20CrMo 対 42CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
20CrMoと42CrMoは、電力伝送部品、ギア、シャフト、重機で広く使用されている二つの低合金鋼です。エンジニアや調達マネージャーは、コア強度、表面硬度、焼入れ性、溶接性、コストのバランスを取る際に、しばしばこの二つの間で選択をしなければなりません。典型的な意思決定の文脈には、部品が延性コアを持つ硬化ケース（浸炭設計）が必要か、均一な機械的特性が求められる通し焼入れされた高強度シャフトが必要かということが含まれます。
主な運用上の違いは、一方のグレードが浸炭および表面硬化戦略に合わせて調整されており、比較的低いバルク炭素を持ちながらも改善されたケース特性を持つのに対し、もう一方は高いバルク炭素と合金を含み、焼入れおよび焼戻し後に高い厚み方向強度と靭性を生み出すことです。両方のグレードはクロムとモリブデンを添加した低合金鋼であるため、熱処理経路が最終的な性能を左右する類似の回転部品や荷重部品の比較に一般的に使用されます。
1. 規格と指定
- 20CrMo
- 一般的に参照される規格: GB（中国）指定（例: 20CrMo）、EN同等物（浸炭鋼のような5120/20Cr）、およびJISのバリエーション。通常、低合金浸炭鋼として分類されます。
- カテゴリ: 浸炭（ケース硬化）用に設計された低合金鋼。
- 42CrMo
- 一般的に参照される規格: GB 42CrMo（42CrMo4）、EN 1.7225 / 42CrMo4、AISI/SAE 4140（近似同等物）、JIS。通し焼入れ用のクロム–モリブデン合金鋼として分類されます。
- カテゴリ: 低合金、焼入れおよび焼戻し鋼（構造用/合金鋼）。
どちらもステンレス鋼ではなく、合金鋼です（厳密な意味でのHSLAではありませんが、焼入れ性と強度を向上させるために合金化されています）。
2. 化学組成と合金戦略
以下は、指針として使用される典型的な元素範囲です（範囲は一般的な仕様を反映しており、正確な限界は選択された規格と熱処理条件に依存します）。
| 元素 | 典型的な20CrMo（wt%） | 典型的な42CrMo（wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.17–0.25 | 0.38–0.45 |
| Mn | 0.35–0.65 | 0.50–0.90 |
| Si | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 |
| P | ≤ 0.025 | ≤ 0.025 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0.40–0.70 | 0.90–1.20 |
| Ni | ≤ 0.30（微量） | ≤ 0.30（微量） |
| Mo | 0.08–0.20 | 0.15–0.30 |
| V | ≤ 0.05（微量） | ≤ 0.05（微量） |
| Nb | 通常微量 | 通常微量 |
| Ti | 通常微量 | 通常微量 |
| B | 通常微量 | 通常微量 |
| N | 通常微量 | 通常微量 |
合金が特性に与える影響: - 炭素: 強度と焼入れ性の主な制御因子。浸炭鋼（20CrMo）のバルク炭素が低いことで、延性コアと浸炭後の良好なケース/コア勾配が促進されます。42CrMoの高い炭素は、セクション全体での高い焼入れ強度と硬度をもたらします。 - クロムとモリブデン: 焼入れ性、焼戻し抵抗、強度を向上させます。両方のグレードはCrとMoを使用しますが、42CrMoは一般的に高いCrとMoを持ち、より高い強度レベルへの通し焼入れを可能にします。 - マンガンとシリコン: 強度と脱酸に寄与します。 - 微量合金元素（V、Nb、Ti）は、粒径を制御し靭性を改善するために微量で存在することがありますが、これらのグレードでは主な合金元素ではありません。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造と応答: - 20CrMo - 圧延/正規化後: 主にフェライト–パーライトまたは正規化に応じた細粒微細構造。 - 浸炭 + 焼入れ & 焼戻し後: 制御された炭素勾配を持つ硬いマルテンサイト/浸炭ケース; コアは焼戻しマルテンサイトまたは焼戻しフェライト–パーライトで、比較的低い強度と高い延性を持ちます。