30CrMo 対 35CrMo – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

30CrMoと35CrMoは、強度、靭性、熱処理後の靭性保持のバランスを必要とする部品のために地域および国家基準で指定されている、広く使用されている中炭素低合金鋼の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、わずかに低炭素でより延性のあるグレードと、わずかに高炭素で高強度のグレードとの間で選択のジレンマに直面することがよくあります。これは、加工性と溶接性を達成可能な強度と疲労寿命とバランスさせることを意味します。

これら2つのグレードの主な技術的な違いは、硬化性と最終強度をシフトさせる炭素および合金成分のわずかな違いです。35CrMoファミリーは通常、より高い炭素レベルと同様のクロム/モリブデン含有量で指定されており、より大きな焼入れ強度と硬化性を持ちますが、一般的に延性は低く、やや厳しい溶接要件があります。化学組成が近いため、シャフト、ギア、アクスル、鍛造品の材料を選択する際によく比較されます。

1. 基準および指定

• 同等または類似のグレードが現れる一般的または関連する基準および指定システム：
• GB/T（中国国家基準）：30CrMo、35CrMo。
• EN / DIN：35CrMo4（しばしば1.7225と記載される）および関連グレード；30CrMoの同等品は地域仕様に存在します。
• AISI/SAE：正確な1対1のAISI名はありませんが、機械的特性の同等品は多くの工学用途で41xxファミリー（例：4140）と比較されることがよくあります。
• JIS：SNCM/SNCM4xx指定の下で類似の高強度合金鋼が現れます。
• 分類：30CrMoと35CrMoの両方は、中炭素低合金鋼（ステンレス鋼でも工具鋼でもない）であり、焼入れおよび焼戻しまたは正規化および焼戻しを目的としています。これらは、重要な機械部品に使用される熱処理可能な構造/合金鋼の一般的なカテゴリに分類されます。

2. 化学組成および合金戦略

典型的な組成範囲は重量パーセントで示されます。正確な限界は特定の基準または供給者証明書に依存します。

元素	典型的な30CrMo（wt%）	典型的な35CrMo（wt%）
C	0.27 – 0.34	0.32 – 0.39
Mn	0.50 – 0.80	0.50 – 0.90
Si	0.15 – 0.35	0.15 – 0.35
P	≤ 0.025 – 0.035	≤ 0.025 – 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0.80 – 1.20	0.90 – 1.20
Ni	しばしば≤ 0.30（微量）	しばしば≤ 0.30（微量）
Mo	0.15 – 0.30	0.15 – 0.30
V, Nb, Ti, B	微量から≤ 0.05（微合金化されている場合）	微量から≤ 0.05（微合金化されている場合）
N	微量	微量

合金戦略： - 炭素は、焼入れおよび焼戻し後の達成可能な強度と硬度の主な決定要因です。炭素含有量が高い（35CrMoのように）と、強度と耐摩耗性が向上しますが、延性と溶接性は低下します。 - クロムとモリブデンは、硬化性、焼戻し抵抗、高温強度を向上させます。また、適切に熱処理されると疲労抵抗にも寄与します。 - マンガンとシリコンは脱酸剤であり、フェライト/パーライトマトリックスを強化します。硬化性に対してはわずかに影響を与えます。 - 微合金化（V、Nb、Ti）は、時折、粒子サイズを精製し、靭性を改善するために使用されますが、これらは標準の30CrMo/35CrMoグレードにおける主要な合金元素ではありません。

3. 微細構造および熱処理応答

典型的な微細構造と応答： - 圧延/正規化された状態：両方のグレードは、冷却および正規化に応じて、フェライト–パーライトまたは細かい焼戻しマルテンサイト/フェライト微細構造を生成します。正規化は粒子サイズを精製し、後続の加工または焼戻しのための均一な構造を生成します。 - 焼入れおよび焼戻し（Q&T）：両方の鋼は、オーステナイト化（典型的なオーステナイト化温度は断面サイズおよび基準に依存）によって一般的に硬化され、油または水で焼入れされた後、所望の強度–靭性バランスを達成するために焼戻しされます。35CrMoは通常、わずかに高い炭素含有量を持つため、同様の焼入れ速度でマルテンサイトの割合が高くなり、焼戻し後に硬くて強くなります。 - 熱機械処理：制御された圧延と加速冷却は、粒子サイズをさらに精製し、靭性を改善することができます。両方のグレードが恩恵を受けますが、30CrMoはより良い延性のために最適化でき、35CrMoはより高い強度と疲労寿命のために最適化されています。 - 粒子サイズの制御と焼戻しの実践は靭性にとって重要です。過剰焼戻しは強度を低下させ、焼戻し不足は脆化のリスクを伴います。

4. 機械的特性

機械的特性は、熱処理、断面サイズ、および供給者の実践に大きく依存します。表は、高強度部品に使用される標準的な焼入れおよび焼戻しレジメン後の典型的な特性範囲を示しています。

特性（典型的なQ&T範囲）	30CrMo	35CrMo
引張強度（MPa）	800 – 1,050	850 – 1,200
降伏強度（MPa）	600 – 900	650 – 1,000
伸び（％）、A5	10 – 16	8 – 14
シャルピーVノッチ衝撃（J、室温）	30 – 70（焼戻しに依存）	25 – 60
硬度（HRC）	22 – 36	25 – 40

解釈： - 35CrMoは、通常、引張強度と降伏強度が高く、与えられた熱処理の厳しさに対して硬度も高くなります。これは、より高い炭素割合と同様のCr/Moレベルが硬化性を高めるためです。 - 30CrMoは、同等の強度レベルでわずかに靭性が高く、延性がある傾向があるため、エネルギー吸収と成形が重要な場合に好まれます。 - 衝撃靭性は焼戻しによって設計できます。低い焼戻し温度は強度を上げますが、衝撃靭性を低下させます。

