	脆さの低減、靭性の向上

熱処理プロセスは、5115鋼の微細構造と特性に大きく影響します。焼入れは硬度を高め、焼きなましは脆さを低減させ、強度と靭性のバランスの取れた組み合わせを実現します。

典型的な用途と最終用途

産業/セクター	特定の用途の例	この用途で利用される主要な鋼の特性	選択理由（簡潔に）
自動車	ギア	高強度、靭性	動的荷重に必要
機械	シャフト	良好な耐摩耗性、硬化性	耐久性に必須
航空宇宙	着陸装置の部品	高強度、疲労抵抗	安全上重要

その他の用途には以下が含まれます：
- 建設：高強度が求められる構造部品。
- 石油およびガス：高ストレスと摩耗にさらされる機器。

5115鋼は、動的荷重や厳しい環境にさらされる部品に必要な強度と耐久性を提供するため、これらの用途に選ばれています。

重要な考慮事項、選定基準、およびさらなる洞察

特徴/特性	5115鋼	AISI 4140	AISI 5160	簡潔な利点/欠点またはトレードオフのノート
主要な機械的特性	高強度	より高い靭性	より良い疲労抵抗	5115は強いが4140よりも靭性が低い
主要な腐食性側面	中程度の抵抗	悪い	普通	5115は4140よりは良いが、ステンレスほどは良くない
溶接性	中程度	良好	悪い	5115は溶接時の注意が必要
切削性	中程度	良好	普通	5115は4140よりも切削性が低い
成形性	良好	普通	良好	5115は容易に成形できる
約相対コスト	中程度	中程度	高い	多くの用途において費用対効果が高い
典型的な入手可能性	一般的	一般的	あまり一般的ではない	5115は広く入手可能

5115鋼を選択する際には、機械的特性、腐食抵抗、加工特性などを考慮する必要があります。高強度と靭性が求められる用途に対してコスト効果の高い選択肢ですが、中程度の溶接性や切削性も考慮に入れる必要があります。

要約すると、5115鋼は強度、靭性、耐摩耗性のバランスが取れた多目的な中炭素合金鋼であり、さまざまなエンジニアリング用途に適しています。その特性は熱処理によって調整可能であり、ステンレス鋼と比較して腐食抵抗に制限があるものの、さまざまな産業で人気のある選択肢となっています。