浸炭により、20CrMoは表面摩耗抵抗が必要でありながらコアの靭性を犠牲にしない理想的な材料となります。 - 42CrMo - 圧延/正規化後: フェライト–パーライト; CrとMoによる良好な粒径制御。 - 焼入れ & 焼戻し後: 焼入れ時にマルテンサイトに変わり、焼戻し後は断面全体で高い強度と靭性を達成します。焼戻し温度は強度–靭性のバランスを制御します; 高い焼戻しは強度を低下させ、靭性を向上させます。 - 熱機械処理: 両方のグレードは、粒径を精製し機械的特性を改善するために制御された圧延と加速冷却に応じます。ただし、42CrMoの高い炭素と合金含有量は、焼入れ & 焼戻しによる強化に対してより応答性があります。
4. 機械的特性
機械的特性は熱処理と断面サイズに強く依存します。表は、一般的に使用される熱処理条件（正規化、浸炭/焼入れ焼戻し、または焼入れ & 焼戻し）に対する代表的な範囲を示しています。これらは指標的なものであり、設計上重要な値については供給者のデータシートまたは試験証明書を指定してください。
| 特性 | 20CrMo（典型的な浸炭後/コア焼戻し） | 42CrMo（典型的な焼入れ & 焼戻し） |
|---|---|---|
| 引張強度（MPa） | コア: ~500–800 | ~800–1200 |
| 降伏強度（MPa） | コア: ~300–600 | ~600–1000 |
| 伸び（%） | コア: 中程度から良好（10–18%） | 焼戻しによって異なる（8–16%） |
| 衝撃靭性（J、室温） | 焼戻し後の良好なコア靭性 | 適切な焼戻しで良好から非常に良好; 焼戻しレベルに依存 |
| 硬度（HRCまたはHB） | ケース硬度高（HRC 55–62）、コア低（HB 170–250） | 通し硬度が達成可能（例: HRC ~25–55、焼戻しに依存） |
説明: - どちらが強いか？ 通し焼入れ状態では、42CrMoは高いバルク引張強度と降伏強度を提供します。 - どちらが靭性/延性があるか？ 20CrMoの浸炭後の低いコア炭素は、優れたコア延性と靭性をもたらし、摩耗抵抗のあるケースを提供します。42CrMoは、焼戻しによって靭性–強度のバランスを設計できますが、通常は最適化された場合でも、浸炭された20CrMo部品のコアよりも高い強度と低い延性を持ちます。
5. 溶接性
溶接性の考慮事項: - 炭素含有量と焼入れ性が重要です。高いバルク炭素と合金化は、熱影響部（HAZ）で硬く脆いマルテンサイトのリスクを高め、事前加熱/中間パスおよび溶接後熱処理（PWHT）の要件を増加させます。 - 20CrMo: 低いバルク炭素は非浸炭セクションの溶接性を改善しますが、部品が浸炭されている場合、溶接は浸炭層を考慮する必要があります（適切な手順なしでケースを通して溶接することは避けてください）。浸炭された部品は一般的に、溶接前後の注意が必要です。 - 42CrMo: 高い炭素と合金化は、HAZ硬化の傾向を高めます。構造用溶接のためには、亀裂を避けるために制御された事前加熱とPWHTが一般的に必要です。 - 炭素等価式の使用は、溶接性を評価するのに役立ちます。例えば: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - 解釈: 高い$CE_{IIW}$または$P_{cm}$の値は、より高い焼入れ性とより厳しい溶接管理を示します。実際には、42CrMoは通常、20CrMoよりも高い炭素等価測定値を示し、より制限的な溶接事前加熱とPWHTを意味します。
6. 腐食と表面保護
- 20CrMoも42CrMoもステンレスではなく、腐食抵抗が必要な場合は保護措置が必要です。
- 一般的な保護: 環境に応じて、塗装、粉体塗装、油塗布、リン酸処理、または熱浸漬亜鉛メッキ。寸法/熱処理された表面が厳しい部品には、機械的コーティングや潤滑仕上げが好まれる場合があります。
- PRENのようなステンレス指標は、これらの炭素/合金鋼には適用されません。ステンレス鋼に関する参考: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ これは20CrMoや42CrMoには関連性がなく、なぜならそれらのCrとMoのレベルおよびマトリックス化学は、ピッティング腐食抵抗のために設計されていないからです。
