35# 対 45# – 組成、熱処理、特性、および応用
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はじめに
35#と45#は、機械部品、シャフト、ファスナー、鍛造品で広く使用されている中炭素鋼のグレードです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択時にコスト、加工性、溶接性、荷重耐性のトレードオフを考慮することが一般的です。典型的な意思決定の文脈には、より高い引張強度と耐摩耗性を優先するか、より容易な成形、低い熱処理感受性、より簡単な接合手順を優先するかが含まれます。
この2つのグレードの主な違いは、炭素含有量と、35#と比較して45#材料のより高い強度と硬度の可能性です。この基本的な組成の変化は、微細構造、熱処理応答、硬化性、下流の操作に影響を与えます。これが、これらのグレードが強度、靭性、製造性のバランスを必要とする部品に対して頻繁に比較される理由です。
1. 規格と呼称
- GB（中国）：35#と45#（中国の規格で一般的に使用される名称）。
- EN / ヨーロッパ：C35、C45（熱処理可能鋼のEN 10083ファミリー）。
- SAE/AISI：おおよそ1035（≈0.35%C）および1045（≈0.45%C）に相当します。
- JIS（日本）：S35C、S45C。
- ASTM/ASME：直接の1対1の単一呼称はありませんが、より広範な仕様（バー、鍛造品）でカバーされる中炭素鋼に相当します。
分類：35#と45#はどちらもプレーンカーボン鋼です（ステンレスではなく、デフォルトでHSLAではありません）。熱処理用の基本的なカーボン鋼として供給されることがあります。C、Mn、Si以外の合金元素は、製品が意図的に合金または微合金として指定されない限り、通常は最小限です。
2. 化学組成と合金戦略
表：典型的な組成範囲（wt%）。これは、35および45の呼称を持つ炭素鋼グレードに実際に使用される代表的な範囲です。実際に供給される材料は、製鉄所の証明書と照合する必要があります。
| 元素 | 35#（典型的、wt%） | 45#（典型的、wt%） |
|---|---|---|
| C | 0.32 – 0.38 | 0.42 – 0.50 |
| Mn | 0.25 – 0.65 | 0.50 – 0.80 |
| Si | 0.15 – 0.35 | 0.15 – 0.35 |
| P | ≤ 0.035（最大） | ≤ 0.035（最大） |
| S | ≤ 0.035（最大） | ≤ 0.035（最大） |
| Cr | 通常≤ 0.25（微量） | 通常≤ 0.25（微量） |
| Ni | 通常≤ 0.30（微量） | 通常≤ 0.30（微量） |
| Mo | 通常≤ 0.08（微量） | 通常≤ 0.08（微量） |
| V, Nb, Ti | 通常指定されない（いくつかのルートで微量） | 通常指定されない（微量） |
| B, N | 制御されている場合は微量レベル | 制御されている場合は微量レベル |
合金が特性に与える影響： - 炭素：強度と硬化性の主な要因。高いC（45#）は、硬化および焼戻し後に達成可能な硬度と引張強度を増加させますが、延性と溶接性を低下させます。 - マンガン：硬化性と引張強度を高め、硫黄による脆さを相殺します。両方のグレードで中程度のレベルで一般的です。 - シリコン：脱酸剤であり、強度にわずかに寄与します。 - 微量の合金元素（Cr、Mo、V）：意図的に存在する場合、硬化性、耐摩耗性、焼戻し安定性を改善しますが、典型的な35#/45#は高レベルに意図的に合金されることはありません。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造： - 圧延または正規化状態：フェライトとパーライトの混合物。35#（低炭素）はフェライトの割合が大きく、粗いパーライトを示します。45#はパーライト/セメンタイトの割合が高く（より層状のパーライト）、冷却に応じて一部の前共析セメンタイトを示すことがあります。 - 急冷後：同じ急冷の厳しさで、45#ではマルテンサイトの形成がより顕著です。35#もマルテンサイトを形成しますが、その程度は低く（同等の硬度を得るためにはより深い急冷または合金が必要な場合があります）。 - 焼戻し後：焼戻しマルテンサイトで、焼戻し応答は炭素によって異なります。高炭素鋼は同等の焼戻し温度でより高い硬度を保持します。
