DIN 1652-3 21NiCrMoS2：高性能耐摩耗用途向け冷間引抜・剥皮鋼材
DIN 1652-3 グレード 21NiCrMoS2 は、硫黄添加 (0.02–0.035%) による優れた切削性と、Ni-Cr-Mo 合金系による高靭性・高疲労強度を兼ね備えたケース硬化鋼です。冷間引抜 (+C) または剥皮 (+P) 仕上げで供給され、公称径 60mm までの精密シャフト・ギア部材として最適です。使用温度下限 -60℃、中程度の芯部強度で、自動車駆動系・産業機械の重要部品に広く採用されています。
冷間引抜材と剥皮材の使い分け
| 特徴 | 冷間引抜 (+C) | 剥皮 (+P) |
|---|
| 寸法精度 | h9–h11 級、高精度 | h11–h12 級、中程度 |
| 表面粗さ Ra | 1.6–3.2 μm | 3.2–6.3 μm |
| 加工硬化 | 表面層に硬化層形成 | 最小限、素材特性維持 |
| 直線度 | ≤ 0.5 mm/m | ≤ 1.0 mm/m |
| コスト | やや高 | 経済的 |
| 推奨用途 | 精密切削最小化、高精度シャフト | 大径、後工程で大幅切削あり |
物理的・機械的・熱的・電気的特性
一般特性
機械的特性
| 特性 | 温度 | 値 |
|---|
| ヤング率（弾性率） | -100.0 ℃ | 217 GPa |
| 20.0 ℃ | 212 – 212.78 GPa |
| 100.0 ℃ | 207 GPa |
| 200.0 ℃ | 199 GPa |
| 300.0 ℃ | 192 GPa |
| 400.0 ℃ | 184 GPa |
| 500.0 ℃ | 175 GPa |
| 600.0 ℃ | 164 GPa |
| ブリネル硬度 | 20.0 ℃ | 145 – 192 HB |
| ポアソン比 | 20.0 ℃ | 0.29 |
| 剛性率（せん断弾性率） | 20.0 ℃ | 82.8 GPa |
熱的特性
| 特性 | 温度 | 値 | 備考 |
|---|
| 線膨張係数 | -100.0 ℃ | 1.05×10⁻⁵ 1/K | |
| 20.0 ℃ | 1.15×10⁻⁵ 1/K | |
| 100.0 ℃ | 1.21×10⁻⁵ 1/K | |
| 200.0 ℃ | 1.27×10⁻⁵ 1/K | |
| 300.0 ℃ | 1.32×10⁻⁵ 1/K | |
| 400.0 ℃ | 1.36×10⁻⁵ 1/K | |
| 500.0 ℃ | 1.40×10⁻⁵ 1/K | |
| 600.0 ℃ | 1.44×10⁻⁵ 1/K | |
| 長期使用最高温度 | – | -60 ～ 0 ℃ | |
| 融点 | – | 1382 – 1529 ℃ | Ni-Cr-Mo鋼として典型的 |
| 比熱容量 | -100.0 ℃ | 423 J/(kg·K) | |
| 20.0 ℃ | 461 J/(kg·K) | |
| 100.0 ℃ | 479 J/(kg·K) | |
| 200.0 ℃ | 499 J/(kg·K) | |
| 300.0 ℃ | 517 J/(kg·K) | |
| 400.0 ℃ | 536 J/(kg·K) | |
| 500.0 ℃ | 558 J/(kg·K) | |
| 600.0 ℃ | 587 J/(kg·K) | |
| 熱伝導率 | 20.0 ℃ | 46.3 W/(m·K) | |
| 100.0 ℃ | 47.1 W/(m·K) | |
| 200.0 ℃ | 46.2 W/(m·K) | |
| 300.0 ℃ | 44.1 W/(m·K) | |
| 400.0 ℃ | 41.3 W/(m·K) | |
| 500.0 ℃ | 38.6 W/(m·K) | |