7. 加工、機械加工性、成形性
- 機械加工性:
- 20CrMo: アニーリングまたは正規化状態での中程度の機械加工性; 低いバルク炭素はコア領域での加工の容易さを改善します。浸炭された表面は硬化後に加工が難しいです。
- 42CrMo: 硬化された場合、低炭素鋼よりも機械加工性が劣ります; 正規化またはアニーリング状態では加工は管理可能ですが、高い炭素と合金含有量のためにチャタリングや工具摩耗が考慮されます。
- 成形性:
- 20CrMo（アニーリング/正規化）: コア炭素が低いため、冷間成形および曲げ能力が優れています。浸炭後の成形は一般的ではありません。
- 42CrMo: 高強度条件下での冷間成形は制限されます; 最終熱処理前にアニーリング/正規化状態での成形を設計してください。
- 表面仕上げ: 両方とも研削、ショットピーニング、表面仕上げに良く応答します。硬化部品の研削には適切な工具選択と冷却剤制御が必要です。
8. 典型的な用途
| 20CrMo（浸炭グレード） | 42CrMo（通し焼入れグレード） |
|---|---|
| ギア（浸炭ケースを持つ伝動ギア） | 高いトルク強度を必要とするシャフトとアクスル |
| 硬い摩耗面を持つスプラインシャフトとピニオン | 高強度ファスナー、重負荷シャフト |
| 摩耗抵抗のある表面とタフなコアを必要とするブッシングまたは部品 | クランクシャフト、均一な強度が必要な重機部品 |
| 摩耗抵抗と靭性を組み合わせるために浸炭プロセス用に設計された部品 | 通し焼入れと予測可能なバルク特性が必要な構造部品 |
選択の理由: - 硬化された摩耗抵抗のある表面（ケース）と延性のあるタフなコアが設計に利益をもたらす場合は20CrMoを選択してください — ギアや高負荷の接触面に典型的です。 - 断面全体で高い均一バルク強度と疲労抵抗が必要で、通し焼入れが許容または必要な場合は42CrMoを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト: 42CrMoは通常、合金含有量が高く、処理要件が厳しいため、プレーンカーボン鋼よりもトンあたりのコストが高くなります; 20CrMoはグレードと市場に応じて同様またはやや低い価格になることがありますが、追加のプロセスコスト（浸炭）が発生する可能性があります。
- 製品形状による入手可能性: 両方のグレードは、専門の製鋼所やディストリビューターからバー、鍛造品、プレートの形で世界中で広く入手可能です。42CrMo（またはAISI 4140 / 42CrMo4のような同等物）は、一般的に在庫されている標準合金です; 20CrMoのような浸炭グレードも一般的ですが、正規化または事前浸炭されたブランクとして供給されることがあります。
- 総所有コスト: 熱処理（20CrMoの浸炭サイクルコスト）、熱処理後の機械加工/研削、および追加の非破壊試験や表面保護を考慮してください。一見安価なベースグレードは、浸炭および仕上げ工程の後にコストが高くなる可能性があります。
10. まとめと推奨
| 基準 | 20CrMo | 42CrMo |
|---|---|---|
| 溶接性 | コア溶接に適している; 制御なしで浸炭ケースを通しての溶接は避ける | より制限的 — より高い事前加熱/PWHTが必要なことが多い |
| 強度–靭性バランス | 摩耗 + 靭性のための優れたケース/コアの組み合わせ | より高い厚み方向強度; 焼戻しによって調整可能な靭性 |
| コスト | 競争力のあるベースコスト; 浸炭のための追加プロセスコスト | 高い合金コスト; 通し焼入れのためのシンプルな熱処理経路 |
推奨: - 摩耗抵抗のために硬化された表面が必要で、延性のあるタフなコアを保持する必要がある場合は20CrMoを選択してください — ギア、ピニオン、浸炭シャフトに典型的です。 - 断面全体で高い厚み方向強度と予測可能な焼入れ焼戻し状態が必要な場合は42CrMoを選択してください — シャフト、アクスル、または均一な特性が重要な重負荷構造部品に適しています。
最終的な注意: 材料選択は、特定の設計寿命、疲労荷重、寸法制約、および製造後の処理（浸炭、窒化、焼入れ & 焼戻し、PWHT）と常に相関させてください。調達または設計仕様を最終決定する前に、製鋼所の証明書または適用される規格から正確な化学的および機械的限界を確認してください。