加工ルートの影響： - 正規化（オーステナイト化と空冷）は、粒子サイズを細かくし、比較的均一なフェライト+パーライトマトリックスを生成します。35#はその後、より延性が高くなる傾向があります。 - 急冷と焼戻しは強度と靭性を高めることができます。45#はより高い強度/硬度の範囲を達成できますが、脆さを避けるために慎重な焼戻しが必要です。 - 熱機械的加工と微合金添加（V、Nb、Ti）は、フェライト粒子サイズを細かくし、強いフェライト/パーライトまたはベイナイトマトリックスを生成し、炭素に依存せずに強度を増加させます。このような処理は通常、標準の35#/45#に内在するのではなく、指定されます。
4. 機械的特性
表：一般的な条件（正規化または急冷＆焼戻しの範囲が重なる）の典型的な機械的特性範囲。これらは代表的な値です — 設計のために製鉄所の証明書と熱処理記録で確認してください。
| 特性 | 35#（典型的） | 45#（典型的） |
|---|---|---|
| 引張強度（Rm） | ~500 – 700 MPa | ~600 – 800 MPa |
| 降伏強度（Rp0.2 / Re） | ~300 – 500 MPa | ~350 – 600 MPa |
| 伸び（A） | ~16 – 25% | ~10 – 18% |
| 衝撃靭性（シャルピーVノッチ、正規化状態） | 中程度；同じ熱処理下で45#より高い | 同じ処理で35#より低い；焼戻しで改善される |
| 硬度（HB） | ~150 – 220 HB | ~180 – 260 HB |
解釈： - 45#は、より高い炭素含有量により、より強く、より高い硬度と耐摩耗性を持ちます。通常、同等の条件下で延性が低下し、ノッチ靭性が低下します。 - 35#は、成形や溶接の熱サイクルに対してより延性があり、許容される傾向があります。靭性、曲げ、または冷間成形が重要な場合に好まれることが多いです。 - 最終的な特性は熱処理に強く依存します。急冷＆焼戻しされた35#は、正規化された45#の強度に近づくか、超えることができますが、硬度と耐摩耗性の能力は炭素含有量によって制約されます。
5. 溶接性
溶接性は主に炭素含有量、炭素等価（CE）、および合金に依存します。相対的な溶接性を解釈するために役立つ2つの一般的な経験的指標があります：
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
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： - より高い炭素を持つ45#は、35#よりも高い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$を持ち（他は同じ）、硬いマルテンサイト熱影響部を形成する傾向が高く、冷間割れのリスクが高くなります。これにより、45#では前加熱、制御されたインターパス温度、および溶接後の熱処理（PWHT）がより頻繁に必要になります。 - 35#は、典型的な工場の実践においてより溶接性が高いです：前加熱の要件が低く、歪みのリスクが少なく、割れの問題が少ないです。 - 合金元素（Cr、Mo）が存在する場合、硬化性が増加し、両方のグレードで溶接性がさらに低下します。その効果は、45#の炭素による基礎硬化性が高いため、増幅されます。
6. 腐食と表面保護
- 35#も45#もステンレス鋼ではなく、両方とも一般的な大気腐食や攻撃的な環境での局所的な攻撃に対して感受性があります。
- 一般的な保護戦略：熱浸漬亜鉛メッキ、電気メッキ、変換コーティング、塗装/プライマーシステム、またはポリマーオーバーレイ。選択はサービス環境、形状、およびコストに依存します。
- PREN（ピッティング耐性等価数）は、ステンレス合金に使用されるため、プレーンカーボン鋼には適用されません：
