30CrMo 対 35CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

30CrMoおよび35CrMoは、鍛造または機械加工された部品に一般的に指定されるクロム–モリブデン合金鋼で、通常の炭素鋼よりも高い強度と靭性を必要とします。エンジニアや調達専門家は、疲労と摩耗抵抗を製造性とコストのバランスを取る際に、通常これらの間で選択します。例としては、シャフト、ギア、コネクティングロッド、高強度ファスナーなどがあります。

主な選択のジレンマは機械的性能です：35CrMoは、より高い焼入れ強度と摩耗抵抗のために指定されている一方で、30CrMoは多くの用途に対して延性、靭性、溶接性のわずかに有利なバランスを提供します。これらの2つのグレードは、同じ合金系（Cr–Mo）および加工ルートを共有しているため、頻繁に比較されますが、主に炭素含有量が異なり、したがって達成可能な強度と焼入れ性が異なります。

1. 規格と指定

• これらのグレードが現れる典型的な規格と指定：
• GB/T（中国）：30CrMo、35CrMo（一般的に使用される国家合金鋼グレード）。
• EN：EN 34CrMo4/42CrMo4シリーズと同様の機能（比較的同等、正確な1:1ではない）。
• JIS：JISファミリーにはクロム–モリブデン鋼がありますが、直接の名称の同等物は異なります。
• ASTM/ASME：直接のASTM単一番号の同等物はない；エンジニアリングリファレンスのためにAISI/SAE 4130/4140ファミリーで比較可能なグレードが見つかります。
• 分類：30CrMoと35CrMoはどちらも低合金、焼入れおよび焼き戻し合金鋼です（ステンレス鋼ではなく、工具鋼でもなく、正確な意味でのHSLAではありません）。これらは高強度と良好な焼入れ性のために設計されています。

2. 化学組成と合金戦略

表：典型的な組成範囲（重量％）。示されている値は、これらのGBスタイルのグレードに対する仕様で一般的に使用される代表的な範囲です。

注記： - 機械的な違いの大部分は炭素（C）含有量から来ています：35CrMoは30CrMoよりも多くの炭素を含み、焼入れ強度と硬度の可能性を高めます。 - クロム（Cr）とモリブデン（Mo）は焼入れ性、高温強度、および焼戻し抵抗を高め、通常の炭素鋼に対して焼戻し軟化に対する抵抗も改善します。 - シリコン（Si）とマンガン（Mn）は強度と脱酸に寄与し、過剰なMnは焼入れ性を高め、溶接性に影響を与えます。 - V、Nb、またはTiのような元素は、特定のバリアントで低レベルで現れることがあり、粒子サイズを細かくし、靭性やクリープ抵抗を改善します。

合金が性能に与える影響： - 炭素は強度と硬度を高めますが、過剰に増加すると延性と溶接性を低下させます。 - CrとMoは焼入れ性を高め（大きなセクションでの通し焼入れを可能にし）、焼戻し抵抗を向上させます；Moは特に焼戻し後の強度を維持するために重要です。 - トランプ元素（P、S）の管理とMn/Siのバランスは、衝撃靭性と鍛造品質にとって重要です。

3. 微細構造と熱処理応答

典型的な微細構造： - アニーリングまたは正規化状態では、両グレードはフェライトとパーライトの混合を示し、粒子サイズは鍛造および正規化パラメータによって影響を受けます。 - オーステナイト化温度からの焼入れ後、両者はマルテンサイト（またはセクションサイズと冷却速度に応じてベイナイト）を形成し、35CrMoはその炭素含有量が高いため、与えられた焼入れに対して未焼戻しマルテンサイトの体積分率が高くなります。 - 適切な焼戻しはマルテンサイトを焼戻しマルテンサイト（フェリティックマトリックス内のセメンタイド分散）に変換し、強度と靭性の最終的なバランスを設定します。

熱処理ルートと効果： - 正規化：粒子サイズを細かくし、機械的均一性を改善します；鍛造の前処理として使用され、焼入れ前に一貫した微細構造を確保します。 - 焼入れと焼戻し（Q&T）：両合金が高強度に達するための主要なルートです。高い焼戻し温度は硬度を低下させ、延性と靭性を高めます。 - サーモメカニカル加工：制御された鍛造および冷却サイクルは、粒子の細かさと結果として得られる靭性を改善できます；両鋼は、疲労および衝撃特性を最大化するために、制御された圧延の後に適切な熱処理を受けることから利益を得ます。 - 実用的な意味：35CrMoは炭素含有量が高いため、過度の脆さを避けるためにオーステナイト化、焼入れの厳しさ、および焼戻しの慎重な管理が必要です。30CrMoは靭性が重要な場合、熱処理中にわずかに許容されます。

4. 機械的特性

表：比較機械的特性（定性的範囲と方向）。絶対値は製品形状と熱処理に強く依存します；この表は、比較可能な焼入れおよび焼戻しプロセス後の典型的な相対的挙動を示しています。

説明： - 35CrMoの高い炭素含有量は、焼入れおよび焼戻し後の焼入れ性と達成可能な引張強度および降伏強度を高めます。これにより、より高い静的または疲労荷重が予想される場合に好まれます。 - 30CrMoは通常、同じ名目強度レベルでより良い延性と衝撃靭性を示します。これは、炭素が低く、焼入れ後のマルテンサイトの脆さがわずかに低いためです。 - 設計者は、強度と靭性の必要な組み合わせを満たすために熱処理パラメータを選択する必要があります；たとえば、高温での焼戻しは延性を回復しますが、最大強度を低下させます。