5. 溶接性

溶接性は、主に炭素当量と硬化性を高める元素の存在によって支配されます。一般的な指標：

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

および

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

定性的解釈： - 35CrMoは通常、炭素が高いため、$CE_{IIW}$および$P_{cm}$が30CrMoよりも高く、冷間割れに対する感受性が高く、予熱、制御されたインターパス温度、および溶接後熱処理（PWHT）の必要性が高くなります。 - 30CrMoは35CrMoよりも良好な溶接性を示しますが、厚い断面や高い拘束がある場合には、予熱と制御された手順が必要です。 - 重要な用途で溶接する際には、両方のグレードで一致またはオーバーマッチのフィラー金属、応力緩和焼戻し、および水素制御手順の使用が一般的です。

6. 腐食および表面保護

• 30CrMoも35CrMoもステンレス鋼ではなく、腐食抵抗はプレーンカーボン/低合金鋼と同様であり、表面仕上げとサービス環境によって影響されます。
• 典型的な保護戦略：塗装、粉体塗装、溶剤系コーティング、熱浸漬亜鉛メッキ、または露出に応じた局所的なメッキ。湿気の多いまたは腐食性のある環境での長期露出には、亜鉛メッキまたはバリアコーティングの適用が推奨されます。
• PREN（ピッティング抵抗等価数）は、これらの非ステンレスグレードには適用されません。ステンレスグレードの場合は次のように使用します：

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

しかし、これは30CrMo/35CrMoには意味がありません。

7. 製造、加工性、および成形性

• 加工性：30CrMoは、わずかに低炭素であるため、35CrMoと比較して正規化または焼鈍状態で一般的に加工が容易です。両方とも、焼入れおよび焼戻し後は加工が難しくなります。
• 成形性/曲げ：正規化または焼鈍状態での方が容易です。完全に硬化した状態での成形は避けてください。30CrMoは、処理後の強度が低いため、冷間曲げおよび成形をわずかに受け入れやすいです。
• 研削および仕上げ：両方のグレードは、合金鋼の標準的な加工および研削手法に良く反応します。疲労性能を満たすために、表面処理または残留応力制御が必要な場合があります。
• 成形前の熱処理（例：正規化または焼鈍）は、成形性を改善するための一般的な実践です。

8. 典型的な用途

30CrMo — 典型的な用途	35CrMo — 典型的な用途
シャフト、スピンドル、中程度の負荷のギア、接続ロッド、靭性と加工性が優先されるファスナー	重負荷シャフト、ギアホイール、アクスル、クランクシャフト、高疲労機械部品で、より高い強度と硬化性が要求される
成形に役立つ良好な延性を持つ鍛造部品	より高い断面サイズの硬化性が要求される重機およびオフハイウェイ機器の部品
中程度の予熱制御で溶接が必要な部品	強度と疲労寿命が主要な設計要因である高強度の焼入れおよび焼戻し部品

選択の理由： - 強度と靭性のバランスが必要で、加工/溶接が容易で、部品の断面サイズが中程度である場合は30CrMoを選択してください。 - より高い強度、より大きな断面の深い硬化、および改善された疲労抵抗が必要で、溶接および製造の制御が可能な場合は35CrMoを選択してください。

9. コストと入手可能性

• コスト：35CrMoは、わずかに高い炭素および合金含有量のため、通常30CrMoよりもやや高価です。また、高強度バリアントの購入仕様は、しばしば厳しい管理が必要です。価格差は通常、総部品コストに対して控えめです。
• 入手可能性：両方のグレードは、主要な製鉄所やディストリビューターからバー、ロッド、鍛造品として広く入手可能です。35CrMo（35CrMo4 / 1.7225）は非常に一般的なヨーロッパのグレードであり、30CrMoはGB/T指定を使用する市場で一般的です。標準的な製品形状のリードタイムは一般的に短いですが、特別な化学組成やプレミアムバー/鍛造サイズは長い納期が必要な場合があります。

10. 概要と推奨

基準	30CrMo	35CrMo
溶接性	良好（低CE）	より要求される（高CE、予熱/PWHTが必要）
強度–靭性バランス	バランスが取れている—中程度の強度で良好な靭性	より高い強度と硬化性、同じ焼戻しでわずかに低い延性/靭性
コスト	低い / コスト効率が良い	わずかに高い

次の条件に該当する場合は30CrMoを選択してください： - 強度と靭性のバランスの取れた組み合わせが必要で、加工性が良く、溶接手順が容易であること。 - 部品のサイズが中程度で、より寛容な焼戻しおよび成形挙動を好む場合。 - コストと製造の簡素さが重要です。

次の条件に該当する場合は35CrMoを選択してください： - 設計の要求がより高い引張/降伏強度、より大きな断面の深い硬化、または疲労寿命の向上を優先する場合。 - より厳しい溶接管理（予熱、インターパス制限、PWHT）および熱処理中の厳しいプロセス管理を受け入れることができる場合。 - 使用例には、より高い焼入れ強度が決定的な重負荷シャフト、アクスル、または高ストレスギアが含まれます。

最終的な注意：正確な性能は、選択された基準、特定の供給者の化学限界、および熱処理スケジュールに強く依存します。重要な部品については、必要な機械的特性、検査基準（硬度、衝撃、微細構造）、および溶接手順の資格を購入注文に明記し、設計の初期段階で熱処理および溶接の専門家と協力して、正しいグレードとプロセスの範囲を選択してください。