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- 腐食抵抗が設計要件である場合は、腐食抵抗性合金（ステンレス鋼）またはコーティングを使用してください。プレーンカーボン鋼の場合は、バリアおよび陰極保護方法に焦点を当ててください。
7. 製造、加工性、および成形性
- 加工性：35#は通常、硬度が低く、工具の摩耗が少ないため、45#よりも加工が容易です。ただし、加工性は熱処理と微細構造に依存します。自由切削改良（硫黄添加）は別のカテゴリです。
- 成形性と曲げ：35#は延性が高く、冷間成形性が良好です。45#は冷間成形できますが、割れの前に許容されるひずみが減少します。タイトな曲げには熱成形または焼鈍が必要な場合があります。
- 研削、仕上げ、および表面硬化：45#は、耐摩耗性を改善するために表面硬化プロセス（誘導硬化、焼入れおよび焼戻しを伴う炭素プロファイルに適合）により良く反応します。
- 寸法安定性：両方のグレードは、加工および熱処理によって導入される残留応力に注意が必要です。45#は最終用途に応じて応力除去焼鈍が必要な場合があります。
8. 典型的な用途
| 35# — 典型的な用途 | 45# — 典型的な用途 |
|---|---|
| 中程度の荷重用のシャフトや軸、延性と靭性が重要なピン、スタッド、ボルト | 重負荷のシャフト、ギア、クランクシャフト、カムシャフト、重ボルト、高硬度を必要とする摩耗部品 |
| 中程度の強度と良好な靭性のために焼戻しされる鍛造品や部品 | より高い急冷＆焼戻し強度と表面耐摩耗性を必要とする部品 |
| 頻繁に溶接される部品や、より積極的な成形が必要な部品 | より高い疲労強度と耐摩耗性を必要とする部品；曲げ疲労にさらされる部品 |
選択の理由： - 成形、溶接の容易さ、靭性が優先される場合や、コストが制約となる場合は35#を選択してください。 - より高い引張強度、表面硬度、耐摩耗性が主要な設計要件であり、製造プロセスが鋼の高い硬化性に対応できる場合は45#を選択してください。
9. コストと入手可能性
- コスト：35#は、炭素含有量が低く、同様の生産ルートのため、一般的に45#よりも若干安価です。価格差はわずかです。熱処理および仕上げコストが材料価格の差を上回ることがあります。
- 入手可能性：両方のグレードは、バー、プレート、鍛造ストックで普及しています。45#は、重負荷部品や急冷＆焼戻しの納品を必要とする用途に対してより一般的に在庫される場合がありますが、35#は一般用途の部品に一般的です。
- 製品形状：両方とも、熱間圧延バー、冷間引き抜きバー、鍛造品、プレートとして広く入手可能です。特に微合金化されたり、制御された化学組成のバリアントは、注文に応じて生産されます。
10. 概要と推奨
概要表（定性的）：
| 側面 | 35# | 45# |
|---|---|---|
| 溶接性 | より良い（低いCE） | より敏感（高いCE） |
| 強度–靭性のバランス | より延性が高く、同等の熱処理でより良い靭性 | 達成可能な強度/硬度が高い；過剰硬化の場合は延性が低下 |
| コスト | わずかに低い（材料コスト） | わずかに高い（材料 + 潜在的な加工） |
推奨： - 35#を選択する場合： - より良い製造時の延性、簡単な溶接プロセス、割れのリスクを低減する必要がある場合。 - 部品が大きな成形を受けるか、設計荷重でより高いノッチ靭性が必要な場合。 - 最大硬度や耐摩耗性よりもコストと製造の容易さが優先される場合。
- 45#を選択する場合：
- より高い強度、より大きな硬度の可能性、または改善された耐摩耗性が必要な場合（例：重負荷のシャフト、ギア）。
- 製造プロセスが適切な前加熱/PWHTおよび制御された急冷/焼戻しを含むことができ、靭性を管理できる場合。
- 疲労寿命、誘導硬化による表面硬度、または急冷＆焼戻し特性が設計要件である場合。
最終的な注意：35#と45#は一般用途の中炭素鋼です。最適な選択は、完成した部品の荷重条件、製造ルート、およびコスト制約に依存します。重要な用途の場合は、必要な熱処理、機械的特性の目標、および受入試験（UT/MT、硬度マッピング、衝撃試験）を購入文書に指定して、製鉄所と熱処理ルートが意図した性能を提供することを確認してください。