5. 溶接性

溶接性は炭素当量と焼入れ性に強く影響されます。合金鋼の場合、標準的な経験則が事前加熱および溶接後の熱処理の必要性を評価するのに役立ちます：

• 溶接アセンブリに使用される一般的な炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• 複雑な合金混合物のためのより包括的なパラメータ： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

解釈（定性的）： - 35CrMoはより高い炭素を含むため、その炭素当量と$P_{cm}$は一般的に30CrMoよりも高く、冷却亀裂や硬い熱影響部（HAZ）への感受性が高いことを示します。 - 両グレードにおいて、CrとMoは焼入れ性に寄与し、したがってHAZの硬化リスクを高めます；Moは溶接後の保持硬度に顕著な影響を与えます。 - 実用的な溶接ガイダンス：事前加熱、制御されたインターパス温度、および溶接後の熱処理（PWHT）は、数ミリメートル以上の厚さの部品を接合する際に両グレードで頻繁に必要です；35CrMoに対する要件はより厳格です。 - 溶接性が主要な要件である場合、30CrMoまたは低炭素の代替品（または靭性に合わせたフィラー金属）が、PWHTの負担を最小限に抑えるために好まれることがよくあります。

6. 腐食と表面保護

• 30CrMoも35CrMoもステンレス鋼ではなく、組成だけでは重要な腐食抵抗を提供しません。
• 典型的な保護：塗装、粉体塗装、溶剤ベースのプライマー、および熱浸漬亜鉛メッキ（中程度の環境用）。攻撃的な環境では、追加のバリア（ライニング、犠牲アノード）または腐食許容を使用する必要があります。
• ステンレスの類似物が考慮される場合、PRENのような腐食指数が使用されます： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• PRENは30CrMo/35CrMoには適用されません。なぜなら、これらはステンレスではなく、CrおよびMoのレベルが低すぎ、ピッティング抵抗のための意図的な窒素がないからです。
• 実用的な注意：表面硬化（誘導、窒化）は慎重に適用できますが、窒化およびケース硬化は、過度の歪みを引き起こさないように基材とプロセスの選択が必要です。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：35CrMoは、より高い硬度のため、熱処理された状態でわずかに加工が難しい傾向があります；アニーリング状態では、両グレードは合理的に加工できますが、チップ制御と工具寿命は炭素およびMnレベルに依存します。硬化状態では、炭化物工具と適切な切削速度が推奨されます。
• 成形性/曲げ性：アニーリングまたは正規化状態では、30CrMoは強度が低く、延性が高いため、曲げや成形が容易です。これらの合金鋼の冷間成形は制限されており、複雑な形状には熱間成形と成形後の熱処理が一般的です。
• 仕上げ：研削、ショットピーニング、および表面処理は両グレードで類似しており、特に35CrMoの硬化後の仕上げ中の残留応力と歪みに注意が必要です。

8. 典型的な用途

選択の理由： - 設計が靭性、延性、および加工性の良好な妥協を必要とし、強度が高い場合は30CrMoを選択します。 - より高い引張強度と摩耗抵抗が必要で、製造がより厳格な熱処理および溶接手順に対応できる場合は35CrMoを選択します。

9. コストと入手可能性

• コスト：35CrMoは通常、炭素含有量が高く、指定された靭性を達成するために時折厳しい加工管理が必要なため、30CrMoよりもわずかにプレミアムがかかります。ただし、原材料コストの違いは控えめであり、熱処理および追加の溶接管理が35CrMoの総部品コストにより大きく寄与します。
• 入手可能性：両グレードは、GBスタイルの合金が在庫されている地域で、鍛造、バー、およびビレットで一般的に入手可能です。製品形状（バー、鍛造、シームレスチューブ）による入手可能性は、サプライヤーや地域によって異なります。微合金化や認証されたトレーサビリティを伴う特別なバリアントを調達することは、リードタイムを増加させる可能性があります。

10. まとめと推奨

定性的な主要なトレードオフを要約した表：

結論： - 耐久性が優れた靭性–延性のバランス、容易な溶接、および要求される熱処理管理が優先される場合は30CrMoを選択します。典型的な用途には、中負荷シャフト、いくつかの溶接が必要な部品、および衝撃抵抗が重要な部品が含まれます。 - より高い究極および降伏強度と増加した焼入れ性が不可欠で、製造計画がより慎重な焼入れ/焼戻しおよび溶接手順に対応できる場合は35CrMoを選択します。典型的な用途には、重負荷ギア、高強度ファスナー、およびより高い疲労または摩耗要求にさらされる部品が含まれます。

最終的な実用的なヒント：重要な部品については、購入文書に必要な熱処理条件、硬度制限、シャルピー衝撃要件（該当する場合）、および溶接手順の資格を指定してください。30CrMoと35CrMoの性能の違いは、名目上のグレード名だけに依存するのではなく、制御された熱処理、検証された溶接手順、および検査（硬度マッピング、金属組織学、または機械試験）を通じて最も信頼性を持って管理されます。