| 600.0 ℃ | 35.9 W/(m·K) | |
| 熱拡散率 | 20.0 ℃ | 12.8 mm²/s | |
| 100.0 ℃ | 12.1 mm²/s | |
| 200.0 ℃ | 11.1 mm²/s | |
| 300.0 ℃ | 10.0 mm²/s | |
| 400.0 ℃ | 8.8 mm²/s | |
| 500.0 ℃ | 7.4 mm²/s | |
| 600.0 ℃ | 4.7 mm²/s | |
電気的特性
| 特性 | 温度 | 値 |
|---|
| 電気抵抗率 | 20.0 ℃ | 2.25×10⁻⁷ Ω·m |
| 100.0 ℃ | 2.72×10⁻⁷ Ω·m |
| 200.0 ℃ | 3.42×10⁻⁷ Ω·m |
| 300.0 ℃ | 4.26×10⁻⁷ Ω·m |
| 400.0 ℃ | 5.26×10⁻⁷ Ω·m |
| 500.0 ℃ | 6.40×10⁻⁷ Ω·m |
| 600.0 ℃ | 7.73×10⁻⁷ Ω·m |
化学成分（質量%）
| 元素 | 含有範囲 |
|---|
| 炭素 (C) | 0.17 – 0.23 % |
| クロム (Cr) | 0.40 – 0.70 % |
| マンガン (Mn) | 0.65 – 0.95 % |
| モリブデン (Mo) | 0.15 – 0.25 % |
| ニッケル (Ni) | 0.40 – 0.70 % |
| リン (P) | ≤ 0.04 % |
| ケイ素 (Si) | ≤ 0.40 % |
| 硫黄 (S) | 0.02 – 0.035 % |
熱処理プロセスと組織制御
供給時組織：フェライト＋パーライト（軟焼鈍後）
球状化焼鈍によりセメンタイトを球状化、硬度 145–192 HB に制御。冷間引抜・剥皮後もこの組織を維持し、切削加工時の工具摩耗を最小化します。
ケース硬化熱処理フロー
- 浸炭：900–930℃、炉内雰囲気 C ポテンシャル 1.0–1.2%、浸炭深さ 0.7–1.2 mm
- 徐冷/直接焼入れ：浸炭後 840–870℃ でオーステナイト化、油焼入れ
- 低温焼戻し：150–180℃ × 2h 以上、残留オーステナイト分解・応力除去
期待される最終特性（浸炭焼入れ焼戻し後）
| 項目 | 目標値 |
|---|
| 表面硬度 (HV0.3) | 700–800 HV (≈ 58–62 HRC) |
| ケース深さ (CHD 550 HV) | 0.7–1.2 mm |
| 芯部硬度 | 35–45 HRC |
| 芯部引張強度 | ≥ 1100 MPa |
| 芯部シャルピー衝撃値 (20℃) | ≥ 12 J |
| 芯部シャルピー衝撃値 (-60℃) | ≥ 8 J |
設計・調達のポイント
- 公称径 ≤ 60 mm で芯部まで均一な浸炭・焼入れ特性が得られる
- 大径材（> 60 mm） では芯部硬度低下・組織粗大化リスクあり、別鋼種（例：20NiCrMo2-2, 18CrNiMo7-6）検討推奨
- 溶接が必要な場合：予熱 200℃ 以上、焼後 550–600℃ 焼戻し必須、S 由来ホットクラック注意
- 非破壊検査：浸炭後研削前後に磁粉探傷、焼き割れ・脱炭層確認
同等規格・代替材料
| 規格 | 記号/グレード | 備考 |
|---|
| EN 10084 | 21NiCrMoS2 | 欧州統一規格、同等 |
| ISO 683-3 | 21NiCrMoS2 | 国際規格、同等 |
| JIS G 4104 | SNCM 220 (近似) | S 無添加、切削性劣る |
| AISI/SAE | 8620H (近似) | Mo 0.20% 固定、S 選択可 |
| DIN 1652-3 (旧) | 21NiCrMo2 (S 無し) | 高靭性要求時はこちら |
